§ 52 Производство стали

• Какие металлы относят к цветным?

Получают сталь из чугуна и железного лома. Частично для этой цели используют также железную руду.

Чугун отличается от стали большим содержанием углерода и кремния. В чугуне содержатся также значительные количества серы и фосфора. Эти примеси нежелательны, так как сера придаёт стали красноломкость (при горячей механической обработке

в ней образуются трещины), а фосфор — хладноломкость (хрупкость при обработке в

обычных условиях). Следовательно, для получения стали из чугуна необходимо уменьшить в нём содержание углерода и кремния, а серу и фосфор требуется удалить по воз-

можности полностью. Это достигается окислением примесей кислородом воздуха, но при этом в расплавленной стали растворяется азот, который ухудшает её механические свойства. По этой причине для окисления примесей в последнее время применяют чистый кислород. В результате ускоряется процесс окисления примесей (увеличивается концентрация реагирующих веществ, повышается температура) и удаётся получить более качественную сталь, не содержащую растворённого азота.

Основные реакции, протекающие при производстве стали. Процесс окисления примесей, содержащихся в чугуне, довольно сложный. Железо, концентрация которого в чугуне значительно выше, чем концентрация примесей, частично окисляется:

t

2Fe + O2 = 2FeO

Далее образовавшийся оксид железа(II) окисляет примеси, содержащиеся в чугуне (С, Si, Mn, S):

t

Si + 2FeO = 2Fe + SiO2 + Q

t

Mn + FeO = Fe + MnO + Q

t

2P + 5FeO = 5Fe + P2O5 + Q

t

C + FeO = Fe + CO2- – Q

262

Для удаления оксидов кремния и фосфора к перерабатываемому чугуну добавляют известь:

t

СаО + SiO2 = CaSiO3

t

3СаО + Р2О5 = Ca3(PO4)2

Образовавшиеся силикат и фосфат кальция — легкоплавкие вещества, они в виде шлака всплывают на поверхность расплавленной стали.

После окончания окислительных реакций в стали обычно остаётся некоторое количество оксида железа(II), ухудшающего её свойства. Для его удаления в расплавленную сталь добавляют так называемые раскислители,

например ферромарганец (сплав железа с марганцем). Марганец реагирует с оксидом железа(II):

t

FeO + Mn = MnO + Fe

Оксид марганца(II) реагирует с оксидом кремния(IV):

t

MnO + SiO2 = MnSiO3

Силикат марганца(II) удаляется в виде шлака.

Существует несколько способов переработки чугуна в сталь (кислород- но-конвертерный, мартеновский, переработка в электропечах). Все они основываются на рассмотренных выше окислительно-восстановительных реакциях.

Кислородно-конвертерный способ производства стали. Изобретателем конвертерного способа получения стали является английский учёный Генри Бессемер (1813—1898). При переработке чугуна в сталь по этому методу процесс окисления примесей осуществляют в больших металлических сосудах грушевидной формы, так называемых конвертерах (рис. 51). Конвертер выложен изнутри огнеупорной кладкой. Через горловину в него заливают расплавленный чугун, загружают металлом с небольшим количе-

263

Рис. 51. Кислородный конвертер: 1 — корпус; 2 — сталь; 3 — ковш

очень быстро, за 30—40 мин. После окончания процесса наклоняют конвертер, сливают шлак и выпускают готовую сталь.

ислородны конвертер — аппарат периодического действия

Разливка стали. Как в кислородных конвертерах, так и в мартеновских печах и электропечах сталь получают в жидком состоянии. Чтобы получить заготовки, нужно провести ряд операций. Расплавленную сталь из печи выпускают в специальные ковши, выложенные внутри огнеупорным кирпичом. Из ковшей сталь разливают в изложницы, где она затвердевает. Полученные слитки стали извлекают из изложниц, нагревают и прокатывают на обжимных станках (блюмингах).

Проблема безотходных производств в металлургии и охрана окружающей среды. При развитии металлургического производства возникает необходимость эффективно использовать природные ресурсы с извлечением из перерабатываемого сырья максимального количества ценных продуктов, т. е. создать безотходное производство. Ярким примером этого является цветная металлургия, т. е. металлургия цветных металлов. Как

вам уже известно, при обжиге руд цветных металлов (медных, цинковых, свинцовых) образуются газы, содержащие оксид серы(IV) SO2. Так как SO2 загрязняет окружающую среду, то на многих современных производствах этот газ при помощи специальных устройств улавливают и используют для

264

производства серной кислоты. В результате предотвращается загрязнение окружающей среды, а предприятие получает дополнительную прибыль. Так, например, при производстве 1 т меди можно получить примерно 10 т серной кислоты.

Кислородный конвертер. Цветная металлургия. Безотходное производство

1.В чём заключается сущность процесса переработки чугуна в сталь?

2.Какие химические процессы протекают при производстве стали? Составьте уравнения соответствующих реакций.

3.С какой целью в сталеплавильном процессе используют кислород?

4.При сжигании в токе кислорода 0,2 г стали получили 0,01 г оксида углерода(IV). Определите массовую долю (в процентах) и массу углерода в этом образце стали.

Яумею составлять уравнения химических реакций протекающих при полу-

чении стали

265