Задание 1 Ознакомление с образцами природных соединений железа

Лабораторная работа №7

Тема: Распознавание руд железа.

Ознакомление со структурами серого и белого чугуна.

Цель: Oзнакомление с образцами исходных материалов и продуктов чёрной металлургии.

Оборудование: Коллекции «Чугун и сталь», магниты.

Краткая теория:

Важнейшими железными рудами являются:

Fe₃O₄ – магнетит (магнитный железняк) 72% Fe

Fe₂O₃ – гематит (красный железняк) 65% Fe

Fe₂O₃ х nH₂O – лимонит (бурый железняк) 60% Fe

Fe₂S – пирит (серный колчедан) 46,6% Fe

Fe₂СO₃ – сидерит (железный шпат) 35% Fe

В современной технике и в обыденной жизни применяются сплавы железа: чугун, сталь. Эти сплавы отличаются разным содержанием углерода. В чугуне углерода содержится от 1,7% до 5%, в стали – от 0,3% до 1.7%.

Для получения чугуна и стали перерабатываются железные руды, содержащие железо в виде оксидов, поэтому в основе химического получения чугуна лежит процесс восстановления железа из оксидов углеродом и оксидом углерода(II).

Процесс выплавки чугуна ведут в доменных печах. Доменная печь – сложное сооружение, высота которого 25 – 30 м, диаметр 6 – 8 м. Конструктивно домна имеет форму двух усечённых конусов, соединённых основаниями. Домна выложена из огнеупорного кирпича, снаружи покрыта стальным кожухом (для прочности).В домну сверху загружают шихту, которая состоит из чередующихся слоёв руды, кокса, флюсов (плавни). Обогащённая руда содержит обычно 65 – 72% оксидов железа.

Кокс служит источником теплоты, является восстановителем, из него образуется оксид углерода (II), играющий роль восстановителя металла из руды. Кокс также нужен для науглероживания железа.

Флюсы (чаще всего известняк СаСО₃) необходимы для вывода пустой породы в виде шлаков, состоящих главным образом из силикатов и алюмосиликатов кальция. Они предохраняют восстановленное железо от окисления и служат для понижения температуры плавления руды.

Снизу в домну подаётся смесь воздуха с кислородом или чистый кислород, предварительно нагретые до 600 – 800⁰С. Раскалённый уголь (кокс) реагирует с кислородом:

С + О₂ = СО₂

Оксид углерода (IV) реагирует с раскалённым углём с образованием СО:

СО₂ + С = 2СО

СО восстанавливает железо из его оксидов по схеме:

Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe

Свободное железо постепенно опускается вниз в зону более высоких температур, плавится и науглероживается, образуя карбид железа или цементит:

3Fe + С = Fe₃С 3Fe + 2СО = Fe₃С + СО₂

Так происходит образование чугуна. Находящиеся в руде примеси серы, фосфора, кремния, марганца восстанавливаются раскалённым коксом.

Восстановленные S, P, Si, Mn частично растворяются в расплавленном чугуне, частично уходят в шлак. Доменный процесс – непрерывный. Чугун и шлак периодически выпускают из печи через специальные желоба. Остановка доменной печи производится лишь раз в несколько лет для капитального ремонта. В доменных печах получают три вида чугунов: литейный, передельный, специальный.

Литейный чугун содержит углерод в виде графита, используется для отливки чугунных изделий. Этот чугун называют ещё серым, так как на изломе он имеет серый цвет. Передельный чугун содержит углерод в виде цемента Fe₃С, используется для переработки в сталь. Имеет ещё название белый чугун.

Специальные чугуны различаются содержанием С,P,Si, Mn. Используются для производства высококачественной стали, для изготовления конструкционных материалов в машиностроительной и приборостроительной промышленности.

Сырьём для получения стали служит передельный чугун, флюсы, металлолом. Процесс переработки чугуна в сталь сводится к удалению из него избытка С, P, Si, Mn и других элементов. При высокой температуре кислород легко соединяется с углеродом и другими примесями, образуя оксиды. Оксид углерода (II) удаляется в виде газа, а остальные реагируют с флюсами, образуется шлак, всплывающий на поверхность стали.

По способам окисления примесей различают два конверторных процесса: бессемеровский и томасовкий, а также мартеновский и электротермический. Переделку чугуна в сталь ведут при температуре 1800⁰С. Процесс плавки длится 5 -6 ч.

СОДЕРЖАНИЕ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ:

Задание 1 Ознакомление с образцами природных соединений железа

1 Рассмотрите выданные образцы природных соединений железа.

2 Заполните таблицу: