ГЛАВА 20.
Природа щедро замешала в руды и другие вещества все, что только оказалось под рукой и из всего, что только побывало рядом — осадочные породы, снесенные с соседних гор, потоки горячей воды, приносившие снизу десятки элементов, несвойственных данной местности, потоки магмы, вырывавшиеся в этом месте миллионы лет назад, да еще как следует перемешанные перемещениями коры, сдвигами и провалами — возможно, блендер сработал бы менее эффективно, чем природа. Кальций, магний, сера, фосфор, кремний, медь и цинк — все это и многое другое встречалось в рудах металлов в тех или иных пропорциях. Соответственно, все эти довески переходили и в металл. Какие-то из них были полезны, какие-то — вредны, третьи — не оказывали особого влияния на нужные человеку свойства металлов — и задачей металлургов было максимально избавиться от первых, сохранив, а при необходимости — и добавив — вторые. Ну а уж с третьими — как получится.
И в этом вопросе людям помогала химия, причем особая — высокотемпературная, так как большинство металлургических процессов протекают именно при высоких температурах, когда повышенная подвижность элементов позволяет как-то их тасовать. И, так как элементов в руде либо металле много, то и реакций протекает также немало, причем зачастую они протекают как в прямом направлении — с образованием соединений и элементов — так и в обратном — с образованием других, исходных, соединений и элементов. В какой-то момент количество прямых и обратных реакций устаканивается, и константа равновесия характеризует относительное содержание веществ в правой и левой части при таком установившемся равновесии. Причем при разных температурах константа будет различной — так, в реакциях окисления углерода, при более низких температурах в смеси будет больше молекул из правой части уравнения C + O2 = CO2 + теплота, при более высоких температурах — соотношение будет все более смещаться в сторону молекул из левой части. Можно сказать, что эта константа — отношение количества молекул левой части к количеству молекул в правой. Соответственно, она растет при росте температуры — то есть все меньше исходных веществ прореагирует между собой и превратится в окислы, и все больше окислов диссоциирует, то есть разложится на составные части.
Она же равна и упругости диссоциации, то есть равновесному парциальному давлению кислорода. Причем для разных веществ сродство с кислородом при одинаковой температуре будет различным — то есть при той же температуре константы равновесия для них различны. Так, молибден, никель, кобальт, вольфрам имеют меньшую упругость диссоциации их окислов, чем железо, а фосфор, хром, марганец, кремний, титан, алюминий, магний — большую. Соответственно, при той же температуре будет больше распадаться окислов, например, железа и, наоборот, будет больше образовываться окислов, например, алюминия, причем если эти реакции проходят в одном объеме, то алюминий будет забирать и часть кислорода, образовавшегося из окислов железа, соответственно, части восстановленного железа уже не с чем будет реагировать и оно останется в свободном состоянии. То есть алюминий является раскислителем для железа — веществом, которое будет забирать кислород, образующийся при распаде окислов железа, восстанавливая его. Как и фосфор, хром ну и т.д. А железо, соответственно, будет раскислителем для молибдена, никеля и так далее. Соответственно, если нам надо восстановить металл или защитить его от окисления при плавке, надо вводить раскислители — то есть добавлять в расплав, например, алюминий, или титан, или марганец — они будут превращаться в окислы, то есть переходить в шлаки. И, так как это — расходные материалы, то если необходимо, чтобы они присутствовали еще и в конечном сплаве, необходимо учитывать и эффект раскисления — то есть вводить их больше, чем требуется согласно конечному составу. А вот о молибдене, никеле, кобальте, вольфраме — можно не беспокоиться — они по-любому останутся в сплаве практически в неизменной концентрации, так как для них хватает раскислителей, которые заберут от них кислород, если тот все-таки присоединится к этим элементам.
На самом деле все еще сложнее. Так, упругость диссоциации меняется и при изменении концентрации вещества. Например, при 1600 градусах и концентрации 0,2% фосфор, гадина, меняется с железом местами — теперь железо становится раскислителем для фосфора, и тот спокойно остается в расплаве в виде чистого вещества. И лишь с повышением концентрации или понижением температуры хотя бы до 1400 градусов фосфор становится раскислителем. Правда, слабеньким — упругость диссоциации его окислов идет на графиках лишь чуть ниже самого железа. В отличие от, например, кремния, который охотно возьмет на себя лишний кислород, как и хром, и марганец — те тоже подставят грудь вместо фосфора. Поэтому-то эту гадину так трудно совсем вывести из сплавов, тогда как "хорошие ребята" вылетают из них со свистом.
Ну, хорошо — это то, что происходит в самом сплаве. Но, скажем, при выплавке металла из руды или расплавлении металлических чушек угарный и углекислый газы взаимодействует с металлом и его окислами. И есть такая вредная реакция, как реакция оксида железа-3 с угарным газом — при этом образуется железо и углекислый газ с выделением тепла. Так вот — эта реакция обратима. И если в домнах, при выплавке металла из руды, углекислого газа немного, то в пламенных печах — типа тех же мартенов — и вагранках — углекислого газа много, так как там много кислорода — иначе не получим пламени, которое и нагревает металл. Соответственно, углекислый газ распадается на угарный газ и кислород, и последний окисляет железо — происходит так называемый угар железа. Да и сера в виде оксида, присутствующая в печных газах, тоже распадается на оксид и серу — в результате получаем сульфид железа и оксид железа — металл угорает и насыщается серой.
