Технологи получения железа

Технология получения железа в древности

Для получения железа из руды, сначала нужно получить крицу. Для этого сначала использовалась окисленная железная руда, которая чаще всего залегает у поверхности. После открытия ее свойств такие залежи быстро истощились в результате их интенсивной разработки.

Болотные руды распространены гораздо шире. Они образовались в субатлантическом периоде, когда в процессе заболачивания железная руда оседала на дно водоемов. Все средневековье черная металлургия использовала болотные руды. Ими даже платили повинности. Получение железа из руды в относительно большом количестве стало возможным после изобретения сыродутного горна. Это название появилось после изобретения дутья подогретым воздухом в доменных печах. В древности же металлурги подавали в горн сырой (холодный) воздух. При температуре 900 o с помощью углекислого газа, отнимающего у окиси железа кислород, происходит восстановление железа из руды и получается тесто или бесформенный, пропитанный шлаком пористый кусок – крица. Для осуществления этого процесса был необходим древесный уголь как источник углекислого газа. Крица после этого проковывалась, для того чтобы удалить из нее шлак. Сыродутный способ, иногда называемый варкой железа, неэкономичен, но он долгое время оставался единственным и неизменным способом получения черного металла.

Сначала железо выплавляли в обычных, закрытых сверху ямах, позднее стали строить глиняные печи-горны. В рабочее пространство горна слоями загружали измельченную руду и уголь, все это поджигалось, и через отверстия-сопла специальными (кожаными) мехами нагнетался воздух. Каменная порода оседает в шлак при температуре 1300-1400 o , при которой получается сталь – железо, содержащее от 0.3 до 1.2%. углерода. При остывании оно становится очень твердым. Чтобы получить чугун – плавкое железо с содержанием углерода 1.5-5%, – нужна более сложная конструкция горна с большим рабочим пространством. При этом температура плавления железа оказывалась ниже, и оно частично вытекало из горна вместе со шлаком. При остывании оно становилось хрупким, и его поначалу выбрасывали, но потом научились использовать. Чтобы получить из чугуна ковкое железо, нужно удалить из него углерод.

Технология создания железных сплавов

Первым устройством для получения железа из руды была одноразовая сыродутная печь. При огромном количестве недостатков, долгое время это был единственный способ получить металл из руды.

Древние люди долгое время жили богато и счастливо — каменные топоры делали из яшмы, а для получения меди пережигали малахит, но все хорошее имеет тенденцию кончаться. Одной из причин краха античной цивилизации Средиземноморья стало истощение минеральных ресурсов. Золото кончилось не в казне, а в недрах, олово иссякло даже на «Оловянных островах». Хотя медь и добывается на Синае и Кипре до сих пор, но те месторождения, которые разрабатываются сейчас, римлянам доступны не были. Среди прочего, кончилась и пригодная для сыродутной обработки руда. Только свинца ещё было много.

Впрочем, варварские племена, заселившие ставшую бесхозной Европу, долгое время не знали, что недра её истощены предшественниками. Учитывая громадное падение объёма производства металлов, тех ресурсов, которыми римляне побрезговали, долгое время хватало. Позже, металлургия стала возрождаться в первую очередь в Германии и Чехии — то есть, там, куда римляне не добрались с кирками и тачками.

Более высокую ступень в развитии чёрной металлургии представляли собой постоянные высокие печи называемые в Европе штукофенами. Это действительно была высокая печь — с четырёхметровой трубой для усиления тяги. Мехи штукофена качались уже несколькими людьми, а иногда и водяным двигателем. Штукофен имел дверцы, через которые раз в сутки извлекалась крица.

Изобретены штукофены были в Индии в начале первого тысячелетия до новой эры. В начале нашей эры они попали в Китай, а в VII веке вместе с «арабскими» цифрами арабы заимствовали из Индии и эту технологию. В конце XIII века штукофены стали появляться в Германии и Чехии (а ещё до того были на юге Испании) и в течение следующего века распространились по всей Европе.

Производительность штукофена была несравненно выше, чем сыродутной печи — в день он давал до 250 кг железа, а температура плавления в нем оказывалась достаточна для науглероживания части железа до состояния чугуна. Однако штукофенный чугун при остановке печи застывал на её дне, смешиваясь со шлаками, а очищать металл от шлаков умели тогда только ковкой, но как раз ей-то чугун и не поддавался. Его приходилось выбрасывать.

Иногда, впрочем, штукофенному чугуну пытались найти какое-то применение. Например, древние индусы отливали из грязного чугуна гробы, а турки в начале XIX века — пушечные ядра. Трудно судить, как гробы, но ядра из него получались — так себе.

Ядра для пушек из железистых шлаков в Европе отливали еще в конце XVI в. Из литой брусчатки делались дороги. В Нижнем Тагиле до сих пор сохранились здания с фундаментами из литых шлаковых блоков.

Металлурги давно заметили связь между температурой плавления и выходом продукта — чем выше она была, тем большую часть содержащегося в руде железа удавалось восстановить. Потому рано или поздно им приходила мысль форсировать штукофен предварительным подогревом воздуха и увеличением высоты трубы. В середине XV века в Европе появились печи нового типа — блауофены, которые сразу преподнесли сталеварам неприятный сюрприз.

Более высокая температура плавления действительно значительно повысила выход железа из руды, но она же повысила и долю железа науглероживающегося до состояния чугуна. Теперь уже не 10 %, как в штукофене, а 30 % выхода составлял чугун — «свиное железо», ни к какому делу не годное. В итоге, выигрыш часто не окупал модернизации.

