Способ получения карбида железа. Способ получения карбида железа Структура карбида железа

ЦЕМЕНТИТ – химическое соединение (карбид железа) в железоуглеродистых сплавах, и соответствующее максимальному содержанию углерода. Химическая формула цементита Fe 3 C, концентрация углерода – 6,67% (по массе) (по массе).

Как следует из диаграммы состояния железо – углерод , как фазовая составляющая цементит есть в железоуглеродистых сплавах уже при очень малых содержаниях углерода (сотые доли процента) и его количество возрастает по мере увеличения содержания углерода. При этом цементитвходит в структурную составляющую перлит (смесь феррита и цементита), существующую в стали, наряду с ферритом. По мере увеличения содержания углерода доля перлита в структуре возрастает и, соответственно, возрастает количество цементита. При содержании углерода 0,8% (эвтектоидная сталь) структура целиком состоит из перлита. При дальнейшем увеличении содержания углерода в стали, кроме перлита появляется избыточный цементит. Вплоть до содержания углерода 1,7% железоуглеродистые сплавы называются сталями, при более высоких концентрациях до максимальной 6,67% – чугунами.

В процессе термической обработкив сталях цементит образуется при охлаждении и распаде твердого раствора (аустенита), в чугунах – непосредственно при охлаждении из жидкого состояния. Соответствующая структурная составляющая из цементита и аустенита, называется ледебурит с общим содержанием углерода в 4,3%. При дальнейшем увеличении доли углерода при охлаждении из жидкости при охлаждении выделяются цементит (первичный) и ледебурит. В чугунах, содержащих аустенит, при охлаждении происходит перлитное превращение, также приводящее к выделению цементита.

Цементит имеет высокую твердость и хрупкость, поэтому железоуглеродистые сплавы, содержащие много цементита, не поддаются пластической деформации.

Из-за различных механизмов образования цементита его микроструктура может очень сильно отличаться для сплавов с различным содержанием углерода после различных термических обработок и размеры кристаллов могут меняться от сотых долей до нескольких мм.

Кристаллическая структура цементита, определенная рентгеноструктурным анализом, – ромбическая. Ее элементарная ячейка, т.е. минимальная конфигурация атомов, параллельным переносом которой можно заполнить пространство, представляет собой прямоугольный параллелепипед с различными размерами по всем трем осям и определенным расположением атомов железа и углерода в ячейке.

В легированных сталях могут возникать соединения с химической формулой, аналогичной формуле цементита, но с частью атомов железа, замещенных атомами легирующего элемента. Такие соединения носят название специальных карбидов.

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.

(твердый раствор внедрения в γ-железе с гранецентрированной кубической решеткой)
Цементит (карбид железа; Fe 3 C метастабильная высокоуглеродистая фаза)
Графит стабильная высокоуглеродистая фаза

Цементит в разных количествах, в зависимости от концентрации, присутствует в железоуглеродистых сплавах уже при малых содержаниях углерода. Формируется в процессе кристаллизации из расплава чугуна . В сталях выделяется при охлаждении аустенита или при нагреве мартенсита . Цементит является фазовой и структурной составляющей железоуглеродистых сплавов , составной частью ледебурита , перлита , сорбита и троостита . Цементит - представитель так называемых фаз внедрения, соединений переходных металлов с легкими металлоидами. В фазах внедрения велики доля как ковалентной, так и металлической связи.

Твёрдость по Бринеллю больше 800 кг/мм 2 .
Первичный цементит кристаллизуется из жидкого сплава
Вторичный цементит - из аустенита
Третичный цементит - из феррита

Химические свойства

Серый, относительно твёрдый, термически устойчивый. Не реагирует с водой, щелочами, гидратом аммиака.

