Получение железа из железной руды производится в две стадии. Оно начинается с подготовки руды-измельчения и нагревания. Руду измельчают на куски диаметром не более 10 см. Затем измельченную руду прокаливают для удаления воды и летучих примесей.
На второй стадии железную руду восстанавливают до железа с помощью оксида углерода в доменной печи. Восстановление проводится при температурах порядка 700 °С:
Для повышения выхода железа этот процесс проводится в условиях избытка диоксида углерода СО 2 .
Моноксид углерода СО образуется в доменной печи из кокса и воздуха. Воздух сначала нагревают приблизительно до 600 °С и нагнетают в печь через особую трубу- фурму. Кокс сгорает в горячем сжатом воздухе, образуя диоксид углерода. Эта реакция экзотермична и вызывает повышение температуры выше 1700°С:
Диоксид углерода поднимается вверх в печи и реагирует с новыми порциями кокса, образуя моноксид углерода. Эта реакция эндотермична:
Железо, образующееся при восстановлении руды, загрязнено примесями песка и глинозема (см. выше). Для их удаления в печь добавляют известняк. При температурах, существующих в печи, известняк подвергается термическому разложению с образованием оксида кальция и диоксида углерода:
Оксид кальция соединяется с примесями, образуя шлак. Шлак содержит силикат кальция и алюминат кальция:
Железо плавится при 1540 °С. Расплавленное железо вместе с расплавленным шлаком стекают в нижнюю часть печи. Расплавленный шлак плавает на поверхности расплавленного железа. Периодически из печи выпускают на соответствующем уровне каждый из этих слоев.
Доменная печь работает круглосуточно, в непрерывном режиме. Сырьем для доменного процесса служат железная руда, кокс и известняк. Их постоянно загружают в печь через верхнюю часть. Железо выпускают из печи четыре раза в сутки, через равные промежутки времени. Оно выливается из печи огненным потоком при температуре порядка 1500°С. Доменные печи бывают разной величины и производительности (1000-3000 т в сутки). В США существуют некоторые печи новой конструкции с четырьмя выпускными отверстиями и непрерывным выпуском расплавленного железа. Такие печи имеют производительность до 10000 т в сутки.
Железо, выплавленное в доменной печи, разливают в песочные изложницы. Такое железо называется чугун. Содержание железа в чугуне составляет около 95%. Чугун представляет собой твердое, но хрупкое вещество с температурой плавления около 1200°С.
Литое железо получают, сплавляя смесь чугуна, металлолома и стали с коксом. Расплавленное железо разливают в формы и охлаждают.
Сварочное железо представляет собой наиболее чистую форму технического железа. Его получают, нагревая неочищенное железо с гематитом и известняком в плавильной печи. Это повышает чистоту железа приблизительно до 99,5%. Его температура плавления повышается до 1400 °С. Сварочное железо имеет большую прочность, ковкость и тягучесть. Однако для многих применений его заменяют низкоуглеродистой сталью (см. ниже).
Химические реакции при выплавке чугуна из железной руды
В основе производства чугуна лежит процесс восстановления железа из его окислов окисью углерода.
Известно, что окись углерода можно получить, действуя кислородом воздуха на раскалённый кокс. При этом сначала образуется двуокись углерода, которая при высокой температуре восстанавливается углеродом кокса в окись углерода:
Восстановление железа из окиси железа происходит постепенно. Сначала окись железа восстанавливается до закиси-окиси железа:
и, наконец, из закиси железа восстанавливается железо:
Скорость этих реакций растёт с повышением температуры, с увеличением в руде содержания железа и с уменьшением размеров кусков руды. Поэтому процесс ведут при высоких температурах, а руду предварительно обогащают, измельчают, и куски сортируют по крупности: в кусках одинаковой величины восстановление железа происходит за одно и то же время. Оптимальные размеры кусков руды и кокса от 4 до 8-10 см. Мелкую руду предварительно спекают (агломерируют) путём нагревания до высокой температуры. При этом из руды удаляется большая часть серы.
Железо восстанавливается окисью углерода практически полностью. Одновременно частично восстанавливаются кремний и марганец. Восстановленное железо образует сплав с углеродом кокса. кремнием, марганцем, и соединениями, серы и фосфора. Этот сплав-жидкий чугун. Температура плавления чугуна значительно ниже температуры плавления чистого железа.
Пустая порода и зола топлива также должны быть расплавлены. Для понижения температуры плавления в состав “плавильных” материалов вводят, кроме руды и кокса, флюсы (плавни) - большей частью известняк СаСО 3 и доломит CaCO 3× МgСО 3 . Продукты разложения флюсов при нагревании образуют с веществами, входящими в состав пустой породы и золы кокса, соединения с более низкими температурами плавления, преимущественно силикаты и алюмосиликаты кальция и магния, например, 2CaO×Al 2 O 3× SiO 2 , 2CaO×Mg0×2Si0 2 .
Химический состав сырья, поступающего на переработку, иногда колеблется в широких пределах. Чтобы вести процесс при постоянных и наилучших условиях, сырьё “усредняют” по химическому составу, т. е. смешивают руды различного химического состава в определённых весовых отношениях и получают смеси постоянного состава. Мелкие руды спекают вместе с флюсами, получая “офлюсованный агломерат”. Применение офлюсованного агломерата даёт возможность значительно ускорить процесс.
