Значення залізовуглецевих сплавів у житті людини

Ви дізнаєтесь

Спробуйте уявити, якими були б сучасні машини та механізми, якби в основі їх конструкції були не метали (сталь, чавун, кольорові метали), а якісь інші відомі матеріали. Це під силу, мабуть, тільки вченим, які зараз шукають шляхи виходу людства з екологічної кризи, пов’язаної з браком енергетичних та сировинних ресурсів нашої планети.

Під час вивчення всесвітньої історії ви дізналися, що залізо відігравало і відіграє виняткову роль у розвитку матеріальної історії всього людства. Перше залізо, що потрапило до рук людини, було метеоритного походження. Кілька тисяч років тому людина помітила, що із шматків залізної руди (легковідновлювальні руди), які випадково опинилися у багатті, виплавлялося залізо. Під час горіння багаття відновлення заліза із залізної руди відбувається при температурі 700° за рахунок реакції руди як безпосередньо з вугіллям, так і з двоокисом вуглецю (чадним газом), що утворюється під час горіння.

Є припущення, що вперше людина використала залізо, отримане з руди, ще у 6 тис. до н. е. У перших пристроях (сиродутних печах) для виплавки заліза (при температурах до 1300 ) його отримували у вигляді криці — шматка, не очищеного від різних домішок заліза пористої будови, який утворюється під час виплавляння сталі з руди.

Із вдосконаленням печей для плавлення залізної руди окрім криці інколи отримували новий продукт — чавун, що виходив з печі у рідкому стані. Отриманий при відхиленні сиродутного процесу від норми чавун вважався браком, тому що не піддавався куванню і був крихким. Однак згодом з чавуну навчилися робити відливки, а пізніше — переплавляти його з рудою, випалювати вуглець і отримувати м’яке залізо.

Сучасна металургійна промисловість України виробляє багато марок сталі та чавунів як для побутової техніки, так і космічної. Марка (від німецького marke — позначка) — знак, умовне позначення тощо (мал. 1).

Сталь (прокат, лиття та поковки) та чавун (відливки та напівфабрикати) найчастіше використовується в машинобудуванні та будівництві. Головними критеріями якості сталевого прокату є його міцність та здатність до пластичної деформації — набуття певної форми. Ці критерії суттєво впливають на метало-ємність машин, будівель і споруд. Завдяки

міцності, жаростійкості та корозійної стійкості чавуну, елементи з нього широко використовуються у машинах, будівлях та інженерних комунікаціях (зокрема, для спорудження тунелів метрополітену)- Кожний виробник під час використання залізовуглецевих сплавів прагне скоротити витрати цієї досить дорогої сировини, максимально зменшуючи товщину сталевих панелей та перерізи несучих конструктивних елементів виробів та споруд, відлитих з чавуну (без негативних наслідків для міцності та довговічності виробу). Правильний вибір марки сталі або чавуну та конструктивних розмірів деталей, виготовлених з цих матеріалів, має виключно важливе економічне значення для будь-якого виробу сучасної промисловості. Цей вибір забезпечує високу надійність конструкції або споруди в разі оптимальних витрат на її будівництво.

Для отримання готової металопродукції з різними властивостями у металургійній промисловості використовують різні способи виробництва й обробки сталі та чавунів.

Під час вибору залізовуглецевого сплаву для певної конструкції важливими є знання впливу способу виробництва і хімічного складу матеріалу на властивості цієї конструкції.

Сортамент метал опродукції визначається різноманіттям її складових і широким спектром властивостей, що ускладнює й одночасно розширює можливості вибору відповідного матеріалу для конкретного виробу.

Зокрема, сортамент металопродукції залежить від хімічного складу матеріалу, профілів та розмірів прокату (мал. 2).

У 6-му класі ви вже знайомилися з основними методами виплавляння залізовуглецевих сталей (мартенівський процес). Останніми роками широко застосовують методи виплавляння сталі без використання традиційних печей. Це дало змогу істотно підвищити якісні характеристики металопродукції, до деякої міри зменшити вплив способу виробництва сталі на її якість. Для підвищення якості металопродукції її виробники мають враховувати такі чинники.

