Obținerea fierului pur. Dezvoltarea metalurgiei fierului

Trimiteți-vă munca bună în baza de cunoștințe este simplu. Utilizați formularul de mai jos

Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.

postat pe http://www.allbest.ru/

Procese de producere directă a fierului din minereuri

• Producția de oțel
• Esența procesului
• Metode de topire a oțelului
• Bibliografie

Producția de oțel

Procese de producere directă a fierului din minereuri

Prin procesele de producere directă a fierului se înțeleg astfel de procese chimice, electrochimice sau chimico-termice care fac posibilă obținerea direct din minereu, ocolind furnalul, fier metalic sub formă de burete, cracker sau metal lichid.

Astfel de procese sunt efectuate fără a consuma cocs metalurgic, fluxuri, electricitate (pentru prepararea aerului comprimat) și, de asemenea, fac posibilă obținerea unui metal foarte pur.

Metodele de producere directă a fierului sunt cunoscute de mult timp. Au fost încercate peste 70 de metode diferite, dar doar câteva au fost implementate și, în plus, la scară industrială mică.

În ultimii ani a crescut interesul pentru această problemă, care este asociată, pe lângă înlocuirea cocsului cu alți combustibili, și cu dezvoltarea unor metode de îmbogățire în adâncime a minereurilor, oferind nu numai un conținut ridicat de fier în concentrate (70 ... 72). %), dar și eliberarea sa aproape completă din sulf și fosfor.

Obținerea fierului burete în cuptoare cu arbore

Diagrama procesului este prezentată în fig. 1.

oțel burete fier cuptor cu vatră deschisă

Orez. 1. Schema unei instalații pentru reducerea directă a fierului din minereuri și producerea de pelete metalizate

La primirea fierului burete, minereul extras este îmbogățit și se obțin pelete. Peleți de la buncărul 1 la sita 2 intră în caseta 10 a mașinii de încărcare și de acolo la cuptorul cu arbore 9 funcționând pe principiul contracurentului. Deversarea de peleți intră în buncărul 3 cu o presă de brichetare și, sub formă de peleți, intră din nou în sită.Pentru a recupera fierul din peleți, un amestec de naturale și conversie, în care amestecul se descompune în hidrogen și monoxid de carbon. În zona de reducere a cuptorului B se creează o temperatură de 1000 ... 1100 0 C, la care minereul de fier în pelete se reduce la fier spongios solid. Conținutul de fier din pelete ajunge la 90...95%. Pentru răcirea peletelor de fier prin conducta 6 până la zona de răcire 0 cuptoarele furnizează aer. Peleții răciți 5 sunt livrați la transportorul 4 și alimentați la topirea oțelului în cuptoare electrice.

Recuperarea fierului într-un pat fluidizat

Minereu sau concentrat cu granulație fină este plasat pe un grătar prin care este furnizat hidrogen sau alt gaz reducător la o presiune de 1,5 MPa. Sub presiunea hidrogenului, particulele de minereu sunt în stare suspendată, făcând o mișcare continuă și formând un strat „fierbe”, „fluid”. Patul fluidizat asigură un contact bun al gazului reducător cu particulele de oxid de fier. Consumul de hidrogen pe tona de pulbere recuperată este de 600...650 m 3 .

Obținerea fierului burete în capsule de creuzet

Se folosesc capsule din carbură de siliciu cu un diametru de 500 mm și o înălțime de 1500 mm. Sarcina este încărcată în straturi concentrice. Interiorul capsulei este umplut cu un agent reducător - zdrobit combustibil solidși calcar (10...15%) pentru a îndepărta sulful. Al doilea strat este minereu zdrobit recuperabil sau concentrat, sol de moară, apoi un alt strat concentric de agent reducător și calcar. Capsulele montate pe cărucioare se deplasează lent într-un cuptor tunel de până la 140 m lungime, unde sunt încălzite, ținute la 1200 0 C și răcite timp de 100 de ore.

Fierul redus se obține sub formă de țevi cu pereți groși, acestea sunt curățate, zdrobite și zdrobite, obținându-se pulbere de fier cu un conținut de fier de până la 99%, carbon - 0,1 ... 0,2%.

Esența procesului

Deveni- aliaje fier-carbon care conțin până la aproape 1,5% carbon, cu un conținut mai mare, duritatea și fragilitatea oțelurilor cresc semnificativ și nu sunt utilizate pe scară largă.

Principalele materii prime pentru producția de oțel sunt fonta brută și resturi de oțel.

Conținutul de carbon și impurități în oțel este mult mai mic decât în ​​fontă. Prin urmare, esența oricărei conversii metalurgice a fontei în oțel este reducerea carbonului și a impurităților prin oxidarea selectivă și transferul lor la zgură și gaze în timpul procesului de topire.

Fierul este oxidat în primul rând atunci când fierul reacționează cu oxigenul în cuptoarele de fabricare a oțelului:

.

Simultan cu fierul, siliciul, fosforul, manganul și carbonul sunt oxidate. Oxidul de fier format la temperaturi ridicate renunță la oxigen la impurități mai active din fontă, oxidându-le.

Procesele de fabricare a oțelului se desfășoară în trei etape.

Prima etapă este topirea încărcăturii și încălzirea băii de metal lichid.

Temperatura metalului este relativ scăzută, oxidarea fierului are loc intens, formarea oxidului de fier și oxidarea impurităților: siliciu, mangan și fosfor.

Cea mai importantă sarcină a etapei este îndepărtarea fosforului. Pentru aceasta, este de dorit să se efectueze topirea în cuptorul principal, unde conține zgura. Anhidrida fosforică formează un compus instabil cu oxidul de fier. Oxidul de calciu este o bază mai puternică decât oxidul de fier, prin urmare, la temperaturi scăzute, îl leagă și îl transformă în zgură:

.

Pentru a elimina fosforul, este necesară o temperatură scăzută a metalului și a băii de zgură și un conținut suficient în zgură. Pentru a crește conținutul în zgură și a accelera oxidarea impurităților, în cuptor se adaugă minereu de fier și calcar, inducând zgură de fier. Pe măsură ce fosforul este îndepărtat din metal în zgură, conținutul de fosfor din zgură crește. Prin urmare, este necesar să îndepărtați această zgură din oglinda metalică și să o înlocuiți cu una nouă cu aditivi proaspeți.

A doua etapă - fierberea băii metalice - începe pe măsură ce se încălzește la temperaturi mai ridicate.

Odată cu creșterea temperaturii, reacția de oxidare a carbonului are loc mai intens, ceea ce are loc odată cu absorbția căldurii:

.

Pentru a oxida carbonul, în metal se introduce o cantitate mică de minereu, calcar sau se insuflă oxigen.

Când oxidul de fier reacţionează cu carbonul, din metalul lichid se eliberează bule de monoxid de carbon, provocând o „baie de fierbere”. În timpul „fierberii”, conținutul de carbon din metal este redus la nivelul necesar, temperatura este egalizată pe tot volumul băii, iar incluziunile nemetalice care aderă la bulele emergente, precum și gazele care pătrund în bule sunt parțial. îndepărtat. Toate acestea contribuie la îmbunătățirea calității metalului. Prin urmare, această etapă este cea principală în procesul de fabricare a oțelului.

De asemenea, sunt create condiții pentru îndepărtarea sulfului. Sulful din oțel este sub formă de sulfură (), care se dizolvă și în zgura principală. Cu cât temperatura este mai mare, cu atât sulfura de fier se dizolvă în zgură și interacționează cu oxidul de calciu:

Compusul rezultat se dizolvă în zgură, dar nu se dizolvă în fier, astfel încât sulful este îndepărtat în zgură.

A treia etapă - dezoxidarea oțelului constă în reducerea oxidului de fier dizolvat în metalul lichid.

În timpul topirii, o creștere a conținutului de oxigen din metal este necesară pentru oxidarea impurităților, dar în oțelul finit, oxigenul este o impuritate dăunătoare, deoarece scade proprietățile mecanice ale oțelului, în special la temperaturi ridicate.

Oțelul este dezoxidat în două moduri: precipitare și difuzie.

Dezoxidarea prin precipitare se realizează prin introducerea în oțelul lichid a dezoxidanților solubili (feromangan, ferosiliciu, aluminiu) care conțin elemente care au o afinitate mai mare pentru oxigen decât pentru fier.

Ca urmare a dezoxidării, fierul este redus și se formează oxizi: , care au o densitate mai mică decât oțelul, și sunt îndepărtați în zgură.

Dezoxidarea prin difuzie se realizează prin dezoxidarea zgurii. Ferromangan, ferosiliciu și aluminiu în formă zdrobită sunt încărcate pe suprafața zgurii. Dezoxidanții, reducând oxidul de fier, reduc conținutul acestuia în zgură. În consecință, oxidul de fier dizolvat în oțel se transformă în zgură. Oxizii formați în timpul acestui proces rămân în zgură, iar fierul redus trece în oțel, în timp ce conținutul de incluziuni nemetalice din oțel scade și calitatea acestuia crește.

În funcție de gradul de dezoxidare, oțelurile sunt topite:

a) calm

b) fierbere

c) semicalmă.

Oțelul liniștit se obține prin dezoxidare completă în cuptor și oală.

