Способ получения карбида железа. Карбиды железа Цементит твердый раствор

Изобретение относится к способу получения карбида железа, пригодного в качестве сырьевого материла для производства чугуна и стали. Способ включает восстановление и карбюризацию мелкодисперсного содержащего железо материала, классификацию мелкодисперсного содержащего железо материала на несколько сортов в соответствии с размером частиц после предварительно нагрева. При этом восстановление и карбюризацию каждого сорта проводят отдельно, причем в два этапа. Первый этап для осуществления части реакции восстановления, а второй этап - для реакции дальнейшего восстановления и карбюризации. Способ осуществляют с помощью реактора с псевдоожиженным слоем, имеющего зону псевдоожиженного слоя, разделенную на несколько отсеков разделительными перегородками. Часть отсеков предназначена для крупных, а другая для мелких мелкодисперсных содержащих железо материалов. Восстановление и карбюризацию крупных мелкодисперсных содержащих железо материалов осуществляют в одной части реактора, а мелких - в другой. 3 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 5 ил.

Изобретение относится к способу получения карбида железа, пригодного в качестве сырьевого материала для производства чугуна и стали, который содержит карбид железа (Fe 3 C) как основной компонент, например, сырьевого материала для производства стали, который используют в электрической печи и т. п. Предшествующий уровень техники Получение стали обычно включает этапы превращения железной руды в чушковый [передельный] чугун с использованием доменной печи, а после этого превращение чушкового [передельного] чугуна в сталь с использованием открытой подовой печи или конвертера. Такой традиционный способ является энергоемким, требует крупногабаритного оборудования и связан с высокими затратами. Поэтому при мелкосерийном производстве стали используют способ, включающий этапы прямого превращения железной руды в сырьевые материалы, используемые в печи для производства стали, и превращения сырьевого материала в сталь с использованием электрической печи и т.п. Что касается способа прямого получения стали, то для превращения железной руды в восстановленное железо используют способ прямого восстановления железа. Однако восстановленное железо, полученное способом прямого восстановления, обладает очень высокой химической активностью и взаимодействует с кислородом воздуха с выделением тепла. Таким образом, при транспортировке и хранении восстановленного железа в присутствии атмосферы инертного газа его необходимо герметизировать или принимать некоторые другие меры. Поэтому карбид железа (Fe 3 C), содержащий сравнительно высокое количество железа (Fe), и который имеет низкую химическую активность и может легко транспортироваться и храниться, недавно нашел применение как содержащий железо материал для производства стали в электрической печи и т.п. Кроме того, сырьевой материал для получения чугуна или стали, содержащий карбид железа в качестве основного компонента, не только легко транспортировать и хранить, но он также имеет то преимущество, что углерод в соединении с железом можно использовать как источник энергии в печи для получения чугуна и стали, также может быть использован как источник образования микропузырьков, которые уменьшают количество азота в ванне расплава при получении стали. Поэтому, с недавнего времени сырьевые материалы для производства чугуна и стали, содержащие карбид железа в качестве основного компонента, вызывают особый интерес. В соответствии с известным способом получения карбида железа мелкодисперсную железную руду загружают в реактор с псевдоожиженным слоем или в подобное ему устройство и осуществляют его взаимодействие с газовой смесью, содержащей восстановительный газ (например, газообразный водород) и карбюризирующий газ (например, газообразный метан и т.п.) при предварительно заданной температуре. Таким образом, оксиды железа (например, гематит (Fe 2 O 3), магнетит (Fe 3 O 4) и вюстит (FeO)) в железной руде подвергают восстановлению и карбюризации в едином процессе (что означает, что процесс выполняют при одновременном введении восстановительного газа и карбюризирующего газа в один реактор). Эта реакция протекает по следующей обобщенной формуле: 3Fe 2 O 3 + 5H 2 + 2CH 4 ---> 2Fe 3 C + 9H 2 O Предшествующее техническое решение в области настоящего изобретения описано, например, в публикации японского перевода Международной заявки на патент N 6-501983. Для облегчения понимания настоящего изобретения ниже будет описан пример устройства для получения карбида железа в соответствии с предшествующим техническим решением. Например, известно устройство, показанное на фиг. 1. Как показано на фиг. 1, ссылочном номером 1 обозначен реактор с псевдоожиженным слоем. Реактор 1 с псевдоожиженным слоем имеет донную часть, к которой присоединен канал 2 для подачи реакционных газов (восстановительного газа и карбюризирующего газа), и верхнюю часть, к которой присоединен канал 3 для выпуска газа после реакции. Ссылочным номером 4 обозначена печь предварительного нагрева. Мелкодисперсную железную руду, подаваемую в печь 4 предварительного нагрева, подвергают в ней предварительному нагреву в течение заранее определенного времени. Затем подогретую железную руду подают в реактор 1 с псевдоожиженным слоем по каналу 5 и подвергают в нем реакции восстановления и карбюризации в течение предварительно определенного времени и при предварительно заданных температуре и давлении реакции. Полученный при этом готовый карбид железа выгружают по каналу 6. В случае, когда распределение частиц железной руды по размерам является широким, трудно обеспечить, чтобы реакция протекала эффективно. Причина состоит в следующем. Для того, чтобы реакция протекала эффективно, предпочтительно, чтобы скорость обеспечивающего псевдоожиженного газа в реакторе 1 была относительно высокой, если размер основной части частиц железной руды является большим (крупным), однако при этом мелкодисперсная руда будет выдуваться, и чтобы скорость обеспечивающего псевдоожиженного газа в реакторе 1 была относительно низкой, если размер основной части частиц железной руды является малым (мелким), но крупные частицы руды при этом не будут псевдоожижены. Предпочтительны условия процесса, выбранные в зависимости от соответствующего размера частиц. Кроме того, для железной руды, имеющей частицы крупного размера, предпочтительно использовать реактор с подвижным слоем. Увеличение скорости течения газа при псевдоожижении вызывает образование мелкодисперсной железной руды за счет взаимного трения частиц и невыгодно для получения высокого выпуска железной руды. Как видно из обобщенной формулы реакции, частица Fe 2 O 3 превращена в F 3 C, обладая около 3/4 первоначального веса. Кроме того, частицы мелкодисперсной железной руды в процессе псевдоожижения трутся друг о друга, так что за счет этого размер частиц постепенно уменьшается. Принимая во внимание, что вес псевдоожиженного материала (мелкодисперсной железной руды) постепенно уменьшается по мере протекания реакции, предпочтительно, чтобы скорость реакционного газа, подлежащего подаче в реактор с псевдоожиженным слоем, была относительно высокой в первой половине реакции и была относительно снижена в последней половине реакции, для того чтобы реакция протекала эффективно. Поскольку существуют конкретные условия, соответствующие развитию реакции, то нежелательно, чтобы реакция восстановления и реакция карбюризации выполнялись при одинаковых условиях в реакторе с псевдоожиженным слоем. С учетом вышеописанных проблем, связанных с предшествующим техническим решением, задачей