W życiu stale spotykamy się ze stopami, z których najczęstszym jest stal. Nic więc dziwnego, że ktoś będzie miał pytanie, jak powstaje stal?

Stal jest jednym ze stopów żelaza i węgla, który jest szeroko stosowany w Życie codzienne. Proces produkcji stali jest wieloetapowy i składa się z kilku etapów: wydobycia i wzbogacania rudy, produkcji spieku, produkcji żelaza oraz wytopu stali.

Ruda i spiek

Złoża rud umożliwiają wydobywanie zarówno skał bogatych, jak i biednych. Bogata ruda może być od razu wykorzystana jako surowiec produkcyjny. Aby móc wytopić słabą rudę, należy ją wzbogacić, czyli zwiększyć w niej zawartość czystego metalu. W tym celu ruda jest kruszona i przy użyciu różnych technologii oddzielane są cząstki bogate w związki metali. Na przykład w przypadku rud żelaza stosuje się separację magnetyczną - efekt pole magnetyczne na surowcu w celu oddzielenia cząstek bogatych w żelazo.

Otrzymuje się koncentrat o niskiej dyspersji, który jest spiekany na większe kawałki. W wyniku prażenia rud żelaza powstaje aglomerat. Rodzaje aglomeratów są nazwane po głównych surowcach składających się na ich skład. W naszym przypadku jest to spiek rudy żelaza. Teraz, aby zrozumieć, jak powstaje stal, konieczne jest prześledzenie dalszego procesu technologicznego.

Produkcja żeliwa.

Żeliwo wytapiane jest w wielkich piecach, które działają na zasadzie przeciwprądu. Załadunek spieku, koksu i innych materiałów wsadowych odbywa się od góry. Od dołu do góry, w kierunku tych materiałów, wznoszą się strumienie gorącego gazu ze spalania koksu. Rozpoczyna się szereg procesów chemicznych, w wyniku których następuje redukcja żelaza i jego nasycenie węglem. Reżim temperaturowy pozostając w rejonie 400-500 stopni Celsjusza. W dolnych partiach pieca, gdzie zredukowane żelazo jest stopniowo obniżane, temperatura wzrasta do 900-950 stopni. Powstaje ciekły stop żelaza i węgla - żeliwo. Do głównych charakterystyka chemicznażeliwo obejmuje: zawartość węgla powyżej 2,14%, obowiązkową obecność siarki, krzemu, fosforu i manganu w składzie. Żeliwo jest bardzo kruche.

Wytapianie stali.

Teraz jesteśmy blisko ostatni etap aby dowiedzieć się, jak powstaje stal. Pod względem chemicznym stal różni się od żeliwa niższą zawartością węgla; W związku z tym główne zadanie proces produkcji– zmniejszyć zawartość węgla i innych zanieczyszczeń w głównym stopie żelaza. Do produkcji stali stosuje się piece martenowskie, konwertory tlenu lub piece elektryczne.

Za pomocą różne technologie roztopione żelazo jest przedmuchiwane tlenem w bardzo wysokich temperaturach. Następuje proces odwrotny – utlenianie żelaza na poziomie zanieczyszczeń zawartych w stopie. Powstały żużel jest następnie usuwany. W wyniku nadmuchu tlenem zmniejsza się zawartość węgla, a żeliwo zamienia się w stal.

Do stali można dodawać pierwiastki stopowe w celu zmiany właściwości materiału. Dlatego stop żelazo-węgiel o zawartości żelaza co najmniej 45% jest uważany za stal.

Powyższe procesy wyjaśniały, jak powstaje stal, z jakich materiałów i przy użyciu jakich technologii.

Dużo wcześniej niż żelazo ludzie nauczyli się wydobywać i. Zaledwie 450 lat temu Hiszpanie, którzy wylądowali w Ameryce Środkowej i Południowej, odkryli tam bogate miasta z ogromnymi budynkami użyteczności publicznej, pałacami i świątyniami. Okazało się jednak, że Indianie nie znali jeszcze żelaza. Ich narzędzia i broń były wykonane tylko z kamienia.

Z historii wiadomo, że ludy Egiptu, Mezopotamii i Chin od 3-4 tysięcy lat p.n.e. mi. wyprodukowane gigantyczne Roboty budowlane okiełznać moc potężnych rzek i skierować wody na pola. Do wszystkich tych prac potrzebnych było wiele narzędzi - kilofy, motyki, pługi, a do ochrony przed najazdami koczowników wiele broni - miecze i strzały. W tym samym czasie wydobywano nie tyle miedź i cynę. Dlatego rozwój produkcji wymagał nowego metalu, bardziej powszechnego w przyrodzie. Poszukiwanie tego metalu nie było łatwe: rudy żelaza niewiele przypominają metal, aw starożytności oczywiście trudno było odgadnąć, że to one zawierały metal, którego potrzebował. Ponadto sam w sobie jest bardzo miękki, jest to kiepski materiał do produkcji narzędzi i broni.

Minęło dużo czasu, zanim człowiek nauczył się wydobywać żelazo z rud i wytwarzać z niego.

Możliwe, że pierwsze odkrycia żelaza jako materiału do produkcji różne przedmioty związane ze znaleziskami meteorytów żelaznych, składających się z rodzimego żelaza z domieszką niklu. Być może, obserwując, jak rdzewieje meteorytowe żelazo, ludzie domyślali się, że żelazo jest zawarte w żółtych, ziemistych ochrach, które często znajdują się na powierzchni ziemi, a następnie odkryli sposoby wytapiania żelaza.

Według danych historycznych około tysiąca lat p.n.e. mi. w Asyrii, Indiach, Urartu i kilku innych krajach wiedzieli już, jak wydobywać i przetwarzać żelazo. Wyrabiano z niego narzędzia i różnorodną broń. W VII wieku pne mi. ludność rolnicza, która żyła wzdłuż Dniepru i na stepach czarnomorskich, również umiejętnie wydobywała żelazo. Z niego Scytowie robili noże, miecze, groty strzał i włócznie oraz inne przedmioty wojskowe i domowe.

Wydobycie i sztuka obróbki żelaza były szeroko rozpowszechnione w całej starożytnej Rosji.

Kowale, popularnie nazywani w tamtych czasach „przebiegłymi”, nie tylko przetwarzali, ale zazwyczaj sami wydobywali żelazo z rud. Byli bardzo szanowani. W opowieściach ludowych kowal pokonuje Węża Gorynych, który uosabiał złe moce, i dokonuje wielu innych heroicznych czynów.

Żelazo jest miękkim metalem, który dobrze nadaje się do kucia, ale w czysta forma nie nadaje się do produkcji narzędzi. Tylko stopy żelaza z innymi substancjami mówią mu o tym wymagane właściwości w tym twardość. Najważniejsze dla Gospodarka narodowa dwa stopy żelaza i węgla - żeliwo zawierające więcej niż 2% (do 6%) węgla oraz stal zawierające od 0,03 do 2% węgla.

