Наиболее оптимальный метод плавления металлов

Обновлено: 13.05.2024

Дуговая плавка металла в электрических печах является самым совершенным способом ее производства. Угар металла и, особенно, легирующих элементов при выплавке стали в электрических печах значительно меньше, чем при других способах ее производства. В электрических печах можно выплавлять стали высочайшего качества, поэтому в наше время в них выплавляют большинство марок легированных сталей.

Исходные материалы для плавки стали в электрических печах такие:

стальной лом,
чугун,
железная руда,
флюсы,
раскислители,
ферросплавы.

Основной вид сырья — это лом углеродистых и легированных сталей. Чугун составляет 5-10% всей шихты. Железную руду используют ограничено — для окисления примесей в металле. Как флюс в основных печах применяется свежее выпаленная известь, а в кислых — кварцевый песок. Раскислители и ферросплавы применяют такие же, как и при производстве стали в мартеновских печах.

Подготовительный этап перед плавлением

Крупные организации, специализирующиеся на переработке металлолома, автоматизируют процесс отбора и сортировки, что значительно ускоряет его. С этой целью используют погрузочную технику. Химический состав определяется при оценке качества и внешнего вида металлического лома, а также по факту наличия примесей легирующих и углеродных включений. Известно, что ломкость стали, при воздействии высоких или низких температур, обуславливают примеси серы, кремния или фосфора. Следовательно, их обязательно определяют, чтобы в процессе переплавки выжечь с помощью специальных присадок.

В подготовительном процессе для формирования нужной формы и размера используют следующие виды оборудования:

плазморез;
механизированные резаки;
шредеры для измельчения листов черного металлолома;
прессовочное оборудование;
устройство для пакетирования.

Строение электрических печей для плавки металла

Электродуговая плавка металла производится в электропечи вместимостью от 0,5 до 200 т. Разрабатываются печи на 300 и 400 т. Принципиальная схема устройства дуговой электрической печи показана на рис. 1.

Корпус печи имеет форму цилиндра со сферическим или плоским днищем. Внешне он имеет защитный кожух из стального листа толщиной 10…40 мм, внутренняя поверхность футерована основными или кислыми огнеупорами. Угольные или графитовые электроды пропускаются через отверстия в своде печи. В стенке корпуса имеется рабочее окно, через которое сливают шлак, загружают ферросплавы, отбирают пробы металла.

Применяют два типа сталеплавильных электропечей: дуговые, и индукционные высокой частоты. Дуговые печи, в которых шихтовые материалы расплавляются теплом электрической дуги, наиболее распространенные благодаря высокому коэффициенту полезного действия, возможности выплавлять в них стали различных марок, простоте строения и удобства обслуживания.

Футеруют печи основными или кислыми огнеупорными материалами. Более распространены печи с основной футеровкой, так как в них можно удалять из жидких сталей серу и фосфор. Современные электродуговые печи оборудованы специальными устройствами, чтобы подводить кислород, используемый для окисления примесей во время плавления стали.

Технология плавки стали в основной дуговой электропечи

В зависимости от состава шихты в электрических печах с основной футеровкой можно плавить сталь тремя методами:

с полным окислением примесей,
с частичным их окислением,
без окисления.

Расплавленный металл

К металлам относятся элементы, атомы которых имеют небольшое число сравнительно легко отделяемых валентных электронов. В твёрдых металлах между атомами возникают значительные силы взаимодействия, превращающие атомы в катионы, которые размещаются в узлах кристаллической решетки. Валентные электроны перестают принадлежать каждому атому в отдельности. Непрерывно переходя от одного атома к другому, они осуществляют связь между катионами в кристаллической решетке. Наличием таких свободных электронов объясняются специфические свойства металлов (электропроводность, теплопроводность и др.).

Жидкие металлы, не сильно перегретые выше температуры плавления, имеют примерно такую же электро- и теплопроводность, как кристаллы. Это даёт основание считать, что жидкие металлы, так же как и твёрдые представляют собой системы, состоящие из положительных ионов и свободных электронов. Однако в расплавах дальнейший порядок разрушен.

Чёрные металлы, получаемые в производственных процессах, содержат различные примеси. По форме существования в железе примеси можно разбить на следующие группы:

1. Марганец, хром, никель и др.

К этой группе относятся металлы, у которых атомные радиусы отличаются от атомного радиуса железа не более, чем на 10…15%. Они расположены с железом в одной или смежных группах периодической системы. Эти примеси обладают неограниченной растворимостью в жидком железе и высокой (часто неограниченной) в твёрдом. Они образуют с железом твёрдые растворы замещения, занимая часть узлов кристаллической решетки растворителя, и отдают свои валентные электроны, превращаясь в катионы. Поэтому считают, что в расплаве марганец, хром, никель и подобные им элементы находятся в таком же состоянии, как железо.

2. Углерод, азот, водород.

Элементы данной группы, как в твёрдых растворах, так и в соединениях находятся в металлическом состоянии, о чем, в частности, свидетельствует высокая электропроводность фаз внедрения, такого же порядка, как у соответствующих металлов. Следовательно, и в расплавах углерод, азот и водород находятся, вероятно, в металлическом состоянии.

3. Кремний, фосфор.

Эти элементы неограниченно растворимы в жидком железе, имеют значительную растворимость в твёрдом железе ( до 19% Si

При 50 ат. % Si

и 33,3 ат. %
Р
образуются прочные соединения – силицид железа
FeSi
, и фосфид железа
Fe
2
Р
, которые сохраняются и расплаве.

4. Кислород, сера.

Обладают очень малой растворимостью в твердом железе (менее 0,01 % О

и менее 0,015 %
S
). В жидком железе кислород растворяется ограниченно (~0,23 % при 1600 ºС), сера — неограниченно. С железом эти элементы образуют прочные соединения — оксиды и сульфиды. Разница в электроотрицательности у железа и кислорода больше, чем у железа и серы. В кристаллах оксидов преобладает ионная связь, а у сульфидов повышена доля ковалентности. Растворение кислорода и серы в жидким железе тоже сопровождается значительным химическим взаимодействием. Исследования показывают, что в расплаве железа кислород и сера присутствуют в одноатомном состоянии. В расплаве железа молекулы
FeO
отсутствуют.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАСТВОРОВ

Вакуумно-дуговая, плазмо-дуговая и электронно-лучевая переплавка

Вакуумно-дуговую переплавку (ВДП) проводят в вакуумных дуговых печах с электродом 6, что переплавляется (рис. 4, б), при этом слиток 3 образуется, как и в охлаждаемом водой кристаллизаторе 2. В корпусе 7 печи поддерживается вакуум около 1,5 Па, что способствует качественному очищению металла от газов, а направлена кристаллизация обеспечивает удаление неметаллических примесей, образование плотной структуры и исключает образование усадочной раковины. Вместимость печей для ВДП достигает 60 т.

