Чугун и сталь химия

Обновлено: 04.05.2024

Чёрная металлургия - основа развития большинства отраслей народного хозяйства. Несмотря на бурный рост продукции химической промышленности, цветной металлургии, промышленности стройматериалов, чёрные металлы остаются главным конструкционным материалом в машиностроении и строительстве.

Современная чёрная металлургия имеет высокий технический потенциал. Значительный прогресс достигнут в технологии производства в отдельных подотраслях и переделах чёрной металлургии. Так, добыча железной руды в основном ведётся прогрессивным открытым способом; в коксовом производстве внедрены бездымная загрузка шихты и сухое тушение кокса; в доменном производстве в печах с повышенным давлением газа под колошником выплавляется 97%, а с вдуванием природного газа - 84% всего чугуна; в сталеплавильном производстве растет выплавка стали в кислородных конвертерах и электропечах, внедрены внепечная обработка стали под вакуумом, синтетическими шлаками, инертными газами, переплавные процессы; увеличивается доля непрерывной разливки стали; в прокатном производстве эффективно применяются термическая обработка металлопродукции, средства неразрушающего автоматического контроля; в трубном - совершенствуется технология производства сварных труб большого диаметра, бесшовных труб; в метизном производстве внедряются автоматизированное поточные линии. Осуществляется разработка промышленных способов прямого получения железа. Ведутся работы по созданию автоматизированной системы управления чёрной металлургии.

Цель данной работы - сравнить по свойствам два продукта черной металлургии: чугун и сталь, столь важные для человечества.

1. Изучить характеристику материалов.

2. Разобрать и сравнить физико-химические, механические и специфические свойства чугуна и стали.

3. Сделать вывод.

При написании данной работы использовалась учебная и методическая литература.

Характеристика материалов

Чугун

Чугун (тюрк.), сплав железа с углеродом (обычно более 2%) содержащий также постоянные примеси (Si, Mn, Р и S). Широко применяемые марки чугунов обычно содержат 2,5-4% углерода, 1-5% кремния, до 2% марганца, а также примеси фосфора и серы. В состав специальных чугунов входят легирующие добавки: ванадий, молибден, никель, титан, хром и др. Температура плавления чугунов зависит от их химического состава и примерно составляет 1200-1250 о С.

Виды: белый, серый, ковкий, высокопрочный, половинчатый чугуны.

Структура чугуна зависит от скорости охлаждения и содержания в нём углерода и легирующих примесей. По структуре чугуны разделяют на белые и серые.

Белый чугун получил своё название от вида излома, который имеет белый или светло-серый цвет. Углерод в нём находится в химически связанном состоянии в виде цементита Fe3C. Цементит хрупок и обладает высокой твёрдостью, поэтому белый чугун не поддаётся механической обработке, для изготовления изделий применяется редко и сварке не подлежит.

Из белого чугуна путём специальной термической обработки (длительная выдержка при температуре 1000 о С) получают ковкий чугун. По механическим свойствам он пластичнее белого чугуна. Название "ковкий" это условное название, чугуны не используют в виде поковок, они практически не куются.

Высокопрочные чугуны получают добавлением в сплав некоторых легирующих элементов (магния, церия и др.). Серый чугун содержит в своём составе почти весь углерод в виде графита, поэтому излом его имеет серебристо-серый цвет. Серый чугун хорошо обрабатывается режущим инструментом, поэтому он широко применяется как конструкционный материал. Серый чугун дешевле стали, отличается хорошими литейными свойствами, высокой износостойкостью, способностью гасить вибрации, хорошей обрабатываемостью. Отрицательными его свойствами являются пониженная прочность и высокая хрупкость.

Историческая справка.Первые сведения о чугуне относятся к 6 в. до нашей эры. В Китае из высокофосфористых железных руд получали чугун, содержащий до 7% Р, с низкой температурой плавления, из которого отливали различные изделия. Чугун был известен и античным металлургам 4-5 вв. до нашей эры. Производство чугуна в Западной Европе началось в 14 в. с появлением первых доменных печей (штюкофенов) для выплавки чугуна из руд. Полученный чугун использовали или для передела в сталь в кричном горне, или для изготовления различных строительных деталей и оружия (пушки, ядра, колонны и др.). В России производство чугуна началось в 16 в.; в дальнейшем оно непрерывно расширялось, и при Петре I Россия по выпуску чугуна превзошла все страны, но через столетие отстала от западно-европейских стран. Появление во 2-й пол.18 в. вагранок позволило литейным цехам отделиться от доменных, т.е. положило начало независимому существованию чугунолитейного производства (при машиностроительных заводах). В начале 19 в. возникает производство ковкого чугуна. Во 2-й четверти 20 в. начинают применять легирование чугуна, что дало возможность существенно повысить его свойства и получать специальный чугун (износостойкие, коррозионностойкие, жаростойкие и т.д.). К этому же периоду относится также разработка способов модифицирования чугуна. В конце 40-х гг. был получен модифицированный чугун с включениями графита шаровидной формы вместо обычной пластинчатой. В 60-х гг. в электрических печах начали получать из стальных отходов с добавлением карбюризаторов т. н. синтетический чугун с высокими механическими свойствами при пластинчатой форме графита.