И это еще не все. Свойства стали определяются содержанием в ней углерода. Если пламя малокислородное, то в нем присутствует много угарного газа — соответственно, металл науглероживается с образованием карбида железа — это стандартный процесс для выплавки металла из руды. А в плавильных печах пламя окислительное, происходит выгорание углерода, то есть обезуглероживание — состав стали меняется. Карбиды железа вообще хрупкие штуки — так, если перегреть резец, то его карбид начнет окисляться — получим оксид железа и углекислый газ. Поэтому при резке металлов требуется охлаждение, и чем скоростнее резка — тем больше должно подаваться охлаждающей жидкости.
И, чтобы защитить металл от выгорания и обезуглероживания, а также вытащить из него ненужные примеси, нужно образовывать при выплавке металла или его переплавке шлаки. Шлаки состоят из оснований — окислов кальция, магния, марганца и т.п., кислот — окислов кремния, фосфора, хрома. И шлакообразование позволяет нейтрализовать кислотные окислы основными — образуются соли, которые и называются шлаками. Соответственно, чтобы выжать из сплава примеси, скажем, фосфора, надо ввести в шихту кальций, магний, марганец — и т.п. — они растворятся в сплаве, соединятся с кислыми окислами и всплывут на поверхность.
Или — десульфация, то есть удаление серы. Чтобы ее удалить, в сплав надо ввести оксид кальция — он соединяется с сульфидами железа и марганца, отнимает у них серу и отдает свой кислород — вместо сульфидов получаем оксиды железа и марганца с выделением тепла. А затем эти оксиды восстанавливаются до металла угарным газом, на что тепло уже затрачивается. То же произойдет, если ввести соду, только тепла выделится еще больше. Причем все эти процессы происходят именно в шлаке, то есть в том пространстве, где присутствует оксид кальция. Соответственно, когда очередные молекулы сульфидов железа восстанавливаются до оксидов железа, концентрация сульфида в этой области падает, и туда втягиваются новые порции сульфида железа — пока хватает еще непрореагировавшего оксида кальция или сульфида железа. А пока получающийся оксид железа не восстановится угарным газом, в этой области присутствует повышенная концентрация этого оксида, который препятствует новым реакциям — его вокруг и так много. Видимо, продукты реакции как бы давят влево, сдвигая равновесие реакции в сторону исходных веществ, и, если с продуктами ничего не делать, реакция так и застынет на одном месте — да, элементы и молекулы будут перебегать справа-налево и обратно, но их соотношение вместится влево.
При дефосфоризации идут несколько иные реакции, в которых оксид железа, наоборот, полезная вещь. Там фосфор реагирует с оксидом железа с образованием свободного железа и оксида фосфора. А потом этот оксид еще раз реагирует уже с другой молекулой оксида железа и образуется фосфат закиси железа. И вот, добравшись до молекул засыпанного в расплав оксида кальция, это вещество реагирует уже с этим оксидом — он вытесняет оксид железа из фосфата — получается фосфат оксида кальция и оксид железа. Соответственно, чем будет выше концентрация оксида железа и оксида кальция — тем эффективнее будет дефосфоризация.
Но это противоречит процессу десульфации, когда оксид кальция задействуется для соединения с серой, а получающийся оксид железа замедляет десульфацию, пока не будет восстановлен угарным газом до металла. Поэтому обычно сначала проводят дефосфоризацию, а потом — десульфацию. То есть набухают оксида кальция, увеличенным дутьем установят окислительную среду, чтобы не восстанавливался оксид железа — его становится больше, то есть его повышенная концентрация препятствует переходу серы от железа к кальцию, т.к. в этой реакции образуется тот же оксид железа, а его и так много — реакция идет гораздо медленнее. Зато этот избыток оксида железа активно окисляет фосфор, затем другие молекулы оксида железа присоединяют получившийся оксид фосфора — и уже затем передают его оксиду кальция. И только и остается что сгрести с поверхности расплава получившийся черный шлак, когда он весь поднимется на верх. Ну а затем уже можно выполнять и десульфацию — набухать того же оксида кальция, но установить восстановительную среду, когда много угарного газа — теперь получающийся оксид железа будет все время восстанавливаться до железа, что не будет препятствовать соединению сульфатов железа с оксидом кальция — получаем уже другой шлак, в котором много серы, а не фосфора.
