51. Чёрные металлы. Чугун

Определения и обозначения

Чёрные металлы — это железо и его сплавы. Сплавом называют материал, в котором соединены металл и другие вещества. Эти материалы объединяют, потому что железо составляет их основу и во многом определяет их свойства. К чёрным металлам относят, например, чугун и сталь.

Чугун — сплав железа с углеродом, который получают из железной руды в доменной печи. Значит, чугун не является чистым железом: в его составе есть углерод. Это различие помогает понять, почему чугун имеет собственные свойства и где его можно использовать.

Железная руда — горная порода, содержащая соединения железа, из которых получают железо. Сами соединения ещё не являются готовым металлом, поэтому руду нужно переработать. Руда служит сырьём для выплавки чугуна и связывает добычу полезных ископаемых с производством металлов.

Доменная печь — высокая печь, в которой из железной руды получают чугун. В неё загружают руду и другие нужные материалы, а затем нагревают содержимое. Такая печь нужна, чтобы при высокой температуре получить расплав и отделить от него часть примесей.

Как это устроено

В природе железо обычно входит в состав соединений в железной руде, а не встречается в виде чистого металла. Поэтому кусок руды нельзя просто использовать как готовое железное изделие. Чтобы получить металл, соединения железа нужно изменить при переработке в печи. Так руда становится сырьём для производства чугуна.

В доменную печь загружают железную руду, кокс и известняк. Руда даёт соединения железа, из которых получают металл, а кокс нужен как топливо и источник углерода. Известняк добавляют для удаления примесей. У каждого материала своя роль, поэтому они нужны вместе, а не заменяют друг друга.

В печи становится очень жарко благодаря горению кокса. При высокой температуре кокс помогает получить железо из соединений в руде. Известняк тем временем способствует отделению части примесей, чтобы они не оставались в расплавленном металле. Так в печи одновременно идут процессы получения железа и очистки расплава.

Полученное железо расплавлено, и в нём растворяется углерод из кокса. Из-за этого продуктом становится не чистое железо, а сплав железа с углеродом — чугун. Название продукта связано с его составом, а не только с тем, где его получили. Именно поэтому чугун относят к чёрным металлам.

Чугун твёрдый, но хрупкий: он способен расколоться при сильном ударе. Твёрдость полезна для изделий, которым важно сохранять форму и сопротивляться царапинам. Однако твёрдый материал не обязательно хорошо переносит удары. Поэтому чугун выбирают для подходящих изделий, но не для деталей, которые часто подвергаются ударам.

Чугун: получение, свойства и применение

Читайте таблицу по строкам: сначала выясните, из какого сырья и где получают чугун, а затем соотнесите его свойства с применением. Твёрдость может быть полезной, но при выборе изделия нужно учитывать и хрупкость. Если деталь часто ударяют, такое ограничение особенно важно.

Разбор задач

Почему чугун относят к чёрным металлам?

Ученик должен объяснить, почему чугун относят к чёрным металлам. Для этого нужно вспомнить, что называют чёрными металлами и из чего состоит чугун. Одного слова «металл» в ответе недостаточно: нужно связать название группы с составом материала.

1. Чёрные металлы — это железо и его сплавы.
2. Чугун является сплавом, а не чистым железом.
3. В составе чугуна есть железо и углерод, поэтому он относится к железным сплавам.

Ответ: чугун относят к чёрным металлам, потому что это сплав железа с углеродом.

В каком порядке получают чугун?

Нужно расположить три этапа: железную руду, загрузку материалов в доменную печь и выплавку чугуна. Чтобы выбрать порядок, сначала определи, что служит сырьём. Затем подумай, где и как сырьё превращается в готовый продукт.

1. Сначала добывают железную руду, которая содержит соединения железа.
2. Затем руду вместе с коксом и известняком загружают в доменную печь.
3. При высокой температуре в печи получают расплавленный чугун.

Ответ: железная руда → загрузка материалов в доменную печь → выплавка чугуна. Нельзя поменять местами руду и выплавку: без сырья продукт получить невозможно.

Подойдёт ли чугун для детали, которую часто ударяют?

Для детали предлагают взять чугун. Нужно решить, подходит ли он для изделия, которое часто подвергается ударам, и объяснить выбор. Сначала назови свойство чугуна, затем свяжи его с условиями работы детали.

1. Чугун твёрдый, поэтому он подходит для некоторых изделий, где нужна твёрдая поверхность.
2. Но он хрупкий, то есть может треснуть или расколоться от удара.
3. Если деталь часто ударяют, риск повреждения становится важным ограничением.

Ответ: для детали, которую часто ударяют, чугун может не подойти из-за хрупкости. При выборе материала нужно учитывать не только твёрдость, но и то, какие нагрузки испытывает изделие.

Типичные ошибки

Ошибка — называть чугун чистым железом. Её допускают, потому что чугун выглядит как металлический материал и содержит железо. Проверь себя: вспомни его состав — чугун является сплавом железа с углеродом.

Ошибка — считать, что готовый чугун добывают из земли. Так путают сырьё и продукт его переработки. Проверь себя вопросом: что именно получают при добыче, а что выплавляют в печи? Из земли получают железную руду, а чугун производят из неё.

Ошибка — путать назначение кокса и известняка. Оба материала загружают в одну печь, но нужны они для разного. Кокс даёт тепло и помогает получить железо, а известняк способствует удалению примесей. Проверь себя: можешь ли ты назвать отдельную роль каждого вещества?

Ошибка — считать, что твёрдость означает устойчивость к ударам. Это происходит, если одно свойство принимают за все свойства материала. Проверь себя: чугун твёрдый, но хрупкий и может расколоться. Поэтому перед выбором материала нужно учитывать, будет ли деталь испытывать удары.

Связь с другими темами

Чтобы понять получение чугуна, нужно знать, что металлы получают из полезных ископаемых, а руда содержит нужные для производства вещества. Железная руда связывает эту тему с изучением горных пород и полезных ископаемых: она служит сырьём для выплавки. Знание свойств чугуна поможет при знакомстве со сталью и другими материалами. Оно также пригодится, когда нужно объяснить, почему в быту и промышленности для разных изделий выбирают разные материалы.

Что запомнить

• Чугун относится к чёрным металлам.
• Чугун — сплав железа с углеродом.
• Сырьём для получения чугуна служит железная руда.
• Чугун выплавляют в доменной печи.
• При производстве чугуна используют кокс и известняк.
• Чугун твёрдый, но хрупкий.
• Свойства чугуна определяют, где его можно использовать.