U životu se stalno susrećemo sa legurama, od kojih je najčešći čelik. Stoga ne čudi što će se neko zapitati kako se proizvodi čelik?

Čelik je jedna od legura željeza i ugljika, koja se široko koristi Svakodnevni život. Proces proizvodnje čelika je višefazan i sastoji se od nekoliko faza: vađenje i obogaćivanje rude, proizvodnja sintera, proizvodnja željeza i topljenje čelika.

Ruda i sinter

Ležišta rude omogućavaju vađenje bogatih i siromašnih stijena. Bogata ruda može se odmah koristiti kao proizvodna sirovina. Da bi se mogla topiti siromašna ruda, ona se mora obogatiti, odnosno povećati sadržaj čistog metala u njoj. Da bi se to postiglo, ruda se drobi i, koristeći različite tehnologije, odvajaju se čestice bogate metalnim jedinjenjima. Na primjer, za željezne rude se koristi magnetna separacija - efekat magnetsko polje na sirovini kako bi se odvojile čestice bogate gvožđem.

Dobija se koncentrat niske disperzije koji se sinteruje u veće komade. Rezultat pečenja željezne rude je aglomerat. Vrste aglomerata su nazvane prema glavnim sirovinama koje čine njihov sastav. U našem slučaju radi se o sinteru željezne rude. Sada, da bismo razumjeli kako se proizvodi čelik, potrebno je pratiti daljnji tehnološki proces.

Proizvodnja livenog gvožđa.

Liveno gvožđe se topi u visokim pećima, koje rade na principu protivtoka. Utovar sintera, koksa i drugog punjenja vrši se odozgo. Odozdo prema gore, prema ovim materijalima, dižu se tokovi vrućeg plina izgaranjem koksa. Počinje niz hemijskih procesa koji rezultiraju redukcijom željeza i njegovim zasićenjem ugljikom. Temperaturni režim dok ostaje u području od 400-500 stepeni Celzijusa. U donjim delovima peći, gde se redukovano gvožđe postepeno snižava, temperatura raste na 900-950 stepeni. Nastaje tečna legura gvožđa i ugljenika - liveno gvožđe. Do glavnog hemijske karakteristike liveno gvožđe uključuje: sadržaj ugljika veći od 2,14%, obavezno prisustvo sumpora, silicijuma, fosfora i mangana u sastavu. Liveno gvožđe je veoma krto.

Topljenje čelika.

Sada smo blizu posljednja faza da naučite kako se proizvodi čelik. Hemijski, čelik se razlikuje od livenog gvožđa po tome što ima niži sadržaj ugljenika; Shodno tome, glavni zadatak proizvodni proces– smanjiti sadržaj ugljika i drugih nečistoća u glavnoj leguri željeza. Za proizvodnju čelika koriste se otvorene peći, pretvarači kisika ili električne peći.

By razne tehnologije rastopljeno gvožđe se duva kiseonikom na veoma visokim temperaturama. Događa se obrnuti proces - oksidacija željeza na nivou nečistoća uključenih u leguru. Nastala šljaka se naknadno uklanja. Kao rezultat puhanja kisikom, sadržaj ugljika se smanjuje i liveno željezo se pretvara u čelik.

Legirajući elementi se mogu dodati čeliku kako bi se promijenila svojstva materijala. Stoga se legura željeza i ugljika sa sadržajem željeza od najmanje 45% smatra čelikom.

Gore navedeni procesi objasnili su kako se proizvodi čelik, od kojih materijala i pomoću kojih tehnologija.

Mnogo ranije od gvožđa ljudi su naučili da kopaju i. Prije samo 450 godina, Španci, koji su se iskrcali u Srednjoj i Južnoj Americi, otkrili su tamo bogate gradove s ogromnim javnim zgradama, palačama i hramovima. Međutim, pokazalo se da Indijanci još nisu poznavali željezo. Njihovo oruđe i oružje bili su samo od kamena.

Iz istorije je poznato da su narodi Egipta, Mesopotamije i Kine 3-4 hiljade godina pre nove ere. e. proizveden gigantski građevinski radovi da upregne moć moćnih reka i usmeri vode u polja. Za sve te radove bilo je potrebno mnogo oruđa - krampi, motike, plugovi, a za zaštitu od nomadskih napada, mnogo oružja - mačevi i strijele. Istovremeno, bakra i kalaja nije bilo toliko kopano. Stoga je razvoj proizvodnje zahtijevao novi metal, češći u prirodi. Potraga za ovim metalom nije bila laka: željezne rude malo liče na metal, a u davna vremena, naravno, čovjeku je bilo teško pretpostaviti da je u njima metal koji mu je potreban. Osim toga, sam po sebi je vrlo mekan, loš je materijal za izradu oruđa i oružja.

Prošlo je dosta vremena dok osoba nije naučila da vadi gvožđe iz rude i pravi i od njega.

Moguće je da su prva otkrića željeza kao materijala za proizvodnju razne predmete povezan sa nalazima željeznih meteorita, koji se sastoje od prirodnog željeza s primjesom nikla. Možda su ljudi, promatrajući kako meteorsko željezo rđa, pogodili da se željezo nalazi u žutim zemljanim okerima, koji se često nalaze na površini zemlje, a zatim otkrili načine za topljenje željeza.

Prema istorijskim podacima, oko hiljadu godina pr. e. u Asiriji, Indiji, Urartuu i nekim drugim zemljama već su znali kako se vadi i prerađuje željezo. Korišćen je za izradu alata i raznih oružja. U 7. veku BC e. poljoprivredno stanovništvo, koje je živjelo duž Dnjepra i u crnomorskim stepama, također je vješto vadilo željezo. Od njega su Skiti pravili noževe, mačeve, vrhove strela i koplja i druge vojne i kućne predmete.

Ekstrakcija i umjetnost obrade željeza bili su široko rasprostranjeni u cijeloj Drevnoj Rusiji.

Kovači, popularno nazvani "lukavi" u to vrijeme, ne samo da su prerađivali, već su obično i sami izvlačili željezo iz ruda. Bili su veoma poštovani. U narodnim pričama, kovač pobjeđuje zmiju Gorynych, koja je personificirala zle sile, i čini mnoga druga herojska djela.

Gvožđe je mekani metal koji se dobro podnosi kovanju, ali unutra čista forma neprikladan za izradu oruđa.Kažu mu samo legure gvožđa sa drugim materijama potrebna svojstva uključujući tvrdoću. Najvažnije za Nacionalna ekonomija dvije legure gvožđa i ugljenika - liveno gvožde koji sadrže više od 2% (do 6%) ugljika, i čelika koji sadrže od 0,03 do 2% ugljika.

U davna vremena ljudi nisu imali pojma o livenom gvožđu, ali su naučili kako da od gvožđa prave čelik. Topili su željezo u primitivnim kovačnicama, miješajući željeznu rudu ugalj. Dobijali su visoku temperaturu potrebnu za topljenje željezne a-rude pomoću običnih puhačkih mijehova. Pokrenute su rukama, a kasnije i snagom vode, postavljanjem vodenica. Nakon topljenja željezne rude dobijala se sinterovana masa zrnastog željeza, koja je potom kovana na nakovnjima.

