Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 75. Виробництво сталі

Хімічний склад сталі

2018 року в усьому світі виготовлено понад 1 млрд тонн сталі, яка сьогодні є найголовнішим конструкційним матеріалом. Сталь — це сплав заліза з вуглецем, масова частка Карбону в якому не перевищує 2,14 %. Сталь із великим умістом Карбону (високовуглецева сталь, w(C) > 0,7 %) називають твердою або інструментальною, із неї виготовляють інструменти. Сталь із мінімальним умістом Карбону (до 0,3 %) називають м’якою, вона піддається куванню.

Сталь містить також деякі технологічні домішки, що можуть бути як корисними, так і шкідливими. Корисні домішки називають легуючими добавками, вони надають сталі певних необхідних властивостей, а процес поліпшення сталі додаванням цих домішок називають легуванням.

Якість сталі погіршують Сульфур і Фосфор: Сульфур підвищує червоноламкість сталі, а Фосфор — холодноламкість. Небажані газуваті домішки (водень, кисень, азот) усувають із рідкої сталі вже після її виплавки за допомогою вакуумування або продувкою аргоном.

Хімічні реакції, що є основою переробки чавуну на сталь

Перша група реакцій. Під час виготовлення чавуну відбуваються реакції відновлення Феруму, а під час переробки чавуну на сталь — реакції окиснення домішок. Атмосфера в сталеплавильних печах є окисною. Вона складається з повітря, кисню і водяної пари, які спричиняють окиснення заліза, перетворення його на ферум(II) оксид:

2Fe + О₂ = 2FeO

Друга група реакцій — окиснення домішок (Силіцію, Мангану, Фосфору) ферум(II) оксидом. Оксиди, що утворюються, являють собою пухкі тверді речовини (крім карбон(II) оксиду), вони поступово спливають на поверхню сталі.

Третя група реакцій — процеси видалення сполук Сульфуру і Фосфору негашеним вапном СаО. Для повнішого зв’язування цих домішок у сталь під час виплавляння додають вапно, яким також оздоблюють внутрішні поверхні печей. Кальцій оксид при цьому вступає в реакції:

3СаО + Р₂О₅ = Са₃(РО₄)₂

СаО + FeS = CaS + FeO

Продукти реакцій — кальцій ортофосфат і кальцій сульфід — утворюють шлаки, які спливають на поверхню сталі, а ферум(II) оксид FeO залишається в розплавленій сталі.

Способи виробництва сталі

Сьогодні добування сталі здійснюють декількома способами в печах різної конструкції. Вибір технології виробництва залежить від того, яким вимогам має відповідати сталь.

Найбільш застосовуваним сьогодні способом є киснево-конвертерний (70 % світового виробництва сталі) (мал. 75.1). Його основні технологічні особливості полягають у використанні в якості сировини рідкого чавуну, до якого додають металобрухт (близько 20-30 %). Отже, конвертерний спосіб є не лише способом добування сталі, а й способом переробки сталевих відходів (вторинної сировини). Крізь рідкий чавун спеціальним пристроєм, що охолоджується водою, продувають чистий кисень. Перевагою цього способу є те, що процес здійснюється досить швидко (50-60 хв), а собівартість добутої сталі відносно низька.

Мал. 75.1. Будова кисневого конвертера

У мартенівському способі переробки чавуну на сталь як сировину можна використовувати суміш твердого чавуну, металобрухту, а також і залізної руди, що одночасно є окисником. Утім, від 1970 року мартенівських печей не будують, бо вони громіздкі й можуть працювати лише в безперервному режимі. Від 2010 року мартенівський спосіб майже ніде у світі не застосовують.

Високоякісні сорти сталі добувають електротермічним, або електродуговим, способом. Сьогодні так виробляють близько 30 % сталі у світі (мал. 75.2). Температура дуги сягає 3000-4000 °С, тому відбувається швидкий розігрів сировини й плавлення металу. Однак електродуговим способом не можна одержати сорти сталі, в яких Карбону міститься менше 0,1 %, оскільки частка Карбону збільшується внаслідок згоряння графітових електродів.

Мал. 75.2. Схема електродугової печі з вугільними електродами

Найсучаснішим і найперспективнішим є спосіб прямого відновлення залізної руди. Цей метод використовували ще в давнину, але у XVIII столітті від нього відмовилися через неможливість одержання сталі у великих обсягах.

Для прямого відновлення залізну руду спочатку дуже подрібнюють і зрошують невеликою кількістю води. Цю суміш грудкують в окатиші з умістом Феруму 67 %. Окатиші безперервно подають згори в шахту відновлення, а їм назустріч знизу нагору подають нагріту до 900 °С газову суміш (90 % СО і 10 % Н₂). Цієї температури вистачає для реакції відновлення і металізації окатишів, але недостатньо для розплавляння заліза.

Пряме відновлення заліза з руди — дешевий спосіб одержання сталі високої чистоти.

Чорна металургія в Україні

Україна має достатню сировинну базу для виплавки чорних металів. Так, загальні запаси залізних руд України оцінюють у 28,5 млрд тонн (світовий запас становить 160 млрд тонн) і ще близько 20 млрд тонн прогнозованих запасів.

Одним із найважливіших чинників розвитку чорної металургії є наявність дешевої електроенергії. Ця галузь є найбільшим споживачем електроенергії (~20 %). Тому поблизу підприємств чорної металургії будують електростанції. Також для розвитку чорної металургії важливою є наявність прісної води.

Екологічні аспекти чорної металургії

Чорна металургія споживає велику кількість прісної води. Для виплавки 1 т чавуну потрібно 20 т води, причому 30 % утрачається безповоротно (випаровується в атмосферу), а інша частина проходить п’ятикратне очищення та повертається на підприємство. Нестача прісної води є єдиним негативним чинником розвитку чорної металургії. Цю проблему частково вирішують шляхом перерозподілу водних ресурсів Дніпра, будівництвом каналів. Але таке втручання погано впливає на екосистеми Придніпров’я внаслідок зневоднення або, навпаки, затоплення деяких районів.

Підприємства чорної металургії — одні з найбільших забруднювачів навколишнього середовища. Успішно розв’язати комплекс екологічних проблем у металургійних районах — важливе регіональне економічне й соціальне завдання. Для цього на підприємствах чорної металургії необхідно впроваджувати найновітніші очисні технології, щоб звести до мінімуму промислові відходи й викиди в атмосферу. Для очищення стічних вод необхідно застосовувати багатократне очищення води.

Ключова ідея

Процес перетворення чавуну на сталь є зворотним до виробництва чавуну з позиції уявлень про окисно-відновні реакції.

Запитання та завдання

443. Поясніть, чим принципово відрізняються хімічні процеси виробництва сталі та чавуну.

444. Укажіть причину, за якої в киснево-конверторному способі добування сталі температура металу в конверторі підвищується.

445. Які домішки в чавуні окиснюються в кисневому конверторі?

446. Сировиною для виробництва сталі є чавун. Чому світове виробництво сталі значно перевищує виробництво чавуну?

447. Схарактеризуйте вплив підприємств чорної металургії на навколишнє середовище.