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?
Цей контент створено завдяки Міністерству освіти і науки України