"Химия. Базовый уровень", Кузнецова Н.Е., Лёвкин А.Н., Шаталов М.А.
Чугун и сталь — сплавы железа с углеродом, из которых производят детали машин, конструкции и инструменты. Чугун получают из руды в доменной печи: угарный газ восстанавливает железо, а флюс помогает отделить пустую породу в виде шлака. Чтобы получить сталь, в расплаве уменьшают содержание углерода и примесей, часто продувая его кислородом. Поэтому состав сплава, а вместе с ним и свойства материала, можно целенаправленно менять.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Чугун — сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода обычно превышает 2%. Сплавом называют материал из нескольких элементов, причём свойства зависят от их соотношения. Чугун используют, когда важны твёрдость и способность расплава заполнять форму, но он хрупок и хуже подходит для деформирования.
Сталь — сплав железа с углеродом, содержащий менее 2% углерода. По сравнению с чугуном сталь обычно лучше поддаётся обработке и деформации. Её свойства определяются не только долей углерода, но и примесями и легирующими добавками — элементами, которые специально вводят для изменения свойств материала.
Доменный процесс — получение чугуна из железной руды в доменной печи при высокой температуре. Для восстановления оксидов железа нужен восстановитель — вещество, которое отнимает у них кислород; в домне эту роль выполняет угарный газ CO. Кокс обеспечивает процесс теплом и участвует в образовании CO, а флюс помогает удалить пустую породу.
Флюс — вещество, которое связывает пустую породу руды и продукты её взаимодействия в легкоплавкий шлак. Для железных руд часто используют известняк: при нагревании из него образуется оксид кальция. Флюс нужен, чтобы нежелательные минеральные примеси можно было отделить от жидкого металла.
В доменную печь загружают железную руду, кокс и флюс, а снизу подают горячий воздух. Материалы постепенно опускаются навстречу горячим газам, которые поднимаются вверх. Такое движение помогает нагревать загрузку и поддерживать условия для восстановления руды; в нижней части печи образуются расплавы чугуна и шлака.
Кокс важен не только как топливо: при его взаимодействии с кислородом воздуха образуется углекислый газ, который при высокой температуре реагирует с дополнительным углеродом кокса и превращается в CO. Угарный газ поднимается через слой руды и отнимает кислород у оксидов железа. Например, реакция Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ показывает, как из оксида получается железо, а CO превращается в углекислый газ.
В руде есть пустая порода, в том числе диоксид кремния SiO₂, который сам по себе не превращается в железо. Поэтому в домну добавляют известняк CaCO₃: при нагревании он разлагается на оксид кальция и углекислый газ. Оксид кальция связывает SiO₂ по реакции CaO + SiO₂ → CaSiO₃, а полученный шлак плавится и отделяется от чугуна.
Расплавленный чугун накапливается в нижней части печи и содержит углерод и другие примеси. Из-за высокого содержания углерода он твёрдый, но хрупкий, поэтому для многих изделий его состав нужно изменить. При получении стали из расплава удаляют избыток углерода и часть примесей, а затем при необходимости вводят добавки.
В кислородном конвертере через жидкий чугун продувают кислород. Он окисляет углерод и некоторые примеси, а выделяющееся при этих реакциях тепло поддерживает высокую температуру расплава. После изменения состава добавляют необходимые элементы, чтобы получить сталь с заданными свойствами; часть шлака при этом отделяется от металла.
Таблица сопоставляет два последовательных этапа: выплавку чугуна и его переработку в сталь. Сравнивая столбцы, проследите, как меняются сырьё, происходящие процессы и конечный продукт. Так легче увидеть, почему получение стали требует отдельной обработки чугуна.
| Этап | Основное сырьё | Что происходит | Продукт |
|---|---|---|---|
| Доменное производство чугуна | Руда, кокс, флюс, горячий воздух | Восстановление оксидов железа, удаление пустой породы в шлак | Чугун и шлак |
| Кислородно-конвертерное производство стали | Жидкий чугун, стальной лом, кислород, добавки | Окисление избытка углерода и примесей, корректировка состава | Сталь и шлак |
Запишите уравнение восстановления оксида железа(III) угарным газом в доменной печи и расставьте коэффициенты. Продукт восстановления — железо, а угарный газ, присоединив кислород, превращается в углекислый газ. Коэффициенты должны обеспечить одинаковое число атомов каждого элемента слева и справа.
Уравнение реакции: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Проверка состава атомов позволяет убедиться, что коэффициенты подобраны верно. Ответ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.
