Железная окалина с чем реагирует

Оксид железа (II,III)

Оксид железа (II,III), закись-окись железа, железная окалина — неорганическое соединение, двойной оксид металла железа с формулой Fe₃O₄ или FeO·Fe₂O₃, чёрные кристаллы, не растворимые в воде, образует кристаллогидрат.

Содержание

Получение

Физические свойства

Ферромагнетик с точкой Кюри 858 К (585 °С).

Обладает электрической проводимостью. Полупроводник. Электропроводность низкая. Истинная удельная электропроводность монокристаллического магнетита максимальна при комнатной температуре ( 250 Ом −1 ·см −1 ), она быстро снижается при понижении температуры, достигая значения около 50 Ом −1 ·см −1 при температуре перехода Вервея (фазового перехода от кубической к низкотемпературной моноклинной структуре, существующей ниже T_V = 120—125 К ). Электропроводность моноклинного низкотемпературного магнетита на 2 порядка ниже, чем кубического (

Кажущаяся величина электропроводности поликристаллического магнетита в зависимости от наличия трещин и их ориентировки может отличаться в сотни раз.

Образует кристаллогидрат состава Fe₃O₄·2H₂O.

Источник

MetalloPraktik.ru

Технология производства металлопроката | Опыт. Исследования. Результаты.

Немного об окалине

В силу ряда особенностей горячей прокатки и последующего охлаждения горячекатаных полос их поверхность покрыта окалиной неодинаковой толщины и различного фазового состава. В результате взаимодействия железа с кислородом среды, в которой оно находится при сравнительно высоких температурах, образуются три устойчивых окисла: вюстит (FeO), магнетит (Fe₃O₄) и гематит (Fe₂O₃). Слои, составляющие окалину, располагаются таким образом, что непосредственно к металлу примыкает слой окисла с наименьшим содержанием кислорода FeO, далее следует средний слой промежуточного состава Fe₃O₄, наружный слой окалины состоит из высшего окисла Fe₂O₃. Соотношение толщин слоев и одновременное существование всех трех окислов зависят от условий окисления поверхности железа.

Опыт работы травильных линий показывает, что продолжительность травления окалины в значительной степени связана с температурой смотки, которая влияет на толщину и структуру окалины. Обычно сокращение продолжительности травления с уменьшением температуры смотки связывают со снижением степени превращения вюстита (FeO) в магнетит (Fe₃O₄), а также с уменьшением опасности появления гематита (Fe₂O₃) по кромкам полосы. При этом предполагается, что удаление окалины происходит путем растворения вюститной фазы вдоль границы раздела сталь-окалина и подвода кислоты к границе металла. При взаимодействии кислоты с железом образуется водород, который способствует отслоению окалины. При высокой температуре смотки на границе раздела фаз окалина-сталь вюстит отсутствует, т.е. основным механизмом удаления окалины является на отслоение гематита и магнетита, а их растворение.

С целью выяснения механизма влияния температуры смотки на продолжительность травления изучали фазовый состав окалины. Образцы железной окалины были отобраны от головной, средней и хвостовой частей полос, температура смотки которых составляла 580-600, 640-680 и 700-730 0 С. Изучение окалины проводили комплексными методами. На начальных этапах использовали химические методы селективного изолирования фаз. Общий состав оксидных фаз изолировали методом галогенирования в атмосфере сухого газообразного хлора при температуре 350 0 С. После удаления хлора путем вымораживания смесь оксидов и хлоридов нагревали до температуры возгонки. После возгонки FeCl₂ оксидные фазы переводили в раствор путем сплавления с персульфатом калия и количественный анализ по составляющим элементам вели химическим и атомно-абсорбционными методами на спектрофотометре.

Таблица 1 – Фазовый состав железной окалины при различной температуре смотки полос

Источник

Железная окалина и её виды, применение

Смесь оксидов железа, образовывающаяся при взаимодействии кислорода с раскалённым металлом, имеет обобщённое название — железная окалина. Она состоит из Fe3O4, FeO и Fe2O3 (магнетита, вьюстита и гематита соответственно) и представлена двумя легкоотделяемыми друг от друга слоями. При их суммарной толщине до 40 нм окалина невидима невооружённому взгляду, свыше 40 и до 500 нм — выдаёт себя цветами побежалости (радужным отливом). Постоянный же окрас появляется, если слой железной окалины на металле превышает 500 нм.

Состав

Наружный слой оксида железа — гематит. Он обладает большой твёрдостью (1030 ед. по шкале Виккерса), абразивностью и очень плохо растворяется в кислотах. Под ним в условиях частичной нехватки кислорода формируется более мягкий и почти нерастворимый в кислотах магнетит. Ближе всего к металлу находится рыхлый и мягкий вьюстит, который легко поддается устранению механическим путём или кислотным травлением.

Толщина каждого из трёх слоёв зависит от температуры обработки стали. Так, при превышении порога в 570 °C образуется чётко выраженная трёхслойная структура окалины. Дальнейшее повышение температуры ведёт к увеличению толщины вьюстита. Если же сталь обрабатывается при температурах ниже 570 °C, то в составе окалины преобладают магнетит и гематит.

