Мощные залежи железных руд образованы оксидами железа.
Промышленное значение имеют железные руды: бурый железняк Fe2O3
nH2O, красный железняк Fe2O3 и магнитный
железняк Fe3O4. Железная руда содержит, пустую породу –
главным образом кислородные соединения кремния и алюминия. (Демонстрация
куска руды)
Посмотрим на диаграмму, в которой указано содержание оксида
железа в руде.
(Показ слайда “Содержание железа в рудах”)
У вас на столе находятся образцы руд и вы с помощью компаса
определите, где у вас магнитный железняк (стрелка сильно отклоняется),
красный железняк (стрелка незначительно отклоняется) и бурый (стрелка не
отклоняется, т.к. не обладает магнитными свойствами). (Практическая
работа)
Вторым неменее важным компонентом является уголь. Однако, он
также содержит примеси табл.1
Таблица 1. Состав каменного угля
№
|
Составная
часть
|
Массовая доля,
%
|
1
|
Углерод
|
66,00%
|
2
|
Водород
|
4,00%
|
3
|
Кислород
и азот
|
10,00%
|
4
|
Вода
|
3-8%
|
5
|
Зола
|
4-6%
|
6
|
Сера
|
2-3%
|
Выгодно ли использовать в производстве вещества с примесями?
(Нет)
На горнообогатительных фабриках руду измельчают и с помощью
электромагнита отделяют от пустой породы.
Уголь подвергают коксованию – нагреванию до 1000 0С
без доступа воздуха в течение 14 ч. Полученный кокс содержит до 98 %
углерода.
Что мы с вами сделали с сырьем?
(Удалили примеси)
Процесс удаления примесей называется обогащением.
(Прикрепление на магнитную доску карточек “Горнообогатительная
фабрика”, “Коксохимическое производство)
Для начала производства необходим ещё один компонент – известняк
(Демонстрация известняка)
Известняк способствует снижению температуры плавления и удалению
оставшихся примесей в виде шлака.
Исходное сырье в металлургии называют шихтой. В состав шихты
входит руда, кокс и известняк (флюс).
Производство чугуна осуществляется в доменных печах.
(Слайд “Доменная печь”)
Печь представляет собой усеченный конус высотой более 30 м и
диаметром 10 м. Внутри печь выложена огнеупорным кирпичом, а снаружи
облицована стальными листами.
Получение чугуна сводится к восстановлению железа из оксидов
железа и переводу пустой породы в шлак.
Восстановление оксидов железа в доменной печи происходит по
стадии: Fe2O3 -> Fe3O4 ->
FeO -> Fe.
Сверху в доменную печь загружают руду, кокс и известняк. Снизу
подается воздух, обогащенный кислородом. В нижней части печи горит кокс.
Шихта постепенно опускается вниз, а навстречу движутся нагретые газы. Тем
самым осуществляется принцип теплообмена и противотока реагентов.
Рассмотрим химизм процесса, протекающего в доменной печи.
Запишем уравнения реакций.
C+O2 = CO2 + Q
При горении кокса развивается высокая температура (17000С).
Проходя через раскалённый кокс, CO2 восстанавливается
до СО.
С+CO2 -> 2CO
3Fe2O3 + CO -> 2Fe3O4
+ CO2
Fe3O4 +CO -> 3FeO + CO2
FeO + CO -> Fe + CO2
Образовавшийся оксид углерода (II) восстанавливает при высокой
температуре (700 0С ) оксиды железа.
Железо частично реагирует с углеродом с образованием карбида
железа Fe3С, которое растворяется в расплавленном железе.
3Fe + C = Fe3С
Также жидкое железо способно растворять в себе до 4 % углерода и
другие примеси. Таким образом, чугун – это сплав железа с углеродом, карбидом
железа , так же S, P, Si. Примеси ухудшают качество чугуна. Чугун выпускают
из печи несколько раз в сутки. Он выливается огненным потоком при температуре
1500 0С.
Для перевода пустой породы в шлак применяется известняк CaCO3.
При высокой температуре карбонат кальция разлагается:
CaCO3= CaO+CO2
Образовавшийся основной оксид кальция взаимодействует с
кислотными оксидами пустой породы:
CaO + SiO2= CaSiO3
CaO + Al2O3 =Ca(AlO2)2
Образуется жидкий шлак – смесь силикатов и алюминатов кальция.
Шлак, как более лёгкий, всплывает над чугуном. Тем самым предохраняет железо
от окисления. Жидкий шлак выпускается в нижней части печи. Доменный шлак в
основном используют в строительстве.
В верхней части печи удаляется доменный газ. Он содержит СО.
Поэтому его применяют в качестве топлива в воздухонагревателях. Доменный
процесс стремятся проводить при возможно высокой температуре. Для интенсификации
процессов сгорания кокса и поддержания высокой температуры в доменную печь вдувают
подогретый воздух, обогащённый кислородом.
(“Кислородное дутьё”)
Доменная печь работает непрерывно при высокой температуре.
Поддержание высокой температуры достигается тем, что все реакции идут с
выделением тепла. Таким образом соблюдается принцип теплообмена.
Большинство реакций протекающих в печи являются гетерогенными.
Для ускорения процесса перед загрузкой компонены шихты дробят и отбирают
куски определённых размеров.
Итак, мы, получили чугун.
(Демонстрация образца чугуна)
(К магнитной доске прикрепляется карточка “Выплавка чугуна”)
По применению чугун делится на три группы: 1) литейный; 2)
специальный; и 3) передельный. Именно из предельного чугуна и выплавляют
сталь. Сущность предела чугуна в сталь сводится к удалению избыточного
углерода и вредных примесей (кремния, фосфора и серы) путем их окисления
(выжигания). Использование известняка достигается уменьшение содержания
кремния фосфора и серы.
Существет несколько способов переработки чугуна в сталь:
кислородно - конвертерный и электродуговой.
Конвертор имеет грушевидную форму, его ёмкость достигает 400 т.
Изготовлен из стальных листов и выложен изнутри огнеупорным кирпичом.
Конвертор загружают в наклонном положении. Для конвертирования чугуна
конвертор возвращают в вертикальное положение.
(Слайд “Конвертор”)
В конвертор загружают жидкий чугун, добавляют металлический лом
и известняк. При продувании кислорода в расплавленном чугуне происходит
окисление вредных примесей – углерода, фосфора, и кремния.
2С+ О2=СО2
4Р+5О2 =2Р2О5
Si + О2=SiО2
За счёт теплоты реакций поддерживается высокая температура, что
способствует ускорению процесса передела чугуна в сталь. При конвертировании
чугуна углерод выгорает. Кислотные оксиды фосфора и кремния с оксидом кальция
(образующегося при разложении известняка) превращаются в фосфаты и силикаты
кальция. Они отделяются от стали в виде жидкого шлака. В шлак переводится
также сера в виде сульфида кальция. После окончания процесса конвертирования
конвертор наклоняют и выпускают шлак, а затем сталь.
(К магнитной доске прикрепляется карточка “Производство стали”)
Передел чугуна в сталь осуществляется также в электропечах при
температуре 2000 0С и выше. Это способствует более полному удалению
фосфора и серы за счет связывания их в шлак. В электропечах выплавляют
легированные стали и ферросплавы.
Разработан новый метод получения железа природным газом, при
этом образуется губчатое железо, из которого впоследствии получают сталь.
4Fe2O3+3CH4= 8Fe +6H2O+3CO2
|
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.