Oțelul care fierbe nu este complet dezoxidat în cuptor. Dezoxidarea sa continuă în matriță în timpul solidificării lingoului, datorită interacțiunii oxidului de fier și carbonului:

Monoxidul de carbon rezultat este eliberat din oțel, ajutând la eliminarea azotului și hidrogenului din oțel, gazele sunt eliberate sub formă de bule, făcându-l să fiarbă. Oțelul care fierbe nu conține incluziuni nemetalice, prin urmare are o ductilitate bună.

Oțelul semicalm are o dezoxidare intermediară între calm și fierbere. Este parțial dezoxidat în cuptor și în oală, și parțial în matriță, datorită interacțiunii oxidului de fier și carbonului conținut în oțel.

Aliarea oțelului se realizează prin introducerea feroaliajelor sau a metalelor pure în cantitatea necesară în topitură. Elementele de aliere, la care afinitatea pentru oxigen este mai mică decât cea a fierului (), nu se oxidează în timpul topirii și turnării, deci sunt introduse în orice moment în timpul topirii. Elementele de aliere, la care afinitatea pentru oxigen este mai mare decât cea a fierului (), sunt introduse în metal după dezoxidare sau concomitent cu acesta la sfârșitul topiturii și, uneori, în oală.

Metode de topire a oțelului

Fonta este transformată în oțel în unități metalurgice cu diferite principii de funcționare: cuptoare cu focar deschis, convertoare de oxigen, cuptoare electrice.

Producția de oțel în cuptoare cu vatră deschisă

Proces cu vatră deschisă (1864-1865, Franța). În perioada de până în anii șaptezeci, a fost principala metodă de producție a oțelului. Metoda se caracterizează printr-o productivitate relativ scăzută, posibilitatea de a utiliza metal secundar - resturi de oțel. Capacitatea cuptorului este de 200...900 tone Metoda face posibilă obținerea oțelului de înaltă calitate.

Cuptorul cu vatră deschisă (fig.) conform dispozitivului și principiului de funcționare este un cuptor regenerativ cu reflectare a flăcării. Gazul gazos este ars în camera de topire

combustibil sau ulei. Temperatura ridicată pentru obținerea oțelului în stare topit este asigurată de recuperarea căldurii gazelor din cuptor.

Un cuptor modern cu vatră deschisă este o cameră alungită orizontal realizată din cărămizi refractare. Spațiul de topire de lucru este limitat de jos de o vatră 12, de sus de o boltă 11 , iar din lateralele din față 5 și din spate 10 pereți. Vatra are forma unei bai cu pante spre peretii cuptorului. În peretele frontal există ferestre de încărcare 4 pentru alimentarea cu încărcare și flux, iar în peretele din spate există o deschidere 9 pentru eliberarea oțelului finit.

Orez. 2. Schema unui cuptor cu focar deschis

Caracteristica spațiului de lucru este aria vetrei cuptorului, care este calculată la nivelul pragurilor ferestrelor de încărcare. Capetele cuptorului 2 sunt amplasate la ambele capete ale spațiului de topire, care servesc la amestecarea combustibilului cu aer și la furnizarea acestui amestec în spațiul de topire. Folosit ca combustibil gaz natural, păcură.

Pentru încălzirea aerului și a gazului atunci când funcționează cu gaz cu conținut scăzut de calorii, cuptorul are două regeneratoare 1.

Regenerator - o cameră în care este plasată o duză - o cărămidă refractară așezată într-o cușcă, concepută pentru a încălzi aerul și gazele.

Gazele care ies din cuptor au o temperatura de 1500 ... 1600 0 C. Intrand in regenerator, gazele incalzesc garnitura la o temperatura de 1250 0 C. Aerul este furnizat printr-unul dintre regeneratoare, care, trecand prin ambalaj. , se încălzește până la 1200 0 C și intră în capul cuptorului, unde se amestecă cu combustibilul, se formează o torță 7 la ieșirea din cap, îndreptată către sarcina 6.

Gazele de eșapament trec prin capul opus (stânga), dispozitive de curățare (rezervoare de zgură), care servesc la separarea particulelor de zgură și praf de gaz și sunt trimise la al doilea regenerator.

Gazele răcite părăsesc cuptorul șemineu 8.

După ce duzele regeneratorului drept sunt răcite, supapele sunt comutate, iar fluxul de gaz în cuptor își schimbă direcția.

Temperatura pistoletului cu flacără ajunge la 1800 0 C. Lanterna se încălzește spatiu de lucru cuptoare și încărcare. Torța contribuie la oxidarea impurităților de sarcină în timpul topirii.

Durata de topire este de 3…6 ore, pentru cuptoarele mari - până la 12 ore. Topitura finită este evacuată printr-un orificiu situat în peretele din spate la nivelul inferior al focarului. Orificiul este etanș înfundat cu materiale refractare cu aglomerare redusă, care sunt eliminate atunci când topitura este eliberată. Cuptoarele functioneaza continuu pana se opresc pt revizuire- 400…600 topituri.

În funcție de compoziția încărcăturii utilizate în topire, există varietăți ale procesului cu vatră deschisă:

proces de fier vechi, în care sarcina constă din resturi de oțel (deșeuri) și 25 ... 45% fontă brută, procedeul este utilizat la fabricile în care nu există furnale, dar există o mulțime de fier vechi.

proces de fier vechi, în care sarcina constă din fier lichid (55 ... 75%), fier vechi și minereu de fier, procedeul este utilizat la uzinele metalurgice cu furnale.

Căptușeala cuptorului poate fi bazică și acidă. Dacă în procesul de topire a oțelului predomină oxizii bazici în zgură, atunci procesul se numește principal proces pe vatră deschisă, iar dacă acru - acru.

Cea mai mare cantitate de oțel este produsă prin procesul de deșeuri în cuptoare cu focar deschis, cu căptușeală de bază.

Minereul de fier și calcarul sunt încărcate în cuptor, iar după încălzire, deșeurile sunt alimentate. După încălzirea deșeurilor, fierul lichid este turnat în cuptor. În perioada de topire din cauza oxizilor de minereu și fier vechi, impuritățile sunt oxidate intens: siliciu, fosfor, mangan și, parțial, carbon. Oxizii formează o zgură cu un conținut ridicat de oxizi de fier și mangan (zgură de fier). După aceea, se efectuează o perioadă de „fierbere” a băii: minereul de fier este încărcat în cuptor și baia este purjată cu oxigen furnizat prin conductele 3. În acest moment, alimentarea cu combustibil și aer a cuptorului este oprită și zgura este îndepărtată.

Pentru a îndepărta sulful, se introduce zgură nouă prin aplicarea de var pe oglinda metalică cu adaos de bauxită pentru a reduce vâscozitatea zgurii. Conținutul în zgură crește și scade.

În perioada de „fierbere”, carbonul este intens oxidat, astfel încât amestecul trebuie să conțină un exces de carbon. Pe această etapă metalul este adus la compoziția chimică specificată, gazele și incluziunile nemetalice sunt îndepărtate din el.

Apoi metalul este dezoxidat în două etape. În primul rând, dezoxidarea are loc prin oxidarea carbonului metalului, furnizând simultan dezoxidanți - feromangan, ferosiliciu, aluminiu - în baie. Dezoxidarea finală cu aluminiu și ferosiliciu se realizează în oală, când oțelul este extras din cuptor. După selectarea probelor de control, oțelul este eliberat în oală.

În principalele cuptoare cu focar deschis se topesc oțelurile de structură carbon, oțelurile slab și mediu aliate (mangan, crom), cu excepția oțelurilor și aliajelor înalt aliate, care se obțin în cuptoarele electrice de topire.

Oțelurile de înaltă calitate sunt topite în cuptoare acide cu focar deschis. Se folosește un amestec cu un conținut scăzut de sulf și fosfor.

Oțelurile conțin mai puțin hidrogen și oxigen, incluziuni nemetalice. În consecință, oțelul acid are proprietăți mecanice mai mari, în special rezistență la impact și ductilitate, este utilizat pentru piese deosebit de critice: arbori cotiți ai motoarelor mari, rotoare puternice de turbină, rulmenți cu bile.

Principalii indicatori tehnici și economici ai producției de oțel în cuptoare cu focar deschis sunt:

· productivitatea cuptorului - îndepărtarea oțelului de la 1m 2 de suprafață a vetrei pe zi (t/m 2 pe zi), în medie 10 t/m 2 ; R

· consumul de combustibil la 1 tonă de oțel topit, este în medie de 80 kg/t.

Odată cu extinderea cuptoarelor, eficiența economică a acestora crește.

Producția de oțel în convertoare de oxigen

Procesul BOF - topirea oțelului din fier lichid într-un convertor cu o căptușeală principală și suflare de oxigen printr-o tuieră răcită cu apă.

Primele experimente în 1933-1934 - Creierul.

La scară industrială - în 1952-1953 la fabricile din Linz și Donawitz (Austria) - a fost numit procesul LD. În prezent, metoda este cea principală în producția de masă a oțelului.

Convertorul de oxigen este un vas în formă de pară din tablă de oțel, căptușit cu o cărămidă principală.

Capacitatea convertizorului - 130 ... 350 de tone de fier lichid. În timpul funcționării, convertorul se poate roti 360 ​​0 pentru a încărca resturi, turna fier, scurge oțel și zgură.

Materialele de încărcare ale procesului de transformare a oxigenului sunt fontă lichidă, resturi de oțel (nu mai mult de 30%), var pentru ghidarea zgurii, minereu de fier, precum și bauxită și spat fluor pentru lichefierea zgurii.

