Номер 4, страница 343 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 72. Производство чугуна. Глава 7. Химическая технология - номер 4, страница 343.

Условие.

4. Что служит сырьём для доменного процесса? Охарактеризуйте роль каждого компонента.

Решение.

Решение 2.

Сырьём для доменного процесса, основной целью которого является выплавка чугуна из железорудных материалов, служат три основных компонента, загружаемых в печь сверху (шихта), и один компонент, вдуваемый снизу (дутьё).

Железорудные материалы (агломерат или окатыши)

Это основной компонент, являющийся источником железа. Исходной является железная руда (например, гематит $Fe_2O_3$ или магнетит $Fe_3O_4$), которая для улучшения газопроницаемости шихты и ускорения процесса восстановления предварительно подготавливается в виде агломерата (куски спечённой мелкой руды с флюсом и коксом) или окатышей (обожжённые шарики из рудного концентрата). Основная роль — поставка оксидов железа, которые в ходе процесса будут восстановлены до металлического железа.

Кокс

Кокс выполняет несколько ключевых функций в доменной печи:

- Топливо: при сгорании кокса в потоке горячего воздуха (дутья) выделяется большое количество тепла, необходимое для нагрева шихты и протекания всех химических реакций. Реакция горения: $C + O_2 \rightarrow CO_2 + Q$.

- Восстановитель: кокс является источником основного восстановителя — оксида углерода(II) ($CO$). Горячий диоксид углерода, поднимаясь вверх, реагирует с раскаленным коксом, образуя монооксид углерода: $CO_2 + C \rightarrow 2CO$. Именно $CO$ является главным газообразным восстановителем, отнимающим кислород у оксидов железа: $Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2$. Также происходит прямое восстановление железа углеродом кокса при высоких температурах: $Fe_2O_3 + 3C \rightarrow 2Fe + 3CO$.

- Каркас шихты: куски кокса создают прочный и пористый «скелет» столба шихтовых материалов, обеспечивая его газопроницаемость, то есть возможность горячим газам проходить снизу вверх, а жидким продуктам плавки (чугуну и шлаку) стекать вниз.

- Науглероживатель: углерод кокса растворяется в жидком железе, образуя чугун — сплав железа с углеродом (содержание $C$ > 2,14%).

Флюсы (обычно известняк)

Флюсы — это добавки, которые вводятся в шихту для связывания пустой породы руды (например, $SiO_2$, $Al_2O_3$) и золы кокса в легкоплавкий шлак. В качестве флюса чаще всего используют известняк ($CaCO_3$). При высоких температурах известняк разлагается: $CaCO_3 \xrightarrow{t} CaO + CO_2$. Образовавшийся оксид кальция ($CaO$) является основным оксидом и реагирует с кислотными оксидами пустой породы (например, с диоксидом кремния), образуя силикаты, которые и составляют основу шлака: $CaO + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3$. Шлак имеет меньшую плотность, чем чугун, поэтому он скапливается над расплавом металла и легко удаляется из печи. Таким образом, роль флюса — очистка металла от нежелательных примесей.

Горячее дутьё

Это не шихтовый материал, но важнейший компонент процесса. В нижнюю часть печи через специальные фурмы вдувается нагретый до 1000–1200 °C воздух, часто обогащённый кислородом и природным газом. Его роль — обеспечить кислород для горения кокса, что является источником тепла и восстановительного газа ($CO$) для всего процесса.

Ответ: Сырьём для доменного процесса служат железорудные материалы (агломерат, окатыши), кокс и флюсы (известняк). Роль компонентов:
- Железорудные материалы — источник железа.
- Кокс — топливо для создания высокой температуры, источник восстановителя (оксида углерода $CO$), структурная основа шихты и науглероживатель.
- Флюсы — для связывания примесей руды и золы кокса в шлак, который отделяется от металла.
Также в процессе используется горячее дутьё (воздух) для сжигания кокса.