Маркировка.Чугун маркируют по буквенно-цифровой системе: первые буквы (С, К и В) обозначают серый, ковкий и высокопрочный чугун соответственно; вторая буква (Ч) обозначает чугун. В сером чугуне две цифры указывают на временное сопротивление. Например, в марке СЧ10 буквы СЧ обозначают серый чугун, 10 - временное сопротивление. В обозначениях ковкого и высокопрочного чугунов после буквенной маркировки (КЧ и ВЧ) первые две цифры также обозначают временное сопротивление, а вторые две - относительное удлинение, например КЧ 35-10 (ковкий чугун с временным сопротивлением не менее 350 МПа и относительным удлинением не менее 10%).

В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим образом:

· передельный чугун - П1, П2;

· передельный чугун для отливок - ПЛ1, ПЛ2,передельный фосфористый чугун - ПФ1, ПФ2, ПФ3,передельный высококачественный чугун - ПВК1, ПВК2, ПВК3;

· чугун с пластинчатым графитом - СЧ (цифры после букв "СЧ", обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм);

o антифрикционный серый - АЧС,

o антифрикционный высокопрочный - АЧВ,

o антифрикционный ковкий - АЧК;

· чугун с шаровидным графитом для отливок - ВЧ (цифры после букв "ВЧ" означают временное сопротивление разрыву в кгс/мм и относительное удлиненние (%);

· чугун легированный со специальными свойствами - Ч.

Сталь

Сталь (польск. stal, от нем. Stahl), деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2%) и др. элементами. Сталь - важнейший продукт чёрной металлургии, являющийся материальной основой практически всех отраслей промышленности. Масштабы производства стали в значительной степени характеризуют технико-экономический уровень развития государства.

Историческая справка.Сталь как материал, используемый человеком, имеет многовековую историю. Наиболее древний способ получения стали в тестообразном состоянии - сыродутный процесс, в основе которого лежало восстановление железа из руд древесным углём в горнах (позднее в небольших шахтных печах). Для получения литой стали древние мастера применяли тигельную плавку - расплавление мелких кусков стали и чугуна в огнеупорных тиглях. Тигельная сталь характеризовалась весьма высоким качеством, но процесс был дорогим и малопроизводительным. Таким способом изготовляли, в частности, булат и его разновидность - дамасскую сталь. Тигельный процесс просуществовал до начала 20 в. и был полностью вытеснен электроплавкой. В 14 в. возник кричный передел, заключавшийся в рафинировании предварительно полученного чугуна в кричном горне. В конце 18 в. начало применяться пудлингование, при котором, как и при кричном переделе, исходным материалом был чугун, а продуктом - тестообразный металл (крица) качество металла при этом было выше, а сам процесс характеризовался более высокой производительностью. Пудлингование сыграло важную роль в развитии техники, однако обеспечить всё возраставшие потребности общества в стали не могло. Лишь с появлением во 2-й половине 19 в. бессемеровского процесса и мартеновского процесса, а затем и томасовского процесса стало возможным массовое производство литой стали. В конце 19 в. начала применяться выплавка стали в электрических печах. До середины 20 в. главенствующее положение среди способов производства стали занимал мартеновский процесс, на долю которого приходилось около 80% выплавляемой в мире стали. В 50-х гг. был внедрён кислородно-конвертерный процесс, причём в последующие годы его роль резко возросла. Наряду с указанными способами массового производства стали развиваются более дорогие и менее производительные способы, позволяющие получать особо чистый металл высокого качества: вакуумная дуговая плавка, вакуумная индукционная плавка, электрошлаковый переплав, электроннолучевая плавка, плазменная плавка.

Стали делятся на конструкционные и инструментальные. Разновидностью инструментальной является быстрорежущая сталь.

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные; в том числе по содержанию углерода - на малоуглеродистые (до 0,25%), среднеуглеродистые (0,3-0,55%) и высокоуглеродистые (0,6-0,85%); легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные, среднелегированные и высоколегированные.

Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений. Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

По структуре сталь различается на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную или перлитную. Если в структуре преобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазную и многофазную.

Маркировка сталей.Единой мировой системы маркировки стали не существует. В СССР проведена большая работа по унификации обозначений различных марок стали, что нашло отражение в государственных стандартах и технических условиях. Марки углеродистой стали обыкновенного качества обозначаются буквами Ст и номером (Ст0, Ст1, Ст2 и т.д.). Качественные углеродистые стали маркируются двузначными числами, показывающими среднее содержание стали в сотых долях процента: 05, 08, 10, 25, 40 и т.д. Спокойную сталь иногда дополнительно обозначают буквами сп, полуспокойную - пс, кипящую - кп (например, СтЗсп, Ст5пс, 08кп). Буква Г в марке стали указывает на повышенное содержание Mn (например, 14Г, 18Г). Автоматные стали маркируются буквой А (А12, А30 и т.д.), углеродистые инструментальные стали - буквой У (У8, У10, У12 и т.д. - здесь цифры означают содержание углерода в десятых долях процента).

Обозначение марки легированной стали состоит из букв, указывающих, какие компоненты входят в её состав, и цифр, характеризующих их среднее содержание. В СССР приняты единые условные обозначения химического состава стали: алюминий - Ю, бор - Р, ванадий - Ф, вольфрам - В, кобальт - К, кремний - С, марганец - Г, медь - Д, молибден - М, никель - Н, ниобий - Б, титан - Т, углерод - У, фосфор - П, хром - Х, цирконий - Ц. Первые цифры марки обозначают среднее содержание углерода (в сотых долях процента для конструкционных сталей и в десятых долях процента для инструментальных и нержавеющих сталей); затем буквой указан легирующий элемент и цифрами, следующими за буквой, - его среднее содержание. Например, сталь марки 3Х13 содержит 0,3% углерода и 13% Cr, стали марки 2X17H2 - 0,2% углерода, 17% Cr и 2% Ni. При содержании легирующего элемента менее 1,5% цифры за соответствующей буквой не ставятся: так, сталь марки 12ХН3А содержит менее 1,5% Cr. Буква А в конце обозначения марки указывает на то, что сталь является высококачественной, буква Ш - особо высококачественной. Обозначение марки некоторых легированных сталей включает букву, указывающую на назначение стали (например, ШХ9 - шарикоподшипниковая сталь с 0,9-1,2% Cr; Э3 - электротехническая сталь с 3% Si). Стали, проходящие промышленные испытания, часто маркируют буквами ЭИ или ЭП (завод "Электросталь"), ДИ (завод "Днепроспецсталь") или ЗИ (Златоустовский завод) с соответствующим очередным номером (ЭИ268).

Урок 17. Принципы химического производства. Промышленное получение металлов. Производство чугуна и стали

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: урок посвящён ознакомлению с принципами химического производства, на примере промышленного получения ряда наиболее значимых веществ: серной и азотной кислот, аммиака и метанола. На уроке учащиеся познакомятся с понятием металлургии, узнают о производстве чугуна и стали.

Конверсия — процесс переработки газов с целью изменения состава исходной газовой смеси.

Металлургия – наука о промышленных способах получения металлов из руд, а также об их механической и химической обработке.

Принцип Ле Шателье — Брауна — если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий равновесия, то в системе усиливаются процессы, направленные в сторону противодействия изменениям.

Промотор — вещество, добавляемое к катализатору в небольших количествах с целью улучшения его свойств, таких, как активность, селективность или стабильность.

Руда - минералы или чёрная порода, содержащие металлы и их соединения, из которых выделение чистых металлов технически возможно и экономически целесообразно.

Сепаратор — аппарат, который разделяет продукт синтеза на фракции с разными характеристиками (например, отделить взвеси от жидкости).

Сталь – сплав железа, содержащий 0,02-2,14% углерода, небольшие количества кремния, марганца, фосфора и серы, а также не менее 45% железа. Если в стали содержится от 0,6 до 2,14% углерода, то такую сталь называют высокоуглеродистой.

Сырьё – природные материалы, используемые в промышленности для получения различных продуктов и ещё не прошедшие промышленную переработку.