W starożytności ludzie nie mieli pojęcia o żeliwie, ale nauczyli się wytwarzać stal z żelaza. Wytopili żelazo w prymitywnych kuźniach, mieszając rudę żelaza z węgiel drzewny. Wysoką temperaturę niezbędną do wytopu rudy żelaza uzyskali za pomocą zwykłych mieszków. Wprawiano je w ruch rękami, a później siłą wody, ustawiając młyny wodne. Po wytopieniu rudy żelaza uzyskano spiekaną masę granulowanego żelaza, którą następnie odkuto na kowadłach.

Aby uzyskać stal z żelaza, cienkie paski kutego żelaza pokrywano węglem drzewnym i kalcynowano razem z węglem przez kilka dni. Oczywiście w ten sposób pozyskiwano niewiele stali i było to drogie. Tajemnice hutnictwa były trzymane w najściślejszej formie. Była szczególnie sławna stal damasceńska- bulat, - metoda otrzymywania, która została opracowana najwyraźniej przez starożytnych indyjskich mistrzów, a następnie opanowana przez arabskich mistrzów.

Jednak wszystkie te metody obróbki rudy żelaza i produkcji stali wytwarzały niewiele metalu. Coraz większe zapotrzebowanie zmusiło ludzi do szukania nowych sposobów na znaczące osiągnięcie duże ilości metal. Pod koniec XIV - początek XV wieku zaczęto budować piece do wytopu żelaza o wysokości już 2-3 m w celu uzyskania więcej metalu. Mistrzowie, którzy wytapiali w tych piecach, zauważyli, że niektóre wytopy nie powiodły się. Zamiast żelaza w piecu utworzyła się żelazna masa, która po schłodzeniu dawała kruchą, niemożliwą do podrobienia substancję. Ale w przeciwieństwie do żelaza i stali ta masa miała niezwykłą właściwość: została uzyskana w piecu w stanie stopionym w postaci cieczy, mogła być uwalniana przez otwory z pieca i odlewana z niego różne kształty. To było żeliwo.

Oczywiście w dawnych czasach metalurdzy nie byli w stanie wyjaśnić, dlaczego w niektórych przypadkach w piecu znalazło się spiekane żeliwo ciągliwe, a w innych płynne żeliwo. Chemia jako nauka nie istniała w tamtych czasach i żaden z mistrzów wytwarzających żelazo nie mógł wiedzieć, że całość polega na proporcji między rudą, węglem i powietrzem wprowadzanym do pieca podczas wytapiania. Im więcej powietrza (dokładniej tlenu) wprowadzi się do pieca, tym więcej węgla wypali się i zamieni się w dwutlenek węgla, który wyparuje, a w żelazie pozostanie mało węgla: w ten sposób uzyskuje się stal. Jeśli jest mniej powietrza, to dużo węgla rozpuszcza się w żelazie: powstaje żeliwo.

Dość szybko ludzie nauczyli się używać żeliwa nie tylko do odlewów, ale także do wytwarzania z niego żeliwa ciągliwego. Aby to zrobić, kawałek żeliwa został podgrzany w piecach, a tym samym wypalił z niego nadmiar węgla.

Wynalezienie maszyny parowej i krosna w XVIII wieku a zwłaszcza budowanie szyny kolejowe w początek XIX w. zażądał ogromnej ilości metalu. Znowu potrzebne były fundamentalne zmiany w produkcji żelaza i stali.

W 1784 roku w Anglii Cort wprowadził obróbkę żeliwa w tzw. piecach płomieniowych lub pogłosowych. Ten proces został nazwany kałuża. W piecu pogłosowym zaczęli używać zamiast drewna. Stosowanie węgla w wytopie było kiedyś utrudnione przez siarkę, którą zawiera węgiel. Wnikał w żelazo w kontakcie z węglem. A żelazo zawierające siarkę stało się kruche, gdy tylko zostało podgrzane.

W piecu rewerberacyjnym palenisko jest oddzielone progiem od wanny, w której topi się żeliwo, dzięki czemu węgiel nie ma bezpośredniego kontaktu. Żeliwo nagrzewane jest płomieniem i przepływającym nad nim gorącym powietrzem z pieca i odbitym od stropu pieca. Wraz z doskonaleniem metody wytwarzania żeliwa zintensyfikowano poszukiwania nowych metod wytwarzania stali.

Sekret wytwarzania stali damasceńskiej – stali adamaszkowej – odkrył słynny rosyjski metalurg Paweł Pietrowicz Anosow, który w pierwszej połowie XIX wieku pracował w Zakładzie Metalurgicznym Zlatoust. Stopił żelazo w małych tyglach z grafitem, który jest również węglem i uzyskał cudowną stal damasceńską. Sztaby wykonane z tej stali były mocniejsze niż najmocniejsza angielska stal, która w tamtych czasach była uważana za najlepszą na świecie.

W 1856 r. angielski inżynier Bessemer zaproponował wdmuchiwanie powietrza do „dysz” - otworów w dnie retorty - przez roztopione żeliwo, dzięki czemu w ciągu 10-20 minut cały nadmiar węgla zamienił się w dwutlenek węgla i żeliwo w stal.

Później opracowano metodę topienia stali w piecach płomiennych, zwaną otwarte palenisko. Piece płomienne z otwartym paleniskiem są znacznie lepsze niż stare piece płomienne. W urządzenia specjalne piece martenowskie - regeneratory - powietrze i gaz palny uzyskiwany z węgla są podgrzewane do 1000 °. Ogrzewanie następuje z powodu ciepła gazów spalinowych pochodzących z tego samego pieca. Ogrzewanie gazu i powietrza przyczynia się do powstania (podczas spalania gazu) temperatury około 1800 °. To wystarczy do stopienia złomu żelaznego i stalowego.

Szczególnie wysokiej jakości stal jest obecnie wytapiana w piecach elektrycznych, w których metal uzyskuje się przez topienie w łuku elektrycznym, którego temperatura dochodzi do 3000 °. Zaletą wytapiania elektrycznego jest to, że metal nie jest zanieczyszczony szkodliwymi zanieczyszczeniami, które są zawsze obecne w gazach opałowych spalanych w konwencjonalnych piecach.

Żeliwo wytapiane jest w wielkich piecach. Wysokość nowoczesnego wielkiego pieca wraz z urządzeniami pomocniczymi wynosi 40 metrów lub więcej. Aby obniżyć temperaturę topnienia rudy żelaza, dodaje się ją strumień, lub blaszany jeleń, - substancja, która w połączeniu z niektórymi częściami składowymi rudy tworzy niskotopliwy żużel. Zwykle jako topnik stosuje się fluoryt lub fluoryt itp. Mieszanina rudy i topnika nazywa się opłata. Mieszankę wlewa się do innego pieca z dodatkiem koksu, który po spaleniu ogrzewa i topi całą mieszankę. Koks pali się normalnie tylko wtedy, gdy jest wdmuchiwane do niego powietrze, podgrzane do 600-850 °. Powietrze ogrzewane jest gazami opuszczającymi wielki piec w stalowych wieżach - cauiopax, - wyłożony cegłami wewnątrz.

