Конкурс "Я иду на урок"

Производство чугуна и стали

9 класс

Цель. Дать представление о технологии и химии металлургических процессов, сделав основной акцент на производственном цикле. Показать, как теоретические знания по химии связаны с технологией важнейшего производства. На этой научно-теоретической базе формировать активное мышление учащихся.
Оборудование. Периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева; модели домны, мартеновской печи, кислородного конвертера; цветная схема доменной печи; образцы кокса, железной руды, известняка, чугуна, железа и стали (пластины); окатыши.
Девиз: «Хорошо, если бы все писатели были биологами, океанографами, судебными следователями, химиками, капитанами дальнего плавания или Шолоховыми» (А.Довженко).

ХОД УРОКА

Схема, которую вы видите, можно сказать, уникальная (рис. 1). На ней показано самое основное, главное, связанное с доменным процессом.

Рис. 1. Химия и технология доменного процесса: а – состав чугуна; б – схема доменной печи; в – химические реакции доменного процесса; г – условия оптимизации процессов

Прежде всего приведены качественный, а по углероду – и количественный состав чугуна и суть его передела в сталь (рис. 1, а). Доменная печь (домна) показана в разрезе, схематично (рис. 1, б).
Снизу через фурму (устройство для подвода дутья) поступают горячий воздух, кислород, метан, а навстречу движется шихта – смесь, состоящая из кокса (источник энергии и восстановитель), подготовленного рудного концентрата и флюса (последний для связывания пустой породы в шлаки). Домну через колошник (верхняя часть шахтных доменных плавильных печей) покидает доменный газ, содержащий до 30% СО.
Домна – сложнейшее инженерное сооружение высотой более 60 м и диаметром 10 м, снабженное системой контроля и управления, предназначенное для выплавки чугуна – продукта химико-восстановительных процессов.
Далее на схеме показаны основные химические реакции доменного процесса (рис. 1, в). Это – горение кокса в зоне над горном (нижняя часть домны, где происходит горение топлива). Шлак выполняет также функцию защиты чугуна от окисления. Далее происходит собственно восстановление железа, затем – восстановление примесных элементов и науглероживание железа и, наконец, образование шлаков.
Главное в любой технологии – это оптимизация процессов и высокая производительность аппаратов, экономичность производства. Остановимся на этом вопросе (рис. 1, г).
Как видно, на производительность доменной печи Пр влияют ее объем V_д.п и скорости химических реакций .

Рис. 2. Факторы оптимизации доменного процесса

От чего зависит скорость химической реакции (рис. 2)? Начнем с природы вещества. Покажем, что очень хорошая, т. е. богатая, железная руда – магнитный железняк – восстанавливается до FeO (обратимо!) с потерей 22,2 кДж на 1 моль Fe₃O₄.

Решите дома задачу. Каковы энергетические потери доменной печи при восстановлении 1 т магнитного железняка до FeО?

Поверхность. Самые большие куски, поступающие в домну, в поперечнике имеют 100 мм, минимум – 30 мм. Чем больше поверхность куска, тем меньшее количество вещества будет приходиться на единицу поверхности, тем быстрее закончится химическая реакция. Здесь нужно иметь в виду не только процессы восстановления, но и горение кокса, которое обеспечивает интенсивное выделение теплоты.
Концентрация. Какими реакциями – гомогенными или гетерогенными – являются горение метана (гомогенная), кокса (гетерогенная), восстановление железа (гетерогенная)? Реакция начинается с поверхности, следовательно, для горения кокса желательно воздух обогатить кислородом, что повысит производительность домны и уменьшит расход кокса. А увеличивая концентрацию СО за счет обогащения кислородом, введением метана, технологи ускоряют основные процессы, повышая производительность доменной печи (см. рис. 1, г).
Давление. Концентрацию газов можно было бы поднять за счет повышения давления. К этому и стремятся. Большинство доменных печей в колошнике имеют давление до 2,5 атм (2,53 • 10⁵ Па). Домна – проточная система, поэтому на большее давление рассчитывать не приходится.
Важнейшим кинетическим фактором любого процесса является температура. Вспомним правило Вант-Гоффа о влиянии температуры на скорость реакции. По этой причине первоочередной задачей технологов является поддержание температурного режима, необходимого для функционирования данной доменной печи. Снижение температуры на 0,5 °С – это уже чрезвычайное происшествие. Ясно, что закачивать холодный воздух нельзя, поэтому его нагревают в кауперах, которые разогреваются горящим доменным газом (2СО + О₂ 2СО₂ + Q).
Кроме того, в домну подают метан, а это еще более 800 кДж на 1 моль метана. Также воздух обогащается кислородом, и теплота выделяется концентрированно, интенсивно. В доменную печь подается офлюсованный агломерат (спеченные в куски мелкие материалы рудной шихты с добавлением флюса, например известняка СаСО₃), при этом энергия на разложение карбоната кальция не затрачивается. Таким образом компенсируются и неизбежные потери теплоты: кроме эндотермических реакций протекают реакции образования газообразных продуктов, разогретых до 200–300 °С.
Металлургические реакции не являются каталитическими, в противном случае технология была бы совершенно иной.
Обобщим сказанное и перейдем к производству стали. На рис. 3  схематически представлено получение чугуна и стали. Обогащенная железная руда (содержащая соединения кремния, марганца и фосфора – элементы, которые переходят в чугун, поэтому другие обычно не называют, сера мигрирует из кокса) подвергается агломерации (I этап).
В результате обогащенная и офлюсованная железная руда в форме окатышей попадает в доменную печь (II этап), в которой железо восстанавливается до свободного состояния и сплавляется с другими восстановленными металлами и неметаллами, образуя чугун. Значительную часть чугуна переделывают в сталь (передельный чугун), имеющую тот же качественный состав, но иной – количественный и, следовательно, отличные от характеристик чугуна физические параметры, т. е. свойства.
Часть чугуна превращают в чугун же, используя дорогостоящие легирующие добавки-модификаторы, прежде всего металлы семейства лантана, магний. В итоге получается ударопрочный чугун с хорошими литьевыми качествами.
Рядом с доменной печью на рис. 3 изображен конвертер (III этап). Существует несколько видов конвертеров: бессемеровские – с продувом воздуха через массу чугуна снизу, томасовские – для переработки фосфористых чугунов, кислородные (см. рис. 3) и с комбинированным продувом. Потом была изобретена регенеративная пламенная мартеновская печь, представленная на рис. 3 (III этап) только ванной, в которой в буквальном смысле слова варят сталь, как суп в кастрюле. В отличие от конвертерного метода здесь требуется топливо, и возникают проблемы с экологией, однако можно получить сразу и много высококачественной стали.
Но самая качественная сталь – электросталь – может быть получена в электропечах. Затраты чугуна тогда минимальные. Существуют и другие способы получения стали, например бездоменное производство металла на Оскольском электрометаллургическом комбинате (г. Старый Оскол, Россия).
Химические основы получения стали можно подвести к одному знаменателю, хотя в каждом способе, даже в рамках одного, существуют свои тонкости (см. рис. 3). При контактировании расплавленного железа (реально – чугуна) с кислородом часть металла переходит в оксид железа(II). Примеси в определенной последовательности восстанавливают железо, что сопровождается существенным тепловым эффектом, и только углерод окисляется FеО эндотермически. Образовавшийся СО догорает до СО₂, а оксиды примесных элементов переходят в шлаки. Ясно, что для этого используют флюсы.