Da bi se od željeza dobio čelik, tanke trake kovanog željeza bile su prekrivene drvenim ugljem i kalcinirane zajedno s ugljenom nekoliko dana. Naravno, na ovaj način se dobijalo malo čelika, a bio je skup. Tajne proizvodnje čelika čuvane su na najstrožiji način. Bila je posebno poznata damask čelik- damast čelik, - metodu dobijanja koju su, očigledno, razvili drevni indijski majstori, a zatim savladali arapski majstori.

Međutim, sve ove metode prerade željezne rude i izrade čelika proizvele su malo metala. Sve veća potreba za njom primorala je ljude da traže nove načine da značajno dobiju velike količine metal. Krajem 14. - početkom 15. vijeka počele su se graditi peći za topljenje željeza već 2-3 m visine kako bi se dobilo više metala. Majstori koji su topili u ovim pećima primijetili su da su neke taline bile neuspješne. Umjesto gvožđa, u peći je nastala masa nalik na gvožđe, koja je, kada se ohladila, davala krhku, neispravnu supstancu. Ali, za razliku od željeza i čelika, ova masa je imala izvanredno svojstvo: dobivala se u peći u rastopljenom stanju u obliku tekućine, mogla se puštati kroz rupe iz peći i izlijevati iz nje. različitih oblika. Bio je liveno gvožđe.

Naravno, u stara vremena metalurzi nisu bili u stanju da objasne zašto se u nekim slučajevima ispostavilo da se u peći nalazi sinterirano kovno željezo, au drugim tečno lijevano željezo. Hemija kao nauka u to vreme nije postojala i niko od majstora koji su pravili gvožđe nije mogao znati da se sve sastoji u omjeru između rude, uglja i vazduha koji ulazi u peć tokom topljenja. Što se više zraka (tačnije kisika) unese u peć, to će više ugljika izgorjeti i pretvorit će se u ugljični dioksid, koji će ispariti, a malo ugljika će ostati u željezu: tako se dobiva čelik. Ako ima manje zraka, tada se puno ugljika otapa u željezu: nastaje lijevano željezo.

Ljudi su vrlo brzo naučili da koriste liveno gvožđe ne samo za odlivanje, već i za pravljenje kovanog gvožđa od njega. Da bi se to postiglo, komad lijevanog željeza zagrijavan je u pećima i na taj način izgarao višak ugljika iz njega.

Pronalazak parne mašine i razboja u 18. veku a posebno zgrada željeznice in početkom XIX in. zahtijevala ogromnu količinu metala. Ponovo su bile potrebne temeljne promjene u proizvodnji željeza i čelika.

Do 1784. godine, u Engleskoj, Cort je uveo obradu livenog gvožđa u takozvanim plamenim ili reverberacionim pećima. Ovaj proces je imenovan puddling. U peći za odjek, počeli su koristiti umjesto drva. Korištenje uglja u topljenju nekada je bilo otežano sumporom koji ugljen sadrži. Prodire u gvožđe kada dođe u kontakt sa ugljem. I gvožđe koje sadrži sumpor postalo je krhko čim se zagrejalo.

U reverberatorskoj peći ložište je odvojeno pragom od kade u kojoj se topi liveno gvožđe, pa tako ugalj ne dolazi u direktan kontakt. Liveno gvožđe se zagreva plamenom i vrućim vazduhom koji prelazi preko njega iz peći i odbija se od krova peći. Uporedo sa unapređenjem načina proizvodnje livenog gvožđa, intenzivirana su potraga za novim metodama proizvodnje čelika.

Tajnu izrade damaskog čelika - damast čelika - otkrio je poznati ruski metalurg Pavel Petrovič Anosov, koji je radio u prvoj polovini 19. veka u Metalurškom kombinatu Zlatoust. Ratopio je željezo u malim loncima sa grafitom, koji je također ugljik, i dobio divan čelik iz Damaska. Kliše napravljen od ovog čelika bio je jači od najjačeg engleskog čelika, koji se u to vrijeme smatrao najboljim na svijetu.

Godine 1856. engleski inženjer Bessemer je predložio uduvavanje zraka u "mlaznice" - rupe na dnu retorte - kroz rastopljeni liveni gvožđe, zbog čega se sav višak uglja za 10-20 minuta pretvorio u ugljen-dioksid, a liveno gvožđe u čelik.

Kasnije se pojavila metoda topljenja čelika u reverberacijskim pećima, tzv otvorenog ognjišta. Reverberatorne peći na otvorenom su mnogo bolje od starih odječnih peći. AT specijalnih uređaja otvorene peći - regeneratori - vazduh i zapaljivi gas dobijeni iz uglja se prethodno zagrevaju na 1000°. Zagrijavanje nastaje zbog topline dimnih plinova koji dolaze iz iste peći. Zagrijavanje plina i zraka doprinosi razvoju (tokom sagorijevanja plina) temperature od oko 1800°. Ovo je dovoljno da se istopi gvožđe i čelični otpad.

Posebno visokokvalitetni čelik danas se topi u električnim pećima, gdje se metal dobiva topljenjem u naponskom luku, čija temperatura doseže 3000 °. Prednosti električnog topljenja su u tome što metal nije kontaminiran štetnim nečistoćama, koje su uvijek prisutne u gorivnim plinovima koji se sagorevaju u konvencionalnim pećima.

Liveno gvožđe se topi u visokim pećima. Visina moderne visoke peći, zajedno sa pomoćnim uređajima, iznosi 40 metara i više. Da bi se snizila tačka topljenja željezne rude, dodaje se tok, ili limeni jelen, - tvar koja, spajajući se s nekim sastavnim dijelovima rude, formira trosku niskog taljenja. Obično se kao fluks koristi fluorit, ili fluorit itd. Mješavina rude i fluksa se naziva naplatiti. Smjesa se sipa u drugu peć, prošaranu koksom, koji, kada izgori, zagrijava i topi cijelu smjesu. Koks normalno gori samo ako se u njega uduva zrak, prethodno zagrijan na 600-850 °. Vazduh se zagreva gasovima koji izlaze iz visoke peći u čeličnim tornjevima - cauiopax, - iznutra obložena ciglama.

U najnižem dijelu peći, usijano, u susretu s vrućim zrakom, izgara. Ovo proizvodi ugljični dioksid (CO2). Kako se diže, pretvara se u drugi plin - ugljični monoksid (CO) koji se odlikuje visokom kemijskom aktivnošću.

Ugljični monoksid pohlepno oduzima kisik iz željeznih oksida. Tako pušten metalno gvožđe koji sadrže ugljik, t. livenog gvožđa, koji se zatim uliva u donji dio visoke peći. S vremena na vrijeme se pušta kroz poseban otvor u peći, te se ulijeva u kalupe gdje se hladi.

Gvožđe je element sekundarne podgrupe osme grupe četvrtog perioda periodični sistem hemijski elementi D. I. Mendeljejeva sa atomskim brojem 26. Označen je simbolom Fe (lat. Ferrum). Jedan od najčešćih metala u zemljinoj kori (drugo mjesto nakon aluminija). Metal srednje aktivnosti, redukciono sredstvo.