Secvența operațiilor tehnologice în fabricarea oțelului în convertoarele de oxigen este prezentată în fig. 3.

Orez. 3. Secvența operațiilor tehnologice în fabricarea oțelului în convertoare de oxigen

După următoarea topire a oțelului, orificiul de evacuare este etanșat cu o masă refractară și căptușeala este inspectată și reparată.

Înainte de topire, convertorul este înclinat, restul de orez este încărcat cu ajutorul mașinilor de umplere. (3. a), fonta se toarnă la o temperatură de 1250 ... 1400 0 C (Fig. 3. b).

După aceea, convertorul este transformat în poziția de lucru (Fig. 3. c), în interior este introdusă o tuyeră răcită și prin ea este furnizat oxigen la o presiune de 0,9 ... 1,4 MPa. Varul, bauxita și minereul de fier sunt încărcate simultan cu începerea suflarii. Oxigenul pătrunde în metal, îl face să circule în convertor și să se amestece cu zgura. Sub tuyeră se dezvoltă o temperatură de 2400 0 C. Fierul se oxidează în zona de contact dintre jetul de oxigen și metal. Oxidul de fier se dizolvă în zgură și metal, îmbogățind metalul cu oxigen. Oxigenul dizolvat oxidează siliciul, manganul, carbonul din metal, iar conținutul lor scade. Metalul este încălzit de căldura degajată în timpul oxidării.

Fosforul este îndepărtat la începutul băii purjând cu oxigen, când temperatura acestuia este scăzută (conținutul de fosfor din fontă nu trebuie să depășească 0,15%). Cu un conținut crescut de fosfor, pentru a-l îndepărta, este necesar să se scurgă zgura și să se introducă una nouă, care reduce performanța convertorului.

Sulful este îndepărtat pe toată durata topirii (conținutul de sulf din fontă ar trebui să fie de până la 0,07%).

Alimentarea cu oxigen este întreruptă atunci când conținutul de carbon din metal corespunde valorii specificate. După aceea, convertizorul este răsucit și oțelul este eliberat în oală (Fig. 3. d), unde este dezoxidat prin metoda de precipitare cu feromangan, ferosiliciu și aluminiu, apoi zgura este drenată (Fig. 3. e) .

În convertoarele de oxigen se topesc oțelurile cu conținut variat de carbon, fierbinți și calm, precum și oțelurile slab aliate. Elementele de aliere în formă topită sunt introduse în oală înainte ca oțelul să fie introdus în acesta.

Topirea în convertoare cu o capacitate de 130 ... 300 de tone se termină în 25 ... 30 de minute.

Bibliografie

1. Știința materialelor și tehnologia metalelor: Un manual pentru universități în specialitățile de inginerie / G.P. Fetisov, M.G. Karpman, V.M. Matyunin și alții - M .: Școala superioară, 2000. - 637 p.: ill.

2. Știința materialelor: Un manual pentru universități care predau în direcția pregătirii și specializării în domeniul ingineriei și tehnologiei / B.N. Arzamasov, V.I. Makarova, G.G. Mukhin și alții - a 5-a ed., stereotip. - M.: Editura MSTU im. N.E. Bauman, 2003. - 646 p.: ill.

3. Lakhtin Yu.M., Leontieva V.N. Stiinta Materialelor. Manual pentru universități tehnice. specialist. - Ed. a 3-a. - M. Mashinostroyeniye, 2000. - 528s.

4. Tehnologia materialelor structurale: Manual pentru studenții universităților de inginerie / A.M. Dalsky, T.M. Barsukova, L.N. Buharkin și alții; Sub total ed.A.M. Dalsky. - Ed. a 5-a, Rev. - M. Mashinostroenie, 2003. - 511 p.: ill.

5. Tehnologia materialelor structurale. Un manual pentru studenții specialităților de inginerie ai universităților la ora 4. Editat de D.M. Sokolova, S.A. Vasin, G. G. Dubensky. - Tula. Editura TulGU. - 2007.

6. Știința materialelor și tehnologia materialelor structurale. Manual pentru universități / Yu.P. Solntsev, V.A. Veselov, V.P. Demyantsevici, A.V. Kuzin, D.I. Chashnikov. - Ed. a II-a, Apoc., add. - M. MISIS, 2006. - 576s.

7. Bogodukhov S.I. Curs de știința materialelor în întrebări și răspunsuri: Proc. alocație pentru universități, obuch. în direcţia pregătirii licenta "Tehnologie, echipamente. si constructie de masini automate. pr-in" si special. „Tehnologia ingineriei mecanice”, „Mașini și scule de tăiat metal”, etc./ S.I. Bogoduhov, V.F. Grebenyuk, A.V. Sinyukhin. - M.: Mashinostroenie, 2003. - 255 p.: ill.

8. Kolesov S.N. Știința Materialelor și Tehnologia Materialelor Structurale: Manual pentru studenții specialității electrice și electromecanice. Universități / S.N. Kolesov, I.S. Kolesov. - Şcoala Gimnazială M., 2004. - 518 p.: ill.

9. Știința materialelor. Tehnologia materialelor structurale: tutorial pentru studenți, formare. de exemplu „Inginerie electrică, electromecanică și electrotehnologii” / A.V. Shishkin și alții; sub redacția V.S. Cherednichenko. - Ed. a III-a, șters. - M.: OMEGA-L, 2007. - 751s.: ill. (Studii superioare tehnice). - (Tutorial)

10. Drits M.E., Moskalev M.A. Tehnologia materialelor structurale si stiinta materialelor: Proc. pentru studenții spec. non-construcții de mașini. universități. - M.: Şcoala superioară, 2005. - 446 p., ill.

11. Tarasov V.L. Tehnologia materialelor structurale: Proc. pentru universități pe special „Tehnologia prelucrării lemnului” / Mosk. stat un-t pădure. - M.: Editura din Moscova. stat un-t forest, 2006. - 326 p.: ill.

Găzduit pe Allbest.ru

Documente similare

Fundamentele producției metalurgice. Fabricarea fierului si otelului. Procese de producere directă a fierului din minereuri. Avantajul cuptoarelor de topire. Modalități de îmbunătățire a calității oțelului. Alegerea metodei și metodei de obținere a piesei de prelucrat. Principii generale selectarea piesei de prelucrat.

curs de prelegeri, adăugat 20.02.2010


Caracteristicile tehnologiei de topire a oțelului. Dezvoltarea metodelor de producere a oțelului din fontă. Procesul de transformare a oxigenului de topire a oțelului. Operații tehnologice de topire a convertorului de oxigen. Producția de oțel în cuptoare cu vatră deschisă și electrice.

prelegere, adăugată 12.06.2008


Structura și proprietățile oțelului, materii prime. Producția de oțel în convertoare, în cuptoare cu focar deschis, în cuptoare cu arc electric. Topirea oțelului în cuptoare cu inducție. Rafinarea oțelului în afara cuptorului. Oțel turnat. Tipuri speciale de electrometalurgie a oțelului.

rezumat, adăugat 22.05.2008


Materii prime pentru topirea fierului. Dispozitiv de furnal. Topirea otelului in convertoare de oxigen, focar deschis, cuptoare electrice. Produse de furnal. Productie de cupru, aluminiu. Tratarea termica si chimico-termica a otelului.

tutorial, adăugat 04/11/2010


Clasificarea și marcarea oțelului. Descrierea metodelor de producție a oțelului. Fundamentele tehnologiei de topire a oțelului în cuptoare cu vatră deschisă, cu arc și cu inducție. Unitate universală „Conarc”. Unități domestice cu oală-cuptor pentru prelucrarea oțelului în afara cuptorului.

lucrare de termen, adăugată 08.11.2012


Clasificarea industrială a metalelor. Materiale inițiale pentru topirea în furnal. Producția de oțel în convertoare de oxigen, în cuptoare cu focar deschis și cu baie dublă. Produse de furnal. Procese pirometalurgice și hidrometalurgice.

rezumat, adăugat 22.10.2013


Fabricarea fierului si otelului. Metode convertitoare și cu focar deschis de obținere a oțelului, esența topirii în furnal. Obținerea oțelului în cuptoare electrice. Indicatori tehnico-economici şi Caracteristici comparative moduri moderne obţinerea oţelului.

rezumat, adăugat 22.02.2009


Topirea oțelului în cuptoare electrice. Purificarea gazelor de evacuare. Dispozitiv pentru agitarea electromagnetică a metalului. Topirea oțelului în cuptorul principal cu arc electric. Metode de intensificare a procesului electric de fabricare a oțelului. Utilizarea zgurii sintetice.

lucrare de termen, adăugată 06/07/2009


Producția metalurgică modernă de fier și oțel. Schema producției metalurgice moderne. Produse din metalurgie feroasă. Rolling back (producția de peleți). Formarea unui aliaj de fier cu carbon la temperatură scăzută. Recuperarea mea

prelegere, adăugată 12.06.2008


Proprietățile mecanice ale fierului. Alotropia ca o proprietate importantă a fierului. Diagrama stării fierului. Schema modificărilor energiilor libere ale modificărilor cristaline ale fierului. Metoda de analiză termică. Curba de răcire a fierului. Puncte critice fier pur.