разлагается при температуре выше 1650°C:

\mathsf{Fe_3C \ \xrightarrow{>1650^oC} 3Fe + C}

Разлагается кислотами (конц.):

\mathsf{Fe_3C + 6HCl \ \xrightarrow{} 3FeCl_2 + C{\downarrow} + 3H_2{\uparrow}}

\mathsf{Fe_3C + 22HNO_3 \ \xrightarrow{} 3Fe(NO_3)_3 + CO_2{\uparrow} + +13NO_2{\uparrow} +11H_2O}

Реагирует с кислородом:

\mathsf{Fe_3C + 3O_2 \ \xrightarrow{600-700^oC} Fe_3O_4 + CO_2}

\mathsf{4Fe_3C + Fe_3O_4 \ \xrightarrow{1000-1100^oC} 15Fe + 4CO}

Напишите отзыв о статье "Цементит"

Литература

Бунин К. П. , Баранов А. А. Металлография. - М .: Металлурия, 1970.
Уманский Я.С., Скаков Ю.А., Физика металлов, М., 1978.
Кузьмин Б. А., Самохоцкий А. И., Кузнецова Т. Н. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы. - М., "Высшая школа", 1971. - 352 с.
Неорганическая химия в реакциях / Р.А.Лидин, В.А.Молочко, Л.Л.Андреева. - Москва: "Дрофа", 2007. - Т. 3. - 640 с. - ISBN 978-5-358-01303-2 .

Ссылки

Отрывок, характеризующий Цементит

Люди русского войска были так измучены этим непрерывным движением по сорок верст в сутки, что не могли двигаться быстрее.
Чтобы понять степень истощения русской армии, надо только ясно понять значение того факта, что, потеряв ранеными и убитыми во все время движения от Тарутина не более пяти тысяч человек, не потеряв сотни людей пленными, армия русская, вышедшая из Тарутина в числе ста тысяч, пришла к Красному в числе пятидесяти тысяч.
Быстрое движение русских за французами действовало на русскую армию точно так же разрушительно, как и бегство французов. Разница была только в том, что русская армия двигалась произвольно, без угрозы погибели, которая висела над французской армией, и в том, что отсталые больные у французов оставались в руках врага, отсталые русские оставались у себя дома. Главная причина уменьшения армии Наполеона была быстрота движения, и несомненным доказательством тому служит соответственное уменьшение русских войск.
Вся деятельность Кутузова, как это было под Тарутиным и под Вязьмой, была направлена только к тому, чтобы, – насколько то было в его власти, – не останавливать этого гибельного для французов движения (как хотели в Петербурге и в армии русские генералы), а содействовать ему и облегчить движение своих войск.
Но, кроме того, со времени выказавшихся в войсках утомления и огромной убыли, происходивших от быстроты движения, еще другая причина представлялась Кутузову для замедления движения войск и для выжидания. Цель русских войск была – следование за французами. Путь французов был неизвестен, и потому, чем ближе следовали наши войска по пятам французов, тем больше они проходили расстояния. Только следуя в некотором расстоянии, можно было по кратчайшему пути перерезывать зигзаги, которые делали французы. Все искусные маневры, которые предлагали генералы, выражались в передвижениях войск, в увеличении переходов, а единственно разумная цель состояла в том, чтобы уменьшить эти переходы. И к этой цели во всю кампанию, от Москвы до Вильны, была направлена деятельность Кутузова – не случайно, не временно, но так последовательно, что он ни разу не изменил ей.
Кутузов знал не умом или наукой, а всем русским существом своим знал и чувствовал то, что чувствовал каждый русский солдат, что французы побеждены, что враги бегут и надо выпроводить их; но вместе с тем он чувствовал, заодно с солдатами, всю тяжесть этого, неслыханного по быстроте и времени года, похода.
Но генералам, в особенности не русским, желавшим отличиться, удивить кого то, забрать в плен для чего то какого нибудь герцога или короля, – генералам этим казалось теперь, когда всякое сражение было и гадко и бессмысленно, им казалось, что теперь то самое время давать сражения и побеждать кого то. Кутузов только пожимал плечами, когда ему один за другим представляли проекты маневров с теми дурно обутыми, без полушубков, полуголодными солдатами, которые в один месяц, без сражений, растаяли до половины и с которыми, при наилучших условиях продолжающегося бегства, надо было пройти до границы пространство больше того, которое было пройдено. В доменной печи при умеренных температурах процессы восстановления железа совмещены с отложением сажистого углерода и образования углекислоты по реакции