Производство стали
Стали подразделяются на два типа. Углеродистые стали содержат до 1,5% углерода. Легированные стали содержат не только небольшие количества углерода, но также специально вводимые примеси (добавки) других металлов. Ниже подробно рассматриваются различные типы сталей, их свойства и применения.
Кислородно-конвертерный процесс. В последние десятилетия производство стали революционизировалось в результате разработки кислородно-конвертерного процесса (известного также под названием процесса Линца-Донавица). Этот процесс начал применяться в 1953 г. на сталеплавильных заводах в двух австрийских металлургических центрах-Линце и Донавице.
В кислородно-конвертерном процессе используется кислородный конвертер с основной футеровкой (кладкой). Конвертер загружают в наклонном положении расплавленным чугуном из плавильной печи и металлоломом, затем возвращают в вертикальное положение. После этого в конвертер сверху вводят медную трубку с водяным охлаждением и через нее направляют на поверхность расплавленного железа струю кислорода с примесью порошкообразной извести (СаО). Эта “кислородная продувка”, которая длится 20 мин, приводит к интенсивному окислению примесей железа, причем содержимое конвертера сохраняет жидкое состояние благодаря выделению энергии при реакции окисления. Образующиеся оксиды соединяются с известью и превращаются в шлак. Затем медную трубку выдвигают и конвертер наклоняют, чтобы слить из него шлак. После повторной продувки расплавленную сталь выливают из конвертера (в наклонном положении) в ковш.
Кислородно-конвертерный процесс используется главным образом для получения углеродистых сталей. Он характеризуется большой производительностью. За 40-45 мин в одном конвертере может быть получено 300-350 т стали.
В настоящее время всю сталь в Великобритании и большую часть стали во всем мире получают с помощью этого процесса.
Электросталеплавильный процесс. Электрические печи используют главным образом для превращения стального и чугунного металлолома в высококачественные легированные стали, например в нержавеющую сталь. Электропечь представляет собой круглый глубокий резервуар, выложенный огнеупорным кирпичом. Через открытую крышку печь загружают металлоломом, затем крышку закрывают и через имеющиеся в ней отверстия опускают в печь электроды, пока они не придут в соприкосновение с металлоломом. После этого включают ток. Между электродами возникает дуга, в которой развивается температура выше 3000 °С. При такой температуре металл плавится и образуется новая сталь. Каждая загрузка печи позволяет получить 25-50 т стали.
Сталь получается из чугуна при удалении из него большей части углерода, кремния, марганца, фосфора и серы. Для этого чугун подвергают окислительной плавке. Продукты окисления выделяются в газообразном состоянии и в виде шлака.
Так как концентрация железа в чугуне значительно выше, чем других веществ, то сначала интенсивно окисляется железо. Часть железа переходит в закись железа:
Реакция идёт с выделением тепла.
Закись железа, перемешиваясь с расплавом, окисляет кремний марганец и углерод:
Si+2FeO=SiO 2 +2Fe
Первые две реакции экзотермичны. Особенно много тепла выделяется при окислении кремния.
Фосфор окисляется в фосфорный ангидрид, который образует с окислами металлов соединения, растворимые в шлаке. Но содержание серы снижается незначительно, и поэтому важно чтобы в исходных материалах было мало серы.
После завершения окислительных реакций в жидком сплаве содержится ещё закись железа, от которой его необходимо освободить. Кроме того, необходимо довести до установленных норм содержание в стали углерода, кремния и марганца. Поэтому к концу плавки добавляют восстановители, например ферромарганец (сплав железа с марганцем) и другие так называемые “раскислители”. Марганец реагирует с закисью железа и “сраскисляет” сталь:
Мп+FеО=МnО+Fe
Передел чугуна в сталь осуществляется в настоящее время различными способами. Более старым, применённым впервые в середине XIX в. является способ Бессемера.
Способ Бессемера . По этому способу передел чугуна в сталь проводится путём продувания воздуха через расплавленный горячий чугун. Процесс протекает без затраты топлива за счёт тепла, выделяющегося при экзотермических реакциях окисления кремния, марганца и других элементов.
Процесс проводится в аппарате, который называется по фамилии изобретателя конвертером Бессемера . Он представляет собой грушевидный стальной сосуд, футерованный внутри огнеупорным материалом. В дне конвертера имеются отверстия, через которые подаётся в аппарат воздух. Аппарат работает периодически. Повернув аппарат в горизонтальное положение, заливают чугун и подают воздух. Затем поворачивают аппарат в вертикальное положение. В начале процесса окисляются железо, кремний и марганец, затем углерод. Образующаяся окись углерода сгорает над конвертером ослепительно ярким пламенем длиной до 8 л. Пламя постепенно сменяется бурым дымом. Начинается горение железа. Это указывает, что период интенсивного окисления углерода заканчивается. Тогда подачу воздуха прекращают, переводят конвертер в горизонтальное положение и вносят раскислители.
Процесс Бессемера обладает рядом достоинств. Он протекает очень быстро (в течение 15 минут), поэтому производительность аппарата велика. Для проведения процесса не требуется расходовать топливо или электрическую энергию. Но этим способом можно переделывать в сталь не все, а только отдельные сорта чугуна. К тому же значительное количество железа в бессемеровском процессе окисляется и теряется (велик “угар” железа).