Obținerea fierului din minereul de fier se realizează în două etape. Se începe cu pregătirea minereului - măcinare și încălzire. Minereul este zdrobit în bucăți cu un diametru de cel mult 10 cm, apoi minereul zdrobit este calcinat pentru a îndepărta apa și impuritățile volatile.

În a doua etapă, minereul de fier este redus la fier cu monoxid de carbon într-un furnal. Recuperarea se realizează la temperaturi de aproximativ 700 ° C:

Pentru a crește randamentul de fier, acest proces se realizează în condiții de exces de dioxid de carbon CO 2 .

Monoxidul de carbon CO se formează într-un furnal din cocs și aer. Aerul este mai întâi încălzit la aproximativ 600 °C și forțat să intre în cuptor printr-o tuyeră specială. Coca Cola arde la cald aer comprimat, formând dioxid de carbon. Această reacție este exotermă și face ca temperatura să crească peste 1700°C:

Dioxidul de carbon se ridică în cuptor și reacționează cu mai mult cocs pentru a forma monoxid de carbon. Această reacție este endotermă:

Fierul format în timpul reducerii minereului este contaminat cu nisip și impurități de alumină (vezi mai sus). Calcar este adăugat în cuptor pentru a le îndepărta. La temperaturile existente în cuptor, calcarul suferă descompunere termică cu formarea de oxid de calciu și dioxid de carbon:

Oxidul de calciu se combină cu impuritățile, formând zgură. Zgura conține silicat de calciu și aluminat de calciu:

Fierul se topește la 1540°C. Fierul topit, împreună cu zgura topită, curge în jos în fundul cuptorului. Zgura topită plutește pe suprafața fierului topit. Periodic, fiecare dintre aceste straturi este eliberat din cuptor la nivelul corespunzător.

Furnalul funcționează non-stop, continuu. Materiile prime pentru procesul de furnal sunt minereul de fier, cocs și calcar. Ele sunt în mod constant încărcate în cuptor prin partea de sus. Fierul este eliberat din cuptor de patru ori pe zi, la intervale regulate. Se revarsă din cuptor într-un curent de foc la o temperatură de aproximativ 1500 ° C. Furnalele sunt marimi diferiteși productivitate (1000-3000 tone pe zi). În SUA, există câteva cuptoare nou proiectate, cu patru ieșiri și descărcare continuă de fier topit. Astfel de cuptoare au o capacitate de până la 10.000 de tone pe zi.

Fierul topit într-un furnal este turnat în forme de nisip. Un astfel de fier se numește fontă. Conținutul de fier din fontă este de aproximativ 95%. Fonta este o substanță tare, dar fragilă, cu un punct de topire de aproximativ 1200°C.

Fonta se obține prin topirea unui amestec de fontă, fier vechi și oțel cu cocs. Fierul topit se toarnă în forme și se răcește.

Fierul forjat este cea mai pură formă de fier tehnic. Se obține prin încălzirea fierului brut cu hematit și calcar într-o topitorie. Acest lucru crește puritatea fierului de călcat la aproximativ 99,5%. Punctul său de topire crește la 1400°C. Fierul forjat are o mare rezistență, maleabilitate și maleabilitate. Cu toate acestea, pentru multe aplicații, acesta este înlocuit cu oțel moale (vezi mai jos).

Reacții chimice în topirea fontei din minereu de fier

Producția de fier se bazează pe procesul de reducere a fierului din oxizii săi cu monoxid de carbon.

Se știe că monoxidul de carbon poate fi obținut prin acționarea cu oxigenul atmosferic asupra cocsului încins la roșu. În acest caz, se formează mai întâi dioxidul de carbon, care, la temperatură ridicată, este redus de carbonul de cocs la monoxid de carbon:

Recuperarea fierului din oxidul de fier are loc treptat. În primul rând, oxidul de fier este redus la oxid feros:

și, în cele din urmă, fierul este redus din oxidul feros:

Viteza acestor reacții crește odată cu creșterea temperaturii, cu creșterea conținutului de fier din minereu și cu scăderea dimensiunii bucăților de minereu. Prin urmare, procesul se desfășoară la temperaturi ridicate, iar minereul este pre-îmbogățit, zdrobit, iar piesele sunt sortate după dimensiune: în bucăți de aceeași dimensiune are loc în același timp și reducerea fierului. Dimensiunile optime de minereu și bucăți de cocs sunt de la 4 la 8-10 cm. Minereul fin este pre-sinterizat (aglomerat) prin încălzire la o temperatură ridicată. Aceasta elimină cea mai mare parte a sulfului din minereu.

Fierul este aproape complet redus de monoxidul de carbon. Simultan, siliciul și manganul sunt parțial reduse. Fierul redus formează un aliaj cu carbonul cocsului. siliciu, mangan și compuși ai sulfului și fosforului. Acest aliaj este fier lichid. Punctul de topire al fontei este mult mai mic decât punctul de topire al fierului pur.

Deșeurile de rocă și cenușa combustibilă trebuie, de asemenea, topite. Pentru a scădea temperatura de topire, pe lângă minereu și cocs, în compoziția materialelor „topite” sunt introduse fluxuri (fluxuri) - în principal calcar CaCO 3 și dolomit CaCO 3 × MgCO 3. Când sunt încălzite, produșii de descompunere a fluxului formează compuși cu puncte de topire mai mici, în principal silicați de calciu și magneziu și aluminosilicați, de exemplu, 2CaO × Al 2 O 3 × SiO 2, 2CaO × Mg0 × 2Si0 2.

Compoziția chimică a materiilor prime furnizate pentru prelucrare variază uneori foarte mult. Pentru a conduce procesul în mod constant și cele mai bune conditii, materiile prime sunt „mediate” după compoziția chimică, adică minereurile cu compoziție chimică diferită sunt amestecate în anumite rapoarte de greutate și se obțin amestecuri de compoziție constantă. Minereurile fine sunt sinterizate împreună cu fluxurile, obținând „sinterizare fluxă”. Utilizarea sinterului fluxat face posibilă accelerarea semnificativă a procesului.

Producția de oțel

Oțelurile sunt împărțite în două tipuri. oteluri carbon conțin până la 1,5% carbon. Oteluri aliate conțin nu numai cantități mici de carbon, ci și impurități (aditivi) special introduse ale altor metale. Următoarele detaliază diferitele tipuri de oțeluri, proprietățile și aplicațiile acestora.

Proces de transformare a oxigenului. În ultimele decenii, producția de oțel a fost revoluționată prin dezvoltarea procesului BOF (cunoscut și sub denumirea de proces Linz-Donawitz). Acest proces a început să fie aplicat în 1953 la oțelăriile din două centre metalurgice austriece - Linz și Donawitz.

Procesul BOF folosește un BOF cu o căptușeală principală (zidărie). Convertorul este încărcat într-o poziție înclinată cu fier topit de la topitorie și fier vechi, apoi returnat la pozitie verticala. După aceea, intră în convertor de sus tub de cupru cu răcire cu apă şi prin aceasta se îndreaptă spre suprafaţa fierului topit un jet de oxigen cu un amestec de var pulbere (CaO). Această „purjare cu oxigen”, care durează 20 de minute, duce la oxidarea intensă a impurităților de fier, în timp ce conținutul convertorului rămâne în stare lichidă datorită eliberării de energie în timpul reacției de oxidare. Oxizii rezultați se combină cu var și se transformă în zgură. Apoi tubul de cupru este scos și convertorul este înclinat pentru a drena zgura din acesta. După purjare din nou, oțelul topit este turnat din convertor (în poziție înclinată) în oală.

Procesul BOF este utilizat în principal pentru a produce oțeluri carbon. Se caracterizează printr-o performanță excelentă. În 40-45 de minute se pot obține 300-350 de tone de oțel într-un singur convertor.

În prezent, tot oțelul din Marea Britanie și cea mai mare parte a oțelului din întreaga lume este produs prin acest proces.

Procesul electric de fabricare a oțelului. Cuptoare electrice Este folosit în principal pentru a transforma fier vechi din oțel și fontă în oțeluri aliate de înaltă calitate, cum ar fi oțelul inoxidabil. Cuptorul electric este un rezervor rotund adânc căptușit cu cărămizi refractare. Cuptorul este încărcat cu fier vechi prin capacul deschis, apoi capacul este închis și electrozii sunt coborâți în cuptor prin orificiile din acesta până când intră în contact cu fier vechi. După aceea porniți curentul. Între electrozi apare un arc în care temperatura crește peste 3000 °C. La această temperatură, metalul se topește și se formează oțel nou. Fiecare sarcină a cuptorului vă permite să obțineți 25-50 de tone de oțel.

Oțelul este obținut din fontă prin îndepărtarea majorității carbonului, siliciului, manganului, fosforului și sulfului din acesta. Pentru aceasta, fonta este supusă topirii oxidative. Produșii de oxidare sunt eliberați în stare gazoasă și sub formă de zgură.

Deoarece concentrația de fier din fontă este mult mai mare decât cea a altor substanțe, fierul este mai întâi oxidat rapid. O parte din fier intră în oxid feros:

Reacția continuă cu eliberarea de căldură.

Oxidul feros, amestecându-se cu topitura, oxidează siliciul, manganul și carbonul:

Si+2FeO=SiO2+2Fe

Primele două reacții sunt exoterme. În special, se eliberează multă căldură în timpul oxidării siliciului.