W najniższej części pieca, rozgrzany do czerwoności, spotykając się z gorącym powietrzem, wypala się. Powoduje to wytwarzanie dwutlenku węgla (CO2). W miarę unoszenia się zamienia się w inny gaz - tlenek węgla (CO), który charakteryzuje się dużą aktywnością chemiczną.

Tlenek węgla zachłannie odbiera tlen z tlenków żelaza. W ten sposób uwolniony metaliczne żelazo zawierające węgiel, t. żeliwa, które następnie wpada do Dolna część wielkie piece. Od czasu do czasu uwalniany jest przez specjalny otwór w piecu i spływa do form, gdzie się ochładza.

Żelazo jest elementem drugorzędnej podgrupy ósmej grupy czwartego okresu układ okresowy pierwiastki chemiczne D. I. Mendelejewa o liczbie atomowej 26. Jest oznaczony symbolem Fe (łac. Ferrum). Jeden z najczęściej występujących metali w skorupie ziemskiej (drugie miejsce po aluminium). Metal o średniej aktywności, reduktor.

Główne stany utlenienia - +2, +3

Prosta substancja żelazo to plastyczny srebrno-biały metal o wysokiej reaktywności chemicznej: żelazo szybko koroduje w wysokich temperaturach lub w wysoka wilgotność na antenie. W czystym tlenie żelazo pali się, aw stanie drobno rozproszonym zapala się samorzutnie w powietrzu.

Właściwości chemiczne prostej substancji - żelaza:

Rdzewieje i pali się w tlenie

1) W powietrzu żelazo łatwo utlenia się w obecności wilgoci (rdzewieje):

4Fe + 3O2 + 6H2O → 4Fe(OH) 3

Ogrzany drut żelazny spala się w tlenie, tworząc kamień - tlenek żelaza (II, III):

3Fe + 2O 2 → Fe 3 O 4

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

2) W wysokich temperaturach (700-900°C) żelazo reaguje z parą wodną:

3Fe + 4H 2 O - t ° → Fe 3 O 4 + 4 H 2

3) Żelazo reaguje z niemetalami po podgrzaniu:

2Fe+3Cl2 →2FeCl3 (200 °С)

Fe + S – t° → FeS (600 ° С)

Fe + 2S → Fe +2 (S 2 -1) (700 ° С)

4) W szeregu napięć znajduje się na lewo od wodoru, reaguje z rozcieńczonymi kwasami Hcl i H 2 SO 4, podczas gdy tworzą się sole żelaza (II) i uwalnia się wodór:

Fe + 2HCl → FeCl 2 + H 2 (reakcje przeprowadzane są bez dostępu powietrza, w przeciwnym razie Fe +2 jest stopniowo przekształcany przez tlen w Fe +3)

Fe + H 2 SO 4 (różn.) → FeSO 4 + H 2

W stężonych kwasach utleniających żelazo rozpuszcza się dopiero po podgrzaniu, natychmiast przechodzi do kationu Fe 3+:

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

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

(w zimnym, stężonym kwasie azotowym i siarkowym) pasywować

Żelazny gwóźdź zanurzony w niebieskawym roztworze niebieski witriol, stopniowo pokryta powłoką czerwonej metalicznej miedzi

5) Żelazo wypiera metale na prawo od niego w roztworach ich soli.

Fe + CuSO 4 → FeSO 4 + Cu

Amfoteryczność żelaza przejawia się tylko w stężonych alkaliach podczas wrzenia:

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

i tworzy się osad tetrahydroksoferranu(II) sodu.

Żelazko techniczne- stopy żelaza z węglem: żeliwo zawiera 2,06-6,67% C, stal 0,02-2,06% C, inne zanieczyszczenia naturalne (S, P, Si) i sztucznie wprowadzone specjalne dodatki (Mn, Ni, Cr) są często obecne, co sprawia, że ​​stopy żelaza są technicznie korzystne cechy- twardość termiczna i odporność na korozję, plastyczność itp. .

Proces produkcji żelaza w wielkim piecu

Proces wielkopiecowy produkcji żelaza składa się z następujących etapów:

a) przygotowanie (prażenie) rud siarczkowych i węglanowych – konwersja do rudy tlenkowej:

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

b) spalanie koksu gorącym podmuchem:

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

c) kolejno redukcja rudy tlenkowej tlenkiem węgla CO:

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

d) nawęglanie żelaza (do 6,67% C) i topienie żeliwa:

Fe (t ) →(C(koks)900-1200°C) Fe (g) (żeliwo, t pl 1145°С)

W żeliwie cementyt Fe 2 C i grafit występują zawsze w postaci ziaren.

Produkcja stali

Redystrybucja żeliwa do stali odbywa się w specjalnych piecach (konwerter, martenowski, elektryczny), które różnią się sposobem ogrzewania; temperatura procesu 1700-2000 °C. Nadmuch powietrza wzbogaconego tlenem wypala nadmiar węgla z żeliwa, a także siarkę, fosfor i krzem w postaci tlenków. W tym przypadku tlenki są albo wychwytywane w postaci spalin (CO 2, SO 2), albo wiązane w łatwo oddzielający się żużel - mieszaninę Ca 3 (PO 4) 2 i CaSiO 3. W celu uzyskania stali specjalnych do pieca wprowadza się dodatki stopowe innych metali.

Paragon fiskalny czyste żelazo w przemyśle - elektroliza roztworu soli żelaza, np.:

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

(istnieją inne specjalne metody, w tym redukcja tlenków żelaza wodorem).

Czyste żelazo jest używane do produkcji specjalnych stopów, do produkcji rdzeni elektromagnesów i transformatorów, żeliwo do produkcji odlewów i stali, stal jest używana jako materiały konstrukcyjne i narzędziowe, w tym na zużycie, ciepło i korozję -odporne materiały.