Glavna oksidaciona stanja - +2, +3

Jednostavna supstanca gvožđe je savitljiv srebrno-beli metal visoke hemijske reaktivnosti: gvožđe brzo korodira na visokim temperaturama ili pri visoka vlažnost u zraku. U čistom kiseoniku gvožđe gori, au fino raspršenom stanju se spontano zapali na vazduhu.

Hemijska svojstva jednostavne supstance - gvožđa:

Rđanje i gorenje u kiseoniku

1) Na vazduhu, gvožđe se lako oksidira u prisustvu vlage (rđanje):

4Fe + 3O 2 + 6H 2 O → 4Fe(OH) 3

Zagrijana željezna žica gori u kisiku, stvarajući kamenac - željezni oksid (II, III):

3Fe + 2O 2 → Fe 3 O 4

3Fe + 2O 2 → (Fe II Fe 2 III) O 4 (160 ° C)

2) Na visokim temperaturama (700-900°C), gvožđe reaguje sa vodenom parom:

3Fe + 4H 2 O - t ° → Fe 3 O 4 + 4H 2

3) Gvožđe reaguje sa nemetalima kada se zagreje:

2Fe+3Cl 2 →2FeCl 3 (200 °C)

Fe + S – t° → FeS (600 °S)

Fe + 2S → Fe +2 (S 2 -1) (700 °C)

4) U nizu napona nalazi se lijevo od vodonika, reagira sa razrijeđenim kiselinama Hcl i H 2 SO 4, pri čemu nastaju soli željeza (II) i oslobađa se vodonik:

Fe + 2HCl → FeCl 2 + H 2 (reakcije se odvijaju bez pristupa vazduha, inače se Fe +2 postepeno pretvara kiseonikom u Fe +3)

Fe + H 2 SO 4 (dif.) → FeSO 4 + H 2

U koncentriranim oksidirajućim kiselinama željezo se otapa tek kada se zagrije, odmah prelazi u Fe 3+ kation:

2Fe + 6H 2 SO 4 (konc.) – t° → Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O

Fe + 6HNO 3 (konc.) – t° → Fe(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O

(u hladnoj, koncentrovane azotne i sumporne kiseline pasivirati

Gvozdeni nokat umočen u plavkasti rastvor plavi vitriol, postepeno prekriven premazom od crvenog metalnog bakra

5) Gvožđe istiskuje metale desno od sebe u rastvorima njihovih soli.

Fe + CuSO 4 → FeSO 4 + Cu

Amfoternost gvožđa se manifestuje samo u koncentrisanim alkalijama tokom ključanja:

Fe + 2NaOH (50%) + 2H 2 O \u003d Na 2 ↓ + H 2

i formira se talog natrijum tetrahidroksoferata(II).

Tehničko gvožđe- legure gvožđa sa ugljenikom: liveno gvožđe sadrži 2,06-6,67% C, čelika 0,02-2,06% C, druge prirodne nečistoće (S, P, Si) i umjetno uneseni specijalni aditivi (Mn, Ni, Cr) su često prisutni, što tehnički čini legure željeza korisne karakteristike- tvrdoća, termička i otpornost na koroziju, savitljivost itd. .

Proces proizvodnje gvožđa u visokim pećima

Proces proizvodnje željeza u visokoj peći sastoji se od sljedećih faza:

a) priprema (prženje) sulfidnih i karbonatnih ruda - pretvaranje u oksidnu rudu:

FeS 2 → Fe 2 O 3 (O 2, 800 ° C, -SO 2) FeCO 3 → Fe 2 O 3 (O 2, 500-600 ° C, -CO 2)

b) sagorevanje koksa sa vrućim udarom:

C (koks) + O 2 (vazduh) → CO 2 (600-700 °C) CO 2 + C (koks) ⇌ 2CO (700-1000 °C)

c) redukcija oksidne rude ugljičnim monoksidom CO uzastopno:

Fe2O3 →(CO)(Fe II Fe 2 III) O 4 →(CO) FeO →(CO) Fe

d) karburizacija gvožđa (do 6,67% C) i topljenje livenog gvožđa:

Fe (t ) →(C(koka-kola)900-1200°S) Fe (g) (lijevano željezo, t pl 1145°C)

U livenom gvožđu cementit Fe 2 C i grafit su uvek prisutni u obliku zrna.

Proizvodnja čelika

Preraspodjela lijevanog željeza u čelik vrši se u posebnim pećima (konverterskim, otvorenim, električnim), koje se razlikuju po načinu grijanja; temperatura procesa 1700-2000 °C. Puhanjem zraka obogaćenog kisikom sagorijeva se višak ugljika iz lijevanog željeza, kao i sumpor, fosfor i silicijum u obliku oksida. U ovom slučaju, oksidi se ili hvataju u obliku izduvnih plinova (CO 2, SO 2), ili se vezuju u šljaku koja se lako odvaja - mješavinu Ca 3 (PO 4) 2 i CaSiO 3. Za dobivanje posebnih čelika, u peć se unose legirajući aditivi drugih metala.

Potvrdačisto željezo u industriji - elektroliza otopine željeznih soli, na primjer:

FeCl 2 → Fe↓ + Cl 2 (90°C) (elektroliza)

(postoje i druge posebne metode, uključujući redukciju željeznih oksida vodonikom).

Čisto željezo se koristi u proizvodnji specijalnih legura, u proizvodnji jezgara elektromagneta i transformatora, liveno gvožđe se koristi u proizvodnji odlivaka i čelika, čelik se koristi kao konstrukcijski i alatni materijali, uključujući habanje, toplotu i koroziju -otporni materijali.

Gvožđe(II) oksid F EO . Amfoterni oksid sa velikom dominacijom osnovnih svojstava. Crna, ima jonsku strukturu Fe 2+ O 2-. Kada se zagreje, prvo se raspada, a zatim ponovo formira. Ne nastaje tokom sagorevanja gvožđa u vazduhu. Ne reaguje sa vodom. Razložen kiselinama, spojen sa alkalijama. Polako oksidira na vlažnom vazduhu. Oporavljen vodonikom, koksom. Učestvuje u visokopećnom procesu topljenja gvožđa. Koristi se kao komponenta keramike i mineralnih boja. Jednačine najvažnijih reakcija:

4FeO ⇌ (Fe II Fe 2 III) + Fe (560-700 ° C, 900-1000 ° C)

FeO + 2HC1 (razb.) \u003d FeC1 2 + H 2 O

FeO + 4HNO 3 (konc.) \u003d Fe (NO 3) 3 + NO 2 + 2H 2 O

FeO + 4NaOH \u003d 2H 2 O + Na 4FeO3 (crveno.) trioksoferat(II)(400-500 °S)

FeO + H 2 \u003d H 2 O + Fe (visoke čistoće) (350 ° C)

FeO + C (koks) \u003d Fe + CO (iznad 1000 ° C)

FeO + CO \u003d Fe + CO 2 (900 ° C)

4FeO + 2H 2 O (vlaga) + O 2 (vazduh) → 4FeO (OH) (t)

6FeO + O 2 \u003d 2 (Fe II Fe 2 III) O 4 (300-500 ° C)

Potvrda in laboratorije: termička razgradnja jedinjenja željeza (II) bez pristupa zraka:

Fe (OH) 2 \u003d FeO + H 2 O (150-200 ° C)

FeSOz \u003d FeO + CO 2 (490-550 ° C)

Digvožđev oksid (III) - gvožđe ( II ) ( Fe II Fe 2 III) O 4 . Dvostruki oksid. Crna, ima jonsku strukturu Fe 2+ (Fe 3+) 2 (O 2-) 4. Termički stabilan do visokih temperatura. Ne reaguje sa vodom. Razloženo kiselinama. Redukuje ga vodonik, usijano gvožđe. Učestvuje u visokopećnom procesu proizvodnje gvožđa. Koristi se kao komponenta mineralnih boja ( minimalno gvožđe), keramika, obojeni cement. Proizvod posebne oksidacije površine čeličnih proizvoda ( crnjenje, plavilo). Sastav odgovara smeđoj rđi i tamnoj ljusci na željezu. Ne preporučuje se upotreba formule Fe 3 O 4. Jednačine najvažnijih reakcija:

2 (Fe II Fe 2 III) O 4 \u003d 6FeO + O 2 (iznad 1538 ° C)

(Fe II Fe 2 III) O 4 + 8HC1 (razb.) \u003d FeC1 2 + 2FeC1 3 + 4H 2 O

(Fe II Fe 2 III) O 4 + 10HNO 3 (konc.) \u003d 3 Fe (NO 3) 3 + NO 2 + 5H 2 O

(Fe II Fe 2 III) O 4 + O 2 (vazduh) \u003d 6Fe 2 O 3 (450-600 ° C)

(Fe II Fe 2 III) O 4 + 4H 2 \u003d 4H 2 O + 3Fe (visoke čistoće, 1000 ° C)

(Fe II Fe 2 III) O 4 + CO \u003d 3 FeO + CO 2 (500-800 ° C)

(Fe II Fe 2 III) O4 + Fe ⇌4 FeO (900-1000 ° C, 560-700 ° C)

Potvrda: sagorevanje gvožđa (vidi) u vazduhu.

magnetit.

Gvožđe(III) oksid F e 2 O 3 . Amfoterni oksid sa dominantnim osnovnim svojstvima. Crveno-braon, ima jonsku strukturu (Fe 3+) 2 (O 2-) 3. Termički stabilan do visokih temperatura. Ne nastaje tokom sagorevanja gvožđa u vazduhu. Ne reaguje sa vodom, iz rastvora se taloži smeđi amorfni hidrat Fe 2 O 3 nH 2 O. Polako reaguje sa kiselinama i alkalijama. Smanjuje se ugljičnim monoksidom, rastopljenim željezom. Legira sa oksidima drugih metala i formira dvostruke okside - spineli (tehnički proizvodi nazivaju feritima. Koristi se kao sirovina za topljenje željeza u visokoj peći, kao katalizator u proizvodnji amonijaka, kao komponenta keramike, obojenih cementa i mineralnih boja, u termitnom zavarivanju čeličnih konstrukcija, kao nosač zvuka i slike. na magnetnim trakama, kao sredstvo za poliranje čelika i stakla.

Jednačine najvažnijih reakcija:

6Fe 2 O 3 \u003d 4 (Fe II Fe 2 III) O 4 + O 2 (1200-1300 ° C)

Fe 2 O 3 + 6HC1 (razb.) → 2FeC1 3 + ZH 2 O (t) (600 °C, p)

Fe 2 O 3 + 2NaOH (konc.) → H 2 O+ 2 NaFeO 2 (crveno)dioksoferat (III)

Fe 2 O 3 + MO \u003d (M II Fe 2 II I) O 4 (M = Cu, Mn, Fe, Ni, Zn)

Fe 2 O 3 + ZN 2 \u003d ZN 2 O + 2Fe (visoko čist, 1050-1100 ° C)

Fe 2 O 3 + Fe \u003d ZFeO (900 ° C)

3Fe 2 O 3 + CO \u003d 2 (Fe II Fe 2 III) O 4 + CO 2 (400-600 ° C)

Potvrda u laboratoriju - termička razgradnja soli željeza (III) u zraku:

Fe 2 (SO 4) 3 \u003d Fe 2 O 3 + 3SO 3 (500-700 ° C)

4 (Fe (NO 3) 3 9 H 2 O) \u003d 2 Fe a O 3 + 12NO 2 + 3O 2 + 36H 2 O (600-700 ° C)

U prirodi - rude željeznog oksida hematit Fe 2 O 3 i limonit Fe 2 O 3 nH 2 O

Gvožđe(II) hidroksid F e(OH) 2 . Amfoterni hidroksid sa dominantnim osnovnim svojstvima. Bijele (ponekad sa zelenkastom nijansom), Fe-OH veze su pretežno kovalentne. Termički nestabilan. Lako oksidira na zraku, posebno kada je mokar (potamni). Nerastvorljivo u vodi. Reaguje sa razrijeđenim kiselinama, koncentriranim alkalijama. Tipičan restaurator. Intermedijarni proizvod u rđenju željeza. Koristi se u proizvodnji aktivne mase željezo-nikl baterija.

Jednačine najvažnijih reakcija:

Fe (OH) 2 \u003d FeO + H 2 O (150-200 ° C, u atm.N 2)

Fe (OH) 2 + 2HC1 (razb.) \u003d FeC1 2 + 2H 2 O

Fe (OH) 2 + 2NaOH (> 50%) \u003d Na 2 ↓ (plavo-zeleno) (ključanje)

4Fe(OH) 2 (suspenzija) + O 2 (vazduh) → 4FeO(OH)↓ + 2H 2 O (t)

2Fe (OH) 2 (suspenzija) + H 2 O 2 (razb.) \u003d 2FeO (OH) ↓ + 2H 2 O

Fe (OH) 2 + KNO 3 (konc.) \u003d FeO (OH) ↓ + NO + KOH (60 ° C)

Potvrda: taloženje iz rastvora sa alkalijama ili amonijačnim hidratom u inertnoj atmosferi:

Fe 2+ + 2OH (razb.) = Fe(OH) 2 ↓

Fe 2+ + 2 (NH 3 H 2 O) = Fe(OH) 2 ↓+ 2NH4

Gvožđe metahidroksid F eO(OH). Amfoterni hidroksid sa dominantnim osnovnim svojstvima. Svijetlo smeđe, Fe-O i Fe-OH veze su pretežno kovalentne. Kada se zagreje, raspada se bez topljenja. Nerastvorljivo u vodi. Precipitira iz rastvora u obliku smeđeg amorfnog polihidrata Fe 2 O 3 nH 2 O, koji se, kada se drži u razblaženom alkalnom rastvoru ili kada se osuši, pretvara u FeO (OH). Reaguje sa kiselinama, čvrstim alkalijama. Slabo oksidaciono i redukciono sredstvo. Sinterovano sa Fe(OH) 2 . Intermedijarni proizvod u rđenju željeza. Koristi se kao osnova za žute mineralne boje i emajle, kao apsorber izduvnih gasova, kao katalizator u organskoj sintezi.

Sastav veze Fe(OH) 3 nije poznat (nije dobijen).