а — электрошлаковая;
б — вакуумно-дуговая;
в – плазмо-дуговая;
г — электронно-лучевая;

— охлаждаемый водой поддон;
— кристаллизатор;
— слиток;
— металлическая ванна;
— расплавленный шлак;
— заготовка (электрод);
— вакуумная камера;
— плазмотрон;
— электронная пушка;
— устройство для извлечения слитка.

Плазмо-дуговую переплавку (ПДП) применяют для производства сталей и сплавов особо высокой чистоты. Источником нагрева является плазменная дуга с температурой 10 000-15 000 °С (рис. 4, в).

Переплавка производится в вакуумных установках, подобных тем, что используются для ПДП при остаточном давлении 0,001 Па (рис. 4, г).

Руда, кокс и домна = чугун

Всем нам хорошо известно со школьной скамьи, что любой металл добывают из руды. Руда есть не что иное, как горная порода с высоким содержанием необходимого нам металла. Впрочем, в природе в чистом виде встречаются только золото и редкоземельные металлы, которые не окисляются и могут сохраняться в виде чистых металлов неограниченные промежутки времени. Все остальные металлы находятся в руде в виде различных соединений. Чаще всего это оксиды.

Железная руда – не исключение. Она состоит практически целиком из оксида железа Fe2O3 с добавлением посторонних примесей и пустой породы. По сути – это есть грязная ржавчина. И в чистом виде руду в доменную печь отправлять нельзя. Полученный металл будет очень низкого качества, а основным продуктом печи станет шлак.

Для того чтобы руда стала пригодной для загрузки в плавильную печь, её обогащают на горно-обогатительном комбинате. В старые времена руда была с высоким содержанием железа. На сегодняшний день мы практически вынуждены перерабатывать старые отвалы и перерабатывать руду с малым содержанием железа, что, безусловно, сказывается на стоимости стали.

При обогащении руда проходит множество стадий очистки от посторонних примесей. На выходе из цехов ГОК получаются окатыши с высоким содержанием оксида железа, готовые к загрузке в печь. Как правило, ГОК и сталелитейный комбинат находятся в одном месте, чтобы снизить затраты на транспортировку окатышей.

Второй компонент, необходимый для плавки металла – кокс, который является твердым топливом и источником моноксида углерода, посредством которого и восстанавливается железо из оксида в два этапа. Кокс – это каменный уголь, прошедший пиролиз. Изначально в качестве топлива и источника угарного газа применяли древесный уголь. Он получается путем пиролиза древесины, но древесный уголь слишком дорог и непригоден для промышленного производства металла. Хотя древесный уголь лишен посторонних примесей, которыми насыщен обычный каменный уголь. Чтобы очистить каменный уголь от газов и примесей его тоже стали подвергать пиролизу – то есть, нагреву без доступа воздуха с отводом образующихся газов. В результате получается кокс – чистое топливо, пригодное для плавки металлов. Для получения кокса подходят не все марки угля, а только так называемые коксующиеся угли. Кокс на сталелитейный завод может поступать за тысячи километров, так как практически никогда не бывает того, чтобы уголь и руда залегали в одном месте.

Третий элемент, необходимый для получения металла – доменная печь. Это грандиозное сооружение было придумано еще в 14 веке, но тогда она не имела таких размеров как сейчас. Однако принцип действия древней печи и современной одинаков – восстановление железа из оксида под действием монооксида углерода при высокой температуре.

Доменная печь может работать непрерывно сколь угодно долго. Во всяком случае, пока в неё загружают шихту и кокс, а её футеровка не нарушена настолько, что требует ремонта. Это сооружение представляет собой шахтовую печь с минимальной высотой около 35 метров, в которой имеется несколько зон. Самая нижняя зона – это горн, в котором собирается жидкий чугун, над ним расположены заплечики. Это высокотемпературная часть печи. Выше расположен распар – зона восстановления FeO, где из окиси железа под действием высокой температуры и угарного газа выделяется в виде капель жидкого металла железо и стекает в горн, где окончательно расплавляется. Ещё выше расположена зона восстановления Fe2O3– это так называемая шахта, в которой температура ниже, но под действием угарного газа происходит первый этап восстановления железа из оксида в окись. В самой верхней части доменной печи расположен колошник – устройство, в котором разделяются доменные газы и через которое загружают шихту. Загрузка шихты – смеси в определенных пропорциях руды, кокса и различных вспомогательных добавок в современных печах происходит автоматически, а раньше для этого использовался ручной труд. Важно понимать, что даже самая маленькая доменная печь вмещает не менее 300 тонн шихты. И загрузить их вручную достаточно проблематично, а ведь эту массу нужно постоянно поддерживать, чтобы печь не остывала. Современные доменные печи имеют объемы загрузки более 12 тысяч тонн. Естественно, что вручную такую массу загрузить невозможно.

В нижней части печи имеются летки для выпуска расплавленного металла и слива шлаков, а так же фурмы для подачи подогретого воздуха. Для обеспечения нормального режима работы печи воздух должен быть подогрет до температуры 1100 – 1200 градусов. При такой температуре важно, чтобы сопла фурм не повело. Для этого внутри них циркулирует охлаждающая жидкость.

Горновая часть доменной печи имеет многослойную футеровку, которая тоже охлаждается проложенным внутри контуром. А сама печь опирается на фундамент из железобетона толщиной 4 метра. Поддерживают печь в вертикальном положении стальные колонны.