Tlenek żelaza(II) F EO . Tlenek amfoteryczny z dużą przewagą właściwości podstawowych. Czarny, ma strukturę jonową Fe 2+ O 2-. Po podgrzaniu najpierw rozkłada się, a następnie ponownie tworzy. Nie powstaje podczas spalania żelaza w powietrzu. Nie reaguje z wodą. Rozkładany przez kwasy, połączony z zasadami. Powoli utlenia się w wilgotnym powietrzu. Odzyskiwany przez wodór, koks. Uczestniczy w wielkopiecowym procesie wytopu żelaza. Stosowany jest jako składnik farb ceramicznych i mineralnych. Równania najważniejszych reakcji:

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

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

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

FeO + 4NaOH \u003d 2H 2 O + N4FmiO3 (czerwony.) trioksożelazian(II)(400-500 °С)

FeO + H2 \u003d H2O + Fe (wysoka czystość) (350 ° C)

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

FeO + CO \u003d Fe + CO 2 (900 ° C)

4FeO + 2H 2 O (wilgoć) + O 2 (powietrze) → 4FeO (OH) (t)

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

Paragon fiskalny w laboratoria: rozkład termiczny związków żelaza (II) bez dostępu powietrza:

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

FeSOz \u003d FeO + CO 2 (490-550 ° С)

Tlenek diżelazowy (III) - żelazo ( II ) ( Fe II Fe 2 III) O 4 . Podwójny tlenek. Czarny ma strukturę jonową Fe 2+ (Fe 3+) 2 (O 2-) 4. Stabilny termicznie do wysokich temperatur. Nie reaguje z wodą. Rozkładany przez kwasy. Jest redukowany przez wodór, rozgrzane do czerwoności żelazo. Uczestniczy w wielkopiecowym procesie produkcji żelaza. Stosowany jest jako składnik farb mineralnych ( żelazo minimalne), ceramika, kolorowy cement. Produkt specjalnego utleniania powierzchni wyrobów stalowych ( czernienie, sinienie). Kompozycja nawiązuje do brązowej rdzy i ciemnej łuski na żelazie. Nie zaleca się stosowania formuły Fe 3 O 4 . Równania najważniejszych reakcji:

2 (Fe II Fe 2 III) O 4 \u003d 6FeO + O 2 (powyżej 1538 ° С)

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

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

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

(Fe II Fe 2 III) O 4 + 4H 2 \u003d 4H 2 O + 3Fe (wysoka czystość, 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 ° С, 560-700 ° С)

Paragon fiskalny: spalanie żelaza (patrz) w powietrzu.

magnetyt.

Tlenek żelaza(III) F e 2 O 3 . Tlenek amfoteryczny z przewagą właściwości podstawowych. Czerwono-brązowy, ma strukturę jonową (Fe 3+) 2 (O 2-) 3. Stabilny termicznie do wysokich temperatur. Nie powstaje podczas spalania żelaza w powietrzu. Nie reaguje z wodą, z roztworu wytrąca się brązowy bezpostaciowy hydrat Fe 2 O 3 nH 2 O. Powoli reaguje z kwasami i zasadami. Jest redukowany przez tlenek węgla, roztopione żelazo. Stopy z tlenkami innych metali i tworzą tlenki podwójne - spinele (produkty techniczne nazywane są ferrytami. Znajduje zastosowanie jako surowiec w wytopie żelaza w procesie wielkopiecowym, jako katalizator przy produkcji amoniaku, jako składnik ceramiki, cementów barwionych i farb mineralnych, w spawaniu termitem konstrukcji stalowych, jako nośnik dźwięk i obraz na taśmach magnetycznych, jako środek do polerowania stali i szkła.

Równania najważniejszych reakcji:

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

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

Fe 2 O 3 + 2NaOH (stęż.) → H 2 O+ 2 NaFmiO 2 (czerwony)dioksożelazian(III)

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

Fe 2 O 3 + ZN 2 \u003d ZN 2 O + 2Fe (wysoce czysty, 1050-1100 ° С)

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 ° С)

Paragon fiskalny w laboratorium - rozkład termiczny soli żelaza (III) w powietrzu:

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

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

W naturze - rudy tlenku żelaza krwawień Fe 2 O 3 i limonit Fe 2 O 3 nH 2 O

Wodorotlenek żelaza(II) F e(OH)2. Wodorotlenek amfoteryczny z przewagą właściwości zasadowych. Białe (czasem z zielonkawym odcieniem), wiązania Fe-OH są przeważnie kowalencyjne. Niestabilny termicznie. Łatwo utlenia się w powietrzu, zwłaszcza gdy jest mokry (ciemnieje). Nierozpuszczalne w wodzie. Reaguje z rozcieńczonymi kwasami, stężonymi zasadami. Typowy konserwator. Produkt pośredni w rdzewieniu żelaza. Wykorzystywany jest do produkcji masy aktywnej akumulatorów żelazowo-niklowych.

Równania najważniejszych reakcji:

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

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

Fe (OH) 2 + 2NaOH (> 50%) \u003d Na 2 ↓ (niebiesko-zielony) (wrzenie)

4Fe(OH) 2 (zawiesina) + O 2 (powietrze) → 4FeO(OH)↓ + 2H 2 O (t)

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

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

Paragon fiskalny: wytrącanie z roztworu alkaliami lub wodzianem amoniaku w atmosferze obojętnej:

Fe 2+ + 2OH (razb.) = Fe(OH) 2

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

Metawodorotlenek żelaza F eO(OH). Wodorotlenek amfoteryczny z przewagą właściwości zasadowych. Wiązania jasnobrązowe, Fe-O i Fe-OH są przeważnie kowalencyjne. Po podgrzaniu rozkłada się bez topienia. Nierozpuszczalne w wodzie. Wytrąca się z roztworu w postaci brązowego amorficznego polihydratu Fe 2 O 3 nH 2 O, który po utrzymywaniu w rozcieńczonym roztworze alkalicznym lub po wysuszeniu zamienia się w FeO (OH). Reaguje z kwasami, stałymi zasadami. Słaby środek utleniający i redukujący. Spiekany z Fe(OH)2. Produkt pośredni w rdzewieniu żelaza. Stosowany jest jako baza pod żółte farby mineralne i emalie, jako pochłaniacz spalin, jako katalizator w syntezie organicznej.

Skład połączenia Fe(OH) 3 nie jest znany (nie uzyskano).

Równania najważniejszych reakcji:

Fe 2 O 3 . nH2O→( 200-250 °С, —H 2 O) FeO(OH)→( 560-700°C w powietrzu, -H2O)→Fe 2 O 3

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

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

FeO(OH) → N3 [Fe(OH) 6 ]biały, odpowiednio Na 5 i K 4; w obu przypadkach wytrąca się niebieski produkt o tym samym składzie i strukturze, KFe III. W laboratorium ten osad nazywa się błękit pruski, lub turnbull niebieski:

Fe 2+ + K + + 3- = KFe III ↓

Fe 3+ + K + + 4- = KFe III ↓

Nazwy chemiczne początkowych odczynników i produktów reakcji:

K 3 Fe III - heksacyjanożelazian (III) potasu

K 4 Fe III - heksacyjanożelazian (II) potasu

KFe III - heksacyjanożelazian (II) żelazo (III) potas

Ponadto jon tiocyjanianowy NCS - jest dobrym odczynnikiem dla jonów Fe 3+, łączy się z nim żelazo (III) i pojawia się jaskrawoczerwony („krwawy”) kolor:

Fe 3+ + 6NCS - = 3-

Za pomocą tego odczynnika (na przykład w postaci soli KNCS) można wykryć nawet śladowe ilości żelaza (III) w woda z kranu jeśli przechodzi przez żelazne rury pokryte od wewnątrz rdzą.

Żelazo jest więcej niż 5% skorupa Ziemska. Do wydobycia żelaza wykorzystuje się głównie takie rudy jak hematyt Fe2O3 i magnetyt Fe3O4. Rudy te zawierają od 20 do 70% żelaza. Najważniejszymi zanieczyszczeniami żelazowymi w tych rudach są piasek (tlenek krzemu(IV) SiO2) i tlenek glinu (tlenek glinu Al2O3).

Pozyskiwanie żelaza z rudy żelaza odbywa się w dwóch etapach. Rozpoczyna się od przygotowania rudy - rozdrabniania i ogrzewania. Rudę kruszy się na kawałki o średnicy nie większej niż 10 cm, a następnie kalcynuje się pokruszoną rudę w celu usunięcia wody i lotnych zanieczyszczeń.

W drugim etapie ruda żelaza jest redukowana do żelaza za pomocą tlenku węgla w wielkim piecu (rysunek 2.1), gdzie: 1 - ruda żelaza, wapień, koks, 2 stożek załadowczy (górny), 3 - gaz górny, 4 - murowanie pieca , 5 - strefa odzysku tlenku żelaza, 6 - strefa tworzenia żużla, 7 - strefa spalania koksu, 8 - wtrysk ogrzanego powietrza przez lance, 9 - roztopione żelazo, 10 - roztopiony żużel.

Odzysk odbywa się w temperaturach rzędu 700°C:

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

W celu zwiększenia uzysku żelaza proces ten prowadzi się w warunkach nadmiaru dwutlenku węgla CO2.

Tlenek węgla CO powstaje w wielkim piecu z koksu i powietrza (2.12). Powietrze jest najpierw podgrzewane do około 600°C i wtłaczane do pieca przez specjalna rura- lanca. Koks pali się na gorąco skompresowane powietrze, tworząc dwutlenek węgla. Ta reakcja jest egzotermiczna i powoduje wzrost temperatury powyżej 1700°C:

C(g) + O2(g) > CO2(g), AH0m = -406 kJ/mol

Dwutlenek węgla unosi się w piecu i reaguje z większą ilością koksu, tworząc tlenek węgla (2.13). Ta reakcja jest endotermiczna:

CO2(g) + С(ciało stałe) > 2CO(g) , AH0m = +173 kJ/mol

Żelazo powstałe podczas rozdrabniania rudy jest zanieczyszczone zanieczyszczeniami piasku i tlenku glinu. Do pieca dodaje się wapień, aby je usunąć. W temperaturach panujących w piecu (800 0C) wapień ulega rozkładowi termicznemu z wytworzeniem tlenku wapnia i dwutlenku węgla:

СaCO3(s.) >CaO(s.) + CO2(g.)

Tlenek wapnia łączy się z zanieczyszczeniami tworząc żużel. Żużel zawiera krzemian wapnia i glinian wapnia:

CaO(ciało stałe) + SiO2(ciało stałe)>CaSiO3(l)

CaO(ciało stałe) +Al2O3(ciało stałe)>CaAl2O4(l.)

Żelazo topi się w 1540°C. Roztopione żelazo wraz z roztopionym żużlem spływa na dno pieca. Roztopiony żużel unosi się na powierzchni roztopionego żelaza. Okresowo każda z tych warstw jest uwalniana z pieca na odpowiednim poziomie.

Wielki piec pracuje przez całą dobę, w sposób ciągły. Surowcami do procesu wielkopiecowego są ruda żelaza, koks i wapień. Są stale ładowane do piekarnika od góry. Żelazo jest uwalniane z pieca cztery razy dziennie, w regularnych odstępach czasu. Wylewa się z pieca w ognistym strumieniu o temperaturze około 1500 ° C. Wielkie piece są dostępne w różnych rozmiarach i wydajnościach (1000-3000 ton dziennie). W USA istnieje kilka nowo zaprojektowanych pieców z czterema wylotami i ciągłym wyładunkiem stopionego żelaza. Takie piece mają wydajność do 10 000 ton na dobę.

Żelazo wytopione w wielkim piecu wlewa się do form piaskowych. Takie żelazo nazywa się żeliwem. Zawartość żelaza w żeliwie wynosi około 95%. Żeliwo jest twardą, ale kruchą substancją o temperaturze topnienia około 1200°C.

Żeliwo otrzymywane jest poprzez stapianie mieszaniny żeliwa, złomu i stali z koksem. Stopione żelazo wlewa się do form i chłodzi.

Kute żelazo jest najczystszą formą żelaza technicznego. Otrzymuje się go przez ogrzewanie surowego żelaza z hematytem i wapieniem w piec do topienia. Podnosi to czystość żelaza do około 99,5%. Jego temperatura topnienia wzrasta do 1400°C.

Kute żelazo ma dużą wytrzymałość, ciągliwość i ciągliwość. Jednak w wielu zastosowaniach jest on zastępowany stalą miękką.

Produkcja stali: Proces przerabiania surówki na stal polega na usunięciu z surówki nadmiaru węgla, siarki, fosforu, krzemu, manganu i innych pierwiastków. Usuwanie zanieczyszczeń odbywa się poprzez przekształcenie ich w tlenki, które albo ulatniają się (CO i CO2), albo przechodzą w żużel. Przetwarzanie żeliwa na stal odbywa się trzema sposobami: Bessemer, Thomas i martenowskim, które dobierane są w zależności od składu żeliwa i gatunku stali do uzyskania. Poniżej są szczegółowe Różne rodzaje stale, ich właściwości i zastosowania.

Metoda martenowska różni się od kolejnych tym, że wykorzystuje stałe środki utleniające w postaci tlenków żelaza zawartych w rudzie, zgorzelinie i złomie (złom). Proces martenowski odbywa się w specjalnych piecach, zwanych martenowskimi. Piece martenowskie (rys. 2.2), gdzie: 1 – łuk, 2 – okna napełniania, 3 – kąpiel topialna, 4 – głowice, 5 – regeneratory, 6 – zawory przełączające.

Piece martenowskie należą do typu pieców płomieniowych - są ogrzewane płomieniem uzyskanym przez spalanie gazów palnych nad powierzchnią rozgrzanej masy. Żelazo, ruda i złom są ładowane do pieca martenowskiego w takim stosunku, aby tlen z tlenków żelaza wystarczał do utlenienia pewnej ilości zanieczyszczeń. Topniki dobiera się w taki sposób, aby żużel był kwaśny lub zasadowy, w zależności od charakteru usuwanych zanieczyszczeń. Proces topienia trwa 5-6 godzin. W tym czasie okresowo pobierane są próbki roztopionej stali, ustalany jest jej skład i dodawane są niezbędne składniki w postaci żelazostopów (stopy żelaza z różnymi metalami i niemetalami, np. nikiel, mangan, tytan, molibden, wolfram, chrom, krzem i inne). Długi czas topienia umożliwia produkcję stali o określonym składzie. Wykorzystanie powietrza, wzbogacenie tlenem, pozwala osiągnąć więcej wysoka temperatura i pozwala zintensyfikować proces topienia i skrócić jego czas do 4 godzin.

Proces konwertera tlenu. W ostatnie dekady Produkcja stali została zrewolucjonizowana przez rozwój procesu BOF (znanego również jako proces Linz-Donawitz). Proces ten zaczęto stosować w 1953 roku w hutach w dwóch austriackich ośrodkach metalurgicznych - Linz i Donawitz.

W procesie konwertora tlenowego stosuje się konwerter tlenu z główną wykładziną (murowaną) (rysunek 2.3), gdzie: 1 to tlen i CaO, 2 to chłodzona wodą rura do podmuchu tlenu, 3 to żużel. 4-osiowa, 5-stopna stal, 6-stalowy korpus.

Konwerter jest ładowany w pozycji pochyłej stopionym żelazem z pieca do wytapiania i złomem, a następnie wraca do pozycja pionowa. Następnie wejdź do konwertera od góry miedziana rura z chłodzeniem wodnym i przez nią strumień tlenu z domieszką wapna w proszku CaO kierowany jest na powierzchnię roztopionego żelaza. To „przedmuchiwanie tlenem”, które trwa 20 minut, prowadzi do intensywnego utleniania zanieczyszczeń żelazowych, podczas gdy zawartość konwertera pozostaje w stanie ciekłym z powodu uwolnienia energii podczas reakcji utleniania. Powstałe tlenki łączą się z wapnem i zamieniają się w żużel. Następnie rura miedziana jest wyciągana, a konwerter jest przechylany, aby spuścić z niej żużel. Po ponownym oczyszczeniu roztopiona stal jest wlewana z konwertora (w pozycji pochyłej) do kadzi.

Proces BOF jest stosowany głównie do produkcji stali węglowych. Charakteryzuje się świetną wydajnością. W ciągu 40-45 minut w jednym konwertorze można uzyskać 300-350 ton stali.

Obecnie w tym procesie wytwarzana jest cała stal w Wielkiej Brytanii i większość stali na świecie.

W zależności od materiału wyłożenia pieca, metodę konwertorową dzieli się na dwa typy: Bessemera i Thomasa.

Metoda Bessemera przetwarza żeliwa zawierające mało fosforu i siarki oraz bogate w krzem (minimum 2%). Kiedy wdmuchiwany jest tlen, krzem jest najpierw utleniany z uwolnieniem znacznej ilości ciepła. W efekcie początkowa temperatura żeliwa z około 1300°C szybko wzrasta do 1500-1600°C. Wypalenie 1% Si powoduje wzrost temperatury o 200°C (2.17). Przy około 1500°C zaczyna się intensywne wypalanie węgla. Wraz z nim żelazo jest również intensywnie utleniane, szczególnie pod koniec wypalania krzemu i węgla:

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

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

Powstały tlenek żelaza FeO dobrze rozpuszcza się w stopionym żeliwie i częściowo przechodzi w stal, a częściowo reaguje z SiO2 i przechodzi w żużel w postaci krzemianu żelaza FeSiO3:

FeO (ciało stałe) + SiO2 (ciało stałe) = FeSiO3 (ciało stałe)

Fosfor całkowicie przechodzi z żeliwa do stali. Zatem P2O5 z nadmiarem SiO2 nie może reagować z tlenkami zasadowymi, ponieważ SiO2 reaguje z tymi ostatnimi bardziej energicznie. Dlatego żeliwa fosforowe nie mogą być w ten sposób przetwarzane na stal.

Wszystkie procesy w konwerterze przebiegają szybko - w ciągu 10-20 minut, ponieważ tlen z powietrza przedmuchiwanego przez żeliwo reaguje natychmiast z odpowiednimi substancjami w całej objętości metalu. Podczas odmuchiwania powietrzem wzbogaconym tlenem procesy są przyspieszane. Tlenek węgla CO, powstający podczas wypalania węgla, bąbelkuje, pali się tam, tworząc nad szyjką konwertera pochodnię lekkiego płomienia, który zmniejsza się w miarę wypalania się węgla, a następnie całkowicie zanika, co jest oznaką końca proces. Powstała stal zawiera znaczne ilości rozpuszczonego tlenku żelaza FeO, co znacznie obniża jakość stali. Dlatego przed wylaniem stal należy odtleniać różnymi odtleniaczami - żelazokrzemem, żelazomanganem lub aluminium:

2FeO (ciało stałe) + Si (ciało stałe) = 2Fe (ciało stałe) + SiO2 (ciało stałe)

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

3FeO (ciało stałe) + 2Al (ciało stałe) = 3Fe (ciało stałe) + Al2O3 (ciało stałe)

Tlenek manganu MnO jako tlenek zasadowy reaguje z SiO2 i tworzy krzemian manganu MnSiO3, który przechodzi w żużel. Tlenek glinu, jako substancja nierozpuszczalna w tych warunkach, również unosi się do góry i przechodzi w żużel. Pomimo swojej prostoty i wysokiej wydajności, metoda Bessemera nie jest obecnie zbyt powszechna, ponieważ ma wiele znaczące niedociągnięcia. Tak więc żeliwo do metody Bessemera powinno mieć najmniejszą zawartość fosforu i siarki, co nie zawsze jest możliwe. Dzięki tej metodzie dochodzi do bardzo dużego wypalenia metalu, a wydajność stali wynosi tylko 90% masy żeliwa, a także zużywa się dużo odtleniaczy. Poważną wadą jest brak możliwości regulacji skład chemiczny stają się.

Stal Bessemer zawiera zwykle mniej niż 0,2% węgla i jest wykorzystywana jako żelazo techniczne do produkcji drutu, śrub i żelazka do pokryć dachowych.

Metoda Thomasa przetwarza żeliwo o wysokiej zawartości fosforu (do 2% lub więcej). Główna różnica między tą metodą a metodą Bessemera polega na tym, że wyłożenie konwertora jest wykonane z tlenków magnezu i wapnia. Ponadto do żeliwa dodaje się do 15% CaO. W efekcie substancje żużlotwórcze zawierają znaczny nadmiar tlenków o właściwościach podstawowych.

W tych warunkach powstający podczas spalania fosforu bezwodnik fosforanowy P2O5 oddziałuje z nadmiarem CaO tworząc fosforan wapnia i przechodzi w żużel:

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

P2O5(ciało stałe) + 3CaO(ciało stałe) = Ca3(PO4)2(ciało stałe)

Jednym z głównych źródeł ciepła w tej metodzie jest reakcja spalania fosforu. Przy spaleniu 1% fosforu temperatura konwertera wzrasta o 150°C. Siarka uwalniana jest do żużla w postaci nierozpuszczalnego w roztopionej stali siarczku wapnia CaS, który powstaje w wyniku oddziaływania rozpuszczalnego FeS z CaO zgodnie z reakcją:

FeS(l) + CaO(ciało stałe) = FeO(l) + CaS(ciało stałe)

Wszystkie te ostatnie procesy zachodzą w taki sam sposób, jak w metodzie Bessemera. Wady metody Thomasa są takie same jak metody Bessemera. Stal Thomas jest również niskowęglowa i jest wykorzystywana jako żelazo techniczne do produkcji drutu, żelazo dachowe.