Jednačine najvažnijih reakcija:

Fe 2 O 3 . nH 2 O→( 200-250 °S, —H 2 O) FeO(OH)→( 560-700°C na zraku, -H2O)→Fe 2 O 3

FeO (OH) + ZNS1 (razb.) \u003d FeC1 3 + 2H 2 O

FeO(OH)→ Fe 2 O 3 . nH 2 O-koloid(NaOH (konc.))

FeO(OH)→ Na 3 [Fe(OH) 6 ]bijela, Na 5 i K 4, respektivno; u oba slučaja se taloži plavi produkt istog sastava i strukture, KFe III. U laboratoriji se ovaj talog naziva pruska plava, ili turnbull blue:

Fe 2+ + K + + 3- = KFe III ↓

Fe 3+ + K + + 4- = KFe III ↓

Hemijski nazivi početnih reagensa i produkta reakcije:

K 3 Fe III - kalijum heksacijanoferat (III)

K 4 Fe III - kalijum heksacijanoferat (II)

KFe III - heksacijanoferat (II) gvožđe (III) kalijum

Osim toga, tiocijanatni ion NCS - dobar je reagens za Fe 3+ ione, s njim se kombinira željezo (III) i pojavljuje se jarko crvena ("krvava") boja:

Fe 3+ + 6NCS - = 3-

Sa ovim reagensom (na primjer, u obliku KNCS soli), čak se i tragovi željeza (III) mogu otkriti u voda iz česme ako prođe kroz željezne cijevi prekrivene rđom iznutra.

Gvožđe je više od 5% zemljine kore. Za ekstrakciju željeza uglavnom se koriste rude kao što su hematit Fe2O3 i magnetit Fe3O4. Ove rude sadrže od 20 do 70% željeza. Najvažnije nečistoće željeza u ovim rudama su pijesak (silicijum(IV) oksid SiO2) i glinica (aluminijum oksid Al2O3).

Dobivanje željeza iz željezne rude odvija se u dvije faze. Počinje pripremom rude - mljevenjem i zagrijavanjem. Ruda se usitnjava u komade prečnika ne više od 10 cm, a zatim se kalcinira kako bi se uklonila voda i isparljive nečistoće.

U drugoj fazi, željezna ruda se redukuje u željezo korištenjem ugljičnog monoksida u visokoj peći (slika 2.1), gdje je: 1 - željezna ruda, krečnjak, koks, 2 konus za punjenje (vrh), 3 - gornji plin, 4 - zidanje peći , 5 - zona oporavka željeznog oksida, 6 - zona formiranja šljake, 7 - zona sagorijevanja koksa, 8 - ubrizgavanje zagrijanog zraka kroz koplja, 9 - rastaljeno željezo, 10 - rastopljena troska.

Oporavak se vrši na temperaturama od 700°C:

Fe2O3 (čvrsta) + 3CO (g.) \u003d 2Fe (l.) + 3CO2 (g.)

Da bi se povećao prinos gvožđa, ovaj proces se izvodi u uslovima viška ugljen-dioksida CO2.

Ugljični monoksid CO nastaje u visokoj peći iz koksa i zraka (2.12). Vazduh se prvo zagreva na približno 600°C i propušta u peć specijalna cijev- koplje. Koka-kola gori u vrućem komprimirani zrak tvoreći ugljični dioksid. Ova reakcija je egzotermna i uzrokuje porast temperature iznad 1700°C:

C(g) + O2(g) > CO2(g) , ?H0m = -406 kJ/mol

Ugljični dioksid se diže u peći i reagira s više koksa da nastane ugljični monoksid (2.13). Ova reakcija je endotermna:

CO2(g) + S(čvrsta) > 2CO(g) , ?H0m = +173 kJ/mol

Gvožđe koje nastaje tokom redukcije rude je kontaminirano nečistoćama peska i glinice. Krečnjak se dodaje u peć kako bi se uklonili. Na temperaturama koje postoje u peći (800 0C), krečnjak se podvrgava termičkoj razgradnji sa stvaranjem kalcijum oksida i ugljičnog dioksida:

SaCO3(s.) >CaO(s.) + CO2(g.)

Kalcijum oksid se spaja sa nečistoćama, stvarajući trosku. Zgura sadrži kalcijum silikat i kalcijum aluminat:

CaO (čvrsto) + SiO2 (čvrsto) >CaSiO3 (l)

CaO(čvrsta) +Al2O3(čvrsta) >CaAl2O4(l.)

Gvožđe se topi na 1540°C. Rastopljeno željezo, zajedno sa rastopljenom šljakom, teče do dna peći. Rastopljena šljaka pliva na površini rastopljenog gvožđa. Povremeno se svaki od ovih slojeva oslobađa iz peći na odgovarajućem nivou.

Visoka peć radi non-stop, neprekidno. Sirovine za proces visoke peći su željezna ruda, koks i krečnjak. Stalno se pune u rernu preko vrha. Gvožđe se pušta iz peći četiri puta dnevno, u redovnim intervalima. Izlijeva se iz peći u vatrenom mlazu na temperaturi od oko 1500°C. Visoke peći dolaze u različitim veličinama i kapacitetima (1000-3000 tona dnevno). U SAD-u postoje neke novodizajnirane peći sa četiri izlaza i kontinuiranim ispuštanjem rastopljenog željeza. Takve peći imaju kapacitet do 10.000 tona dnevno.

Gvožđe istopljeno u visokoj peći sipa se u peščane kalupe. Takvo gvožđe se naziva liveno gvožđe. Sadržaj gvožđa u livenom gvožđu je oko 95%. Liveno gvožđe je tvrda, ali krhka supstanca sa tačkom topljenja od oko 1200°C.

Liveno gvožđe se dobija spajanjem mešavine livenog gvožđa, starog metala i čelika sa koksom. Rastopljeno gvožđe se sipa u kalupe i hladi.

Kovano gvožđe je najčistiji oblik tehničkog gvožđa. Dobija se zagrijavanjem sirovog željeza sa hematitom i krečnjakom peći za topljenje. Ovo podiže čistoću gvožđa na približno 99,5%. Njegova tačka topljenja raste do 1400°C.

Kovano gvožđe ima veliku snagu, savitljivost i savitljivost. Međutim, za mnoge primjene, zamjenjuje se mekim čelikom.

Proizvodnja čelika: Proces pretvaranja sirovog željeza u čelik sastoji se od uklanjanja viška ugljika, sumpora, fosfora, silicija, mangana i drugih elemenata iz sirovog željeza. Uklanjanje nečistoća vrši se pretvaranjem u okside, koji ili isparavaju (CO i CO2) ili prelaze u šljaku. Prerada livenog gvožđa u čelik vrši se na tri načina: Bessemer, Thomas i otvorenim ložištem, koji se biraju u zavisnosti od sastava livenog gvožđa i od vrste čelika koji se dobija. U nastavku su detaljnije Razne vrstečelici, njihova svojstva i primjena.

Metoda otvorenog ložišta razlikuje se od kasnijih po tome što koristi čvrsta oksidaciona sredstva u obliku željeznih oksida sadržanih u rudi, kamencu i otpadu (metalni otpad). Otvoreni proces se izvodi u posebnim pećima, koje se nazivaju otvorenim ložištem. Otvorene peći (slika 2.2), gdje su: 1 - luk, 2 - prozori za punjenje, 3 - kupka za topljenje, 4 - glave, 5 - regeneratori, 6 - preklopni ventili.

