Занимательная химия

Выбирайте правильно

Выбирайте правильно

20 интересных фактах о нефтепродуктах

1. Если из всей кукурузы и сои, выращенных в США, сделать биотопливо, то можно удовлетворить спрос на 12% потребности в бензине и на 6% потребности в дизельном топливе.

2. На Соединенные Штаты приходится 44% мирового потребления бензина.

3. В одном галлоне (4 литрах) бензина содержится около 31 млн. калорий.

4. Цена бензина в США составляет половину от средней цены в Евросоюзе

5. В Норвегии самые высокие в мире цены на газ. Хотя в стране есть запасы нефти, правительство не субсидирует голубое топливо, а используют деньги на бесплатное обучение в колледже и улучшение национальной инфраструктуры.

6. В 19 веке на нефтеперерабатывающих заводах бензин выливали, как побочный продукт.

7. Цена на бензин в Великобритании в 1,5 раза выше, чем в США.

8. В Туркменистане водители имеют право получить бесплатно 120 литров бензина в месяц.

9. Томас Миджли, химик, который придумал идею добавки свинца в бензин, а так же изобрел хлорфторуглероды. Его изобретения принесли наибольший ущерб окружающей среде, чем изобретения любого другого человека.

10. Коренные австралийские аборигены токсикоманы — они вдыхают пары бензина. В 2005 году правительство Австралии начало использовать низкоароматизированный бензин в отдаленных районах, наиболее подверженных токсикомании.

11. Для создания одного литра бензина, требуется 23,5 тонны древних растений и очень много времени.

12. Дизельные пары более канцерогенны, чем сигареты и по данным Всемирной организации здравоохранения вызывают рак легких.

13. Дизельный двигатель был назван в честь изобретателя, а не топлива. Исходным топливом на котором планировалась работа дизеля было арахисовое масло в 1895 году.

14. Норвежская нефтяная компания Statoil при продаже одной из своих нефтяных платформ, придумала такой слоган «Хорошо сохранившаяся, с прекрасной панорамой на океан и большой площадкой для вертолета».

15. Из-за аварии на нефтепроводе в Эквадоре пролилось больше нефти в бассейн рекиАмазонка, чем при аварии танкера Exxon Valdez на Аляске.

16. На территории средней школы студенческого городка Беверли-Хиллз существует действующая нефтяная скважина, которая приносит дополнительный доход около $ 300 000 в год для школы.

17. Америка получает больше нефти из Канады и Мексики, чем с Ближнего Востока.

18. Россия опережает добычу нефти в Саудовской Аравии на 1 млн. баррелей в сутки.

19. В 2011 году средняя заработная плата за год для работника нефтяной вышки составляла порядка 100 тысяч долларов.

20. Во время Первой мировой войны в самолетах использовалось касторовое масло, а не моторное масло и пилоты часто страдали от постоянной диареи из-за несгоревшего касторового масла из выхлопной трубы.

