Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 74. Виробництво чавуну

Склад і різновиди чавуну

Чавун — сплав на основі заліза. Він містить атоми інших елементів із масовими частками: Карбон — до 4,5 %, Фосфор — до 2,5 %, Сульфур — до 0,8 %. Від умісту того чи іншого елемента, а також наявності інших домішок залежать властивості чавуну та розподіл його на сорти. Розрізняють чавун білий і сірий. Якщо Карбон у чавуні перебуває у вигляді графіту, то такий чавун називають сірим, або ливарним. Його використовують для виготовлення виливків (великих деталей машин, маховиків, плит), що не піддаються ударам і механічній обробці. Білий чавун (на зламі він має ясно-сірий колір) містить Карбон у вигляді ферум карбіду Fe₃C (цементиту). Такий чавун називають також переробним, його використовують для переробки на сталь.

Хімічні процеси, що відбуваються під час виробництва чавуну

Сировиною для виробництва чавуну є залізна руда, що складається з оксидів Феруму, найчастіше ферум(ІІІ) оксиду Fe₂O₃, і порожньої породи.

У доменній печі (мал. 74.1, с. 192) відбувається багато реакцій, які можна розділити на групи.

Мал. 74.1. Будова доменної печі

Перша група реакцій. Горіння коксу й утворення відновника — карбон(II) оксиду:

С + О₂ = СО₂; ΔΗ < 0

СО₂ + С = 2СО; ΔΗ> 0

2СН₄ + 3О₂ = 2СО + 4Н₂О; ΔΗ< 0

Під час горіння газу й коксу теплота виділяється, вона витрачається на підвищення температури всередині печі. Лише температура стає вищою за потрібну, то для охолодження закривають вихід для доменних газів.

У домну, крім повітря, подають природний газ, який активізує процес плавлення і дозволяє зменшити витрати дорогого коксу.

Друга група реакцій. Відновлення ферум(ІІІ) оксиду карбон(ІІ) оксидом відбувається в три послідовні стадії:

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂

FeO + CO = Fe + CO₂

Третя група реакцій. Відновлення домішок. Під час цих реакцій багато елементів із порожньої породи переходять у чавун:

SiO₂ + 2СО = Si + 2СО₂

МnО₂ + 2СО = Мn + 2СО₂

Са₃(РО₄)₂ + 5СО = 2Р + 5СО₂ + 3СаО

Частина Сульфуру з природних сполук переходить у чавун у вигляді ферум(II) сульфіду FeS, а інша частина у складі сульфур(ІV) оксиду SO₂ виходить із доменної печі в суміші з іншими газами. Цей доменний (колошниковий) газ пропускають крізь спеціальні пристрої для відділення сірчистого газу.

Четверта група реакцій. Утворення чавуну найчастіше описують реакцією між залізом і коксом, а також між залізом і чадним газом:

3Fe + С = Fe₃C

3Fe + 2СО = Fe₃C + СО₂

П’ята група реакцій. У цю групу об’єднують реакції з флюсом — суміші речовин, унаслідок додавання яких утворюються шлаки. У чорній металургії як флюс зазвичай використовують суміш кальциту з доломітом.

Відновлення Феруму із залізної руди в доменній печі відбувається впродовж близько 12 годин. Після цього рідкий чавун зливають у спеціальні контейнери і відправляють на переробку. З іншого боку доменної печі виводять шлаки, а доменну піч знову наповнюють сумішшю руди і коксу. Отже, процес відбувається безперервно. Доменну піч не можна зупиняти: якщо на внутрішній поверхні печі застигне чавун зі шлаками, то його практично неможливо зняти, хіба що під час капітального ремонту. Одного разу введена в експлуатацію доменна піч безперервно працює протягом декількох років.

Кокс

Необхідною речовиною для добування чавуну є кокс. Його зазвичай добувають обробкою коксівного вугілля — деяких сортів кам’яного вугілля. Таке вугілля відрізняється тим, що за нагрівання здатне спікатися, тобто розм’якшуватися й злипатися в суцільну масу.

Для отримання коксу кам’яне вугілля нагрівають у спеціальних печах без доступу повітря до 900-1050 °С. При цьому леткі сполуки, що містяться у вугіллі, випаровуються і утворюють коксовий газ і кам’яновугільну смолу. Уміст Карбону в коксі становить від 78 до 95 % залежно від використаного вугілля.

В Україні багаті родовища коксівного вугілля в Донецькому кам’яновугільному басейні, але вони залягають на великій глибині.

Ключова ідея

Виробництво чавуну — один з найважливіших процесів, що сприяли розвитку індустріального суспільства.

Запитання та завдання

439. Схарактеризуйте основні стадії виробництва чавуну.

440. Яку сировину використовують у виробництві чавуну?

441. Як регулюють температуру всередині доменної печі?

442. Що таке кокс? Чому в доменній печі не можна використовувати звичайне кам'яне вугілля?