МЕТАЛИ И ЛЕГУРЕ

Неке метале и легуре човек је употребљавао још у праисторијско време. Међутим, тек у 19 веку, пошто су остварена важна техничка открића (парна машина, железница, примена електричне енергије, мотори са унутрашњим сагоревањем и др.), долази до наглог развоја производње метала и њихове шире примене.Употреба метала заснива се на њиховим добрим особинама као што су:

Добра топлотна проводљивост, Добра електрична проводљивост, Велика чврстоћа, Хемијска постојаност, Лака обрада и обликовање (извлачење, пресовање, ваљање, ковање), Лако подешавање особина (нпр легирањем)

Све метале можемо поделити на:

Црне (гвожђе, хром, никл) Обојене (бакар и сви остали метали)

Још их можемо поделити и на:

лаке: (литијум, алуминијум, магнезијум, титан, берилијум,...), тешке: (гвожђе, бакар, цинк, олово, никл,...), племените: (злато, сребро, платина, паладијум, иридијум,...), ретке: (кобалт, антимон, бизмут, жива,...), радиоактивне: (уранијум, радијум, технецијум,).

Према температури топљења делимо их на:

Лако топљиве-топе се на температурама до 900 0С Тешко топљиве-топе се на температурама од 900°C- 2000°C Врло тешко топљиве-топе се на температурама изнад 2000°C

Највећи део металних предмета није направљен од чистих метала (често немају задовољавајуће особине), већ од легура. Легуре су метални материјали добијени стапањем двају или више метала, а у неким случајевима, у мањој мери, и неметала (угљеник, силицијум, бор) и хлађењем стопљене масе. Особине легура знатно се разликују од особина њених састојака. Легура обично има већу тврдоћу и отпорност према корозији, док је тачка топљења нижа, а електрична проводљивост смањена. Често и мали додаци јако утичу на особине које захтева техничка примена. Металургија је наука која се бави добијањем метала из руда, њиховим пречишћавањем и делимично прерадом. Обично се дели на црну металургију

(добијање гвожђа и челика) и обојену металургију (добијање осталих метала). Сировине за добијање метала су руде. Руде су минерали, скупови минерала или стене богате минералима из којих се могу добити метали или други индустријски производи. Метали се у рудама најчешће налазе као сулфиди или оксиди, а ређе као карбонати, силикати и друго. За добијање неког метала из руде примењује се поступак који најбоље одговара особинама и хемијском саставу сировине. И поред специфичности, може се ипак формулисати један општи поступак за добијање метала из сулфидне руде и он се састоји од обогаћивања и пржења руде, редукције и рафинације.

Три су основне методе обогаћивања руда:

Масена сепарација (одвајање)-руда се од јаловине одваја на основу различите брзине таложења у одређеном медијуму-течности,

Магнетна сепарација-само се гвожђе сепарира, Флотација-овај метод се највише користи. Одвија се у великим судовима

или базенима који су напуњени водом и рудом. На дну се под притиском удувава ваздух који са средствима за пенушање ствара мехуриће који иду ка површини. Како је руда хидрофобна(не упија воду), мехурићи се лепе за руду и носе је према површини, а јаловина је квашљива (упија воду) и таложи се на дно посуде или базена.

ГВОЖЂЕ

За гвожђе човек зна од најдавнијих времена. Поступци за добијање гвожђа су се развијали од редукције загревањем на отвореној ватри помоћу ручног меха па до модерних поступака за производњу у високим пећима и електричним пећима помоћу металуршког кокса. Паралелно са развитком поступка за добијање сировог гвожђа, развијали су се и поступци за његову прераду у челик и друге производе. Гвожђе је најјефтинији и најважнији технички метал. Око 90% од укупне производње свих метала отпада на гвожђе. Најважније руде гвожђа су:

магнетит Fe3O4,

хематит Fe2O3,

лимонит 2Fe2O3 * XH2O,

сидерит FeCO3,

пирит FeS2.

Гвожђе се обично добија прерадом оксидних руда и сидерита. Обично се прерађују руде које садрже 30-65% гвожђа. Доња граница за садржај гвожђа у руди која се може економично прерађивати је око 20%. Сиромашне руде се пре прераде обогаћију седиментацијом, флотацијом, или магнетном сепарацијом. Сирово гвожђе се добија редукцијом оксида помоћу металуршкоg кокса односно помоћу CO, који од њега постаје. Кокс има троструку улогу: он је редукционо средство, гориво, и хемијски се везује с гвожђем. Кокс треба да је чврст и не сме да садржи више од 1% сумпора и 10% пепела. Пошто руда садржи примесе додају се топитељи који са примесама дају лако топљиву згуру . Избор топитеља подешава се према саставу примеса. Ако су примесе силицијум диоксид и алуминијум оксид додају се базни топитељи (кречњак или доломит), Ако су примесе калцијум оксид и магнезијум оксид додају се кисели топитељи ( песак глина и др.).

Гвожђе се добија у високој пећи. Пећ је висока око 30-40 метара. На врху се налази отвор „ уста пећи“ кроз који се додају руда, кокс и топитељи. Најшири део пећи зове се „трбух“ а доњи део пећи се сужава „левак“. Сасвим на дну се налази „пећица“ цилиндричног облика и у њој се сакупљају течни производи (сирово гвожђе и згура). Јама високе пећи озидана је шамотним опекама, које су отпорне на високу температуру. При врху цеви налази се цев за одвајање гасовитих производа, а на дну је отвор за повремено истакање течног и сировог гвожђа. Изнад овог отвора налази се отвор за одливање згуре. Изнад поменутих отвора су дуваљке за ваздух које су равномерно распоређене по обиму пећи. Кроз њих се удувава ваздух под притиском од 0,15-0,2 МPa, који је предходно загрејан у Куперовим апаратима. У овим апаратима долази до сагоревања пречишћеног гаса из високе пећи.

Хемијски процеси који се дешавају у високј пећи су веома сложени. Зависно од Т у пећи се формира више зона.–зона карбонификације и зона топљења до 1600 0C,

-редукциона зона 400-900 0C,

-зона предходног загревања до 400 0C.

При дну пећи кокс сагорева са кисеоником из ваздуха који се удувава, при чему се ослобађа топлота, тако да је ту и највиша Т у пећи. C+O2→CO2, добијени угљен-диоксид се пење навише и редукује се усијаним коксом: CO2+ C→2CO, до угљен-моноксида који у редукционој зони редукује оксиде гвожђа (индиректна редукција).

3Fe2O3+CO→ 2Fe3O4 +CO2,

Fe3O4+CO→3FeO+CO2,

FeO+CO →Fe +CO2

Или директна редукција на Т од 1000-1200 0C: Fe2O3 + 3C→ 2Fe +3CO,

Fe3O4 + 4C→3Fe + 4CO,

FeO + C →Fe + CO

Примесе из руде реагују са топитељима и стапају се у згуру нпр: SiO2+CaO→ CaSiO3

У зони карбонификације течно гвожђе реагује са угљен-моноксидом или са угљеником и даје цементит који се раствара у гвожђу. Fe+2CO→Fe3C +CO2

3Fe+C→Fe3C

Као производи високих пећи настају згура (троска), сирово гвожђе и високо пећни гасови. Сирово гвожће може бити бело или сиво а зависи од брзине хлађења. Код белог сировог гвожђа угљеник се налази везан у облику цементита Fe3C а код сивог у елементарном стању у облику графита. Сем угљеника и у једном и у другом гвожђу се налази још и силицијум, фосфор, мангам. Бело сирово гвожђе се користи за производњу челика.