настоящего изобретения является создание способа эффективного получения карбида железа в зависимости от размера частиц содержащего железо материала или от развития реакции. Сущность изобретения Для того, чтобы решить поставленную задачу, в настоящем изобретении предложен способ эффективного получения карбида железа посредством классификации мелкодисперсного содержащего железо материала для производства чугуна на несколько сортов в соответствии с размером частиц, и восстановления и карбюризации содержащего железо материала, согласно соответствующим размерам частиц. Первый аспект настоящего изобретения направлен на разработку способа получения карбида железа, включающего этапы классификации мелкодисперсного содержащего железо материала на несколько сортов в соответствии с размером частиц и восстановления, и карбюризации каждого содержащего железо материала в соответствии с каждым сортом. Согласно первому аспекту настоящего изобретения обработке можно подвергать мелкодисперсный содержащий железо материал для производства чугуна, который имеет широкий диапазон распределения частиц. Путем выбора условий процесса в зависимости от размера частиц можно эффективно получать карбид железа. Второй аспект настоящего изобретения направлен на разработку способа получения карбида железа в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, в котором мелкодисперсный содержащий железо материал для получения чугуна классифицируют на несколько сортов в соответствии с размером частиц после предварительного подогрева. Согласно второму аспекту настоящего изобретения, в дополнение к вышеописанным преимуществам, может быть получен следующий эффект. Более конкретно, если классификация влажного содержащего железо материала связана с трудностями, то операция классификации облегчается, если ее выполняют в сухом состоянии материала, после предварительного подогрева или после процесса первого этапа реакции. Кроме того, настоящее изобретение может быть реализовано для обработки такого содержащего железо материала, как мелкодисперсная железная руда, образующаяся из сырьевого материала, который легко дробится под действием тепла, с получением не побочного, а основного продукта. Третий аспект настоящего изобретения направлен на разработку способа получения карбида железа в соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения, в котором процесс реакции восстановления и карбюризации включает процесс первого этапа реакции для выполнения части реакции восстановления, а затем процесс второго этапа реакции для выполнения дальнейшей реакции восстановления и карбюризации. Согласно третьему аспекту настоящего изобретения, в дополнение к вышеописанным преимуществам, может быть получен следующий эффект. Для каждого процесса, который не может быть выполнен с помощью способа получения карбида железа с использованием одного реактора в соответствии с предшествующим техническим решением, могут быть приняты различные контрмеры. Тем самым, можно получить гибкий процесс. При этом скорость превращения и скорость реакции можно легко регулировать. Кроме того, энергия, потребляемая при образовании побочного продукта, может быть эффективно регенерирована. Четвертый аспект настоящего изобретения направлен на разработку способа получения карбида железа, включающего этапы: классификацию мелкодисперсного содержащего железо материала на несколько сортов в соответствии с размером частиц после процесса первого этапа реакции при восстановлении части содержащего железо материала и выполнение процесса второго этапа реакции для выполнения реакции дальнейшего восстановления и карбюризации для каждого содержащего железо материала в соответствии с каждым сортом. Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения способ по настоящему изобретению подходит для обработки содержащего железо материала, который становится намного мельче в процессе реакции восстановления. Пятый аспект настоящего изобретения направлен на разработку способа превращения мелкодисперсного содержащего железо материала для производства чугуна в карбид железа с использованием реактора с псевдоожиженным слоем, имеющего зону псевдоожиженного слоя, разделенную на несколько отсеков разделительными стенками, включающего этапы деления отсеков на две части для крупного и мелкого содержащего железо материала, соответственно, и восстановление и карбюризацию крупного содержащего железо материала в одной части и мелкого содержащего железо материала в другой части. Согласно пятому аспекту настоящего изобретения подаваемый сырьевой материал можно обрабатывать в одном реакторе, в котором мелкодисперсная и крупнодисперсная руды участвуют в реакции отдельно, при конкретных условиях процесса для каждой руды. Тем самым, достигают оптимальной утилизации реакционного газа и эффективного выполнения процесса. В настоящем изобретении содержащий железо материал для производства чугуна представляет собой железную руду или порошок и т.п., который образуется при производстве чугуна и содержит в качестве основного компонента по меньшей мере один оксид железа, такой как гематит, магнетит и вюстит, и гидроокиси железа, такие как гидроокись двухвалентного железа и гидроокись трехвалентного железа, или смеси более двух из них. Согласно настоящему изобретению, имеющему описанные выше технические особенности, мелкодисперсный материал для получения чугуна, который имеет широкий диапазон распределения частиц по размерам, можно классифицировать на несколько сортов в соответствии с размером частиц, и можно выбрать условия процесса (температуру реакции, время реакции, скорость подачи газа и т.п.), соответствующие конкретным размерам частиц, для содержащего железо материала, относящегося к каждому сорту. Тем самым, можно получать карбид железа с высокой эффективностью. Некоторые содержащие железо материалы легко дробятся под действием тепла. Такие материалы классифицируют после предварительного нагрева, а условия процесса, зависящие от каждого размера частиц, выбирают после классификации. Тем самым, можно получать карбид железа с высокой эффективностью. Кроме того, при использовании двухэтапного процесса при осуществлении первого этапа реакции, при котором происходит часть реакции восстановления, а затем второго этапа реакции, при котором происходит реакция дальнейшего восстановления и карбюризации, газ, используемый на первом этапе реакции, может иметь оптимальный состав только для реакции восстановления, а газ, используемый на втором этапе реакции, может иметь оптимальный состав для реакции дальнейшего восстановления и карбюризации. При использовании двухэтапного процесса при восстановлении и карбюризации (превращении в карбид железа) содержащего железо материала можно увеличить скорость реакции, а время реакции (время, необходимое для превращения содержащего железо материала в карбид железа) можно сократить по сравнению со способом получения карбида железа в одноэтапном процессе. Некоторые содержащие железо материалы легко измельчаются в процессе реакции восстановления. Такие материалы классифицируют после частичного восстановления, а условия реакции восстановления и карбюризации, соответствующие каждому размеру частиц, выбирают после классификации. Тем самым, реакция может проходить эффективно. В реакторе, имеющем зону псевдоожиженного слоя, разделенную на несколько отсеков, отсеки разделены на две части для содержащих железо материалов, имеющих крупные и мелкие частицы, а восстановление и карбюризацию содержащих железо материалов, имеющих крупные и мелкие частицы, проводят отдельно. Тем самым, подачу сырьевого материала и выгрузку готовых продуктов можно выполнять непрерывно, псевдоожижение может быть равномерным как для крупных, так и для мелких частиц, а площадь контакта между реакционным газом и сырьевым материалом может быть точно рассчитана для мелких частиц, с тем чтобы можно было сократить время реакции. Краткое описание чертежей На фиг. 1 представлена поточная диаграмма, соответствующая техническому решению устройства для получения карбида железа, согласно предшествующему уровню техники. На фиг. 2 (а) и 2 (b) представлены схемы, показывающие примеры выполнения способа, когда получение карбида железа соответствует настоящему изобретению. На фиг. 3 представлена схема, показывающая другой пример выполнения способа, когда получение карбида железа соответствует настоящему изобретению. На фиг. 4 представлена диаграмма, показывающая диапазон существования псевдоожиженного слоя в зависимости от размера частиц и скорости подачи газа. На фиг. 5(а) представлено сечение, показывающее реактор с псевдоожиженным слоем, подходящий для выполнения способа, согласно настоящему изобретению, а на фиг. 5(b) представлено сечение по линии V-V на фиг. 5(а). Предпочтительный вариант выполнения изобретения Ниже описан вариант, когда в способе, согласно настоящему изобретению, используют реактор с псевдоожиженным слоем. (1) Выбор времени классификации Как описано выше, некоторые содержащие железо материалы легко дробятся под действием тепла или значительно измельчаются в процессе реакции восстановления. Например, степень образования мелкодисперсной железной руды, имеющей размер 70 мкм или мельче, обычно колеблется в соответствии с сортом железной руды в сырьевом материале (от 0,1 мм до 1,0 мм), в зависимости от условий обработки, которой подвергают железную руду, как показано в таблице 1. Как описано ниже, оптимальные условия (протекания) способа можно получить путем выбора времени классификации, соответствующего сорту железной руды. (а) В случае, когда в качестве сырьевого материала используют железную руду (руду "B" и "D"), которая легко дробится под действием тепла, предпочтительно использовать процесс, показанный на фиг. 2(a) и 2(b). (b) В случае, когда в качестве сырьевого материала используют железную руду (руду "A"), которая легко измельчается в процессе реакции восстановления, предпочтительно использовать процесс, показанный на фиг. 3. На фиг. 2(a), 2(b) и фиг. 3 крупную и мелкую железную руду можно обрабатывать одновременно в одном реакторе, если реактор имеет конструкцию, описанную в (3), хотя они могут быть обработаны и отдельно в соответствующем реакторе. Кроме того, классификацию можно выполнять два раза или более, в зависимости от распределения частиц железной руды по размерам. (2) Выбор размера классификации Размер классификации для разделения железной руды на крупную и мелкую, основанный на диапазоне распределения частиц железной руды по размерам, можно получить, например, как показано на фиг. 4. Скорость псевдоожижения показана на фиг. 4, на которой по горизонтальной оси откладывают размер частиц (d p , в логарифмическом виде), а на оси показана поверхностная скорость (u, в логарифмическом виде). Линия А ограничивает нижний предел псевдоожижения. Ниже линии А скорость недостаточна для псевдоожижения железной руды в реакторе. Линия В ограничивает скорости продувки (предельная скорость). Выше линии В скорость настолько высока, что железная руда выдувается, и, таким образом, не может ни всплывать, ни стать псевдоожиженной. Как видно из фиг. 4, если распределение частиц железной руды по размерам составляет от 0,1 до 1,0 мм, то при некоторых условиях (протекания) способа железная руда может всплывать и становиться псевдоожиженной, поскольку скорость газа в точке A1 ниже, чем в точке B1. Однако если распределение частиц железной руды по размерам шире, например, железная руда содержит мелкие частицы, имеющие размер от 0,05 до 0,5 мм, и крупные частицы, имеющие размер от 0,5 до 5 мм, то предпочтительно, чтобы реакции для железной руды с мелкими частицами и железной руды с крупными частицами проходили раздельно, для того чтобы обеспечить эффективность реакции и чтобы предельные размеры при делении на "мелкие" и "крупные" находились в диапазоне от 0,2 до 0,8 мм. Если крупная железная руда, имеющая размеры частиц от 5 до 7 мм или более составляет основную часть, то предпочтительно использовать реактор с подвижным слоем. (3) Оборудование для классификации В случае, когда железную руду классифицируют на основе распределения частиц по размеру, то крупную железную руду и мелкую железную руду можно обрабатывать в отдельных реакторах, чтобы обеспечить рабочие условия в зависимости от размера частиц. Однако крупную железную руду и мелкую железную руду можно обрабатывать одновременно в одном реакторе, если реактор имеет конструкцию, показанную на фиг. 5. Более конкретно, реактор 7 с псевдоожиженным слоем разделен на отсеки 8a-8e для крупной железной руды и отсеки 9a-9d для мелкой железной руды, в канале 10 для реакционного газа, подлежащего подаче в отсеки с мелкой железной рудой, предусмотрен регулирующий течение клапан 11, и мелкую железную руду, выпускаемую из реактора вместе с газом, извлекают в циклоне 12. Мелкую железную руду возвращают в отсеки 9a-9d. Что касается реактора, имеющего вышеописанную конструкцию, то при использовании одного реактора можно также одновременно обрабатывать мелкую железную руду и крупную железную руду, имея одинаковый состав газа на впуске, в соответствии со следующим способом. Посредством настройки регулирующего клапана 11 можно регулировать скорость течения реакционного газа для улучшения псевдоожижения мелкой и крупной железной руды. В этом случае предпочтительно, чтобы скорость течения (= поверхностная скорость) реакционного газа для мелкой железной руды была снижена, чтобы избежать выдувания мелкой железной руды, и чтобы высота слоя (Hff) мелкой железной руды была установлена меньше, чем высота слоя (Hfc) крупной железной руды, чтобы получить одинаковое время контакта (газа и обоих сортов руды). Скорость реакции у мелкой железной руды имеет тенденцию быть несколько выше, чем у крупной железной руды, как видно из таблицы 2. В таблице 2 приведена скорость восстановления, когда отношение газ/твердый материал составляло 0,59 кг/SLM, температура реакции составляла 63 o C, давление газа составляло от 4 до 5 атмосфер, и концентрация водорода в реакционном газе составляла от 65 до 80%. Скорость реакции у мелкой железной руды (Z) была несколько выше, чем у крупной железной руды (X, Y). Аббревиатура SLM означает стандартные литры в минуту (1 литр при нормальных условиях/минута). Таким образом, в случае, когда в одном реакторе происходит реакция мелкой и крупной железной руды, мелкая руда взаимодействует слишком активно, чтобы крупная руда [успевала] прореагировать должным образом. Согласно настоящему изобретению мелкая железная руда и крупная железная руда реагируют отдельно в одном реакторе с псевдоожиженным слоем. Таким образом, можно снизить количество подлежащего использованию газа на единицу веса железной руды, и сократить время присутствия в реакторе. Тем самым, можно получать карбид железа экономично и эффективно. Классифицированная железная руда с более мелкими частицами не только может использоваться для получения карбида железа, но также может найти применение как вспомогательный материал для получения цемента или как сырьевой материал после гранулирования. Промышленное применение
Исходя из описанных выше конструктивных особенностей настоящего изобретения устройство по настоящему изобретению подходит для эффективного получения карбида железа в зависимости от размера частиц содержащего железо материала или от развития реакции.

