Wstęp

W wielkich piecach ma miejsce proces wytwarzania żelaza. Produktem procesów wielkopiecowych jest surówka (2,5-4% węgla). Jest stosowana do odlewania innych wyrobów. 90% surówki przerabia się na stal (żelazo, którego w skład wchodzi 1,5% węgla lub innych składników). Następnym etapem jest odwęglanie surówki, które ma miejsce w stalowych piecach charakteryzujące się określona konstrukcją. Aktualnie człowiek opracował receptury wytwarzania około 2 tysięcy rodzajów stali, nie została jeszcze odkryta i sprawdzona ekonomiczna metoda, w której otrzymywalibyśmy bezpośrednio stal z rud.

Procesy wielkopiecowe

Przez górny otwór pieca wprowadzane są w odpowiednich odstępach czasowych surowce i są zamykane przy pomocy klina. Niżej umiejscowiony jest otwór odprowadzania gazów. Na spodzie pieca znajduje się zbiornik wypełniony surówką, która wypuszczana jest w określonych odstępach czasowych przez otwory spustowe. Wyżej nad zbiornikiem, w ścianach, występują dysze, dzięki którym jest wdmuchiwane gorące powietrze. Wsad, czyli ładunek surowców, złożony jest z rudy, koksu oraz topnika (boksyty oraz wapniaki), którego zadaniem jest wiązanie zanieczyszczeń występujących w rudach. Strumień gorącego powietrza (8000C) spala, wprowadzany do środka pieca, koks. Po tej reakcji powstaje CO2, które natychmiast przechodzi w tlenek węgla. Wsad pod wpływem swojego ciężaru powoli jest przesuwany w dół i zwiększa swoja temperaturę. Górna część pieca temperatura ma wartość 200-5000C. Tam wydzielana jest woda krystalizacyjna, a węglany zawarte w topnikach ulegają rozkładowi (500-8000C). Ma miejsce proces odtleniania tlenków, które zawierają żelazo, występujące na wysokim stopniu utlenienia. Powstają tlenki żelaza z niższym stopniem utlenienia. Na samym dole pieca temperatura ma wartość 800-12000C. Tam ma miejsce reakcja odtleniania tlenku żelaza II tlenkiem węgla. W niższych częściach pieca temperatura ma wartość 1200-15000C. Tam ma miejsce reakcja redukcji. Reduktorem tej reakcji jest węgiel. Gazy, które uchodzą posiadają w swojej budowie pewne ilości innych składników (CH4, H2, CO) Pełnia istotne funkcje w procesie ogrzewania powietrza, które jest wtłaczane do pieca, dlatego też gaz wielkopiecowy skierowany zostaje do generatora Cowpera, tam ulega spaleniu, w wyniku zmieszania z powietrzem. Gdy ceramiczne wypełnienie występujące w generatorze zostaje nagrzane do temperatury 12000C, to następuje odłączenie dopływu gazu, a powietrze z procesu wielkopiecowego zostaje przetłaczane przez generator. Generator jest w stanie dostarczać rozgrzane powietrze w przeciągu 30 minut. Na każdy piec przypadają 4 nagrzewnice. Nagrzewnice, to ogromne wieże, swoją wysokością przewyższające wielki piec. W skład wielkopiecowej, żelazowej surówki, oprócz węgła i żelaza, wchodzą: fosfor, krzem, mangan, siarka. Ilość tych dodatków jest uzależniona od topników oraz rudy.

Surówka szara zawiera małe ilości mangany oraz duże ilości krzemu. Wykazuje dużą ruchliwość oraz jest łatwo topliwa. Surówka ta zawiera węgiel w formie grafitu. Przed zastosowaniem do odlewów surówka jest kolejny raz przetapiana w żeliwniakach (piece szybowe). W tym procesie obecny jest wapien oraz koks. Otrzymany produkt nazywany żeliwem jest wykorzystywany do procesów odlewania, części maszyn oraz rur kanalizacyjnych.

Surówka biała charakteryzuje się dużą ilością manganu oraz niewielką ilością krzemu. Węgiel w tej surówce występuje w formie Fe3C. Wykazuje dużą kruchliwość i trudno się topi. Surówka biała nie może być wykorzystywana do odlewów. Z tej surówki w odpowiednich procesach przerabiania powstaje stal.

Stal jest otrzymywana w wyniku obniżenia ilości węgla, przy równomiernym usunięciu całkowicie siarki oraz fosforu. Ilość pozostałych składników, tj. manganu oraz krzemu jest ustalana w zależności od zastosowania. Proces ten nazywany jest świeżeniem. Mangan, krzem, fosfor oraz węgiel ulegają procesowi utleniania. Utlenia się także pewna część żelaza. Z tych składników oprócz węgla uzyskujemy żużel (przede wszystkim MnO oraz FeO). Tlen niezbędny w tym procesie jest pobierany z powietrza. Utlenia on żelazo do FeO. Tlenek żelaza II jest wykorzystywany jako przenośnik tlenu i powoduje utlenienie fosforu, manganu oraz krzemu. Znane są dwa sposoby świeżenia surówki. Różnią się one pod względem technologicznym (odmienna konstrukcja pieców) oraz pod względem chemicznym.

