Чугун и сталь химия

ХИМИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА И СТАЛИ

Сырьем для получения железа является железные руды, основой которых могут быть оксид железа (III) (красный железняк) или феррит железа (II) F е₃ O ₄ (магнитный железняк, или магнетит, от чего происходит название явления магнетизма).

Чтобы получить металлическое железо, его надо восстановить. Учитывая огромные масштабы производства железа (в мире его производится более 500 млн. т ежегодно), восстановитель должен быть доступным и достаточно дешевым. Такими свойствами обладает углерод в виде кокса.

В современной технологии используется кокс, но непосредственным восстановителем выступает, в основном, оксид углерода (II):

Процесс восстановления проводят в специальных вертикальных печах, которые называются доменными, высотой до нескольких десятков метров и внутренним объемом (в крупных) до 5 тыс. м . Производительность доменных печей достигает 4 млн. т металла в год.

Рассмотрим основные химические реакции, протекающие в доменной печи.

При взаимодействии кокса с кислородом воздуха происходит экзотермическая реакция, которая обеспечивает энергией все другие процессы:

При этом развивается температура, выше 1600 °С, выше температуры плавления железа. Именно для интенсификации (ускорение) этой реакции подогревают воздух, который подается в домну, или обогащают его кислородом.

Далее углекислый газ восстанавливается избытком кокса:

и оксид углерода, образовавшийся восстанавливает железо.

Сталкиваясь с углеродом, жидкое железо растворяет его, в результате образуется сплав железа с достаточно большим содержанием углерода — чугун.

Основной примесью до оксидов железа в руде есть песок SiO ₂ . Эта тугоплавкая вещество остается твердым при температурах, развиваются внутри доменной печи. Чтобы превратить его в более легкоплавкую состав — шлак, в шихту вводят известняк. Происходит реакция:

Жидкий силикат кальция, образовавшегося (вместе с другими неметаллическими примесями), является жидкостью с меньшей плотностью, чем чугун. В доменной печи, таким образом, образуется два жидких слоя, что дает возможность выводить из нее поочередно жидкие чугун и шлак.

Полученный в доменном процессе чугун — твердый, но хрупкий материал, из него изготавливают детали, которые не поддаются ударам в процессе эксплуатации (маховые колеса, станины и др.).

Значительно выше потребность народного хозяйства в стали. В нее и перерабатывается основное количество производимого чугуна.

Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода. В чугуне он составляет 6% , а в стали не превышает 2%. Для удаления избыточного углерода его окисляют, добавляя к чугуну железный лом (всегда ржавый) и продувая через расплавленный чугун или над ним воздух, обогащенный кислородом. Одновременно с удалением углерода в расплав вводят примеси других металлов для получения сталей различного назначения.

Производство чугуна и стали
материал для подготовки к егэ (гиа) по химии на тему

Представленная схема поможет в подготовке к ЕГЭ и ОГЭ.

Скачать:

Вложение	Размер
pr-vo_chuguna_i_stali.docx	59.61 КБ

Предварительный просмотр:

Материал для подготовки к ЕГЭ, ОГЭ

Производство чугуна и стали

1 этап – обогащение руды

Железная руда (железняки магнитный Fe 3 O 4 , красный Fe 2 O 3 , бурый FeOOH)

Кокс (углерод, полученный при разложении каменного угля без доступа воздуха – его коксовании)

Флюсы (доломит MgCO 3 *Ca CO 3 , известняк Ca CO 3 ), необходимы для удаления примесей.

2 этап – выплавка чугуна (содержание углерода ≥ 2 % )

Процесс непрерывный, производится в доменных печах

Реакции, проходящие в доменной печи – восстановление железа из оксидов

Fe 2 O 3 + 3 C → 2 Fe + 3 CO – Q

Fe 2 O 3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO 2 + Q

Виды выплавляемых чугунов:

Содержит углерод в виде цементита(Fe 3 С), хрупкий

Переплавка в сталь

Содержит графит, менее хрупок

Изготовление радиаторов, моховых колес, скульптуры

Содержит добавки Mg, высокопрочный

Содержит добавки Mn

Раскислитель (восстановитель) в производстве стали

3 этап – выплавка стали (содержание углерода ≤ 1,9 % )

Выжигание лишнего углерода

Восстановление окисленного железа раскислителями

Fe 3 С + 2O 2 → CO + 3FeO

Mn + FeO → MnO + Fe

MnO + SiO 2 → MnSiO 3

Виды сталеплавильных печей

Особенности производства, преимущества

Периодический процесс (6-8 ч). 900 т стали за одну плавку – можно разливать в крупную форму

Периодический процесс ( 40 мин.). Суммарная производительность выше – 2 млн.т. в год

Периодический процесс. Высокая температура ≥ 3000 0 , возможно перемешивание, изменение скорости нагрева, время протекания процесса. Получение легированных сталей более высокого качества

Способы обработки стали

По теме: методические разработки, презентации и конспекты

Урок по предмету «Основы материаловедения «. Тема: «Чугуны. Классификация чугунов»

Урок изучения нового материала.