Блауофенный чугун, как и штукофенный, застывал на дне печи, смешиваясь со шлаками. Он выходил несколько лучшим, так как его самого было больше, следовательно, относительное содержание шлаков выходило меньше, но продолжал оставаться малопригодным для литья. Чугун получаемый из блауофенов оказывался уже достаточно прочен, но оставался ещё очень неоднородным — из него выходили только предметы простые и грубые — кувалды, наковальни. Уже прилично выходили пушечные ядра.

Кроме того, если в сыродутных печах могло быть получено только железо, которое потом науглероживалось, то в штукофенах и блауофенах внешние слои крицы оказывались состоящими из стали. В блауофенных крицах стали было даже больше, чем железа. С одной стороны, это казалось хорошо, но, вот, разделить-то сталь и железо оказывалось весьма затруднительно. Содержание углерода становилось трудно контролировать. Только долгой ковкой можно было добиться однородности его распределения.

В своё время, столкнувшись с этими затруднениями, индусы не стали двигаться дальше, а занялись тонким усовершенствованием технологии и пришли к получению булата. Но, индусов в ту пору интересовало не количество, а качество продукта. Европейцы, экспериментируя с чугуном, скоро открыли передельный процесс, поднимающий металлургию железа на качественно новый уровень.

Следующим этапом в развитии металлургии стало появление доменных печей. За счёт увеличения размера, предварительного подогрева воздуха и механического дутья, в такой печи все железо из руды превращалось в чугун, который расплавлялся и периодически выпускался наружу. Производство стало непрерывным — печь работала круглосуточно и не остывала. За день она выдавала до полутора тонн чугуна. Перегнать же чугун в железо в горнах было значительно проще, чем выколачивать его из крицы, хотя ковка все равно требовалась — но теперь уже выколачивали шлаки из железа, а не железо из шлаков.

Доменные печи впервые были применены на рубеже XV-XVI веков в Европе. На Ближнем Востоке и в Индии эта технология появилась только в XIX веке (в значительной степени, вероятно, потому, что водяной двигатель из-за характерного дефицита воды на Ближнем Востоке не употреблялся). Наличие в Европе доменных печей позволило ей обогнать в XVI веке Турцию если не по качеству металла, то по валу. Это оказало несомненное влияние на исход борьбы, особенно когда оказалось, что из чугуна можно лить пушки.

С начала XVII века европейской кузницей стала Швеция, производившая половину железа в Европе. В середине XVIII века её роль в этом отношении стала стремительно падать в связи с очередным изобретением — применением в металлургии каменного угля.

Прежде всего надо сказать, что до XVIII века включительно каменный уголь в металлургии практически не использовался — из-за высокого содержания вредных для качества продукта примесей, в первую очередь — серы. С XVII века в Англии каменный уголь, правда, начали применять в пудлинговочных печах для отжига чугуна, но это позволяло достичь лишь небольшой экономии древесного угля — большая часть топлива расходовалась на плавку, где исключить контакт угля с рудой было невозможно.

Среди многих металлургических профессий того времени, пожалуй, самой тяжелой была профессия пудлинговщика. Пудлингование было основным способом получения железа почти на протяжении всего XIX в. Это был очень тяжелый и трудоемкий процесс. Работа при нем шла так: На подину пламенной печи загружались чушки чугуна; их расплавляли. По мере выгорания из металла углерода и других примесей температура плавления металла повышалась и из жидкого расплава начинали «вымораживаться» кристаллы довольно чистого железа. На подине печи собирался комок слипшейся тестообразной массы. Рабочие-пудлинговщики приступали к операции накатывания крицы при помощи железного лома. Перемешивая ломом массу металла, они старались собрать вокруг лома комок, или крицу, железа. Такой комок весил до 50 — 80 кг и более. Крицу вытаскивали из печи и подавали сразу под молот — для проковки с целью удаления частиц шлака и уплотнения металла.

Устранять серу коксованием научились в Англии в 1735 году, после чего возможность использовать для выплавки железа большие запасы каменного угля. Но за пределами Англии эта технология распространилась только в XIX веке.

Потребление же топлива в металлургии уже тогда было огромно — домна пожирала воз угля в час. Древесный уголь превратился в стратегический ресурс. Именно изобилие дерева в самой Швеции и принадлежащей ей Финляндии позволило шведам развернуть производство таких масштабов. Англичане, имевшие меньше лесов (да и те были зарезервированы для нужд флота), вынуждены были покупать железо в Швеции до тех пор, пока не научились использовать каменный уголь.

Электрический и индукционный способы выплавки железа

Разнообразие составов сталей очень затрудняет их выплавку. Ведь в мартеновской печи и конвертере атмосфера окислительная, и такие элементы, как хром, легко окисляются и переходят в шлак, т.е. теряются. Значит, чтобы получить сталь с содержанием хрома 18%, в печь надо дать гораздо больше хрома, чем 180 кг на тонну стали. А хром – металл дорогой. Как найти выход из этого положения?

Выход был найден в начале XX в. Для выплавки металла было предложено использовать тепло электрической дуги. В печь круглого сечения загружали металлолом, заливали чугун и опускали угольные или графитовые электроды. Между ними и металлом в печи («ванне») возникала электрическая дуга с температурой около 4000°C. Металл легко и быстро расплавлялся. А в такой закрытой электропечи можно создавать любую атмосферу – окислительную, восстановительную или совершенно нейтральную. Иными словами, можно предотвратить выгорание ценных элементов. Так была создана металлургия качественных сталей.

