U životu se stalno susrećemo sa legurama od kojih je najčešći čelik. Stoga ne čudi da će netko imati pitanje kako se proizvodi čelik?

Čelik je jedna od legura željeza i ugljika, koja se široko koristi u Svakidašnjica. Proces proizvodnje čelika je višestupanjski i sastoji se od nekoliko faza: vađenje i obogaćivanje rude, proizvodnja sintera, proizvodnja željeza i taljenje čelika.

Ruda i sinter

Naslage rude omogućuju vađenje bogatih i siromašnih stijena. Bogata ruda može se odmah upotrijebiti kao proizvodna sirovina. Da bi se mogla otapati siromašna ruda, ona se mora obogatiti, odnosno povećati sadržaj čistog metala u njoj. Da bi se to postiglo, ruda se drobi i različitim tehnologijama se odvajaju čestice bogate metalnim spojevima. Primjerice, za željezne rude se koristi magnetska separacija – efekt magnetsko polje na sirovini kako bi se odvojile čestice bogate željezom.

Dobiva se koncentrat niske disperzije koji se sinterira u veće komade. Rezultat pečenja željeznih ruda je aglomerat. Vrste aglomerata nazvane su 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 lijevanog željeza.

Lijevano željezo se topi u visokim pećima, koje rade na principu protutoka. Utovar sintera, koksa i drugog materijala za punjenje vrši se odozgo. Odozdo prema gore, prema tim materijalima, uzdižu se tokovi vrućeg plina izgaranjem koksa. Počinje niz kemijskih procesa koji rezultiraju redukcijom željeza i njegovim zasićenjem ugljikom. Temperaturni režim dok ostaje u području od 400-500 stupnjeva Celzija. U donjim dijelovima peći, gdje se reducirano željezo postupno snižava, temperatura raste na 900-950 stupnjeva. Nastaje tekuća legura željeza i ugljika – lijevano željezo. Do glavnog kemijske karakteristike lijevano željezo uključuju: sadržaj ugljika veći od 2,14%, obvezno prisustvo sumpora, silicija, fosfora i mangana u sastavu. Lijevano željezo je vrlo krhko.

Taljenje čelika.

Sada smo blizu posljednja faza naučiti kako se proizvodi čelik. Kemijski, čelik se od lijevanog željeza razlikuje po tome što ima niži sadržaj ugljika; U skladu s tim, glavni zadatak proces proizvodnje– smanjiti sadržaj ugljika i drugih nečistoća u glavnoj leguri željeza. Za proizvodnju čelika koriste se peći s otvorenim ložištem, pretvarači kisika ili električne peći.

Po razne tehnologije rastaljeno željezo se upuhuje kisikom na vrlo visokim temperaturama. Događa se obrnuti proces - oksidacija željeza na razini nečistoća uključenih u slitinu. Nastala troska se naknadno uklanja. Kao rezultat puhanja kisikom, sadržaj ugljika se smanjuje i lijevano željezo se pretvara u čelik.

Legirajući elementi se mogu dodati čeliku kako bi se promijenila svojstva materijala. Stoga se legura željeza i ugljika s udjelom 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 željeza ljudi su naučili kopati i. Prije samo 450 godina Španjolci, 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 povijesti je poznato da su narodi Egipta, Mezopotamije i Kine 3-4 tisuće godina pr. e. proizveo gigantski Građevinski radovi da upregne moć moćnih rijeka i usmjeri 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. Istodobno, bakra i kositra nije kopano toliko. Stoga je razvoj proizvodnje zahtijevao novi metal, češći u prirodi. Potraga za ovim metalom nije bila laka: željezne rude malo nalikuju metalu, a u davna vremena, naravno, čovjeku je bilo teško pogoditi da su upravo one sadržavale metal koji mu je trebao. Osim toga, sam po sebi je vrlo mekan, loš je materijal za izradu oruđa i oružja.

Prošlo je puno vremena dok osoba nije naučila vaditi željezo iz ruda i praviti i od njega.

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

Prema povijesnim podacima, oko tisuću godina pr. e. u Asiriji, Indiji, Urartu i nekim drugim zemljama već su znali vaditi i prerađivati ​​željezo. Od njega su se izrađivali alati i razno oružje. U 7. stoljeću PRIJE KRISTA e. poljoprivredno stanovništvo, koje je živjelo uz Dnjepar i u crnomorskim stepama, također je vješto vadilo željezo. Od nje su Skiti izrađivali noževe, mačeve i vrhove strijela i koplja te druge vojne i kućanske predmete.

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

Kovači, u ono doba popularno nazvani "lukavi", ne samo da su prerađivali, već su obično i sami izvlačili željezo iz ruda. Bili su vrlo cijenjeni. U narodnim pričama, kovač pobjeđuje Zmiju Gorynycha, koja je personificirala zle sile, i čini mnoga druga herojska djela.