По цвету железной окалины можно определить температуру обработки стали. Так, при температуре в 700–750 °C в составе окалины больше гематита, из-за чего она приобретает рыжевато-красный оттенок. Образовавшийся при высокотемпературном (900–1000 °C) прокате слой оксидов из-за более высокого процента вьюстита становится чёрным.

Особенности

Твёрдость окалины сочетается с её хрупкостью, из-за чего вкрапления оксида внутри структуры металла резко понижают его эксплуатационные характеристики. По этой же причине железная окалина не может быть использована в качестве защитного покрытия, хоть она и не взаимодействует с кислородом. Более того, в месте скола оксидов наблюдается усиленное окисление стали, что происходит из-за разности потенциалов окалины и стали. По этой причине её удаляют с готового проката.

Удаление окалины

Слой оксидов железа с прокатной стали удаляют со стальной заготовки несколькими способами.

Возможно также сочетание вариантов.

Механическое воздействие на прокат сводится к пропуску проволоки или листа с окалиной через ряд роликов. При этом достигается частое изгибание заготовки, под воздействием которого железная окалина рассыпается на отдельные чешуйки и осыпается с металла. Для финишной очистки могут быть использованы абразивы, наждачные ленты, щётки из проволоки.

Достоинством этой технологии является сравнительная дешевизна и экологичность. Но поскольку отказ от смазки при такой обработке нецелесообразен, это приводит к замасливанию железной окалины, что затрудняет дальнейшую её переработку.

Химический и электрохимический способы очистки стали называют травлением. Для этих целей используются серная и соляная кислоты, реже — фосфорная, азотная, плавиковая или их смесь. Главными недостатками такого способа является одноразовое использование травильных растворов (не восстанавливаются) и низкий спрос на побочный продукт преобразования окалины — железный купорос. По этой причине травление применяется довольно редко, и ему обычно предшествует механическая очистка проката от окалины.

Применение окалины

Опытными кузнецами давно было примечено повышение сопротивляемости металла коррозии при формировании на нём тонкого слоя окалины. Сейчас же воронение оружейной стали используется лишь в качестве декоративной отделки. Её цвет зависит от способа обработки (кислота, щёлочь, температура) и толщины оксидной плёнки, составляющей от 1 до 10 мкм.

Прокатная окалина, удельный вес которой достигает 3% от общего веса готовых изделий, является ценным сырьём для металлургического производства за счёт высокого содержания (до 75%) в ней железа. Основное направление её переработки — очистка от примесей и восстановление, после которого она превращается в низкоуглеродистую сталь.

Некоторые составы окалины успешно применяются в качестве красящих пигментов и активно используются в строительстве. Также из окалины производится железный порошок, применяемый в металлургии, при изготовлении самонагревающихся смесей и даже в пищевой промышленности.

Химический состав этого отхода металлургической промышленности стандартизирован. Её стоимость может колебаться в зависимости от преобладания определённых видов окислов и количества примесей. Усреднённая цена на начало 2019 года составляла 50 американских долларов за тонну железной окалины.

Источник

Окислительно-восстановительные свойства металлов. Ряд напряжения металлов

Вопрос 1.
Уравнение реакции образования железной окалины имеет вид:

Таким образом, в реакции образования железной окалины три атома железа отдают не 6 и не 9, а 8 электронов.

Вопрос 2.

Вопрос 3.

Вопрос 4.
Щелочные и щелочноземельные металлы очень активны и реагируют практически со всем, с чем соприкасаются. Например, на воздухе эти металлы легко окисляются и, при этом разрушаются. Их хранят под слоем керосина, к которому они инертны, этим они сберегаются от ненужных взаимодействий. Литий — самый легкий из металлов. Он легче керосина и в отличие от других металлов всплывает в нем, поэтому его хранят в вазелине.

Вопрос 5.

Вопрос 6.
По правилу, которое гласит, что металлы, стоящие в ряду напряжения левее водорода, вытесняют его из растворов кислот, водород при реакции свинца с раствором серной кислоты должен получиться. Но данное правило соблюдается, если в реакции металла с кислотой образуется растворимая соль, а так как PbSO₄ — нерастворимая соль то правило не соблюдается, и водород нельзя получить при взаимодействии свинца с раствором серной кислоты.

Вопрос 7.

В данной реакции цинк проявляет восстановительные свойства, а сера – окислительные.

Источник

Железная окалина

На поверхности изделий, получаемых путем горячей прокатки, присутствует железная окалина. Ее возникновение обусловлено особенностями данного производственного процесса. Окалина значительно сокращает коррозионную стойкость материала и усложняет последующую обработку, поэтому необходимо полное ее удаление.