Позднее был предложен еще один способ электроплавки – индукционный. Из физики известно, что если металлический проводник поместить в катушку, по которой проходит ток высокой частоты, то в нем индуцируется ток и проводник нагревается. Этого тепла хватает, чтобы за определенное время расплавить металл. Индукционная печь состоит из тигля, в футеровку которого вделана спираль. По спирали пропускают ток высокой частоты, и металл в тигле расплавляется. В такой печи тоже можно создать любую атмосферу.

В электрических дуговых печах процесс плавки идет обычно в несколько стадий. Сначала из металла выжигают ненужные примеси, окисляя их (окислительный период). Затем из печи убирают (скачивают) шлак, содержащий окислы этих элементов, и загружают ферросплавы – сплавы железа с элементами, которые нужно ввести в металл. Печь закрывают и продолжают плавку без доступа воздуха (восстановительный период). В результате сталь насыщается требуемыми элементами в заданном количестве. Готовый металл выпускают в ковш и разливают.

Химические реакции при получении железа

В современной промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe₂O₃) и магнетита (Fe₃O₄).

Существуют различные способы извлечения железа из руд. Наиболее распространённым является доменный процесс.

Первый этап производства — восстановление железа углеродом в доменной печи при температуре 2000 °C. В доменной печи углерод в виде кокса, железная руда в виде агломерата или окатышей и флюс (например, известняк) подаются сверху, а снизу их встречает поток нагнетаемого горячего воздуха.

В печи углерод кокса окисляется до монооксида углерода (угарного газа) кислородом воздуха:

В свою очередь, угарный газ восстанавливает железо из руды:

Флюс добавляется для извлечения нежелательных примесей из руды, в первую очередь силикатов, таких как кварц (диоксид кремния). Типичный флюс содержит известняк (карбонат кальция) и доломит (карбонат магния). Против других примесей используют другие флюсы.

Действие флюса: карбонат кальция под действием тепла разлагается до оксида кальция (негашёная известь):

Оксид кальция соединяется с диоксидом кремния, образуя шлак:

Шлак, в отличие от диоксида кремния, плавится в печи. Более лёгкий, чем железо, шлак плавает на поверхности, и его можно сливать отдельно от металла. Шлак затем употребляется в строительстве и сельском хозяйстве. Расплав железа, полученный в доменной печи, содержит довольно много углерода (чугун). Кроме случаев, когда чугун используется непосредственно, он требует дальнейшей переработки.

Излишний углерод и другие примеси (сера, фосфор) удаляют из чугуна окислением в мартеновских печах или в конвертерах. Электрические печи используют и для выплавки легированных сталей.

Кроме доменного процесса, распространён процесс прямого получения железа. В этом случае предварительно измельчённую руду смешивают с особой глиной, формируя окатыши. Окатыши обжигают, и обрабатывают в шахтной печи горячими продуктами конверсии метана, содержащими водород. Водород легко восстанавливает железо, при этом не происходит загрязнения железа такими примесями как сера и фосфор — обычными примесями в каменном угле. Железо получается в твёрдом виде, и в дальнейшем переплавляется в электрических печах.

Химически чистое железо получается электролизом растворов его солей.

Источник

Химия железа и его соединений с основами биогеохимии

Главные исторические сведения и биогеохимия железа и его соединений. Лабораторные и промышленные методы его получения. Физические, химические и физико-химические свойства элемента. Характеристика качественных и количественных способов определения метала.

Рубрика	Химия
Вид	курсовая работа
Язык	русский
Дата добавления	24.03.2015
Размер файла	185,1 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

по химии с основами биогеохимии на тему:

«Химия железа и его соединений с основами биогеохимии»

1. ИСТОРИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ О ЖЕЛЕЗЕ И ЕГО СОЕДИНЕНИЯХ

2. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗА И ЕГО СОЕДИНЕНИЙ

2.1 Лабораторные методы получения железа и его соединений

2.2 Промышленные методы получения железа и его соединений

Изучение химии железа и его соединений достаточно актуально, поскольку данный химический элемент относится ко многим сферам жизни человека. С давних времен железо играло большую роль в развитии человеческого общества и не потеряло своего значения и в настоящее время.

Железо — один из самых распространенных в природе элементов. В земной коре его массовая доля составляет 5-10%, и оно уступает лишь кислороду, кремнию и алюминию. Данный химический элемент тесно проник в различные сферы жизни и деятельности человека. Из всех металлов железо наиболее широко используется в современной промышленности, постоянно разрабатываются новые методы его получения и переработки. Железо является одним из основных конструкционных материалов, а также веществом земного ядра, и поэтому не ослабевает интерес к теоретическим и экспериментальным исследованиям его свойств.

Такой элемент как железо представляет собой важный элемент в человеческом организме, его избыток или недостаток вызывает различные заболевания и изменения, поэтому достаточно актуальным является изучение свойств железа в сфере медицины, для изобретения новейших лекарственных препаратов и методов лечения.

Очень актуальным является получение и развитие знаний о железе в почвоведении, так как данный элемент достаточно активно внедряется в различные удобрения.

Неотъемлемо изучение железа и его соединений в экологической сфере, поскольку при добыче железных руд и получении железа возникает негативное влияние на воздух, почву и воду. То есть необходимы исследования для разработки безотходного или менее вредного производства.