Željezo je mekani metal koji se dobro poda kovanju, ali u čistom obliku neprikladan za izradu oruđa.Kažu mu samo legure željeza s drugim tvarima potrebna svojstva uključujući tvrdoću. Najvažnije za Nacionalna ekonomija dvije legure željeza i ugljika - lijevano željezo koji sadrže više od 2% (do 6%) ugljika, i željezo koji sadrži od 0,03 do 2% ugljika.

U davna vremena ljudi nisu imali pojma o lijevanom željezu, ali su naučili kako napraviti čelik od željeza. Topili su željezo u primitivnim kovačnicama, miješajući željeznu rudu s drveni ugljen. Visoku temperaturu potrebnu za taljenje željezne az rude dobili su običnim puhačkim mijehom. Pokrenute su rukama, a kasnije i snagom vode, postavljanjem vodenih mlinova. Nakon taljenja željezne rude dobivala se sinterirana masa zrnastog željeza, koja se potom kovala na nakovnjima.

Da bi se od željeza dobio čelik, tanke trake kovanog željeza prekrivene su drvenim ugljenom i kalcinirane zajedno s ugljenom nekoliko dana. Naravno, na taj se način dobivalo malo čelika, a bio je skup. Tajne izrade čelika čuvale su se na najstroži način. Posebno je bila poznata damaski čelik- bulat, - metoda dobivanja koju su, očito, razvili drevni indijski majstori, a zatim svladali arapski majstori.

Međutim, sve ove metode prerade željezne rude i izrade čelika proizvele su malo metala. Sve veća potreba za njim prisiljavala je ljude da traže nove načine da značajno dobiju velike količine metal. Krajem 14. - početkom 15. stoljeća počele su se graditi peći za taljenje željeza visoke već 2-3 m kako bi se dobilo više metala. Majstori koji su topili u tim pećima primijetili su da su neke taline bile neuspješne. Umjesto željeza, u peći je nastala masa nalik željezu, koja je ohlađena davala krhku, neispravnu tvar. 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. Bilo je lijevano željezo.

Naravno, u starim danima metalurzi nisu mogli objasniti zašto se u nekim slučajevima ispostavilo da se sinterirano kovno željezo nalazi u peći, au drugima - tekuće lijevano željezo. Kemija kao znanost u to vrijeme nije postojala, a nitko od majstora koji su izrađivali željezo nije mogao znati da se cijela stvar sastoji u omjeru između rude, ugljena i zraka koji ulazi u peć tijekom taljenja. Što se više zraka (točnije, kisika) dovodi 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.

Vrlo brzo, ljudi su naučili koristiti lijevano željezo ne samo za odljevke, već i za izradu kovanog željeza od njega. Da bi se to postiglo, komad lijevanog željeza zagrijavan je u pećima i time izgarao višak ugljika iz njega.

Izum parnog stroja i tkalačkog stana u 18. stoljeću a posebno građevina željeznice u početkom XIX u. zahtijevala ogromnu količinu metala. Opet su bile potrebne temeljne promjene u proizvodnji željeza i čelika.

Do 1784., u Engleskoj, Cort je uveo obradu lijevanog željeza u takozvanim plamenim ili reverberacijskim pećima. Ovaj proces je imenovan pudling. U peći za odjek, počeli su koristiti umjesto drva. Korištenje ugljena u topljenju nekada je ometao sumpor koji ugljen sadrži. Probijao je željezo kada je došao u dodir s ugljenom. I željezo koje je sadržavalo sumpor postalo je krhko čim se zagrijalo.

U reverberacijskoj peći ložište je pragom odvojeno od kupke u kojoj se lijeva lijevano željezo, pa tako ugljen ne dolazi u direktan dodir. Lijevano željezo zagrijava se plamenom i vrućim zrakom koji prelazi preko njega iz peći i odbija se od krova peći. Uz unaprjeđenje načina proizvodnje lijevanog željeza, intenzivirana su potraga za novim metodama izrade čelika.

Tajnu izrade damaščanskog čelika - damast čelika - otkrio je poznati ruski metalurg Pavel Petrovič Anosov, koji je u prvoj polovici 19. stoljeća radio u Metalurškoj tvornici Zlatoust. Ratopio je željezo u malim loncima s grafitom, koji je također ugljik, i dobio prekrasan čelik iz Damaska. Klišej 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 predložio je upuhivanje zraka u "mlaznice" - rupe na dnu retorte - kroz rastaljeno lijevano željezo, zbog čega se za 10-20 minuta sav višak ugljena pretvorio u ugljični dioksid, a lijevano željezo u čelik. .

Kasnije se pojavila metoda taljenja čelika u reverberacijskim pećima, tzv otvorenog ognjišta. Otjeknite peći na otvorenom mnogo su bolje od starih odječnih peći. NA posebnim uređajima otvorene peći - regeneratori - zrak i zapaljivi plin dobiveni iz ugljena prethodno se zagrijavaju na 1000°. Zagrijavanje nastaje zbog topline dimnih plinova koji dolaze iz iste peći. Zagrijavanje plina i zraka doprinosi razvoju (tijekom izgaranja plina) temperature od oko 1800 °. Ovo je dovoljno za otapanje željeza i čelika.

