19.2. Железо

Чистое железо представляет собой блестящий серебристо-белый металл, который тускнеет (быстро ржавеет) на влажном воздухе или в воде, содержащей растворенный кислород. Оно достаточно мягко, ковко и тягуче, обладает сильными магнитными свойствами (ферромагнитно). Его температура плавления 1535 °C и температура кипения 3000 °C (табл. 19.2). Структура обычного железа (альфа-железа) показана на рис. 2.9 (объемноцентрированная решетка, в которой каждый атом, расположенный в центре куба, окружен восемью другими атомами). При 912 °C альфа-железо переходит в другую аллотропную форму — гамма-железо, которое имеет гранецентрированную структуру, описанную для меди в гл. 2. При 1400 °C происходит следующий переход в дельта-железо, для которого характерна точно такая же объемноцентрированная структура, как и для альфа-железа.

Чистое железо, содержащее до 0,01% примесей, можно получить электролитическим восстановлением солей железа. Широкого применения оно не находит; в небольших количествах его используют в аналитической химии и также в небольших количествах — при лечении анемии (см. гемоглобин, разд. 15.4).

Металлическое железо приобретает значительно бóльшую прочность, если содержит небольшое количество углерода; его механические и химические свойства улучшаются также в результате добавления небольших количеств других элементов, особенно переходных металлов. Чугун, ковкое железо и сталь описаны в дальнейших разделах.

Таблица 19.2. Некоторые физические свойства железа, кобальта и никеля

^a Для координационного числа 12.

Важнейшими рудами железа являются его окислы — гематит Fe₂O₃ и магнетит Fe₃O₄, а также карбонат — сидерит FeCO₃. Гидратированные окислы железа (III), такие, как лимонит или бурый железняк, также имеют важное значение. Сульфид железа пирит FeS₂ используют в качестве источника для получения двуокиси серы; загрязненный окисел железа, остающийся после обжига пирита, не применяют для выплавки железа, поскольку содержащаяся в нем сера очень затрудняет проведение технологического процесса.

Обычно железную руду сначала обжигают (нагревают на воздухе) с целью удаления воды, разложения карбонатов и окисления сульфидов. Затем руду восстанавливают коксом в специальных печах — доменных печах (рис. 19.1). Руды, содержащие известняк или карбонат магния, смешивают с кислым флюсом, содержащим избыток кремнезема, например с песком или глиной, чтобы мог образоваться жидкий шлак. Известняк применяют в качестве флюса в том случае, если руда содержит большое количество кремнезема. Смесь руды, флюса и кокса вводят в верхнюю часть домны, а предварительно нагретый воздух вдувают в нижнюю часть через фурмы. По мере того как твердые материалы медленно опускаются вниз, они превращаются в газы (поднимающиеся в верхнюю часть печи) и в две различные жидкости — расплавленное железо и шлак (которые стекают вниз). Участки доменной печи, подверженные действию наиболее высоких температур, имеют водяное охлаждение, благодаря которому футеровка печи не плавится.

Рис. 19.1. Схема доменной печи для выплавки железа из руды.

1 — скип для подачи руды, кокса и флюса; 2 — засыпное устройство; 3 — газоотвод; 4 — конусы засыпного аппарата, служащие также в качестве клапанов; 5 — регулятор тяги; 6 — газоотвод для колошникового газа, используемого для отопления воздухонагревателей; 7 — горячее дутье; 8 — желоб для шлака; 9 — ковш для шлака; 10 — расплавленный чугун; 11 — ковш для чугуна; 12 — чугунная летка; 13 — горячее дутье, поступающее в фурмы; 14 — шахта.

Наиболее важными реакциями, происходящими в доменной печи, являются: сгорание кокса до окиси углерода, восстановление окиси железа окисью углерода и взаимодействие между кислотными и основными окислами (примесями, содержащимися в руде, и добавляемым флюсом), приводящее к образованию шлака

2C + O₂ → 2CO

3CO + Fe₂O₃ → 2Fe + 3CO₂

CaCO₃ → CaO + CO₂

CaO + SiO₂ → CaSiO₃

Шлак представляет собой стекловидную смесь силикатов сложного состава; в приведенном выше уравнении он условно обозначен как метасиликат CaSiO₃.