Значительным усовершенствованием в производстве стали в конвертерах Бессемера является применение для продувкя вместо воздуха смеси его с чистым кислородом (“обогащённого воздуха”), что позволяет получать стали более высокого качества.
Мартеновский способ. Основным способом передела чугуна в сталь является в настоящее время мартеновский. Тепло, необходимое для проведения процесса, получается посредством сжигания газообразного или жидкого топлива. Процесс получения стали осуществляется в пламенной печи – мартеновской печи.
Плавильное пространство мартеновской печи представляет собой ванну, перекрытую сводом из огнеупорного кирпича. В передней стенке печи находятся загрузочные окна, через которые завалочные машины загружают в печь шихту. В задней стенке находится отверстие для выпуска стали. С обеих сторон ванны расположены головки с каналами для подвода топлива и воздуха и отвода продуктов горения. Печь ёмкостью 350 т имеет длину 25 м и ширину 7 м.
Мартеновская печь работает периодически. После выпуска стали в горячую печь загружают в установленной последовательности лом, железную руду, чугун, а в качестве флюса - известняк или известь. Шихта плавится. При этом интенсивно окисляются: часть железа, кремний и марганец. Затем начинается период быстрого окисления углерода, называемый периодом “кипения”, - движение пузырьков окиси углерода через слой расплавленного металла создаёт впечатление, что он кипит.
В конце процесса добавляют раскислители. За изменением состава сплава тщательно следят, руководствуясь данными экспресс-анализа, позволяющего дать ответ о составе стали в течение нескольких минут. Готовую сталь выливают в ковши. Для повышения температуры пламени газообразное топливо и воздух предварительно подогревают в регенераторах. Принцип действия регенераторов тот же, что и воздухонагревателей доменного производства. Насадка регенератора нагревается отходящими из печи газами, и когда она достаточно нагреется, через регенератор начинают подавать в печь воздух. В это время нагревается другой регенератор. Для регулирования теплового режима печь снабжается автоматическими приспособлениями.
В мартеновской печи, в отличие от конвертера Бессемера, можно перерабатывать не только жидкий чугун, но и твёрдый, а также отходы металлообрабатывающей промышленности и стальной лом. В шихту вводят также и железную руду. Состав шихты можно изменять в широких пределах и выплавлять стали разнообразного состава, как углеродистые, так и легированные.
Российскими учёными и сталеварами разработаны методы скоростного сталеварения, повышающие производительность печей. Производительность печей выражается количеством стали, получаемым с одного квадратного метра площади пода печи в единицу времени.
Производство стали в электропечах. Применение электрической энергии в производстве стали даёт возможность достигать более высокой температуры и точнее её регулировать. Поэтому в электропечах выплавляют любые марки сталей, в том числе содержащие тугоплавкие металлы - вольфрам, молибден и др. Потери легирующих элементов в электропечах меньше, чем в других печах. При плавке с кислородом ускоряется плавление шихты и особенно окисление углерода в жидкой шихте, Применение кислорода позволяет ещё более повысить качество электростали, так как в ней остаётся меньше растворённых газов и неметаллических включений.
В промышленности применяют два типа электропечей: дуговые и индукционные. В дуговых печах тепло получается вследствие образования электрической дуги между электродами и шихтой. В индукционных печах тепло получается за счёт индуцируемого в металле электрического тока.
Сталеплавильные печи всех типов - бессемеровские конвертеры, мартеновские и электрические - представляют собой аппараты периодического действия. К недостаткам периодических процессов относятся, как известно, затрата времени на загрузку и разгрузку аппаратов, необходимость изменять условия по мере течения процесса, трудность регулирования и др. Поэтому перед металлургами стоит задача создания нового непрерывного процесса.
Применения в качестве конструкционных материалов сплавов железа.
Некоторые d-элементы широко используются для изготовления конструкционных материалов, главным образом в виде сплавов. Сплав-это смесь (или раствор) какого-либо металла с одним или несколькими другими элементами.
Сплавы, главной составной частью которых служит железо, называются сталями. Выше мы уже говорили, что все стали подразделяются на два типа: углеродистые и легированные.
Углеродистые стали. По содержанию углерода эти стали в свою очередь подразделяются на низкоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую стали. Твердость углеродистых сталей возрастает с повышением содержания углерода. Например, низкоуглеродистая сталь является тягучей и ковкой. Ее используют в тех случаях, когда механическая нагрузка не имеет решающего значения. Различные применения углеродистых сталей указаны в таблице. На долю углеродистых сталей приходится до 90% всего объема производства стали.
Легированные стали. Такие стали содержат до 50% примеси одного или нескольких металлов, чаще всего алюминия, хрома, кобальта, молибдена, никеля, титана, вольфрама и ванадия.
Нержавеющие стали содержат в качестве примесей к железу хром и никель. Эти примеси повышают твердость стали и делают ее устойчивой к коррозии. Последнее свойство обусловлено образованием тонкого слоя оксида хрома (III) на поверхности стали.
Инструментальные стали подразделяются на вольфрамовые и марганцовистые. Добавление этих металлов повышает твердость, прочность и устойчивость при высоких температурах (жаропрочность) стали. Такие стали используются для бурения скважин, изготовления режущих кромок металлообрабатывающих инструментов и тех деталей машин, которые подвергаются большой механической нагрузке.