Это можно проделывать в томасовских конвертерах, мартенах и электрических печах с основной футеровкой, то есть футеровкой, состоящей из оснОвных окислов — магния и тому подобного. В вагранках с кислой футеровкой и бессемерах это проделать невозможно. Собственно, бессемеровский процесс — это и есть процесс продувки воздухом при наличии кислой футеровки, то есть футеровки, составленной из кислых окислов типа динаса, содержащего более 90% оксида кремния — кислые окислы кремния просто не соединятся с кислыми же окислами фосфора и серы, и, более того, кислая футеровка запросто соединится с оксидом кальция, так что, сколько его ни засыпай — толку не будет — только разъест футеровку, которая вся тупо перейдет в шлак. Поэтому бессемеровский процесс получения стали из чугуна не подходит для чугунов, богатых фосфором и серой. Для них подходит томасовский процесс — та же продувка воздухом в таких же по конструкции конвертерах, отличающихся только футеровкой — вместо динаса, состоящего почти полностью из оксида кремния, она делается из доломита — карбонатов кальция и магния. Ну а тут и сама футеровка содержит кальций, и его можно спокойно добавлять в виде оксидов — кроме вредных примесей в металле ему больше не с кем соединяться — кремния-то нет. Правда, как я понял, названия бессемеровский и томасовский конвертер различаются — ну, помимо собственно футеровки — только тем, что эти процессы открыли, разработали или запатентовали разные люди. Запатентовал бы один — и процесс назывался бы одинаково, как, например, мартены — другой способ выплавки или переплавки стали — в них не воздух продувается через металл, а раскаленные горючий газ и воздух вдуваются в пространство над ванной. И они могут иметь футеровку как кислую, из оксиде кремния, так и основную — из оксидов магния и кальция. Соответственно, в них можно выплавлять сталь любого состава, независимо от наличия или отсутствия фосфора и серы.
Чем плохи пламенные печи — в них выгорают элементы. И если для выделки стали из чугуна этот процесс полезен, то для расплавления стальных чушек это вредно, так что приходится добавлять примеси. Так, углерода выгорает 15-25%, кремния — 25-35%, марганца — 30-45%. Да и сам металл выгорает — до 7%. Поэтому в первый период, когда поверхность еще не покрылась шлаками, стараются давать как можно менее окислительное пламя. А вот углерод продолжает выгорать и после покрытия расплавленного металла шлаком — за счет окислов, содержащихся в самих шлаках — если хотят уменьшить его выгорание, то первые шлаки, насыщенные окислами железа, сливают, и заводят свежий шлак — песок и известь — ее добавляют, чтобы повысить жидкотекучесть шлака — собственно, как и при выделке стекла, когда известь снижает температуру плавления кварца. А вот если количество углерода хотят уменьшить — например, для переделки чугуна в сталь — то наоборот — в шихту добавляют руду, которая распадением своих окислов и поставляет в расплав кислород — углероду есть с чем соединяться и он удаляется в виде углекислого газа. Ну и глубина ванны влияет на процессы — чем мельче — тем больше выгорание. Так что, без добавок более концентрированных сплавов — типа ферромарганца, феррохрома, получить тот же состав металла не получится. Хорошо хоть никель, молибден и кобальт не выгорают — вместо них это делает железо и еще более сродственные кислороду элементы, так что броня немецких танков после переплавки хотя и меняла состав за счет частичного выгорания хрома, но в остальном была очень даже ничего — и свариваемость — из-за меньшего количества хрома — повышалась — он ведь выгорает и при сварке, из-за чего сваривать такие стали всегда тяжелее. В общем — чем ближе к руде, тем больше химии. А чем дальше от руды — тем больше физики. Хотя и при выплавке металла физика важна — так, с повышением температуры вязкость шлаков существенно уменьшается — они легче выходят из сплава, соответственно, он лучше очищается. Но бесконечно температуру загонять вверх нельзя — тут уже мешают законы химии, как та же смена местами железа и фосфора, когда уже железо становится раскислителем фосфора. Нужен баланс. Впрочем, и при дальнейшей обработке — забыть о химии — зачастую значит запороть всю работу.
ГЛАВА 21.
Например, литье металла — это не просто плюхнуть расплавленный металл в абы как слепленную из всего что нашлось под ногами форму. Фиг там. Это сложный процесс взаимодействия горячего металла с материалом формы, взаимодействия не только механического, но и химического, и термического — многочисленность факторов просто зашкаливает за всякие разумные пределы. Ну, на мой непосвященный взгляд — когда я послушал рассказы литейщиков, некоторое время я смотрел на них как на шаманов. Или волшебников, магов, колдунов — в общем, как на каких-то запредельных созданий, владеющих такими же запредельными знаниями. Мой-то опыт отливки был еще детским, когда мы пытались отливать солдатиков из свинца — биты ведь для игры в пробки отливались нормально, пусть и в дно баллончиков — так отчего не попробовать так же отливать и солдатиков ? Правда, отливали их уже в сырую глину, на которой был оттиск вожделенных фигурок, а потом эту корявую массу дорабатывали до более-менее похожего состояния стамесками, ножами и напильниками. Делали и составные формы, чтобы получить более объемные фигурки — результат выходил еще хуже, несмотря на то, что в этих формах мы делали даже каналы для отвода вытесняемого воздуха — с принципом-то мы были знакомы. Под конец стало понятно, что форму надо бы сушить — но тут лето закончилось и все разъехались, а на следующий год к этому интересному делу уже не возвращались — нашлись другие интересные дела. Хотя, как я подозреваю, даже с просушкой формы у нас скорее всего ничего бы не получилось.
