§ 44. Химико-технологические принципы промышленного получения металлов. Производство чугуна

Определения и обозначения

Металлургия — отрасль промышленности и область науки, изучающая способы получения металлов из руд и их дальнейшую обработку. Она охватывает не только извлечение металла, но и получение материалов с нужными свойствами. Благодаря металлургии сырьё превращают в металлы и сплавы, пригодные для производства изделий.

Флюс — вещество, которое связывает пустую породу руды и продукты её взаимодействия, образуя шлак. В доменном процессе таким флюсом служит, например, известняк: при нагревании он превращается в оксид кальция. Флюс нужен, чтобы примеси можно было перевести в отдельную расплавленную фазу.

Шлак — расплавленная смесь продуктов взаимодействия флюса с пустой породой; он отделяется от чугуна. Он содержит не нужные в металле примеси, поэтому его удаление помогает отделить их от железосодержащего расплава. Флюс загружают в печь, а шлак получают уже в ходе процесса — это разные вещества и понятия.

Доменная печь — высокая шахтная печь непрерывного действия, в которой из железорудного сырья получают чугун. Сырьё и кокс загружают сверху, а нагретый воздух подают снизу. Такое устройство позволяет материалам постепенно опускаться, пока горячие газы движутся им навстречу.

Как это устроено

Промышленное получение металла включает подготовку сырья, извлечение металла из соединений и, если требуется, очистку полученного продукта. Единого способа для всех металлов нет: свойства металла определяют, насколько легко его соединения восстановить, а состав руды — какие примеси придётся удалять. Поэтому технологический процесс подбирают под конкретное сырьё и требуемое качество металла.

Перед плавкой руду при необходимости дробят и обогащают. Дробление облегчает отделение полезного минерала от окружающей породы, а обогащение увеличивает содержание соединений нужного металла. В результате в печь поступает меньше пустой породы, которую иначе пришлось бы нагревать и удалять вместе с продуктами процесса.

В домну загружают железорудное сырьё, кокс и флюс, а снизу подают нагретый воздух. Твёрдые материалы под действием силы тяжести опускаются, тогда как горячие газы поднимаются вверх, поэтому они движутся навстречу друг другу. Такое противоточное движение передаёт тепло сырью и создаёт условия для последовательных химических реакций в разных частях печи.

Кокс служит топливом и источником восстановителя. При его горении образуется углекислый газ, а при высокой температуре тот реагирует с дополнительным коксом: CO₂ + C → 2CO. Образовавшийся угарный газ поднимается через шихту и вступает в реакцию с оксидами железа, поэтому кокс нужен не только для нагрева домны.

Угарный газ восстанавливает оксиды железа, связывая их кислород и превращаясь при этом в углекислый газ. Одновременно известняк при нагревании разлагается с образованием оксида кальция, который связывает пустую породу. Получившийся шлак расплавляется и отделяется от чугуна, что позволяет удалить примеси из печи.

Сырьё доменного процесса и его назначение

Чтобы пользоваться таблицей, сначала найдите материал, а затем проследите, какое превращение с ним происходит и какую задачу оно решает. Например, кокс одновременно даёт тепло и участвует в появлении восстановителя. Железорудное сырьё поставляет железо, а известняк помогает удалить пустую породу.

Разбор задач

Задача 1. Укажите назначение железорудного сырья, кокса и известняка при выплавке чугуна. Здесь важно не смешивать функции материалов: один содержит извлекаемый металл, другой обеспечивает условия восстановления, а третий помогает удалить примеси. Ответ можно составить, сопоставив каждый материал с его превращением в домне.

1. Железорудное сырьё содержит оксиды железа, которые восстанавливаются до железа.
2. Кокс сгорает с выделением тепла и участвует в образовании угарного газа — восстановителя.
3. Известняк при нагревании даёт оксид кальция, связывающий пустую породу в шлак.

Ответ: железорудное сырьё — источник железа, кокс — источник тепла и восстановителя, известняк — флюс.

Задача 2. Составьте уравнения восстановления оксида железа(III) угарным газом до железа и образования угарного газа из углекислого газа и кокса. Сначала определяем исходные вещества и продукты, затем подбираем коэффициенты по числу атомов каждого элемента. В первой реакции кислород переходит от оксида железа к CO, а во второй CO₂ взаимодействует с углеродом кокса.

1. Записываем схему восстановления: Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂.
2. Балансируем железо и кислород: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.
3. Для образования угарного газа уравниваем углерод и кислород: CO₂ + C → 2CO.

Ответ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂; CO₂ + C → 2CO. В первой реакции восстановителем является CO, поскольку он отдаёт кислород оксиду железа и сам окисляется до CO₂.

Задача 3. Из 160 кг оксида железа(III) теоретически получают железо; восстановление прошло полностью. Требуется найти массу железа, поэтому сначала используем уравнение реакции и молярные массы. По уравнению из 1 моль Fe₂O₃ образуются 2 моль Fe, а значит, из 160 г Fe₂O₃ получается 112 г железа.

1. Уравнение: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.
2. Вычисляем массовое соотношение: M(Fe₂O₃) = 160 г/моль; масса двух молей Fe равна 2 × 56 = 112 г.
3. Доля железа в исходном оксиде по стехиометрии равна 112/160 = 0,7.
4. Находим массу: 160 кг × 0,7 = 112 кг.

Ответ: теоретически можно получить 112 кг железа. Такой расчёт предполагает полное восстановление и не учитывает потери при реальном производстве.

Типичные ошибки

Ошибка: считать кокс только топливом. Так думают, потому что заметная функция кокса — горение и выделение тепла, но кокс также реагирует с CO₂ с образованием CO. Проверьте себя по цепочке реакций: если в ней не появляется угарный газ, роль кокса учтена не полностью.

Ошибка: путать флюс и шлак. Флюс вводят в печь, а шлак возникает после его взаимодействия с пустой породой; путаница появляется из-за связи этих понятий с удалением примесей. Проверка простая: флюс — исходный материал, шлак — продукт процесса.

Ошибка: утверждать, что железо восстанавливается углекислым газом. Обычно это происходит потому, что CO₂ и CO имеют похожие названия, хотя их свойства и роли различаются. Проверьте уравнение: восстановителем оксидов железа служит CO, а не CO₂.

Ошибка: считать чугун чистым железом. В доменном процессе получают материал с углеродом и другими примесями, но его название может создать впечатление, что это просто металл. Чтобы проверить ответ, вспомните, что чугун — сплав, состав которого влияет на свойства.

Связь с другими темами

Для понимания доменного процесса нужны понятия «оксид», «окисление» и «восстановление», а также умение составлять уравнения окислительно-восстановительных реакций. По этим знаниям можно определить, какое вещество отдаёт кислород, а какое его принимает. Далее тема связана со сплавами: состав и свойства чугуна помогают сравнить его со сталью и понять, почему оба материала применяются по-разному. Те же общие принципы подготовки сырья и восстановления используют при получении других металлов из руд.

Что запомнить

• Промышленный способ получения металла выбирают с учётом свойств металла и состава сырья.
• Перед извлечением металла руду часто обогащают.
• Чугун получают в доменной печи из железорудного сырья.
• Кокс обеспечивает доменный процесс теплом и участвует в образовании восстановителя.
• Угарный газ восстанавливает оксиды железа.
• Флюс связывает пустую породу, образуя шлак.
• Чугун — сплав железа с углеродом и другими примесями.