Fosforul este oxidat la anhidridă fosforică, care formează compuși cu oxizi metalici care sunt solubili în zgură. Dar conținutul de sulf este redus doar ușor și, prin urmare, este important ca materiile prime să conțină puțin sulf.

După terminarea reacțiilor oxidative, aliajul lichid conține încă oxid feros, de care trebuie eliberat. În plus, este necesar să se aducă conținutul de carbon, siliciu și mangan din oțel la standardele stabilite. Prin urmare, la sfârșitul topiturii se adaugă agenți reducători, de exemplu, feromangan (un aliaj de fier cu mangan) și alți așa-numiți „dezoxidanți”. Manganul reacționează cu oxidul feros și „dezoxidează” oțelul:

Mn+FeO=MnO+Fe

Conversia fontei în oțel se realizează în prezent în diferite moduri. Mai vechi, folosit pentru prima dată la mijlocul secolului al XIX-lea. este metoda Bessemer.

Metoda Bessemer . Conform acestei metode, conversia fierului în oțel se realizează prin suflarea de aer prin fierul fierbinte topit. Procesul se desfășoară fără consum de combustibil datorită căldurii degajate în timpul reacțiilor de oxidare exotermă a siliciului, manganului și a altor elemente.

Procesul se desfășoară în aparat, care este numit după numele inventatorului Convertor Bessemer. Este un vas de oțel în formă de para, căptușit în interior material refractar. În partea de jos a convertorului există găuri prin care aerul este furnizat aparatului. Aparatul funcționează intermitent. Întorcând aparatul în poziție orizontală, se toarnă fonta și se furnizează aer. Apoi rotiți dispozitivul într-o poziție verticală. La începutul procesului se oxidează fierul, siliciul și manganul, apoi carbonul. Monoxidul de carbon rezultat arde deasupra convertorului cu o flacără strălucitoare de până la 8 litri lungime. Flacăra este înlocuită treptat cu fum maro. Începe arderea fierului. Acest lucru indică faptul că perioada de oxidare intensă a carbonului se încheie. Apoi alimentarea cu aer este oprită, convertorul este transferat în poziție orizontală și se adaugă dezoxidanți.

Procesul Bessemer are o serie de avantaje. Curge foarte repede (în 15 minute), astfel încât performanța dispozitivului este ridicată. Procesul nu necesită combustibil sau electricitate. Dar în acest fel, nu totul poate fi transformat în oțel, ci doar anumite calități de fontă. În plus, o cantitate semnificativă de fier în procesul Bessemer este oxidată și pierdută („risipă” mare de fier).

O îmbunătățire semnificativă a producției de oțel în convertoarele Bessemer este utilizarea pentru suflare în loc de aer a unui amestec al acestuia cu oxigen pur („aer îmbogățit”), ceea ce face posibilă obținerea de oțeluri de calitate superioară.

metoda Martin. Principala metodă de transformare a fontei în oțel este în prezent focarul deschis. Căldura necesară procesului se obține prin arderea combustibililor gazoși sau lichizi. Procesul de obținere a oțelului se realizează într-un cuptor cu flacără - un cuptor cu vatră deschisă.

Spațiul de topire al unui cuptor cu vatră deschisă este o baie acoperită cu o boltă de cărămizi refractare. În peretele frontal al cuptorului există ferestre de încărcare prin care mașinile de umplere încarcă încărcătura în cuptor. În peretele din spate există o gaură pentru eliberarea oțelului. Pe ambele părți ale băii există capete cu canale pentru alimentarea cu combustibil și aer și pentru îndepărtarea produselor de ardere. Cuptorul cu o capacitate de 350 de tone are o lungime de 25 m și o lățime de 7 m.

Cuptorul cu vatră deschisă funcționează intermitent. După eliberarea oțelului, fier vechi, minereu de fier, fontă sunt încărcate în cuptorul fierbinte în secvența prescrisă, iar calcarul sau varul este folosit ca flux. Amestecul se topește. În același timp, o parte din fier, siliciu și mangan sunt intens oxidate. Începe apoi o perioadă de oxidare rapidă a carbonului, numită perioada „de fierbere” – mișcarea bulelor de monoxid de carbon printr-un strat de metal topit dă impresia că fierbe.

Dezoxidanții sunt adăugați la sfârșitul procesului. Modificarea compoziției aliajului este atent monitorizată, ghidată de datele de analiză expresă, ceea ce vă permite să oferiți un răspuns despre compoziția oțelului în câteva minute. Oțelul finit este turnat în oală. Pentru a ridica temperatura flăcării combustibil gazos iar aerul este preîncălzit în regeneratoare. Principiul de funcționare al regeneratoarelor este același cu cel al încălzitoarelor cu aer în furnal. Capul de regenerare este încălzit de gazele de evacuare din cuptor, iar atunci când este suficient de încălzit, aerul este alimentat în cuptor prin regenerator. În acest moment, un alt regenerator se încălzește. Pentru reglarea regimului termic, cuptorul este echipat cu dispozitive automate.

Într-un cuptor cu focar deschis, spre deosebire de convertorul Bessemer, este posibil să se proceseze nu numai fierul lichid, ci și fierul solid, precum și deșeurile din industria metalurgică și resturi de oțel. În încărcătură se introduce și minereu de fier. Compoziția încărcăturii poate fi variată într-o gamă largă, iar oțelurile de diferite compoziții, atât carbon, cât și aliate, pot fi topite.

Oamenii de știință și producătorii de oțel ruși au dezvoltat metode pentru fabricarea de oțel de mare viteză care măresc productivitatea cuptoarelor. Productivitatea cuptoarelor este exprimată prin cantitatea de oțel obținută dintr-un metru pătrat din suprafața vetrei cuptorului pe unitatea de timp.

Producția de oțel în cuptoare electrice. Aplicație energie electricaîn producția de oțel face posibilă atingerea unei temperaturi mai ridicate și reglarea ei mai precisă. Prin urmare, orice calitate de oțel este topită în cuptoarele electrice, inclusiv cele care conțin metale refractare - wolfram, molibden, etc. Pierderea elementelor de aliere în cuptoarele electrice este mai mică decât în ​​alte cuptoare. La topirea cu oxigen, topirea încărcăturii și în special oxidarea carbonului în sarcina lichidă sunt accelerate.Utilizarea oxigenului face posibilă îmbunătățirea în continuare a calității oțelului electric, deoarece conține mai puține gaze dizolvate și incluziuni nemetalice. .

În industrie se folosesc două tipuri de cuptoare electrice: arc și inducție. În cuptoarele cu arc, căldura se obține datorită formării unui arc electric între electrozi și sarcină. În cuptoarele cu inducție, căldura se obține datorită curentului electric indus în metal.

Cuptoarele de topire a oțelului de toate tipurile - convertoare Bessemer, cu focar deschis și electrice - sunt dispozitive cu acțiune periodică. Dezavantajele proceselor periodice includ, după cum se știe, timpul petrecut la încărcarea și descărcarea aparatelor, nevoia de a schimba condițiile pe măsură ce procesul progresează, dificultatea de reglare etc. Prin urmare, metalurgiștii se confruntă cu sarcina de a crea un nou continuu. proces.

Aplicații ale aliajelor de fier ca materiale structurale.

Unele elemente d sunt utilizate pe scară largă pentru fabricarea materialelor structurale, în principal sub formă de aliaje. Un aliaj este un amestec (sau soluție) dintr-un metal cu unul sau mai multe alte elemente.

aliaje, principale parte integrantă pe care fierul le serveste se numesc oteluri. Am spus deja mai sus că toate oțelurile sunt împărțite în două tipuri: carbon și aliate.

Oțeluri carbon. În funcție de conținutul de carbon, aceste oțeluri, la rândul lor, sunt împărțite în oțeluri cu emisii scăzute de carbon, cu carbon mediu și cu conținut ridicat de carbon. Duritatea oțelurilor carbon crește odată cu creșterea conținutului de carbon. De exemplu, oțelul moale este maleabil și maleabil. Este utilizat în cazurile în care sarcina mecanică nu este critică. Aplicații diverse oțelurile carbon sunt enumerate în tabel. Oțelurile carbon reprezintă până la 90% din producția totală de oțel.

Oteluri aliate. Astfel de oțeluri conțin până la 50% impurități din unul sau mai multe metale, cel mai adesea aluminiu, crom, cobalt, molibden, nichel, titan, wolfram și vanadiu.

Oțelurile inoxidabile conțin crom și nichel ca impurități pentru fier. Aceste impurități măresc duritatea oțelului și îl fac rezistent la coroziune. Această din urmă proprietate se datorează formării unui strat subțire de oxid de crom (III) pe suprafața oțelului.

Oțelurile pentru scule sunt împărțite în oțeluri tungsten și mangan. Adăugarea acestor metale crește duritatea, rezistența și rezistența la temperaturi ridicate (rezistența la căldură) a oțelului. Astfel de oțeluri sunt folosite pentru forarea puțurilor, fabricarea muchiilor de tăiere ale uneltelor de prelucrare a metalelor și acele piese de mașini care sunt supuse unor solicitări mecanice mari.

Oțelurile siliconice sunt folosite pentru fabricarea diferitelor echipamente electrice: motoare, generatoare și transformatoare.

topire în vid

As→S→Sn→Sb→Cu→Mn→Ag→Pb.

