Химия · Химия элементов · 9 класс

Выплавка чугуна и стали

Как получают железо из бурого железняка и как чугун превращается в сталь?

Ситуация

На металлургическом комбинате в Бекабаде металлолом плавят в электродуговой печи и получают сталь. Но большая часть мировой стали получается другим путём: красно-бурую железную руду восстанавливают коксом в доменной печи высотой более 30 метров — получается чугун, а чугун превращают в сталь в конвертере, продувая его кислородом. В Алмалыке получают медь и цинк, в Навои — золото. В каком виде металлы встречаются в природе, как их извлекают из руды и чем чугун отличается от стали?

Тема

Получение металлов: чугун и сталь. Бекабадский металлургический комбинат: сталь из металлолома в электродуговой печи; чугун из руды в доменной печи

Ключевые понятия

Доменная печь
Конвертер и электродуговая печь
Методы металлургии

Формулы

Fe_{2} O_{3} + 3 CO \overset{}{\to} 2 Fe + 3 CO_{2}

В доменной печи оксид железа восстанавливает оксид углерода(II); CO образуется при горении кокса и по реакции $CO_{2} + C \overset{}{\to} 2 CO$ .

CaCO_{3} \overset{}{\to} CaO + CO_{2} ↑ CaO + SiO_{2} \overset{}{\to} CaSiO_{3}

Флюс (известняк) превращает пустую породу в легкоплавкий шлак.

m (CaCO_{3}) = m (SiO_{2}) \cdot \frac{M (CaCO_{3})}{M (SiO_{2})}

Расчёт флюса: на 1 моль SiO₂ — 1 моль CaCO₃ (60,08 г → 100,09 г).

2 C + O_{2} \overset{}{\to} 2 CO Si + O_{2} \overset{}{\to} SiO_{2}

В конвертере кислород окисляет лишний углерод, кремний, марганец и фосфор в чугуне — выделяется теплота.

Δ G^{\circ} = Δ H^{\circ} - T Δ S^{\circ}

Диаграмма Эллингема: если линия восстановителя лежит ниже линии оксида, он может восстановить этот оксид (вузовский режим).

Теория

Металлы в природе и их получение

Малоактивные металлы (золото, платина, иногда серебро и медь) встречаются в природе в самородном (свободном) виде, остальные — в виде соединений: оксиды (гематит Fe₂O₃, магнетит Fe₃O₄, боксит Al₂O₃·nH₂O), сульфиды (халькопирит CuFeS₂, галенит PbS, сфалерит ZnS), хлориды (галит NaCl, сильвин KCl, карналлит), карбонаты (сидерит FeCO₃). Горная порода, из которой выгодно получать металл, — руда; её сначала обогащают (дробление, магнитная сепарация, флотация). Способы получения: пирометаллургия — восстановление при высокой температуре коксом, CO, H₂ или более активным металлом ( $Fe_{2} O_{3} + 3 CO \overset{}{\to} 2 Fe + 3 CO_{2}$ , $WO_{3} + 3 H_{2} \overset{}{\to} W + 3 H_{2} O$ , алюминотермия $Cr_{2} O_{3} + 2 Al \overset{}{\to} 2 Cr + Al_{2} O_{3}$ ); гидрометаллургия — перевод руды в раствор и выделение из него металла ( $CuO + H_{2} SO_{4} \overset{}{\to} CuSO_{4} + H_{2} O$ , $CuSO_{4} + Fe \overset{}{\to} FeSO_{4} + Cu$ , цианирование золота); электрометаллургия — электролиз расплава или раствора (Na, Mg, Al; рафинирование меди, цинк). Активные металлы (Li … Al) получают в основном электролизом расплава, металлы средней активности (Zn … Pb, Cu) — главным образом восстановлением.

Металлургия в Узбекистане и доменная печь

Алмалыкский ГМК — из медно-порфировой руды Калмакыра получают медь (электролитическую катодную медь — с 1964 года), молибден, золото и серебро; производят также цинк и серную кислоту; Навоийский ГМК — золото Мурунтау (цианирование и сорбция на ионообменной смоле); Бекабад — Узбекский металлургический комбинат (с 1944 года), сталь выплавляют в основном из металлолома в электродуговых печах; Чирчик — вольфрам и молибден. В доменную печь (высотой более ≈ 30 м) сверху послойно загружают руду, кокс и флюс (известняк), а снизу через фурмы вдувают воздух, нагретый до 1000–1200 °C (горячее дутьё). У фурм горит кокс ( $C + O_{2} \overset{}{\to} CO_{2}$ , ≈ 2000 °C), CO₂ на раскалённом коксе превращается в CO ( $CO_{2} + C \overset{}{\to} 2 CO$ ). Поднимающийся CO ступенчато восстанавливает оксиды железа: Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe. Железо, растворяя углерод (≈ 4 % C), превращается в чугун и плавится при ≈ 1150–1200 °C; пустая порода с флюсом образует шлак: $CaO + SiO_{2} \overset{}{\to} CaSiO_{3}$ . Шлак лёгкий — он плавает на чугуне, оба выпускают через отдельные отверстия; доменный газ сжигают в воздухонагревателях (кауперах).