Турбокомпрессор — устройство, которое сжимает газы для увеличения давления внутри системы.

Химическая промышленность - отрасль хозяйства, которая производит продукцию на основе химической переработки сырья.

Чугун – это сплав железа с углеродом, содержащий не менее 2,14% углерода, а также кремний марганец, серу и фосфор. Как правило, чугун хрупок.

Чугун белый - сплав железа с углеродом, в котором весь углерод находится в связанном виде (Fe3C).

Чугун серый — сплав железа с углеродом, в котором присутствует графит в виде хлопьевидных, пластинчатых или волокнистых включений.

Основная и дополнительная литература по теме урока

Основная литература: Рудзитис, Г. Е., Фельдман, Ф. Г. Химия. 10 класс. Базовый уровень; учебник/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г, Фельдман – М.: Просвещение, 2018. – 224 с.

Дополнительная литература:

1. Рябов, М.А. Сборник задач, упражнений и тесто по химии. К учебникам Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман «Химия. 10 класс» и «Химия. 11 класс»: учебное пособие / М.А. Рябов. – М.: Экзамен. – 2013. – 256 с.

2. Рудзитис, Г.Е. Химия. 10 класс : учебное пособие для общеобразовательных организаций. Углублённый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М. : Просвещение. – 2018. – 352 с.

Открытые электронные ресурсы:

Теоретический материал для самостоятельного изучения

«Зелёная» химия — научное направление в химии, к которому относятся любое усовершенствования химических процессов, положительно влияющие на окружающую среду. Данное направление возникло в 90-е годы XX века. Принципы «зелёной» химии:

  1. лучше предотвратить образование загрязнений, чем потом от них избавляться.
  2. Синтез веществ, следует планировать так, чтобы максимальное количество используемых материалов вошло в конечный продукт.
  3. Стремиться минимизировать энергетические затраты (понизить давление, понизить температуру).
  4. Вещества и процессы следует выбирать так, чтобы минимизировать вероятность несчастных случаев.

Способы реализации принципов «зелёной» химии:

  1. Поиск новых путей синтеза.
  2. Разработка методов синтеза на основе возобновляемых реагентов.
  3. Замена традиционных органических растворителей в технологических процессах (вода, биоразлагающиеся растворители, сверхкритические жидкости).

Последовательное использование принципов Зелёной химии постепенно приводит к снижению затрат на производство, потому что исчезают затраты на уничтожение, переработку побочных продуктов и использованных растворителей, так как их не образуется, а сокращение числа стадий ведет к экономии энергии. Перспективной для развития Зелёной химии является биотехнология (биоинженерия), так как ряд промышленно важных химических соединений может быть синтезирован с помощью микроорганизмов, растений, грибов, животных с высокими выходами и низкими затратами.

Для того, чтобы количественно оценить влияние химического производств на окружающую среду, профессором Р. Шелдоном были введены две основные характеристики: Е-фактор и атомная эффективность. Величина Е-фактора определяется как отношение массы всех побочных продуктов к массе целевого продукта, то есть этот фактор позволяет оценить количество отходов и степень использования сырья. Чем больше Е-фактор, тем менее «зелёной» является реакция или процесс. Например:

Производство

Объём производства, тонн/год

Тонкий химический синтез

Величина Е-фактора в нефтепереработке мала, так как в основном все фракции нефти находят дальнейшее применение, то есть на данных производствах мало отходов. Максимальное значение Е-фактора имеет процесс синтеза лекарственных препаратов, так как это очень сложные производства, с большим числом стадий, а многие лекарства – чистые изомеры, для их синтеза используется большое число химических веществ.

Атомная эффективность – показатель, который рассчитывают как отношение молярной массы целевого продукта к сумме молярных масс всех остальных продуктов. Чем ближе атомная эффективность к 100%, тем более зеленой является данная реакция.

Промышленный органический синтез - раздел органической химической технологии, который изучает различные стороны получения органических соединений: способы синтеза, методики, идентификация, аппаратура и другие.

Промышленный органический синтез подразделяется на основной (производство метанола, анилина, уксусной кислоты, полимеров) и тонкий (производство красителей, лекарственных и душистых веществ, средств защиты растений). Важнейшими промышленными источниками органических веществ являются синтез-газ, природный газ, нефть и каменный уголь. В синтезах сложных органических соединений различают исходные вещества, промежуточные продукты и готовый продукт.