· рассмотреть исторические сведения о железе и его соединениях;

· изучить лабораторный и промышленный методы получения железа и его соединений;

· изучить физические, химические и физико-химические свойства железа и его соединений;

· разобраться в качественных и количественных методах определения железа и его соединений;

· узнать о применении железа и его соединений;

· рассмотреть биогеохимию железа и его свойств,

Объект изучения: химический элемент- железо, его свойства, методы получения и определения.

1. ИСТОРИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ О ЖЕЛЕЗЕ И ЕГО СОЕДИНЕНИЯХ

Железо (англ. Iron, франц. Fer, нем. Eisen) — один из семи металлов древности. Весьма вероятно, что человек познакомился с железом метеоритного происхождения раньше, чем с другими металлами. Метеоритное железо обычно легко отличить от земного, так как в нем почти всегда содержится от 5 до 30% никеля, чаще всего — 7-8%. С древнейших времен железо получали из руд, залегающих почти повсеместно. Наиболее распространенны руды гематита (Fe2O3,), бурого железняка (2Fe2O3, ЗН2О) и его разновидностей (болотная руда, сидерит, или шпатовое железо FeCO,), магнетита (Fe304) и некоторые другие. Все эти руды при нагревании с углем легко восстанавливаются при сравнительно низкой температуре начиная с 500oС. Получаемый металл имел вид вязкой губчатой массы, которую затем обрабатывали при 700-800oС повторной проковкой. [1]

Этимология названий железа на древних языках довольно отчетливо отражает историю знакомства наших предков с этим металлом. Многие древние народы, несомненно, познакомились с ним, как с металлом, упавшим с неба, то есть как с метеоритным железом. Так, в древнем Египте железо имело название би-ни-пет, что в буквальном переводе означает небесная руда, или небесный металл. В эпоху первых династий Ур в Месопотамии железо именовали ан-бар (небесное железо). В папирусе Эберса (ранее 1500 года до нашей эры) имеются два упоминания о железе: в одном случае о нем говорится как о металле из города Кэзи (Верхний Египет), в другом — как о металле небесного изготовления. Древнегреческое название железа, так же как и северокавказское — зидо, связано с древнейшим словом, уцелевшим в латинском языке,- sidereus (звездный от Sidus — звезда, светило). На древнем и современном армянском языке железо называется еркат, что означает упавшее с неба. O том, что древние люди пользовались вначале именно железом метеоритного происхождения, свидетельствуют и распространенные у некоторых народов мифы о богах или демонах, сбросивших с неба железные предметы и орудия, — плуги, топоры и другое. Интересен также факт, что к моменту открытия Америки индейцы и эскимосы Северной Америки не были знакомы со способами получения железа из руд, но умели обрабатывать метеоритное железо.

В древности и в средние века семь известных тогда металлов сопоставляли с семью планетами, что символизировало связь между металлами и небесными телами и небесное происхождение металлов. Такое сопоставление стало обычным более 2000 лет назад и постоянно встречается в литературе вплоть до XIX века. Во II веке нашей эры, железо сопоставлялось с Меркурием и называлось меркурием, но позднее его стали сопоставлять с Марсом и называть марс (Mars), что, в частности, подчеркивало внешнее сходство красноватой окраски Марса с красными железными рудами.

Впрочем, некоторые народы не связывали название железа с небесным происхождением металла. Так, у славянских народов железо называется по «функциональному» признаку. Русское железо имеет корень «лез» или «рез» (от слова лезо — лезвие). Такое словообразование прямо указывает на функцию предметов, изготовлявшихся из железа,- режущих инструментов и оружия.

Ставшее международным, латинское название Ferrum принято у романских народов. Оно, вероятно, связано с греко-латинским fars (быть твердым), которое происходит от санскритского bhars (твердеть). Возможно сопоставление и с ferreus, означающим у древних писателей «нечувствительный, непреклонный, крепкий, твердый, тяжкий», а также с ferre (носить). Алхимики наряду с Ferrum употребляли и многие другие названия, например Iris, Sarsar, Phaulec, Minera и другие.

Железные изделия из метеоритного железа найдены в захоронениях, относящихся к очень давним временам (IV — V тысячелетиях до нашей эры), в Египте и Месопотамии. Однако железный век в Египте начался лишь с ХII в. до н. э., а в других странах еще позднее. В древнерусской литературе слово железо фигурирует в древнейших памятниках (с XI века) под названиями желъзо, железо, жельзо.[2]

Железо по распространенности в природе занимает второе место среди металлов, проигрывая лишь алюминию. Самородное железо в природе практически не встречается. Железо является относительно активным металлом и под воздействием внешних условий окисляется, покрываясь ржавчиной, то есть подвергается коррозии. Поэтому, хотя человек использует железо с древних времен, изделия из него встречаются крайне редко. В течении многих веков они просто превратились в ржавчину.

В самой глубокой древности железо ценилось дороже золота, и по описанию Страбона, у африканских племён за 1 фунт железа давали 10 фунтов золота, а по исследованиям историка Г. Арешяна стоимости меди, серебра, золота и железа у древних хеттов были в соотношении 1: 160: 1280: 6400. В те времена железо использовалось как ювелирный металл, из него делали троны и другие регалии царской власти. В гробнице Тутанхамона (около 1350 года до нашей эры) был найден кинжал из железа в золотой оправе.

С самородными металлами народы, населяющие все континенты, познакомились почти в одно и то же время. С железом же происходило знакомство иначе и оно растянулось на более длинные исторические промежутки времени. В Египте железо получали ещё во II тысячелетии до нашей эры, в Древней Греции — в конце II тысячелетия, в Китае — в середине I тысячелетия до нашей эры. А на американском континенте лишь с приходом европейцев. [3]

С увеличением численности населения, с занятием людьми новых территорий выработка железа неуклонно росла, и оно перешло из ранга драгоценных металлов в обычные. Из известных тогда металлов железо было самым прочным. Из него изготавливали различные орудия труда, оружие, инструменты. В начале нашей эпохи железо уже производили в Европе и в Азии. Лучшими металлургами были индийцы.