Purificarea fierului prin distilare în vid cu condensare pe o suprafață încălzită

Rafinarea electrolitică a fierului

Producția electrolitică de fier pur

Metoda de purificare a fierului carbonil

Purificarea fierului prin recristalizare zonală

Fierul este un element chimic binecunoscut. Aparține metalelor cu reactivitate medie. Vom lua în considerare proprietățile și utilizarea fierului în acest articol.

Prevalența în natură

Există un număr destul de mare de minerale care includ ferrum. În primul rând, este magnetita. Este șaptezeci și doi la sută de fier. Formula sa chimică este Fe 3 O 4 . Acest mineral se mai numește și minereu de fier magnetic. El posedă gri deschis, uneori cu gri închis, până la negru, cu un luciu metalic. Cel mai mare depozit al său dintre țările CSI este situat în Urali.

Următorul mineral cu un conținut ridicat de fier este hematitul - este compus din șaptezeci la sută element dat. Formula sa chimică este Fe 2 O 3 . Se mai numește și minereu de fier roșu. Are o culoare de la roșu-brun la roșu-gri. Cel mai mare zăcământ de pe teritoriul țărilor CSI este situat în Krivoy Rog.

Al treilea mineral în ceea ce privește conținutul de fer este limonitul. Aici fierul de călcat are o reducere de 60 la sută greutate totală. Este un hidrat cristalin, adică moleculele de apă sunt țesute în rețeaua sa cristalină, formula sa chimică este Fe 2 O 3 .H 2 O. După cum sugerează și numele, acest mineral are o culoare galben-maroniu, uneori maro. Este unul dintre componentele principale ale ocrului natural și este folosit ca pigment. Se mai numește și piatră de fier maro. Cele mai mari apariții sunt Crimeea, Uralii.

În siderit, așa-numitul minereu de fier, patruzeci și opt la sută din ferrum. Formula sa chimică este FeCO 3 . Structura sa este eterogenă și constă din cristale de diferite culori legate între ele: gri, verde pal, gri-galben, maro-galben etc.

Ultimul mineral natural cu un conținut ridicat de feru este pirita. El are asa ceva formula chimica FeS2. Fierul din el reprezintă patruzeci și șase la sută din masa totală. Datorită atomilor de sulf, acest mineral are o culoare galben-aurie.

Multe dintre mineralele luate în considerare sunt folosite pentru obținerea fierului pur. În plus, hematitul este folosit la fabricarea de bijuterii din pietre naturale. Incluziunile de pirit pot fi găsite în bijuteriile din lapis lazuli. În plus, fierul se găsește în natură în compoziția organismelor vii - este una dintre cele mai importante componente ale celulei. Acest oligoelement trebuie să fie furnizat corpului uman în cantități suficiente. Proprietățile de vindecare ale fierului se datorează în mare măsură faptului că acest element chimic stă la baza hemoglobinei. Prin urmare, utilizarea ferrumului are un efect bun asupra stării sângelui și, prin urmare, a întregului organism în ansamblu.

Fier: proprietăți fizice și chimice

Să aruncăm o privire la aceste două secțiuni majore în ordine. fierul este al lui aspect, densitatea, punctul de topire etc. Adică toate trăsăturile distinctive ale materiei care sunt asociate cu fizica. Proprietățile chimice ale fierului sunt capacitatea sa de a reacționa cu alți compuși. Să începem cu primul.

Proprietățile fizice ale fierului

În forma sa cea mai pură, conditii normale este un solid. Are o culoare gri-argintiu și o strălucire metalică pronunțată. Proprietățile mecanice ale fierului includ un nivel de duritate She egal cu patru (mediu). Fierul de călcat are o conductivitate electrică și termică bună. Ultima caracteristică poate fi simțită prin atingerea unui obiect de fier într-o cameră rece. Deoarece acest material conduce rapid căldura, scoate mult din piele într-un timp scurt, motiv pentru care simțiți frig.

Atingând, de exemplu, un copac, se poate observa că conductivitatea sa termică este mult mai mică. Proprietățile fizice ale fierului sunt punctele sale de topire și fierbere. Prima este 1539 de grade Celsius, a doua este de 2860 de grade Celsius. Se poate concluziona că proprietățile caracteristice ale fierului sunt o bună ductilitate și fuzibilitate. Dar asta nu este tot.

Proprietățile fizice ale fierului includ și feromagnetismul acestuia. Ce este? Fierul, ale cărui proprietăți magnetice le putem observa în exemple practice în fiecare zi, este singurul metal care are o trăsătură distinctivă atât de unică. Acest lucru se explică prin materialul dat capabil de a fi magnetizat de camp magnetic. Și după încetarea acțiunii acestuia din urmă, fierul, ale cărui proprietăți magnetice tocmai s-au format, rămâne un magnet mult timp. Acest fenomen poate fi explicat prin faptul că în structura acestui metal există mulți electroni liberi care se pot mișca.

În ceea ce privește chimia

Acest element aparține metalelor cu activitate medie. Dar proprietățile chimice ale fierului sunt tipice pentru toate celelalte metale (cu excepția celor care se află în dreapta hidrogenului în seria electrochimică). Este capabil să reacționeze cu multe clase de substanțe.

Să începem simplu

Ferul interacționează cu oxigenul, azotul, halogenii (iod, brom, clor, fluor), fosfor, carbon. Primul lucru de luat în considerare sunt reacțiile cu oxigenul. Când fierul este ars, se formează oxizii săi. În funcție de condițiile reacției și de proporțiile dintre cei doi participanți, acestea pot fi variate. Ca exemplu de astfel de interacțiuni, pot fi date următoarele ecuații de reacție: 2Fe + O 2 = 2FeO; 4Fe + 3O 2 \u003d 2Fe 2 O 3; 3Fe + 2O 2 \u003d Fe 3 O 4. Iar proprietățile oxidului de fier (atât fizice, cât și chimice) pot fi variate, în funcție de varietatea acestuia. Aceste reacții au loc la temperaturi ridicate.

Următorul este interacțiunea cu azotul. De asemenea, poate apărea numai în condiții de încălzire. Dacă luăm șase moli de fier și un mol de azot, obținem doi moli de nitrură de fier. Ecuația reacției va arăta astfel: 6Fe + N 2 = 2Fe 3 N.

Când interacționează cu fosforul, se formează o fosfură. Pentru a efectua reacția, sunt necesare următoarele componente: ​​pentru trei moli de ferrum - un mol de fosfor, ca urmare, se formează un mol de fosfură. Ecuația poate fi scrisă astfel: 3Fe + P = Fe 3 P.

În plus, dintre reacțiile cu substanțe simple, se poate distinge și interacțiunea cu sulful. În acest caz, se poate obține sulfură. Principiul prin care are loc procesul de formare a acestei substanțe este similar cu cele descrise mai sus. Și anume, are loc o reacție de adiție. Toate interacțiunile chimice de acest fel necesită condiții speciale, în principal temperaturi ridicate, mai rar catalizatori.

De asemenea, comun în industria chimica reacții între fier și halogeni. Acestea sunt clorurarea, bromurarea, iodarea, fluorurarea. După cum reiese clar din numele reacțiilor în sine, acesta este procesul de adăugare a atomilor de clor / brom / iod / fluor la atomii de fer pentru a forma clorură / bromură / iodură / fluor, respectiv. Aceste substanțe sunt utilizate pe scară largă în diverse industrii. În plus, ferrum este capabil să se combine cu siliciul la temperaturi ridicate. Mulțumită Proprietăți chimice fierul este divers, este adesea folosit în industria chimică.

Ferul și substanțele complexe

Din substanțe simple să trecem la cele ale căror molecule constau din două sau mai multe elemente chimice diferite. Primul lucru de menționat este reacția ferrumului cu apa. Iată principalele proprietăți ale fierului. Când apa este încălzită, se formează împreună cu fierul (se numește astfel deoarece, atunci când interacționează cu aceeași apă, formează un hidroxid, cu alte cuvinte, o bază). Deci, dacă luați un mol din ambele componente, substanțe precum dioxidul de fer și hidrogenul se formează sub formă de gaz cu miros înțepător - tot în proporții molare de unu la unu. Ecuația pentru acest tip de reacție poate fi scrisă după cum urmează: Fe + H 2 O \u003d FeO + H 2. În funcție de proporțiile în care se amestecă aceste două componente, se poate obține di- sau trioxid de fier. Ambele substanțe sunt foarte comune în industria chimică și sunt, de asemenea, utilizate în multe alte industrii.

Cu acizi și săruri

Deoarece ferrumul este situat la stânga hidrogenului în seria electrochimică a activității metalului, este capabil să înlocuiască acest element din compuși. Un exemplu în acest sens este reacția de substituție care poate fi observată atunci când fierul este adăugat la un acid. De exemplu, dacă amestecați fier și acid sulfat (aka acid sulfuric) de concentrație medie în aceleași proporții molare, rezultatul va fi sulfat de fier (II) și hidrogen în aceleași proporții molare. Ecuația pentru o astfel de reacție va arăta astfel: Fe + H 2 SO 4 \u003d FeSO 4 + H 2.

La interacțiunea cu sărurile se manifestă proprietățile reducătoare ale fierului. Adică, cu ajutorul acestuia, un metal mai puțin activ poate fi izolat din sare. De exemplu, dacă luați un mol și aceeași cantitate de fer, atunci puteți obține sulfat de fier (II) și cupru pur în aceleași proporții molare.

