Часть II. НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Раздел 14. МЕТАЛЛЫ ПОБОЧНЫХ ПОДГРУПП

§ 14.8. Доменный процесс

Добыча железа из руд основан на восстановлении его оксидов оксидом углерода(II) и углем (коксом). При этом образуется не чистое железо, а сплав его с углем и другими примесями (кремнием, марганцем, серой, фосфором). Этот сплав называется чугуном (см. § 14.9).

Выплавку чугуна осуществляют в доменных печах, или домнах. Это сложное сооружение объемом 5 000 м³ и высотой до 80 м с внутренней обкладкой из огнеупорного кирпича и стальным внешним кожухом (для прочности). Верхняя половина домны называется шахтой, верхнее отверстие - колошником, самая широкая часть - распаром, нижняя часть - горном.

Схема доменного процесса и его химизм изображен на рис. 14.1.

Исходные материалы: шихта - руда содержит оксид железа, а также кокс, флюсы (плавни). Кокс является источником теплоты, а также используется для добывания восстановителя-оксида углерода(II). Флюсы превращают пустую породу на легкоплавкие соединения - шлаки.

Домну загружают через колошник исходными материалами (послойно). Горение и необходимая температура поддерживаются вдуванием сквозь специальные отверстия в горне горячего воздуха. Производительность домны повышается примерно на V3 во время вдувания воздуха, обогащенного кислородом, т.е. при применении кислородного дутья.

В верхней части горна, где температура достигает 1 850°С, происходит интенсивное сгорание кокса в струе воздух, который вдувается, нагретого до 600-800°С:

С + O2 = CO₂.

Рис. 14.1. Химизм доменного процесса

Оксид карбона(IV), проходя сквозь раскаленный кокс, превращается в оксид углерода(II):

СО₂ + С = 2СО.

Оксид углерода(II) постепенно восстанавливает руду. При температуре 450-500°С из оксида железа(III) Fe2O₃ образуется оксид железа(II, III) Fe₃O₄:

СFе₂О₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂.

При 600°C Fe₃O₄ восстанавливается до оксида железа(II):

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂,

а при температуре около 700°C оксид железа(II) восстанавливается до свободного металла:

FeO + CO = Fe + СО₂.

Вместе с оксидом углерода(II) при высоких температурах в восстановлении оксидов железа используют уголь (кокс): FeO + С = Fe + CO.

Восстановление железа из руды заканчивается примерно при 1100°С. При этой температуре частично восстанавливаются кремний, марганец и фосфор из их соединений, которые содержатся в руде в виде примесей. Эти процессы можно выразить уравнениями:

SiO₂ + 2С = Si + 2СО; МnО + С = Гn + СО;

Са₃(РO₄)₂ + 5С = 2Р + ЗСаО + 5СО.

Сера, содержащаяся в исходных материалах в виде соединений (CaSO₄, FeS и другие), частично превращается в сульфид железа FeS, хорошо растворим в чугуне.

Восстановленное железо постепенно опускается вниз и, взаимодействуя с раскаленным коксом и оксидом углерода(II), образует карбид железа (цементит):

3Fe + С = Fe₃C;

3Fe+ 2СО = Fe₃C +СО₂.

При этом температура плавления навуглецьованого железа снижается до 1 200°С. Расплавленное железо растворяет в себе углерод, цементит, кремний, марганец, фосфор, серу и образует жидкий чугун.

Пустая порода, содержащаяся в руде, состоит в основном из кремнезема и других оксидов. Для ее удаления исходных материалов добавляют флюсы - чаще всего известняк СаСО₃. При высокой температуре известняк разлагается:

СаСО₃ = СаО + СО₂.

Оксид кальция взаимодействует с веществами пустой породы, образуя шлаки - главным образом силикаты и алюмосиликаты кальция.

Жидкие чугун и шлак стекают в горн, причем шлак, как более легкий, собирается над чугуном, защищая его от действия кислорода. Чугун и шлак выпускают через отверстия, расположенные на разных уровнях (см. рис. 14.1).

Газ, выходящий из домны, называют колошниковим, или доменным. Он содержит до 30 % оксида углерода(II), азот, оксид карбона(ИV) и используется для накаливания специальных сооружений - доменных повітронагрівників (кауперов), в которых подогревается до 600-800°С воздуха, подается в домну.