По мере того как в горновой части скапливается достаточное количество жидкого металла, его сливают, выбивая пробку в летке горна. Металл отводится от печи по каналам и поступает в термостатированные емкости для дальнейшей транспортировки по технологической цепочке. Доменные шлаки могут спускать как через летку для металла, так и через специальные шлаковые летки. Шлаки в расплавленном виде вывозят на специально оборудованную площадку и там сливают. В дальнейшем шлаки перерабатывают в минеральную вату, так как они по большей части представляют собой минеральную основу.

Из доменной печи выходит чугун. Его свойства далеки от требуемых, так как он содержит слишком много углерода, вкрапления фосфора и серы. Чтобы получить из него сталь, требуется выжечь лишнее и ввести легирующие присадки. Тогда получится сталь с требуемыми характеристиками. Все это происходит в мартеновском или кислородно-конвертерном цехах.

Способы плавки металла

Конвертерная плавка нержавеющей стали проводится с донным воздушным дутьем (бессемеровский и томасовский метод), а также с продувкой кислородом сверху и снизу. Кислород воздуха окисляет примеси, в результате чего чугун превращается в сталь. Тепло, выделяющееся при окислении, нагревает расплав до температуры 1600 °C.

1. Бессемеровский метод

Кислая футеровка конвертера, разработанная английским инженером. Бессемером в средине XIX века, позволяет переплавлять обогащённый кремнием чугун с минимальным содержанием фосфора и серы. Футеровка бессемеровского конвертера кислая — динасовый кирпич. В конвертер заливают чугун (0,7−1,2%Si), разогретый до 1250 — 1300 °C и продувают его воздухом. Происходит окисление кремния, углерода и марганца, а из окислов формируется кислый шлак. После этого продувку заканчивают. Металл сливают в ковш, одновременно раскисляя его. Поскольку шлак кислый, сера и фосфор не удаляются.

2. Томасовский метод

Томасовский метод предложен С. Томасом в конце XIX века для переработки чугуна обогащенного фосфором. Внутренняя. Футеровка томасовского конвертера — основная (смоло-доломитовая). Снизу к кожуху конвертера крепиться воздушная коробка. Дутье через фурмы (сопла) поступает внутрь конвертера. В конвертер загружают известь, формирующая основной шлак. Затем заливают чугун (0,3 — 0,5%Si, 1,6 — 2,0%P; <0,08%S;), разогретый до 1250°C и продувают воздухом. Происходит окисление кремния, углерода и марганца а. в образующийся шлак удаляются сера и фосфор. Продувку заканчивают, когда содержание фосфора в металле снизится в 30 раз.

Этим методам присущ общий недостаток — насыщение стали азотом, который попадает в расплав из воздуха во время продувки металла. Поэтому томасовская и бессемеровская и сталь более хрупкая и склонная к старению. Поэтому в настоящее время эти методы были вытеснены кислородно-конвертерной плавкой с верхней и нижней подачей дутья.

3. Кислородный конвертер

Используется конвертер с основной футеровкой и продувкой кислородом через охлаждаемую водой фурму. В России используют подачу кислорода сверху. Используются следующие шихтовые материалы:

жидкий передельный чугун;
металлолом;
шлакообразующие (известь, полевой шпат, железная руда, бокситы).

Перед плавкой в конвертер загружают металлолом (скрап) и заливают чугун, нагретый до 1300−1400°C. После этого в конвертер вводят водоохлаждаемую фурму и через нее подают кислород. С началом продувки в конвертер засыпают известь, бокситы, железную руду. Кислород вызывает циркуляцию и перемешивание металла со шлаком, окисляет марганец, кремний, углерод. Интенсивное окисление разогревает смесь. Фосфор связывается FeO и CaO Если фосфора более 0,15%, для его удаления необходимо сливать шлак и наводить новый. Удаление серы в шлак проходит в течении всей плавки. Подачу кислорода оканчивают, когда содержание углерода в металле соответствует заданному. После этого вводят в ковш раскислители и легирующие добавки. Длительность плавки в конвертере емкостью 50 — 350 тонн — менее часа.

4. Плавка в конвертере с донной продувкой.

В конвертер загружают стальной лом и заливают жидкий чугун. Во время заливки конвертер лежит почти горизонтально, чтобы жидкий чугун не залил фурм, через которые в это время продувают азот или воздух, вдувают порошкообразную известь иногда с добавкой плавикового шпата. Затем включают кислород, и конвертер переводят в вертикальное положение. Продувка окисляет кремний, углерод, марганец. Формируется шлак, в который переходит фосфор и сера. Продувку завершают при заданном содержании углерода в металле. Обезуглероживания протекает более интенсивно из-за перемешивания ванны и более полного усвоения кислорода.

Производство нержавеющей и жаропрочной стали методом переплава. Кислородная плавка

Сегодня производство аустенитной нержавеющей и жаропрочной стали основано на методе переплава с продувкой кислородом. Это обеспечивает оптимальное растворение легирующих элементов, содержащихся в шихте. Следует учесть, что в дуговых печах плавка без окисления приводит к науглероживанию металла электродами, что требует, минимального исходного содержания углерода. Это ограничивает использование высоколегированных отходов и вынуждает включать в состав шихты малоуглеродистое и очищенное от примесей фосфора и серы мягкое железо, что повышает себестоимость конечного продукта.

Кислородные плавки исключают использование высоко-хромистых отходов, так как при аналогичном сродстве к кислороду хрома и углерода трудно окислить углерод, не окисляя одновременно хром. Но сродство к кислороду у углерода и хрома меняется по-разному с изменением температуры: с повышением температуры сродство хрома к кислороду уменьшается, а сродство углерода возрастает. Поэтому чем выше температура, тем активнее окисляется и выводится с печным газом углерод при неизменном содержании хрома.

Роль кислорода

Использование газообразного кислорода позволяет эффективно повысить температуру металла и окислять углерод. Из практики известно, что для обычной температуры плавки стали достичь 0,1% содержания углерода можно лишь в случае наличия в металле менее 3% хрома. Но если t° 1800 °C, то целевая концентрация углерода достигается при содержании хрома 15%. Окисление газообразным кислородом углерода при повышенной температуре позволяет достичь его оптимальной концентрации в химическом составе стали и использовать в завалку неограниченное количество высокохромистых отходов, Повышенное содержание углерода в шихте не препятствует получению низкоуглеродистого металла. А содержание хрома в шихте будет определять только процент углерода в готовой стали и температура плавки в конце продувки.