Полипредметный урок (химия, география, информатика) «Химические реакции в производстве чугуна и стали» с использованием технологии сетевого взаимодействия Web2.0.

При изучении темы «Химические реакции в производстве чугуна и стали» применялись знания учащихся по географии об основных технологических стадиях металлургического производства. Для луч.

Программа профессионального модуля. ПМ.02 Сварка и резка деталей из различных сталей, цветных металлов и их сплавов, чугунов во всех пространственных положениях

1.Паспорт программы ПМ 2.Результаты осваения ПМ3.Структура и примерное содержание ПМ4.Условия реализации программы ПМ5.Котроль и оценка результатов освоения ПМ.

ПМ.02. Сварка и резка деталей из различных сталей, цветных металлов и их сплавов, чугунов во всех пространственных положениях

Несчастный случай приключился вдр.

Урок химии 11 класс Тема: «Химико-технологические принципы промышленного получения металлов. Производство чугуна и стали»

Тип урока: Урок усвоения новых знаний.Цель урока:Образовательная – ознакомить учащихся с производством чугуна и стали, изучить химические процессы при получении стали и чугуна, .

Производство чугуна и стали

Самый большой в мире карьер, добывающий руду открытым способом, находится в Белгородской облСамый большой в мире карьер, добывающий руду открытым способом, находится в БСамый большой в мире карьер, до.

ХИМИЯ И ПРОИЗВОДСТВО (алюминия, чугуна и стали, серной кислоты, аммиака и метанола)

Цель урока: создать условия для самостоятельного применения обучающимися комплекса знаний и способа деятельности на примере химического производства. Задачи:образовательные: обобщить и систематиз.

Мир науки

Рефераты и конспекты лекций по географии, физике, химии, истории, биологии. Универсальная подготовка к ЕГЭ, ГИА, ЗНО и ДПА!

Поскольку разные металлы имеют подобный металлический связь и образуют подобные кристаллические решетки, то при переходе в расплавленное состояние они могут смешиваться друг с другом, образуя сплавы. В расплавленных металлах могут растворяться также некоторые неметаллы и сложные вещества.

Сплав — это система, состоящая минимум из двух компонентов, из которых хотя бы один является металлом.

Сплавы имеют более разнообразные свойства по сравнению с металлами, поэтому в промышленности редко используют чистые металлы. В большинстве случаев для изготовления деталей различных машин и приборов применяют сплавы. Так медь, олово, цинк — мягкие металлы, а сплав на их основе — бронза — очень твердый. Поэтому бронза с давних времен используется человеком для изготовления оружия, сельскохозяйственных орудий труда и других изделий, требующих повышенной твердости. Сплавы являются главными конструкционными материалами. Их самые свойства — жаростойкость, коррозионная стойкость, прочность, твердость и т.п. обуславливают широкое применение сплавов в технике.

Сплавы проявляют общие свойства металлов: металлический блеск, высокие электропроводность и теплопроводность. Но свойства сплавов отличаются от свойств их компонентов. Твердость сплавов больше твердость металлов, входящих в их состав. Вот почему при изготовлении золотых ювелирных изделий для прочности добавляют медь или серебро. Плотность сплава равна средней плотности металлов, входящих в его состав. Температура плавления сплава, как правило, меньше температуры плавления наиболее легкоплавкого компонента. Например, сплав, состоящий из 36% свинца (tпл = 327 ? C) и 64% олова (tпл = 232 ? C) плавится при температуре 181 ? C. Теплопроводность и электропроводность сплавов меньше, чем в некоторых металлов. При смешивании металлов часто происходит изменение цвета, например, сплав меди с никелем, который используется при чеканке монет имеет белый цвет. В наше время создаются сплавы с заранее заданными необходимыми свойствами.

По своей внутренней кристаллической структуре сплавы бывают разными: растворами, смесями или соединениями. Если атомы одного металла замещают атомы другого в узлах кристаллической решетки, то образуются твердые растворы. Это возможно, если размеры атомов отдельных металлов были близки, а типы кристаллических решеток совпадают. Примером такого сплава является мельхиор — сплав меди и никеля. Механические смеси состоят из кристаллов металлов. Если при сплавлении металлы взаимодействуют друг с другом, то образуются интерметаллических соединений. Большинство сплавов по своей структуре являются неоднородными, некоторые сплавы являются однородными (например, латунь — сплав меди и цинка).

Различают черные и цветные сплавы. Черными сплавами называют сплавы на основе железа. К ним относятся чугун и сталь. Чугуном называют сплав железа с углеродом с массовой долей углерода больше 1,7%. Чаще чугун содержит от 2,6% до 3,6% углерода. Кроме углерода, в чугуне является кремний, марганец, сера, фосфор и другие компоненты. Чугун — твердый и хрупкий материал. Его широко применяют в машиностроении для изготовления различных деталей. Сталь содержит менее 1,7% углерода. В отличие от чугуна сталь ковка. По назначению различают машиностроительную (конструкционную) и инструментальную стали. Неиржавна сталь устойчива к коррозии. Сталь и чугун являются важнейшими сплавами современной техники. Объемы производства этих железоуглеродистых сплавов превышают производство всех других металлов вместе взятых более чем в десять раз.