Otvorene peći spadaju u tip plamenih peći - zagrijavaju se plamenom dobivenim sagorijevanjem zapaljivih plinova iznad površine zagrijane mase. Željezo, ruda i otpad se ubacuju u peć na otvorenom u takvom omjeru da je kisik željeznih oksida dovoljan da oksidira određenu količinu nečistoća. Tokovi se biraju na način da šljaka bude kisela ili bazna, ovisno o prirodi nečistoća koje se uklanjaju. Proces topljenja traje 5-6 sati. Za to vrijeme periodično se uzimaju uzorci rastopljenog čelika, utvrđuje njegov sastav i dodaju se potrebne komponente u obliku ferolegura (legure željeza sa raznim metalima i nemetalima, kao što su nikl, mangan, titan, molibden, volfram, hrom, silicijum i drugi). Dugo trajanje topljenja omogućava proizvodnju čelika određenog sastava. Upotreba vazduha, obogaćivanje kiseonikom, omogućava da se postigne više visoke temperature i omogućava intenziviranje procesa topljenja i smanjenje njegovog vremena na 4 sata.

Proces pretvarača kiseonika. AT poslednjih decenija Proizvodnja čelika je revolucionirana razvojem BOF procesa (također poznatog kao Linz-Donawitz proces). Ovaj proces je počeo da se koristi 1953. godine u čeličanama u dva austrijska metalurška centra - Linz i Donawitz.

U procesu kiseonik-konverter koristi se pretvarač kiseonika sa glavnom oblogom (zidanjem) (slika 2.3), gde je: 1 kiseonik i CaO, 2 vodeno hlađena cev za mlaz kiseonika, 3 šljaka. 4-osni, 5-taljeni čelik, 6-čelično tijelo.

Konvertor se u kosom položaju puni rastopljenim gvožđem iz topionice i otpadnim metalom, a zatim se vraća u vertikalni položaj. Nakon toga uđite u pretvarač odozgo bakarna cijev sa vodenim hlađenjem i kroz njega se mlaz kiseonika sa primesom kreča u prahu CaO usmerava na površinu rastaljenog gvožđa. Ovakvo "pročišćavanje kiseonikom", koje traje 20 minuta, dovodi do intenzivne oksidacije nečistoća gvožđa, dok sadržaj pretvarača ostaje u tečnom stanju usled oslobađanja energije tokom oksidacione reakcije. Nastali oksidi se spajaju s vapnom i pretvaraju se u trosku. Zatim se bakarna cijev izvlači i pretvarač se naginje kako bi se iz nje ispustila šljaka. Nakon ponovnog pročišćavanja, rastopljeni čelik se izlijeva iz pretvarača (u nagnutom položaju) u lonac.

BOF proces se uglavnom koristi za proizvodnju ugljeničnih čelika. Odlikuje se odličnim performansama. Za 40-45 minuta može se dobiti 300-350 tona čelika u jednom pretvaraču.

Trenutno se sav čelik u Velikoj Britaniji i većina čelika širom svijeta proizvodi ovim postupkom.

Ovisno o materijalu obloge peći, metoda pretvarača dijeli se na dvije vrste: Bessemer i Thomas.

Bessemerova metoda obrađuje liveno gvožđe koje sadrži malo fosfora i sumpora i bogato silicijumom (najmanje 2%). Kada se kisik puše, silicijum se prvo oksidira uz oslobađanje značajne količine topline. Kao rezultat toga, početna temperatura livenog gvožđa sa oko 1300°C brzo raste na 1500--1600°C. Izgaranje 1% Si uzrokuje porast temperature za 200°C (2.17). Na oko 1500°C počinje intenzivno sagorijevanje ugljika. Uz to se intenzivno oksidira i željezo, posebno pred kraj sagorijevanja silicija i ugljika:

Si(s) + O2(g) = SiO2(s)

• 2C(s) + O2(g) = 2CO(g)
• 2Fe(čvrsto) + O2(g) = 2FeO(čvrsto)

Nastali željezni monoksid, FeO, dobro se otapa u rastaljenom lijevanom željezu i dijelom prelazi u čelik, a dijelom reagira sa SiO2 i prelazi u zguru u obliku željeznog silikata FeSiO3:

FeO (čvrsto) + SiO2 (čvrsto) = FeSiO3 (čvrsto)

Fosfor u potpunosti prelazi iz livenog gvožđa u čelik. Dakle, P2O5 sa viškom SiO2 ne može reagovati sa bazičnim oksidima, jer SiO2 reaguje snažnije sa ovim poslednjim. Stoga se fosforno liveno gvožđe ne može prerađivati ​​u čelik na ovaj način.

Svi procesi u pretvaraču odvijaju se brzo - u roku od 10-20 minuta, budući da kiseonik iz vazduha koji se upuhuje kroz liveno gvožđe reaguje sa odgovarajućim supstancama odmah po celoj zapremini metala. Pri puhanju zrakom obogaćenim kisikom procesi se ubrzavaju. Ugljenmonoksid CO, koji nastaje prilikom sagorevanja ugljenika, tu mjehuriće, sagorijeva, formirajući buktinju laganog plamena iznad vrata pretvarača, koji se smanjuje kako ugljik izgara, a zatim potpuno nestaje, što služi kao znak kraja proces. Dobiveni čelik sadrži značajne količine otopljenog željeznog monoksida FeO, što uvelike smanjuje kvalitetu čelika. Stoga, prije izlivanja, čelik se mora deoksidirati raznim deoksidantima - ferosilicij, feromangan ili aluminij:

2FeO (čvrsto) + Si (čvrsto) = 2Fe (čvrsto) + SiO2 (čvrsto)

FeO(s) + Mn(s) = Fe(s) + MnO(s)

3FeO (čvrsto) + 2Al (čvrsto) = 3Fe (čvrsto) + Al2O3 (čvrsto)

Mangan monoksid MnO kao osnovni oksid reaguje sa SiO2 i formira mangan silikat MnSiO3, koji prelazi u šljaku. Aluminijum oksid, kao supstanca nerastvorljiva u ovim uslovima, takođe pluta na vrh i prelazi u šljaku. Unatoč svojoj jednostavnosti i visokoj produktivnosti, Bessemerova metoda sada nije vrlo uobičajena, jer ima niz značajne nedostatke. Dakle, lijevano željezo za Bessemerovu metodu treba biti s najmanjim sadržajem fosfora i sumpora, što je daleko od uvijek moguće. Ovom metodom dolazi do vrlo velikog sagorijevanja metala, a prinos čelika je samo 90% mase lijevanog željeza, a troši se i dosta deoksidatora. Ozbiljan nedostatak je nemogućnost regulacije hemijski sastav postati.

Bessemer čelik obično sadrži manje od 0,2% ugljika i koristi se kao tehničko željezo za proizvodnju žice, vijaka i krovnog željeza.