Наполнение завалки. Хром, никель, молибден

Для получения 13−14% Cr — в завалке может быть до 70% отходов стали. Для защиты хрома от окисления и более быстрого повышения температуры ванны во время продувки — важно, чтобы в завалке содержалось 0,7−0,9% Si. Недостающее количество кремния вводят в виде ферросилиция, силикохрома, или отходов кремнистых марок стали. Недостающую часть молибдена включают в завалку в виде ферромолибдена. А необходимое количество никеля вводят в завалку в виде никелевых сплавов, металлического никеля, или закиси никеля.

Кремний и фосфор

Трансформаторная сталь содержит 3−4% Si, поэтому в завалку желательно вводить 20−25% отходов трансформаторной стали. Это вносит в завалку необходимое количество кремния, что позволяет отказаться от использования более дорогих кремнистых сплавов. Кроме того, трансформаторная сталь содержит очень мало фосфора, что гарантирует оптимальный состав по фосфору. При отсутствии отходов трансформаторной стали в завалку для разбавления фосфора необходимо вводить отходы малофосфористых углеродистых сталей.

Углерод

Для хорошей дегазации металла во время кипения — шихта должна вносить не менее 0,3% углерода. Если необходимо, для науглероживания используют электродный бой или кокс. На подину, кроме того, присаживают известь (0,5−1,0%) и иногда для уменьшения угара хрома — 0,5% хромистой руды

Продувка

Продувку ванны кислородом начинают после расплавления ¾ шихты. Это позволяет ускорить плавление и уменьшить расход электроэнергии. Более ранняя продувка сопряжена с большим угаром хрома. Продувку ведут на включенной печи для ускорения нагрева ванны. За счет тепла экзотермических реакций окисления кремния, хрома и температура ванны быстро возрастает. При определенной температуре начинается окисление углерода — из печи появляется свертящееся пламя. После этого печь отключают, отбирают пробу на химический анализ и продолжают продувку ванны до получения необходимого содержания углерода.

Температура

При продувке температура ванны может превысить 1800 °C. Такая высокая температура нарушает стойкость футеровки печи. Поэтому после окончания продувки ванну быстро раскисляют ферромарганцем и присаживают расчетное количество подогретого докрасна феррохрома. Для более быстрого охлаждения металла иногда дополнительно присаживают до 5% чистых отходов стали выплавляемой марки.

К концу продувки шлак обычно содержит до 30% окислов хрома и марганца, до 20% окислов кремния, железа и кальция, до 10% окислов марганца и алюминия. Высокое содержание тугоплавких окислов хрома делает шлак гетерогенным. Для восстановления хрома из шлака его обрабатывают порошком силикохрома или ферросилиция, Раскисление силикохромом предпочтительнее, так как при этом сталь легируется хромом. Если при раскислении в шлак не давать дополнительно извести, то в печи сформируется кислый шлак с pH 0,6−0,8. Накопление окиси кремния в шлаке замедляет восстановление хрома кремнием.

Кислород

Связать кислород в окислах хрома можно присадками извести. Са способствует восстановлению хрома кремнием. Но присадки извести увеличивают количество шлака, что даже при низком содержании окислов хрома в шлаке может явиться причиной больших потерь хрома со шлаком. Поэтому нецелесообразно, чтобы pH шлака была более 1,5−1,6.

Результаты испытаний

После выплавки и обработки металла проводится различные виды механических испытаний для определения качества полученного продукта и его соответствия требованиям отечественных и международных стандартов. Так, результаты испытаний металлов на растяжение позволяют определить их предел упругости. Данный параметр относится к механическим характеристикам и является очень важным элементов в расчетах при возведении конструкций разных типов сложности. От того насколько высоким является показатель предела прочности металла при растяжении зависит сфера его применения.

Твердость

Еще одним видом контроля полученной стали выступают способы испытания металлов на твердость с помощью вдавливания «индентора». Полученные при исследовании результаты относят к физическим характеристикам стали и, как правило, используют шкалы Роквелла или Бринелля.

Сведения о прокате

Кроме того, существуют химические испытания металлов призваны определить состав сплава с точки зрения количества и качества имеющихся элементов. А также циклические испытания металлов, основанные на приложение разных нагрузок для установления их выносливости. Дополнительно общие сведения о прокате металла говорят о том, что помимо названных способов исследований характеристик выплавленного металла на производстве применяют испытания на:

Поставщик

Поставщик «Ауремо» предлагает купить стальной прокат на выгодных условиях. Большой выбор на складе. Соответствие ГОСТ и международным стандартам качества. Всегда в наличии стальной прокат, цена — оптимальная от поставщика. Купить стальной прокат сегодня. Оптовым заказчикам цена — льготная.

Купить, выгодная цена

Поставщик «Ауремо» предлагает на выгодных условиях купить стальной прокат, цена — обусловлена технологическими особенностями производства без включения дополнительных затрат. На сайте компании отображена самая оперативная информация о товарах, есть каталог продукции и прайс-листы. Под заказ можно купить стальной прокат нестандартных параметров. Цена заказа зависит от объема и дополнительных условий поставки. Поставщик «Ауремо» приглашает купить стальной прокат оптом или в рассрочку. У нас наилучшее соотношение цена-качество на весь ряд продукции. В данном сегменте компания «Ауремо» — выгодный поставщик. Купить стальной прокат сегодня. Лучшая цена от поставщика. Ждем ваших заказов.

Применение металлов и их сплавов

Плавление – процесс перехода из твердого состояния в жидкое. Он происходит под воздействием тепла, но зависит еще от ряда физических факторов, например от давления. Важную роль в том, насколько легко и тяжело вещество поддается плавлению, также играет его состав, размер кристаллов в решетке и прочность связей между атомами.

Температура плавления металлов очень разнится и может иметь даже минусовые значения. Она колеблется от -39 до +3410 градусов Цельсия. Тяжелее всего в жидкость превращаются молибден, вольфрам, хром, титан. Для этого процесса их требуется нагреть до температуры не менее 2000 градусов.

Наиболее легкоплавкими металлами являются галлий, ртуть, литий, олово, свинец, цинк, индий, висмут, таллий. Подробнее о некоторых из них читайте далее.