Способ получения железа из руд был изобретён в западной части Азии во II-м тысячелетии до нашей эры; вслед за тем применение железа распространилось в Вавилоне, Египте, Греции; на смену бронзовому веку пришел железный век. Гомер (в 23-й песне «Илиады») рассказывает, что Ахилл наградил диском из железной крицы победителя в соревновании по метанию диска. В Европе и Древней Руси в течение многих веков железо получали по сыродутному процессу.

Железную руду восстанавливали древесным углём в горне, устроенном в яме; в горн мехами нагнетали воздух, продукт восстановления — крицу ударами молота отделяли от шлака и из неё выковывали различные изделия. По мере усовершенствования способов дутья и увеличения высоты горна температура процесса повышалась и часть железа науглероживалась, то есть получался чугун; этот сравнительно хрупкий продукт считали отходом производства. Отсюда название чугуна «чушка», «свинское железо» — английское pig iron. Позже было замечено, что при загрузке в горн не железной руды, а чугуна также получается низкоуглеродистая железная крица, причём такой двухстадийный процесс оказался более выгодным, чем сыродутный. В XII-XII веках кричный способ был уже широко распространён. В XIV веке чугун начали выплавлять не только как полупродукт для дальнейшего передела, но и как материал для отливки различных изделий. К тому же времени относится и реконструкция горна в шахтную печь («домницу»), а затем и в доменную печь.

В середине XVIII века в Европе начал применяться тигельный процесс получения стали, который был известен на территории Сирии ещё в ранний период средневековья, но в дальнейшем оказался забытым. При этом способе сталь получали расплавлением металлической шихты в небольших сосудах (тиглях) из высокоогнеупорной массы.

В последней четверти XVIII века стал развиваться пудлинговый процесс передела чугуна в железо на поду пламенной отражательной печи.

Промышленный переворот XVIII — начала XIV веков, изобретение паровой машины, строительство железных дорог, крупных мостов и парового флота вызвали громадную потребность в железе и его сплавах. Однако все существовавшие способы производства железа не могли удовлетворить потребности рынка. Массовое производство стали началось лишь в середине XIV века, когда были разработаны бессемеровский, томасовский и мартеновский процессы. В XX веке возник и получил широкое распространение электросталеплавильный процесс, дающий сталь высокого качества.[1]

Таким образом железо известно человеку с древних времен, оно широко распространено и не только на Земле, поскольку впервые люди познакомились с метеоритным железом, и все это время железо служит ему. Однако несмотря на свою долгую известность данный химический элемент ещё не до конца исследован.

2. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗА И ЕГО СОЕДИНЕНИЙ

2.1 Лабораторные методы получения железа и его соединений

Чистое Железо получают в относительно небольших количествах электролизом водных растворов его солей или восстановлением водородом его окислов.

Железо в порошке можно получить восстановлением гидроокиси железа (III) водородом (2.1):

2Fe(OH)3(тв.) + 3H2(г.) = 2Fe(тв.) + 6H2(г.)

Окись железа можно получить прокаливанием азотнокислого железа:

4Fe(NO3)3(тв.) = 2Fe2O3(тв.) + 12NO2(г). + 3O2(г.)

Сернокислое железо (II) можно получить растворением металлического железа в серной кислоте:

Fe(тв.)+ H2SO4(ж.) = FeSO4(тв.) + H2(г.)

Железо (III) азотнокислое можно получить при действии разбавленной азотной кислоты на металлическое железо:

Fe(тв.) + 4HNO3(ж.) = Fe(NO3)3(тв.) + NO(г.) + 2H2O(ж.)

Сернокислое железо (III) можно получить, растворяя гидроокись железа (III) в серной кислоте:

2Fe(OH)3(тв.) + 3H2SO4(ж.) = Fe2(SO4)3(тв.) + 6H2O(ж.)

Железо хлорное (железо (III) хлорид) можно получить если сначала получить раствор FeCl2, растворяя металлическое железо в соляной кислоте (2.6), а затем окисляют его хлором (2.7):

Fe(тв.) + 2HCl(ж.) = FeCl2(тв.) + H2(г.)

2FeCl2(тв.) + Cl2(ж.) = 2FeCl3(тв.)

Гидроксид железа (II) получается из солей двухвалентного железа при действии растворов щелочей (2.8):

FeCl2(тв.) + 2NaOH(ж.) = Fe(OH)2(тв.) + 2NaCl(ж.)

Оксид железа(III) Fe2O3 — получают при обжиге пирита:

4FeS2(тв.) + 11O2(г.) = 2Fe2O3(тв.) + 8SO2(г.) [4]

Для получения некоторых металлов используют метод алюминотермии. Метод основан на том, что порошкообразный алюминий при воспламенении восстанавливает оксиды многих металлов. При этом образуется очень чистый, свободный от углерода металл. Способом алюминотермии можно получить железо, для этого смесь порошкообразного алюминия и оксидов железа поджигают, при горении алюминий восстанавливает железо из его оксида.

Fe2O3(тв.) + 2AI(тв.) = AI2O3(тв.) + 2Fe(ж.)