Зеркальный чугун - чугун с содержанием марганца 15-30%, углерода 4,5-6,5 %. Применяется в производстве стали. В изломе имеет характерный зеркальный блеск. Производился до 70-х гг. 20 в. в доменных печах. Применялся для получения чугуна специальных видов и в качестве раскислителя при выплавке стали.

Серый чугун применяется наиболее широко в таких отраслях, как машиностроение, строительство, также применяется в сантехнике. В зависимости от содержания углерода серый чугун делится на доэвтектический (с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 %), эвтектический (с содержанием углерода 4,3 %) и заэвтектический (с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 %). Также существует перлитный серый чугун: он имеет высокие прочностные свойства и применяется для изготовления втулок, цилиндров, различных нагруженных деталей двигателей и т.д. Для деталей, где не нужна такая высокая прочность, используют серый чугун с ферритно-перлитной металлической основой.

Белый чугун имеет низкие механические свойства и более хрупок, поэтому имеет ограниченное применение: из него изготавливают детали простой конфигурации, которые применяются для работы в условиях повышенного абразивного износа. Для повышения износостойкости белого чугуна, его легируют карбидообразующими элементами (Cr, Mo W, и др.), что повышает его износостойкость.

Половинчатый чугун содержит часть углерода в связанном виде (карбиды) и часть углерода в свободном состоянии. Такой вид чугуна применяется в качестве фрикционного материала, который работает в условиях сухого трения (поэтому из него производят тормозные колодки), а также для изготовления деталей, способных работать в условиях повышенной износостойкости (мукомольные, прокатные, бумагоделательные валки).

Существуют различные виды стали, все из которых находят применение в разных отраслях промышленности. По химическому составу стали делят на легированные и углеродистые. Последние по содержанию углерода подразделяют на низкоуглеродистые (до 0,25% углерода), среднеуглеродистые (0,3—0,55% углерода) и высокоуглеродистые (0,6—2% углерода); а легированные стали подразделяют по содержанию легирующих элементов на низколегированные — до 4% легирующих элементов, среднелегированные — до 11% легирующих элементов и высоколегированные — свыше 11 % легирующих элементов. Легированные стали маркируются цифрами и буквами, которые указывают примерный состав стали. Буква показывает, какой легирующий элемент входит в состав стали, стоящая за буквой цифра обозначает среднее содержание элемента в процентах ( при этом если его

Примеры видов стали:

сталь 18ХГТ — 0,18 % С, 1 % Сr, 1 % Мn, около 0,1 % Тi;

сталь 03Х13АГ19 — 0,03 % С, 13 % Сr, 0,2—0,3 % N, 19 % Мn.

По назначению стали бывают:

1) инструментальные, из которых изготовляют режущие и мерительные инструменты;

2) конструкционные - для изготовления машиностроительных и строительных изделий: для изготовления силовых пружин, амортизаторов, рессор, в приборостроении — для мембран, пружин, подвесок.

3) с особыми физическими и химическими свойствами, например, с определенными магнитными характеристиками, нержавеющие, жаростойкие.

Примеры и разбор решения задач тренировочного модуля

  1. Пример задачи. Сколько грамм раствора серной кислоты с массовой долей 96% необходимо влить в 1 л воды, чтобы получить раствор с массовой долей 10 %. Ответ представьте в виде целого числа.

Решение. Для решения задач на разбавление (смешение) растворов можно применить «правила креста». Суть этого правила заключается в составлении «креста», состоящего из двух пересекающихся линий. В центре указывают концентрацию, которую необходимо получить, у концов линий креста слева – концентрации исходных растворов (большую (а) – сверху, меньшую (b) — снизу), у концов линий креста справа –концентрации (или массы) растворов, которые получают вычитанием из одной величины другой, по направлению стрелочек (по модулю). В общем виде схема решения задач по правилу креста имеет вид:

То есть, из величины а вычитаем х, записываем как ma, и из b вычитаем х, записываем как mb. Таким образом, следует взять mа грамм раствора с массовой долей а% и прибавить к нему mB грамм раствора с массовой долей b% для получения концентрации х.

У нас есть два раствора: вода и серная кислота. Вода - чистый растворитель, следовательно, массовая доля растворённого в ней вещества равна 0%, так как это меньшее значение, записываем его в левом нижем углу. Исходная концентрация серной кислоты 96% - наибольшее значение, записываем в левом верхнем углу. Посередине – искомую концентрацию – 10%.

То есть для получения серной кислоты массовой долей 10 %, необходимо смешать 10 грамм серной кислоты массовой долей 96% и 86 грамм воды.