Формула изобретения

1. 1. Способ получения карбида железа, включающий восстановление и карбюризацию мелкодисперсного содержащего железо материала, отличающийся тем, что он включает дополнительно классификацию мелкодисперсного содержащего железо материала на несколько сортов в соответствии с размером частиц, причем восстановление и карбюризацию каждого сорта проводят отдельно. 2. Способ получения карбида железа по п.1, отличающийся тем, что мелкодисперсный содержащий железо материал классифицируют на несколько сортов в соответствии с размером частиц после предварительного нагрева. 3. Способ получения карбида железа по п.2, отличающийся тем, что реакции восстановления и карбюризации проводят в два этапа, первый этап для осуществления части реакции восстановления, а второй этап для осуществления реакции дальнейшего восстановления и карбюризации. 4. Способ получения карбида железа, включающий восстановление и карбюризацию мелкодисперсного содержащего железо материала, отличающийся тем, что он включает первый этап для частичного восстановления мелкодисперсного содержащего железо материала, после которого проводят классификацию мелкодисперсного содержащего железо материала на несколько сортов в соответствии с размером частиц, и второй этап для осуществления реакции дальнейшего восстановления и карбюризации мелкодисперсного содержащего железо материала, которые для каждого сорта проводят отдельно. 5. Способ превращения мелкодисперсного содержащего железо материала в карбид железа, осуществляемый с помощью реактора с псевдоожиженным слоем, имеющего зону псевдоожиженного слоя, разделенную на несколько отсеков разделительными перегородками, включает восстановление и карбюризацию мелкодисперсных содержащих железо материалов, отличающийся тем, что часть отсеков предназначена для крупных, а другая часть для мелких мелкодисперсных содержащих железо материалов, восстановление и карбюризацию крупных мелкодисперсных содержащих железо материалов осуществляют в одной части реактора, а мелких мелкодисперсных содержащих железо материалов - в другой части реактора.

соединения железа с углеродом; см. Железо, Железоуглеродистые сплавы, Карбиды.

- Бор образует ряд карбидов. Надежно установлены составы двух из них - В 4 С и В 13 С 2. Карбид В 4 С - черные кристаллы с ромбоэдрич. решеткой...
Химическая энциклопедия
- Св-ва монокарбида WC приведены в табл. ...
Химическая энциклопедия
- соед. углерода с металлами, а также с бором и кремнием. По типу хим. связи К. делят на ионные, ковалентные и металлоподобные...
Химическая энциклопедия
- железа, вырабатывающая один или несколько гормонов и секретирующая их непосредственно в кровеносное русло. Эндокринная железа лишена выводных протоков...
Медицинские термины
- соединения углерода с металлами и нек-рыми неметаллами. Св-ва и области применения К. исключительно разнообразны...
Большой энциклопедический политехнический словарь
- клетка или ткань, производящая или вырабатывающая особые вещества. У животных существует два основных вида желез...
- неорганические соединения углерода с металлами или другими электроположительными элементами. БОР и КРЕМНИЙ образуют чрезвычайно твердые карбиды, которые используют как абразив...
Научно-технический энциклопедический словарь
- соединения углерода с электроположительными элементами, главным образом, с металлами и некоторыми неметаллами...
- карбиды, образующиеся в углеродистой и легированной сталях при кристаллизации, полиморфном превращении и термической обработке...
Энциклопедический словарь по металлургии
- хим. соед. углерода с металлами и нек-рыми неметаллами, напр. карбид кальция, карборунд, цементит. К. вольфрама, титана, тантала, ниобия и др. тугоплавки, тверды, износостойки, жаропрочны...
Естествознание. Энциклопедический словарь
- соединения металлов с углеродом. К. относительно легкоплавких металлов разлагаются водой и разбавленными кислотами с образованием углеводородов...
Геологическая энциклопедия
- см. Углерод, Углеродистый кальций, Хром, Уран, Церий, Цирконий, Торий, Чугун, Микроструктура стали...
Энциклопедический словарь Брокгауза и Евфрона
- соединения углерода с электроположительными элементами, главным образом с металлами и некоторыми неметаллами По типу химической связи К. могут быть подразделены на три основные группы: ионные,...
- соединения железа с углеродом; см. Железо, Железоуглеродистые сплавы, Карбиды...
Большая Советская энциклопедия
- химические соединения углерода с металлами и некоторыми неметаллами, напр. карбид кальция, карборунд, цементит. Карбиды вольфрама, титана, тантала, ниобия и др. тугоплавки, тверды, износостойки, жаропрочны...
Большой энциклопедический словарь
- Соединения металлических элементов с углеродом. - Карбид кальция, употребляется для добывания ацетилена...
Словарь иностранных слов русского языка

