§ 51. Производство чугу

Определения и обозначения

Чугун — сплав железа с углеродом, содержание которого обычно превышает 2 %, и другими примесями. В стали углерода меньше, поэтому чугун и сталь различаются составом и свойствами. Чугун получают как промежуточный продукт металлургии, который затем можно перерабатывать, например в сталь.

Доменная печь — шахтная печь непрерывного действия, где из железосодержащего сырья получают чугун. В её верхней части находятся устройства для загрузки, ниже расположена шахта, а в нижней части — горн, где накапливаются расплавы. В печь подают руду, кокс, флюс и горячий воздух.

Флюс — добавка, которая связывает пустую породу руды и некоторые примеси, образуя легкоплавкий шлак. Для выплавки чугуна часто используют известняк: при нагревании он даёт оксид кальция. Флюс нужен, чтобы ненужные компоненты можно было удалить из печи вместе со шлаком.

Шлак — расплав продуктов взаимодействия флюса с пустой породой. Он обычно менее плотный, чем жидкий чугун, поэтому располагается над ним и может быть выпущен отдельно. Такое разделение очищает металл от части нежелательных компонентов.

Как это устроено

Для доменной плавки нужны руда, кокс и флюс, потому что у каждого компонента своя задача. Руда содержит соединения железа, из которых предстоит получить металл. Кокс обеспечивает высокую температуру и участвует в образовании восстановителя, а флюс связывает пустую породу, чтобы её можно было удалить. Без любого из этих компонентов процесс либо не даст железа, либо не сможет нормально отделить примеси.

Горячий воздух поступает в нижнюю часть печи и поддерживает горение кокса. В результате выделяется тепло, а углерод кокса при взаимодействии с кислородом образует углекислый газ; при высокой температуре тот реагирует с углеродом и превращается в оксид углерода CO. Именно CO поднимается сквозь слои шихты и восстанавливает оксиды железа. Например, Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.

Доменная печь устроена так, чтобы сырьё постепенно проходило через зоны с разной температурой и составом газов. Внизу, куда подан воздух, кокс горит и создаёт жар; выше оксиды железа контактируют с CO и восстанавливаются. По мере опускания железо нагревается, насыщается углеродом и плавится. Такое распределение превращений позволяет непрерывно подавать новую шихту сверху и получать расплав в горне.

Известняк нужен для связывания пустой породы, часто содержащей диоксид кремния. При нагревании карбонат кальция разлагается: CaCO₃ → CaO + CO₂. Образовавшийся оксид кальция реагирует с диоксидом кремния: CaO + SiO₂ → CaSiO₃. Силикат кальция входит в состав шлака, который легче отделить от расплавленного металла, чем твёрдую породу.

Расплавленные чугун и шлак собираются в нижней части печи, причём шлак располагается над более плотным чугуном. Их выпускают через разные отверстия, поэтому продукты можно отвести раздельно. Чугун поглощает углерод из кокса и может содержать другие примеси, перешедшие из сырья. Поэтому его состав не фиксирован: он зависит от сырья и условий плавки.

Сырьё и продукты доменной плавки

Используйте таблицу, чтобы различать исходные материалы и продукты доменной плавки. Особенно важно не смешивать флюс, который загружают в печь, и шлак, который образуется в ней. Роль кокса тоже двойная: он даёт тепло и помогает получить восстановитель.

Разбор задач

1. Восстановление оксида железа(III)

Условие. Запишите уравнение восстановления Fe₂O₃ оксидом углерода и определите, какое вещество восстанавливается. Сначала установите продукты: железо и CO₂. Затем уравняйте число атомов железа, кислорода и углерода. Изменение степеней окисления покажет, какое вещество восстановилось.

1. В схеме Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂ поставьте коэффициент 2 перед Fe.
2. Чтобы уравнять кислород и углерод, поставьте коэффициент 3 перед CO и CO₂.
3. Железо в Fe₂O₃ меняет степень окисления с +3 на 0, значит, Fe₂O₃ восстанавливается; CO при этом окисляется до CO₂.

Ответ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂; восстанавливается оксид железа(III), Fe₂O₃.