Выплавка стали и легирование

Чугун хрупок: в нём ≈ 4 % C, кремний, марганец, сера и фосфор. Получение стали — это выжигание (окисление) лишнего углерода и примесей: $2 C + O_{2} \overset{}{\to} 2 CO ↑$ , $Si + O_{2} \overset{}{\to} SiO_{2}$ , $2 Mn + O_{2} \overset{}{\to} 2 MnO$ , фосфор уходит в шлак с известью. Кислородный конвертер: в ≈ 300 т жидкого чугуна через охлаждаемую водой фурму вдувают чистый кислород; топливо не нужно — теплота окисления нагревает металл выше 1600 °C, избыток теплоты поглощает металлолом; одна плавка длится ≈ 40 минут. Электродуговая печь: металлолом плавится в дуге между графитовыми электродами (температура — несколько тысяч градусов), на 1 т уходит ≈ 0,4 МВт·ч электроэнергии. Мартеновская печь — старый способ (в Бекабаде остановлена в 2014 году). В 2024 году ≈ 70 % мировой стали получено по пути домна — конвертер, ≈ 29 % — в электродуговых печах. В конце FeO в стали восстанавливают (Mn, Si, Al) и легируют: Cr ≥ 10,5 % — нержавеющая сталь (18 % Cr + 10 % Ni — кухонная посуда), 11–14 % Mn — сталь Гадфильда (железнодорожные крестовины), W, V, Mo — быстрорежущие инструментальные стали.

Лабораторная работа 17: чугун и сталь

Диаграмма железо–углерод: при содержании углерода менее 2,14 % — сталь, при большем — чугун; сплав с 4,3 % C плавится при самой низкой температуре, 1147 °C (эвтектика), а сталь с 0,8 % C при 727 °C перекристаллизовывается в твёрдом состоянии (эвтектоид: аустенит → перлит). Сравните образцы: молоток — чугун ломается (хрупкий), сталь гнётся (пластичная); излом — у серого чугуна крупные серые зёрна (графит), у белого чугуна блестящие кристаллы (цементит Fe₃C), у стали мелкие зёрна; искры на точиле — низкоуглеродистая сталь даёт длинные жёлтые искры, высокоуглеродистая — ветвистые «звёздочки», искры чугуна короткие и красные; напильник — белый чугун очень твёрдый. Магнит притягивает оба — он их не различает. Из чугуна делают литые изделия (казаны, радиаторы), из стали — прокат, арматуру, инструменты.

Вуз: основы химической технологии

Диаграмма Эллингема — $Δ G ° = Δ H ° - T Δ S °$ для реакций окисления (на 1 моль O₂). Линии оксидов металлов идут вверх (газ O₂ расходуется, $Δ S < 0$ ), а линия $2 C + O_{2} \overset{}{\to} 2 CO$ идёт вниз ( $Δ S > 0$ ). Элемент, чья линия лежит ниже, восстанавливает оксид, лежащий выше: углерод восстанавливает FeO выше ≈ 750 °C, Cr₂O₃ — выше ≈ 1200 °C, а Al₂O₃ и MgO мог бы восстановить лишь выше ≈ 2000 °C, но на практике это бесполезно (образуются карбиды, огромный расход энергии) — их получают электролизом (подробнее — в эксперименте «Электролиз и коррозия»: электролиз поваренной соли, алюминий). Обогащение сырья: механическое (дробление, грохочение, гравитационное), термическое (обжиг), электромагнитное (магнетит), физико-химическое — флотация: гидрофобные частицы прилипают к пузырькам воздуха и поднимаются в пену; уголь от природы гидрофобен — с керосином (собиратель) и пенообразователем его зольность (минеральная часть) снижают; из обогащённого угля получают кокс. Медь: бедная руда (менее 1 % Cu) → флотационный концентрат → плавка (штейн) → конвертер (черновая медь) → анод → электролитическое рафинирование (на катоде 99,99 % Cu, в анодном шламе Au, Ag, Se, Te); из SO₂ получают серную кислоту — комплексное использование сырья. Золото: измельчённую руду растворяют в щелочном цианидном растворе кислородом воздуха: $4 Au + 8 NaCN + O_{2} + 2 H_{2} O \overset{}{\to} 4 Na [Au (CN)_{2}] + 4 NaOH$ , затем выделяют смолой или цинком.

Безопасность и модель

Техника безопасности: в металлургическом цехе — защитная одежда, каска, маска для лица; при контакте жидкого металла и шлака с водой возможен взрыв; CO в доменном газе — яд без запаха. В лаборатории: на точиле работайте в очках, берегитесь осколков, отлетающих при ударе молотка; не пробуйте на вкус медный купорос и кислоты; цианиды чрезвычайно ядовиты — с ними работают только на заводе, в щелочной среде (pH > 10,5, чтобы не выделялся HCN). Модель: массы руды и флюса на 1 т чугуна берутся по стехиометрии (в чугуне 94 % Fe, кокса 450 кг), температурный профиль схематичен; изменение углерода, кремния, марганца и температуры в конвертере — упрощённая типовая модель; в электродуговой печи 0,4 МВт·ч на 1 т; линии Эллингема — прямые с ΔH° и ΔS° при 298 К (фазовые переходы, например кипение цинка и магния, не учитываются); флотация — кинетика первого порядка; время ускорено.

Знаете ли вы?

Узбекский металлургический комбинат в Бекабаде запущен в 1944 году. Сейчас он выплавляет сталь в основном из металлолома в электродуговых печах; старые мартеновские печи остановлены в 2014 году.
В 2024 году примерно 70 % выплавленной в мире стали получено по пути домна — кислородный конвертер, примерно 29 % — в электродуговых печах (данные worldsteel).

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Серная кислота и контактный способ — 8 класс
Азот, аммиак и азотная кислота — 8 класс
Фосфор и минеральные удобрения — 8 класс
Углерод и его соединения — 9 класс
Кремний и силикаты — 9 класс
Металлы и сплавы — 9 класс
Щелочные металлы и сода — 9 класс
Алюминий и его соединения — 9 класс
Медь, серебро, золото и цинк — 9 класс
Хром и марганец: цветные ионы — 9 класс