Екологічні:

• необхідність раціонального та дбайливого ставлення до лісових ресурсів, застосування природоохоронних та ііриро-довідновлювальних заходів у місцях видобутку природних копалин (мал. 3), оскільки значна частина родовищ розташована в областях з високою лісистістю (Закарпатська, Івано-Франківська, Житомирська, Черкаська);

• необхідність повторного використання в металургійній промисловості відходів інших промислових галузей;

•  введення обов’язкової екологічної перевірки нової техніки, технологій та матеріалів, проектів на будівництво та реконструкцію, технічне переоснащення промислових та господарських об’єктів.

Технічний прогрес:

• створення нових замкнених, маловідходних і безвідходних технологій металургійного виробництва сталі;

• позапічна обробка сталі для підвищення якості механічних властивостей і зменшення металомісткості виробів;

• автоматизація металургійного виробництва.

Енергетичний — створення безперервного металургійного виробництва з повторним використанням різного виду тепла для економії палива й поліпшення стану навколишнього природного середовища.

Техніко-економічні:

• полегшення конструкцій, підвищення їх довговічності та надійності;

• дотримання державних стандартів;

• раціональне використання рудних матеріалів, палива, напівфабрикатів.

Важлива властивість залізовуглецевих сплавів як одного з найпоширеніших конструкційних матеріалів — це можливість їх виготовлення із заздалегідь визначеними механічними та хімічними параметрами марки сталі, під час вибору якої враховують такі вимоги:

• первинні — визначені основними умовами експлуатації виробу, наприклад, корозійна стійкість суднобудівної сталі (мал. 4);

•  вторинні — визначені технологічними умовами виготовлення, наприклад, можливість здійснення якісного зварювання (мал. 5). Варто зауважити, що чавуни зварюванню практично не піддаються.

Отже, знаючи характеристики матеріалу, із якого виготовлятимуть виріб або певну конструкцію, фахівець може остаточно вибрати марку сталі або чавуну. Під час вибору матеріалу враховують такі найважливіші властивості сталі:

а)  фізичні — структурні; механічні; електричні (наприклад, електропровідність); магнітні; термічні (наприклад, лінійне розширення при нагріванні);

б) технологічні — види технологічних операцій у процесі обробки залізовуглецевого сплаву (плющення; обробка тиском; обробка різанням; хіміко-термічна обробка);

в) хімічні — стійкість до агресивних середовищ (наприклад, кислот); стійкість до атмосферного впливу.

Цікаво знати

Залізо як мікроелемент є в організмах всіх рослин і тварин у дуже малих кількостях (у середньому близько 0,02 %). В організмі людини, маса тіла якої 70 кг, міститься близько 4,2 г заліза, а в одному літрі крові — близько 450 мг. Добову потребу людини в залізі (6-20 мг) можна задовольнити їжею — залізом багаті, наприклад, м’ясо, печінка, яйця, хліб, шпинат, буряк. Залізо також необхідне для розвитку рослин, тому існують мікродобрива, що містять залізо.

Спосіб одержання заліза з руди за допомогою сиродутного процесу (горно продувалося сирим холодним повітрям) було винайдено в Західній Азії у II тис. до н. е. Період з IX по VII ст. до н. е., коли в багатьох племенах Європи та Азії розвивалася металургія заліза, отримав назву залізного віку, який прийшов на зміну бронзовому. Удосконалення способів дуття (природну тягу замінили ковальські міхи. мал. 6) і підвищення висоти горна (з’явилися печі «домниці», мал. 7) привели до отримання чавуну, який стали виплавляти в Європі з XIV ст.

Отриманий чавун переробляли на сталь. Із середини XVIII ст. у доменному процесі замість деревного вугілля почали використовувати кам’яновугільний кокс. Надалі способи одержання заліза з руд були значно вдосконалені. У наш час для цього використовують спеціальне обладнання — домни, кисневі конвертери, електродугові печі.