Многообразие органических соединений определяется уникальной способностью атомов углерода соединяться друг с другом простыми и кратными связями, образовывать соединения с практически неограниченным числом атомов, связанных в цепи, циклы, бициклы, трициклы, полициклы, каркасы и др., образовывать прочные связи почти со всеми элементами периодической системы (формирование как функциональных групп, так и различного рода соединений иного порядка), а также явлением изомерии  и гомологии - существованием разных по свойствам веществ, обладающих одним и тем же составом и молекулярной массой. Органические вещества можно разделить на две основные группы – циклические и ациклические. Ациклические также называют алифатическими. Ациклические разделяют на прямые и разветвлённые. Циклические на карбоциклические и ароматические. Особое значение имеет при этом наличие и характер функциональной группы. Разнообразие органических соединений, усложнение их строения и функций – от метана да ДНК, связано преимущественно с неограниченными возможностями комбинирования структур, взаиморасположения атомов и фрагментов молекул при условии одного и того же состава. Трудно вообразить себе число возможных органических соединений по этому поводу. Можно, конечно, попробовать, рассчитать (как звёзды на небе ) число возможных типов соединений, комбинаций и перекомбинаций. Это непосредственно будет связано с такой областью знаний как математика, а именно комбинаторика. (это Ваша вероятность выигрыша в азартной игре, лотерее и т.д.) Формулы для вычисления: Имеется n последовательно расположенных неодинаковых элементов. Требуется найти количество способов, которыми их можно переставить (построение изомеров, например, из атомов углерода и атомов функциональных групп – теоретический расчёт построения и возможности существования аминокислот, например – при этом, в результате невозможно будет осуществить синтез некоторых аминокислот ввиду термодинамических и стереохимических проблем и т.д.): (восклицательным знаком обозначается факториал), где n – количество неодинаковых элементов. Это относительно расположения элементов Имеется n различных (неодинаковых, неповторяющихся) элементов. Требуется выбрать из них m элементов, безразлично, в каком порядке (построение первичной структуры – белковых цепочек из суммы возможных аминокислот, при этом часть структур в реальности существовать не будет, иные не будут иметь структур последующих порядков, а ещё часть будет нефункциональна – «теория отбора в биологии» ) имеется n различных элементов. Нужно выбрать из них m элементов, причем порядок расположения элементов важен! (к примеру, синтез белка, или синтез нуклеиновой кислоты осуществляется с выбором определённой аминокислоты или нуклеотида соответственно) Стоит также отметить, что органические вещества способны к взаимопревращениям, что является основой искусственных синтезов веществ. При этом можно синтезировать вещества с заранее заданными свойствами. При этом стоит отметить, что строение, в особенности пространственное будет определять специфические функции белков, в особенности полимеров, действие лекарственных веществ. Молекулярный уровень является продолжением атомарного и в то же время предшественником полимерного уровня. Для многих органических веществ, составляющих организмы, присущ не только молекулярный, но и полимерный уровень организации. Молекулярный уровень организации имеет ряд особенностей: - ковалентная связь между атомами в молекулах - постоянный состав молекул -постоянная молекулярная масса Стоит отметить два понятия Конфигурация – особенности стойкого взаиморасположения атомов либо групп атомов в пространстве молекулы, (другие определения - равновесная конфигурация - расположение атомных ядер молекулы (иона, радикала) в пространстве, соответствующее минимуму её потенц. энергии. Конфигурация двухатомной молекулы характеризуется расстоянием между атомными ядрами. Для описания равновесной конфигурации многоатомных молекул используют длины связей, валентные углы, двугранные углы между направлениями хим. связей. Конфигурация может меняться при возбуждении молекулы. 2) Стерсохим. конфигурация характеризует пространств, расположение атомов в молекуле относительно стерич. центров (двойной связи, цикла или элемента хиральности). Напр., говорят о цис- или транс -конфигурации алкенов, D- или L- конфигурации аминокислот и углеводов. При одной и той же конфигурации, молекула может иметь множество конформаций)   Изменение конфигурации жиров при жарке приводит к такому изменению конфигурации ненасыщенных карбоновых кислот, что образуются транс-жиры, которые содержат остатки элаидиновой кислоты, вредной при  встраивании её в состав плазматической оболочки клеток. (деструктуризация, нарушение обменных процессов, запуск свободнорадикальных процессов) Изменение пространственной конфигурации приводит к тому, что белки утрачивают свою активность, изменяется состав клеточных мембран, нарушаются их функции. Конформация - (от лат. conformatio — форма, построение, расположение) молекул, геометрические формы, которые могут принимать молекулы органических соединений при вращении атомов или групп атомов (заместителей) вокруг простых связей при сохранении неизменными порядка химической связи атомов (химического строения), длины связей и валентных углов. Внутримолекулярное движение обуславливает изменение конформаций. Крахмал. Полимер. Степени полимеризации. Характер Связей. ( водородные, гидрофильные и т.д.)  

