Kimyo · Elementlar kimyosi · 9-sinf

Cho‘yan va po‘lat olish

Qo‘ng‘ir rudadan qanday qilib temir olinadi va cho‘yan qanday qilib po‘latga aylanadi?

Vaziyat

Bekoboddagi metallurgiya kombinatida metallolom elektr yoy pechida eritilib, po‘latga aylanadi. Dunyo po‘latining katta qismi esa boshqa yo‘ldan keladi: qizil-qo‘ng‘ir temir rudasi 30 metrdan baland domna pechida koks bilan qaytarilib cho‘yanga, cho‘yan esa kislorod puflanadigan konverterda po‘latga aylanadi. Olmaliqda mis va rux, Navoiyda oltin olinadi. Metallar tabiatda qanday holda uchraydi, ular rudadan qanday ajratib olinadi va cho‘yan po‘latdan nimasi bilan farq qiladi?

Mavzu

Metallarni olish: cho‘yan va po‘lat. Bekobod metallurgiya kombinati: metallolomdan elektr yoy pechida po‘lat; domna pechida rudadan cho‘yan

Asosiy tushunchalar

Domna pechi
Konverter va elektr yoy pechi
Metallurgiya usullari

Formulalar

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

Domna pechida temir oksidini uglerod(II) oksidi qaytaradi; CO koks yonishidan va $CO_{2} + C \overset{}{\to} 2 CO$ dan hosil bo‘ladi.

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

Flyus (ohaktosh) bo‘sh jinsni oson eriydigan shlakka aylantiradi.

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

Flyus hisobi: 1 mol SiO₂ ga 1 mol CaCO₃ (60,08 g → 100,09 g).

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

Konverterda kislorod cho‘yandagi ortiqcha uglerod, kremniy, marganets va fosforni oksidlaydi — issiqlik ajraladi.

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

Ellingem diagrammasi: qaytaruvchining chizig‘i oksidnikidan pastda bo‘lsa, u oksidni qaytara oladi (universitet rejimi).

Nazariya

Metallar tabiatda va ularning olinishi

Faolligi past metallar (oltin, platina, ba’zan kumush va mis) tabiatda tug‘ma (erkin) holda uchraydi, qolganlari — birikmalar holida: oksidlar (gematit Fe₂O₃, magnetit Fe₃O₄, boksit Al₂O₃·nH₂O), sulfidlar (xalkopirit CuFeS₂, galenit PbS, sfalerit ZnS), xloridlar (galit NaCl, silvin KCl, karnallit), karbonatlar (siderit FeCO₃). Metall olish foydali bo‘lgan tog‘ jinsi — ruda; u avval boyitiladi (maydalash, magnit separatsiya, flotatsiya). Olish usullari: pirometallurgiya — yuqori haroratda koks, CO, H₂ yoki faolroq metall bilan qaytarish ( $Fe_{2} O_{3} + 3 CO \overset{}{\to} 2 Fe + 3 CO_{2}$ , $WO_{3} + 3 H_{2} \overset{}{\to} W + 3 H_{2} O$ , alyuminotermiya $Cr_{2} O_{3} + 2 Al \overset{}{\to} 2 Cr + Al_{2} O_{3}$ ); gidrometallurgiya — rudani eritmaga o‘tkazib, metallni ajratish ( $CuO + H_{2} SO_{4} \overset{}{\to} CuSO_{4} + H_{2} O$ , $CuSO_{4} + Fe \overset{}{\to} FeSO_{4} + Cu$ , oltinni sianidlash); elektrometallurgiya — suyuqlanma yoki eritma elektrolizi (Na, Mg, Al; misni tozalash, rux). Faol metallar (Li … Al) asosan suyuqlanma elektrolizi bilan, o‘rtadagilari (Zn … Pb, Cu) — asosan qaytarish bilan olinadi.