Thomas metoda obrađuje liveno gvožđe sa visokim sadržajem fosfora (do 2% ili više). Glavna razlika između ove metode i Bessemerove metode je u tome što je obloga pretvarača izrađena od magnezijevih i kalcijevih oksida. Osim toga, livenom gvožđu se dodaje do 15% CaO. Kao rezultat toga, tvari koje stvaraju šljaku sadrže značajan višak oksida s osnovnim svojstvima.

U tim uslovima, fosfatni anhidrid P2O5, koji nastaje tokom sagorevanja fosfora, stupa u interakciju sa viškom CaO da bi formirao kalcijum fosfat i prelazi u šljaku:

4P(s) + 5O2(g) = 2P2O5(s)

P2O5 (čvrsto) + 3CaO (čvrsto) = Ca3(PO4)2 (čvrsto)

Reakcija sagorevanja fosfora je jedan od glavnih izvora toplote u ovoj metodi. Kada se sagori 1% fosfora, temperatura pretvarača raste za 150 °C. Sumpor se oslobađa u trosku u obliku kalcijum sulfida CaS, nerastvorljivog u rastopljenom čeliku, koji nastaje kao rezultat interakcije rastvorljivog FeS sa CaO prema reakciji:

FeS(l) + CaO(čvrsto) = FeO(l) + CaS(čvrsto)

Svi potonji procesi odvijaju se na isti način kao i kod Bessemerove metode. Nedostaci Thomasove metode su isti kao i Bessemerove metode. Thomas čelik je također niskougljični i koristi se kao tehničko željezo za proizvodnju žice, krovnog željeza.

Električni proces proizvodnje čelika. Električne pećnice se uglavnom koriste za pretvaranje metalnog otpada od čelika i lijevanog željeza u visokokvalitetne legirane čelike, kao npr nehrđajući čelik. Električna peć je okrugli duboki rezervoar obložen vatrostalnim ciglama. Peć se puni otpadnim metalom kroz otvoreni poklopac, zatim se poklopac zatvara i elektrode se spuštaju u peć kroz rupe u njoj dok ne dođu u kontakt sa otpadnim metalom. Nakon toga uključite struju. Između elektroda se pojavljuje luk u kojem temperatura raste iznad 3000 0C. Na ovoj temperaturi metal se topi i nastaje novi čelik. Svako opterećenje peći omogućava vam da dobijete 25--50 tona čelika.

Kvaliteta čeličnih proizvoda može se poboljšati dodatnom obradom. Za ovo se prijavite termičku obradu, karburiziranje, azoliziranje, aluminiziranje i razni antikorozivni premazi.

Dakle, industrijski način dobijanja gvožđa je glavni i mnogo je efikasniji od laboratorijskog. Ima ih mnogo industrijske metode proizvodnja željeza, zasnivaju se na proizvodnji željeza kao rezultat taljenja lijevanog željeza iz željeznih ruda, taljenja čelika iz livenog željeza. industrijske metode vađenja gvožđa se stalno modernizuju i jedna metoda se zamenjuje novom.

Rude željeza su prilično rasprostranjene na Zemlji. Imena planina na Uralu govore sama za sebe: Visoka, Magnetna, Gvozdena. Poljoprivredni hemičari pronalaze jedinjenja gvožđa u zemljištu.

Gvožđe se nalazi u većini stena. Za dobivanje željeza koriste se željezne rude sa sadržajem željeza od 30-70% ili više.

Glavne željezne rude su:

Magnetit (magnetna ruda gvožđa) - Fe3O4 sadrži 72% gvožđa, nalazi se nalaze na Južni Ural, Kurska magnetna anomalija.

Hematit (sjaj gvožđa, krvavi kamen) - Fe2O3 sadrži do 65% gvožđa, takve se naslage nalaze u regiji Krivoy Rog.

Limonit (smeđa ruda gvožđa) - Fe2O3 * nH2O sadrži do 60% gvožđa, nalazišta se nalaze na Krimu.

pirit (sumporni pirit, gvozdeni pirit, mačje zlato) - FeS2 sadrži oko 47% gvožđa, nalazi se nalaze na Uralu.

Metode dobijanja gvožđa

Trenutno glavni industrijskim putem Prerada željezne rude je proizvodnja sirovog željeza u visokoj peći. Liveno gvožđe je legura gvožđa koja sadrži 2,2-4% ugljenika, silicijuma, mangana, fosfora i sumpora. U budućnosti se većina livenog gvožđa pretvara u čelik. Čelik se od livenog gvožđa razlikuje uglavnom po nižem sadržaju ugljenika (do 2%), fosfora i sumpora.

U posljednje vrijeme se velika pažnja poklanja razvoju metoda za direktnu proizvodnju željeza iz ruda bez visokog procesa. Davne 1899. D. I. Mendeljejev je napisao: „Verujem da će ponovo doći vreme da se traže načini za direktno dobijanje gvožđa i čelika iz ruda, zaobilazeći liveno gvožđe.“ Riječi velikog hemičara pokazale su se proročkim: takve su metode pronađene i implementirane u industriji.

U početku se direktna redukcija željeza vršila u blago nagnutim rotirajućim pećima, slično pećima u kojima se proizvodi cement. Ruda i ugalj se kontinuirano ubacuju u peć, koji se postepeno kreću prema izlazu, zagrijani zrak struji u suprotnom smjeru. Tokom vremena provedenog u peći, ruda se postepeno zagreva (do temperature ispod temperature pritiska gvožđa) i smanjuje. Proizvod takve proizvodnje je mješavina komada željeza i šljake, koja se lako odvaja, jer se željezo ne topi.

Interes za direktnu redukciju željeza iz ruda je u posljednje vrijeme povećan i zbog činjenice da osim uštede koksa omogućava dobijanje željeza visoke čistoće. Proizvodnja čistih metala je jedna od kritične zadatke moderna metalurgija. Takvi metali su potrebni mnogim industrijama.

Moguće je dobiti komercijalno čisto željezo direktnom redukcijom ako se ruda podvrgne obogaćivanju: značajno povećati maseni udio željeza odvajanjem otpadne stijene i smanjiti sadržaj štetnih nečistoća (kao što su sumpor i fosfor).

Pojednostavljeno, proces pripreme željezne rude za oporavak može se predstaviti na sljedeći način. Ruda se usitnjava u drobilicama i isporučuje magnetni separator. To je bubanj sa elektromagnetima, na koji se uz pomoć transportera unosi drobljena ruda. Otpadna stijena slobodno prolazi kroz magnetsko polje i pada. Zrna rude koja sadrže magnetne minerale željeza magnetiziraju se, privlače i odvajaju od bubnja kasnije od otpadne stijene. Ova magnetna separacija se može ponoviti nekoliko puta.

Rude koje sadrže magnetit Fe3O4 najbolje su podvrgnute magnetnom obogaćivanju, koje ima jako magnetna svojstva. Za slabo magnetne rude, magnetizirajuće prženje se ponekad koristi prije obogaćivanja - redukcija željeznih oksida u rudi u magnetit:

3Fe2O2 + H2 = 2Fe3O4 + H2O

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2

Nakon magnetne separacije, ruda se obogaćuje flotacijom. Da bi se to postiglo, ruda se stavlja u posudu s vodom, gdje se otapaju flotacijski reagensi - tvari koje se selektivno adsorbiraju na površini korisnog minerala i ne adsorbiraju se na otpadnoj stijeni. Kao rezultat adsorpcije sredstva za flotaciju, mineralne čestice se ne vlaže vodom i ne tonu.