Электролитическое железо изготовляют электролизом раствора сернокислого или хлористого железа, причем анодом служит чистое железо, катодом — пластина мягкой стали. Осажденное на катоде железо (толщина слоя 4 — 6 мм) после тщательной промывки снимают к измельчают в порошок в шаровых мельницах, после чего производят вакуумный отжиг и переплавку в вакууме.[5] биогеохимия железо соединение лабораторный

Из всего высшее сказанного следует, что методов получения железа и его соединений в лаборатории не так уж много, это следует из того, что лабораторный метод получения не настолько эффективен и выгоден, в отличии от промышленного.

2.2 Промышленные методы получения железа и его соединений

Железо составляет более 5% земной коры. Для извлечения железа используются в основном такие руды, как гематит Fe2O3 и магнетит Fe3O4. В этих рудах содержится от 20 до 70% железа. Важнейшими примесями железа в этих рудах являются песок (оксид кремния(IV) SiO2) и глинозем (оксид алюминия Al2O3).

Получение железа из железной руды производится в две стадии. Оно начинается с подготовки руды-измельчения и нагревания. Руду измельчают на куски диаметром не более 10 см. Затем измельченную руду прокаливают для удаления воды и летучих примесей.

На второй стадии железную руду восстанавливают до железа с помощью оксида углерода в доменной печи (рисунок 2.1), где: 1 — железная руда, известняк, кокс, 2 загрузочный конус (колошник), 3 — колошниковый газ, 4- кладка печи, 5 — зона восстановления оксида железа, 6 — зона образования шлака, 7 — зона горения кокса, 8 — вдувание нагретого воздуха через фурмы, 9 — расплавленное железо, 10 — расплавленный шлак.

Восстановление проводится при температурах порядка 700°С:

Fe2O3(тв.) +3CO(г.) = 2Fe(ж.) + 3CO2(г.)

Для повышения выхода железа этот процесс проводится в условиях избытка диоксида углерода СO2.

Моноксид углерода СО образуется в доменной печи из кокса и воздуха (2.12). Воздух сначала нагревают приблизительно до 600 °С и нагнетают в печь через особую трубу — фурму. Кокс сгорает в горячем сжатом воздухе, образуя диоксид углерода. Эта реакция экзотермична и вызывает повышение температуры выше 1700 °С:

C(г.) + O2(г.) > CO2(г.) , ?H0m = -406 кДж/моль

Диоксид углерода поднимается вверх в печи и реагирует с новыми порциями кокса, образуя моноксид углерода (2.13). Эта реакция эндотермична:

CO2(г.) +С(тв.) > 2CO(г.) , ?H0m = +173 кДж/моль

Железо, образующееся при восстановлении руды, загрязнено примесями песка и глинозема. Для их удаления в печь добавляют известняк. При температурах, существующих в печи (800 0C), известняк подвергается термическому разложению с образованием оксида кальция и диоксида углерода:

СaCO3(тв.) >CaO(тв.) + CO2(г.)

Оксид кальция соединяется с примесями, образуя шлак. Шлак содержит силикат кальция и алюминат кальция:

CaO(тв.) + SiO2(тв.) >CaSiO3(ж.)

CaO(тв.) +Al2O3(тв.) >CaAl2O4(ж.)

Железо плавится при 1540°С. Расплавленное железо вместе с расплавленным шлаком стекают в нижнюю часть печи. Расплавленный шлак плавает на поверхности расплавленного железа. Периодически из печи выпускают на соответствующем уровне каждый из этих слоев.

Доменная печь работает круглосуточно, в непрерывном режиме. Сырьем для доменного процесса служат железная руда, кокс и известняк. Их постоянно загружают в печь через верхнюю часть. Железо выпускают из печи четыре раза в сутки, через равные промежутки времени. Оно выливается из печи огненным потоком при температуре порядка 1500 °С. Доменные печи бывают разной величины и производительности (1000-3000 т в сутки). В США существуют некоторые печи новой конструкции с четырьмя выпускными отверстиями и непрерывным выпуском расплавленного железа. Такие печи имеют производительность до 10000 т в сутки.

Железо, выплавленное в доменной печи, разливают в песочные изложницы. Такое железо называется чугун. Содержание железа в чугуне составляет около 95%. Чугун представляет собой твердое, но хрупкое вещество с температурой плавления около 1200 °С.

Литое железо получают, сплавляя смесь чугуна, металлолома и стали с коксом. Расплавленное железо разливают в формы и охлаждают.

Сварочное железо представляет собой наиболее чистую форму технического железа. Его получают, нагревая неочищенное железо с гематитом и известняком в плавильной печи. Это повышает чистоту железа приблизительно до 99,5%. Его температура плавления повышается до 1400 °С.

Сварочное железо имеет большую прочность, ковкость и тягучесть. Однако для многих применений его заменяют низкоуглеродистой сталью. [6]

Производство стали: процесс переработки чугуна в сталь состоит в том, что из чугуна удаляется избыток углерода, серы, фосфора, кремния, марганца и других элементов. Удаление примесей осуществляется переведением их в оксиды, которые либо улетучиваются(CO и CO2), либо переходят в шлак. Переработка чугунов в сталь осуществляется тремя способами: бессемеровским, томасовским и мартеновским, которые выбирают в зависимости от состава чугуна и от сорта стали, которую нужно получить. Ниже подробно рассматриваются различные типы сталей, их свойства и применения.