Органические вещества лежат в основе всей живой природы. Растения и животные, микроорганизмы и вирусы — все живые существа состоят из огромного количества различных органических веществ и сравнительно небольшого числа неорганических. Именно соединения углерода, благодаря их великому разно

Получение и классификация алюминиевых сплавов

Процесс получения алюминиевых сплавов называется легированием. Однако легирование - это скорее не один, а несколько взаимосвязанных процессов. Его суть заключается в том, что в расплавленный алюминий вводят вспомогательные (легирующие) элементы в количестве от нескольких десятых до нескольких тысячных процента

Доля вспомогательных веществ напрямую зависит от того результата, который необходимо получить. При этом важно учитывать, что алюминий обычно уже содержит в себе железо и кремний. Оба элемента не в лучшую сторону влияют на качество будущего сплава: они уменьшают его стойкость к коррозии, электропроводимость и пластичность

В связи с тем, что алюминий и алюминиевые сплавы используются в стратегически важных областях, они подлежат обязательной государственной сертификации и маркировке. В России качество сплавов определяется на основе двух ГОСТ: №4784-97 и № 1583-93

Сплавы из алюминия можно классифицировать по нескольким разным направлениям. По типу вспомогательных (легирующиех) элементов сплавы бывают:

• С добавлением присадок (отдельных элементов - цинк, магний, марганец, хром, кремний, литий и т.д)

• С добавлением интреметаллидов (соединений из нескольких металлов - магний+кремний, медь+магний, литий+магний, литий+медь и пр.)

В зависимости от выбранного метода дальнейшей металлообработки они делятся на:

Деформируемые сплавы алюминия (сплав не превращается в жидкость, а просто становится очень пластичным) - их удобно штамповать, подвергать ковке, прокату, экструзии, прессовке. Для достижения большей прочности некоторые из сплавов подвергают обработке при повышенных температурах (отжиг, закалка и старение), другие же обрабатывают под давлением. В результате получаются такие алюминиевые заготовки, как листы, профили, трубы, изделия более сложных форм

Литейные сплавы алюминия (сплав проступает в производство в очень жидком состоянии, чтобы его легко можно налить в какую-нибудь форму) - такие сплавы легко резать, их них получаются литые фасонные (получаемые под давлением) и формовочные изделия

Все сплавы на базе алюминия также можно разделить по степени прочности на:

Сверхпрочные (от 480 МПа) Среднепрочные (от 300 - 480 МПа) Малопрочные ( до 300 МПа)

Отдельно классифицируются сплавы стойкие к воздействию высоких температур и коррозии

Для того, чтобы изделия из сплавов было легко различить, каждому сплаву присваивается свой номер, состоящий из букв и цифр. Этот номер означает марку сплава алюминия. В начале наименования марки ставится буква или несколько букв, они указывают на состав сплава. Затем идет цифровой порядковый номер сплава. Буква в конце показывает, как обрабатывался сплав и в каком виде находится в данный момент

Разберем принцип маркировки на примере сплава Д16П. Первая буква в марке "Д" означает дюралюминий, т.е сплав алюминия с медью и магнием. "16" - порядковый номер сплава. "П" - полунагартованный, то есть сплав прошел холодную обработку давлением до значения прочности вполовину меньше максимального

Производство сплавов алюминия и их применение сильно разнятся в зависимости от вида и марки. Каждый сплав обладает своим собственным, весьма специфическим набором физико-механических свойств. Среди этих свойств есть такие, от которых зависит дальнейшая судьба сплава - то, куда он отправится с завода: на авиабазу, на стройку и в цех изготовления кухонной утвари. Эти свойства следующие: уровень прочности, коррозионная стойкость, плотность, пластичность, электро- и теплопроводность

Основные свойства различных сплавов алюминия

Давайте рассмотрим основные сплавы на базе алюминия именно с точки зрения их приобретенных свойств

Сплав меди и алюминия бывает нескольких видов - "чистый", в котором главными действующими элементами выступают Al и Cu, "медно-магниевый", в котором помимо меди и алюминия некоторую долю занимает магий и "медно-марганцевый" с легированием марганцем. Такие сплавы часто также называют дюралюминиям, их легко резать и сваривать "точечно"

Сплав алюминия и магния имеет разные показатели прочности и пластичности, в зависимости от количества магния. Чем магния меньше, тем меньше прочность изделия из такого сплава и тем выше стойкость к коррозии. Увеличение содержания магния на 1 % приводит к росту прочности до 30 000 Па. В среднем сплавы на основе магния и алюминия содержат до 6% первого. Почему не больше? Если магния в сплаве становится слишком много, изделие из него будет быстро покрываться ржавчиной, а кроме того такие изделия имеют нестабильную структуру, могут треснуть

Термообработку сплавов магния с алюминием не проводят, так как она малоэффективна и не дает необходимого эффекта увлечения прочности

