Доменный процесс производства чугуна

 

Доменный процесс производства чугуна составляют следующие стадии:

а) подготовка (обжиг) сульфидных и карбонатных руд – перевод в оксидную руду:

 

 

б) сжигание кокса при горячем дутье:

 

 

в) восстановление оксидной руды угарным газом СО последовательно (см. рубрики соответствующих оксидов):

 

 

г) науглероживание железа (до 6,67 % С) и расплавление чугуна:

 

 

В чугуне всегда в виде зерен присутствуют цементит Fe₂C и графит.

 

Производство стали

 

Передел чугуна в сталь проводится в специальных печах (конвертерных, мартеновских, электрических), отличающихся способом обогрева; температура процесса 1700–2000 °C. Продувание воздуха, обогащенного кислородом, приводит к выгоранию из чугуна избыточного углерода, а также серы, фосфора и кремния в виде оксидов. При этом оксиды либо улавливаются в виде отходящих газов (СO₂, SO₂), либо связываются в легко отделяемый шлак – смесь Са₃(РO₄)₂ и CaSiO₃. Для получения специальных сталей в печь вводят легирующие добавки других металлов.

Получение чистого железа в промышленности – электролиз раствора солей железа, например:

 

 

(существуют и другие специальные методы, в том числе восстановление оксидов железа водородом).

Чистое железо применяется в производстве специальных сплавов, при изготовлении сердечников электромагнитов и трансформаторов, чугун – в производстве литья и стали, сталь – как конструкционный и инструментальный материалы, в том числе износо‑, жаро– и коррозионно‑стойкие.

Оксид железа(II) FeO. Амфотерный оксид с большим преобладанием основных свойств. Черный, имеет ионное строение Fe²⁺O^2‑. При нагревании вначале разлагается, затем образуется вновь. Не образуется при сгорании железа на воздухе. Не реагирует с водой. Разлагается кислотами, сплавляется со щелочами. Медленно окисляется во влажном воздухе. Восстанавливается водородом, коксом. Участвует в доменном процессе выплавки чугуна. Применяется как компонент керамики и минеральных красок. Уравнения важнейших реакций:

 

 

Получение в лаборатории: термическое разложение соединений железа (II) без доступа воздуха:

Fe(OH)₂ = FeO + H₂O (150–200 °C)

FeCO₃ = FeO + СO₂ (490–550 °C)

Оксид дижелеза (III) – железа(II) (Fe^IIFe₂^III)O₄. Двойной оксид. Черный, имеет ионное строение Fe²⁺(Fe³⁺)₂(O^2‑)₄. Термически устойчив до высоких температур. Не реагирует с водой. Разлагается кислотами. Восстанавливается водородом, раскаленным железом. Участвует в доменном процессе производства чугуна. Применяется как компонент минеральных красок (железный сурик), керамики, цветного цемента. Продукт специального окисления поверхности стальных изделий (чернение, воронение). По составу отвечает коричневой ржавчине и темной окалине на железе. Применение брутто‑формулы Fe₃O₄ не рекомендуется. Уравнения важнейших реакций:

 

 

 

Получение: сгорание железа (см.) на воздухе.

В природе – оксидная руда железа магнетит.

Оксид железа(III) Fe₂O₃. Амфотерный оксид с преобладанием основных свойств. Красно‑коричневый, имеет ионное строение (Fe³⁺)₂(O^2‑)₃. Термически устойчив до высоких температур. Не образуется при сгорании железа на воздухе. Не реагирует с водой, из раствора выпадает бурый аморфный гидрат Fe₂O₃ nН₂O. Медленно реагирует с кислотами и щелочами. Восстанавливается монооксидом углерода, расплавленным железом. Сплавляется с оксидами других металлов и образует двойные оксиды – шпинели (технические продукты называются ферритами). Применяется как сырье при выплавке чугуна в доменном процессе, катализатор в производстве аммиака, компонент керамики, цветных цементов и минеральных красок, при термитной сварке стальных конструкций, как носитель звука и изображения на магнитных лентах, как полирующее средство для стали и стекла.

Уравнения важнейших реакций:

 

 

Получение в лаборатории – термическое разложение солей железа(III) на воздухе:

Fe₂(SO₄)₃ = Fe₂O₃ + 3SO₃ (500–700 °C)

4{Fe(NO₃)₃ 9 H₂O} = 2Fe_aO₃ + 12NO₂ + 3O₂ + 36H₂O (600–700 °C)

В природе – оксидные руды железа гематит Fe₂O₃ и лимонит Fe₂O₃ nН₂O.