Кремнистые стали используются для изготовления различного электрооборудования: моторов, электрогенераторов и трансформаторов.
В жизни мы постоянно сталкиваемся со сплавами, самый распространенный из которых сталь. Поэтому нет ничего удивительно, что у кого-нибудь да возникнет вопрос о том, как делают сталь?
Сталь – это один из сплавов железа и углерода, получивший широчайшее распространение в повседневной жизни. Процесс производства стали многоступенчатый и состоит из нескольких этапов: добыча и обогащение руды, получение агломерата, производства чугуна и выплавка стали.
Руда и агломерат
Месторождения руд позволяют добывать как богатые, так и бедные породы. Богатую руду можно сразу использовать как производственное сырье. Чтобы можно было выплавлять и бедную руду, ее необходимо обогатить, то есть увеличить в ней содержание чистого металла. Для этого руду измельчают и, применяя различные технологии, отделяют частицы, богатые соединениями металла. Например, для железных руд применяют магнитную сепарацию – воздействие магнитным полем на исходное сырье с целью отделение частиц богатых железом.
Получается низкодисперсионный концентрат, который спекают в более крупные куски. Результат обжига железных руд и есть агломерат. Виды агломератов получили название по основному сырью, входящему в их состав. В нашем случае это железорудный агломерат. Теперь, чтобы понять, как делают сталь, необходимо проследить дальнейший технологический процесс.
Производство чугуна.
Чугун выплавляют в доменных печах, которые функционируют по принципу противотока. Загрузка агломерата, кокса и другого шихтового материала осуществляется сверху. Снизу вверх, навстречу этим материалам, поднимаются потоки раскаленного газа от сгорания кокса. Начинается череда химических процессов, в результате чего происходит восстановление железа и насыщение его углеродом. Температурный режим при этом сохраняется в районе 400-500 градусов Цельсия. В нижних частях печи, куда постепенно опускается восстановленное железо, температура увеличивается до 900-950 градусов. Образуется жидкий сплав железа с углеродом – чугун. К основным химическим характеристикам чугуна относятся: содержание углерода более 2,14 %, обязательное наличие в составе серы, кремния, фосфора и марганца. Чугун отличается повышенной хрупкостью.
Выплавка стали.
Теперь мы приблизились к последнему этапу, позволяющему узнать, как делают сталь. В химическом плане сталь отличается от чугуна пониженным содержанием углерода; соответственно, основная задача производственного процесса – уменьшить содержание углерода и других примесей в основном сплаве железа. Для производства стали используют мартеновские печи, кислородные конвертеры или электропечи.
По различным технологиям расплавленный чугун продувается кислородом при очень высоких температурах. Происходит обратный процесс – окисление железа на уровне примесей, входящих в сплав. Полученный шлак в дальнейшем убирается. В результате продувки кислородом понижается содержание углерода и происходит преобразование чугуна в сталь.
В сталь могут добавляться легирующие элементы, изменяющие свойства материала. Поэтому сталью считается сплав железо-углерод с содержанием железа не менее 45 %.
Вышеописанные процессы разъяснили, как делают сталь, из каких материалов и с применением каких технологий.
Желе́зо - элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов с атомным номером 26. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).
Простое вещество железо (CAS-номер: 7439-89-6) - ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.
На самом деле железом обычно называют его сплавы с малым содержанием примесей (до 0,8 %), которые сохраняют мягкость и пластичность чистого металла. Но на практике чаще применяются сплавы железа с углеродом: сталь (до 2,14 вес. % углерода) и чугун (более 2,14 вес. % углерода), а также нержавеющая (легированная) сталь с добавками легирующих металлов (хром, марганец, никель и др.). Совокупность специфических свойств железа и его сплавов делают его «металлом № 1» по важности для человека.
В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего оно встречается в составе железо-никелевых метеоритов. Распространённость железа в земной коре - 4,65 % (4-е место после O, Si, Al). Считается также, что железо составляет бо́льшую часть земного ядра.
Происхождение названия
Имеется несколько версий происхождения славянского слова «железо» (белор. жалеза, укр. залізо, ст.-слав. желѣзо, болг. желязо, сербохорв. жељезо, польск. żelazo, чеш. železo, словен. železo).
Одна из этимологий связывает праслав. *želězo с греческим словом χαλκός, что означало железо и медь, согласно другой версии *želězo родственно словам *žely «черепаха» и *glazъ «скала», с общей семой «камень». Третья версия предполагает древнее заимствование из неизвестного языка.
Романские языки (итал. ferro, фр. fer, исп. hierro, порт. ferro, рум. fier) продолжают лат. ferrum . Латинское ferrum (Германские языки заимствовали название железа (готск. eisarn,англ. iron, нем. Eisen, нидерл. ijzer,дат. jern, швед. järn) из кельтских.
Пракельтское слово *isarno- (> др.-ирл. iarn, др.-брет. hoiarn), вероятно, восходит к пра-и.е. *h1esh2r-no- «кровавый» с семантическим развитием «кровавый» > «красный» > «железо». Согласно другой гипотезе данное слово восходит к пра-и.е. *(H)ish2ro- «сильный, святой, обладающий сверхъестественной силой».
Древнегреческое слово σίδηρος, возможно, было заимствовано из того же источника, что и славянское, германское и балтийское слова для серебра.