  1. Metoda Thomasa oraz Bessemera

Metoda ta powoduje odwęglanie surówki nagrzanym powietrzem, które zostaje wtłoczone przez surówkę płynną umiejscowiona w piecu. Piec wyłożony jest zaprawą kwaśną, tzw. konwertor Bessemera, ewentualnie zasadową tzw. konwertor Thomasa.

W pierwszym rodzaju konwertora jesteśmy w stanie usunąć siarkę oraz fosfor. Konwertor Thomasa posiada wymienna powierzchnie zbudowaną z tlenków magnezu oraz wapnia. Powstającym produktem ubocznym jest żużel. Po zmieleniu jest używany jako fosforowy nawóz sztuczny tzw. tomasyna.

Główne zalety metody konwertorowej to:

- nieskomplikowana konstrukcja pieców;

- znaczna szybkość procesu.

Główne wady metody konwertorowej to:

- problemy w kontrolowaniu składu stali;

- 10% straty żelaza.

  1. Metoda Martina oraz Siemensa

Metoda ta powoduje odwęglanie surówki w wyniku stapiania w wysokoprocentowej rudzie żelaza tlenkiem wapnia oraz żelaznym złomem. Metoda ta prowadzona jest w piecach płomiennych tzw. marteny. Powietrze przez surówkę płynną jest przepuszczane wraz gazem dolnym. W środku pieca występują substancje zarówno o charakterze zasadowym, jak i kwaśnym. Wszystko jest uzależnione od chemicznego składu surówki. Proces Martina oraz Siemensa zachodzi wolniej w porównaniu z procesem Thomasa i Bessemera. W przeciwieństwie zaś do konkurencyjnej metody otrzymujemy czystszą stal oraz 8% procentowe straty żelaza.

Rodzaje stali

Poszczególne rodzaje stali mogą różnić się: wytrzymałością, składem chemicznym, strukturą krystaliczna, odpornością.

Aby uzyskać stal o bardzo dobrych własnościach mechanicznych tzn. dobra wytrzymałość, twardość oraz sprężystość są prowadzone "bonusowe' procesy hartowania. Procesy te polegają na podgrzania stali do temperatury 7000C i natychmiastowym oziębieniu poprzez zanurzenie w oleju.

Właściwości chemiczne

Na suchym powietrzu pierwiastek ten nie ulega żadnym reakcjom. Pokryty jest cienka powierzchnia, która chroni żelazo przed szkodliwym oddziaływaniem tlenu atmosferycznego. Niewidoczna warstwa może ulec samorzutnej regeneracji w przypadku uszkodzenia, w wyniku procesu, w którym odsłonięta powierzchnia reaguje z tlenem z atmosfery. Żelazo może ulec korozji, podczas kontaktu z elektrolitami i wilgotnym powietrzem. Występuje proces przemiany mieszaniny tlenków oraz węglanów, ale także soli, z której powstaje rdza. W wyniku procesu redukcji tlenków, ewentualnie w wyniku rozkładu karbonylków żelaza otrzymujemy zdrobnione żelazo, które może samorzutnie się zapalić w powietrzu. W wysokiej temperaturze w wyniku reakcji utleniania z żelaza powstaje Fe3O4 (magnetyt). Otrzymujemy zendrę na powierzchni produktów kutych na gorąco oraz walcowanych. Możemy ją także otrzymać w procesie spalania żelaza w tlenie. W wysokich temperaturach pierwiastek ten wchodzi w reakcje z parą wodną.

Schemat reakcji wygląda następująco:

3Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H2

W temperaturze 470K reakcja może być zapoczątkowana, a następnie przebiega w znacznie wyższej temperaturze (ciemnego żaru).

W reakcji z kwasami mineralnymi żelazo ulega roztworzeniu. W tej reakcji wydziela się wodór. Sole żelaza II powstają w reakcji z kwasem solnym lub siarkowym. Stężony kwas azotowy w wysokiej temperaturze tworzy sole żelaza III. Reakcja ta przebiega bardzo szybko. Po pewnym czasie metal jest już odporny na działanie kwasu.

Ulega pasywacji. Na powierzchni żelaza tworzy się warstwa, która jest odporna na działanie kwasów. Żelazo po procesie pasywacji nie ulega roztworzeniu w żadnym kwasie nie wykazującym właściwości reduktora i nie wydziela miedzi z CuSO4. Żelazo spasywowane może wejść w reakcję tylko z kwasami silnie redukującymi (kwas solny).

Na II oraz III stopniu utlenienia żelazo najczęściej występuje. Na V, IV oraz VI tworzy żelaziany. Tlenek żelaza III jest mniej zasadowy niż tlenek żelaza II, i dlatego sole żelaza III mogą ulec hydrolizie. Żelazo trójwartościowe nie tworzy soli z niezbyt silnymi kwasami (kwas węglowy).

W związkach kompleksowych żelaza może występować na -II oraz o stopniu utlenienia [Fe(CO)4]2. podobna sytuacja występuje w karbonylkach żelaza Fe(CO)5.