Использование самого легкоплавкого металла в быту

Несмотря на токсичность, человечество до сих пор не может отказаться от ртути.

Хорошая электропроводимость делает ее незаменимой в энергосберегающих лампах, паровых турбинах, вакуумных и диффузных насосах. Умение реагировать на малейшие колебания температуры и давления используется в барометрах и термометрах.

Батарейки, энергосберегающие лампы, аккумуляторы, контакты выключателей — везде содержится этот высокоионизированный металл. В градуснике находится от 1 до 2 гр этого металла (в стандартных российских 1 гр). Но и эти несколько граммов полностью испарятся из помещения только в течение 20 лет. При концентрации менее 0,25 мгм3 ртуть оседает в легких. При более высоких дозах организм начинает впитывать яд через кожу. Мужчины менее чувствительны к парам, чем дети и женщины.

Вы можете найти ртуть в холодильнике, стиральной машине и кондиционере. Сельское хозяйство чаще всего использует соли ртути в составе пестицидов. Взрывчатка содержит фульминат ртути, антисептики — сульфат.

Фульминат ртути (взрывчатое вещество)

Не могут отказаться от ртути при окрашивании бортов корабля. Морские микроорганизмы всегда селятся там и существенно разрушают обшивку. Только краска на основе «серебряной воды» помогает сохранить судно.

Покраска судна

Человечество с самых древних времен использовало ртуть для добычи из руды драгоценных металлов. Ртуть создает сплавы со всеми металлами (амальгамация) и только благодаря ей добыча серебра и золота в Мексике конкистадорами, начиная XVI века, достигла таких впечатляющих размеров и изменила весь мир.

Добыча золота ртутью

Никогда ртуть не транспортируют в самолетах, причем дело не в токсичности. Ртуть хорошо вступает в контакт со всеми металлами, делая их ломкими. Особенно это касается алюминиевых сплавов — случайная авария может повредить самолет.

Ртуть

Полезный во многих сферах, но ядовитый металл был известен еще до нашей эры. Ртуть использовали античные и средневековые медики для лечения венерических и многих других заболеваний, алхимики пытались сделать из нее золото. Сегодня она применяется в электротехнике, приборостроении и органической химии.

Руть – это наиболее легкоплавкий металл на планете. При нормальных комнатных условиях она всегда жидкая, так как температура ее плавления составляет -39 градуса. Ее пары очень опасны, поэтому ртуть содержат только в контейнерах и специальных стеклянных колбах. На организм она действует как яд, отравляя его и выводя из строя нервную, иммунную, дыхательную и пищеварительную системы.

Галлий

Вторым в списке наиболее легкоплавких металлов находится галлий. Он становится жидкостью при температуре выше 29,5 градусов Цельсия, и размягчить его можно просто подержав немного в руках. При нормальных условиях галлий очень хрупкий, легко поддается механическому воздействию и окрашен в светло-серебристый, несколько голубоватый оттенок.

Металл очень рассеян в земной коре и не встречается в виде самородков. В природе его находят в составе различных минералов, таких как гранат, мусковит, турмалин, хлорит, полевой шпат. Кроме того, он содержится в морской воде. Галлий используют в высокочастотной электронике, для изготовления зеркал и различных сплавов.

Самый токсичный металл

Ртути принадлежит высочайшая степень токсичности. Это самый ядовитый из всех нерадиоактивных элементов на планете, который начинает распространять свои пары при комнатной температуре. Если рядом присутствует человек, происходит поражение пищеварения, легких и нервной системы, причём первые признаки интоксикации наступают очень быстро, через 8 часов.

Симптомы отравления ртутью

И даже воздействие небольших доз, но длительный период, способно проявить себя в виде хронических заболеваний. Нервная система в первую очередь реагирует раздражением, недосыпанием, головными болями и быстрой усталостью. Выводится ртуть через почки. Начинаются частые позывы к мочеиспусканию, повышение температуры, рвота, слабость, тошнота, дрожь в теле.

Самая известная экологическая трагедия XX века, болезнь Минамата, вызвана отравлением метилртутью. Промышленное загрязнение бухты этого японского города в 1956 году привело к 3 тыс. жертв.

Люди всегда знали о токсических свойствах ртути. Например, при изготовлении фетровых шляп использовались ртутные соединения, но другого способа тогда не было. У мастеров часто развивались поражения нервной системы и слабоумие. Поэтому безумный Шляпник, описанный Льюисом Кэрроллом в «Алисе в стране чудес», совсем не выдуманный персонаж.

Безумный Шляпник из «Алисы в стране чудес»

В обычной жизни пищевые отравления грозят любителям морепродуктов. Ртуть содержится и растворяется в морской воде, накапливаясь в организмах его обитателей.

Симптомы хронического отравления часто встречаются в прибрежных районах по всему миру. Особенно страдают беременные и дети, у которых это основная пища. Умеренная олигофрения диагностируется там намного чаще, чем у тех групп, где морская рыба не является основным источником питания.

Хищники, поедая мелочь, сохраняют и приумножает отраву в своих организмах. У каждой четвертой выловленной рыбы содержание металла превышает допустимые пределы. Особенно много его в тунце и лобстере. Экологи бьют тревогу, а компании по производству рыбных продуктов открещиваются. И никакая тепловая обработка не делает мясо менее токсичным.

Индий

В качестве простого вещества индий очень светлый, ковкий и мягкий настолько, что даже оставляет след, если им провести по бумаге. Он также является одним из наиболее легкоплавких металлов, но воздействуют на него только температуры выше 157 °C. Закипает он при 2072 градусах.

Как и галлий, индий не образует собственных месторождений, но содержится в различных рудах. Благодаря своей рассеяности в природе металл довольно дорогой. Его применяют в микроэлектронике, для изготовления легкоплавких сплавов, припоев, жидкокристаллических экранов для техники.

Олово

Олово плавится от температуры выше 231 градуса по Цельсию. Это пластичный и мягкий металл, светло-серебристого цвета. Оно существует четырех аллотропных модификациях, две из них появляются только при высоком давлении.

Олово довольно рассеяно в природе, но может образовывать собственные минералы, например, станнин и касситерит. Его используют в качестве покрытия для металлов для усиления их устойчивости к коррозии, а также для производства жести, фольги, разнообразных сплавов, посуды и деталей для музыкальных инструментов.

