Otrzymywanie żelaza (Fe)na kadłuby

    Żelazo jest metalem ciężkim . Posiada właściwości typowe dla metali: ciągliwość i kowalność. Jest bardzo twarde a jego twardość wzrasta wraz z dodatkiem niewielkich ilości węgla. Topi się w wysokiej temperaturze 2750◦C. Jest barwy srebrnobiałej lub srebrnoszarej Żelazo nie ulega reakcjom chemicznym w warunkach pokojowych, gdyż pokryte jest cienką warstwą tlenku. Pod wpływem roztworów kwasów, zasad i innych elektrolitów ulega korozji, w efekcie czego na jego powierzchni powstaje rdza.

Czyste żelazo nie występuje w przyrodzie, a jedynie w postaci rud żelaza.

Do najważniejszych rud należą:

·         Magnetyt (Fe₃O₄ ) zwany również żelaziakiem czarnym lub magnetycznym. Zawiera 50 -65% Fe.

·         Hematyt (Fe₂O₃ ) zwany żelaziakiem czerwonym. Zawiera od 30-65 % Fe.

·         Limonit (Fe₂O₃ *nH₂O ) zwany żelaziakiem brunatnym. W zależności od zawartości H2O zawiera do 40% Fe

·         Syderyt (FeCO₃ ) należy do bardzo ubogich w żelaz rud . Zawiera go do 25%.

·         Piryt (FeS₂ ).

   Otrzymywanie żelaza z jego rud polega na redukcji tlenków żelaza za pomocą węgla i tlenku węgla.

Proces redukcji odbywa się w tzw. Wielkich piecach (ryc.1).Są to piece szybowe o wysokości kilkudziesięciu metrów i pojemności 2000m3.Zasada działania pieca(ryc2) oparta jest o zjawisko przeciwprądów. Od góry do pieca wprowadza się warstwami surowce, którymi są:

o            -Koks

o             -Ruda

o           -Topniki

ryc.1 

Ładunek ten nazywa się wsadem. Ruda musi  być w postaci zbrylonej (nie może być sproszkowana).Koks musi odznaczać się małą zawartością popiołu. Jest on źródłem ciepła potrzebnego w wielkim piecu do uzyskania właściwej temperatury , jak i czynnikiem redukującym. Zadaniem topników jest związanie skał znajdujących się w rudach. Stosowanymi topnikami są: kamień wapienny i dolomit.

Wprowadzony do pieca koks spala się w strumieniu gorącego powietrza, które wdmuchiwane jest przez dysze. Wytwarza się dwutlenek węgla , który przechodzi przez rozżarzone warstwy koksu i  redukuje się do tlenku węgla.

     C +O₂ →CO₂

CO₂+C→2CO

Gorące gazy spalinowe unoszą się do góry ogrzewając wsad ,który zsuwa się powoli ku dołowi .W górnej części pieca następuje odwodnienie wsadu i zaczyna się proces redukcji tlenków żelaza w temp. Od 500°C-800°C

3Fe₂O₃   + CO→2Fe₃O₄ +CO₂

Fe₃O₄ + CO →3FeO +CO₂

W kolejnych strefach zachodzą następujące reakcje:

FeO + C → Fe +CO (temp.800°C -1200°C )

FeO + CO →Fe +CO₂  (temp.1200°C-1500°C)

Na tym etapie powstaje tworzenie żelaza gąbczastego.

3Fe + 2CO→Fe₃ C +CO₂ (temp.1500°C-2000°C)

Nastąpiło topnienie gąbki żelaznej i tworzenie węglików.

W temperaturze 2000°C następuje wytworzenie ciekłej surówki żelaznej i żużla.

Surówka ta jest mieszaniną żelaza i węgla.

Wyróżniamy kilka rodzajów surówek:

o   Surówka szara-wysokokrzemowa. Jest szara, krucha i łatwo się topi. Zawiera węgiel w postaci grafitu. Wykorzystuje się ją do otrzymywania produktów żeliwnych.

o   Surówka biała-wysokomanganowa. Jest biała ,krucha i trudno się topi. Służy do otrzymywania stali.

Aby otrzymać stal należy pozbyć się z surówki siarki (S), fosforu(P),krzemu(Si) i częściowo węgla(C). Uzyskuje się to w procesie świeżenia surówki, który polega na jej utlenieniu tlenem z powietrza. Są dwie metody świeżenia surówki:

o   Metoda Thomasa i Bessemera. Odbywa się ona w konwertorach.(ryc.4)

 ryc.4

o   Metoda Martina oraz Siemensa. Odbywa się w piecach płomiennych tzw. Martenach.(ryc.5 i 6)

ryc.5

ryc.6