Горячие отходящие газы, которые содержат некоторое количество неокислившейся окиси углерода, сначала очищают от пыли, а затем в смеси с воздухом сжигают в стальных кауперах, футерованных огнеупорным кирпичом. Когда в результате сгорания отходящих газов один из кауперов нагревается до высокой температуры, газы подают в другой каупер, а горячий каупер используют для подогрева воздуха, подаваемого в доменную печь.

Расплавленное железо, находящееся в нижней части доменной печи в контакте с коксом, содержит несколько процентов растворенного углерода (обычно около 3—4%), а также кремний, марганец, фосфор и, в меньших количествах, серу. Эти примеси снижают температуру плавления с 1535 °C (для чистого железа) примерно до 1200 °C. Такое железо часто отливают в слитки, называемые чушками; само железо, отлитое таким образом, называют доменным чугуном (чугуном первой плавки).

Если чугун получают быстрым охлаждением из жидкого состояния, то он приобретает белый цвет и носит название белого чугуна. Подобный чугун состоит преимущественно из цементита Fe₃C — твердого хрупкого вещества.

Серый чугун образуется при медленном охлаждении; он состоит из кристаллических зерен чистого железа, называемого ферритом, и чешуек графита (рис. 19.2). Как белая, так и серая разновидности чугуна хрупки, причем хрупкость первого объясняется тем, что его основной составной частью является хрупкий цементит, а второго тем, что входящий в его состав вязкий феррит ослаблен рассеянными в нем мягкими чешуйками графита.

Рис. 19.2. Микроструктура серого чугуна, нетравленого. Белый фон — феррит, черные пятна — чешуйки графита. (×100). [From Malleable Founders’ Society.]

Ковкий чугун, более вязкий и менее хрупкий, чем белый или обычный серый чугун, получают термической обработкой серого чугуна определенного состава. При такой обработке чешуйки графита сращиваются в сферические частицы, которые благодаря своему небольшому сечению ослабляют феррит меньше, чем первоначальные включения (рис. 19.3).

Рис. 19.3. Микроструктура ковкого чугуна; на фотографии виден феррит (светлый фон) и сферические частицы графита. Нетравленый образец. (×100). [From Malleable Founders’ Society.]

Чугун дешевле железа, однако он имеет ограниченное применение ввиду меньшей прочности. Основное количество чугуна перерабатывают в сталь и лишь некоторую часть — в ковкое железо.

Ковкое железо — почти чистое железо с содержанием 0,1—0,2% углерода; общее количество всех примесей в нем не превышает 0,5%. Его получают переплавкой чугуна в отражательной печи с подом, изготовленным из окиси железа (рис. 19.4). При перемешивании расплавленного чугуна окись железа окисляет растворенный углерод до окиси углерода; сера, фосфор и кремний при этом также окисляются и переходят в шлак. По мере удаления примесей температура плавления железа повышается и масса загустевает. Тогда ее извлекают из печи и обрабатывают паровым молотом для отделения от шлака.

Ковкое железо представляет собой прочный мягкий металл, легко поддающийся сварке и ковке. Прежде его широко применяли при производстве цепей, проволоки и других подобных изделий. В настоящее время его в значительной мере заменила мягкая сталь.

Рис. 19.4. Отражательная печь, применяемая при производстве ковкого железа и стали.

1 — горячий газ; 2 — горячий воздух; 3 — камера сгорания; 4 — чугун, подвергающийся очистке; 5 — футеровка пода, поглощающая часть примесей; 6 — отработанный газ, нагревающий решетчатую насадку для следующего цикла; 7 — поступление холодного воздуха; 8 — к дымоходу; 9 — поступление газа; 10 — клапаны, перекрываемые через каждые 20—30 мин; 11 — кирпичная решетчатая насадка (нагретая в предшествующем цикле), обогревающая поступающие воздух и газ.