ХИМИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА И СТАЛИ

Сырьем для получения железа является железные руды, основой которых могут быть оксид железа (III) (красный железняк) или феррит железа (II) Fе₃O₄ (магнитный железняк, или магнетит, от чего происходит название явления магнетизма).

Чтобы получить металлическое железо, его надо восстановить. Учитывая огромные масштабы производства железа (в мире его производится более 500 млн. т ежегодно), восстановитель должен быть доступным и достаточно дешевым. Такими свойствами обладает углерод в виде кокса.

В современной технологии используется кокс, но непосредственным восстановителем выступает, в основном, оксид углерода (II):

Процесс восстановления проводят в специальных вертикальных печах, которые называются доменными, высотой до нескольких десятков метров и внутренним объемом (в крупных) до 5 тыс. м . Производительность доменных печей достигает 4 млн. т металла в год.

Рассмотрим основные химические реакции, протекающие в доменной печи.

При взаимодействии кокса с кислородом воздуха происходит экзотермическая реакция, которая обеспечивает энергией все другие процессы:

При этом развивается температура, выше 1600 °С, выше температуры плавления железа. Именно для интенсификации (ускорение) этой реакции подогревают воздух, который подается в домну, или обогащают его кислородом.

Далее углекислый газ восстанавливается избытком кокса:

и оксид углерода, образовавшийся восстанавливает железо.

Сталкиваясь с углеродом, жидкое железо растворяет его, в результате образуется сплав железа с достаточно большим содержанием углерода - чугун.

Основной примесью до оксидов железа в руде есть песок SiO₂. Эта тугоплавкая вещество остается твердым при температурах, развиваются внутри доменной печи. Чтобы превратить его в более легкоплавкую состав - шлак, в шихту вводят известняк. Происходит реакция:

Жидкий силикат кальция, образовавшегося (вместе с другими неметаллическими примесями), является жидкостью с меньшей плотностью, чем чугун. В доменной печи, таким образом, образуется два жидких слоя, что дает возможность выводить из нее поочередно жидкие чугун и шлак.

Полученный в доменном процессе чугун - твердый, но хрупкий материал, из него изготавливают детали, которые не поддаются ударам в процессе эксплуатации (маховые колеса, станины и др.).

Значительно выше потребность народного хозяйства в стали. В нее и перерабатывается основное количество производимого чугуна.

Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода. В чугуне он составляет 6% , а в стали не превышает 2%. Для удаления избыточного углерода его окисляют, добавляя к чугуну железный лом (всегда ржавый) и продувая через расплавленный чугун или над ним воздух, обогащенный кислородом. Одновременно с удалением углерода в расплав вводят примеси других металлов для получения сталей различного назначения.