Процесс образования

Рассматриваемое покрытие представлено продуктом окисления металла. Его формирование связано с высокими температурами и происходит при обработке металла температурой либо давлением. Прокат в любом случае покрыт окисным слоем. Он образуется на открытом воздухе в сухих условиях в виде пленок. Изначально они невидимы даже под микроскопом. Под термическим воздействием толщина окисного слоя возрастает до видимых размеров. Железной окалиной называют толстое покрытие, формирующееся при термическом воздействии в условиях открытого воздуха.

Состав формирующих его окисных соединений и структура определяется многими факторами: маркой стали, температурой, условиями среды, режимом термообработки, наличием и количеством окислителей.

Они представлены гематитом, магнетитом, вюститом. Первые два оксида железа характеризуются большой плотностью и соединены промежуточной структурой. Вюстит наоборот представлен пористым соединением. От названных выше оксидов он отличается большей диффузинной проницаемостью. Вюстит имеет с ними непрочную связь.

Структура железной оксидной пленки определяется окружающими условиями и температурой. Так, в кислородосодержащей среде при нагреве более 570 °C и быстром охлаждении формируется трехслойное покрытие. Внешний слой представлен гематитом, следующий – магнетитом и внутренний – вюститом. Как было отмечено, первые два имеют кристаллическую структуру и прочно взаимосвязаны. Внутренний слой пористой структуры непрочно контактирует с ними. Это обуславливает малое электросопротивление железной оксидной пленки и легкое ее отслаивание.

Для образования трехслойной окалины на металле необходимо соблюдение трех названных условий: высокой концентрации кислорода, температуры в 570 °C, быстрого ее снижения. Иначе формируется двух- или однослойная железная окалина.

Так, при меньшем нагреве слой вюстита получается тонким. В случае формирования железной окалины при высокой концентрации пара либо окислов углерода при малом количестве кислорода и температурах более 1000 °C гематит восстанавливается, вследствие чего отсутствует в составе. Таким образом, соотношение слоев напрямую определяется температурой. Так, при 700 °C толщина вюстита составляет 100 мкм, в то время как для магнетита и гематита – 10 и 1 мкм соответственно. Другими словами, состав железной окалины в значительной степени зависит от температуры. Так, при 700-900 °C она представлена почти на 90% вюститом, примерно на 10% магнетитом и менее чем на 1% гематитом. При большем нагреве и избытке кислорода происходит замещение вюстита гематитом.

В любом случае формирование слоев железной окалины происходит последовательно в соответствии с их расположением. При охлаждении вюстит утрачивает устойчивость и распадается до железа и гематита. Ввиду этого пленка обретает гематит-магнетитовый состав. При восстановлении гематит и магнетит переходят в железо и воду. Следовательно, в результате получается прокатная окалина, состоящая из железа.

Выше приведены основные закономерности и факторы возникновения железной окалины. В промышленных условиях процесс ее образования весьма сложен и может происходить неоднократно.

Методы удаления

Удаление окалины осуществляют тремя способами. Механический метод включает следующие варианты: пропускание материала через ряд роликов, обработку дробью и прочими абразивными материалами. Первая технология основана на деформации металла скручиванием, изгибом, растяжением. Такой способ позволяет убрать большую часть окалины. Его считают черновой обработкой, и после очищают материал дополнительно. Во втором случае осуществляют механическое воздействие на железную окалину металлической дробью, песком и прочими абразивными материалами. Наконец, существуют механизированные технологии, связанные с применением микрорезцовых инструментов, проволочных щеток, наждачных лент и т. д.

Химические методы подразумевают обработку деталей в кислотах, солях, щелочах, называемую травлением. При этом большое значение имеет растворимость составляющих железную окалину соединений в кислотах. Так, вюстит легко подвержен ему, в отличие от магнетита. Гематит считают нерастворимым. Травление дифференцируют на химическое и электрохимическое. Далее рассмотрены некоторые варианты.

Травление серной кислотой связано с образованием водорода и проникновением его в металл, что ведет к водородной хрупкости, снижающей механические параметры и затрудняющей последующую обработку материала. Поэтому с целью сокращения наводораживания приходится долго выдерживать металл по завершении травления либо нагревать при сушке. К тому же во избежание разрушения металла кислотой после растворения железной окалины используют ингибиторы. Нужно отметить, что в нагретом растворе сталь разрушается быстрее.

Травление соляной кислотой идет по тем же закономерностям. Однако, в отличие от серной, для этого не требуется нагрев. Напротив, при температуре более 40°C выделяются хлороводородные соединения. В процессе травления формируются хлористые соли железа. В целом обработка соляной кислотой, в сравнении с серной, обеспечивает лучшую очистку при меньшем наводораживании стали.

Электрохимический способ существенно повышает скорость очистки металла от окалины и сокращает водородную хрупкость, а также расход раствора. Его дифференцируют на анодный, катодный и смешанный варианты.

Выбор способа очистки определяется многими факторами, среди которых состав изделия, целевые параметры, последующая обработка и т. д.

Источник

• Популярная книга Круть доступна для чтения прямо сейчас на нашем сайте boochi.ru. Скачать книгу в формате FB2, TXT, PDF, EPUB бесплатно без регистрации. →