"Карбиды железа" в книгах

Обмен железа

автора

Превращения железа

автора Терлецкий Ефим Давидович

Обмен железа

Из книги Биологическая химия автора Лелевич Владимир Валерьянович

Обмен железа В организме взрослого человека содержится 3–4 г железа, из этого количества около 3,5 г находится в плазме крови. Гемоглобин эритроцитов содержит примерно 68 % всего железа организма, ферритин – 27 % (резервное железо печени, селезенки, костного мозга), миоглобин

Превращения железа

Из книги Металлы, которые всегда с тобой автора Терлецкий Ефим Давидович

Превращения железа В условиях обычного умеренного климата здоровому человеку требуется в продуктах питания 10-15 мг железа в день. Этого количества вполне достаточно, чтобы покрыть его потери из организма. В нашем теле содержится от 2 до 5 г железа, в зависимости от уровня

ПУД ЖЕЛЕЗА

Из книги Перед восходом солнца автора Зощенко Михаил Михайлович

ПУД ЖЕЛЕЗА Я занят разборкой моего пенала. Перебираю карандаши и перья. Любуюсь моим маленьким перочинным ножом.Учитель вызывает меня. Он говорит:- Ответь, только быстро: что тяжелей - пуд пуха или пуд железа?Не видя в этом подвоха, я, не подумав, отвечаю:- Пуд

VI. ТАЙНА ЖЕЛЕЗА

Из книги Столетов автора Болховитинов Виктор Николаевич

Человек из железа

Из книги Креативы Старого Семёна автора

Человек из железа - Самое главное в жизни – это здоровье! – часто говорил Коля, значительно поднимая палец.- Ну да, в общем конечно, - неохотно соглашался я, закуривая, - хотя с другой стороны…- Что с другой стороны? – настороженно спрашивал он.- Ну как тебе объяснить. Вот

Тип железа

Из книги Философский камень гомеопатии автора Симеонова Наталья Константиновна

Тип железа Научные представления о недостаточности железа нашли отражение в гомеопатическом лекарственном патогенезе железа, в котором указывается, что это средство подходит худым, бледным пациентам, чаще молодым малокровным девушкам с белой, как алебастр, кожей, с

Век железа

Из книги История России от древнейших времен до начала XX века автора Фроянов Игорь Яковлевич

Век железа Но для следующей эпохи нам известны и названия тех народов, которые обитали на территории нашей страны. В I тысячелетии до н. э. появляются первые железные орудия. Наиболее развитые культуры раннего железа известны в причерноморских степях - они оставлены

Век железа

Из книги Всемирная история. Том 3 Век железа автора Бадак Александр Николаевич

Век железа Это эпоха в первобытной и раннеклассовой истории человечества, характеризующаяся распространением металлургии железа и изготовлением железных орудий. Представление о трех веках: каменном, бронзовом и железном - возникло еще в античном мире. Это хорошо

Карбиды

БСЭ

Карбиды железа

Из книги Большая Советская Энциклопедия (КА) автора БСЭ

Железа карбиды

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ЖЕ) автора БСЭ

4. Семиотика нарушений эндокринной системы (гипофиз, щитовидная железа, паращитовидные железы, надпочечники, поджелудочная железа)

Из книги Пропедевтика детских болезней: конспект лекций автора Осипова О В

4. Семиотика нарушений эндокринной системы (гипофиз, щитовидная железа, паращитовидные железы, надпочечники, поджелудочная железа) Нарушение гормонообразовательной или гормоновыделительной функции гипофиза приводит к ряду заболеваний. Например, избыточная продукция

Век железа

Из книги Загадка булатного узора автора Гуревич Юрий Григорьевич

Век железа В отличие от серебра, золота, меди и других металлов железо редко встречается в природе в чистом виде, поэтому оно было освоено человеком сравнительно поздно. Первые образцы железа, которые держали в руках наши предки, были неземного, метеоритного

Цементит - химическое соединение углерода с железом (карбид железа ), Fe 3 C – одна из структурных составляющих железоуглеродистых сплавов (чугун , сталь), содержит 6,67% C.

Цементит относится к неустойчивым соединениям и при определённых условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита . Цементит способен образовывать твёрдые растворы замещения. Атомы углерода (C) могут замещаться атомами неметаллов – N, O; атомы железа (Fe) – металлами Mn, Cr, W и другими. Такой твёрдый раствор на базе решётки цементита называется легированным цементитом . Обычное обозначение легированного цементита M 3 C, где под буквой M понимается железо и другие металлы, замещающие атомы железа в решётке цементита.

ИЦМ(www.сайт)

Цементит Fe 3 C имеет ромбическую структуру. Периоды решётки: a=0,45244±0,0005 нм, b=0,50885±0,0005 нм, c=0,67431±0,0005 нм; последующие исследования подтвердили эту структуру и дали близкие значения периодов. Нейтронографический анализ также подтвердил ромбическую структуру цементита . Температура перехода цементита из ферромагнитного в парамагнитное состояние равна 215°С.