Posebno visokokvalitetni čelik sada se topi u električnim pećima, gdje se metal dobiva topljenjem u naponskom luku čija temperatura doseže 3000 °. Prednosti električnog taljenja su da metal nije onečišćen štetnim nečistoćama, koje su uvijek prisutne u gorivnim plinovima koji se izgaraju u konvencionalnim pećima.

Lijevano željezo se topi u visokim pećima. Visina moderne visoke peći, zajedno s pomoćnim uređajima, iznosi 40 metara ili više. Da bi se snizila točka taljenja željezne rude, dodaje se fluks, ili limeni jelen, - tvar koja, spajajući se s nekim sastavnim dijelovima rude, tvori trosku niskog taljenja. Obično se kao fluks koristi fluorit ili fluorit itd. Mješavina rude i fluksa tzv. naplatiti. Smjesa se ulijeva u drugu peć, prošaranu koksom, koji, kada izgori, zagrijava i topi cijelu smjesu. Koks normalno gori samo ako se u njega upuhuje zrak, prethodno zagrijan na 600-850 °. Zrak se zagrijava plinovima koji izlaze iz visoke peći u čeličnim tornjevima - cauiopax, - iznutra obložena ciglama.

U najnižem dijelu peći, užareno, susrećući se s vrućim zrakom, izgara. Time nastaje 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 željeznim oksidima. Tako oslobođen metalno željezo koji sadrže ugljik, t. lijevano željezo, koje se zatim ulijeva u Niži dio visoke peći. S vremena na vrijeme se pušta kroz poseban otvor u peći, te teče u kalupe, gdje se hladi.

Željezo je element sekundarne podskupine osme skupine četvrtog razdoblja periodični sustav kemijski elementi D. I. Mendeljejeva s atomskim brojem 26. Označava se simbolom Fe (lat. Ferrum). Jedan od najčešćih metala u zemljinoj kori (drugo mjesto nakon aluminija). Metal srednje aktivnosti, redukcijski agens.

Glavna oksidacijska stanja - +2, +3

Jednostavna tvar željezo je savitljiv srebrno-bijeli metal visoke kemijske reaktivnosti: željezo brzo korodira na visokim temperaturama ili pri visoka vlažnost zraka u zraku. U čistom kisiku željezo gori, a u fino raspršenom stanju spontano se zapali na zraku.

Kemijska svojstva jednostavne tvari - željeza:

Rđanje i izgaranje u kisiku

1) U zraku se željezo lako oksidira u prisutnosti vlage (hrđa):

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), željezo reagira s vodenom parom:

3Fe + 4H 2 O - t ° → Fe 3 O 4 + 4H 2

3) Željezo reagira s nemetalima kada se zagrijava:

2Fe+3Cl 2 →2FeCl 3 (200 °S)

Fe + S – t° → FeS (600 °C)

Fe + 2S → Fe +2 (S 2 -1) (700 ° C)

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

Fe + 2HCl → FeCl 2 + H 2 (reakcije se provode bez pristupa zraka, inače se Fe +2 postupno pretvara kisikom u Fe +3)

Fe + H 2 SO 4 (razl.) → FeSO 4 + H 2

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

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, koncentrirane dušične i sumporne kiseline pasivizirati

Željezni nokat umočen u plavkastu otopinu plavi vitriol, postupno prekriven premazom od crvenog metalnog bakra

5) Željezo istiskuje metale desno od sebe u otopinama njihovih soli.

Fe + CuSO 4 → FeSO 4 + Cu

Amfoternost željeza očituje se samo u koncentriranim lužinama tijekom ključanja:

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

te nastaje talog natrijevog tetrahidroksoferata(II).

Tehničko željezo- legure željeza s ugljikom: lijevano željezo sadrži 2,06-6,67% C, željezoČesto su prisutne 0,02-2,06% C, ostale prirodne nečistoće (S, P, Si) i umjetno uneseni specijalni aditivi (Mn, Ni, Cr), što tehnički čini legure željeza korisne značajke- tvrdoća, toplinska i otpornost na koroziju, savitljivost itd. .

Proces proizvodnje željeza u visokim pećima

Proces proizvodnje željeza u visokim pećima 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) spaljivanje koksa vrućim mlazom:

C (koks) + O 2 (zrak) → 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 željeza (do 6,67% C) i taljenje lijevanog željeza:

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

U lijevanom željezu cementit Fe 2 C i grafit su uvijek prisutni u obliku zrna.

Proizvodnja čelika

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

Priznanicačisto 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 vodikom).

Čisto željezo se koristi u proizvodnji specijalnih legura, u proizvodnji jezgri elektromagneta i transformatora, lijevano željezo se koristi u proizvodnji odljevaka i čelika, čelik se koristi kao konstrukcijski i alatni materijali, uključujući habanje, toplinu i koroziju -otporni materijali.

