Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.4.00/21.2939 Název projektu: Investice do vzdělání - příslib do budoucnosti Číslo přílohy: VY_52_INOVACE_CH9.3 Autor Datum vytvoření vzdělávacího materiálu Datum ověření Ročník Vzdělávací oblast/vzdělávací obor Tematický okruh/téma Metodický list/anotace Mgr. David Kollert 20. 6. 2011 23. 9. 2011 Devátý ČLOVĚK A PŘÍRODA/CHEMIE OXIDAČNĚ REDUKČNÍ REAKCE/VÝROBA SUROVÉHO ŽELEZA A OCELI Učební materiál seznamuje žáky s problematikou výroby surového železa a oceli. Seznamuje žáky s vysokou pecí a principem přeměny železné rudy na litinu či ocel.
ČISTÉ ŢELEZO MÁ JENOM MALÝ VÝZNAM, MNOHEM VĚTŠÍ VÝZNAM MÁ VÝROBA ROZMANITÝCH OCELÍ, COŢ JSOU VLASTNĚ SLITINY ŢELEZA A JINÝCH KOVŮ. Světová roční produkce železa zhruba představuje 750 milionů tun. PRINCIP VÝROBY ŢELEZA: Surové železo se vyrábí ve vysoké peci (až 14m) redukcí svých oxidů koksem nebo oxidem uhelnatým. Upravené rudy se střídavě naváží se struskotvornými látkami (vápenec, oxidy křemíku) a koksem do vysoké pece. Ve vysoké peci probíhá několik dějů. V dolní části pece se spaluje koks na oxid uhličitý CO 2 díky vhánění předehřátého vzduchu (popř. vzduchu obsahujícího topný olej). C + O 2 CO 2 Touto exotermickou reakcí se pec v tavicí zóně vyhřívá na teplotu okolo 2 000 C, což způsobí roztavení surového železa a tvorbu strusky. Struska je vrstva lehkých oxidů a silikátů, která chrání taveninu před zpětnou oxidací vzdušným kyslíkem. SiO 2 + CaO CaSiO 3 Na dně se hromadí roztavené železo, odkud se vypouští odděleně od strusky. Ve vyšších vrstvách pece probíhá nepřímá redukce oxidů železa oxidem uhelnatým, tak se získají asi dvě třetiny vyrobeného železa. Nejdříve dochází k redukci oxidu železitého (přechodně vzniká oxid železnato-železitý Fe 3 O 4 ) a k rozkladu vápence na oxid vápenatý CaO a oxid uhličitý (reakce potřebující méně energie): 3 Fe 2 O 3 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO 2
Fe 3 O 4 + CO 3 FeO + CO 2 CaCO 3 CaO + CO 2 V teplejší části se redukuje vzniklý oxid železnatý a dochází k nedokonalému spalování koksu za vzniku dalšího oxidu uhelnatého. FeO + CO Fe (s) + CO 2 C + CO 2 2 CO Ve spodních částech probíhá přímá redukce oxidů železa uhlíkem. Fe 2 O 3 + 3 C 2 Fe (s) + 3 CO Celý proces probíhá prakticky nepřetržitě - na horní část vysoké pece se stále zaváží železná ruda, železný šrot, koks a struskotvorné přísady a naspodu se v určitých intervalech odpouští roztavené kovové železo - odpich vysoké pece. Surové železo, litina, obsahuje řadu nežádoucích příměsí jako je uhlík C (3-5%), křemík Si a fosfor P. V menší míře přijímá i síru S, která je ale více zadržena v podobě sulfidu manganatého MnS ve strusce. Surové železo se dobře odlévá, nejčastěji do forem požadované velikosti nebo do ingotů (housek). Výsledný produkt, litina, je poměrně pevný a tvrdý, ale velmi křehký, a možnost jeho dalšího mechanického opracování po odlití je minimální. Z litiny se vyrábějí předměty, u kterých není vyžadována přesná rozměrová tolerance nebo vysoká odolnost proti nárazu. Příkladem mohou být pláty kamen, radiátory ústředního topení, kanálové poklopy nebo podstavce těžkých strojů. Struska se využívá ve stavebnictví k výrobě tvárnic, izolací stěn a některých druhů cementu. PRINCIP VÝROBY OCELI (ZKUJŇOVÁNÍ) Obsah uhlíku v surovém železe je příliš vysoký a proto je nutné jej oxidačním procesem v ocelářských zařízeních snížit. Toho se dociluje oxidací uhlíku buďto kyslíkem ze vzduchu (Thomasův konvertor), profoukáváním kyslíkem (LD konvertor) nebo přisazováním železné rudy a ocelového odpadu do taveniny v nístějových pecích (Siemens-Martinův proces, elektrická oblouková pec). Získaná nelegovaná neboli měkká ocel je poměrně měkká a snadno se mechanicky zpracovává (tažení, kování, ohýbání atd.). Mechanické vlastnosti se dají dále upravovat: kalením (zahřátím do červeného žáru a prudkým zchlazením vodou, minerálním olejem) popouštěním (zahřátím na 200-300 C a pomalým chlazením). Slouží k výrobě drátů, plechů, hřebíků a podobných produktů.