Для удаления из расплавленного металла (стали) растворенного в нем кислорода и остатков FeO используют раскисление, которое осуществляют введением химических элементов, образующих устойчивые соединения с кислородом. Для раскисления применяют Al, Si, ферросплавы и др.

Рис. 3. Общая схема производства чугуна и стали

В зависимости от экономических возможностей страны часть стали легируют, т. е. сплавляют с другими элементами. Без этого процесса невозможно получить сталь – нержавеющую, химически стойкую, жаропрочную, механически прочную, обладающую магнитными или электрическими свойствами (например, большое сопротивление), высокой твердостью, в том числе и при высоких температурах, и др. (см. рис. 3, IV этап).
О каких металлах идет речь? Создадим фрагмент периодической системы простых веществ-металлов (рис. 4).
Металлы 5-го и особенно 6-го периодов используются для изготовления сталей особого назначения: атомные реакторы, химическое машиностроение, газовые турбины, нагреватели высокотемпературных печей и многое другое. И практически нет такого сплава, который не содержал бы хрома. Нет ни одного механизма, ни одной конструкции, ни одной машины или аппарата, в изготовлении которых не использовался бы слабо- или сильнолегированный сплав многих видов.
В основе всех этих применений лежит химическое начало – прочность металлической связи.
Некоторым из вас, может быть, известны факторы, которые определяют прочность металлической связи (см. статьи: «Общие свойства металлов», «Химия», 1995, № 42; «Общая характеристика группы», «Химия», 1999, № 7). В побочных подгруппах прочность металлической связи (ПМС) сверху вниз увеличивается из-за резкого, скачкообразного увеличения зарядов ядер атомов (см. рис. 4). Следовательно, химическая активность (ХА) металлов сверху вниз будет существенно уменьшаться, а температура плавления – возрастать. Между химической активностью и температурой плавления металла существует обратная связь (условно 1/f).

Рис. 4. Фрагмент периодической системы

Прочность металлической связи по периоду влево и вправо от середины уменьшается, следовательно, будет уменьшаться и температура плавления.
У хрома «проскок» электрона имеет место при заполнении электронных оболочек, следовательно, в этом ряду у всех атомов элементов на внешней оболочке вращаются два электрона, а у хрома – один, и, как следствие, у хрома наивысшая температура плавления. Таким образом, мы не только приводим факты, какие металлы используются для легирования, но и выясняем, почему именно эти металлы, ищем закономерную связь. Огромное значение для этих обоснований имеет периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева в единстве с теорией строения атома, теорией химической связи и особенно с теорией прочности металлической связи.

* * *

Дома решите комплексную экономическую задачу, зная экономические показатели работы доменной печи:
КИПО (коэффициент использования полезного объема печи – это отношение объема печи (в м³) к массе суточного производства чугуна (в т)) и УРК (удельный расход кокса – отношение массы кокса (в кг или т) к массе суточного производства чугуна).

Задача. Чему равно суточное производство чугуна в печи объемом 3200 м³, если КИПО = 0,6? Каков суточный расход кокса, если УРК = 500 кг/т?

Е.Г.ШМУКЛЕР,
учитель химии
(г. Славута, Украина)