Выплавка чугуна и способы переработки чугуна в сталь
 

Схема химических процессов, протекающих в доменной печи

Задача 1121. 
Дать схему химических процессов, протекающих в различных частях доменной печи, для чего при выплавке чугуна к руде добавляют карбонат кальция?
Решение:
а) В нижней части доменной печи кокс сгорает, образуя СО₂, который поднимаясь вверх и проходя сквозь слои накалённого кокса, взаимодействует с ним и образует СО. 

Протекаемые химические реакции в доменной печи имеют вид:

С + О₂  = СО₂;

С + СО₂ = 2СО

б) Образовавшийся оксид углерода и восстанавливает большую часть железной руды, переходя снова в СО_2. Процесс восстановления руды происходит главным образом в верхней части доменной шахты:

Fe2O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂

Восстановление руды протекает по стадиям в зависимости от температуры:

1). Fe₂O₃ + 3CO   2Fe₃O₄ + CO₂;

2). Fe3O₄ + CO   3FeO + CO₂;

3). FeO + CO   Fe + CO₂

в) В руде содержится пустая порода, которая состоит главным образом из диоксида кремния SiO₂. Диоксид кремния – это тугоплавкое вещество. Для превращения тугоплавких примесей в более легкоплавкие соединения к руде добавляется флюс. Обычно в качестве флюса используют карбонат кальция СаСО₃. При взаимодействии его с SiO₂ образуется CaSiO₃ легко отделяющийся в виде шлака.

Химизм процесса:

СаСО₃ = СаО + СО₂;

СаО + SiO₂  СаСО₃.

Образующийся СО₂ превращается в СО, который расходуется на восстановление руды, а СаСО₃ в виде шлака выводится из доменной шахты.
 

Известные способы переработки чугуна в сталь

Задача 1122. 
Перечислить известные вам способы переработки чугуна в сталь. Какие химические процессы протекают при этом?
Решение:
Существует несколько способов переработки чугуна в сталь. Они основаны на окислении, содержащегося в чугуне углерода и примесей, и отделении образующихся оксидов в газовую фазу или в шлак. 

а) Мартеновский способ переработки чугуна в саль ведут в пламенной отражательной печи, в которую загружают чугун, металлический лом и некоторое количество руды. В печь вводятся предварительно нагретые воздух и топливо (в виде газа или расплавленной жидкости). При сгорании топлива образуется факел с температурой 1800 – 1900 ⁰С. Метал и руда плавятся, и в расплав вводят добавки, необходимые для получения стали заданного состава. Выгорание примесей происходит главным образом за счёт кислорода воздуха. 

б) Конверторный способ (бессемеровский метод) переработки чугуна в саль  состоит в продувании струи воздуха через расплавленный чугун. При этом углерод и примеси сгорают и удаляются в виде газов или переходят в шлак. Этот метод имеет ряд недостатков по сравнению с мартеновским методом. Качество бессемеровской стали ниже, чем мартеновской. Это объясняется тем, что в ходе дутья в металле растворяется много азота из воздуха, что и обусловливает склонность данной стали к старению – утрате с течением времени пластичности и возрастанию хрупкости. Качество бессемеровской стали можно улучшить, используя кислородное дутьё. 

в) Способ получения стали в электрических печах. В электрических печах легко обеспечивается быстрый подъём и точное регулирование температуры; в ней можно создавать окислительную, восстановительную или нейтральную атмосферу. Это позволяет получать сталь высокого качества.

При выплавке стали протекают процессы окисления-восстановления углерода и примесей.  Выгорание примесей происходит главным образом за счёт кислорода:

С + О₂ = СО₂;

4P + 5O₂ = P₄O₁₀;

Si + O₂ = SiO₂