Сплав алюминия с цинком и магнием считается наиболее прочным из всех алюминиевых сплавов, известных на сегодняшний день. Его прочность сравнима с титаном! Во время термообработки большая часть цинка растворяется, что и делает данный сплав таким прочным. Правда использовать в электрической промышленности изделия из таких сплавов невозможно, они не стойки к коррозии под напряжением. Чуть повысить коррозионную стойкость можно, если добавить в состав меди, но показатель все равно останется не удовлетворительным

Сплав алюминия с кремнием - самый распространенный сплав в литейной промышленности. Поскольку кремний прекрасно растворяется в алюминии при нагреве, то образуемый расплавленный состав замечательным образом подходит для формовочного и фасонного литья. Готовые изделия относительно легко режутся и имеют высокую плотность

Сплав алюминия с железом, как и сплавы алюминия с никелем практически не встречается "в живую". Железо добавляют исключительно как вспомогательный элемент для того, чтобы литейный сплав легко отлипал от стенок формы. Никель с свою очередь наиболее известен в производстве магнитов и присутствует в качестве одного из элементов в сплаве алюминий-никель-железо

Сплав титана и алюминия, так же не встречается в чистом виде и используется только для увеличения прочности изделий. С той же целью проводится сварка стали и сплавов алюминия

Инновационные технологии получение водорода синтез газа

Инновации химии

Исследователям из Германии успешно удалось с помощью катализа палладийсодержащими соединениями свернуть отдельные цепи полимеров в плотные наночастицы, состоящие только из одной полимерной цепи. Такие наночастицы имитируют активные центры ферментов с предопределенным окружением вокруг металлоцентра и могут катализировать реакции сочетания связей углерод-углерод

Процесс внутримолекулярной сшивки позволяет получить наночастицы, состоящие из одной цепочки, катализирующие реакцию Соногаширы. Активный центр ферментов способен катализировать многие органические реакции. Для промышленной химии селективность процесса, конечно, является важным фактором, однако та же промышленность хочет использовать синтетические процедуры попроще. Известно, что выделение или синтез ферментов представляет собой непростую задачу, поэтому применение этих катализаторов в условиях промышленного органического синтеза практически невозможно. Одним из решений, позволяющих объединить достоинства ферментов и простоту синтеза катализаторов, являются наночастицы, состоящие из одной цепи – эти объекты сравнительно недавно стали активной темой исследований в области химии полимеров. В настоящий момент такие частицы используются в молекулярном распознавании и создании сенсоров, в медицинской и каталитической химии, однако лишь небольшое число исследовательских коллективов изучают способы синтеза таких частиц, и еще меньшее количество работ посвящено способам введения металлов в эти частицы

Кокосовое волокно

Структура субстратов

Исследователи из Великобритании заявляют, что изменение структуры природных субстратов ферментов терпенсинтаз может привести к созданию новых пестицидов, отличающихся меньшей опасностью для окружающей среды, а также новых важных биологически активных соединений.

Терпенсинтазы способствуют образованию большого количества природных соединений, которые используются самыми различными формами жизни. Многие растения испускают летучие органические вещества для отпугивания насекомых и других растительноядных организмов, поэтому очевидно, что исследователи проявляют существенный интерес к созданию новых терпеновых аналогов пестицидов. Тем не менее, органы обоняния насекомых очень сложны, и могут игнорировать даже очень близкие по строению аналоги природных терпенов

ДНК и РНК в биосинтезе белка

Как вывести пятна от вина

Если красное вино оказалось на обивке мягкой мебели или на ковре, отстирать его, конечно, не удастся. Зато можно густо посыпать всё той же солью, потереть, удалить остатки соли и обработать загрязнённый участок любым моющим средством. Затем нужно собрать влагу бумажными салфетками

Для цветной одежды подойдёт смесь яичного желтка и глицерина в пропорции которую необходимо нанести на пятно и оставить. Затем нужно просто постирать вещь в тёплой воде

Если изделие нельзя стирать, приготовьте для него такой раствор: смешайте нашатырный спирт, глицерин и водку в пропорции. Нанесите смесь на поврежденный участок при помощи ватного диска, а затем протрите загрязнённую область бумажными салфетками