Željezov(II) oksid F EO . Amfoterni oksid s velikom prevlašću osnovnih svojstava. Crna, ima ionsku strukturu Fe 2+ O 2-. Kada se zagrije, prvo se razgrađuje, a zatim ponovno formira. Ne nastaje tijekom izgaranja željeza u zraku. Ne reagira s vodom. Razloženo kiselinama, spojeno s lužinama. Polako oksidira na vlažnom zraku. Obnavlja se vodikom, koksom. Sudjeluje u visokopećnom procesu taljenja željeza. Koristi se kao sastavni dio keramike i mineralnih boja. Jednadžbe 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 (zrak) → 4FeO (OH) (t)

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

Priznanica u laboratorije: termička razgradnja spojeva željeza (II) bez pristupa zraka:

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

FeSOz \u003d FeO + CO 2 (490-550 ° C)

Diželjezov oksid (III) - željezo ( II ) ( Fe II Fe 2 III) O 4 . Dvostruki oksid. Crna, ima ionsku strukturu Fe 2+ (Fe 3+) 2 (O 2-) 4. Termički postojan do visokih temperatura. Ne reagira s vodom. Razgrađuju kiseline. Reducira se vodikom, užarenim željezom. Sudjeluje u visokopećnom procesu proizvodnje željeza. Koristi se kao sastavni dio mineralnih boja ( minimalno željezo), keramika, obojeni cement. Proizvod posebne oksidacije površine čeličnih proizvoda ( crnjenje, plavilo). Sastav odgovara smeđoj hrđi i tamnoj ljusci na željezu. Ne preporučuje se korištenje formule Fe 3 O 4. Jednadžbe 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 (zrak) \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)

Priznanica: izgaranje željeza (vidi) u zraku.

magnetit.

Željezov(III) oksid F e 2 O 3 . Amfoterni oksid s prevladavanjem osnovnih svojstava. Crveno-smeđa, ima ionsku strukturu (Fe 3+) 2 (O 2-) 3. Toplinski postojan do visokih temperatura. Ne nastaje tijekom izgaranja željeza u zraku. Ne reagira s vodom, iz otopine se taloži smeđi amorfni hidrat Fe 2 O 3 nH 2 O. Polagano reagira s kiselinama i lužinama. Smanjuje se ugljičnim monoksidom, rastaljenim željezom. Legira s oksidima drugih metala i tvori dvostruke okside - spineli (tehnički proizvodi nazivaju se feritima. Koristi se kao sirovina u taljenju 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.

Jednadžbe 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 (Crvena)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)

Priznanica 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

Željezo(II) hidroksid F e(OH)2. Amfoterni hidroksid s prevladavanjem bazičnih svojstava. Bijele (ponekad zelenkaste), Fe-OH veze su pretežno kovalentne. Toplinski nestabilan. Lako oksidira na zraku, osobito kada je mokar (potamni). Netopljiv u vodi. Reagira s razrijeđenim kiselinama, koncentriranim lužinama. Tipičan restaurator. Međuproizvod u hrđanju željeza. Koristi se u proizvodnji aktivne mase željezo-nikl baterija.

Jednadžbe 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) (kipuće)

4Fe(OH) 2 (suspenzija) + O 2 (zrak) → 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)

Priznanica: taloženje iz otopine s alkalijama ili amonijačnim hidratom u inertnoj atmosferi:

Fe 2+ + 2OH (razb.) = Fe(OH) 2 ↓

Fe 2+ + 2 (NH3H2O) = Fe(OH) 2 ↓+ 2NH4

Željezov metahidroksid F eO(OH). Amfoterni hidroksid s prevladavanjem bazičnih svojstava. Svijetlosmeđe, Fe-O i Fe-OH veze su pretežno kovalentne. Zagrijavanjem se raspada bez topljenja. Netopljiv u vodi. Taloži se iz otopine u obliku smeđeg amorfnog polihidrata Fe 2 O 3 nH 2 O, koji se, držeći se pod razrijeđenom alkalnom otopinom ili kada se osuši, pretvara u FeO (OH). Reagira s kiselinama, čvrstim lužinama. Slabo oksidacijsko i redukcijsko sredstvo. Sinterirano s Fe(OH) 2 . Međuproizvod u hrđanju željeza. Koristi se kao baza za žute mineralne boje i emajle, kao apsorber ispušnih plinova, kao katalizator u organskoj sintezi.

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

Jednadžbe 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-koloidni(NaOH (konc.))

FeO(OH) → Na 3 [Fe(OH)6]bijelim, Na5 i K4, redom; u oba slučaja taloži se plavi produkt istog sastava i strukture, KFe III. U laboratoriju se taj talog naziva pruska plava, ili turnbull blue:

Fe 2+ + K + + 3- = KFe III ↓

Fe 3+ + K + + 4- = KFe III ↓

Kemijski nazivi početnih reagensa i produkta reakcije:

K 3 Fe III - kalijev heksacijanoferat (III)

K 4 Fe III - kalijev heksacijanoferat (II)

KFe III - heksacijanoferat (II) željezo (III) kalij

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

Fe 3+ + 6NCS - = 3-

S ovim reagensom (na primjer, u obliku KNCS soli) mogu se otkriti čak i tragovi željeza (III) u voda iz pipe ako prolazi kroz željezne cijevi prekrivene hrđom iznutra.