Kroz otopinu se propušta zrak, čiji se mjehurići pričvršćuju za komadiće minerala i podižu ih na površinu. Čestice otpadnog kamena dobro se navlaže vodom i padaju na dno. Obogaćena ruda se skuplja sa površine rastvora zajedno sa penom.

Kao rezultat kompletan proces obogaćivanjem, sadržaj gvožđa u rudi se može povećati na 70-72%. Za poređenje, napominjemo da je sadržaj željeza u čistom Fe3O4 oksidu 72,4%. Dakle, sadržaj nečistoća u obogaćenoj rudi je veoma mali. Do danas je predloženo više od sedamdeset metoda za direktnu proizvodnju željeza iz ruda korištenjem čvrstih i plinovitih redukcijskih sredstava. Razmislite dijagram strujnog kola jedan od njih, koji se koristi u našoj zemlji.

Proces se sprovodi u vertikalna pećnica, u koji se obogaćena ruda dovodi odozgo, a gas koji služi kao redukciono sredstvo odozdo. Ovaj gas se dobija konverzijom prirodni gas(tj. sagorevanje prirodnog gasa u nedostatku kiseonika). "Redukcijski" plin sadrži 30% CO, 55% H2 i 13% vode i ugljen-dioksid. Stoga ugljični monoksid (II) i vodik služe kao redukcijski agensi za željezne okside:

Fe2O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O

Fe3O4 + 4CO = 3Fe + 4CO2

Oporavak se vrši na temperaturi od 850 - 900°C, što je niže od tačke topljenja gvožđa (1539°). CO i H2, koji nisu reagirali sa oksidima željeza, ponovo se vraćaju u peć nakon uklanjanja prašine, vode i ugljičnog dioksida iz njih. Ovi "kružni gasovi" takođe služe za hlađenje nastalog proizvoda. Kao rezultat procesa direktne redukcije rude, željezo se dobija u obliku metalnih "peleta" ili "spužvi", čiji sadržaj metala može dostići 98 - 99%. Ako se sirovine za dalje topljenje čelika dobijaju direktnom redukcijom, tada obično sadrži 90 - 93% željeza.

Mnoge moderne grane tehnologije zahtijevaju još više željeza. visok stepenčistoća. Prečišćavanje tehničkog gvožđa vrši se karbonilnom metodom. Karbonili su jedinjenja metala sa ugljen monoksidom (II) CO. Gvožđe stupa u interakciju sa CO na visok krvni pritisak i temperaturu od 100-200°, formirajući pentakarbonil:

Fe + 5CO \u003d Fe (CO) 5

Pentakarbonil željeza je tekućina koja se može lako odvojiti od nečistoća destilacijom. Na temperaturi od oko 250 °, karbonil se raspada, formirajući željezni prah:

Fe(CO)5 = Fe + 5CO

Ako se dobijeni prah podvrgne sinterovanju u vakuumu ili atmosferi vodika, tada će se dobiti metal koji sadrži 99,98-99,999% željeza. Još dublji stepen prečišćavanja gvožđa (do 99,9999%) može se postići zonskim topljenjem.

Gvožđe visoke čistoće potrebno je prvenstveno za proučavanje njegovih svojstava, tj. u naučne svrhe. Da nije bilo moguće dobiti čisto željezo, onda ne bi znali da je željezo mekan metal koji se lako obrađuje. Hemijski čisto gvožđe je mnogo inertnije od tehničkog gvožđa.

Važna grana upotrebe čistog željeza je proizvodnja specijalnih ferolegura čija se svojstva pogoršavaju u prisustvu nečistoća.

Fizička svojstva jednostavna supstancažlezda

Gvožđe je tipičan metal, u slobodnom stanju je srebrno-bele boje sa sivkastom nijansom. čisti metal plastika, razne nečistoće (posebno ugljik) povećavaju njegovu tvrdoću i lomljivost. Ima izražena magnetna svojstva. Često se razlikuje takozvana "gvozdena trijada" - grupa od troje metali (gvožđe Fe, kobalt Co, nikl Ni) sa sl fizička svojstva, atomski radijusi i vrijednosti elektronegativnosti.

Gvožđe se odlikuje polimorfizmom, ima četiri kristalne modifikacije:

· do 769 °C postoji?-Fe (ferit) sa kubičnom rešetkom usredsređenom na tijelo i svojstvima feromagneta (769 °C × 1043 K je Kirijeva tačka za željezo);

· u temperaturnom opsegu 769--917 °C postoji?-Fe, koji se od?-Fe razlikuje samo po parametrima kubične rešetke centrirane na tijelo i magnetnim svojstvima paramagneta;

· u temperaturnom opsegu 917--1394 °C postoji?-Fe (austenit) sa kubičnom rešetkom centriranom na lice;

· iznad 1394 °C stabilan?-Fe sa kubičnom rešetkom usredsređenom na tijelo.

Nauka o metalu ne izdvaja ?-Fe kao posebnu fazu i smatra ga varijantom ?-Fe. Kada se gvožđe ili čelik zagreju iznad Kirijeve tačke (769 °C ? 1043 K) termičko kretanje joni poremete orijentaciju spin magnetnih momenata elektrona, feromagnet postaje paramagnet - javlja se fazni prijelaz drugog reda, ali fazni prijelaz prvog reda sa promjenom glavnog fizički parametri kristali se ne pojavljuju.

Za čisto gvožđe na normalan pritisak, sa stanovišta metalurgije, postoje sljedeće stabilne modifikacije:

od apsolutna nula do 910 °C stabilna?-modifikacija sa kubičnom (bcc) kristalnom rešetkom usredsređenom na tijelo;

· stabilan od 910 do 1400 °C?-modifikacija sa lice-centriranom kubičnom (fcc) kristalnom rešetkom;

· od 1400 do 1539 °C stabilna?-modifikacija sa kubičnom (bcc) kristalnom rešetkom centriranom na tijelo.

Fenomen polimorfizma je izuzetno važan za metalurgiju čelika. Hvala?--? prijelaza kristalne rešetke je toplinska obrada čelika. Bez ovog fenomena, željezo kao osnova čelika ne bi dobilo tako široku upotrebu.

Gvožđe je umereno vatrostalan metal. U nizu standardnih elektrodnih potencijala, željezo stoji ispred vodonika i lako reagira s razrijeđenim kiselinama. Dakle, željezo spada u metale srednje aktivnosti.

Tačka topljenja hemijski čistog gvožđa je 1539°C. Komercijalno čisto gvožđe dobijeno oksidativnim rafinisanjem topi se na temperaturi od oko 1530°C.

Toplota fuzije gvožđa je 15,2 kJ/mol ili 271,7 kJ/kg. Do ključanja gvožđa dolazi na temperaturi od 2735o C, iako su autori nekih studija utvrdili znatno veće vrednosti za tačku ključanja gvožđa (3227 - 3230o C). Toplota isparavanja gvožđa je 352,5 kJ/mol ili 6300 kJ/kg.