Мартеновский способ отличается от последующих тем, что в нем используют твердые окислители в виде оксидов железа, содержащихся в руде, окалине и скрапе (металлоломе). Мартеновский процесс проводят в специальных печах, которые называются мартеновскими. Мартеновские печи (Рисунок 2.2), где: 1 — свод, 2 — завалочные окна, 3 — ванна расплава, 4 — головки, 5 — регенераторы, 6 — перекидные клапаны.

Мартеновские печи относятся к типу пламенных печей — они нагреваются пламенем, получаемым при сжигании горючих газов над поверхностью нагреваемой массы. В мартеновскую печь загружают чугун, руду и скрап в таком соотношении, чтобы кислорода оксидов железа было достаточно для окисления определенного количества примесей. Флюсы подбирают с таким расчетом, чтобы шлак был кислым или основным, в зависимости от характера выводимых примесей. Процесс плавки длится 5-6 часов. В течении этого времени периодически берут пробы расплавленной стали, определяют её состав и вносят необходимые компоненты в виде ферросплавов (сплавов железа с различными металлами и неметаллами, такими, как никель, марганец, титан, молибден, вольфрам, хром, кремний и другие). Большая длительность плавки позволяет изготовить сталь определенного состава. Применение воздуха, обогащенность кислородом, дает возможность достичь более высокой температуры и позволяет интенсифицировать процесс плавки и сократить её время до 4 часов. [7]

Кислородно-конвертерный процесс. В последние десятилетия производство стали революционизировалось в результате разработки кислородно-конвертерного процесса (известного также под названием процесса Линца—Донавица). Этот процесс начал применяться в 1953 г. на сталеплавильных заводах в двух австрийских металлургических центрах — Линце и Донавице.

В кислородно-конвертерном процессе используется кислородный конвертер с основной футеровкой (кладкой) (рисунок 2.3), где: 1-кислород и CaO, 2 — трубка с водяным охлаждением для кислородного дутья, 3 — шлак. 4-ось, 5-расплавленная сталь, 6 — стальной корпус.

Конвертер загружают в наклонном положении расплавленным чугуном из плавильной печи и металлоломом, затем возвращают в вертикальное положение. После этого в конвертер сверху вводят медную трубку с водяным охлаждением и через нее направляют на поверхность расплавленного железа струю кислорода с примесью порошкообразной извести СaO. Эта «кислородная продувка», которая длится 20 мин, приводит к интенсивному окислению примесей железа, причем содержимое конвертера сохраняет жидкое состояние благодаря выделению энергии при реакции окисления. Образующиеся оксиды соединяются с известью и превращаются в шлак. Затем медную трубку выдвигают и конвертер наклоняют, чтобы слить из него шлак. После повторной продувки расплавленную сталь выливают из конвертера (в наклонном положении) в ковш.

Кислородно-конвертерный процесс используется главным образом для получения углеродистых сталей. Он характеризуется большой производительностью. За 40-45 мин в одном конвертере может быть получено 300-350 т стали.

В настоящее время всю сталь в Великобритании и большую часть стали во всем мире получают с помощью этого процесса.

В зависимости от материала футеровки печи конверторный способ разделяют на два вида: бессемеровский и томасовский.

Бессемеровским способом перерабатывают чугуны, содержащие мало фосфора и серы и богатые кремнием (не менее 2%). При продувке кислорода сначала окисляется кремний с выделением значительного количества тепла. Вследствие этого начальная температура чугуна примерно с 1300°C быстро поднимается до 1500—1600°С. Выгорание 1% Si обусловливает повышение температуры на 200°C (2.17). Около 1500°C начинается интенсивное выгорание углерода. Вместе с ним интенсивно окисляется и железо, особенно к концу выгорания кремния и углерода:

Si(тв.) + O2(г.) = SiO2(тв.)

2C(тв.) + O2(г.) = 2CO(г.)

2Fe(тв.) + O2(г.) = 2FeO(тв.)

Образующийся монооксид железа, FeO, хорошо растворяется в расплавленном чугуне и частично переходит в сталь, а частично реагирует с SiO2 и в виде силиката железа FeSiO3 переходит в шлак:

FeO(тв.) + SiO2(тв.) = FeSiO3(тв.)

Фосфор полностью переходит из чугуна в сталь. Так P2O5 при избытке SiO2 не может реагировать с основными оксидами, поскольку SiO2 с последними реагирует более энергично. Поэтому фосфористые чугуны перерабатывать в сталь этим способом нельзя.

Все процессы в конверторе идут быстро — в течение 10—20 минут, так как кислород воздуха, продуваемый через чугун, реагирует с соответствующими веществами сразу по всему объёму металла. При продувке воздухом, обогащенным кислородом, процессы ускоряются. Монооксид углерода CO, образующийся при выгорании углерода, пробулькивает вверх, сгорает там, образуя над горловиной конвертора факел светлого пламени, который по мере выгорания углерода уменьшается, а затем совсем исчезает, что и служит признаком окончания процесса. Получаемая при этом сталь содержит значительные количества растворенного монооксида железа FeO, который сильно снижает качество стали. Поэтому перед разливкой сталь надо обязательно раскислить с помощью различных раскислителей — ферросилиция, фероманганца или алюминия:

2FeO(тв.) + Si(тв.) = 2Fe(тв.) + SiO2(тв.)

FeO(тв.) + Mn(тв.) = Fe(тв.) + MnO(тв.)

3FeO(тв.) + 2Al(тв.) = 3Fe(тв.) + Al2O3(тв.)