Željezo je više od 5% Zemljina kora. Za ekstrakciju željeza uglavnom se koriste rude kao što su hematit Fe2O3 i magnetit Fe3O4. Ove rude sadrže od 20 do 70% željeza. Najvažnije željezne nečistoće u tim rudama su pijesak (silicij(IV) oksid SiO2) i glinica (aluminijev oksid Al2O3).

Dobivanje željeza iz željezne rude provodi se u dvije faze. Počinje s pripremom rude – mljevenjem i zagrijavanjem. Ruda se drobi u komade promjera ne više od 10 cm. Zatim se zdrobljena ruda kalcinira kako bi se uklonila voda i hlapljive nečistoće.

U drugoj fazi, željezna ruda se reducira u željezo korištenjem ugljičnog monoksida u visokoj peći (slika 2.1), gdje je: 1 - željezna ruda, vapnenac, koks, 2 konus za punjenje (gornji), 3 - gornji plin, 4 - zidanje peći , 5 - zona povrata željeznog oksida, 6 - zona stvaranja troske, 7 - zona izgaranja koksa, 8 - ubrizgavanje zagrijanog zraka kroz koplja, 9 - rastaljeno željezo, 10 - rastaljena troska.

Obnavljanje se provodi na temperaturama reda veličine 700°C:

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

Kako bi se povećao prinos željeza, ovaj se proces provodi u uvjetima viška ugljičnog dioksida CO2.

Ugljični monoksid CO nastaje u visokoj peći iz koksa i zraka (2.12). Zrak se najprije zagrije na približno 600°C i protjera u peć posebna cijev- koplje. Koksa gori u vrućem potisnut 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

Željezo nastalo tijekom redukcije rude onečišćeno je nečistoćama pijeska i glinice. Vapnenac se dodaje u peć kako bi se uklonili. Na temperaturama koje postoje u peći (800 0C), vapnenac podliježe termičkoj razgradnji s stvaranjem kalcijevog oksida i ugljičnog dioksida:

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

Kalcijev oksid se spaja s nečistoćama, tvoreći trosku. Troska sadrži kalcijev silikat i kalcijev aluminat:

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

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

Željezo se topi na 1540°C. Otopljeno željezo, zajedno s rastaljenom troskom, teče do dna peći. Otopljena troska pliva na površini rastaljenog željeza. Povremeno se svaki od ovih slojeva oslobađa iz peći na odgovarajućoj razini.

Visoka peć radi 24 sata, neprekidno. Sirovine za proces visoke peći su željezna ruda, koks i vapnenac. Stalno se pune u pećnicu kroz vrh. Željezo se pušta iz peći četiri puta dnevno, u pravilnim razmacima. 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 s četiri izlaza i kontinuiranim ispuštanjem rastaljenog željeza. Takve peći imaju kapacitet do 10.000 tona dnevno.

Željezo otopljeno u visokoj peći ulijeva se u pješčane kalupe. Takvo željezo se naziva lijevano željezo. Sadržaj željeza u lijevanom željezu je oko 95%. Lijevano željezo je tvrda, ali krhka tvar s točkom tališta od oko 1200°C.

Lijevano željezo se dobiva spajanjem mješavine lijevanog željeza, starog metala i čelika s koksom. Otopljeno željezo izlije se u kalupe i ohladi.

Kovano željezo je najčišći oblik tehničkog željeza. Dobiva se zagrijavanjem sirovog željeza s hematitom i vapnencem peći za taljenje. To podiže čistoću željeza na približno 99,5%. Točka taljenja mu raste do 1400°C.

Kovano željezo ima veliku čvrstoću, 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 trosku. Prerada lijevanog željeza u čelik provodi se na tri načina: Bessemer, Thomas i otvoreni ložište, koji se biraju ovisno o sastavu lijevanog željeza i o vrsti čelika koji se želi dobiti. U nastavku su detaljne Različite vrstečelici, njihova svojstva i primjena.

Metoda otvorenog ložišta razlikuje se od sljedećih po tome što koristi čvrsta oksidirajuća sredstva u obliku željeznih oksida sadržanih u rudi, kamencu i otpadu (stari metal). Otvoreni proces se provodi u posebnim pećima, koje se nazivaju otvorenim ložištem. Otvorene peći (slika 2.2), gdje su: 1 - luk, 2 - prozori za punjenje, 3 - kupelj za taljenje, 4 - glave, 5 - regeneratori, 6 - preklopni ventili.

Otvorene peći pripadaju vrsti plamenih peći – zagrijavaju se plamenom dobivenim izgaranjem zapaljivih plinova iznad površine zagrijane mase. Željezo, ruda i otpad ubacuju se u ložište u takvom omjeru da je kisik željeznih oksida dovoljan za oksidaciju određene količine nečistoća. Tokovi se biraju na način da troska bude kisela ili bazična, ovisno o prirodi nečistoća koje se uklanjaju. Proces taljenja traje 5-6 sati. Za to vrijeme povremeno se uzimaju uzorci rastaljenog čelika, utvrđuje njegov sastav i dodaju potrebne komponente u obliku ferolegura (legure željeza s raznim metalima i nemetalima, kao što su nikal, mangan, titan, molibden, volfram, krom, silicij i drugi). Dugo trajanje taljenja omogućuje proizvodnju čelika određenog sastava. Korištenje zraka, obogaćivanje kisikom, omogućuje postizanje više visoka temperatura te omogućuje intenziviranje procesa taljenja i smanjenje njegovog vremena na 4 sata.

