Թուջի և պողպատի արտադրություն

Երկաթի համաձուլվածքները

Բնության մեջ երկաթը ալյումինից հետո ամենատարածված մետաղն է, սակայն հանդիպում է գերազանցապես միացությունների ձևով, կազմում է երկրակեղևի զանգվածի շուրջ 4%-ը։ Արդյունաբերությունում երկաթը ստանում են հրամետաղարտադրական եղանակով, հատուկ կառուցվածքի վառարանում՝ դոմնայում՝ որպես հումք օգտագործելով օքսիդային հանքաքարեր, իսկ որպես վերականգնիչ՝ կոքս։

Մետաղարտադրությանը (մետալուրգիան) գիտություն է մետաղների արդյունաբերական ստացման եղանակների մասին

Տարրերում են սև և գունավոր մետաղարտադրություն, ընդ որում՝ երկաթինը և դրա հւսմաձուլվւսծքներինը համարվում է սև, իսկ գունավոր մետաղներինը՝ $Al$, $Cu$, $Au$ և այլն, գունավոր մետաղարտադրություն։ Տնտեսությունում կիրառվող բոլոր մետաղների 90%-ը բաժին է ընկնում սև մետաղներին։

Որոշ համաձուլվածքների բաղադրությունը և կիրառությունը (Al,Cu,Ni,Hg մետաղների համաձուլվածքներ)

Համաձուլվածքի անունը	Բաղադրությունը	Կիրառությունը
Դյուրայլումին	Al` 95%,Cu` 4 %, Mg,Fe,Si` 1 %	Ինքնաթիռաշինություն
Բրոնզ	Պղինձ և անագ	Քանդակագործություն,թնդանոթա- և մեքենաշինություն
Արույր	Պղինձ և ցինկ	Թիթեղ, ժապավեն,լար, խողովակ,առանցքակալ, կոնդեսատորային խողովակներ
Մետաղադրամային պղինձ	Պղինձ,անագ և ցինկ	Մետաղադրամներ
Մելքիոր	Պղինձ, նիկել ,կոլբատ	Բժշկական գործիքներ,մեքենաշինական մասեր,լայն սպառման առարկաներ
Ամալգամ	Որևէ մետաղի համաձուլվածքը Hg-ի հետ	Ատամնաբուժության,ոսկու և պլատինի արդյունահանում,մետաղյա իրերի ոսկեզօծում,մետաղյա թափոնների վերամշակում

Պողպատներ

Համաձուլվածքի անունը	Բաղադրությունը	Կիրառությունը
Չժանգոտվող	Cr և Ni` 12%	Վիրաբուժական գործիքներ,քիմիական ռեակտորներ,խոհանոցային սպասք,խողովակներ,թիթեղներ
Ցածրածխածնային	0,2 % C	Մեքենաշինություն,ավտոմեքենային իրան,լար,խողովակ,հողույս(բոլտ), մանեկ(գայկա)
Միջինածխածնային	0,3-0,6 % C	Հեծան, ձողակառույց,զսպանակ
Բարձրածխածնային	0,6-1,5 % C	Գայլիկոն,դանակ,մուրճ,կտրիչ

• Թուջը թեև կարծր, սակայն փխրուն համաձուլվածք է, հարվածից կոտրվում, փշրվում է։ Պատճառը ածխածնի բավական մեծ պարունակությունն է, որը կարող է հասնել մինչև 4%-ի։ Մոխրագույն թուջի մեջ լուծված ածխածինն առաջացնում է գրաֆիւոային փխրուն շերտեր, որոնք էական ազդեցություն են թողնում մետաղի մեխանիկական հատկությունների վրա։ Այն հնարավոր չէ կտրել, շաշափել, ձգել և այլն։ Այդ է պատճառը, որ թուջն ունի սահմանափակ կիրառություն. դրանից պատրաստում են միայն հաստոցների ձուլածո իրաններ, խողովակներ, թափանիվներ, սալիկներ։

