Большая Советская Энциклопедия (ГА)

Газы в металлах

Га'зы в металлах. Г. попадают в твердые и жидкие металлы при их выплавке и электролитическом получении, при взаимодействии металлических изделий с атмосферой. Например, при производстве стали из чугуна в мартеновских печах или в конверторах в расплавленный металл из печной атмосферы попадают кислород и азот; при получении никеля электролизом его водных растворов твёрдый металл насыщается водородом, выделяющимся на катоде. Различают 3 вида взаимодействия межу Г. и металлами: адсорбцию , растворение и образование химических соединений.

При адсорбции Г. взаимодействуют только с поверхностью металла и образуют на ней плёнки толщиной, равной диаметру одной или несколько молекул. Адсорбция уменьшается при повышении температуры и понижении давления Г. над металлом. Г., адсорбированные на металлических частях электровакуумных приборов (применяемых в измерительной аппаратуре), радиопередающих устройств, преобразователей электрической энергии, в процессе эксплуатации десорбируются и нарушают устойчивую работу аппаратуры (например, изменяют электропроводность). Удаление адсорбированных Г. при изготовлении такой аппаратуры достигается глубокой откачкой, применением поглотителей Г. (геттеров ) и является одной из важнейших задач вакуумной техники.

Большинство Г., кроме инертных, образует с твёрдыми и жидкими металлами истинные растворы. Г., молекулы которых состоят из нескольких атомов (например, сернистый газ, углекислый газ, водород, азот), при растворении в металлах распадаются на атомы. Это облегчает внедрение Г. в металл, т. к. уменьшает энергию, необходимую для того, чтобы раздвинуть сильно взаимодействующие друг с другом атомы металла. Кроме того, часть затрачиваемой энергии компенсируется её выигрышем при химическом взаимодействии атомов Г. и металла. Поэтому растворение многоатомных газов сопровождается их диссоциацией . Например, двухатомные газы водород и азот растворяются в железе по реакциям

H₂ = 2Н_{в железе} ; N₂ „ = 2N_{в железе} .

Растворимость Г. в расплавленных металлах значительно выше, чем в твёрдых. Это часто приводит к ухудшению качества металлических слитков из-за образования в них газовых пузырей, внутренних раковин и пористости. Такие дефекты возникают вследствие того, что при постепенном затвердевании слитка (кристаллизации) в изложнице концентрация Г. в остающейся жидкости настолько повышается, что Г. выделяются в ее объеме, а образующиеся при этом пузыри не успевают всплыть и удалиться до полного затвердевания слитка.

Г. часто образуют с металлами химические соединения: окислы, сульфиды, нитриды. Эти соединения нерастворимы в металлах и выделяются в виде самостоятельных фаз — т. н. неметаллических включений, присутствие которых сильно ухудшает механические и антикоррозионные свойства металлов и сплавов. Поэтому в промышленности применяются различные способы удаления Г. из металлов. Один из наиболее эффективных — использование вакуумирования. При этом благодаря понижению давления Г. происходит их выделение из металлов, протекающее особенно интенсивно, когда металл находится в расплавленном состоянии.

Широко распространены выплавка металлов и сплавов, особенно стали, в вакуумных печах, вакуумирование жидкого металла при разливке и в ковшах (см. Вакуумная плавка , Дегазация стали ). С такой же целью применяют продувку жидкого металла инертными газами (например, аргоном). В ряде случаев осуществляют плавку или нагрев металла в защитной газовой атмосфере, не содержащей компонентов, вредных для металла.

Лит.: Смителлс К., Газы и металлы, пер. с англ., М. — Л., 1940; Вакуумная металлургия, М., 1962; Жуховицкий А. А., Шварцман Л. А., Физическая химия, М., 1963; Дэшман С., Научные основы вакуумной техники, пер. с англ., М., 1964.

Л. А. Шварцман, Л. В. Ванюкова.

