Химические реакции, лежащие в основе производства чугуна и стали
Получение железа из руд (главными из которых являются магнитный железняк Fe3O4, красный железняк Fe2O3 и бурый железняк Fe2O3∙H2O) основано на восстановлении его из оксидов с помощью угля или CO. При этом получается не чистое железо, а сплав с углеродом и другими примесями (Si, Mn, S, P). Этот сплав называется чугуном. Выплавка чугуна производится в специальных печах, называемых домнами (рис. 23). Домны загружаются коксом, рудой, флюсом (чаще всего CaCO3), которые располагаются в ней чередующимися слоями. Снизу домны через специальные отверстия в нее поступает горячий воздух, обогащенный кислородом. Часть кокса в результате этого сгорает с выделением большого количества теплоты:
C + O2 = CO2
Нагретый до высокой температуры СO2 поднимается в верхние слои и взаимодействует с раскаленным коксом, превращаясь в оксид углерода (II):
CO2 + C 2CO
Рис. 23. Схема химических реакций, протекающих в различных частях доменной печи
Оксид углерода (II) постепенно восстанавливает оксиды железа:
3Fe2O3 + CO 2Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO 3FeO + CO2
FeO + CO Fe + CO2
Наряду с СО при высоких температурах в процессе восстановления принимает участие и углерод:
FeO + C = Fe + CO
Одновременно с восстановлением железа частично восстанавливаются Si, Mn, P из их соединений, содержащихся руде в виде примесей:
SiO2 + 2C Si + 2CO MnO + C Mn + CO
SiO2 + 2CO Si + 2CO2 MnO + CO Mn + CO2
Ca3(PO4)2 + 5C 2P + 3CaO + 5CO
Восстановленное железо вместе с примесями постепенно опускается вниз домны и образует жидкий сплав вместе с С, Si, Mn, P и другими восстановленными примесями. Следует отметить, что температура плавления железа, содержащего эти примеси, на несколько сот градусов ниже температуры плавления чистого железа.
Пустая порода, содержащаяся в руде, состоит, главным образом, из SiO2 и алюмосиликатов. Эти вещества обычно тугоплавкие, чтобы перевести их в легкоплавкие соединения, в домну добавляют флюс (СаСО3), который разлагается:
CaCO3 CaO + CO2↑
Образующийся СаО образует с SiO2 и алюмосиликатами легкоплавкие шлаки:
CaO + SiO2 CaSiO3
Жидкие чугун и шлак накапливаются внизу домны, причем шлак, как более легкий, собирается вверху, предохраняя чугун от действия кислорода и не давая окисляться железу.
Выплавленный в домне чугун содержит до 93% железа, до 4,5% углерода, и 0,5-2% кремния, до 3% марганца и другие примеси (P, S). Все эти примеси (особенно углерод) придают чугуну хрупкость, в результате чего он не поддается ковке или прокату.
Различают 2 вида чугуна: серый и белый. В сером чугуне Fе и С при охлаждении расплава кристаллизуются в разных кристаллических решетках. Серый чугун содержит мельчайшие кристаллики графита. В белом чугуне Fe и С кристаллизуются из расплава в одной кристаллической решетке, образуя совместное соединение: цементит (Fe3C).
Значительная часть чугуна в дальнейшем используется для получения стали.
Сталь также представляет собой сплав Fe с углеродом, но, в отличие от чугуна, содержание углерода в стали не превышает 1,5%. Значительно меньше содержится в стали и других примесей (Si, Mn, S, P).
Удаление примесей из чугуна производится при высоких температурах в присутствии О2, который их легко окисляет:
С + O2 CO2; Si + O2 SiO2; S + O2 SO2
4P + 5O2 2P2O5; 2Mn + O2 = 2MnO
При этом незначительно окисляется и железо:
2Fe + O2 = 2FeO
Эти реакции протекают в расплавленном чугуне. Легколетучие соединения (CO2, SO2) удаляются в виде газов, а другие - в виде легкоплавких шлаков (для чего в расплавленный чугун добавляют СаСО3 или известь Са(ОН)2):
SiO2 + MnO MnSiO3
SiO2 + FeO FeSiO3
SiO2 + CaO CaSiO3
P2O5 + 4CaO Ca3(PO4)2∙CaO
Расплавленные шлаки собираются сверху над жидкой сталью и затем удаляются. Сталь, в отличие от чугуна, легко поддается ковке и прокату. Для улучшения эксплуатационных характеристик стали при ее получении в расплав добавляют специальные легирующие добавки других металлов (Сo, Ni, V, Cr, W и др.), которые придают стали определенные свойства. Сплавы железа имеют исключительно большое значение в народном хозяйстве.
М А Р Г А Н Е Ц