Алюминиевые сплавы легкие, обладают высокими электро-и теплопроводность, коррозионную стойкость, прочность. Их применяют как конструкционные материалы в авиации, строительстве, машиностроении, электротехнике. Сплавы на основе магния присущи легкость, прочность, коррозионная стойкость, поэтому их используют в автомобилестроении, для изготовления штампованных изделий сложной формы. Титановые сплавы применяют в авиации, ракетостроении для изготовления химической аппаратуры, а также в медицине. Медные сплавы прочны, обладают высокой электропроводностью, коррозионную стойкость, пластичность. Из них изготавливают трубы, различные аппараты и детали, художественные изделия и скульптуры.

В XXI веке металлы и сплавы остаются самыми распространенными материалами, которые применяются в различных отраслях.

Описание состава сплава чугуна и отличие его от стали

Чугун — это сплав железа с углеродом. По процентному содержанию железа содержится более 90%. Количество углерода колеблется в пределах 2,14- 6,67%. Благодаря этому элементу материал имеет высокую твердость, но появляется хрупкость. Это влечет ухудшение ковкости и пластичности. В некоторые виды для улучшения характеристики добавляются легирующие элементы: алюминий, хром, ванадий, никель.

Характеристика видов углеродистого металла

Диаграмма железо-углерод показывает, из чего состоит чугун. Кроме железа, присутствует углерод в виде графита и цементита.

Состав сплава чугуна имеет разновидности:

Половинчатый. Обладает повышенной хрупкостью, поэтому не нашел широкого применения. Серый. ГОСТ 1412–85 указывает, какой процент примесей содержит в своем составе этот металл: 3,5% углерода, 0,8% марганца, 0,3% фосфора, 0,12% серы и до 2,5% кремния. Присутствующий в пластинчатой форме углерод создает низкую ударную вязкость. Характеристика вида указывает, что на сжатие материал работает лучше, чем на растяжение. При достаточном нагреве обладает неплохой свариваемостью.
Ковкий. Ферритовая основа такого вида обеспечивает ему высокую пластичность. В изломе имеет черный, бархатистый цвет. Получается из белого, который томится длительное время при температуре 800−950 градусов.
Высокопрочный. Отличие от других видов заключается в присутствии графита шаровидной формы. Получается из серого после добавления в него магния.

Индивидуальные свойства металла

Материал характеризуется определенными характеристиками. К ним относятся:

Тепловые. Теплопроводность позволяет аккумулировать тепло и удерживать, распространяя его равномерно во все стороны. Это используется при изготовлении сковородок или батарей для отопления.
Механические. Эти характеристики меняются в зависимости от графитовой основы. Наиболее прочный — серый чугун, имеющий перлитовую основу. Материал с ферритовой составляющей более ковкий.

В зависимости от наличия примесей появляется разница в свойствах материала.

К таким элементам относятся сера, фосфор, кремний, марганец:

Сера уменьшает текучесть металла.
Фосфор понижает прочность, но позволяет изготавливать изделия сложной формы.
Кремний увеличивает текучесть материала, снижая его температуру плавления.
Марганец дает прочность, но понижает текучесть.

Различия между чугуном и сталью

Чтобы понять, чем отличается сталь от чугуна, нужно рассмотреть их характеристики. Отличительной особенностью чугуна является количество углерода. Минимальное содержание его составляет 2,14%. Это основной показатель, по которому можно отличить этот материал от стали.

Содержание железа в стали составляет 45%, а процентное содержание углерода до 2. Для определения различий на глаз нужно обратить внимание на цвет. Сталь имеет светлый оттенок, а чугун темный.

Определить же процентное содержание примесей может только химический анализ. Если сравнивать температуру плавления чугуна и стали, то у чугуна она ниже и составляет 1150−1250 градусов. У стали — в районе 1500.

Чтобы отличить материал, нужно провести следующие действия:

Изделие опускается в воду и определяется объем вытесненной воды. У чугуна плотность меньше. Она составляет 7,2г/см3. У стали — 7,7−7,9 г / см3 .
К поверхности прикладывается магнит, который к стали притягивается лучше.
При помощи шлифовальной машинки или напильника натирается стружка. Затем она собирается в бумагу и вытирается об нее. Сталь не оставит следов.

Плюсы и минусы материала

Как и любой материал, чугун имеет положительные и отрицательнее стороны. К положительным качествам относятся:

некоторые виды обладают высокой прочностью;
возможность длительное время сохранять температуру;
экологическая чистота, что позволяет изготавливать из него посуду;
стойкость к кислотно-щелочной среде;
высокая гигиеничность;
длительный срок эксплуатации и долговечность;
безвредность материала.

Однако и минусы тоже присутствуют. К ним относятся:

при длительном нахождении в воде поверхность покрывается ржавчиной;
высокая стоимость материала;
низкая пластичность серого вида чугуна;
хрупкость.

Чугун — это металл, который характеризуется высоким содержанием углерода. Благодаря этому у него присутствуют качества, которые бывают необходимы для промышленных и бытовых целей.