Semnificație pentru organism

Una dintre cele mai comune în Scoarta terestra elemente chimice – fier. am luat în considerare deja, acum o vom aborda din punct de vedere biologic. Ferrum are performanțe foarte bune caracteristici importante atât la nivel celular cât şi la nivelul întregului organism. În primul rând, fierul este baza unei astfel de proteine ​​precum hemoglobina. Este necesar pentru transportul oxigenului prin sânge de la plămâni la toate țesuturile, organele, la fiecare celulă a corpului, în primul rând la neuronii creierului. Prin urmare, proprietățile benefice ale fierului nu pot fi supraestimate.

Pe lângă faptul că afectează formarea sângelui, ferrumul este, de asemenea, important pentru funcționarea completă a glandei tiroide (acest lucru necesită nu numai iod, așa cum cred unii). De asemenea, fierul participă la metabolismul intracelular, reglează imunitatea. Ferrum se găsește și în cantități deosebit de mari în celulele hepatice, deoarece ajută la neutralizare Substanțe dăunătoare. Este, de asemenea, una dintre componentele principale ale multor tipuri de enzime din corpul nostru. Dieta zilnică a unei persoane ar trebui să conțină de la zece până la douăzeci de miligrame din acest oligoelement.

Alimente bogate în fier

Există multe. Sunt de origine vegetală și animală. Primele sunt cereale, leguminoase, cereale (în special hrișcă), mere, ciuperci (albe), fructe uscate, măceșe, pere, piersici, avocado, dovleac, migdale, curmale, roșii, broccoli, varză, afine, mure, țelină, etc. Al doilea - ficat, carne. Utilizarea alimentelor bogate în fier este deosebit de importantă în timpul sarcinii, deoarece organismul fătului în curs de dezvoltare necesită o cantitate mare din acest oligoelement pentru o creștere și o dezvoltare adecvată.

Semne de deficit de fier în organism

Simptomele pătrunderii prea puține ferrum în organism sunt oboseala, înghețarea constantă a mâinilor și picioarelor, depresia, părul și unghiile fragile, scăderea activității intelectuale, tulburări digestive, performanță scăzută și tulburări tiroidiene. Dacă observați mai multe dintre aceste simptome, este posibil să doriți să creșteți cantitatea de alimente bogate în fier din dieta dumneavoastră sau să cumpărați vitamine sau suplimente care conțin ferrum. De asemenea, asigurați-vă că consultați un medic dacă vreunul dintre aceste simptome vă simțiți prea acut.

Utilizarea ferrumului în industrie

Utilizările și proprietățile fierului sunt strâns legate. Datorită feromagnetismului său, este folosit la fabricarea magneților - atât mai slabi pentru uz casnic (magneți pentru suveniruri pentru frigider, etc.), cât și mai puternici - în scopuri industriale. Datorită faptului că metalul în cauză are rezistență și duritate ridicată, a fost folosit din cele mai vechi timpuri pentru fabricarea de arme, armuri și alte arme militare și unelte de uz casnic. Apropo, chiar și în Egiptul antic era cunoscut fierul meteorit, ale cărui proprietăți sunt superioare celor ale metalului obișnuit. De asemenea, a fost folosit un astfel de fier special Roma antică. Din el au făcut arme de elită. Doar o persoană foarte bogată și nobilă ar putea avea un scut sau o sabie din metal meteorit.

În general, metalul pe care îl luăm în considerare în acest articol este cel mai versatil dintre toate substanțele din acest grup. În primul rând, din el se fabrică oțel și fontă, care sunt folosite pentru a produce tot felul de produse necesare atât în ​​industrie, cât și în viața de zi cu zi.

Fonta este un aliaj de fier și carbon, în care al doilea este prezent de la 1,7 la 4,5 la sută. Dacă al doilea este mai mic de 1,7 la sută, atunci acest tip de aliaj se numește oțel. Dacă aproximativ 0,02 la sută de carbon este prezent în compoziție, atunci acesta este deja fier tehnic obișnuit. Prezența carbonului în aliaj este necesară pentru a-i conferi o mai mare rezistență, stabilitate termică și rezistență la rugină.

În plus, oțelul poate conține multe alte elemente chimice ca impurități. Acesta este mangan, fosfor și siliciu. De asemenea, crom, nichel, molibden, wolfram și multe alte elemente chimice pot fi adăugate acestui tip de aliaj pentru a-i conferi anumite calități. Tipurile de oțel în care este prezentă o cantitate mare de siliciu (aproximativ patru procente) sunt utilizate ca oțeluri de transformare. Cele care conțin mult mangan (până la doisprezece până la paisprezece procente) își găsesc utilizarea la fabricarea de piese pentru căi ferate, mori, concasoare și alte unelte, părți ale cărora sunt supuse la abraziune rapidă.

Molibdenul este introdus în compoziția aliajului pentru a-l face mai stabil termic - astfel de oțeluri sunt folosite ca oțeluri pentru scule. În plus, pentru a obține oțeluri inoxidabile binecunoscute și des folosite în viața de zi cu zi sub formă de cuțite și alte unelte de uz casnic, este necesar să adăugați crom, nichel și titan în aliaj. Și pentru a obține oțel ductil, rezistent la șocuri, de înaltă rezistență, este suficient să adăugați vanadiu. Când este introdus în compoziția niobiului, este posibil să se obțină o rezistență ridicată la coroziune și efectele substanțelor agresive chimic.

Mineralul magnetit, care a fost menționat la începutul articolului, este necesar pentru a face hard disk-uri, carduri de memorie și alte dispozitive similare. Datorită proprietăților sale magnetice, fierul poate fi găsit în construcția transformatoarelor, motoarelor, produselor electronice etc. În plus, ferul poate fi adăugat altor aliaje metalice pentru a le oferi o rezistență și stabilitate mecanică mai mare. Sulfatul acestui element este folosit în horticultură pentru combaterea dăunătorilor (împreună cu sulfatul de cupru).

Sunt indispensabile în purificarea apei. În plus, pulberea de magnetită este utilizată în imprimantele alb-negru. Principala utilizare a piritei este obținerea acidului sulfuric din aceasta. Acest proces care se întâmplă în conditii de laboratorîn trei etape. În prima etapă, pirita ferum este arsă pentru a produce oxid de fier și dioxid de sulf. În a doua etapă, conversia dioxidului de sulf în trioxidul său are loc cu participarea oxigenului. Și în etapa finală, substanța rezultată este trecută în prezența catalizatorilor, obținându-se astfel acid sulfuric.

Luarea de fier

Acest metal este extras în principal din cele două minerale principale ale sale: magnetit și hematit. Acest lucru se realizează prin reducerea fierului din compușii săi cu carbon sub formă de cocs. Acest lucru se realizează în furnalele înalte, temperatura la care ajunge la două mii de grade Celsius. În plus, există o modalitate de a reduce ferrumul cu hidrogen. Acest lucru nu necesită un furnal. Pentru implementare aceasta metoda ei iau argilă specială, o amestecă cu minereu zdrobit și o prelucrează cu hidrogen într-un cuptor cu ax.

Concluzie

Proprietățile și utilizările fierului sunt variate. Acesta este poate cel mai important metal din viața noastră. Devenind cunoscut omenirii, el a luat locul bronzului, care la acea vreme era principalul material pentru fabricarea tuturor uneltelor, precum și a armelor. Oțelul și fonta sunt în multe privințe superioare aliajului de cupru și staniu în ceea ce privește proprietățile lor fizice, rezistența la stres mecanic.

În plus, fierul este mai comun pe planeta noastră decât multe alte metale. în scoarța terestră este de aproape cinci procente. Este al patrulea element chimic cel mai abundent din natură. De asemenea, acest element chimic este foarte important pentru funcționarea normală a organismului animalelor și plantelor, în primul rând pentru că hemoglobina este construită pe baza ei. Fierul este un oligoelement esențial, a cărui utilizare este importantă pentru menținerea sănătății și funcționarea normală a organelor. Pe lângă cele de mai sus, este singurul metal care are proprietăți magnetice unice. Fără ferrum este imposibil să ne imaginăm viața.

Mult mai devreme decât fierul, oamenii au învățat să mine și. Cu doar 450 de ani în urmă, spaniolii, care au debarcat în America Centrală și de Sud, au descoperit acolo orașe bogate cu clădiri publice uriașe, palate și temple. Cu toate acestea, s-a dovedit că indienii nu cunoșteau încă fierul. Uneltele și armele lor erau făcute numai din piatră.

Se știe din istorie că popoarele Egiptului, Mesopotamiei și Chinei de 3-4 mii de ani î.Hr. e. produs gigantic lucrari de constructie pentru a valorifica puterea râurilor puternice și a direcționa apele către câmpuri. Pentru toate aceste lucrări, au fost necesare multe unelte - târâtoare, sape, pluguri și pentru a proteja împotriva raidurilor nomazilor, multe arme - săbii și săgeți. În același timp, cuprul și staniul au fost extrase nu atât de mult. Prin urmare, dezvoltarea producției a necesitat un metal nou, mai comun în natură. Căutarea acestui metal nu a fost ușoară: minereurile de fier seamănă puțin cu metalul și, în cele mai vechi timpuri, desigur, era dificil pentru o persoană să ghicească că ele erau cele care conțineau metalul de care avea nevoie. În plus, este foarte moale în sine; este un material sărac pentru fabricarea de unelte și arme.