Պողպատը, շնորհիվ մեխանիկական լավ հատկությունների՝ պլաստիկության, կռելիության, կոփելիության, ձգվողականության, ամրության, ստացել է լայն կիրառություն։ Այն ստանում են թուջի վերամշակումից։

Թուջի ստացումը

Թուջի ստացումը(նկար 1)

Դոմնան (նկար 1) պողպատե իրանով, ներսից հրակայուն աղյուսով պատված, հատուկ կաոուցվածքի, մեծ բարձրության վառարան է, որում ստացվում է ոչ թե մաքուր երկաթ, այլ թուջ։

Վառարանում երկաթի օքսիդների աստիճանական վերականգնումը կատարվում է հետևյալ ուրվագրով.

$Fe_{2}O_{3}\rightarrow Fe_{3}O_{4}\rightarrow FeO\rightarrow Fe$

Դոմնայի վերևի մասից շերտ-շերտ լցվում են մանրացված հանքաքարը ($Fe_{2}O_{3}$ կամ $Fe_{3}O_{4}$), կոքսը և որպես հալիչ նյութ ծառայող կրաքարը։

Ներքևի մասից տրվում է տաք օդ, որի մեջ ընթանում է ածխածնի այրման ռեակցիան.

$C+O_{2}=CO_{2}$ $\triangle H=-294$կՋ/մոլ

Մեծ քանակով ջերմության անջատման շնորհիվ ջերմաստիճանն այդ տիրույթում բարձրանում է մինչև 1700 °C: Գոյացած ածխաթթու գազի և շիկացած կոքսի փոխազդեցությունից առաջանում է հիմնական վերականգնիչ նյութը ածխածնի(II) օքսիդը.

$CO_{2}+C=2CO$

Վերջինս, բարձրանալով վեր և հանդիպելով հանքաքարի մասնիկներին, իրականացնում է օքսիդների աստիճանական վերականգնումը ջերմաստիճանային տարբեր պայմաններում` ըստ օքսիդից թթվածնի կորզման դժվարության։ Ամենացածր ջերմաստիճանը վառարանի վերևի մասում է, որտեղ և կատարվում է առաջին վերականգնումը՝

$3Fe_{2}O_{3}+CO\rightleftarrows 2Fe_{3}O_{4}+CO_{2}$ $400^{0}C$

Մյուս ռեակցիաներն իրականացվում են ցածր տիրույթներում, ավելի ու ավելի բարձր ջերմաստիճաններում.

$Fe_{3}O_{4}+CO\rightleftarrows 3FeO+CO_{2}$ $600^{0}C$

$FeO+CO\rightleftarrows Fe+CO_{2}$ $800^{0}C$

Ինչպես տեսնում եք, գրված ռեակցիաները դարձելի են, $CO$-ն ամբողջությամբ չի սպառվում, և վառարանից դուրս եկող գազային խառնուրդում պարունակվում է մոտ 8% շմոլ գազ։ Դոմնային գազն այրում են օդատաքացուցիչներում և անջատվող ջերմության հաշվին տաքացնում վառարան մտնող թարմ օդը։ Հանքաքարը կարող է պարունակել նաև քիչ քանակներով մանգանի, ֆոսֆորի, ծծմբի և սիլիցիումի միացություններ, որոնց վերականգնման հետևանքով կգոյանան նաև համապատասխան պարզ նյութեր։ Վերջիններս, ածխածնի հետ միասին լուծվելով կամ մասամբ փոխազդելով երկաթի հետ, անցնում են հալված մետաղի մեջ՝ առաջացնելով համաձուլվածք։

• Հանքանյութի մեջ զգալի բաժին կարող է կազմել սիլիցիումի (№) I օքսիդը, որը, լինելով դժվարահալ, պինդ վիճակով կխառնվեր հալված երկաթին և կխանգարեր դոմնային գործընթացը։ Այս խնդիրը լուծվել է կրաքարի միջոցով, որը, փոխազդելով նշված օքսիդի հետ, այն վերածում է դյուրահալ սիլիկատի։ Վերջինս՝ որպես խարամ, հավաքվում է թուջի մակերևույթին.