На рисунке представлена ячейка кристаллической решётки цементита . Кристаллическая структура цементита очень сложна. Кристалл цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых расположены друг к другу под некоторыми углами. Внутри каждого октаэдра располагается атом углерода. На рисунке зелёным цветом выделены атомы углерода: каждый атом углерода окружён восемью атомами железа; каждый атом железа связан с тремя атомами углерода.

ИЦМ(www.сайт)

Свойства цементита

Цементит имеет металлические свойства (электропроводность, металлический блеск и т.д.) благодаря тому, что в решётке и железо и углерод положительно ионизованы, то есть и металл и углерод ведут себя в соединении, как металл. Цементит хрупок, имеет высокую твёрдость (HB более 800); t пл =1250°C; Цементит имеет чрезвычайно низкую, практически нулевую пластичность. Эти свойства цементита являются, вероятно, следствием сложности строения кристаллической решётки цементита.

При низких температурах цементит слабо ферромагнитен. Магнитные свойства цементит, согласно различным источникам, теряет при температуре 215-217°.

Температура плавления цементита

Согласно данным Гуляева А.П. температура плавления цементита - около 1600°.

ИЦМ(www.сайт)

По расчётным данным , виртуальная температура плавления цементита оценивается равной 1200-1450°. Возможно, цементит испытывает инконгруэнтное разложение при температурах 1250-1300°.

Первичный цементит

Различают первичный, вторичный и третичный цементит. Первичный цементит выделяется из жидкости. Первичный цементит выделяется только при закалке сплавов, содержащих до 5,5% (по массе) углерода . Форма первичного цементита: длинные крупные пластины.

Вторичный цементит

Вторичный цементит выделяется из аустенита - γ-твёрдого раствора. При охаждении выделение происходит по линии ES (диаграмма Fe-C). Форма вторичного цементита : цементитная сетка, цементит по границам зёрен.

Третичный цементит

Третичный цементит выделяется из феррита. Форма третичного цементита : пластинки и прожилки, а также выделения в виде иголок в ферритном зерне. При более быстром охлаждении часть углерода остаётся в твёрдом растворе; выделение третичного цементита подавляется.

Другие формы существования цементита (по Хоу): цементит перлита , цементит ледебурита , цементит Стеда, зернистый цементит, специальные карбиды.

Лит.:

Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. – М.: Машиностроение, 1990. – 384 с.: ил. ISBN 5-217-00241-1
Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1977. - УДК669.0(075.8)
Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа: Справ. изд./ Банных О.А., Будберг П.Б., Алисова С.П. и др. М.: Металлургия, 1986. 440 с. УДК 669.15.017.12(083)
Циммерман Р., Гюнтер К. Металлургия и материаловедение. Справ изд. Пер. с нем. М.: Металлургия, 1982. 480 с.
H. K. D. H. Bhadeshia. The Structure of Cementite // Department of Materials Science and Metallurgy/ University of Cambridge [Электронный ресурс], Last updated 19/6/2008 - Режим доступа: http://www.msm.cam.ac.uk/, свободный. - Загл. с экрана.

Цементит - это химическое соединение состава Fe 3 C - карбид железа. Известно, что растворимость углерода в железе невелика: в α - железе растворяется около 0,02% С при эвтектоидной температуре, а при комнатной - порядка 0,008%. В  - железе растворяется до 2,14% С при температуре 1147 о С, при комнатной температуре  -железо не существует (про аустенит при комнатной температуре написано в статье «Как увидеть аустенит?» на этом сайте). Поэтому в структуре стали и чугуна углерод находится в связанном состоянии в виде цементита или в свободном состоянии в виде графита.

Сейчас речь о цементите. Температура плавления цементита - порядка 1250 о С. Цементит имеет твердость порядка 800 HB и очень низкую пластичность. Такие свойства цементита связаны с его сложной кристаллической решеткой (рис. 1).

Рисунок 1. Схема кристаллической решетки цементита (А.П. Гуляев. Металловедение)

Нас интересует в первую очередь то, что цементит - это фаза железоуглеродистых сплавов. Если исходить только из диаграммы состояния железо-углерод, то различают цементит первичный, вторичный и третичный. Положение этих видов цементита показано на диаграмме состояния (рис. 2) различным цветом.

Рисунок 2. Цементит на диаграмме состояния железо-углерод.

Первичный цементит формируется в заэвтектическом чугуне непосредственно при кристаллизации (рис.3). Длинные протяженные кристаллы - это выделения первичного карбида. Область на диаграмме состояния, в которой присутствует только первичный цементит, окрашена в розовый цвет.

Рисунок 3 .Заэвтектический хромистый чугун

Цементит в составе ледебурита тоже относится к первичному цементиту (рис.4, 5). Цементит ледебурита в доэвтектическом чугуне тоже первичный, поскольку ледебурит формируется при кристаллизации расплава.

Рисунок 4. Дендриты первичного цементита (а) и ледебурит в половинчатом чугуне (б)

Рисунок 5. Ледебурит

Вторичный цементит формируется при охлаждении аустенита (зеленая область на диаграмме состояния), поскольку ниже 1147 о С концентрация углерода в аустените снижается, а из «освободившегося» углерода формируется цементит. При эвтектоидной температуре аустенит распадается, поэтому ниже 727 о С на диаграмме состояния всегда есть вторичный цементит. При комнатной температуре мы видим вторичный цементит в составе перлита, а также по границам зерен в заэвтектоидной стали (рис.6).

Рисунок 6. Вторичный цементит и перлит в заэвтектоидной стали

Третичный цементит формируется при охлаждении феррита (голубой участок на диаграмме состояния). В отличие от других видов цементита, его трудно наблюдать, поскольку он выделяется в небольших количествах, а при повышении концентрации углерода соединяется с цементитом перлита. Обычно третичный цементит выделяется по границам зерен (рис.7). Иногда он сам не виден, но декорирует границу зерна, и ее лучше видно.