Название природного карбоната железа (сидерита) происходит от лат. sidereus - звёздный; действительно, первое железо, попавшее в руки людям, было метеоритного происхождения. Возможно, это совпадение не случайно. В частности древнегреческое слово сидерос (σίδηρος) для железа и латинское sidus, означающее «звезда», вероятно, имеют общее происхождение.
Получение
В промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe 2 O 3) и магнетита (FeO·Fe 2 O 3).
Существуют различные способы извлечения железа из руд. Наиболее распространённым является доменный процесс.
Первый этап производства - восстановление железа углеродом в доменной печи при температуре 2000 °C. В доменной печи углерод в виде кокса, железная руда в виде агломерата или окатышей и флюс (например, известняк) подаются сверху, а снизу их встречает поток нагнетаемого горячего воздуха.
В печи углерод в виде кокса окисляется до монооксида углерода. Данный оксид образуется при горении в недостатке кислорода. В свою очередь, монооксид углерода восстанавливает железо из руды. Чтобы данная реакция шла быстрее, нагретый угарный газ пропускают через оксид железа(III). Флюс добавляется для избавления от нежелательных примесей (в первую очередь от силикатов; например кварц) в добываемой руде. Типичный флюс содержит известняк (карбонат кальция) и доломит (карбонат магния). Для устранения других примесей используют другие флюсы.
Действие флюса (в данном случае карбонат кальция) заключается в том, что при его нагревании он разлагается до его оксида. Оксид кальция соединяется с диоксидом кремния, образуя шлак - метасиликат кальция. Шлак, в отличие от диоксида кремния, плавится в печи. Более лёгкий, чем железо, шлак плавает на поверхности - это свойство позволяет разделять шлак от металла. Шлак затем может использоваться при строительстве и сельском хозяйстве. Расплав железа, полученный в доменной печи, содержит довольно много углерода (чугун). Кроме таких случаев, когда чугун используется непосредственно, он требует дальнейшей переработки.
Излишки углерода и другие примеси (сера, фосфор) удаляют из чугуна окислением в мартеновских печах или в конвертерах. Электрические печи используются и для выплавки легированных сталей.
Кроме доменного процесса, распространён процесс прямого получения железа. В этом случае предварительно измельчённую руду смешивают с особой глиной, формируя окатыши. Окатыши обжигают, и обрабатывают в шахтной печи горячими продуктами конверсии метана, которые содержат водород. Водород легко восстанавливает железо, при этом не происходит загрязнения железа такими примесями как сера и фосфор, которые являются обычными примесями в каменном угле. Железо получается в твёрдом виде, и в дальнейшем переплавляется в электрических печах.
Химически чистое железо получается электролизом растворов его солей.
Желе́зо - элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 26. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия). Металл средней активности, восстановитель.
Основные степени окисления — +2, +3
Простое вещество железо - ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.
Химические свойства простого вещества — железа:
Ржавление и горение в кислороде
1) На воздухе железо легко окисляется в присутствии влаги (ржавление):
4Fe + 3O 2 + 6H 2 O → 4Fe(OH) 3
Накалённая железная проволока горит в кислороде, образуя окалину — оксид железа (II, III):
3Fe + 2O 2 → Fe 3 O 4
3Fe+2O 2 →(Fe II Fe 2 III)O 4 (160 °С)
2) При высокой температуре (700–900°C) железо реагирует с парами воды:
3Fe + 4H 2 O – t° → Fe 3 O 4 + 4H 2
3) Железо реагирует с неметаллами при нагревании:
2Fe+3Cl 2 →2FeCl 3 (200 °С)
Fe + S – t° → FeS (600 °С)
Fe+2S → Fe +2 (S 2 -1) (700°С)
4) В ряду напряжений стоит левее водорода, реагирует с разбавленными кислотами НСl и Н 2 SO 4 , при этом образуются соли железа(II) и выделяется водород:
Fe + 2HCl → FeCl 2 + H 2 (реакции проводятся без доступа воздуха, иначе Fe +2 постепенно переводится кислородом в Fe +3)
Fe + H 2 SO 4 (разб.) → FeSO 4 + H 2
В концентрированных кислотах–окислителях железо растворяется только при нагревании, оно сразу переходит в катион Fе 3+ :
2Fe + 6H 2 SO 4 (конц.) – t° → Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O
Fe + 6HNO 3 (конц.) – t° → Fe(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O
(на холоде концентрированные азотная и серная кислоты пассивируют
Железный гвоздь, погруженный в голубоватый раствор медного купороса, постепенно покрывается налетом красной металлической меди
5) Железо вытесняет металлы, стоящие правее его в из растворов их солей.
Fe + CuSO 4 → FeSO 4 + Cu
Амфотерность железа проявляется только в концентрированных щелочах при кипячении:
Fе + 2NaОН (50 %) + 2Н 2 O= Nа 2 ↓+ Н 2
и образуется осадок тетрагидроксоферрата(II) натрия.
Техническое железо - сплавы железа с углеродом: чугун содержит 2,06-6,67 % С, сталь 0,02-2,06 % С, часто присутствуют другие естественные примеси (S, Р, Si) и вводимые искусственно специальные добавки (Мn, Ni, Сr), что придает сплавам железа технически полезные свойства — твердость, термическую и коррозионную стойкость, ковкость и др.