legováním, tedy přídavky definovaných množství jiných kovů za vzniku slitiny. Hlavními prvky pro legování ocelí jsou nikl, chrom, vanad, mangan, wolfram, kobalt a ve speciálních aplikacích ještě mnoho dalších. Existuje více než 2 000 různých druhů ocelí s přesně definovaným složením a mechanickými vlastnostmi, jako je pevnost, tvrdost, chemická odolnost a řada dalších. Ocelové polotovary jsou dále zpracovány ve válcovnách na drát, plech, nosníky, kolejnice, profily, které jsou široce používány v průmyslu, stavebnictví atd. Část těchto polotovarů slouží jako výchozí materiál pro výrobu výkovků v kovárnách.
Schéma vysoké pece Obrázek 1 Přímá redukce: Fe 3 O 4 + 4 C 3 Fe + 4 CO Fe 2 O 3 + 3 C 2 Fe + 3 CO FeO + C Fe + CO Nepřímá redukce: 3 Fe 2 O 3 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO 3 FeO + CO 2 FeO + CO Fe + CO 2
ţelezné rudy magnetovec (magnetit) Fe 3 O 4 krevel (hematit) Fe 2 O 3 hnědel (limonit) Fe 2 O 3. n H 2 O ocelek (siderit) FeCO 3 pyrit FeS 2 Obrázek 2 Obrázek 3 Obrázek 4 Obrázek 5
Obrázek 6 DŮLEŢITÉ POJMY: Ţelezná ruda je hornina minerál, který obsahuje železo v takové chemické formě, která umožňuje jeho hospodárné získání hutnickými metodami. Struska je vedlejším produktem mnoha termických a spalovacích procesů. Nejznámější jsou strusky metalurgické, vznikající při tavení a rafinaci kovů (škváry z vysokých pecí), dále strusky jako produkt spalovacích procesů při spalování pevných paliv (stavebnické škváry), spalovaní odpadů a strusky vulkanické. Strusky sestávají převážně z oxidů s příměsemi sloučenin síry, fosforu a kovových částic. Litina je slitina železa s uhlíkem. Uhlíku musí být více než 2,14 % (slitina, která má menší obsah uhlíku, se nazývá ocel) podle binárního diagramu železo-uhlík. Má vysokou odolnost vůči tlaku a teplotě a zároveň nízkou pružnost. Litiny, u kterých je uhlík vyloučen ve formě grafitu, jsou tzv. litiny samomazné. Výrazem litina se označují také výrobky z litého železa, často umělecky zpracované. Např. reliéfní desky kamen a krbů, náhrobky, kříže, dekorativní předměty i šperky. Ocel je slitina železa, uhlíku a dalších legujících prvků, která obsahuje méně než 2,11 % uhlíku. V praxi jsou jako ocele označovány slitiny, které obsahují převážně železo, a které je možno přetvářet v další sloučeniny
PRACOVNÍ LIST Popiš vysokou pec a naznač reakce, ke kterým zde dochází Obrázek 7
VYSOKÁ PEC S POPISEM: Obrázek 8 Přímá redukce: Fe 3 O 4 + 4 C 3 Fe + 4 CO Fe 2 O 3 + 3 C 2 Fe + 3 CO FeO + C Fe + CO Nepřímá redukce: 3 Fe 2 O 3 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO 3 FeO + CO 2 FeO + CO Fe + CO 2
Použité obrázky: Wikipedie: Otevřená encyklopedie: Vysoká pec [online]. c2012 [citováno 6. 06. 2012]. Dostupný z WWW: http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=vysok%c3%a1_pec&oldid=8430100 Wikipedie: Otevřená encyklopedie: Hematit [online]. c2012 [citováno 6. 06. 2012]. Dostupný z WWW: <http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=hematit&oldid=8222554> Wikipedie: Otevřená encyklopedie: Železo [online]. c2012 [citováno 6. 06. 2012]. Dostupný z WWW: <http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=%c5%bdelezo&oldid=8557878> Wikipedie: Otevřená encyklopedie: Limonit [online]. c2011 [citováno 6. 06. 2012]. Dostupný z WWW: <http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=limonit&oldid=7486605> Wikipedie: Otevřená encyklopedie: Siderit [online]. c2012 [citováno 6. 06. 2012]. Dostupný z WWW: <http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=siderit&oldid=7863031>