Гидроксид железа (II) Fe(OH)₂. Амфотерный гидроксид с преобладанием основных свойств. Белый (иногда с зеленоватым оттенком), связи Fe – ОН преимущественно ковалентные. Термически неустойчив. Легко окисляется на воздухе, особенно во влажном состоянии (темнеет). Нерастворим в воде. Реагирует с разбавленными кислотами, концентрированными щелочами. Типичный восстановитель. Промежуточный продукт при ржавлении железа. Применяется в изготовлении активной массы железоникелевых аккумуляторов.

Уравнения важнейших реакций:

 

 

Получение: осаждение из раствора щелочами или гидратом аммиака в инертной атмосфере:

Fe²⁺ + 2OН(разб.) = Fe(OH)₂↓

Fe²⁺ + 2(NH₃ H₂O) = Fe(OH)₂ ↓ + 2NH₄⁺

Метагидроксид железа FeO(OH). Амфотерный гидроксид с преобладанием основных свойств. Светло‑коричневый, связи Fe – О и Fe – ОН преимущественно ковалентные.

При нагревании разлагается без плавления. Нерастворим в воде. Осаждается из раствора в виде бурого аморфного полигидрата Fe₂O₃ nН₂O, который при выдерживании под разбавленным щелочным раствором или при высушивании переходит в FeO(OH). Реагирует с кислотами, твердыми щелочами. Слабый окислитель и восстановитель. Спекается с Fe(OH)₂. Промежуточный продукт при ржавлении железа. Применяется как основа желтых минеральных красок и эмалей, поглотитель отходящих газов, катализатор в органическом синтезе.

Соединение состава Fe(OH)₃ не известно (не получено).

Уравнения важнейших реакций:

 

 

Получение: осаждение из раствора солей железа(III) гидрата Fe₂O₃ nН₂O и его частичное обезвоживание (см. выше).

В природе – оксидная руда железа лимонит Fe₂O₃ nН₂O и минерал гётит FeO(OH).

Феррат калия K₂FeO₄. Оксосоль. Красно‑фиолетовый, разлагается при сильном нагревании. Хорошо растворим в концентрированном растворе КОН, реагирует с кипящей водой, неустойчив в кислотной среде. Сильный окислитель. Качественная реакция – образование красного осадка феррата бария. Применяется в синтезе ферритов – промышленно важных двойных оксидов железа (III) и других металлов.

Уравнения важнейших реакций:

 

 

Получение: образуется при окислении соединений железа, например метагидроксида FeO(OH), бромной водой, а также при действии сильных окислителей (при спекании) на железо

Fe + 2KOH + 2KNO₃ = K₂FeO₄ + 3KNO₂ + H₂O (420 °C)

и электролизе в растворе:

 

 

(феррат калия образуется на аноде).

Качественные реакции на ионы Fe²⁺ и Fe³⁺. Обнаружение ионов Fe²⁺ и Fe³⁺ в водном растворе проводят с помощью реактивов K₃[Fe(CN)₆] и K₄[Fe(CN)₆] соответственно; в обоих случаях выпадает синий продукт одинакового состава и строения, KFe^III[Fe^II(CN)₆]. В лаборатории этот осадок называют берлинская лазурь, или турнбуллева синь:

Fe²⁺ + К⁺ + [Fe(CN)₆]^3‑ = KFe^III[Fe^II(CN)₆]↓

Fe³⁺ + K⁺ + [Fe(CN)₆]^4‑ = KFe^III[Fe^II(CN)₆]↓

Химические названия исходных реактивов и продукта реакций:

K₃[Fe(CN)₆] – гексацианоферрат (III) калия

K₄[Fe(CN)₆] – гексацианоферрат (II) калия

KFe^III[Fe^II(CN)₆] – гексацианоферрат (II) железа(III) калия

Кроме того, хорошим реактивом на ионы Fe³⁺ является тиоцианат‑ион NCS^‑, железо (III) соединяется с ним, и появляется ярко‑красная («кровавая») окраска:

Fe³⁺ + 6NCS– = [Fe(NCS)₆]^3‑

Этим реактивом (например, в виде соли KNCS) можно обнаружить даже следы железа (III) в водопроводной воде, если она проходит через железные трубы, покрытые изнутри ржавчиной.