19.2. Залізо

Чисте залізо — це блискучий сріблясто-білий метал, який тьмяніє (швидко іржавіє) на вологому повітрі або у воді, що містить розчинений кисень. Воно досить м'яке, ковке й тягуче, має сильні магнітні властивості (феромагнітне). Його температура плавлення 1535 °C, а температура кипіння 3000 °C (табл. 19.2). Структуру звичайного заліза (альфа-заліза) показано на рис. 2.9 (об'ємноцентрована ґратка, в якій кожен атом, розташований у центрі куба, оточений вісьмома іншими атомами). За 912 °C альфа-залізо переходить в іншу алотропну форму — гамма-залізо, яке має гранецентровану структуру, описану для міді в розд. 2. За 1400 °C відбувається наступний перехід у дельта-залізо, для якого характерна точно така сама об'ємноцентрована структура, як і для альфа-заліза.

Чисте залізо, що містить до 0,01% домішок, можна одержати електролітичним відновленням солей Феруму. Широкого застосування воно не знаходить; у невеликих кількостях його використовують в аналітичній хімії й також у невеликих кількостях — при лікуванні анемії (див. гемоглобін, підрозд. 15.4).

Металеве залізо набуває значно більшої міцності, якщо містить невелику кількість вуглецю; його механічні та хімічні властивості поліпшуються також унаслідок додавання невеликих кількостей інших елементів, особливо перехідних металів. Чавун, ковке залізо й сталь описано в наступних підрозділах.

Таблиця 19.2. Деякі фізичні властивості заліза, кобальту та нікелю

^a Для координаційного числа 12.

Найважливішими рудами заліза є його оксиди — гематит Fe₂O₃ і магнетит Fe₃O₄, а також карбонат — сидерит FeCO₃. Гідратовані оксиди Феруму(III), такі як лімоніт або бурий залізняк, також мають важливе значення. Ферум сульфід пірит FeS₂ використовують як джерело для одержання сульфур(IV) оксиду; забруднений оксид заліза, що залишається після випалювання піриту, не застосовують для виплавляння заліза, оскільки сірка, яка міститься в ньому, дуже ускладнює проведення технологічного процесу.

Звичайно залізну руду спочатку випалюють (нагрівають на повітрі) з метою видалення води, розкладання карбонатів і окиснення сульфідів. Потім руду відновлюють коксом у спеціальних печах — доменних печах (рис. 19.1). Руди, що містять вапняк або магній карбонат, змішують із кислим флюсом, який містить надлишок кремнезему, наприклад із піском або глиною, щоб міг утворитися рідкий шлак. Вапняк застосовують як флюс у тому випадку, коли руда містить велику кількість кремнезему. Суміш руди, флюсу й коксу вводять у верхню частину домни, а попередньо нагріте повітря вдувають у нижню частину через фурми. У міру того як тверді матеріали повільно опускаються вниз, вони перетворюються на гази (що підіймаються у верхню частину печі) і на дві різні рідини — розплавлене залізо та шлак (які стікають униз). Ділянки доменної печі, що зазнають дії найвищих температур, мають водяне охолодження, завдяки якому футерівка печі не плавиться.

Рис. 19.1. Схема доменної печі для виплавляння заліза з руди.

1 — скіп для подавання руди, коксу та флюсу; 2 — засипний пристрій; 3 — газовідвід; 4 — конуси засипного апарата, що правлять також за клапани; 5 — регулятор тяги; 6 — газовідвід для колошникового газу, який використовується для опалення повітронагрівників; 7 — гаряче дуття; 8 — жолоб для шлаку; 9 — ківш для шлаку; 10 — розплавлений чавун; 11 — ківш для чавуну; 12 — чавунна льотка; 13 — гаряче дуття, що надходить у фурми; 14 — шахта.

Найважливішими реакціями, що відбуваються в доменній печі, є: згоряння коксу до карбон(II) оксиду, відновлення ферум(III) оксиду карбон(II) оксидом і взаємодія між кислотними й основними оксидами (домішками, що містяться в руді, та доданим флюсом), яка приводить до утворення шлаку

2C + O₂ → 2CO

3CO + Fe₂O₃ → 2Fe + 3CO₂

CaCO₃ → CaO + CO₂

CaO + SiO₂ → CaSiO₃

Шлак є склоподібною сумішшю силікатів складного складу; у наведеному вище рівнянні його умовно позначено як метасилікат CaSiO₃.