Для получения чугуна использовали 160 кг Fe₂O₃; требуется найти теоретическую массу железа при полном восстановлении. Слово «теоретическая» означает, что учитываем только стехиометрию уравнения и предполагаем отсутствие потерь. Из уравнения Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ следует, что один моль оксида даёт два моля железа.
Можно рассуждать и через количество вещества: 160 кг Fe₂O₃ соответствуют 1 кмолю, а коэффициенты показывают образование 2 кмолей железа. Их масса равна 2 · 56 = 112 кг. Ответ: теоретически можно получить 112 кг железа.
В 500 кг чугуна массовая доля углерода составляет 4%; нужно найти, сколько углерода удалить, чтобы получить сталь с долей углерода 1%. Считаем, как указано в условии, что масса железа при обработке не меняется. Массу конечного углерода нельзя сразу считать как 1% от исходных 500 кг: после удаления углерода общая масса сплава станет меньше.
Проверка: доля оставшегося углерода составляет примерно 4,85 / 484,85 ≈ 0,01, то есть 1%. Ответ: нужно удалить около 15,15 кг углерода.
Считать кокс только топливом — неполное объяснение его роли. Эту ошибку допускают, потому что заметнее всего выделение тепла, однако из кокса также образуется CO, восстанавливающий оксиды железа. Проверка: назовите отдельно, за счёт чего печь нагревается и какое вещество переносит кислород от руды.
Путать флюс и восстановитель — значит приписывать им одну и ту же работу. Такое смешение возникает потому, что оба вещества участвуют в доменном процессе, но флюс связывает пустую породу, а восстановитель отнимает кислород у оксида железа. Проверка: флюс помогает получить шлак, а CO — железо; если роли не совпадают, ответ нужно исправить.
Считать шлак расплавленной рудой или металлом неверно: это продукт взаимодействия пустой породы с флюсом. Ошибка возникает из-за того, что шлак, как и чугун, находится в расплавленном состоянии и образуется в одной печи. Проверка: выясните, содержит ли описываемый продукт железо как металл или возник из минеральных примесей и флюса.
Полагать, что достаточно просто охладить чугун, чтобы получить сталь, — значит не учитывать различие состава сплавов. Такое предположение кажется правдоподобным, поскольку оба материала содержат железо, но охлаждение само по себе не удаляет избыток углерода. Проверка: в описании получения стали должны быть действия, изменяющие содержание углерода и примесей.
Для понимания производства чугуна нужны знания о сплавах и их свойствах, а также о металлических оксидах и восстановлении. Умение расставлять коэффициенты помогает читать уравнения процессов в доменной печи. Особенно важно следить за сохранением числа атомов при переходе от схемы реакции к уравнению.
Восстановление оксидов железа — пример общего способа получения металлов из руд. Подобные реакции изучают в теме металлургии и применяют для объяснения промышленных процессов. Понимание роли восстановителя помогает сравнивать разные способы извлечения металлов.
Чугун и сталь связывают тему сплавов с практическими свойствами материалов. Изменение доли углерода влияет на твёрдость, хрупкость и способность материала к обработке. Поэтому состав сплава выбирают с учётом того, для какого изделия он предназначен.
Почему для восстановления руды в доменной печи используют угарный газ?
Угарный газ CO легко связывает кислород из оксидов железа, превращая их в железо, а сам окисляется до CO₂. Он образуется в печи при взаимодействии кокса с кислородом.
Зачем в доменную печь добавляют известняк?
При нагревании известняк разлагается и образует оксид кальция. Он связывает пустую породу, например SiO₂, в шлак, который можно отделить от чугуна.
Чем чугун отличается от стали по содержанию углерода?
В чугуне массовая доля углерода обычно превышает 2%, а в стали она меньше 2%. Из-за большего содержания углерода чугун, как правило, твёрдый и хрупкий.
Почему при производстве стали продувают расплав кислородом?
Кислород окисляет избыточный углерод и часть примесей в чугуне. Так состав расплава приближают к составу стали, а выделяющееся при окислении тепло поддерживает высокую температуру.
Для чего при выплавке стали добавляют стальной лом и легирующие элементы?
Стальной лом участвует в получении нужного объёма расплава и помогает регулировать его температуру. Легирующие элементы вводят, чтобы придать стали требуемые свойства, например прочность или устойчивость к коррозии.
Производство чугуна и стали. (Дополнительный материал к главе 6)