а	б	в

Рисунок 7 .Третичный цементит в стали 08Ю (а), углеродистой стали (б,в)

Выделение третичного цементита - это результат старения. Дело в том, что концентрация углерода в феррите изменяется при изменении температуры. Предел насыщения феррита углеродом показывает линия PQ (рис.8). Концентрация углерода в феррите изменяется с изменением температуры - при 723 о С в феррите растворяется около 0,03 %С, а при комнатной температуре - до 0,008 %С. Если сталь нагреть выше линии PQ, а затем быстро охладить (т.е. закалить), то в результате закалки получим пересыщенный твердый раствор углерода в α - железе. Этот раствор не будет неизменным с течением времени. И при комнатной температуре, и при повышенной он будет распадаться - стареть. Упрочняющей фазой, образующейся при таком старении, и является третичный цементит.

Рисунок 8. Область выделения третичного цементита (отмечено голубым) на диаграмме состояния железо-углерод.

Итак:
. первичный цементит кристаллизуется из расплава;
. вторичный цементит формируется при охлаждении аустенита;
. третичный цементит формируется при охлаждении феррита.

В сталях и чугунах цементит может принимать разный вид. Вторичный цементит в сталях может иметь различную морфологию. Обычно цементит имеет форму пластинок в составе перлита (рис. 9 а). Тогда отличить его от феррита можно только при специальном травлении. После определенного отжига перлит трансформируется, а цементит принимает форму округлых включений. Это зернистый перлит (рис. 9 б). Статья о зернистом перлите есть на этом сайте.
В сталях, где есть легирующие элементы, цементит не имеет формулы Fe 3 C. Цементит может образовать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут заменяться другими неметаллами - азотом, кислородом, атомы железа - атомами легирующих элементов - хромом, никелем, вольфрамом и т.д. В этом случае формируется легированный цементит , формулу которого записывают как Me 3 C . Буква М обозначает атомы металлов, частично замещающие железо. В большинстве сталей цементит легированный. Мы имеем дело с цементитом сталей, в основном, в следующих случаях. После нормализации цементит стали входит в состав перлита (вторичный цементит, рис.6); иногда можно видеть и третичный цементит (рис. 7). После закалки и отпуска в стали присутствуют карбиды; состав их различен; но так или иначе карбиды состава Me 3 C надо отнести ко вторичному цементиту. На рис. 10 показаны карбиды в стали Р18 после закалки и отпуска. Еще там можно увидеть остатки литой структуры («скелетик» в центре кадра); это карбид, который закристаллизовался из жидкости; можно принять его как первичный цементит. Он не устранился дальнейшей обработкой.Это дефект структуры, который ведет к снижению свойств.

Рисунок 9. Морфология цементита в стали: а - пластинчатый цементит, б - глобулярный.

Рисунок 10 . Первичный цементит и карбиды в стали Р18

В белом чугуне присутствует первичный цементит, аналогичный по структуре тому, который показан на рис.3 и 4. В серых чугунах (после операции графитизации) иногда может остаться незначительное количество цементита (рис.11 а, включение цементита отмечено стрелкой), а также цементит перлита, который не распадается при отжиге (рис. 11 б). На рис.12 белые «скелетики» - это первичный цементит в аустенитном чугуне; белые мелкие включения по полю - тоже выделения цементита (или карбидов, потому что это легированный чугун), который можно назвать вторичным.

Рисунок 11. Структура серого чугуна.

Рисунок 12. Цементит в аустенитном чугуне.

На свете известно очень много разных химических соединений: порядка сотни миллионов. И все они, как люди, индивидуальны. Нельзя найти два вещества, у которых совпадали бы химические и физические свойства при разном составе.

Одними из интереснейших неорганических веществ, существующих на белом свете, являются карбиды. В данной статье мы обсудим их строение, физические и химические свойства, применение и разберём тонкости их получения. Но для начала немного об истории открытия.

История

Карбиды металлов, формулы которых мы приведём ниже, не являются природными соединениями. Это обусловлено тем, что их молекулы склонны распадаться при взаимодействии с водой. Поэтому здесь стоит говорить о первых попытках синтеза карбидов.

Начиная с 1849 имеются упоминания о синтезе карбида кремния, однако некоторые из этих попыток остаются непризнанными. Крупномасштабное производство начал в 1893 году американский химик Эдвард Ачесон по способу, который был затем назван его именем.

История синтеза карбида кальция также не отличается большим количеством сведений. В 1862 году его получил немецкий химик Фридрих Вёлер, нагревая сплавленный цинк и кальций с углём.

Теперь перейдём к более интересным разделам: химическим и физическим свойствам. Ведь именно в них заключена вся суть применения данного класса веществ.

Физические свойства

Абсолютно все карбиды отличаются своей твёрдостью. Например, одним из самых твёрдых веществ по является карбид вольфрама (9 из 10 возможных баллов). К тому же эти вещества очень тугоплавкие: температура плавления некоторых из них достигает двух тысяч градусов.

Большинство карбидов химически инертны и взаимодействуют с небольшим количеством веществ. Они не растворимы ни в каких растворителях. Однако растворением можно считать взаимодействие с водой с разрушением связей и образованием гидроксида металла и углеводорода.

О последней реакции и многих других интересных химических превращениях с участием карбидов мы поговорим в следующем разделе.

Химические свойства

Почти все карбиды взаимодействуют с водой. Какие-то - легко и без нагревания (например, а какие-то (например, карбид кремния) - при нагревании водяного пара до 1800 градусов. Реакционная способность при этом зависит от характера связи в соединении, о котором мы поговорим позже. В реакции с водой образуются разные углеводороды. Происходит это потому, что водород, содержащийся в воде, соединяется с углеродом, находящимся в карбиде. Понять, какой углеводород получится (а может получиться как предельное, так и непредельное соединение), можно, исходя из валентности содержащегося в исходном веществе углерода. Например, если у нас есть карбид кальция, формула которого CaC 2 , мы видим, что он содержит ион C 2 2- . Значит, к нему можно присоединить два иона водорода с зарядом +. Таким образом, получаем соединение C 2 H 2 - ацетилен. Таким же образом из такого соединения, как карбид алюминия, формула которого Al 4 C 3 , получаем CH 4 . Почему не C 3 H 12 , спросите вы? Ведь ион имеет заряд 12-. Дело в том, что максимальное количество атомов водорода определяется формулой 2n+2, где n - количество атомов углерода. Значит, может существовать только соединение с формулой C 3 H 8 (пропан), а тот ион с зарядом 12- распадается на три иона с зарядом 4-, которые и дают при соединении с протонами молекулы метана.