Литий

Литий – наиболее легкоплавкий металл, который становится жидкостью при температуре 180 градусов. Он мягкий, хорошо поддается ковке и механической обработке. Он относится к щелочным металлам, но проявляет активность гораздо хуже остальных представителей группы. Он медленно реагирует с влажным воздухом, а в сухой атмосфере остается практически стабильным

Металл встречается в сподумене, лепидолите, в месторождениях с оловом, висмутом и вольфрамом, содержится в морской воде и в звездных космических объектах. Литий часто используется для изготовления гальванических элементов, аккумуляторов, применяют в качестве окислителя, а также в пиротехнике. В сплавах с кадмием, медью и алюминием используется в космической, военной и авиационной технике.

Таблица характеристик

Металлы и сплавы — непременная основа для ковки, литейного производства, ювелирной продукции и многих других сфер производства. Чтобы не делал мастер (ювелирные украшения из золота, ограды из чугуна, ножи из стали или браслеты из меди), для правильной работы ему необходимо знать температуры, при которых плавится тот или иной элемент.

Читать также: Флюсы для плавки латуни

Чтобы узнать этот параметр, нужно обратиться к таблице. В таблице также можно найти и градус кипения.

Среди наиболее часто применяемых в быту элементов показатели температуры плавления такие:

алюминий — 660 °C;
температура плавления меди — 1083 °C;
температура плавления золота — 1063 °C;
серебро — 960 °C;
олово — 232 °C. Олово часто используют при пайке, так как температура работающего паяльника составляет как раз 250–400 градусов;
свинец — 327 °C;
температура плавления железо — 1539 °C;
температура плавления стали (сплав железа и углерода) — от 1300 °C до 1500 °C. Она колеблется в зависимости от насыщенности стали компонентами;
температура плавления чугуна (также сплав железа и углерода) — от 1100 °C до 1300 °C;
ртуть — -38,9 °C.

Как понятно из этой части таблицы, самый легкоплавкий металл — ртуть, которая при плюсовых температурах уже находится в жидком состоянии.

Градус кипения всех этих элементов почти вдвое, а иногда и ещё выше градуса плавления. Например, у золота он 2660 °C, у алюминия — 2519 °C, у железа — 2900 °C, у меди — 2580 °C, у ртути — 356,73 °C.

У сплавов типа стали, чугуна и прочих металлов расчёт примерно такой же и зависит от соотношения компонентов в сплаве.

Максимальная температура кипения у металлов — у рения — 5596 °C. Наибольшая температура кипения — у наиболее тугоплавящихся материалов.

Бывают таблицы, в которых также указана плотность металлов. Самым лёгким металлом является литий, самым тяжёлым — осмий. У осмия плотность выше, чем у урана и плутония, если рассматривать её при комнатной температуре. К лёгким металлам относятся: магний, алюминий, титан. К тяжёлым относится большинство распространённых металлов: железо, медь, цинк, олово и многие другие. Последняя группа — очень тяжёлые металлы, к ним относятся: вольфрам, золото, свинец и другие.

Ещё один показатель, встречающийся в таблицах — это теплопроводность металлов. Хуже всего тепло проводит нептуний, а лучший по теплопроводности металл — серебро. Золото, сталь, железо, чугун и прочие элементы находится посередине между этими двумя крайностями. Чёткие характеристики для каждого можно найти в нужной таблице.

Температура плавления цветных и черных металлов

В металлургической промышленности одним из основных направлений считается литье металлов и их сплавов по причине дешевизны и относительной простоты процесса. Отливаться могут формы с любыми очертаниями различных габаритов, от мелких до крупных; это подходит как для массового, так и для индивидуального производства.

Литье является одним из древнейших направлений работы с металлами, и начинается примерно с бронзового века: 7−3 тысячелетия до н. э. С тех пор было открыто множество материалов, что приводило к развитию технологии и повышению требований к литейной промышленности.

В наши дни существует много направлений и видов литья, различающихся по технологическому процессу. Одно остается неизменным — физическое свойство металлов переходить из твердого состояния в жидкое, и важно знать то, при какой температуре начинается плавление разных видов металлов и их сплавов.

Процесс плавления металла

Данный процесс обозначает собой переход вещества из твердого состояния в жидкое. При достижении точки плавления металл может находиться как в твердом, так и в жидком состоянии, дальнейшее возрастание приведет к полному переходу материала в жидкость.

То же самое происходит и при застывании — при достижении границы плавления вещество начнет переходить из жидкого состояния в твердое, и температура не изменится до полной кристаллизации.

При этом следует помнить, что данное правило применимо только для чистого металла. Сплавы не имеют четкой границы температур и совершают переход состояний в некотором диапазоне:

Солидус — линия температуры, при которой начинает плавиться самый легкоплавкий компонент сплава.
Ликвидус — окончательная точка плавления всех компонентов, ниже которой начинают появляться первые кристаллы сплава.

Точно измерить температуру плавления таких веществ невозможно, точкой перехода состояний указывается числовой промежуток.

В зависимости от температуры, при которой начинается плавление металлов, их принято разделять на:

Легкоплавкие, до 600 °C. К ним относятся олово, цинк, свинец и другие.
Среднеплавкие, до 1600 °C. Большинство распространенных сплавов, и такие металлы как золото, серебро, медь, железо, алюминий.
Тугоплавкие, свыше 1600 °C. Титан, молибден, вольфрам, хром.

Также существует и температура кипения — точка, при достижении которой расплавленный металл начнет переход в газообразное состояние. Это очень высокая температура, как правило, в 2 раза превышающая точку расплава.

Влияние давления

Температура плавления и равная ей температура затвердевания зависят от давления, возрастая с его повышением. Это обусловлено тем, что при повышении давления атомы сближаются между собой, а для разрушения кристаллической решетки их нужно отдалить. При повышенном давлении требуется большая энергия теплового движения и соответствующая ей температура плавления увеличивается.

Существуют исключения, когда температура, необходимая для перехода в жидкое состояние, при повышенном давлении уменьшается. К таким веществам относят лёд, висмут, германий и сурьма.

Плавление с помощью самодельных приспособлений

Расплавить медь можно с помощью газовой горелки

У некоторых автолюбителей в гаражах имеются самодельные горны, с помощью которых можно плавить металлы. Если горн найти не удалось, его можно сделать своими руками.