Вывести следы от красного вина с хлопка поможет подогретое молоко. Пропитайте им испорченную ткань и подождите около 10 минут. Затем постирайте изделие в обычном режиме

Как вывести пятно от ягод с одежды

Аппетитные, свежие и сочные ягоды, напитанные летним солнышком, не только поднимают всем настроение своим внешним видом и замечательным вкусом, но и оставляют ярко выраженные трудновыводимые пятна на одежде

Особенно часто эти следы появляются на штанишках маленьких детей, которым очень хочется помочь родителям собирать ягоды. Пятна также могут быть и больших размеров, например, если малыш сядет на травку под куст смородины, но даже в этом случае не стоит торопиться рвать вещь на тряпки

Методы, которые хорошо справляются с пятнами от ягод

• Крутой кипяток. Совсем свежее пятно от вишни, малины, ежевики, клубники, смородины вы можете быстро удалить с помощью кипятка. Для этого нужно вскипятить чайник, натянуть изделие с пятном над глубокой миской, тазиком или кастрюлей и полить загрязненную область крутым кипятком. Свежие следы от ягод сразу исчезнут. Отметим, что чувствительную к высоким температурам ткань данным методом чистить мы не рекомендуем
• 
• 
• Скисшее молоко. Замочите ягодное пятно на 2-3 часа в скисшем молоке или кефире, после чего постирайте изделие. Многим людям помог этот простой метод
• 
• 
• Лимонная кислота. Обычно к этому методу прибегают люди, у которых нет дома скисшего молока. Чтобы убрать пятно, необходимо сделать раствор (чайная ложка лимонной кислоты на стакан воды), замочить в нем загрязненную область и подождать 20 минут. Если пятно полностью не исчезнет, повторить процедуру. После этого постирать ткань обычным способом
• 
• 
• Столовый уксус. Чтобы воспользоваться этим методом, необходимо смешать столовый уксус и свежевыжатый лимонный сок смочить получившимся раствором марлю или чистую белую ткань и хорошенько обработать пятно от краев к центру. После этого постирать одежду
• 
• 
• Соль. От свежего ягодного пятна можно избавиться при помощи соли. Для этого смешайте ее с водой так, чтобы получилась кашица. Затем смочите в кашице белую хлопчатобумажную ткань, разложите «пострадавшую» вещь и начинайте аккуратно от края к центру удалять загрязнения. После чего промойте следы мыльным раствором и постирайте одежду в теплой воде
• 
• 
• Глицерин. Если пятно от ягод было поставлено на цветную ткань, можно воспользоваться данным методом. Просто смешайте глицерин с сырым яичным желтком, нанесите смесь на место загрязнения и подождите 2 часа. По истечении этого времени постирайте одежду в теплой воде
• 
• 

Вклад украинских учёных в развитие металлургии

Мозговой Николай Илларионович

Сегодня почти две трети мирового объема стали получают кислородно-конверторным методом. А впервые в мировой практике продувку жидкого чугуна кислородом сверху совершил 22 апреля 1936 г. выпускник КПИ Николай Илларионович Мозговой - в полуторатонном агрегате на Киевском заводе «Большевик»

Францевич Иван Никитич

Научные труды Францевича посвященные созданию материалов , обладающих высокой огнеупорностью электроэрозионной стойкостью, прочностью и износостойкостью , и предназначенных для работы в особо сложных условиях.Полученные ученым результаты исследований обобщены и изложены более чем в 600 научных статей, опубликованных в ведущих отечественных и зарубежных журналах и в 20 монографиях , зафиксированы в нескольких десятках авторских свидетельств на изобретения и 14 патентах , что до сих пор не утратили своего значения

Бардин Иван Павлович

Главные работы охватывают вопросы: проектирования новых мощных, полностью механизированных металлургических заводов; создания наиболее совершенных типовых металлургических агрегатов; интенсификации металлургических процессов, особенно при помощи кислорода; освоения и комплексного использования новых видов металлургического сырья

Химизм производства чугуна

Доменная печь работает по принципу противотока. Шихтовые материалы – агломерат, кокс и др. – загружают сверху при помощи засыпного (загрузочного) аппарата. Навстречу опускающимся материалам снизу вверх движется поток горячих газов, образующихся при сгорании топлива (кокса), а также природного газа.