Интересными представляются реакции окисления карбидов. Они могут происходить как при воздействии сильных смесей окислителей, так и при обыкновенном горении в атмосфере кислорода. Если с кислородом всё понятно: получаются два окисда, то с другими окислителями интереснее. Всё зависит от природы металла, входящего в состав карбида, а также от природы окислителя. Например, карбид кремния, формула которого SiC, при взаимодействии со смесью азотной и образует гексафторкремниевую кислоту с выделением углекислого газа. А при проведении той же реакции, но с одной только азотной кислотой, получаем и углекислый газ. К окислителям также можно отнести галогены и халькогены. С ними взаимодействует любой карбид, формула реакции зависит только от его строения.

Карбиды металлов, формулы которых мы рассмотрели - далеко не единственные представители этого класса соединений. Сейчас мы подробнее рассмотрим каждое промышленно важное соединение этого класса и затем поговорим об их применении в нашей жизни.

Какие бывают карбиды?

Оказывается, карбид, формула которого, скажем, CaC 2, существенно отличается по строению от SiC. И отличие это прежде всего в характере связи между атомами. В первом случае мы имеем дело с солеобразным карбидом. Назван этот класс соединений так потому, что ведёт себя фактически как соль, то есть способен диссоциировать на ионы. Такая ионная связь очень слабая, что и позволяет легко проводить и многие другие превращения, включающие взаимодействия между ионами.

Другим, наверное, более промышленно важным видом карбидов являются ковалентные карбиды: такие как, например, SiC или WC. Они отличаются высокой плотностью и прочностью. А также тугоплавки и инертны к разбавленным химическим веществам.

Существуют также металлоподобные карбиды. Их скорее можно рассматривать как сплавы металлов с углеродом. Среди таких можно выделить, например, цементит (карбид железа, формула которого бывает разной, но в среднем она примерно такая: Fe 3 C) или чугун. Они имеют химическую активность, промежуточную по своей степени между ионными и ковалентными карбидами.

Каждый из этих подвидов обсуждаемого нами класса химических соединений имеет своё практическое применение. О том, как и где применяется каждый из них, мы поговорим в следующем разделе.

Практическое применение карбидов

Как мы уже обсудили, ковалентные карбиды имеют самый большой диапазон практических применений. Это и абразивные и режущие материалы, и композиционные материалы, используемые в разных областях (например, в качестве одного из материалов, входящих в состав бронежилета), и автодетали, и электронные приборы, и нагревательные элементы, и ядерная энергетика. И это далеко не полный список применений этих сверхтвёрдых карбидов.

Самое узкое применение имеют солеобразующие карбиды. Их реакцию с водой используют как лабораторный способ получения углеводородов. То, как это происходит, мы уже разобрали выше.

Наравне с ковалентными, металлоподобные карбиды имеют широчайшее применение в промышленности. Как мы уже говорили, таким металлоподобным видом обсуждаемых нами соединений являются стали, чугуны и прочие соединения металлов с вкраплениями углерода. Как правило, металл, находящийся в таких веществах, относится к классу d-металлов. Именно поэтому он склонен образовывать не ковалентные связи, а как бы внедряться в структуру металла.

На наш взгляд, практических применений у вышеперечисленных соединений более чем достаточно. Теперь взглянем на процесс их получения.

Получение карбидов

Первые два вида карбидов, которые мы рассмотрели, а именно ковалентные и солеобразные, получают чаще всего одним простым способом: реакцией оксида элемента и кокса при высокой температуре. При этом часть кокса, состоящего из углерода, соединяется с атомом элемента в составе оксида, и образует карбид. Другая часть "забирает" кислород и образует угарный газ. Такой способ очень энергозатратен, так как требует поддержания высокой температуры (порядка 1600-2500 градусов) в зоне реакции.

Для получения некоторых видов соединений используют альтернативные реакции. Например, разложение соединения, которое в конечном итоге даёт карбид. Формула реакции зависит от конкретного соединения, поэтому обсуждать её мы не будем.

Прежде чем завершить нашу статью, обсудим несколько интересных карбидов и поговорим о них подробнее.

Карбид натрия. Формула этого соединения C 2 Na 2 . Это можно представить скорее как ацетиленид (то есть продукт замещения атомов водорода в ацетилене на атомы натрия), а не карбид. Химическая формула полностью не отражает этих тонкостей, поэтому их надо искать в строении. Это очень активное вещество и при любом контакте с водой очень активно взаимодействует с ней с образованием ацетилена и щёлочи.

Карбид магния. Формула: MgC 2 . Интересны способы получения этого достаточно активного соединения. Один из них предполагает спекание фторида магния с карбидом кальция при высокой температуре. В результате этого получаются два продукта: фторид кальция и нужный нам карбид. Формула этой реакции достаточно проста, и вы можете при желании ознакомиться с ней в специализированной литературе.

Если вы не уверены в полезности изложенного в статье материала, тогда следующий раздел для вас.

Как это может быть полезно в жизни?

Ну, во-первых, знание химических соединений никогда не может быть лишним. Всегда лучше быть вооружённым знанием, чем остаться без него. Во-вторых, чем больше вы знаете о существовании определённых соединений, тем лучше понимаете механизм их образования и законы, которые позволяют им существовать.

Перед тем как перейти к окончанию, хотелось бы дать несколько рекомендаций по изучению этого материала.

Как это изучать?

Очень просто. Это ведь всего лишь раздел химии. И изучать его следует по учебникам химии. Начните со школьных сведений и переходите к более углублённым, из университетских учебников и справочников.

Заключение

Эта тема не такая простая и скучная, как кажется на первый взгляд. Химия всегда может стать интересной, если вы найдёте в ней свою цель.