§ 37. Производство чугуна и стали

Определения и обозначения

Доменная печь — устройство непрерывного действия, в котором из железной руды получают чугун. Непрерывность означает, что сырьё загружают сверху, а продукты выпускают через специальные отверстия по мере работы печи. В ней создаются высокая температура и условия для восстановления железа.

Шихта — смесь железной руды, кокса и известняка, загружаемая в доменную печь. Это не случайный набор материалов: каждый компонент выполняет отдельную задачу в процессе. Без правильного состава шихты нельзя эффективно получить железо и отделить примеси.

Чугун — сплав железа с углеродом и примесями, содержащий более 2% углерода. Сплавом называют материал, состоящий из нескольких элементов, причём его свойства зависят от их соотношения. Чугун — промежуточный продукт, который используют и для литья, и как сырьё для производства стали.

Сталь — сплав железа с углеродом, содержащий менее 2% углерода и обычно отличающийся меньшим количеством примесей. По сравнению с чугуном её состав лучше подходит для получения материалов с нужными механическими свойствами. Поэтому сталь широко применяют в конструкциях и изделиях, где важны прочность и обрабатываемость.

Как это устроено

Для доменного производства нужна железная руда, потому что именно в ней содержатся оксиды, из которых получают металл. Кокс при сгорании выделяет тепло, необходимое для нагрева шихты, и участвует в образовании восстановителя. Известняк добавляют не для получения железа, а для удаления пустой породы — минеральных примесей, которые не должны оставаться в металле.

В нижнюю часть печи подают горячий воздух, поэтому углерод кокса сгорает: C + O₂ → CO₂. При высокой температуре углекислый газ реагирует с раскалённым углеродом кокса, образуя оксид углерода(II): CO₂ + C → 2CO. Этот газ поднимается сквозь шихту и отнимает кислород у оксидов железа. Например, уравнение восстановления Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ показывает, что из оксида получается железо, а CO превращается в CO₂.

Известняк при нагревании разлагается: CaCO₃ → CaO + CO₂. Образовавшийся оксид кальция называют флюсом — веществом, которое помогает связывать пустую породу. Он реагирует с некоторыми примесями руды и образует шлак, обычно состоящий из легкоплавких соединений. Благодаря флюсу примеси можно отделить от металла, а не оставлять в чугуне.

Восстановленное железо при высокой температуре плавится и стекает вниз печи. По пути оно растворяет часть углерода из кокса, поэтому получается не чистое железо, а жидкий чугун с высоким содержанием углерода. Жидкий шлак тоже опускается в нижнюю часть печи, но не смешивается с чугуном и располагается над ним благодаря меньшей плотности. Чугун и шлак выпускают отдельно.

Чтобы получить сталь, необходимо уменьшить содержание углерода и удалить часть нежелательных примесей. Для этого через расплав в кислородном конвертере продувают кислород, а в электропечи используют нагрев электрической дугой и окислительные процессы. Углерод и примеси окисляются, образуя газообразные или переходящие в шлак соединения. Состав металла контролируют, чтобы получить сталь с требуемыми свойствами.

Сравнение производства чугуна и стали

Сравнивайте строки по одному признаку: так проще увидеть, что производство стали начинается с уже полученного металла и направлено на изменение его состава. Таблица показывает общий результат процессов, но не заменяет понимание химических реакций. Например, шлак появляется на обоих этапах, однако его образование связано с удалением примесей.

Разбор задач

Состав шихты и функции компонентов

Задача. Определить, какие вещества входят в состав шихты доменной печи и какую функцию выполняет каждое из них. Начать следует с перечисления компонентов, а затем связать каждый компонент с его ролью. Это поможет не смешивать источник железа, топлива и флюс.

1. Железная руда содержит оксиды железа, поэтому является источником металла.
2. Кокс сгорает и выделяет тепло, а также участвует в образовании CO — восстановителя оксидов железа.
3. Известняк при нагревании превращается в CaO, который связывает пустую породу в шлак.

Ответ: шихта состоит главным образом из железной руды, кокса и известняка. Руда даёт железо, кокс обеспечивает тепло и восстановитель, известняк помогает удалить пустую породу. Проверка: у каждого компонента должна быть своя отдельная функция.

