Урок 21. Производство чугуна и стали. Доменный процесс

Химия. Онлайн учебник → Производство чугуна и стали. Доменный процесс

www.amk.lg.ua

Чугун - сплав железа, в котором w(C) от 2 до 4,8%, а w(S, P, Si и т.д.) < 8%. Процесс производства чугуна основывается на восстановлении соединений Железа, содержащегося в рудах, до металла:

Fe(+3) + 3e → Fe(0)

Fe(+2) + 2e → Fe(0)

Стадии доменного процесса

1. Горение кокса и создание оксида карбона (II):

C + O₂ (t) = CO₂

C + O₂ (t) = 2CO

2. Восстановление оксидов Железа оксидом карбона (II) и коксом:

Кокс восстанавливает еще и примеси в руде - соединения Марганца, Кремния, Фосфора:

MnO + C (t) = Mn + CO

SiO₂ + 2C (t) = Si + 2CO

Ca₃(PO₄)₂ + 5C (t) = 2P + 3CaO + 5CO

Mn, Si, P растворяются в железе, а неметаллы еще и вступают с ним в реакцию с созданием Fe₃Si, Fe₃P.

Примеси соединений Сульфура окисляются кислородом до серного газа, а также превращаются на сульфиды CaS и FeS.

3. Реакции с участием флюсов. Флюсы - природные карбонаты (CaCO₃, MgCO₃):

CaCO₃ (t) = CaO + CO₂

CaO + SiO₂ (t) = CaSiO₃

MgCO₃ + SiO₂ (t) = MgSiO₃ + CO₂

Шлак - CaSiO₃, MgSiO₃, некоторые сульфиды (CaS, FeS). Кроме чугуна и шлака, из доменной печи выходит доменный газ - смесь CO, CO₂, N₂.

Производство стали

Сталь - сплав железа, где  w(C) < 2%, а P и S содержится очень мало. 

1. Конвертерный процесс. Используют железный металлолом, руду, известь, чугун. Основные химические реакции:

2C + O₂ (t) = 2CO

Si + O₂ (t) = SiO₂

2Fe + O₂ (t) = 2FeO

2FeO + Si (t) = 2Fe + SiO₂

FeO + Fe₃C (t) = 4Fe + CO

2. В мартеновской печи. Основные компоненты: чугун, обогащенная руда, металлолом, в котором присутствует немало ржавчины, используют природный газ в качестве топлива, добавляют флюсы - известь или глину. Шлаки содержат до 3% P.

Fe₃PO₄ + 4C (t) = 3Fe + 4CO

2Fe₂O₃ + 3FeS (t) = 7Fe + 3SO₂

3. Производство в электропечах. При помощи электрического тока в них создается t > 2000 °C, что позволяет добывать металл с очень маленьким содержанием S и P.

Легированные примеси - Mn, Cr, Ni, W - улучшают свойства стали, дают ей стойкость к коррозии. Коррозия - процесс разрушения металлов в результате их химического взаимодействия с веществами окружающей среды.

Коррозия металла чаще всего происходит с участием воды и водных растворов электролитов. Ее скорость зависит от активности металла, температуры, кислотности среды. Железо ржавеет, из-за контакта с H₂O на воздухе:

4Fe(0) + 3O₂(0) + 6H₂0 = 4Fe(+3)(OH)₃(-2)

Fe(0) - 3e → Fe(+3) | 4

O₂(0) + 4e → 2O(-2) | 3

Металлы защищают от коррозии, покрывая их красками, лаками, другими металлами, смазывая маслами. Широкое применение приобрела нержавеющая сталь.

Металлы (часть 1) (часть 2) (часть 3) (часть 4)

Автор: Гончаренко Л. И. (ula-books.com.ua)