На земле устанавливают опоры, например, силикатные кирпичи, на них кладут стальную сетку с мелкими ячейками.
На сетку насыпают слой древесного угля и поджигают его. Чтобы получить высокую температуру, нужно увеличить приток воздуха. Проще всего это сделать с помощью пылесоса, работающего «на выдув», направив струю воздуха в место горения угля.
Остается поставить на горящие угли тигель и дождаться, когда медь расплавится. Расплав контактирует с атмосферным кислородом, поэтому активно образуется оксидная пленка, которую постоянно следует убирать. Можно присыпать поверхность расплава мелкими углями или пеплом от них. Образуется шлак, который потом легко отделяется.

Медные сплавы бронзу и латунь можно расплавить с помощью газовой горелки автогенной сварки или паяльной лампой с насадкой для поворота пламени. Пламя должно нагревать тигель равномерно снизу.

Таблица температур плавления

Любому человеку, связанному с металлургической промышленностью, будь то сварщик, литейщик, плавильщик или ювелир, важно знать температуры, при которых происходит расплав материалов, с которыми он работает. В нижеприведенной таблице указаны точки плавления наиболее распространенных веществ.

Таблица температур плавления металлов и сплавов

Название	T пл, °C
Алюминий	660,4
Медь	1084,5
Олово	231,9
Цинк	419,5
Вольфрам	3420
Никель	1455
Серебро	960
Золото	1064,4
Платина	1768
Титан	1668
Дюралюминий	650
Углеродистая сталь	1100−1500
Чугун	1110−1400
Железо	1539
Ртуть	-38,9
Мельхиор	1170
Цирконий	3530
Кремний	1414
Нихром	1400
Висмут	271,4
Германий	938,2
Жесть	1300−1500
Бронза	930−1140
Кобальт	1494
Калий	63
Натрий	93,8
Латунь	1000
Магний	650
Марганец	1246
Хром	2130
Молибден	2890
Свинец	327,4
Бериллий	1287
Победит	3150
Фехраль	1460
Сурьма	630,6
карбид титана	3150
карбид циркония	3530
Галлий	29,76

Помимо таблицы плавления, существует много других вспомогательных материалов. Например, ответ на вопрос, какова температура кипения железа лежит в таблице кипения веществ. Помимо кипения, у металлов есть ряд других физических свойств, как прочность.

Как плавить металл в домашних условиях

Металл помещают в чашку или тигель и переносят в печь. Сначала происходит плавка крупных кусков, затем добавляют маленькие. Мелкими стружками и опилками заполняют сразу всю емкость. Для получения отливок без вредных примесей и уменьшения потерь нужно знать, в чем плавить металл разных видов. Драгметаллы кладут в стеклянные ампулы от лекарственных растворов и плавят вместе с ними. Стеклянная корочка, которая образуется на поверхности отливок, растрескивается и осыпается после охлаждения водой. Цветные металлы плавят в железных емкостях, а сталь, чугун, железо в графитовых тиглях.

Прочность металлов

Помимо способности перехода из твердого в жидкое состояние, одним из важных свойств материала является его прочность — возможность твердого тела сопротивлению разрушению и необратимым изменениям формы. Основным показателем прочности считается сопротивление возникающее при разрыве заготовки, предварительно отожженной. Понятие прочности не применимо к ртути, поскольку она находится в жидком состоянии. Обозначение прочности принято в МПа — Мега Паскалях.

Существуют следующие группы прочности металлов:

Непрочные. Их сопротивление не превышает 50МПа. К ним относят олово, свинец, мягкощелочные металлы
Прочные, 50−500МПа. Медь, алюминий, железо, титан. Материалы этой группы являются основой многих конструкционных сплавов.
Высокопрочные, свыше 500МПа. Например, молибден и вольфрам.

Таблица прочности металлов

Металл	Сопротивление, МПа
Медь	200−250
Серебро	150
Олово	27
Золото	120
Свинец	18
Цинк	120−140
Магний	120−200
Железо	200−300
Алюминий	120
Титан	580

Самостоятельная выплавка меди

Для многих людей плавка меди и изготовление из нее всевозможных изделий является увлекательным хобби. Тем, кто мечтает посвятить плавлению металла свободное время, нужно приготовить для работы такие приспособления:

муфельная печка;
чистое сырье;
жаропрочный тигель;
огнеупорная подставка;
крюк из стальной проволоки;
щипцы для извлечения тигля из печки;
средства индивидуальной защиты: костюм, очки, перчатки.

Действия выполняют согласно инструкции:

Надевают специальный костюм.
Исходное сырье измельчают, кладут в тигель.
Помещают в печь, устанавливают нужный температурный режим. Нельзя допускать, чтобы металл закипал.
При достижении заданной температуры открывают дверцу, захватывают тигель щипцами, достают из печи, ставят на огнеупорную подставку.
Стальным крюком к краям емкости сдвигают, образовавшуюся в результате плавления, окисную пленку.
Жидкую медную массу заливают в специальную емкость, охлаждают.
В мощных муфельных печах можно подвергать плавлению красную медь и всевозможные сплавы.

Плавление горелкой

Следует помнить, что при плавлении важна азотная среда. Под легкоплавкие медные сплавы, латунь или некоторые марки бронзы можно использовать обычную газовую горелку. Для этого понадобится:

исходное сырье;
специальные формы;
щипцы для извлечения металла с раскаленной рабочей поверхности;
горелка высокого давления, работающая на газе;
средства защиты: костюм, очки, перчатки.

Технология плавления сплавов следующая:

Сырье сильно измельчают. Сделать это можно при помощи напильника, превратив материал в опилки.
Кладут в специальную форму, сделанную из термостойкого материала.
Надевают защитный костюм, очки, толстые перчатки.
Зажигают горелку.
Нагревательное устройство направляют свободными движениями по корпусу емкости. Для достижения быстрого результата пламя должно касаться поверхности кончиком синего цвета. В этом месте факела – наибольшая температура.
После того как твердое тело расплавится, тигель захватывают щипцами.
Жидкую массу выливают в нужную форму.

Если нет газовой горелки, можно использовать обыкновенную паяльную лампу.

