§ 28. Доменне виробництво чавуну
Чавун –це сплав заліза з вуглецем та деякою кількістю силіцію Si, мангану Мп, фосфору Р, сірки S. Масова частка Карбону в чавуні 1,7%.
Чавун –твердий і крихкий матеріал. Його виплавляють у доменних печах, виготовлених з вогнетривких матеріалів (див. вклейку). У доменну піч завантажують шихту – суміш сировинних матеріалів, що складається з залізної руди, палива і флюсів. Як паливо найчастіше використовують кам'яновугільний кокс. Він є джерелом теплоти, підтримує високу температуру в печі, а також бере участь у відновленні заліза з оксидів, що містяться в руді.
Спочатку кокс згоряє з утворенням карбон (ІV) оксиду. Внаслідок цього розвивається висока температура, бо згоряння коксу – екзотермічна реакція:
С + О2 = СО2↑
Утворений карбон (ІV) оксид проходить крізь розпечений кокс і, поглинаючи теплоту, відновлюється до карбону (П) оксиду:
СО2 + С → 2СО↑
Карбон (ІІ) оксид при високій температурі легко відновлює залізо
Fe2O3 + ЗСО = 2Fe + 3CO2↑
Залізо утворюється у твердому стані. Губчасті грудочки його легко вбирають Карбон та інші елементи і перетворюються на чавун. Відбувається також хімічна взаємодія заліза з коксом і CO з утворенням цементиту–карбіду феруму Fe3C, який також входить до складу чавуну:
3Fe + С = Fe3C
3Fe + 2CO = Fe3C + CO2↑
Утворений чавун плавиться і стікає у горно.
У доменну піч разом з рудою потрапляє й пуста порода, що містить SiO2 та інші речовини. Всі ці домішки, як правило, дуже тугоплавкі і можуть закупорити піч, яка працює безперервно протягом багатьох років. Щоб тугоплавкі домішки видалити з печі, їх переводять у легкоплавкі сполуки, у шлак, за допомогою флюсів. Як флюс використовують, наприклад, вапняк СаСО3, який у печі під впливом високої температури розкладається:
СаСО3 = СаО + СО2↑
Утворений кальцій оксид СаО взаємодіє з тугоплавкими оксидами, що є в шихті, і переводить їх у легкоплавкий шлак, наприклад:
СаО + SiO2 = CaSiO3
Шлак значно легший, ніж чавун, тому він плаває на його поверхні і тим самим захищає метал від окиснення.
Чавун і шлак збираються в нижній частині доменної печі –у горні, звідки їх періодично випускають.
Раніше шлак вважали відходом, а нині його використовують для виготовлення щебеню, гравію, шлакобетону, шлаковати та інших будівельних матеріалів.
З чавуну виливають різні вироби, деталі складної конфігурації. Адже чавун має важливу особливість, яка полягає у тому, що під час тверднення він не стискується, як більшість металів, а розширюється (як вода, коли вона переходить у лід).
Чавун, що застосовується для виливання виробів, називають ливарним. У ливарний чавун часто вводять добавки магнію та інших металів, що поліпшують меха㳥чні властивості чавуну, зменшують його крихкість. З ливарного чавуну виготовляють станини машин, махові колеса, плити, ґрати, художні вироби.
На частку ливарного чавуну припадає 10% маси всього чавуну, що виплавляється. Решту чавуну використовують для добування сталі. Це так званий переробний чавун.
З верхньої частини доменної печі виходить доменний газ. Він містить суміш газів – CO (28%), СО2, N2 та багато пилу. Доменний газ горючий (чому?). Його спалюють, а теплоту використовують для попереднього нагрівання повітря, збагаченого киснем, що надходить у піч.
Нагрівання здійснюють у повітронагрівниках – кауперах. Це високі башти, складеш з вогнетривкої цегли, куди потрапляють гарячі гази, що виходять із доменної печі. Вони віддають свою теплоту цеглі. Оксид карбону(П) згоряє у каупері і також підвищує його температуру. Потім доменний газ автоматично спрямовується в інший каупер, а крізь перший продувають повітря, що подається у доменну піч. У розпеченому каупері повітря нагрівається. Це дає змогу економити паливо, яке у великій кількості витрачалося б на підігрівання повітря, що надходить у піч.
Кожна доменна піч має кілька кауперів.
Повітронагрівники (схема)
Завдання для самоконтролю
Який склад шихти для доменної печі? Яке призначення мають її основні компоненти?
Обчисліть, в якій руді – у червоному Fe2O3 чи в магнітному Fe3O4 залізняку – масова частка Феруму більша.
Розкрийте основні хімічні процеси, що відбуваються під час виплавлення чавуну. Напишіть відповідні рівняння реакцій.
Чому під час доменного процесу утворюється метал з високим вмістом Карбону?
Яка роль шлаку в доменному процесі? Напишіть рівняння реакцій утворення шлаку.
Чому для дуття використовують повітря, збагачене киснем, а не звичайне повітря?
Обчисліть об'єм (н. у.) карбон (ІІ) оксиду, потрібного для відновлення заліза з оксиду феруму(ІІІ) масою 960 т.
185*. Маса магнітного залізняку (масова частка пустої породи 10%), потрібного для добування 2 т чавуну з масовою часткою Феруму 93%, становить
1,427 т; (3) 28,54 т;
2,854 т; (4) 14,27 т.
186*. Маса чавуну з масовою часткою Карбону 4%, яку можна добути з 580 кг магнітного залізняку з масовою часткою домішок 20%, дорівнює приблизно
(1) 50кг; (3) 250 кг;
(2) 100 кг; (4) 350 кг.
187*. Маса коксу з масовою часткою Карбону 97%, з якого утворюється такий об'єм карбон (ІІ) оксиду , що достатній для відновлення 320 кг ферум (ІІІ) оксиду, дорівнює
(1) 37,1 кг; (3) 74,2 кг;
(2) 371 кг; (4) 742 кг.