Elektryczny proces stalowniczy. Piekarniki elektryczne służą głównie do przetwarzania złomu stalowego i żeliwnego na wysokiej jakości stale stopowe, takie jak Stal nierdzewna. Piec elektryczny to okrągły, głęboki zbiornik wyłożony cegłami ogniotrwałymi. Piec jest ładowany złomem przez otwartą pokrywę, następnie pokrywa jest zamykana i elektrody są opuszczane do pieca przez znajdujące się w nim otwory, aż do zetknięcia się ze złomem. Następnie włącz prąd. Między elektrodami pojawia się łuk, w którym temperatura wzrasta powyżej 3000 0C. W tej temperaturze metal topi się i powstaje nowa stal. Każdy ładunek pieca pozwala uzyskać 25-50 ton stali.

Jakość wyrobów stalowych można poprawić poprzez dodatkową obróbkę. W tym celu zastosuj obróbka cieplna, nawęglanie, azolizowanie, aluminiowanie oraz różne powłoki antykorozyjne.

Tak więc przemysłowa metoda pozyskiwania żelaza jest główną i znacznie wydajniejszą od laboratoryjnej. Jest wiele metody przemysłowe produkcja żelaza, opierają się na produkcji żelaza w wyniku wytopu żeliwa z rud żelaza, wytopu stali z żeliwa. przemysłowe metody wydobycia żelaza są stale unowocześniane i jedna metoda jest zastępowana nową.

Rudy żelaza są dość rozpowszechnione na Ziemi. Nazwy gór na Uralu mówią same za siebie: Wysokie, Magnetyczne, Żelazne. Chemicy rolni znajdują w glebach związki żelaza.

Żelazo znajduje się w większości skał. Aby uzyskać żelazo, stosuje się rudy żelaza o zawartości żelaza 30-70% lub więcej.

Główne rudy żelaza to:

Magnetyt (magnetyczna ruda żelaza) - Fe3O4 zawiera 72% żelaza, osady znajdują się na Południowy Ural, Kursk anomalia magnetyczna.

Hematyt (żelazny połysk, krwawnik) - Fe2O3 zawiera do 65% żelaza, takie osady występują w regionie Krivoy Rog.

Limonit (ruda brązowego żelaza) - Fe2O3 * nH2O zawiera do 60% żelaza, złoża znajdują się na Krymie.

Piryt (piryt siarki, piryt żelazny, kocie złoto) - FeS2 zawiera około 47% żelaza, złoża znajdują się na Uralu.

Metody pozyskiwania żelaza

Obecnie główne sposób przemysłowy Przetwarzanie rudy żelaza to produkcja surówki w procesie wielkopiecowym. Żeliwo to stop żelaza zawierający 2,2-4% węgla, krzemu, manganu, fosforu i siarki. W przyszłości większość żeliwa jest przetwarzana na stal. Stal różni się od żeliwa głównie niższą zawartością węgla (do 2%), fosforu i siarki.

Ostatnio wiele uwagi poświęcono opracowaniu metod bezpośredniej produkcji żelaza z rud bez procesu wielkopiecowego. Już w 1899 r. D. I. Mendelejew napisał: „Wierzę, że nadejdzie czas, aby ponownie poszukać sposobów na bezpośrednie pozyskiwanie żelaza i stali z rud, z pominięciem żeliwa”. Słowa wielkiego chemika okazały się prorocze: takie metody znaleziono i wdrożono w przemyśle.

Początkowo bezpośrednią redukcję żelaza prowadzono w piecach obrotowych o niewielkim nachyleniu, podobnie jak w piecach, w których produkowany jest cement. Ruda i węgiel są w sposób ciągły ładowane do paleniska, które stopniowo przesuwają się w kierunku wyjścia, ogrzane powietrze przepływa w przeciwprądzie. W czasie przebywania w piecu ruda jest stopniowo nagrzewana (do temperatur poniżej temperatury ciśnienia żelaza) i jest redukowana. Produktem takiej produkcji jest mieszanina kawałków żelaza i żużla, którą łatwo oddzielić, ponieważ żelazo nie ulega stopieniu.

W ostatnim czasie wzrosło również zainteresowanie bezpośrednią redukcją żelaza z rud ze względu na to, że oprócz oszczędności koksu, pozwala na uzyskanie żelaza o wysokiej czystości. Produkcja czystych metali jest jednym z krytyczne zadania nowoczesna metalurgia. Takie metale są potrzebne wielu gałęziom przemysłu.

W przypadku rudy poddanej wzbogacaniu możliwe jest uzyskanie technicznie czystego żelaza poprzez bezpośrednią redukcję: znaczne zwiększenie udziału masowego żelaza poprzez oddzielenie skały płonnej oraz zmniejszenie zawartości szkodliwych zanieczyszczeń (takich jak siarka i fosfor).

W uproszczeniu proces przygotowania rudy żelaza do odzysku można przedstawić w następujący sposób. Ruda jest kruszona w kruszarkach i podawana do rozdzielacz magnetyczny. Jest to bęben z elektromagnesami, na który za pomocą przenośnika podaje się pokruszoną rudę. Skała płonna swobodnie przechodzi przez pole magnetyczne i opada. Ziarna rudy zawierające magnetyczne minerały żelaza są namagnesowane, przyciągane i oddzielane od bębna później niż skała płonna. Ta separacja magnetyczna może być powtarzana kilka razy.

Rudy zawierające magnetyt Fe3O4 najlepiej poddaje się wzbogacaniu magnetycznemu, które ma silne właściwości magnetyczne. W przypadku rud słabo magnetycznych przed wzbogacaniem stosuje się czasami prażenie magnetyzujące - redukcję tlenków żelaza w rudzie do magnetytu:

3Fe2O2 + H2 = 2Fe3O4 + H2O

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2

Po separacji magnetycznej rudę wzbogaca się metodą flotacji. W tym celu rudę umieszcza się w pojemniku z wodą, w którym rozpuszczane są odczynniki flotacyjne - substancje, które są selektywnie adsorbowane na powierzchni użytecznego minerału i nie są adsorbowane na skale płonnej. W wyniku adsorpcji środka flotacyjnego cząstki mineralne nie są zwilżane wodą i nie toną.

Przez roztwór przepuszcza się powietrze, którego bąbelki przyczepiają się do kawałków minerału i unoszą je na powierzchnię. Cząsteczki skały płonnej są dobrze zwilżane wodą i opadają na dno. Wzbogacona ruda jest zbierana z powierzchni roztworu wraz z pianą.