Выполняя литье цветных сплавов, каждый мастер должен помнить о технике безопасности:

В помещении, где ведутся работы, должна быть хорошая вентиляция.
Во избежание получения ожогов необходимо работать в средствах индивидуальной защиты.

Оптимальная температура воздуха, допустимая влажность воздуха, чистота рабочего места, низкая концентрация вредных веществ атмосферы, хорошая освещенность пространства – факторы, помогающие избежать травматизма.

Плавка свинца

Электрическая печь для плавки свинца состоит из следующих элементов:

Круглый кожух, сделанный из нержавейки, внутри которого проложен утеплитель. Он прикреплен кронштейнами к стене.
Снизу подводится промышленный ТЕН.
Сверху расположен клапан поворотного типа.
Датчик, который находится на расстоянии 3 см от дна.
Сбоку расположен температурный регулятор.

Устанавливая регулятор на определенную температуру, прогреваем прибор. Находящийся внутри свинец плавится. В конце плавки, под низ подводится форма и открывается клапан. Расплавленный свинец заполняет внутреннее пространство формы.

Электрические печи для плавки металла

Основу такой печи составляет асбест, который можно заменить кафелем. Электроды, установленные в плавильной печи своими руками должны иметь напряжение 25 В.

Изготавливаются они в следующем порядке:

Вытачиваются из щеток электрического мотора.
Сбору сверлятся отверстия 6 мм.
В них пропускается провод, сечением 5 мм.
Для закрепления проводки вбивается гвоздь.
С целью улучшения контакта с графитом, напильником, делаются насечки.

В качестве теплоизолятора, внутри печи выкладывается слюда. При подключении к сети нужно использовать понижающий трансформатор. После изготовления, печь включается и работает некоторое время в холостом режиме.

Плавка металла и чугуна

Печь для плавки металла представляет собой корпус, изготовленный из шамотного кирпича. Связующим элементом является глина. Топка предназначена для горения угля. Снизу предусматривается отверстие, через которое ведется наддув в пекло. Внизу размещается чугунная решетка, которая называется колосником. На ней выкладывается кокс или уголь. Его можно снять со старой печи. Иногда огнеупорный кирпич, при формировании корпуса, укладывается на ребро. Готовая конструкция скрепляется снаружи металлическим поясом.

Печь для переплавки металлов должна иметь тигель. Это может быть эмалированный или чугунный казанок. Месторасположение тигля — рядом с горящим коксом. С целью улучшения поддува рядом устанавливают вентилятор. Оборудование применяется для выплавки стали, но можно использовать как печь для выплавки чугуна.

Плавка золота и серебра

Печь для плавки золота легко сделать в домашних условиях. Она применима и для плавки серебра.

Порядок работы следующий:

Берется шамотный кирпич и разрезается на 2 части. Победитовым сверлом диаметра 48 мм, делается в одной половинке, в середине, сквозное отверстие. А во второй отверстие сверлится на половину высоты.
Через отверстие, проводится спираль и обе половинки стягиваются болтами, отверстия для которых сверлятся с боков.
Сверху устанавливается графитовый тигель.
Изготавливается металлический каркас и обе половинки вставляются в него.
Все боковые зазоры замазываются глиной.
К выведенным концам спирали подводится напряжение.
В тигель бросаются куски золота или серебра.
В процессе нагрева идет расплавление цветного металла.

Изготовление печей для плавки металла своими руками процесс сложный, но выполнимый. Для этого нужно изучить характеристики видов оборудования. Определиться какое из них наиболее предпочтительно к данным условиям. Затраты на изготовление быстро себя окупят.

Муфельная печь

Муфельные печи часто используются для термообработки деталей. Такое оборудование характеризуется большим температурным диапазоном, от 20 до 1000 градусов.

Муфельная печь для закалки металла работает на разных видах энергии. Однако в домашних условиях лучше применять агрегат, работающий на электроэнергии. Закаливание ведется в муфеле печи.

Муфельная печь своими руками изготавливается за несколько этапов:

Изготовление муфеля ведется из шамотного кирпича. Из-за круглой формы корпуса печи, у них скашиваются углы. В каждом кирпиче выбираются канавки, куда ведется закладка спирали.
Если муфельная печь для плавки изготавливается из духовки, то внутри она обкладывается огнестойким кирпичом. В кладке прорезаются канавки для спирали.
Изготовленная из огнеупорного кирпича камера, помещается в корпус, сделанный из стали. На дно укладывается изоляция. Зазор между боковыми стенками камеры и корпуса составляет 4 см, куда вставляется утеплитель. Верх состоит из 2 слоев металла и утеплителя.
В корпусе сверлятся отверстия, и через них выводятся концы спирали, которые подключаются к сетевому кабелю.
В случае использования духовки, утеплитель не требуется. Он в ней уже предусмотрен.

Плавка алюминия

Изготовить печь для плавки алюминия своими руками вещь реальная. В промышленном производстве, агрегаты с названием — печи карусельного типа — очень дорогостоящие.

Чтобы понять, как сделать печь для плавки алюминия, нужно понять их принцип действия. Существует несколько видов, где проводится плавление цветного металла.

Мини-печь

Берется автомобильный диск и закапывается в землю так, чтобы верхний срез не выступал наружу. Посередине изготавливается отверстие для патрубка. Один конец пропускается в отверстие, а другой выводится наружу. На него одевается кулер, для нагнетания воздуха. Плавильня заполняется углями и алюминиевым ломом. Подается воздух и температура поднимается.

Металлический бак

Изготовить печь для алюминия можно из металлического бака. Например, корпуса стиральной машины с вертикальной загрузкой. Внутренняя часть конструкции выкладывается огнеупорным кирпичом. Снизу монтируется труба для подачи воздуха. Таким образом, получается переносное оборудование.

Из бутылки

Один из необычных способов, каким расплавляют алюминий. Вокруг бутылки наматывается проволока нихром. Предварительно поверхность бутылки смазывается маслом. Сверху наносится смесь жидкого стекла и глины. Просушивание ведется в течение недели. Затем наматывается еще слой проволоки и наносится глина. После 7 дней, бутылка вынимается и остается только термостойкая оболочка. К концам проволоки подключается напряжение для накаливания нихрома, а в очаг загружается сырье.

Читайте также: