Номер 4, страница 109 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 14. Металлы в природе. Общие способы получения металлов. Металлургия. Глава 3. Неорганическая химия - номер 4, страница 109.

Условие.

4. Какие процессы лежат в основе переработки чугуна в сталь?

Решение.

Решение 2.

В основе переработки чугуна в сталь лежат окислительные процессы, направленные на снижение содержания углерода и других примесей (кремния, марганца, фосфора, серы) до требуемых концентраций. Чугун отличается от стали высоким содержанием углерода (более 2,14%), что делает его хрупким. Цель переработки — получить сплав с заданным химическим составом и улучшенными механическими свойствами (прочностью и пластичностью).

Решение

Процесс переработки включает в себя несколько ключевых стадий, которые протекают при высоких температурах в специальных агрегатах (например, в кислородном конвертере, мартеновской или электродуговой печи).

1. Окисление примесей

Это основной этап, на котором через расплавленный чугун продувают окислитель — технически чистый кислород или обогащенный кислородом воздух. Примеси, содержащиеся в чугуне, имеют большее химическое сродство к кислороду, чем железо, и поэтому окисляются в первую очередь. Эти реакции являются экзотермическими, то есть протекают с выделением большого количества тепла, что позволяет поддерживать металл в расплавленном состоянии без дополнительного нагрева.

• Окисление углерода. Это ключевая реакция, снижающая основную примесь. Образующийся угарный газ вызывает кипение металла, что способствует перемешиванию расплава и ускорению других реакций.
  $C + [O] \rightarrow CO\uparrow$
• Окисление кремния:
  $Si + 2[O] \rightarrow SiO_2$
• Окисление марганца:
  $Mn + [O] \rightarrow MnO$
• Окисление фосфора (вредной примеси, придающей хрупкость):
  $2P + 5[O] \rightarrow P_2O_5$
• Окисление железа также происходит, но в меньшей степени. Образующийся оксид железа (II) $FeO$ также участвует в окислении примесей:
  $Si + 2FeO \rightarrow SiO_2 + 2Fe$

2. Образование шлака (шлакообразование)

Оксиды примесей ($SiO_2$, $MnO$, $P_2O_5$) необходимо удалить из расплава. Для этого в печь добавляют флюсы — чаще всего известь ($CaO$) или известняк ($CaCO_3$, который при нагреве разлагается до $CaO$). Флюсы вступают в реакцию с оксидами примесей, образуя легкоплавкий шлак.

• $CaO + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3$ (силикат кальция)
• $3CaO + P_2O_5 \rightarrow Ca_3(PO_4)_2$ (фосфат кальция)

Шлак имеет меньшую плотность, чем расплавленный металл, поэтому он всплывает на поверхность. Это позволяет легко отделить его, удалив таким образом вредные примеси из будущей стали.

3. Раскисление стали

После окисления примесей в жидкой стали остается растворенный кислород, который при застывании металла может образовывать газовые пузыри, снижая его прочность. Чтобы удалить этот кислород, проводят процесс раскисления — в расплав вводят специальные добавки (раскислители), которые имеют более высокое сродство к кислороду, чем железо. В качестве раскислителей используют кремний, марганец, алюминий.

• $Si + 2[O] \rightarrow SiO_2$
• $2Al + 3[O] \rightarrow Al_2O_3$

Образовавшиеся твердые оксиды также переходят в шлак.

4. Легирование

На заключительном этапе в расплав могут добавлять легирующие элементы (хром, никель, молибден, ванадий и др.) для придания стали специальных свойств: коррозионной стойкости, жаропрочности, повышенной твердости и т.д.

Ответ: В основе переработки чугуна в сталь лежат физико-химические процессы селективного (избирательного) окисления избыточного углерода и других примесей (кремния, марганца, фосфора) кислородом, который продувается через расплавленный металл. Образующиеся оксиды примесей переводятся в шлак с помощью флюсов (например, извести) и удаляются из расплава. Завершается процесс раскислением стали для удаления растворенного кислорода и, при необходимости, легированием для придания металлу требуемых свойств.