В доменной печи протекают следующие основные процессы:

Восстановление железа. Этот процесс происходит последовательно от высших оксидов к низшим и далее к чистому металлу : Fe2O3 – Fe3O4 – FeO – Fe 

Главными восстановителями железа в доменной печи являются оксид углерода(I) и твердый углерод кокса. Оксид углерода(I) образуется при взаимодействии углекислого газа с раскалённым коксом:

C + CO2=2CO

Восстановление оксидом углерода называется косвенным (непрямым) восстановлением и происходит по реакциям

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 + Q; 

Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 - Q;

FeO + CO = Fe + CO2 + Q.

Восстановление Fe2O3 начинается при сравнительно низких температурах (400-5000С) в верхней части шахты печи. По мере опускания рудных материалов повышаются температура и содержание СО в доменных газах; при этом создаются условия для окончательного восстановления железа. Эти процессы заканчиваются в нижней части шахты печи при температурах около 900-9500 С. 

Значение косвенного восстановления очень велико. В зависимости от условий работы печи оксидом углерода СО восстанавливается 60-80% всего железа. Остальная часть железа восстанавливается твердым углеродом.

Восстановление твердым углеродом называется прямым восстановлением. Оно происходит при температурах выше 950-10000 С (зона распара печи) по реакции

FeO + C = Fe + CO – Q.

Следует отметить, что эта реакция отражает лишь конечный результат процесса прямого восстановления, который протекает в две стадии:

FeO + CO = Fe + CO2 + Q

CO2 + C = 2CO– Q 

FeO + C = Fe + CO2 – Q

Таким образом, при прямом восстановлении расходуется только углерод кокса, хотя реагентом, взаимодействующим с FeO, является оксид углерода СО. Непосредственное восстановление оксидов железа при контакте с углеродом кокса практически не происходит.

Уже в шахте доменной печи при температурах выше 400-5000 С наряду с восстановлением железа происходит и его науглероживание за счет оксида углерода СО по реакции:

3Fe + 2CO = Fe3 C + CO2 + Q.

Карбид железа Fe3С хорошо растворяется в твердом железе и постепенно образуется сплав железа с углеродом. С увеличением содержания углерода температура плавления сплава значительно понижается и достигает минимального значения 11470С при 4,3%. В зонах печи с высокими температурами – обычно в нижней части шахты – начинается плавление сплава. Жидкий сплав – чугун, стекая вниз, омывает куски раскаленного кокса и дополнительно интенсивно науглероживается. В нем также растворяются восстановленный марганец, кремний, сера и другие примеси. Конечный состав чугуна устанавливается в горне. При этом большое значение имеют состав, свойства и количество шлака.

Восстановление других элементов. В доменную печь с шихтовыми материалами попадают марганец, кремний, сера и другие элементы в виде различных химических соединений. Эти элементы частично или полностью восстанавливаются и входят в состав чугуна, улучшая или ухудшая его свойства.

Постоянными полезными примесями чугуна являются марганец и кремний, вредными – сера и фосфор.

Марганец – постоянная примесь железных руд. При выплавке чугунов с повышенным содержанием марганца в доменную печь загружается марганцовая руда. 

Высшие оксиды марганца восстанавливаются до оксида марганца MnO окисью углерода, аналогично окислам железа: MnO2 - Mn2O3 - Mn3O4- MnO. Закись марганца восстанавливается твердым углеродом по реакции:

MnO + C = Mn + CO – Q.

Эта реакция протекает при температурах выше 11000 С с поглощением тепла. Поэтому для восстановления марганца требуется увеличить расход кокса и температуру дутья. Например, при выплавке зеркального чугуна с 10-25% Mn расход кокса увеличивается в 2-2,5 раза. Значительная часть MnO находится в виде силикатов, из которых может быть выделена известью.

Таким образом, дополнительным условием для увеличения степени восстановления марганца является достаточное количество извести CaO в шлаке, т.е. его повышенная основность.

Кремний находится в пустой породе руды и в золе кокса в виде свободного кремнезема SiO2 или в виде силикатов (SiO2·2СaO и др.).

Восстановление кремния происходит из кремнезема SiO2 по реакции:

SiO2 + 2С = Si + 2СО – Q.