W rezultacie kompletny proces wzbogacenie, zawartość żelaza w rudzie można zwiększyć do 70-72%. Dla porównania zauważamy, że zawartość żelaza w czystym tlenku Fe3O4 wynosi 72,4%. Tak więc zawartość zanieczyszczeń we wzbogaconej rudzie jest bardzo mała. Do chwili obecnej zaproponowano ponad siedemdziesiąt metod bezpośredniej produkcji żelaza z rud przy użyciu stałych i gazowych środków redukujących. Rozważać Schemat obwodu jeden z nich, który jest używany w naszym kraju.

Proces prowadzony jest w piekarnik pionowy, do którego wzbogacona ruda jest podawana od góry, a gaz służący jako czynnik redukujący podawany jest od dołu. Ten gaz jest uzyskiwany przez konwersję gazu ziemnego(tj. spalanie gazu ziemnego bez tlenu). Gaz „redukujący” zawiera 30% CO, 55% H2 i 13% wody oraz dwutlenek węgla. Dlatego tlenek węgla (II) i wodór służą jako reduktory tlenków żelaza:

Fe2O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O

Fe3O4 + 4CO = 3Fe + 4CO2

Odzysk odbywa się w temperaturze 850 - 900°C, która jest niższa od temperatury topnienia żelaza (1539°). CO i H2, które nie przereagowały z tlenkami żelaza, są ponownie zawracane do pieca po usunięciu z nich pyłu, wody i dwutlenku węgla. Te „krążące gazy” służą również do chłodzenia powstałego produktu. W wyniku procesu bezpośredniej redukcji rudy uzyskuje się żelazo w postaci metalowych „granulków” lub „gąbek”, których zawartość metalu może sięgać 98 – 99%. Jeżeli surowce do dalszego wytopu stali pozyskiwane są metodą redukcji bezpośredniej, to zwykle zawiera ona 90 - 93% żelaza.

Wiele nowoczesnych gałęzi techniki wymaga jeszcze więcej żelaza. wysoki stopień czystość. Oczyszczanie żelaza technicznego odbywa się metodą karbonylową. Karbonylki to związki metali z tlenkiem węgla (II) CO. Żelazo oddziałuje z CO w wysokie ciśnienie krwi i temperaturze 100-200 °, tworząc pentakarbonyl:

Fe + 5CO \u003d Fe (CO) 5

Pentakarbonyl żelaza jest cieczą, którą można łatwo oddzielić od zanieczyszczeń przez destylację. W temperaturze około 250 ° rozkłada się karbonyl, tworząc proszek żelaza:

Fe(CO)5 = Fe + 5CO

Jeżeli otrzymany proszek podda się spiekaniu w próżni lub w atmosferze wodoru, otrzyma się metal zawierający 99,98-99,999% żelaza. Jeszcze głębszy stopień oczyszczenia żelaza (do 99,9999%) można osiągnąć poprzez topienie strefowe.

Żelazo o wysokiej czystości jest potrzebne przede wszystkim do badania jego właściwości, tj. do celów naukowych. Gdyby nie można było uzyskać czystego żelaza, nie wiedzieliby, że żelazo jest miękkim, łatwym do obróbki metalem. Żelazo chemicznie czyste jest znacznie bardziej obojętne niż żelazo techniczne.

Ważną gałęzią zastosowania czystego żelaza jest produkcja specjalnych żelazostopów, których właściwości pogarszają się w obecności zanieczyszczeń.

Właściwości fizyczne prosta substancja gruczoł

Żelazo jest metalem typowym, w stanie wolnym ma kolor srebrzystobiały z szarawym odcieniem. czysty metal plastik, różne zanieczyszczenia (w szczególności węgiel) zwiększają jego twardość i kruchość. Ma wyraźne właściwości magnetyczne. Często wyróżnia się tak zwaną „żelazną triadę” - trzyosobowa grupa metale (żelazo Fe, kobalt Co, nikiel Ni) o podobnych właściwości fizyczne, promienie atomowe i wartości elektroujemności.

Żelazo charakteryzuje się polimorfizmem, posiada cztery modyfikacje krystaliczne:

· do 769 °C występuje ?-Fe (ferryt) z sześcienną siatką skupioną wokół ciała i właściwościami ferromagnesu (769 °C × 1043 K to punkt Curie dla żelaza);

· w zakresie temperatur 769--917 °C występuje ?-Fe, które różni się od ?-Fe jedynie parametrami sieci sześciennej centrowanej na ciele i właściwościami magnetycznymi paramagnesu;

· w zakresie temperatur 917-1394 °C występuje ?-Fe (austenit) z sześcienną siatką centryczną;

· powyżej 1394 °C stabilny?-Fe z sześcienną siatką skoncentrowaną na ciele.

Metaloznawstwo nie wyróżnia ?-Fe jako odrębnej fazy i uważa je za odmianę ?-Fe. Gdy żelazo lub stal są podgrzewane powyżej punktu Curie (769 °C ? 1043 K) ruch termiczny jony zaburzają orientację spinowych momentów magnetycznych elektronów, ferromagnes staje się paramagnesem - zachodzi przejście fazowe drugiego rzędu, ale przejście fazowe pierwszego rzędu ze zmianą głównego parametry fizyczne kryształy nie występują.

Dla czystego żelaza w normalne ciśnienie, z punktu widzenia metalurgii, istnieją następujące stabilne modyfikacje:

od zero absolutne do 910 °C stabilna modyfikacja ? z sześcienną (BCC) centralną siecią krystaliczną;

· stabilna od 910 do 1400 °C - modyfikacja z sześcienną (fcc) skoncentrowaną na twarzy siatką krystaliczną;

· od 1400 do 1539 °C stabilna?-modyfikacja z sześcienną (BCC) skoncentrowaną na ciele siecią krystaliczną.

Zjawisko polimorfizmu jest niezwykle ważne dla hutnictwa stali. Dzięki?--? przejścia sieci krystalicznej to obróbka cieplna stali. Bez tego zjawiska żelazo jako podstawa stali nie byłoby tak szeroko stosowane.

Żelazo jest metalem umiarkowanie ogniotrwałym. W serii standardowych potencjałów elektrod żelazo stoi przed wodorem i łatwo reaguje z rozcieńczonymi kwasami. Tak więc żelazo należy do metali o średniej aktywności.

Temperatura topnienia chemicznie czystego żelaza wynosi 1539°C. Komercyjnie czyste żelazo otrzymywane przez rafinację oksydacyjną topi się w temperaturze około 1530°C.

Ciepło topnienia żelaza wynosi 15,2 kJ/mol lub 271,7 kJ/kg. Wrzenie żelaza następuje w temperaturze 2735oC, choć autorzy niektórych badań ustalili znacznie wyższe wartości temperatury wrzenia żelaza (3227 - 3230oC). Ciepło parowania żelaza wynosi 352,5 kJ/mol lub 6300 kJ/kg.