$CaCO_{3}=CaO+CO_{2}$ $800^{0}C$

$CaO+SiO_{2}=CaSiO_{3}$ $800^{0}C$

Հալված թուջը և խարամը, որ պարունակում է նաև որոշ այլ աղեր, հանվում են վառարանի տարբեր կողմերից։

Պողպատի ստացումը

Կոնվերտորի տեսքը

Պողպատաձուլման վառարանում փոքրացվում է թուջում պարունակվող ածխածնի, ծծմբի, ֆոսֆորի, մանգանի քանակը։ Ածխածինը չպետք է գերազանցի 1,7 %-ը, իսկ մյուս տարրերի պարունակությունը պետք է իջեցնել հասցնելով նվազագույնի։

Գոյություն ունեն պողպատի ստացման երեք տեսակի վառարաններ՝ կոնվերտորային, մարտենյան և էլեկտրաաղեղնային։ Կոնվերտորը պողպատե իրանով տանձաձև փոխարկիչ է, որը ներսից պատված է հրակայուն աղյուսի հաստ շերտով (նկ. 2)։

Հալված թուջի մեջ փչվում է այնպիսի քանակով թթվածին, որ բավարարի դրա մեջ գտնվող նշված տարրերն օքսիդների վերածելու համար։ Համաձայն զանգվածների ազդման օրենքի՝ նախ օքսիդանում է երկաթը, քանի որ վերջինիս կոնցենտրացիան շատ մեծ է, իսկ գոյացած օքսիդը փոխազդում է խառնուրդների հետ՝ դրանք վերածելով օքսիդների.

$2Fe+O_{2}=2FeO$

$C+FeO_{2}=CO+Fe$

$Si+2FeO=SiO_{2}+2Fe$

$2P+5FeO=P_{2}O_{5}+5Fe$

$Mn+FeO=MnO+Fe$

Սիլիցիումի, ֆոսֆորի և մանգանի գոյացած օքսիդները այնուհետև, փոխազդելով կոնվերտորի թթվային կամ հիմնային բնույթի աղյուսների և ավելացվող կրաքարի հետ, վերածվում են դյուրահալ աղերի՝ խարամի տեսքով։ Կոնվերտորում ընթացող ռեակցիաները, հիմնականում լինելով ջերմանջատիչ, ապահովում են վառարանի բարձր ջերմաստիճանը և ստացվող պողպատի բարձր որակը։

Մարտենյան վառարանի հնարավորություններն ավելի մեծ են. այստեղ թուջին կարող են ավելացվել նաև մետաղի ջարդոն և անգամ երկաթի հանքաքար։

Էլեկտրաաղեղնային վառարանում շատ բարձր ջերմաստիճաններն ապահովվում են էլեկտրական աղեղի միջոցով, որը հնարավորություն է տալիս ստանալու դժվարահալ մետաղներ պարունակող համաձուլվածքներ։ Սրանք կոչվում են լեգիրացված պողպատներ, որոնք զգալի քանակներով պարունակում են $W,Mo,Ti,Cr,Ni$, և այլ մետաղներ։ Լեգիրացված պողպատների առանձին տեսակներ օժտված են մեծ ամրությամբ, հրակայունությամբ, մաշադիմացկունությամբ, կերամաշակայունությամբ։ Շնորհիվ այս հատկությունների՝ դրանք ստացել են լայն կիրառություն հրթիռաշինության, մեքենաշինության, քիմիական և բժշկական սարքաշինության, նավթա- և գազամուղային խողովակների արտադրությունում և այլ ոլորտներում։

Աղբյուրներ

• Քիմիա 12-րդ դասարանի դասագիրք