A trecut mult timp până când o persoană a învățat să extragă fier din minereuri și să facă și din el.

Este posibil ca primele descoperiri ale fierului ca material pentru fabricarea diferitelor obiecte să fie asociate cu descoperirile de meteoriți de fier, constând din fier nativ cu un amestec de nichel. Poate că, observând felul în care fierul meteoric ruginește, oamenii au ghicit că fierul este conținut în ocru de pământ galben, care se găsesc adesea pe suprafața pământului, și apoi au descoperit modalități de topire a fierului.

Conform datelor istorice, aproximativ o mie de ani î.Hr. e. în Asiria, India, Urartu și în alte țări știau deja să extragă și să prelucreze fierul. A fost folosit pentru a face unelte și diverse arme. În secolul al VII-lea î.Hr e. populația agricolă, care locuia de-a lungul Niprului și în stepele Mării Negre, extragea cu pricepere și fierul. Din el, sciții făceau cuțite, săbii și vârfuri de săgeți și sulițe și alte obiecte militare și de uz casnic.

Extracția și arta prelucrării fierului erau larg răspândite în întreaga Rusie Antică.

Fierarii, numiți în mod popular „sprețuiți” în acele vremuri, nu numai că prelucrau, ci de obicei extrageau ei înșiși fierul din minereuri. Erau foarte respectați. În poveștile populare, fierarul îl învinge pe Șarpele Gorynych, care a personificat forțele malefice și săvârșește multe alte fapte eroice.

Fier - metal moale, bine predispus la forjare, dar în forma sa pură nepotrivită pentru fabricarea de unelte.Doar aliajele de fier cu alte substanțe îi spun proprietățile necesare inclusiv duritatea. Cel mai important pentru economie nationala două aliaje de fier și carbon - fontă care conțin mai mult de 2% (până la 6%) carbon și oţel conţinând de la 0,03 până la 2% carbon.

În cele mai vechi timpuri, oamenii nu aveau idee despre fontă, dar au învățat cum să facă oțel din fier. Au topit fierul în forje primitive, amestecând minereu de fier cu cărbune. Ei au obținut temperatura ridicată necesară pentru topirea minereului de fier az folosind burdufuri obișnuiți. Au fost puse în mișcare cu mâinile, iar mai târziu prin puterea apei, înființând mori de apă. După topirea minereului de fier s-a obținut o masă sinterizată de fier granular, care a fost apoi forjată pe nicovale.

Pentru a obține oțel din fier, fâșii subțiri de fier forjat erau acoperite cu cărbune și calcinate împreună cu cărbune timp de câteva zile. Desigur, s-a obținut puțin oțel în acest fel și a fost scump. Secretele fabricării oțelului au fost păstrate în cel mai strict mod. Era deosebit de faimoasă oțel damasc- bulat, - metoda de obținere care a fost dezvoltată, se pare, de către vechii maeștri indieni, iar apoi stăpânită de maeștri arabi.

Cu toate acestea, toate aceste metode de prelucrare a minereului de fier și de fabricare a oțelului au produs puțin metal. Nevoia din ce în ce mai mare de el i-a forțat pe oameni să caute noi modalități de a obține cantități mult mai mari de metal. La sfârșitul secolului al XIV-lea - începutul secolului al XV-lea, au început să fie construite cuptoare pentru topirea fierului deja de 2-3 m înălțime pentru a obține mai mult metal. Maeștrii care au topit în aceste cuptoare au observat că unele topituri nu au avut succes. În loc de fier, în cuptor s-a format o masă asemănătoare fierului, care, atunci când s-a răcit, a dat o substanță fragilă, de nefalsificat. Dar, spre deosebire de fier și oțel, această masă avea o proprietate remarcabilă: era obținută în cuptor în stare topită sub formă de lichid, putea fi eliberată prin găurile din cuptor și turnată din acesta. forme diferite. Era din fontă.

Desigur, pe vremuri, metalurgiștii nu au putut explica de ce, în unele cazuri, fonta maleabilă sinterizată s-a dovedit a fi în cuptor, iar în altele - fontă lichidă. Chimia ca știință nu exista în acele vremuri și niciunul dintre maeștrii care fabricau fier nu putea ști că toată treaba consta în proporția dintre minereu, cărbune și aer care intră în cuptor în timpul topirii. Cu cât este introdus mai mult aer (mai precis, oxigen) în cuptor, cu atât mai mult carbon se va arde și se va transforma în dioxid de carbon, care se va evapora, iar puțin carbon va rămâne în fier: așa se obține oțelul. Dacă există mai puțin aer, atunci o mulțime de carbon se dizolvă în fier: se formează fonta.

Destul de repede, oamenii au învățat să folosească fonta nu numai pentru turnare, ci și pentru a face fontă maleabilă din aceasta. Pentru a face acest lucru, o bucată de fontă a fost încălzită în cuptoare și, astfel, a ars excesul de carbon din ea.

Invenția mașinii cu abur și a răzătoarei de țesut în secolul al XVIII-lea şi mai ales construcţia de căi ferate la începutul secolului al XIX-lea. a cerut o cantitate imensă de metal. Din nou, au fost necesare schimbări fundamentale în producția de fier și oțel.

Până în 1784, în Anglia, Cort a introdus prelucrarea fontei în așa-numitele cuptoare cu flacără sau reverberație. Acest proces a fost numit bălţuire. Într-un cuptor cu reverberație, au început să folosească în loc de lemn. Utilizarea cărbunelui în topire era împiedicată de sulful pe care îl conține. A pătruns în fier când a intrat în contact cu cărbunele. Și fierul care conținea sulf a devenit casant de îndată ce a fost încălzit.

Într-un cuptor cu reverberație, focarul este separat printr-un prag de baia în care se topește fonta și astfel cărbunele nu intră direct în contact cu. Fonta este încălzită de o flacără și aerul fierbinte care trece peste ea din cuptor și reflectat de pe acoperișul cuptorului. Odată cu îmbunătățirea metodei de producere a fontei, au fost intensificate căutările pentru noi metode de fabricare a oțelului.

Secretul fabricării oțelului Damasc - oțelul damasc - a fost descoperit de celebrul metalurgist rus Pavel Petrovici Anosov, care a lucrat în prima jumătate a secolului al XIX-lea la Uzina Metalurgică Zlatoust. A topit fierul în creuzete mici cu grafit, care este tot carbon, și a obținut un minunat oțel Damasc. Clișeul făcut din acest oțel era mai puternic decât cel mai puternic oțel englezesc, care la acea vreme era considerat cel mai bun din lume.

În 1856, inginerul englez Bessemer a propus suflarea aerului în „duze” - găuri din fundul retortei - prin fontă topită, datorită căreia în 10-20 de minute tot cărbunele în exces s-a transformat în dioxid de carbonși fontă până la oțel.

Mai târziu, o metodă de topire a oțelului în cuptoare cu reverberație, numită vatră deschisă. Cuptoarele cu reverberație cu vatră deschisă sunt mult mai bune decât cuptoarele cu reverberație vechi. În dispozitivele speciale ale cuptoarelor cu vatră deschisă - regeneratoare - aerul și gazul combustibil obținut din cărbune sunt preîncălzite la 1000 °. Încălzirea are loc datorită căldurii gazelor de ardere care provin din același cuptor. Încălzirea gazului și a aerului contribuie la dezvoltarea (în timpul arderii gazelor) a unei temperaturi de aproximativ 1800 °. Acest lucru este suficient pentru a topi fierul și fierul din oțel.

În special, oțelul de înaltă calitate este acum topit în cuptoarele electrice, unde metalul este obținut prin topirea într-un arc voltaic, a cărui temperatură ajunge la 3000 °. Avantajele topirii electrice sunt că metalul nu este contaminat cu impurități nocive, care sunt întotdeauna prezente în gazele combustibile arse în cuptoarele convenționale.

Fonta este topită în furnalele înalte. Înălțimea unui furnal modern, împreună cu dispozitivele auxiliare, este de 40 de metri sau mai mult. Pentru a scădea punctul de topire al minereului de fier, se adaugă flux, sau cerbul de tablă, - o substanță care, combinându-se cu unele părți constitutive ale minereului, formează o zgură cu punct de topire scăzut. De obicei, fluorspatul, sau fluorit etc. sunt folosiți ca flux. Un amestec de minereu și flux se numește încărca. Amestecul se toarnă într-un alt cuptor, presărat cu cocs, care, atunci când este ars, încălzește și topește întregul amestec. Coca-cola arde în mod normal numai dacă este suflat aer în el, preîncălzit la 600-850 °. Aerul este încălzit de gazele care părăsesc furnalul în turnuri de oțel - cauiopax, - căptușită cu cărămizi în interior.

În partea cea mai de jos a cuptorului, înroșit, întâlnit cu aerul fierbinte, arde. Aceasta produce dioxid de carbon (CO2). Pe măsură ce crește, se transformă într-un alt gaz - monoxid de carbon (CO), care se caracterizează printr-o activitate chimică ridicată.

Monoxidul de carbon ia cu lăcomie oxigenul din oxizii de fier. Astfel, se eliberează fier metalic care conține carbon, t. fontă brută, care se varsă apoi în partea inferioară a furnalului. Din când în când este eliberat printr-un orificiu special din cuptor și curge în matrițe, unde se răcește.