2. Разложение известняка и образование шлака

Условие. Запишите разложение известняка при нагревании и реакцию оксида кальция с SiO₂. Здесь важно показать процесс последовательно: сначала из CaCO₃ должен образоваться CaO, а уже затем он связывает пустую породу. Проверьте, что число атомов каждого элемента сохранено в обоих уравнениях.

1. При нагревании карбонат кальция разлагается на оксид кальция и углекислый газ: CaCO₃ → CaO + CO₂.
2. Оксид кальция взаимодействует с диоксидом кремния: CaO + SiO₂ → CaSiO₃.
3. Уравнения уже уравнены; CaSiO₃ входит в состав шлака.

Ответ: CaCO₃ → CaO + CO₂; CaO + SiO₂ → CaSiO₃.

3. Выход железа из руды

Условие. Из 1,00 т руды с 80,0 % Fe₂O₃ получили 500 кг чугуна с массовой долей железа 94,0 %. Найдите выход железа. Сравнивать нужно не массу всего чугуна с массой руды, а фактическую массу железа с теоретической массой железа из Fe₂O₃. По уравнению Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ из одного моля оксида получается два моля железа.

1. Масса Fe₂O₃ в руде: 1000 кг · 0,800 = 800 кг.
2. Молярные массы: M(Fe₂O₃) = 160 г/моль, масса железа в одном моле оксида — 112 г. Теоретическая масса железа: 800 · 112/160 = 560 кг.
3. Фактическая масса железа в чугуне: 500 · 0,940 = 470 кг.
4. Выход: 470/560 · 100 % ≈ 83,9 %.

Ответ: выход железа составляет примерно 83,9 %.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что кокс нужен только как топливо. Так думают, потому что его горение действительно выделяет тепло, но при этом углерод участвует в образовании CO. Проверьте себя: если в объяснении нет роли оксида углерода, функция кокса описана не полностью.

Неверно утверждать, что во всех зонах печи железо непосредственно восстанавливается углеродом. Это упрощение возникает, когда горение кокса смешивают с восстановлением руды; основным восстановителем оксидов железа служит CO. Чтобы проверить запись, проследите, какое вещество входит в уравнение реакции восстановления и что становится с кислородом оксида.

Не путайте флюс и шлак: это не два названия одного материала. Флюс загружают в печь, а шлак образуется при его взаимодействии с пустой породой и другими компонентами. Проверка простая: известняк — исходное сырьё, а CaSiO₃ и другие продукты относятся к составу шлака.

Чугун нельзя называть чистым железом или сплавом с неизменным составом. Ошибка появляется, если внимание сосредоточено только на извлечении железа из руды, а углерод и примеси не учитываются. Проверьте себя по определению: в чугуне есть углерод, обычно более 2 %, и его состав может меняться.

Связь с другими темами

Для понимания доменного процесса нужно знать формулы и свойства оксидов железа, CO, CaCO₃ и SiO₂. Эти вещества встречаются в уравнениях восстановления, разложения известняка и образования шлака. Также важно уметь расставлять коэффициенты, чтобы правильно выразить соотношения реагентов и продуктов.

Доменная плавка опирается на окислительно-восстановительные реакции. Оксиды железа восстанавливаются, а углерод и CO окисляются, причём CO переносит кислород от руды к газовым продуктам. Такое рассмотрение помогает понимать не только уравнения, но и роль каждого участника процесса.

Получение чугуна связано с последующей переработкой металлов. Чугун используют как исходный материал для получения стали, изменяя содержание углерода и примесей. Знание доменного процесса также помогает сравнивать способы промышленного получения металлов и оценивать, как разделяют полезный продукт и отходы.

Что запомнить

• Чугун получают из железорудного сырья в доменной печи.
• Кокс служит топливом и источником восстановителя.
• Оксид углерода восстанавливает оксиды железа до железа.
• Известняк при нагревании даёт оксид кальция.
• Оксид кальция связывает пустую породу в шлак.
• Расплавленный чугун отделяется от шлака и выпускается из печи.
• Чугун — железоуглеродный сплав с примесями, а не чистое железо.