Proces pretvarača kisika. NA posljednjih desetljeća Proizvodnja čelika je revolucionarizirana razvojem BOF procesa (također poznatog kao Linz-Donawitz proces). Taj se proces počeo primjenjivati ​​1953. godine u čeličanama u dva austrijska metalurška centra - Linz i Donawitz.

U procesu kisik-konverter koristi se pretvarač kisika s glavnom oblogom (zidanjem) (slika 2.3), gdje je: 1 kisik i CaO, 2 vodom hlađena cijev za mlaz kisika, 3 troska. 4-os, 5-taljeni čelik, 6-čelično tijelo.

Konverter se u nagnutom položaju puni rastopljenim željezom iz talionice i otpadnim metalom, a zatim se vraća u vertikalni položaj. Nakon toga uđite u pretvarač odozgo bakrena cijev vodenim hlađenjem i kroz njega se na površinu rastaljenog željeza usmjerava mlaz kisika s primjesom vapna u prahu CaO. Ovo „pročišćavanje kisikom“, koje traje 20 minuta, dovodi do intenzivne oksidacije željeznih nečistoća, a sadržaj pretvarača ostaje u tekućem stanju zbog oslobađanja energije tijekom oksidacijske reakcije. Dobiveni oksidi se spajaju s vapnom i pretvaraju se u trosku. Zatim se bakrena cijev izvlači i pretvarač se naginje kako bi se iz nje ispustila troska. Nakon ponovnog pročišćavanja, rastaljeni čelik se izlijeva iz pretvarača (u nagnutom položaju) u lonac.

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

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

Ovisno o materijalu obloge peći, metoda pretvarača podijeljena je u dvije vrste: Bessemer i Thomas.

Bessemerova metoda obrađuje lijevano željezo koje sadrži malo fosfora i sumpora i bogato silicijem (najmanje 2%). Prilikom puhanja kisika, silicij se prvo oksidira uz oslobađanje značajne količine topline. Kao rezultat toga, početna temperatura lijevanog željeza od 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 izgaranje ugljika. Zajedno s njim, željezo se također intenzivno oksidira, posebno pred kraj izgaranja 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 djelomično prelazi u čelik, a djelomično reagira sa SiO2 i u obliku željeznog silikata FeSiO3 prelazi u trosku:

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

Fosfor u potpunosti prelazi iz lijevanog željeza u čelik. Dakle, P2O5 s viškom SiO2 ne može reagirati s bazičnim oksidima, budući da SiO2 s potonjima reagira snažnije. Stoga se fosforno lijevano željezo ne može na ovaj način preraditi u čelik.

Svi procesi u pretvaraču idu brzo - unutar 10-20 minuta, budući da kisik zraka koji se upuhuje kroz lijevano željezo reagira s odgovarajućim tvarima odmah kroz cijeli volumen metala. Pri puhanju zrakom obogaćenim kisikom procesi se ubrzavaju. Ugljični monoksid CO, koji nastaje tijekom izgaranja ugljika, tu mjehuriće, izgara, stvarajući buktinju svjetlosnog plamena iznad vrata pretvarača, koji se smanjuje kako ugljik izgara, a zatim potpuno nestaje, što služi kao znak kraja postupak. Dobiveni čelik sadrži značajne količine otopljenog željezovog monoksida FeO, što uvelike smanjuje kvalitetu čelika. Stoga se čelik prije izlijevanja 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 reagira sa SiO2 i tvori mangan silikat MnSiO3 koji prelazi u trosku. Aluminijev oksid, kao tvar netopiva u tim uvjetima, također pluta na vrh i prelazi u trosku. Unatoč svojoj jednostavnosti i visokoj produktivnosti, Bessemerova metoda sada nije vrlo česta, 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 izgaranja metala, a prinos čelika je samo 90% mase lijevanog željeza, a troši se i puno deoksidatora. Ozbiljan nedostatak je nemogućnost regulacije kemijski sastav postati.

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

Thomasova metoda obrađuje lijevano željezo s visokim udjelom 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, lijevanom željezu se dodaje do 15% CaO. Kao rezultat toga, tvari koje stvaraju trosku sadrže značajan višak oksida s osnovnim svojstvima.

U tim uvjetima, fosfatni anhidrid P2O5, koji nastaje tijekom izgaranja fosfora, stupa u interakciju s viškom CaO da nastane kalcijev fosfat i prelazi u trosku:

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

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

Reakcija izgaranja fosfora jedan je od glavnih izvora topline u ovoj metodi. Kada se izgori 1% fosfora, temperatura pretvarača raste za 150 °C. Sumpor se oslobađa u trosku u obliku kalcijevog sulfida CaS, netopivog u rastaljenom čeliku, koji nastaje kao rezultat interakcije topljivog FeS s 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 kod Bessemerove metode. Thomas čelik je također niskougljičan i koristi se kao tehničko željezo za proizvodnju žice, krovnog željeza.

