Классификация и особенности производства черных металлов

Сплавы черных металлов активно используются в создании технических устройств и в различных отраслях промышленности. Например, сталь, относящаяся к этой группе, составляет около 95% всех производимых товаров. Впечатляющие цифры, не так ли? Важно отличать черные металлы от цветных и понимать их ключевые характеристики. Производство этих сплавов также имеет свои особенности. Знание специфики данной категории металлов способствует их эффективному использованию. Рассмотрим их особенности более подробно.

Черные металлы: по страницам мини-энциклопедии

В металлургии металлы делятся на две группы: черные и цветные. К черным разновидностям относятся железо и многочисленные сплавы на его основе, отличающиеся содержанием углерода и строением кристаллической решетки. Сталь и чугун подразделяются на множество сортов и классов.

Для выплавки чугуна и стали задействуют железо, добываемое из железной руды с высоким содержанием гематита или магнетита. Сплавы черных металлов применяются в различных отраслях промышленности и составляют более 90% всех используемых материалов. Сталь содержит до 2,14% углерода. При большей концентрации это уже чугун. Для придания сплаву нужных свойств, таких как: коррозионная стойкость или жаропрочность, при выплавке вводятся легирующие добавки. К ним относятся металлы, сплавы или другие химические элементы. В категорию черных металлов входят также:

• марганец и хром;
• ванадий и титан;
• уран и торий;
• плутоний и протактиний;
• фермий и вольфрам;
• литий и калий;
• рубидий и цезий;
• натрий и франций.

В земной коре встречаются черные металлы в относительно небольших количествах. Исключение составляет железо. Сплавы на основе черных металлов широко используются в производстве. Инструменты, механизмы, бытовые приборы и другие изделия, без которых сложно представить современную жизнь, производятся из стали или чугуна.

Наращивание объемов добычи и выплавки черных металлов является приоритетным направлением развития стран с развитой промышленностью, включая Россию.

Также рекомендуем к прочтению нашу статью: Легкоплавные металлы и их применение

Отличия черного металла от цветного

В периодической системе элементов присутствуют 78 металлов. Некоторые из них: никель, хром, марганец, ванадий и вольфрам, часто причисляют к черным, хотя они принадлежат к цветным по своим физическим свойствам. Металлы делятся на:

• тяжелые (медь, цинк, свинец, олово и никель);
• легкие (алюминий, титан, магний и другие);
• тугоплавкие (марганец, вольфрам, молибден, хром и другие);
• благородные и др.

Технически к черным металлам относится множество сплавов на основе железа. Количество видов стали и чугуна исчисляется сотнями. Некоторые материалы проявляют свойства как черных, так и цветных металлов, поскольку они не магнитятся.

Виды сплавов черных металлов

Классификация черных металлов предусматривает наличие 5 классов.

1. Железные.
2. Тугоплавкие.
3. Урановые.
4. Щелочноземельные.
5. Редкоземельные.

Сплавы черных металлов по содержанию углерода представлены 2 группами.

Сталь. Ее основные составляющие – железо и углерод, содержание которого в большинстве марок составляет до 2%. Марганец, добавляемый к нелегированным стальным сплавам, нейтрализует хрупкость, вызванную серой. Прочность стали зависит от содержания углерода. При наличии 0,2% его в составе материал задействуют для каркасов зданий и автомобилей. Сталь с 0,8% углерода используют для изготовления сверл и молотков. Состав с 1% и выше применяют для выпуска бритвенных лезвий и напильников. Введение легирующих элементов (никеля, хрома, молибдена, вольфрама, ванадия) улучшает физико-химические свойства сплава. Легированная сталь с хромом и никелем (до 25%) обладает высокой прочностью и коррозионной стойкостью.

Чугун. При содержании углерода свыше 2,14% сплав называют чугуном. Высокое содержание углерода и кремния снижает температуру плавления и улучшает текучесть расплава, позволяя использовать более простое и дешевое оборудование. Чугун задействуют для изготовления разнообразных изделий, от труб до станин тяжелых станков. Среди разновидностей сплава выделяют:

• серый чугун (углерод и кремний 3-4%);
• белый чугун, отличающийся небольшим объемом добавок и быстрым охлаждением;
• ковкий чугун (термическая обработка);
• чугун со сфероидальным графитом за счет добавления никеля.

Области применения цветных сплавов и черных металлов

Черные металлы применяются для изготовления:

• строительной арматуры и труб;
• листового, сортового и фасонного проката;
• стального и чугунного литья общего назначения.

Главным потребителем продукции черной металлургии является тяжелая промышленность. Основная масса выпускается в виде литых и передельных типов чугуна, стали и готового проката. Важным продуктом считаются ферросплавы для легированных типов стали.

Особенности производства черных металлов и сплавов

Выплавка чугуна. Большая часть черных металлов выплавляется в доменных печах из чугуна и/или железной руды с использованием каменного угля и воды. В процессе углерод обеспечивает нагревание печи и восстановление оксида железа до металлического железа. Доменные печи останавливают редко, только для ремонта футеровки.

Выплавка стали. Чугун из доменных печей очищают от кремния и углерода способом окислением. Полученный расплав легируют марганцем, никелем или хромом. Кислородные конвертеры вытеснили мартеновские печи. Сталь хорошо поддается переработке. В связи с этим современные электрические печи позволяют выплавлять ее полностью из металлолома. Использование качественных металлических отходов значительно упрощает процесс переработки. Основные источники такого сырья представлены устаревшим оборудованием, железнодорожной техникой, судами и отходами производства.