2СО → СО2 + С,

при высокой температуре протекает обратная реакция

СО2 + С → 2СО,

иногда являющаяся звеном процесса прямого восстановления, так как посредством окиси углерода в значительной мере совершается прямое восстановление.
Распад окиси углерода при температуре 400-600° может быть одним из звеньев непрямого восстановления, так как продукт распада - сажистый углерод, - будучи активным восстановителем, взаимодействует непосредственно с окислами железа (в порах или на поверхности кусков руды) уже при 540-580°. Между тем, углерод в менее активных формах, например, в виде графита или кокса, при низких температурах не восстанавливает окислов железа. При температурах порядка 600-700° сажистый углерод уже энергично взаимодействует с закисью железа по реакции;

FeO + C → Fe+CO.

Суммируя эту реакцию реакцией распада

2СО → СО2 + С,

получаем реакцию непрямого восстановления:

FeO + CO → Fe + CO2.

Таким образом, распад окиси углерода может оказаться звеном непрямого восстановления. Однако распад окиси углерода не является непременным условием процесса непрямого восстановления, который развивается также и независимо от разложения СО.
Активный сажистый углерод, восстанавливающий железо при температуре 600-700°, с одной стороны, увеличивает непрямое восстановление, а с другой, - уменьшает его, так как газ обогащается углекислотой, тормозящей восстановление окисью углерода. Поэтому трудно установить, облегчается или ухудшается непрямое восстановление при развитии реакции

2CО → CО2 + С.

Обогащение газа углекислотой при подсчетах дает кажущееся увеличение степени непрямого восстановления. Но это увеличение восстановления еще не говорит о том, что действительно большая часть железа восстановилась непрямым путем. Увеличение непрямого восстановления в действительности возможно только в том случае, если выделившийся сажистый углерод восстанавливает железо при умеренных температурах, а возросшее количество CO2 не тормозит восстановление газом при тех же температурах.
В настоящее время доказано, что процессы распада и восстановительный процесс часто протекают совместно и одновременно.
С распадом окиси углерода связано образование карбидов железа (Fe3C) и других карбидов, а следовательно, растворение углерода в железе, т. е. получение чугуна.
Трудно представить образование карбида путем непосредственного взаимодействия твердого железа с углеродом. Ввиду трудности обеспечения тесного контакта между твердыми реагентами эти реакции не могут развиваться в заметном масштабе. Карбид железа может быть получен путем непосредственного воздействия окиси углерода на железо:

Раньше считали, что окись углерода взаимодействует непосредственно с FеО по реакции

3FеО + 5СО → Fе3С + 4СО2,

что допускает более высокое содержание СО2 в равновесной газовой смеси, чем реакция (II, 21). Этот процесс должен был бы совершаться уже в верхних зонах печи, до появления первых порций восстановленного железа. Однако лабораторные исследования Г.И. Чуфарова и А.Н. Куликова показали, что в присутствии закиси железа СО не распадается на CO2 и С, в то время как именно свежевосстановленное при низких температурах губчатое железо является катализатором, способным вызвать распад окиси углерода, дающей необходимый для образования карбида углерод.
Карбид из железа в присутствии окиси углерода может быть получен при сравнительно низкой температуре, как только появится металлическое железо. Процесс заметно ускоряется с повышением температуры, и уже при 550-650° железо может перейти полностью в карбид даже в атмосфере колошникового газа при достаточной длительности процесса. При температуре 1000° карбид распадается на железо и углерод (углерод отжига), откладывающийся в массе восстановленного металла. Так постепенно образуется смесь металлического железа с углеродом отжига, растворяющимся затем в металле при его плавлении. Возможны и иные пути образования карбида, но выше описанный - наиболее вероятный.
Как показывают экспериментальные и расчетные исследования, в равновесной газовой смеси реакции

3Fe + 2CO ⇔ Fе3С + СО2

содержится меньше СО2, чем для реакции

2СO ⇔ CO2 + C.