Но нам нужно узнать, как получить 10% раствор серной кислоты при ее растворении в 1 литре. Поэтому пользуемся пропорцией:

10 г серной кислоты - 86 г воды

х г серной кислоты - 1000 г воды

Ответ: m (серной кислоты) = 116 г

2) Пример задачи. Добавьте в таблицу Менделеева недостающие химические элементы, которые входят в состав чугуна и стали.

Решение. Давайте вспомним, какие элементы входят в IV, V, VI, VII и VIII группы таблицы Менделеева.

Для решения данной задачи для начала необходимо вспомнить, какие элементы входят в состав чугуна и стали: C, Si, P, S, Mn, Fe.

Все знают, что атомный номер углерода – 12, поэтому его место легко найти в таблице. Далее вспоминаем, что углерод и кремний находятся в одной группе и заполняем окошко ниже. Переходим к VI группе, вспоминаем, какие элементы относятся к халькогенам и добавляем недостающий: S. Далее вспоминаем, какая валентность у марганца и располагаем его в группе VII. Остается два окошка. Железо относится к металлам побочной подгруппы, данное окошко свободно в VIII группе. Ну, и наконец, ставим P в V группу.

Конспект урока по химии для 11 класса на тему "Получение чугуна и стали"

А) Металлургия – наука о промышленных способах получения металлов и сплавов из природного сырья, а также отрасль промышленности, занимающаяся добычей и производством металлов и сплавов.

Б) Отрасли металлургической промышленности:

- черная металлургия (производство железа его сплавов)

- цветная металлургия (производство всех остальных металлов, кроме железа).

В) Способы получения металлов:

- пирометаллургия – восстановление металлов из руд при высоких температурах.

- гидрометаллургия – получение металлов из растворов их солей,

- электрометаллургия – получение металлов с помощью электрического тока (электролиз).

Г) Сырье для металлургии – железные руды.

II. Основная часть.

1. Изучение нового.

Основные научные принципы химических производств

- Принцип противотока , т.е. движение реагирующих веществ в реакторе навстречу друг другу, что ускоряет процесс производства.

- Принцип непрерывности производства – исключает простаивание реакторов.

- Принцип оптимальной температуры.

- Повышение концентрации реагирующих веществ,, что увеличивает скорость химических реакций.

- Увеличение площади поверхностного соприкосновения реагирующих веществ, что увеличивает скорость химических реакций.

- Применение катализаторов. Катализатор должен быть активным, устойчивым, дешевым, иметь долгое время жизни.

- Принцип циркуляции реагирующих веществ – не прореагировавшие вещества снова возвращаются в реактор (сберегается сырье).

- Теплообмен – использование теплоты, выделяющейся при реакции (потоки продуктов и реагентов).

- Автоматизация химического производства.

- Комплексная переработка сырья – использование его полностью или с небольшим количеством отходов (безотходное или малоотходное производство).

Учитель: Рассмотрим, какие из вышеперечисленных принципов используются при производстве чугуна и стали.

Производство чугуна – вынужденная промежуточная стадия производства стали.

А) Чугун – сплав железа, содержащий более 1,7% углерода, а также кремний, марганец, серу, фосфор

Б) Производство чугуна осуществляется в доменных печах.

В) Диск: Способы получения железа,

Доменная печь (высота 60 м, диаметр 10 м, огнеупорный кирпич, стальная оболочка)

Г) Таблица «Доменное производство»

Технологическая цепь:

- Подготовка руды: Агломерация – спекание пылевидных частиц руды с углем.

Дробление – измельчение больших кусков.

Руда – состоит из полезного вещества и пустой породы.

Полезное вещество: Fe 2 O 3 – гематит (красный железняк)

Fe 3 O 4 - магнетит (магнитный железняк)

Fe 2 O 3 пН2О – лимонит (бурый железняк)

FeS 2 – пирит (железный или серный колчедан)

- Загрузка в доменную печь: шихта (железная руда, кокс (С), флюсы - снижают температуру плавления пустой породы - известняк) попадает в доменную печь через засыпной аппарат, который состоит из 2-х воронок разного размера. Они опускаются и поднимаются по очереди для предупреждения попадания доменных газов в атмосферу. Они направляются в регенераторы.