Газы в технике

Га'зы в технике, применяются главным образом в качестве топлива; сырья для химической промышленности: химических агентов при сварке, газовой химико-термической обработке металлов, создании инертной или специальной атмосферы, в некоторых биохимических процессах и др.; теплоносителей; рабочего тела для выполнения механической работы (огнестрельное оружие, реактивные двигатели и снаряды, газовые турбины, парогазовые установки, пневмотранспорт и др.): физической среды для газового разряда (в газоразрядных трубках и др. приборах). В технике используется свыше 30 различных Г.

Как топливо применяют природные газы горючие и получаемые искусственно в виде основной (генераторный Г.) или побочной (коксовый, доменный и др. Г.) продукции. Основные потребители природного Г. в чёрной металлургии — доменное и мартеновское производство. С использованием природного Г. производится ежегодно около 60% цемента, 60% стекла, свыше 60% керамзита, свыше 60% керамики. Перевод стекловаренных печей на природный Г. значительно улучшает технико-экономические показатели производства стекла. В топливном балансе машиностроительной промышленности на долю горючего Г. приходится около 40%. Основными потребителями являются нагревательные и термические печи. Применение в этих печах природного Г. вместо др. видов топлива позволяет снизить стоимость нагрева, улучшить его качество, повысить кпд печей и создать более благоприятные санитарно-гигиенические условия в производственных помещениях. В топливном балансе электростанций СССР удельный вес природного Г. составляет около 20%. Применение природного Г. на электростанциях даёт значительный эффект. Кпд котельных установок на электростанциях при переводе с твёрдого на газовое топливо увеличивается на 1—4%; уменьшается на 21—26% количество обслуживающего персонала. Суммарное снижение расхода топлива за счёт повышения кпд и снижения расхода электроэнергии на собственные нужды составляет 6—7%. Сжигание Г. в топках котлов малой производительности увеличивает кпд по сравнению с котлами, использующими твёрдое топливо, на 7—20% (в зависимости от сорта топлива) и позволяет повысить производительность на 30% и более. Использование природного Г. открывает широкие возможности для создания простых, менее металлоёмких и более экономичных котлов (паровых и водогрейных), работающих на природном Г.

Некоторые Г. являются в то же время исходным сырьём для технологических процессов в химической промышленности (из них вырабатывается около 200 видов различных химических продуктов); на природном Г. работает ряд крупнейших химических комбинатов СССР.

Из числа Г., используемых в качестве химических агентов, воздух (атмосферный или обогащенный кислородом) и кислород получили наибольшее распространение в металлургических, химических и смежных с ними отраслях промышленности (см. Воздух и Кислород в технике). Большое значение имеют также многие др. Г.: ацетилен, хлор, фтор и редкие Г.

При газовой сварке большей частью используется пламя ацетилено-кислородной смеси, позволяющее развивать очень высокую температуру (около 3200 °С). В отдельных случаях применяют атомноводородную сварку, основанную на нагреве металла водородом, превращенным в атомарное состояние под действием электрической дуги.

Тепловую обработку металлов в печах часто сопровождают воздействием химических агентов, находящихся в газообразном состоянии. Насыщение поверхностного слоя стали углеродом (см. Цементация ) производится путём длительного нагрева её в атмосфере Г., диссоциирующих с выделением атомарного углерода. В установках промышленного типа для газовой цементации применяют: природный Г., бутан-пропановую смесь и др. Во избежание чрезмерного выделения сажи (или смолистых веществ) к этим Г. подмешивают генераторный газ или дымовые газы, очищенные от углекислого газа и паров воды.

Г. как химические агенты применяются также в практике химико-термической обработки поверхности стали при её азотировании , цианировании , алитировании , хромировании и др. При газовой цементации стали алюминием (или хромом) её нагревают в парах хлористого алюминия (хрома). Азот, генераторный газ из антрацита или древесного угля, продукты горения некоторых Г. (после удаления из них углекислого газа и паров воды) и продукты диссоциации аммиака в металлообрабатывающей промышленности служат в качестве специальных атмосфер для борьбы с окислением и обезуглероживанием металлов, которые происходят при их нагреве в атмосфере воздуха или дымовых газов.