O‘zbekistonda metallurgiya va domna pechi

Olmaliq KMK — Qalmoqqir mis-porfir rudasidan mis (1964-yildan elektrolitik katod mis), molibden, oltin va kumush; rux va sulfat kislota ham ishlab chiqariladi; Navoiy KMK — Muruntau oltini (sianidlash va ion almashinuvchi smolada sorbsiya); Bekobod — O‘zbekiston metallurgiya kombinati (1944-yildan), po‘latni asosan metallolomdan elektr yoy pechlarida eritadi; Chirchiq — volfram va molibden. Domna pechi (balandligi ≈ 30 m dan ortiq) tepasidan navbatma-navbat ruda, koks va flyus (ohaktosh) solinadi, pastdan furmalar orqali 1000–1200 °C ga qizdirilgan havo (issiq dutyo) puflanadi. Furmalar oldida koks yonadi ( $C + O_{2} \overset{}{\to} CO_{2}$ , ≈ 2000 °C), CO₂ cho‘g‘ koksda CO ga aylanadi ( $CO_{2} + C \overset{}{\to} 2 CO$ ). Ko‘tarilayotgan CO temir oksidlarini bosqichma-bosqich qaytaradi: Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe. Temir uglerodni eritib (≈ 4 % C) cho‘yanga aylanadi va ≈ 1150–1200 °C da eriydi; bo‘sh jins flyus bilan shlak hosil qiladi: $CaO + SiO_{2} \overset{}{\to} CaSiO_{3}$ . Shlak yengil — cho‘yan ustida suzadi, ikkalasi alohida teshiklardan chiqariladi; domna gazi havo isitkichlari (kauperlar)da yoqiladi.

Po‘lat ishlab chiqarish va legirlash

Cho‘yan mo‘rt: unda ≈ 4 % C, kremniy, marganets, oltingugurt va fosfor bor. Po‘lat olish — ortiqcha uglerod va qo‘shimchalarni oksidlab chiqarish: $2 C + O_{2} \overset{}{\to} 2 CO ↑$ , $Si + O_{2} \overset{}{\to} SiO_{2}$ , $2 Mn + O_{2} \overset{}{\to} 2 MnO$ , fosfor ohak bilan shlakka o‘tadi. Kislorod-konverter: ≈ 300 t suyuq cho‘yanga suv bilan sovitiladigan furma orqali toza kislorod puflanadi; yoqilg‘i kerak emas — oksidlanish issiqligi metallni 1600 °C dan yuqori qizdiradi, ortiqcha issiqlikni metallolom yutadi; bir eritma ≈ 40 minut. Elektr yoy pechi: metallolom grafit elektrodlar orasidagi yoyda (harorati bir necha ming gradus) eriydi — 1 t ga ≈ 0,4 MVt·soat elektr energiyasi. Marten pechi — eski usul (Bekobodda 2014-yilda to‘xtatilgan). 2024-yilda dunyo po‘latining ≈ 70 % i domna–konverter, ≈ 29 % i elektr yoy pechi yo‘lidan olingan. Oxirida po‘latdagi FeO qaytariladi (Mn, Si, Al bilan) va legirlanadi: Cr ≥ 10,5 % — zanglamas po‘lat (18 % Cr + 10 % Ni — oshxona idishlari), 11–14 % Mn — Gadfild po‘lati (temiryo‘l krestovinalari), W, V, Mo — tez kesuvchi asbob po‘latlari.

17-laboratoriya ishi: cho‘yan va po‘lat

Temir–uglerod diagrammasi: uglerod 2,14 % dan kam bo‘lsa — po‘lat, ko‘p bo‘lsa — cho‘yan; 4,3 % C li qotishma eng past haroratda, 1147 °C da eriydi (evtektika), 0,8 % C li po‘lat 727 °C da qattiq holda qayta kristallanadi (evtektoid: austenit → perlit). Namunalarni solishtiring: bolg‘a — cho‘yan sinadi (mo‘rt), po‘lat egiladi (plastik); singan yuza — kulrang cho‘yanda yirik kulrang donalar (grafit), oq cho‘yanda yaltiroq kristallar (sementit Fe₃C), po‘latda mayda donalar; charxdagi uchqun — kam uglerodli po‘lat uzun sariq uchqun, ko‘p uglerodlisi tarmoqlangan «yulduzchalar» beradi, cho‘yan uchqunlari qisqa va qizil; egov — oq cho‘yan juda qattiq. Magnit ikkalasini ham tortadi — u farqlamaydi. Cho‘yandan quyma buyumlar (qozon, radiator), po‘latdan prokat, armatura, asboblar yasaladi.