Поэтому кривая равновесия для данного случая идет выше теоретических кривых, приведенных на рис. 52.
Окончательное содержание углерода в чугуне зависит от устойчивости карбидов. При непрочных карбидах в чугуне содержится меньше углерода, так как углерод от распада карбидов всплывает на поверхность чугуна и удаляется из него.
Устойчивость же карбидов определяется присутствием в чугуне прочих примесей: марганец и хром могут сами давать с углеродом прочные карбиды, вследствие чего их присутствие увеличивает содержание углерода в чугуне. Наоборот, кремний и фосфор образуют весьма непрочные карбиды, и, кроме того, сами способны соединяться с железом в прочные силициды и фосфиды, разрушая карбиды и вытесняя из них углерод. Поэтому чем больше кремния и фосфора в чугуне, тем меньше в нем углерода.
Чугун, содержащий только 4,3% углерода, имеет самую низкую в сравнении с другими железоуглеродистыми сплавами температуру плавления - 1130-1135°. Эвтектические точки чугунов, содержащих, кроме углерода, другие элементы, оказываются иными.
Рекомендуется следующая формула, учитывающая влияние важнейших примесей чугуна на содержание в нем углерода:

где C, Si, P и Мn - процентные содержания соответствующих элементов в чугуне, в формуле не учитывается содержание серы в чугуне; предполагается, что она присутствует в пределах нормы. При повышенном содержании серы можно формулу дополнить членом (-0,0325).
По формуле (11,22) можно подсчитать, что в обычном мартеновском чугуне (0,8% Si, 2% Мn, 0,2% Р) содержится около 4,1% С, в литейном (3% Si, 1%Мn, 0,2% Р) - около 3,5%, в ферросилиции (10% Si) - около 1,5-2%; в ферромарганце (80% Мn) - 6,5-7% и в зеркальном чугуне (20% Мn) - около 5% углерода.

15.07.2019

Девять лет назад были внесены определённые изменения в лицензирование определённых сфер в области обеспечения безопасности. С этого момента строительные и другие фирмы...

15.07.2019

На сегодняшний день тепловые карты, с помощью которых происходит отслеживание того, как пользователи ведут себя на веб-сайте либо же на лендинге, считаются одним из...

15.07.2019

В первые дни текущего месяца сразу несколько компаний из Китайской Народной Республики практически в одно время заключили договора на длительный период времени с...

14.07.2019

Вилочные погрузчики являются разновидностью складского транспорта, который применяется для погрузочно-разгрузочных работ, транспортировки и штабелирования поддонов,...

13.07.2019

Строительная арматура является тем каркасом, который обеспечивает прочность строений, возводимых с использованием бетонного раствора, а также кирпичной кладки. Как бы...

13.07.2019

Утилизация аккумуляторов автомобилей нужна для того, чтобы уменьшить объёмы токсичных веществ среди твёрдых бытовых отходов. Батареи аккумуляторов содержат тяжёлые...

13.07.2019

Крупнейшая горная металлургическая корпорация из Ирана IMIDRO и ещё пять металлургических заводов заключили договор о взаимодействии в ходе воплощения в жизнь программы,...

13.07.2019

На сегодняшний день методика плазменной резки нашла широчайшее применение в судостроительной отрасли, в машиностроительном секторе, в процессе создания металлических...

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.