Električni proces proizvodnje čelika. Električne pećnice uglavnom se koriste za pretvaranje metalnog otpada od čelika i lijevanog željeza u visokokvalitetne legirane čelike, kao npr ne hrđajući Čelik. Električna peć je okrugli duboki spremnik obložen vatrostalnim opekama. 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 dodir s otpadnim metalom. Nakon toga uključite struju. Između elektroda nastaje luk u kojem temperatura raste iznad 3000 0C. Na ovoj temperaturi metal se topi i nastaje novi čelik. Svako opterećenje peći omogućuje vam da dobijete 25--50 tona čelika.

Kvaliteta čeličnih proizvoda može se poboljšati dodatnom obradom. Za to se prijavite toplinska obrada, karburiziranje, azoliziranje, aluminiziranje i razni antikorozivni premazi.

Dakle, industrijski način dobivanja željeza je glavni i mnogo je učinkovitiji od laboratorijskog. Ima ih mnogo industrijske metode proizvodnja željeza, temelje se na proizvodnji željeza kao rezultat taljenja lijevanog željeza iz željeznih ruda, taljenja čelika iz lijevanog željeza. industrijske metode vađenja željeza stalno se moderniziraju i jedna metoda se zamjenjuje novom.

Željezne rude su prilično rasprostranjene na Zemlji. Imena planina na Uralu govore sama za sebe: Visoka, Magnetna, Željezna. Poljoprivredni kemičari pronalaze spojeve željeza u tlu.

Željezo se nalazi u većini stijena. Za dobivanje željeza koriste se željezne rude s udjelom željeza od 30-70% ili više.

Glavne željezne rude su:

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

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

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

pirit (sumporni pirit, željezni pirit, mačje zlato) - FeS2 sadrži približno 47% željeza, nalazi se nalaze na Uralu.

Metode dobivanja željeza

Trenutno glavni industrijski način prerada željezne rude je proizvodnja sirovog željeza postupkom u visokim pećima. Lijevano željezo je legura željeza koja sadrži 2,2-4% ugljika, silicija, mangana, fosfora i sumpora. U budućnosti se većina lijevanog željeza pretvara u čelik. Čelik se od lijevanog željeza razlikuje uglavnom po nižem sadržaju ugljika (do 2%), fosfora i sumpora.

U posljednje vrijeme velika se pozornost pridaje razvoju metoda za izravnu proizvodnju željeza iz ruda bez visokog procesa. Davne 1899. D. I. Mendeleev je napisao: "Vjerujem da će ponovno doći vrijeme da se traže načini za izravno dobivanje željeza i čelika iz ruda, zaobilazeći lijevano željezo." Riječi velikog kemičara pokazale su se proročkim: takve su metode pronađene i implementirane u industriji.

U početku se izravna redukcija željeza provodila u blago nagnutim rotacijskim pećima, slično pećima u kojima se proizvodi cement. Ruda i ugljen se kontinuirano ubacuju u peć, koji se postupno kreću prema izlazu, zagrijani zrak struji protivstrujno. Tijekom vremena provedenog u peći, ruda se postupno zagrijava (na temperature ispod temperature tlaka željeza) i smanjuje. Proizvod takve proizvodnje je mješavina komada željeza i troske, koja se lako odvaja, jer se željezo ne topi.

Zanimanje za izravnu redukciju željeza iz ruda također se u posljednje vrijeme povećalo zbog činjenice da osim uštede koksa omogućuje dobivanje željeza visoke čistoće. Proizvodnja čistih metala je jedna od kritične zadatke moderna metalurgija. Takvi metali potrebni su mnogim industrijama.

Moguće je dobiti komercijalno čisto željezo izravnom 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 prikazati na sljedeći način. Ruda se drobi u drobilicama i dovodi u magnetski separator. To je bubanj s 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. Ovo magnetsko odvajanje može se ponoviti nekoliko puta.

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

3Fe2O2 + H2 = 2Fe3O4 + H2O

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2

Nakon magnetske 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 na komadiće minerala i podižu ih na površinu. Čestice otpadnih stijena dobro se navlaže vodom i padaju na dno. Obogaćena ruda skuplja se s površine otopine zajedno s pjenom.

Kao rezultat kompletan proces obogaćivanjem, sadržaj željeza u rudi može se povećati na 70-72%. Za usporedbu, napominjemo da je sadržaj željeza u čistom Fe3O4 oksidu 72,4%. Dakle, sadržaj nečistoća u obogaćenoj rudi je vrlo mali. Do danas je predloženo više od sedamdeset metoda za izravnu proizvodnju željeza iz ruda korištenjem krutih i plinovitih redukcijskih sredstava. Smatrati kružni dijagram jedan od njih, koji se koristi u našoj zemlji.