Доменный процесс производства чугуна
Доменный процесс производства чугуна составляют следующие стадии:
а) подготовка (обжиг) сульфидных и карбонатных руд - перевод в оксидную руду:
FeS 2 →Fe 2 O 3 (O 2 ,800°С, -SO 2) FeCO 3 →Fe 2 O 3 (O 2 ,500-600°С, -CO 2)
б) сжигание кокса при горячем дутье:
С (кокс) + O 2 (воздух) →СO 2 (600-700°С) СO 2 + С (кокс) ⇌ 2СО (700-1000 °С)
в) восстановление оксидной руды угарным газом СО последовательно:
Fe 2 O 3 →(CO) (Fe II Fe 2 III)O 4 →(CO) FeO→(CO) Fe
г) науглероживание железа (до 6,67 % С) и расплавление чугуна:
Fе (т) →(C (кокс) 900-1200°С) Fе (ж) (чугун, t пл 1145°С)
В чугуне всегда в виде зерен присутствуют цементит Fe 2 С и графит.
Производство стали
Передел чугуна в сталь проводится в специальных печах (конвертерных, мартеновских, электрических), отличающихся способом обогрева; температура процесса 1700-2000 °С. Продувание воздуха, обогащенного кислородом, приводит к выгоранию из чугуна избыточного углерода, а также серы, фосфора и кремния в виде оксидов. При этом оксиды либо улавливаются в виде отходящих газов (СО 2 , SО 2), либо связываются в легко отделяемый шлак — смесь Са 3 (РO 4) 2 и СаSiO 3 . Для получения специальных сталей в печь вводят легирующие добавки других металлов.
Получение чистого железа в промышленности — электролиз раствора солей железа, например:
FеСl 2 → Fе↓ + Сl 2 (90°С) (электролиз)
(существуют и другие специальные методы, в том числе восстановление оксидов железа водородом).
Чистое железо применяется в производстве специальных сплавов, при изготовлении сердечников электромагнитов и трансформаторов, чугун — в производстве литья и стали, сталь - как конструкционный и инструментальный материалы, в том числе износо-, жаро- и коррозионно-стойкие.
Оксид железа(II) F еО . Амфотерный оксид с большим преобладанием основных свойств. Черный, имеет ионное строение Fе 2+ O 2- . При нагревании вначале разлагается, затем образуется вновь. Не образуется при сгорании железа на воздухе. Не реагирует с водой. Разлагается кислотами, сплавляется со щелочами. Медленно окисляется во влажном воздухе. Восстанавливается водородом, коксом. Участвует в доменном процессе выплавки чугуна. Применяется как компонент керамики и минеральных красок. Уравнения важнейших реакций:
4FеО ⇌(Fe II Fe 2 III) + Fе (560-700 °С, 900-1000°С)
FеО + 2НС1 (разб.) = FеС1 2 + Н 2 O
FеО + 4НNO 3 (конц.) = Fе(NO 3) 3 +NO 2 + 2Н 2 O
FеО + 4NаОН =2Н 2 O + N а 4 F е O 3(красн .) триоксоферрат(II) (400-500 °С)
FеО + Н 2 =Н 2 O + Fе (особо чистое) (350°С)
FеО + С (кокс) = Fе + СО (выше 1000 °С)
FеО + СО = Fе + СO 2 (900°С)
4FеО + 2Н 2 O (влага) + O 2 (воздух) →4FеО(ОН) (t)
6FеО + O 2 = 2(Fe II Fe 2 III)O 4 (300-500°С)
Получение в лаборатории : термическое разложение соединений железа (II) без доступа воздуха:
Fе(ОН) 2 = FеО + Н 2 O (150-200 °С)
FеСОз = FеО + СO 2 (490-550 °С)
Оксид дижелеза (III) – железа( II ) ( Fe II Fe 2 III)O 4 . Двойной оксид. Черный, имеет ионное строение Fe 2+ (Fе 3+) 2 (O 2-) 4 . Термически устойчив до высоких температур. Не реагирует с водой. Разлагается кислотами. Восстанавливается водородом, раскаленным железом. Участвует в доменном процессе производства чугуна. Применяется как компонент минеральных красок (железный сурик ), керамики, цветного цемента. Продукт специального окисления поверхности стальных изделий (чернение, воронение ). По составу отвечает коричневой ржавчине и темной окалине на железе. Применение брутто-формулы Fe 3 O 4 не рекомендуется. Уравнения важнейших реакций:
2(Fe II Fe 2 III)O 4 = 6FеО + O 2 (выше 1538 °С)
(Fe II Fe 2 III)O 4 + 8НС1 (разб.) = FеС1 2 + 2FеС1 3 + 4Н 2 O
(Fe II Fe 2 III)O 4 +10НNO 3 (конц.) =3Fе(NO 3) 3 + NO 2 + 5Н 2 O
(Fe II Fe 2 III)O 4 + O 2 (воздух) = 6Fе 2 O 3 (450-600°С)
(Fe II Fe 2 III)O 4 + 4Н 2 = 4Н 2 O + 3Fе (особо чистое, 1000 °С)
(Fe II Fe 2 III)O 4 + СО =ЗFеО + СO 2 (500-800°C)
(Fe II Fe 2 III)O4 + Fе ⇌4FеО (900-1000 °С, 560-700 °С)
Получение: сгорание железа (см.) на воздухе.