По-видимому, кремний восстанавливается из SiO2 и карбидом железа Fe3C. 

Эта реакция протекает с поглощением тепла при температурах не ниже 14500 С. Поэтому для выплавки чугуна с повышенным содержанием кремния необходимо значительно увеличивать расход кокса и применять высокотемпературное дутье, обогащенное кислородом. Для увеличения количества свободного кремнезема в шлаке необходимо уменьшать в нем содержание извести CaО, т.е. понижать его основность.

Другие полезные примеси – никель, ванадий, титан и т.д. – попадают в доменную печь в виде примесей железной руды. При доменной плавке никель восстанавливается и переходит в чугун полностью, хром – на 85-95%, ванадий – на 70-80%.

Фосфор – вредная примесь железных руд находится в них главным образом в виде P2O5· 3СaO. Восстановление фосфора происходит окисью углерода СО, водородом, а также твердым углеродом. Весь фосфор, внесенный шихтой, восстанавливается и переходит в чугун практически полностью.

Сера – особенно вредная примесь в чугуне (а также в стали). Основное количество серы вносит кокс, часть – железная руда. В доменной печи 10-20% серы удаляется в виде соединений. Остальная часть серы переходит в чугун и в шлак в виде сульфидов FeS, CaS и др. Сульфид железа FeS хорошо растворяется в чугуне.

В условиях доменной плавки основным способом десульфурации, т.е. удаления серы из металла, является образование сульфида кальция CaS по реакции FeS + CaO = FeO + CaO + Q.

Сульфид кальция CaS нерастворим в чугуне и находится в шлаке. Наиболее интенсивно эта реакция протекает при прохождении капель чугуна через слой шлака.

Из этой реакции следует, что одним из основных условий удаления серы из металла является достаточное количество извести CaO в шлаке. Удалению серы способствует высокая температура в горне; с нагревом уменьшается вязкость шлака, что улучшает диффузию сульфидов и способствует восстановлению FeO.

Часть серы удаляется с помощью MgO (всегда содержащемся в шлаке), а также марганца по реакциям FeS + MgO = FeO + MgS и FeS + Mn = Fe + MnS.

Сульфид магния MgS нерастворим в металле, а сульфид марганца MnS растворяется незначительно. Широкое распространение получило внедоменное удаление серы из чугуна. При выдержке его в ковшах-чугуновозах и в миксере часть серы может переходить из металла в шлак в виде сульфида марганца MnS, так как растворимость этого соединения в металле при понижении температуры уменьшается. Такой способ дает хорошие результаты при содержании в чугуне более 2% Mn.

Одним из опробованных в промышленных масштабах способов внедоменного удаления серы является обработка чугуна в выпускном желобе или в чугуновозе содой NaCO3 (1% от массы чугуна). Сера удаляется по реакции:

FeS + NaCO3 = FeO + Na2S + CO2.

Образующийся при этом сернистый натрий Na2S переходит в шлак. В настоящее время проводят исследование работы по изысканию других недефицитных и дешевых реагентов. Шлакообразование начинается примерно в распаре печи.

Первичный шлак образуется в результате сплавления CaO, SiO2, Al2O3 и других окислов, находящихся в составе флюса и пустой породы руды. При определенных соотношениях по массе эти тугоплавкие окислы могут образовывать легкоплавкие смеси – сплавы с Т пл = 1150-12000 С. Стекая вниз и накапливаясь в горне, шлак существенно изменяет свой состав. В результате взаимодействия с расплавленным чугуном и остатками несгоревшего кокса в шлаке восстанавливаются окислы железа и марганца, в нем растворяются FeS, MnS, зола кокса и т.д. Химический состав шлака определяет состав чугуна и поэтому при выплавке передельных, литейных и других чугунов всегда подбирают шлак соответствующего состава. Типовой состав шлака: 40-50% CaO; 38-40% SiO2; 7-10% Al2O3

Установки и аппараты

Сырье для чугуна

Компоненты, необходимые для получения чугуна

В среднем, для производства 1 тонны металла необходимо около 3 тонн (в зависимости от содержания железа) руды, 1,1 тонны кокса, 20 тонн воды, плюс различное количество флюса.

Основа чугуна — металлическая руда, состоит из различных соединений железа, а также пустых пород. Процентное содержание Fe в руде отличается в зависимости от типа материала, и варьируется от 30 до 70%.