Гарячі відхідні гази, які містять певну кількість неокисненого карбон(II) оксиду, спочатку очищають від пилу, а потім у суміші з повітрям спалюють у сталевих кауперах, футерованих вогнетривкою цеглою. Коли внаслідок згоряння відхідних газів один із кауперів нагрівається до високої температури, гази подають в інший каупер, а гарячий каупер використовують для підігрівання повітря, що подається в доменну піч.

Розплавлене залізо, що перебуває в нижній частині доменної печі в контакті з коксом, містить кілька відсотків розчиненого вуглецю (звичайно близько 3—4%), а також кремній, манган, фосфор і, в менших кількостях, сірку. Ці домішки знижують температуру плавлення з 1535 °C (для чистого заліза) приблизно до 1200 °C. Таке залізо часто відливають у злитки, які називають чушками; саме залізо, відлите в такий спосіб, називають доменним чавуном (чавуном першого плавлення).

Якщо чавун одержують швидким охолодженням із рідкого стану, то він набуває білого кольору й має назву білого чавуну. Такий чавун складається переважно з цементиту Fe₃C — твердої крихкої речовини.

Сірий чавун утворюється при повільному охолодженні; він складається з кристалічних зерен чистого заліза, яке називають феритом, і лусочок графіту (рис. 19.2). Як біла, так і сіра різновидності чавуну крихкі, причому крихкість першого пояснюється тим, що його основною складовою частиною є крихкий цементит, а другого — тим, що в'язкий ферит, який входить до його складу, ослаблений розсіяними в ньому м'якими лусочками графіту.

Рис. 19.2. Мікроструктура сірого чавуну, нетравленого. Білий фон — ферит, чорні плями — лусочки графіту. (×100). [From Malleable Founders’ Society.]

Ковкий чавун, більш в'язкий і менш крихкий, ніж білий або звичайний сірий чавун, одержують термічною обробкою сірого чавуну певного складу. При такій обробці лусочки графіту зростаються в сферичні частинки, які завдяки своєму невеликому перерізу послаблюють ферит менше, ніж первісні включення (рис. 19.3).

Рис. 19.3. Мікроструктура ковкого чавуну; на фотографії видно ферит (світлий фон) і сферичні частинки графіту. Нетравлений зразок. (×100). [From Malleable Founders’ Society.]

Чавун дешевший за залізо, проте він має обмежене застосування через меншу міцність. Основну кількість чавуну переробляють на сталь і лише деяку частину — на ковке залізо.

Ковке залізо — майже чисте залізо із вмістом 0,1—0,2% вуглецю; загальна кількість усіх домішок у ньому не перевищує 0,5%. Його одержують переплавлянням чавуну у відбивній печі з подом, виготовленим із ферум(III) оксиду (рис. 19.4). При перемішуванні розплавленого чавуну ферум(III) оксид окиснює розчинений вуглець до карбон(II) оксиду; сірка, фосфор і кремній при цьому також окиснюються й переходять у шлак. У міру видалення домішок температура плавлення заліза підвищується і маса густішає. Тоді її виймають із печі та обробляють паровим молотом для відокремлення від шлаку.

Ковке залізо є міцним м'яким металом, що легко піддається зварюванню й куванню. Раніше його широко застосовували при виробництві ланцюгів, дроту та інших подібних виробів. Нині його значною мірою замінила м'яка сталь.

Рис. 19.4. Відбивна піч, що застосовується при виробництві ковкого заліза та сталі.

1 — гарячий газ; 2 — гаряче повітря; 3 — камера згоряння; 4 — чавун, що піддається очищенню; 5 — футерівка пода, яка поглинає частину домішок; 6 — відпрацьований газ, що нагріває ґратчасту насадку для наступного циклу; 7 — надходження холодного повітря; 8 — до димоходу; 9 — надходження газу; 10 — клапани, що перекриваються кожні 20—30 хв; 11 — цегляна ґратчаста насадка (нагріта в попередньому циклі), що обігріває повітря й газ, які надходять.