Монооксид марганца MnO как основной оксид реагирует с SiO2 и образует силикат марганца MnSiO3, который переходит в шлак. Оксид алюминия как нерастворимое при этих условиях вещество тоже всплывает наверх и переходит в шлак. Несмотря на простоту и высокую продуктивность, бессемеровский способ теперь не слишком распространен, поскольку он имеет ряд существенных недостатков. Так, чугун для бессемеровского способа должен быть с наименьшим содержанием фосфора и серы, что далеко не всегда возможно. При этом способе происходит очень большое выгорания металла, и выход стали составляет лишь 90% от массы чугуна, а также расходуется много раскислителей. Серьезным недостатком является невозможность регулирования химического состава стали.

Бессемеровская сталь содержит обычно менее 0,2% углерода и используется как техническое железо для производства проволоки, болтов, кровельного железа.

Томасовским способом перерабатывают чугун с большим содержанием фосфора (до 2 % и более). Основное отличие этого способа от бессемеровского заключается в том, что футеровку конвертера делают из оксидов магния и кальция. Кроме того, к чугуну добавляют ещё до 15 % CaO. Вследствие этого шлакообразующие вещества содержат значительный избыток оксидов с основными свойствами.

В этих условиях фосфатный ангидрид P2O5, который возникает при сгорании фосфора, взаимодействует с избытком CaO с образованием фосфата кальция и переходит в шлак:

4P(тв.) + 5O2(г.) = 2P2O5(тв.)

P2O5(тв.) + 3CaO(тв.) = Ca3(PO4)2(тв.)

Реакция горения фосфора является одним из главных источников тепла при этом способе. При сгорании 1 % фосфора температура конвертора поднимается на 150 °C. Сера выделяется в шлак в виде нерастворимого в расплавленной стали сульфида кальция CaS, который образуется в результате взаимодействия растворимого FeS с CaO по реакции:

FeS(ж.) + CaO(тв.) = FeO(ж.) + CaS(тв.)

Все последние процессы происходят так же, как и при бессемеровском способе. Недостатки Томасовского способа такие же, как и бессемеровского. Томасовская сталь также малоуглеродная и используется как техническое железо для производства проволоки, кровельного железа. [8]

Электросталеплавильный процесс. Электрические печи используют главным образом для превращения стального и чугунного металлолома в высококачественные легированные стали, например в нержавеющую сталь. Электропечь представляет собой круглый глубокий резервуар, выложенный огнеупорным кирпичем. Через открытую крышку печь загружают металлоломом, затем крышку закрывают и через имеющиеся в ней отверстия опускают в печь электроды, пока они не придут в соприкосновение с металлоломом. После этого включают ток. Между электродами возникает дуга, в которой развивается температура выше 3000 0С. При такой температуре металл плавится и образуется новая сталь. Каждая загрузка печи позволяет получить 25—50 т стали.[6]

Качество стальных изделий можно улучшить дополнительной обработкой. Для этого применяют термическую обработку, цементацию, азолирование, алитиование и различные антикоррозионные покрытия.[7]

Таким образом, промышленный метод получения железа является основным и он намного эффективнее лабораторного. Существует много промышленных методов получения железа, в их основу положено получение железа в следствии выплавки чугунка из железных руд, виплавки из чугунка стали . промыленные методы добывания железа постоянно модернизируются и на смену одной методике приходит новая.

1) Большая советская энциклопедия : в 30 т. / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1972. — Т. 9 : Евклид — Ибсен. — 624 с.

2) Коржев П. П./Справочник по химии/ Коржев П. П.-4-е изд.- М.:1958.-424с.

3) Карякин Ю. В./Чистые химические вещества/ Карякин Ю. В.-4-е изд., перераб. и доп. -М.:Изд-во Химия, 1974.-408с.

4) Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г./ Химия. Неорганическая химия. Органическая химия. 9 класс. — М.: Просвещение, 2011. — 191 с.:

5) Фримантл М./ Химия в действии. В 2-х ч. Ч. 2: Пер. с англ. — М.: Мир, 1998 — 620 с.

6) Пилипенко А. Т./Справочник по элементарной химии/ А. Т. Пилипенко, В. Я. Починок, И. П. Середа, Ф. Д. Шевченко ; Под общ.ред.Пилипенко А.Т. — Изд.3-е,стереотип. — К. : Наукова думка, 1980. — 544с.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Исторические сведения о серебре и его соединениях, физические и химические свойства, нахождение и добыча в природе, основные лабораторные и промышленные методы их получения. Качественные и количественные методы определения серебра и его соединений.

курсовая работа [2,5 M], добавлен 15.01.2014

Общая характеристика, краткие сведения об истории открытия элементов и их распространённости в природе. Физико-химические свойства железа, кобальта и никеля. Свойства соединений железа в степенях окисления. Цис-, транс-изомерия соединений платины.

реферат [36,7 K], добавлен 21.09.2019

Запасы железных руд России. История получения железа. Основные физические и химические свойства железа. Способы обнаружения в растворе соединений железа. Применение железа, его сплавов и соединений. Сплавы железа с углеродом. Роль железа в организме.

реферат [19,6 K], добавлен 02.11.2009

Физические свойства элементов VIIIB группы и их соединений, в частности, соединений железа. Анализ комплексных соединений железа (II) и железа (III) с различными лигандами с точки зрения теории кристаллического поля. Строение цианидных комплексов железа.

курсовая работа [1,3 M], добавлен 24.02.2011

Электронное строение железа, характерные степени окисления. Нахождение железа в природе, способы получения, применение. Парамагнитные сине-зеленые моноклинные кристаллы. Соединения железа, их физические и химические свойства, биологическое значение.

реферат [256,2 K], добавлен 08.06.2014

Источник