магнетит.
Оксид железа(III) F е 2 О 3 . Амфотерный оксид с преобладанием основных свойств. Красно-коричневый, имеет ионное строение (Fе 3+) 2 (O 2-) 3. Термически устойчив до высоких температур. Не образуется при сгорании железа на воздухе. Не реагирует с водой, из раствора выпадает бурый аморфный гидрат Fе 2 O 3 nН 2 О. Медленно реагирует с кислотами и щелочами. Восстанавливается монооксидом углерода, расплавленным железом. Сплавляется с оксидами других металлов и образует двойные оксиды — шпинели (технические продукты называются ферритами). Применяется как сырье при выплавке чугуна в доменном процессе, катализатор в производстве аммиака, компонент керамики, цветных цементов и минеральных красок, при термитной сварке стальных конструкций, как носитель звука и изображения на магнитных лентах, как полирующее средство для стали и стекла.
Уравнения важнейших реакций:
6Fе 2 O 3 = 4(Fe II Fe 2 III)O 4 +O 2 (1200-1300 °С)
Fе 2 O 3 + 6НС1 (разб.) →2FеС1 3 + ЗН 2 O (t) (600°С,р)
Fе 2 O 3 + 2NaОН (конц.) →Н 2 O+ 2 N а F е O 2 (красн.) диоксоферрат(III)
Fе 2 О 3 + МО=(М II Fе 2 II I)O 4 (М=Сu, Мn, Fе, Ni, Zn)
Fе 2 O 3 + ЗН 2 =ЗН 2 O+ 2Fе (особо чистое, 1050-1100 °С)
Fе 2 O 3 + Fе = ЗFеО (900 °С)
3Fе 2 O 3 + СО = 2(Fe II Fе 2 III)O 4 + СO 2 (400-600 °С)
Получение в лаборатории — термическое разложение солей железа (III) на воздухе:
Fе 2 (SO 4) 3 = Fе 2 O 3 + 3SO 3 (500-700 °С)
4{Fе(NO 3) 3 9 Н 2 O} = 2Fе a O 3 + 12NO 2 + 3O 2 + 36Н 2 O (600-700 °С)
В природе — оксидные руды железа гематит Fе 2 O 3 и лимонит Fе 2 O 3 nН 2 O
Гидроксид железа (II) F е(ОН) 2 . Амфотерный гидроксид с преобладанием основных свойств. Белый (иногда с зеленоватым оттенком), связи Fе — ОН преимущественно ковалентные. Термически неустойчив. Легко окисляется на воздухе, особенно во влажном состоянии (темнеет). Нерастворим в воде. Реагирует с разбавленными кислотами, концентрированными щелочами. Типичный восстановитель. Промежуточный продукт при ржавлении железа. Применяется в изготовлении активной массы железоникелевых аккумуляторов.
Уравнения важнейших реакций:
Fе(OН) 2 = FеО + Н 2 O (150-200 °С, в атм.N 2)
Fе(ОН) 2 + 2НС1 (разб.) =FеС1 2 + 2Н 2 O
Fе(ОН) 2 + 2NаОН (> 50%) = Nа 2 ↓ (сине-зеленый) (кипячение)
4Fе(ОН) 2 (суспензия) + O 2 (воздух) →4FеО(ОН)↓ + 2Н 2 O (t)
2Fе(ОН) 2 (суспензия) +Н 2 O 2 (разб.) = 2FеО(ОН)↓ + 2Н 2 O
Fе(ОН) 2 + КNO 3 (конц.) = FеО(ОН)↓ + NO+ КОН (60 °С)
Получение : осаждение из раствора щелочами или гидратом аммиака в инертной атмосфере:
Fе 2+ + 2OH (разб.) = F е(ОН) 2 ↓
Fе 2+ + 2(NH 3 Н 2 O) = F е(ОН) 2 ↓ + 2NH 4
Метагидроксид железа F еО(ОН). Амфотерный гидроксид с преобладанием основных свойств. Светло-коричневый, связи Fе — О и Fе — ОН преимущественно ковалентные. При нагревании разлагается без плавления. Нерастворим в воде. Осаждается из раствора в виде бурого аморфного полигидрата Fе 2 O 3 nН 2 O, который при выдерживании под разбавленным щелочным раствором или при высушивании переходит в FеО(ОН). Реагирует с кислотами, твердыми щелочами. Слабый окислитель и восстановитель. Спекается с Fе(ОН) 2 . Промежуточный продукт при ржавлении железа. Применяется как основа желтых минеральных красок и эмалей, поглотитель отходящих газов, катализатор в органическом синтезе.
Соединение состава Fе(ОН) 3 не известно (не получено).
Уравнения важнейших реакций:
Fе 2 O 3 . nН 2 O→(200-250 °С, — H 2 O ) FеО(ОН)→(560-700° С на воздухе, -H2O) →Fе 2 О 3
FеО(ОН) + ЗНС1 (разб.) =FеС1 3 + 2Н 2 O
FeO(OH)→Fe 2 O 3 . nH 2 O -коллоид (NаОН (конц.))
FеО(ОН)→N а 3 [ F е(ОН) 6 ] белый , Nа 5 и К 4 соответственно; в обоих случаях выпадает синий продукт одинакового состава и строения, КFе III . В лаборатории этот осадок называют берлинская лазурь , или турнбуллева синь :
Fе 2+ + К + + 3- = КFе III ↓
Fе 3+ + К + + 4- = КFе III ↓
Химические названия исходных реактивов и продукта реакций:
К 3 Fе III - гексацианоферрат (III) калия
К 4 Fе III - гексацианоферрат (II) калия
КFе III - гексацианоферрат (II) железа (Ш) калия
Кроме того, хорошим реактивом на ионы Fе 3+ является тиоцианат-ион NСS — , железо (III) соединяется с ним, и появляется ярко-красная («кровавая») окраска:
Fе 3+ + 6NСS — = 3-
Этим реактивом (например, в виде соли КNСS) можно обнаружить даже следы железа (III) в водопроводной воде, если она проходит через железные трубы, покрытые изнутри ржавчиной.
Отрасль черной металлургии - железорудная промышленность - занимается добычей и переработкой железной руды, чтобы затем это полезное ископаемое превратилось в чугун и сталь. Так как железо является довольно распространенным элементом, получают его только из тех горных пород, в которых его больше.
Это минеральное образование человечество научилось добывать и обрабатывать позднее всего, видимо потому, что железная руда мало похожа на металл. Сейчас же без железа и стали сложно представить себе современный мир: транспортная, строительная отрасль, сельское хозяйство и многие другие сферы не могут обойтись без металла. О том, как и во что превращается железная руда в процессе несложных химических процессов, пойдет речь далее.
Виды железных руд.
Железная руда различается по количеству содержащего в ней железа. Она бывает богатой, в которой его больше 57%, и бедной - от 26%. Бедные руды используются в промышленности только после их обогащения.
По происхождению руду делят на:
- Магматогенную - руда, получившаяся в результате действия высоких температур.
- Экзогенную - осадок в морских бассейнах.
- Метаморфогенную - образовавшуюся в результате действия высокого давления.
Железные руды также разделяют на:
- красный железняк, который является наиболее распространенной и в то же время наиболее богатой на железо рудой;
- бурый железняк;
- магнитный;
- шпатовый железняк;
- титаномагнетит;
- железистый кварцит.
Этапы металлургического производства.
Ответ на главный вопрос статьи «железная руда: что из нее делают» очень прост:из железных руд добывают сталь, чугун, сталистые чугуны и железо.
При этом металлургическое производство начинается с добычи основных компонентов для производства металлов: каменного угля, железной руды, флюсов. Затем на горно-обогатительных комбинатах добытую железную руду обогащают, избавляясь от пустых пород. На специальных заводах занимаются подготовкой коксующихся углей. В доменных цехах руда превращается в чугун, из которого затем производят сталь. А сталь, в свою очередь, превращается в готовый продукт: трубы, листовую сталь, прокат и прочее.
Производство черных металлов условно делят на две стадии, в первой из них получают чугун, во второй чугун преобразовывают в сталь.
Процесс производства чугуна.
Чугун - это сплав углерода и железа, в который также входят марганец, сера, кремний, фосфор.
Чугун производят в доменных печах, в которых железная руда восстанавливается из оксидов железа при больших температурах, при этом отделяется пустая порода. Флюсы используют для уменьшения температуры плавления пустой породы. В доменную печь загружают руду, флюсы и кокс слоями.
В нижнюю часть печи подается нагретый воздух, поддерживающий горение. Так происходит череда химических процессов, в результате которых получают расплавленный чугун и шлак.
Полученный чугун бывает разных видов:
- передельный, используемый в производстве стали;
- ферросплав, который применяют также в качестве добавок при производстве стали;
- литейный.
Производство стали.
Практически 90% всего добываемого чугуна является передельным, то есть он используется в производстве стали, которую получают в мартеновских или электрических печах, в конвекторах. При этом появляются новые методы получения стали:
- электроннолучевая плавка, которая используется для получения особо чистых металлов;
- вакуумирование стали;
- электрошлаковый переплав;
- рафинирование стали.
В стали, если сравнивать его с чугуном, меньше кремния, фосфора и серы, то есть при получении стали нужно уменьшить их количество с помощью окислительной плавки, производимой в мартеновских печах.
Мартен представляет собой печь, в которой над плавильным пространством сгорает газ, создавая необходимую температуру от 1700 до 1800°C. Раскисление проводят с помощью ферромарганца и ферросилиция, затем на заключительном этапе - при помощи ферросилиция и алюминия в сталеразливочном ковше.
Сталь более высокого качества производят в индукционных и дуговых электропечах, в которых температура выше, поэтому на выходе получают тугоплавкую сталь. На первом этапе производства стали происходит окислительный процесс с помощью воздуха, кислорода и оксида шихты, на втором - восстановительный, заключающийся в раскислении стали и удалении серы.
Продукция черной металлургии.
Подводя итог в теме "железная руда: что из нее делают", нужно перечислить четыре основных продукта черной металлургии:
- передельный чугун, который от стали отличается лишь повышенным содержанием углерода (свыше 2%);
- литейный чугун;
- стальные слитки, которые подвергают обработке давлением для получения проката, используемого, например, в железобетонных конструкциях, прокат становится трубами и другими изделиями;
- ферросплавы, которые применяются в производстве стали.