Материаловедение





Черные металлы и сплавы




К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе (сталь и чугун).

Железо – один из наиболее распространенных металлов в земной коре, однако, его начали применять позднее некоторых других металлов, например золота, меди, олова, свинца, цинка. Это можно объяснить тем, что руды железа мало похожи на металл, а в самородном состоянии этот металл почти не встречается.
Первобытному человеку было трудно догадаться, что из железной руды можно получить металл, пригодный для изготовления нужных ему вещей, тогда как самородки меди, олова и драгоценных металлов, хоть редко, но попадали в его поле зрения. Конечно же, необычные свойства этих материалов не могли остаться незамеченными даже первобытными людьми.

черные металлы и сплавы

По этой причине прошло очень много времени, пока человек научился извлекать железо из руд и делать из него чугун и сталь и использовать эти металлы для своих нужд. В современном мире железные руды относятся к тем полезным ископаемым, без которых не может обходиться ни одна сколько-нибудь развитая в промышленном отношении страна. Именно железные руды служат сырьем для черной металлургии.

Из железных руд выплавляются чугуны (содержание углерода - 2,5…4 %), сталистые чугуны (1,5…2,5 % углерода), сталь (1,5…0,4 % углерода) и чистое железо (содержит менее 0,4 % углерода).
Наиболее широко применяется в промышленности сталь, значительно меньше - чугун и чистое железо.
Чугун выплавляется из железных руд в домнах, работающих на коксе или каменном угле; сталь и железо переплавляются из чугуна в бессемеровских конверторах, в отражательных мартеновских печах или другими способами.

Значение черных металлов и их сплавов в жизни человеческого общества исключительно велико. Сотни миллионов тонн чугуна и стали используются для строительства железных дорог, мостов, железобетонных зданий, для производства различных машин, электровозов, вагонов, автомобилей, тракторов, кораблей. Из железа изготовляются всевозможные предметы широкого потребления. Нет такой отрасли промышленности и сельского хозяйства, где не применялись бы железо и его сплавы.

В природе встречаются сотни минералов, в состав которых входит железо, но лишь немногие из них являются железной рудой. Это магнетит, гематит, бурый железняк и некоторые другие, которые образуют крупные месторождения, занимающие площади в десятки и сотни квадратных километров.

Магнитный железняк, или магнетит, в химическом отношении представляет соединение окиси железа с закисью железа. В природе он встречается и в форме хорошо образованных кристаллов, и особенно часто в виде сплошных или зернистых масс. Цвет магнетита железо-черный. Замечательное свойство этого минерала - магнитность.

По содержанию металлического железа магнетит - наиболее богатая железная руда (в ней содержится до 72% железа).
Крупные месторождения магнетитовых руд в нашей стране известны на Урале (горы Магнитная, Высокая, Благодать), на Кольском полуострове, в ряде районов Сибири (Горная Шория, в бассейне реки Ангары и др.).
За последние годы в Казахстане были открыты и разведаны крупные месторождения богатых магнетитовых руд в Кустанайской области: Соколовско-Сарбайское, Качканарское и многие другие.

Гематит, или красный железняк, имеет большее значение для черной металлургии, чем магнетит. В химическом отношении гематит - окись железа. В природе он образует ряд разновидностей (кристаллические, чешуйчатые и плотные скрытокристаллические массы). Окраска гематита может варьировать от вишнево-красной до железо-черной с сильным металлическим блеском.
Гематитовые руды образуют огромные залежи особенно среди древнейших гнейсов и метаморфических сланцев.

Из общей добычи железной руды в России около 70% приходится на гематитовые руды. Крупнейшее месторождение этих руд в нашей стране - Криворожское, огромные запасы гематита таятся и в районе Курской магнитной аномалии. Здесь уже начата промышленная разработка железных руд. В Центральном Казахстане разведано и подготовлено к эксплуатации крупное Караджальское месторождение богатых гематитовых руд, на базе которого построен Карагандинский металлургический завод.

Важный источник получения железа - это так называемые бурые железняки, или лимониты, получившие такое название по характерной бурой окраске. В химическом отношении они представляют собой соединение окиси железа с водой.
Бурые железняки образуют сплошные плотные, ноздреватые и землистые массы, различные натечные формы в виде почек и гроздьев, а также массы горохообразного сложения. Эти руды образуются из соединений железа, которые извлекают поверхностные воды из разрушающихся горных пород. Бурые железняки считаются промышленной рудой, если они содержат не менее 30% железа. К числу наиболее крупных месторождений бурых железняков в России относятся: Керченское в Крыму, Байкальское и Орско-Халиловское на Урале.



Ценной особенностью бурых железняков некоторых российских месторождений является присутствие в них примесей ванадия, марганца, хрома, никеля, кобальта и других металлов.
Современная техника нуждается не только в обычном чугуне, железе и стали, но и в металле, который обладает повышенной вязкостью, хорошей ковкостью, большой упругостью и другими ценными свойствами. Все эти свойства приобретает сталь, если в ее состав в качестве примеси ввести марганец, хром, титан, ванадий и некоторые другие металлы.

К группе черных металлов наряду с железом относят марганец и хром, так как они большей частью используются в черной металлургии.
Марганцевые руды представляют собой соединения марганца с кислородом. В природе они встречаются в виде черных землистых масс. Важнейшие минералы марганца - пиролюзит, браунит, псиломелан, манганит.
Содержание марганца в промышленных рудах колеблется в пределах 15…40%.

Кроме черной металлургии, марганцевые руды применяются в химической промышленности, для изготовления сухих батарей, в керамическом и стекольном производствах.
Наиболее крупные месторождения марганцевых руд в России и странах ближнего зарубежья разрабатываются в Грузии (Чиатура), на Украине (Никополь), на Урале и в Казахстане.

Единственная используемая в промышленных масштабах руда металла хрома - хромистый железняк, или хромит, - по внешнему виду похожа на магнетит, но, в отличие от него, не обладает магнитными свойствами. Хром применяется в металлургической и химической промышленности. Хромит идет на изготовление огнеупорных материалов. В нашей стране много высококачественных хромовых руд на Северном и Южном Урале.

В черной металлургии используются также титаномагнетитовые руды, которые придают стали особую прочность.

***

Цветные металлы и сплавы