Флюсы, другое название плавни. Разнообразные породы, добавляемые в руду при плавке. Основной задачей является снижение температурного параметра плавления руды, которое обеспечивает более эффективный вывод шлака. В зависимости от типа пустых пород, применяются разные виды флюсов

Процесс выплавки чугуна требует большого количества тепловой энергии, причем температура горения топлива должна соответствовать условиям плавки. В качестве топлива в металлургии в основном применяют коксующиеся угли, термоантрацит, природный газ

Железная руда — разновидности и свойства

В природе существует большое разнообразие железных руд, но во многих из них содержание металла очень низкое, что делает нерентабельной ее переплавку. Кроме основных компонентов в состав руды входят и другие примеси, которые могут быть как полезными, так и вредными, ухудшающими свойства получаемого металла. К нежелательным примесям можно отнести примеси серы, которая имеется в руде в виде сульфида. Сера придает выплавленному металлу так называемую красноломкость, хрупкость при прокатке или ковке. Содержание серы в руде не должно превышать 0,15%.  Негативное действие оказывает и фосфор, встречающийся в виде фосфатов, его превышенное содержание вызывает хладноломкость (хрупкость в нормальных условиях). Другие примеси оказывают в основном положительное влияние на получаемый металл, но при плавке стоит учитывать их содержание в руде, для того, чтобы получить требуемые качества чугуна. К таким примесям относят ванадий, титан, медь, марганец, хром. В металлургии применяют следующие виды железных руд:

Магнитный железняк — основное сырье для чугуна, содержание железа достигает 60%, наличие нежелательных примесей минимально. Обладает значительными магнитными свойствами

Красный железняк (гематит), содержит безводную окись  железа, которой имеется в руде до 66%, фосфор и сера присутствуют в небольших количествах.

Бурый железняк, руда, содержащая до 55% железа, отличается большим количеством нежелательных примесей

Шпатовый железняк, содержит всего около 40% солей железа, что делает его применение ограниченным.
Также применяются в производстве ферромарганца и зеркального чугуна марганцевые руды

Производство стали

Чтобы получить сталь из чугуна надо уменьшить в нем  количество углерода, марганца, серы и  фосфора. Сталь получают в кислородных конверторах, мартеновских печах и электропечах.

Мартеновское производство менее производительное, чем конверторное, но лучше регулируется процесс, используются чугунные чушки и металлолом. Мартен это регенеративная пламенная печь. Газ сгорает над плавильным пространством, где создается температура 1750… 1800 oС.  Газ и  воздух  предварительно  подогреваются  ( до 1200…1250 oС) в регенераторах. За счет тепла сгоревших газов, выходящих в трубу. Два регенератора : один работает, а другой накапливает тепловую энергию. Для интенсификации процесса ванну продувают кислородом. Раскисление ванны проводят ферросилицием и феромарганцем в ванне, а окончательное – алюминием и  ферросилицием в сталеразливочном ковше.

Сталь высокого качества  выплавляют  в дуговых и индукционных электропечах. Процесс примерно такой же как  и в мартеновской печи, но температура выше, поэтому можно получать в электропечах тугоплавкую сталь , содержащую  хром, вольфрам и др.  Два периода при выплавке электростали: окислительный (выгорают Si, Mn, C, Fe) за счет кислорода, воздуха и  оксидов шихты; восстановительный — раскисление стали, удаление серы. Для этого вводят флюс, состоящий из извести и  плавикового шпата.

Индукционная плавка  применяется обычно для переплавки сталей и   получения  высоколегированных и специальных сталей в условиях  вакуума или  специальной регулируемой  атмосферы

Производство чугуна

Чугун выплавляется в домнах. Это сложное инженерное сооружение, работающее непрерывно в течение 5..10 лет.

Печь работает по принципу противотока. Сверху загружается руда ,флюсы и кокс, а снизу подается воздух. Кокс служит для нагревания и расплавления руды , а также участвует в восстановлении железа из окислов руды. В коксе должно быть минимум серы и фосфора.  Флюсы (известняки, кремнеземы,..) необходимы для получения шлаков  При сгорании топлива образуется окись углерода, которая и является главным восстановителем железа