6.31. «НЕПРАВИЛЬНОЕ» ПЛАВЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗА
Температура плавления железа, по справочным, данным, составляет 1530°C. Однако зона расплавления в доменном процессе приходится на температуру 1100–1200°C.
Доменный процесс характеризуется наличием в сырье большого количества углеродсодержащих материалов (кокса, карбонатов, монооксида углерода, диоксида углерода), поэтому, строго говоря, плавится при 1100–1200°C не чистое железо Fe, а его смеси с углеродом. Так, реакции восстановления железа из магнетита Fe>3O>4 начинаются уже при 400°C в верхней части домны и продолжаются в более низких областях доменной шахты (900°C):
Fe>3O>4 + 2С = 3Fe + 2СO>2.
Образующееся в этих условиях железо имеет губчатую структуру, причем на его весьма развитой поверхности происходит каталитически ускоренный распад монооксида углерода СО:
2СO ↔ СO>2 + С.
Углерод поглощается железом, частично превращаясь в карбид железа Fe>3C — цементит (см. 3.45):
3Fe + C = Fe>3C,
а частично — растворяясь в массе металлического железа. Подобные процессы идут и при непосредственном контакте железа с коксом. В результате этого температура плавления железа снижается: каждый процент поглощенного углерода дает почти 100-градусное снижение температуры плавления. В результате смесь железа с углеродом, содержащая 4% углерода, плавится при 1080°C. Затвердевание этой смеси дает сплав, который называют чугуном.
6.32. «ВОДОРОДНАЯ ЧУМА» ЖЕЛЕЗА
Французский химик Сент-Клер-Девилль (см. 4.51) после многолетних наблюдений сделал в 1863 г. вывод о том, что железо и сталь «не держат водород, а становятся при определенных условиях проницаемыми для этого легчайшего элемента» (см. 5.85). Неожиданные разрывы стволов артиллерийских орудий, аварии химического оборудования для процесса синтеза аммиака NH>3, где используется водород; наконец, некоторые авиационные катастрофы — все это следствия «водородной чумы» железа. Причина в том, что водород, особенно атомарный, активно реагирует с карбидами железа — в частности, с цементитом, упрочняющим стальные изделия:
Fe>3C + 4H>0 = 3Fe + CH>4↑.
При этом структура металла изменяется, а его прочность резко падает. Надежное средство борьбы с этим вредным явлением найдено лишь в 30-х годах нашего столетия: предложено легировать стали, работающие в контакте с водородом и его соединениями, такими металлами, как титан Ti, ванадий V и молибден Mo. В этом случае в сплаве присутствуют не карбиды железа, а карбиды добавленных в сталь примесных металлов, которые устойчивы к водороду.