- Химизм процессов в домне: кокс сгорает С + О2 = СО2 углекислый газ поднимается вверх и соприкасается с раскаленным коксом: СО2 + С = 2СО (восстановитель)

Начинается восстановление руды: 3 Fe 2 O 3 + СО = 2 Fe 3 O 4 + СО2

FeO + СО = Fe + СО2

Действие флюсов: СаСО3 = СаО + СО2

СаО + SiO 2 = CaSiO 3 (шлак t плав= 800 0 )

Железо при восстановлении получается твердым, постепенно оно опускается в более горячую часть печи (распар) и растворяет в себе углерод. Образуется чугун. Он плавится и спускается в нижнюю часть домны (горн), а шлаки (жидкие) собираются на его поверхности, т.к. они имеют меньшую плотность и предотвращают чугун от окисления. Чугун тяжелее шлаков в 2,5 раза. Чугун выпускают через летку 6 раз в сутки, а шлак – 18 раз. Летка – отверстие диаметром 5 см. Чугун содержит железо, углерод (придает хрупкость), фосфор (придает хладноломкость – ломкость при низких t 0 ), серу (придает красноломкость – ломкость при высоких t 0 ), марганец, кремний.

Вывод: Какие принципы производства используются в доменном производстве? (противоток, непрерывность, оптимальная температура, площадь соприкосновения реагирующих веществ, теплообмен, автоматизация).

Производство стали.

Сырье – железный лом, чугун, частично руда.

Суть – уменьшение содержания углерода, серя, фосфора, марганца, кремния

Химизм: (самостоятельно)

2 Fe + О2 = 2 FeO

Si +2FeO =2Fe + Si О 2

2 Р + 5FeO = 5Fe + Р 2 О 5

S +2FeO = 2Fe + S О 2

Мп + FeO = Fe + МпО

Получившиеся оксиды составляют шлак.

Флюсы переводят оксиды в соли: СаО + SiO 2 = CaSiO 3

Способы производства:

А) мартеновский. Во время просмотра заполняется таблица:

Способ производства стали

Достоинства - получают различные марки стали

- перерабатывают лом, руду, любой чугун

Недостатки - периодичность работы

- долго варится сталь (6-8 часов)

Б) кислородно – конверторный (бессемеровский)

Достоинства - не используется топливо

- быстрая варка стали (30-40 мин)

- высокое качество стали

- используется только жидкий чугун

- получают только углеродистую сталь

В) электропечи (дуговой метод)

Достоинства – варят разные стали

Недостатки – периодичность работы

Д) карбонильный метод Fe + 5 СО = Fe (СО)5

Fe (СО)5 = Fe + 5 СО

Мастер – плавильщик контролирует ход процессов

Горновой – отвечает за выпуск чугуна и шлаков

Сталевар – контролирует процесс варки стали.

2. Закрепление. Проверка таблицы.

Чем отличается чугун от стали

В мире масса строительных материалов и сырья для производства изделий, и с каждым годом сортамент растет. Однако есть и продукты, которые человечество знает уже довольно давно, однако мало кто знает, например, чем отличается чугун от стали

Чтобы не затягивать повествование, ответим на вопрос так: «Чугун отличается от стали процентным содержанием углерода. Если в сплаве этого элемента 2.5%, то это чугун». Напомним, в стали предельное содержание примесей должно быть не более 2%.

Однако на этом разница между двумя сплавами не заканчивается. Так что сегодня разберем оба материала подробнее, выясним особенности создания и параметры.

Различия физико-химических характеристик

Главная разница между двумя сплавами – это примесь углерода в каждом из материалов. Другие параметры ниже:

  1. Прочность стали выше, чем у аналога.
  2. Вес изделий из стали меньше, и они лучше плавятся.
  3. Отдельные типы обработки (ковка, сварка) доступны только для стали, а вот чугун создается только литьем.
  4. Теплопроводимость чугуна ниже, чем у аналога.
  5. Чугунные изделия не нужно обязательно закалять.

Приведем также таблицу с характерными отличиями двух сплавов.

Видно, что оба материала имеют сильные и слабые стороны, и их использование целесообразно в разных ситуациях. Рассмотрим подробнее характеристики каждого сплава.

Характеристики чугуна

Чугун – это сплав железа и углерода. При этом его содержание к общей массе изделия выше 2%. Впервые материал получили в X веке на территории Древнего Китая. Далее изделия из него равномерно распространились по всему миру. Сейчас КНР, Япония и Россия входят в ТОП-3 государств по выплавке.