Уравнение восстановления оксида железа(III)

Задача. Записать уравнение реакции Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂. Сначала определим, какие элементы меняют степень окисления, затем уравняем число атомов. Оксид углерода(II) отдаёт кислород оксиду железа и становится углекислым газом.

1. В Fe₂O₃ железо имеет степень окисления +3, а в простом веществе Fe — 0: железо восстанавливается.
2. В CO углерод имеет степень окисления +2, а в CO₂ — +4: углерод окисляется. Два атома Fe₂O₃ дают 2 атома железа, а три молекулы CO принимают три атома кислорода.
3. Записываем и проверяем уравнение: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Слева и справа по 2 атома Fe, 3 атома C и 6 атомов O.

Ответ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Проверка числа атомов подтверждает, что уравнение составлено правильно. Здесь восстановитель CO окисляется, а железо из оксида восстанавливается.

Масса железа в руде

Задача. Найти массу железа, получаемого из заданной массы руды, если известна массовая доля Fe₂O₃ и выход процесса. Числовые значения в условии не приведены, поэтому запишем универсальный порядок расчёта. Он позволяет подставить данные конкретной задачи без пропуска этапов.

1. Находим массу оксида в руде: m(Fe₂O₃) = m(руды) · ω(Fe₂O₃), где ω записана десятичной дробью.
2. По уравнению Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ из 1 моль Fe₂O₃ получается 2 моль Fe. Отношение масс равно 2 · 56 / 160 = 0,70, поэтому теоретически m(Fe) = 0,70 · m(Fe₂O₃).
3. Учитываем выход: m(Fe)факт = 0,70 · m(руды) · ω(Fe₂O₃) · η, где η — выход в долях единицы. Если выход дан в процентах, его сначала делят на 100.

Ответ: масса железа равна 0,70 · m(руды) · ω(Fe₂O₃) · η. Сначала учитывается доля оксида в руде, затем соотношение веществ по уравнению и, наконец, неполный выход. Для проверки результат не должен превышать массу самого железосодержащего сырья.

Типичные ошибки

Ошибка: считать кокс только топливом. Так думают, потому что заметнее всего его горение и выделение тепла, но углерод кокса также участвует в образовании CO. Проверьте себя: можете ли вы записать цепочку CO₂ + C → 2CO и объяснить роль полученного газа?

Ошибка: путать восстановление оксидов железа с плавлением руды. Плавление меняет агрегатное состояние вещества, а восстановление меняет его химический состав и превращает соединение железа в металл. Чтобы проверить себя, найдите в уравнении реакции исходный оксид и образовавшееся простое вещество Fe.

Ошибка: называть шлак просто отходом, не указывая его назначения. Это происходит, если замечать только то, что шлак не является металлом, и упускать его участие в удалении примесей. Проверьте объяснение: в нём должно быть сказано, что шлак образуется при связывании пустой породы флюсом и отделяется от чугуна.

Ошибка: считать чугун и сталь одним материалом. Оба сплава состоят главным образом из железа, поэтому их легко смешать, если не учитывать состав. Проверка проста: у чугуна углерода более 2%, у стали — менее 2%; при выплавке стали избыток углерода и часть примесей удаляют.

Связь с другими темами

Для понимания доменного процесса нужны знания о строении атома железа, его степенях окисления, свойствах оксидов и составлении окислительно-восстановительных уравнений. Тема связана с горением углерода, тепловым эффектом реакций и условиями проведения промышленных процессов. Далее эти знания помогают разбираться в сплавах, коррозии и способах получения металлов. Металлургия также связана с экологическими проблемами, поскольку производство требует энергии и сопровождается выбросами.

Что запомнить

• Чугун получают восстановлением железа из руды в доменной печи.
• Шихта состоит главным образом из железной руды, кокса и известняка.
• Кокс служит топливом и источником восстановителя.
• Известняк образует флюс, который связывает пустую породу в шлак.
• Чугун содержит более 2% углерода, сталь — менее 2%.
• Сталь получают из чугуна удалением избытка углерода и примесей.
• Основные сталеплавильные агрегаты — кислородный конвертер и электропечь.