§ 45. Агульныя спосабы атрымання металаў
Піраметалургічныя метады
Піраметалургічныя метады атрымання металаў заснаваны на аднаўленні металаў з іх руд пры высокай тэмпературы рознымі рэчывамі з аднаўленчымі ўласцівасцямі. Найбольш распаўсюджаныя адноўнікі — вугаль, аксід вугляроду(II), вадарод, алюміній. У якасці прыкладаў прывядзём рэакцыі, якія выкарыстоўваюцца для атрымання металаў як у прамысловасці, так і ў лабараторыі: рэакцыі аднаўлення цынку вугалем і аксідам вугляроду(II), медзі і вальфраму — вадародам, жалеза і хрому — алюмініем:
Разгледзім больш падрабязна працэс атрымання жалеза ў саставе яго сплаваў — чыгуну і сталі.
Асноўная крыніца жалеза — гэта руды, якія змяшчаюць такія мінералы, як магнетыт (Fe3O4) і гематыт (Fe2О3). Карыснымі прымесямі, якія паляпшаюць якасць выплаўленага з руды жалеза, з’яўляюцца злучэнні Mn, Ni, Co, Сr, B, V. Іх называюць легіравальнымі дадаткамі. Злучэнні As, P, S, Pb, Zn — шкодныя прымесі, якія пагаршаюць уласцівасці жалеза.
У цяперашні час у вытворчасці сталі выкарыстоўваюць два асноўныя спосабы.
Паводле першага традыцыйнага спосабу атрыманне сталі праводзяць у дзве стадыі. На першай з іх атрымліваюць чыгун, які на другой стадыі перапрацоўваюць у сталь.
Для атрымання чыгуну жалеза аднаўляюць вугляродам і чадным газам, які ўтвараецца пры няпоўным згаранні вугалю. У доменную печ загружаюць сумесь жалезнай руды, спецыяльна апрацаванага вугалю, так званага коксу, і дадаюць для паніжэння тэмпературы плаўлення вапняк.
Такую сумесь, якая мае назву «шыхта», уводзяць у доменную печ зверху, адкуль яна перамяшчаецца ўніз у зону больш высокатэмпературнага награвання, дзе тэмпература падымаецца да 1600 °С і сумесь расплаўляецца.
Удзіманае знізу ў доменную печ паветра забяспечвае гарэнне вугляроду з вылучэннем вялікай колькасці цеплаты і ўтварэннем чаднага газу, які аднаўляе жалеза з яго аксідаў. Адноўленае жалеза ўжо пры тэмпературы каля 1000 °С навугляроджваецца і ўтвараецца сплаў — чыгун. У ім, акрамя жалеза, утрымліваюцца графіт і цэментыт — карбід жалеза Fe3C з сумарным утрыманнем вугляроду прыблізна ад 2 да 6 %.
Расплаў чыгуну перыядычна выдаляюць, ізалюючы яго ад шлаку. Хімічныя працэсы, якія праходзяць у розных зонах доменнай печы, адлюстраваны на малюнку.
Пры перапрацоўцы чыгуну ў сталь на другой стадыі працэсу залішні вуглярод, а нярэдка і іншыя прымесі, напрыклад крэмнію, фосфару, серы, акісляюць пры высокай тэмпературы кіслародам паветра. Для гэтага выкарыстоўваюць розныя ўстаноўкі — мартэнаўскія печы, канвертары, электрапечкі. Аксіды неметалаў, якія ўтвараюцца, усплываюць у выглядзе шлаку або выпараюцца. Разам з акісленнем прымесей адбываецца таксама частковае акісленне жалеза з утварэннем аксіду жалеза(II), які раствараецца ў расплавах чыгуну і сталі. Аксід жалеза(II) аднаўляюць, дадаючы ў расплаў крэмній, марганец або алюміній у якасці адноўнікаў. Шлак, што ўтвараецца з аксідаў, аддзяляюць ад расплаву жалеза.
Другі спосаб вытворчасці сталі аднастадыйны, яго называюць прамым. У ім стадыя атрымання чыгуну адсутнічае, меншы выкід вуглякіслага газу ў атмасферу. З’яўляючыся больш эканамічным, ён паступова выцясняе першы спосаб. Для атрымання сталі жалезную руду здрабняюць, а потым абпальваюць з адносна невялікай колькасцю коксу ў печах, якія верцяцца. Атрыманыя жалезарудныя акатышы, якія змяшчаюць аксіды жалеза, падвяргаюць уздзеянню газападобнага адноўніку ў спецыяльных рэактарах.
У якасці адноўніку выкарыстоўваюць сумесь метану, аксіду вугляроду(II) і вадароду. Вадарод і аксід вугляроду(II) утвараюцца з метану пры яго акісленні кіслародам у прысутнасці каталізатара ў спецыяльных апаратах па рэакцыі:
Утварэнне металічнага жалеза можна адлюстраваць ураўненнямі рэакцый:
Атрыманае пры аднаўленні губчатае жалеза (акатышы) падвяргаецца пераплаўленню ў электрадугавых печах. Пры гэтым, уводзячы неабходныя дабаўкі, жалеза легіруюць для атрымання таго ці іншага гатунку высакаякасных сталей — каразійнаўстойлівых, інструментальных, канструкцыйных, электратэхнічных, гарачатрывалых і інш.