Номер 3, страница 208 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Подумайте, ответьте, выполните.... Параграф 45. Производство стали. Глава VIII. Химия и жизнь - номер 3, страница 208.

Условие.

3. С какой целью в сталеплавильном процессе используют кислород?

Решение.

Решение 2.

В сталеплавильном процессе, при переработке чугуна в сталь, кислород используют в качестве окислителя. Его применение преследует несколько ключевых целей, направленных на улучшение качества конечного продукта и повышение эффективности производства.

Основными целями использования кислорода являются:

• Удаление избыточного углерода и других примесей.

  Чугун, поступающий из доменной печи, содержит высокое количество углерода (около 4%), а также примеси кремния (Si), марганца (Mn), фосфора (P) и серы (S). Чтобы получить сталь, содержание этих элементов необходимо снизить до определённых пределов. Кислород, продуваемый через расплав, вступает в реакцию с этими примесями, окисляя их.

  Основные химические реакции окисления:

  • Окисление углерода: $2C + O_2 \rightarrow 2CO \uparrow$. Выделяющийся монооксид углерода (угарный газ) вызывает кипение ванны, что способствует перемешиванию расплава и удалению газов. Часть углерода может окисляться до диоксида: $C + O_2 \rightarrow CO_2 \uparrow$.
  • Окисление кремния: $Si + O_2 \rightarrow SiO_2$.
  • Окисление марганца: $2Mn + O_2 \rightarrow 2MnO$.
  • Окисление фосфора: $4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$.
• Выделение тепла для поддержания и повышения температуры расплава.

  Все реакции окисления примесей являются экзотермическими, то есть протекают с выделением большого количества тепла. Это тепло нагревает металл, компенсируя теплопотери и позволяя проводить процесс без дополнительного подвода энергии извне (например, без сжигания топлива). Это является ключевым преимуществом кислородно-конвертерного процесса. Температура расплава не только поддерживается, но и повышается до необходимой для разливки стали.

• Формирование шлака.

  Оксиды, образующиеся в результате окисления примесей ($SiO_2$, $MnO$, $P_2O_5$), являются основой для формирования шлака. В конвертер добавляют флюсы, в основном известь ($CaO$). Известь вступает в реакцию с оксидами примесей, образуя легкоплавкие соединения, которые формируют шлаковую фазу.

  Примеры реакций шлакообразования:

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

  Шлак легче стали, он всплывает на поверхность расплава и выполняет несколько функций: собирает в себя вредные примеси (особенно фосфор и серу), защищает металл от контакта с атмосферой и предотвращает его излишнее окисление.

• Интенсификация процесса плавки.

  Использование чистого кислорода вместо воздуха (который на ~78% состоит из инертного азота) значительно ускоряет процесс окисления примесей. Азот не участвует в горении, но поглощает много тепла, охлаждая ванну. Кроме того, азот может растворяться в стали, ухудшая её механические свойства (вызывая хрупкость). Применение чистого кислорода решает эти проблемы, сокращая время плавки с нескольких часов (в мартеновских печах) до 40-50 минут (в кислородных конвертерах).

Ответ: Кислород в сталеплавильном процессе используют для окисления и удаления избыточного углерода и вредных примесей (кремния, марганца, фосфора) из чугуна. Этот процесс является экзотермическим, что позволяет поддерживать высокую температуру расплава без внешнего нагрева. Образующиеся оксиды формируют шлак, который собирает примеси. Использование чистого кислорода значительно интенсифицирует и ускоряет процесс производства стали.