Universitet: kimyoviy texnologiya asoslari

Ellingem diagrammasi — oksidlanish reaksiyalari uchun $Δ G ° = Δ H ° - T Δ S °$ (1 mol O₂ ga). Metall oksidlarining chiziqlari yuqoriga ko‘tariladi (gaz — O₂ sarflanadi, $Δ S < 0$ ), $2 C + O_{2} \overset{}{\to} 2 CO$ chizig‘i esa pastga tushadi ( $Δ S > 0$ ). Qaysi chiziq pastda bo‘lsa, o‘sha element yuqoridagi oksidni qaytaradi: uglerod FeO ni ≈ 750 °C dan, Cr₂O₃ ni ≈ 1200 °C dan yuqorida qaytaradi, Al₂O₃ va MgO ni esa faqat ≈ 2000 °C dan yuqorida qaytarishi mumkin, amalda bu foydasiz (karbidlar hosil bo‘ladi, energiya juda ko‘p) — ular elektroliz bilan olinadi (batafsil — «Elektroliz va korroziya» tajribasida: osh tuzi elektrolizi, alyuminiy). Xomashyoni boyitish: mexanik (maydalash, elash, gravitatsion), termik (kuydirish), elektromagnit (magnetit), fizik-kimyoviy — flotatsiya: gidrofob zarralar havo pufakchalariga yopishib ko‘pikka chiqadi; ko‘mir tabiatan gidrofob — kerosin (kollektor) va ko‘pik hosil qiluvchi bilan uning kuli (mineral qism) kamaytiriladi; boyitilgan ko‘mirdan koks olinadi. Mis: kambag‘al ruda (1 % dan kam Cu) → flotatsiya konsentrati → eritish (shteyn) → konverter (xom mis) → anod → elektrolitik tozalash (katodda 99,99 % Cu, anod shlamida Au, Ag, Se, Te); SO₂ dan sulfat kislota olinadi — xomashyodan kompleks foydalanish. Oltin: maydalangan ruda ishqoriy sianid eritmasida havo kislorodi bilan eritiladi: $4 Au + 8 NaCN + O_{2} + 2 H_{2} O \overset{}{\to} 4 Na [Au (CN)_{2}] + 4 NaOH$ , so‘ng smola yoki rux bilan ajratiladi.

Xavfsizlik va model

Xavfsizlik: metallurgiya sexida — himoya kiyimi, dubulg‘a, yuz niqobi; suyuq metall va shlak suv bilan to‘qnashsa portlash xavfi bor; domna gazidagi CO — hidsiz zahar. Laboratoriyada: charxda ko‘zoynak bilan ishlang, bolg‘a zarbasida sinib uchgan bo‘laklardan ehtiyot bo‘ling; mis kuporosi va kislotalarni tatib ko‘rmang; sianidlar o‘ta zaharli — ular bilan faqat zavodda, ishqoriy muhitda (pH > 10,5, HCN ajralmasligi uchun) ishlanadi. Model: domna pechida 1 t cho‘yanga ruda va flyus massalari stexiometriyadan (cho‘yanda 94 % Fe, koks 450 kg), harorat profili sxematik; konverterda uglerod, kremniy, marganets va haroratning o‘zgarishi soddalashtirilgan namunaviy model; elektr yoy pechida 1 t ga 0,4 MVt·soat; Ellingem chiziqlari 298 K dagi ΔH° va ΔS° bilan to‘g‘ri chiziqlar (fazaviy o‘tishlar — masalan, rux va magniyning qaynashi — hisobga olinmagan); flotatsiya — birinchi tartibli kinetika; vaqt tezlashtirilgan.

Bilasizmi?

Bekoboddagi O‘zbekiston metallurgiya kombinati 1944-yilda ishga tushgan. Hozir u po‘latni asosan metallolomdan elektr yoy pechlarida eritadi; eski marten pechlari 2014-yilda to‘xtatilgan.
2024-yilda dunyoda eritilgan po‘latning taxminan 70 % i domna — kislorod-konverter yo‘li bilan, taxminan 29 % i elektr yoy pechlarida olingan (worldsteel ma’lumotlari).

Tajribada nima bor

Tajriba hayotiy vaziyatdan boshlanadi: natijani taxmin qilasiz, boshqaruvlarni o‘zgartirib tajriba o‘tkazasiz va xulosa chiqarasiz. Ichida topshiriqlar, nazariya, test va ekskursiya bor — kamera o‘zi harakatlanib, eng muhim joylarni tushuntiradi.

Shu bo‘limdagi boshqa tajribalar

Sulfat kislota va kontakt usuli — 8-sinf
Azot, ammiak va nitrat kislota — 8-sinf
Fosfor va mineral o‘g‘itlar — 8-sinf
Uglerod va uning birikmalari — 9-sinf
Kremniy va silikatlar — 9-sinf
Metallar va qotishmalar — 9-sinf
Ishqoriy metallar va soda — 9-sinf
Alyuminiy va uning birikmalari — 9-sinf
Mis, kumush, oltin va rux — 9-sinf
Xrom va marganets: rangli ionlar — 9-sinf