Proces se provodi u vertikalna pećnica, u koji se odozgo dovodi obogaćena ruda, a odozdo plin koji služi kao redukcijsko sredstvo. Ovaj plin se dobiva pretvorbom prirodni gas(tj. spaljivanje prirodnog plina u nedostatku kisika). "Redukcijski" plin sadrži 30% CO, 55% H2 i 13% vode i ugljični dioksid. Stoga ugljični monoksid (II) i vodik služe kao redukcijski agensi za željezove okside:

Fe2O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O

Fe3O4 + 4CO = 3Fe + 4CO2

Oporavak se provodi na temperaturi od 850 - 900°C, što je niže od tališta željeza (1539°). CO i H2, koji nisu reagirali sa željeznim oksidima, ponovno se vraćaju u peć nakon uklanjanja prašine, vode i ugljičnog dioksida iz njih. Ti "kružni plinovi" služe i za hlađenje dobivenog proizvoda. Kao rezultat procesa izravne redukcije rude, željezo se dobiva u obliku metalnih "peleta" ili "spužvi", čiji sadržaj metala može doseći 98 - 99%. Ako se sirovine za daljnje taljenje čelika dobivaju izravnom redukcijom, tada obično sadrži 90 - 93% željeza.

Mnoge moderne grane tehnologije zahtijevaju još više željeza. visoki stupanjčistoća. Pročišćavanje tehničkog željeza provodi se karbonilnom metodom. Karbonili su spojevi metala s ugljičnim monoksidom (II) CO. Željezo stupa u interakciju s CO na visoki krvni tlak i temperatura od 100-200°, tvoreći pentakarbonil:

Fe + 5CO \u003d Fe (CO) 5

Željezni pentakarbonil je tekućina koja se lako može odvojiti od nečistoća destilacijom. Na temperaturi od oko 250 °, karbonil se raspada, tvoreći željezni prah:

Fe(CO)5 = Fe + 5CO

Ako se dobiveni prah podvrgne sinteriranju u vakuumu ili atmosferi vodika, tada će se dobiti metal koji sadrži 99,98-99,999% željeza. Još dublji stupanj pročišćavanja željeza (do 99,9999%) može se postići zonskim taljenjem.

Željezo visoke čistoće potrebno je prvenstveno za proučavanje njegovih svojstava, t.j. u znanstvene svrhe. Da nije moguće dobiti čisto željezo, onda ne bi znali da je željezo mekan metal koji se lako obrađuje. Kemijski čisto željezo mnogo je inertnije od tehničkog željeza.

Važna grana upotrebe čistog željeza je proizvodnja posebnih ferolegura čija se svojstva pogoršavaju u prisutnosti nečistoća.

Fizička svojstva jednostavna tvaržlijezda

Željezo je tipičan metal, u slobodnom stanju je srebrno-bijele boje sa sivkastom nijansom. čisti metal plastika, razne nečistoće (osobito ugljik) povećavaju njegovu tvrdoću i lomljivost. Ima izražena magnetska svojstva. Često se razlikuje takozvana "željezna trijada" - grupa od troje metali (željezo Fe, kobalt Co, nikal Ni) sa sl fizikalna svojstva, atomski radijusi i vrijednosti elektronegativnosti.

Željezo karakterizira polimorfizam, ima četiri kristalne modifikacije:

· do 769 °C postoji?-Fe (ferit) s kubičnom rešetkom usmjerenom na tijelo i svojstvima feromagneta (769 °C × 1043 K je Curiejeva točka za željezo);

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

· u temperaturnom rasponu 917--1394 °C postoji?-Fe (austenit) s kubičnom rešetkom usmjerenom na lice;

· iznad 1394 °C stabilan?-Fe s kubičnom rešetkom usmjerenom na tijelo.

Znanost o metalu ne izdvaja ?-Fe kao zasebnu fazu i smatra ga varijantom ?-Fe. Kada se željezo ili čelik zagriju iznad Curiejeve točke (769 °C ? 1043 K) toplinsko kretanje ioni remete orijentaciju spinskih magnetskih momenata elektrona, feromagnet postaje paramagnet - javlja se fazni prijelaz drugog reda, ali fazni prijelaz prvog reda s promjenom glavnog fizičkih parametara kristali se ne pojavljuju.

Za čisto željezo na normalan pritisak, sa stajališta metalurgije, postoje sljedeće stabilne modifikacije:

iz apsolutna nula do 910 °C stabilna?-modifikacija s kubičnom (bcc) kristalnom rešetkom usmjerenom na tijelo;

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

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

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

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

Talište kemijski čistog željeza je 1539 °C. Komercijalno čisto željezo dobiveno oksidativnim rafiniranjem topi se na temperaturi od oko 1530 °C.

Toplina fuzije željeza je 15,2 kJ/mol ili 271,7 kJ/kg. Vrenje željeza događa se na temperaturi od 2735o C, iako su autori nekih studija utvrdili znatno veće vrijednosti vrelišta željeza (3227 - 3230o C). Toplina isparavanja željeza je 352,5 kJ/mol ili 6300 kJ/kg.