При создании чугуна большую роль играют примеси. Их сейчас более 100, но популярнее всего 4:

  1. Сера – понижает тугоплавкость сплава, а также текучесть при расплаве.
  2. Фосфор – за счет снижения прочности улучшается пластичность. Это позволяет создавать изделия более сложной геометрии.
  3. Кремний – снижает литейную температуру.
  4. Марганец – повышает прочностный параметр сплава в ущерб литейным свойствам.

Также в сплав добавляют титан, медь, алюминий и титан. Температура плавления – 1160-1250 градусов по Цельсию.

На рынке есть несколько типов чугуна, которые отличаются по характеру сформированности кристаллической решетки:

  1. Белый – в состав добавляется цементит, который определяет цвет излома. Сырье хрупкое и является основой для создания ковкого типа чугуна.
  2. Серый – в сплав добавляется больше графита, придающего цвет изделиям. В составе также магний, фосфор и сера.
  3. Ковкий – белый чугун долгое время термически обрабатывается до образования графита, который дает изделию высокое механическое сопротивление.
  4. Высокопрочный – в результате кристаллизации создается шаровидный графит.
  5. Предельный – финальное состояние чугуна, из которого после производят другие изделия. Как самостоятельное элемент не используется.

Чугун активно используется в средах с повышенными климатическими условиями благодаря высокой устойчивости к температурным перепадам. Также изделия из чугуна применяются в быту: раковины, радиаторы, мойки, ванны.


  • есть марки равные стали по прочности;
  • тепло равномерно распределяется по поверхности;
  • экологически чистый материал;
  • повышенная устойчивость к кислотно-щелочным средам;
  • повышенная гигиеничность;
  • продолжительная эксплуатация.
  • стоимость выше, чем у стали;
  • белый чугун более хрупкий, чем сталь, а серый менее пластичный.

Характеристики стали

Сталь – это сплав, который состоит из железной руды и углеродной примеси. Классический рецепт – это менее 2% углерода. Однако есть и высоколегированные марки, где углерода 20-40%.

Россия входит в Топ-5 стран по выплавке стали в мире. Популярность материала объясняется. Существует масса видов и типов стали, которые отличаются по прочности, стойкости к коррозии и температурным перепадам.


  1. Обязательное наличие в сплаве в унифицированных пропорциях углерода и железной руды. Первый дает вязкость, а второй повышенную прочность.
  2. Сплав всегда содержит мелкие вкрапления: 1.2% кремния и 0.5% марганца.
  3. Чтобы изменить свойства материала, в него добавляют в унифицированных пропорциях другие металлы.

Существует масса вариантов классификации стали. Рассмотрим несколько параметров.

Химия

Углеродистые – классификатор намекает на ввод в состав сплава углерода. В одних марках не более 0.3% примеси, а максимальные значения не превышают 0.7%.

Легированные – в продукт добавляют примеси металлов и веществ, чтобы получить новые свойства. В «низких» марках процент примесей не более 2.5%, а предельные значения – до 10%.

Структурный состав

Перлитная сталь – это чистый продукт с малыми вкраплениями примесей. Мартенситная отличается обилием добавочных веществ в составе, как и аустенитная. Разница между последними двумя в пропорциях и количестве примесей.

Раскислитель

Спокойная – это полностью чистый материал без закиси железа. Ее применяют из-за повышенной себестоимости и добавочной цены исключительно в стратегически важных узлах сооружений.

Полуспокойная – материал твердеет без кипения, однако на поверхности материала все же остаются небольшие вкрапления пузырьков газа. Кипящая – это продукт низкого качества с большим количество газовых вкраплений, которые при дальнейшем использовании вызывают дефекты, например, при сварке.

Сталь производится мартеновским методом, а также конвертерно-кислородной. Еще есть прямой способ и электроплавильный.

Как отличить чугун от стали

Отличить чугун от стали можно за счет пары-тройки экспериментов:

  1. По излому – метод подойдет, если изделие больше не будет использоваться. На изломе чугун темно-серый, а вот сталь светлая с глянцевым блеском. На изломе у чугунных изделий трещины больше видны из-за повышенной хрупкости материала.
  2. Сверление – стальная стружка при сверлении отверстия вьется по мере движения сверла. Стружка чугуна тут же крошится и легко превращается в пыль.
  3. Шлифование – здесь используется шлифовальная машинка. Критерий оценки – это искры. Если их мало и с красноватым оттенком, это чугун. Стальные искры более желтые или белые, и их много.

Единственная схожесть у чугуна и стали – это наличие в составе углерода. В остальном перед нами разные материалы, использующиеся под разные нужды в народном хозяйстве и промышленности.

Читайте также: