Как получить карбид железа уравнение

Железо. Свойства железа и его соединений

Железо Fe: химические свойства, способы получения железа, взаимодействие с простыми веществами (кислород, сера) и со сложными веществами (кислоты, вода, сильные окислители). Оксид железа (II) FeO, оксид железа (III) Fe₂O₃, железная окалина (Fe₃O₄) — способы получения и химические свойства. Гидроксид железа (II) Fe(OH)₂, гидроксид железа (III) Fe(OH)₃ — способы получения и химические свойства.

Железо

Положение в периодической системе химических элементов

Элемент железо расположен в побочной подгруппе VIII группы (или в 8 группе в современной форме ПСХЭ) и в четвертом периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение атома железа

Электронная конфигурация железа в основном состоянии :

+26Fe 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 6

Железо проявляет ярко выраженные магнитные свойства.

Физические свойства

Железо – металл серебристо-белого цвета, с высокой химической активностью и высокой ковкостью. Обладает высокой тепло- и электропроводностью.

(изображение с портала vchemraznica.ru)

Температура плавления 1538 о С, температура кипения 2861 о С.

Нахождение в природе

Железо довольно распространено в земной коре (порядка 4% массы земной коры). По распространенности на Земле железо занимает 4-ое место среди всех элементов и 2-ое место среди металлов. Содержание в земной коре — около 8%.

В природе железо в основном встречается в виде соединений:

(изображение с портала karatto.ru)

Магнитный железняк Fe₃O₄ или FeO·Fe₂O₃ (магнетит).

(изображение с портала emchi-med.ru)

В природе также широко распространены сульфиды железа, например, пирит FeS₂.

(изображение с портала livemaster.ru)

Встречаются и другие минералы, содержащие железо.

Способы получения

Железо в промышленности получают из железной руды, гематита Fe₂O₃ или магнетита (Fe₃O₄или FeO·Fe₂O₃).

1. Один из основных способов производства железа – доменный процесс . Доменный процесс основан на восстановлении железа из оксида углеродом в доменной печи.

В печь загружают руду, кокс и флюсы.

Шихта – смесь исходных материалов, а в некоторых случаях и топлива в определённой пропорции, которую обрабатывают в печи.

Каменноугольный кокс – это твёрдый пористый продукт серого цвета, получаемый путем коксования каменного угля при температурах 950—1100 °С без доступа воздуха. Содержит 96—98 % углерода.

Флюсы – это неорганические вещества, которые добавляют к руде при выплавке металлов, чтобы снизить температуру плавления и легче отделить металл от пустой породы.

Шлак – расплав (а после затвердевания – стекловидная масса), покрывающий поверхность жидкого металла. Шлак состоит из всплывших продуктов пустой породы с флюсами и предохраняет металл от вредного воздействия газовой среды печи, удаляет примеси.

В печи кокс окисляется до оксида углерода (II):

2C + O₂ → 2CO

Затем нагретый угарный газ восстанавливает оксид железа (III):

Процесс получения железа – многоэтапный и зависит от температуры.

Наверху, где температура обычно находится в диапазоне между 200 °C и 700 °C, протекает следующая реакция:

Ниже в печи, при температурах приблизительно 850 °C, протекает восстановление смешанного оксида железа (II, III) до оксида железа (II):

Встречные потоки газов разогревают шихту, и происходит разложение известняка:

Оксид железа (II) опускается в область с более высоких температур (до 1200 o C), где протекает следующая реакция:

FeO + CO → Fe + CO₂

Углекислый газ поднимается вверх и реагирует с коксом, образуя угарный газ:

CO₂ + C → 2CO

(изображение с портала 900igr.net)

2. Также железо получают прямым восстановлением из оксида водородом:

При этом получается более чистое железо, т.к. получаемое железо не загрязнено серой и фосфором, которые являются примесями в каменном угле.

3. Еще один способ получения железа в промышленности – электролиз растворов солей железа.

Качественные реакции

Качественные реакции на ионы железа +2.

– взаимодействие солей железа (II) с щелочами . При этом образуется серо-зеленый студенистый осадок гидроксида железа (II).

Например , хлорид железа (II) реагирует с гидроксидом натрия:

2NaOH + FeCl₂ → Fe(OH)₂ + 2NaCl

Видеоопыт взаимодействия раствора сульфата железа (II) с раствором гидроксида натрия (качественная реакция на ионы железа (II)) можно посмотреть здесь.

Гидроксид железа (II) на воздухе буреет, так как окисляется до гидроксида железа (III):

– ионы железа +2 окрашивают раствор в светлый желто-зеленый цвет.

– взаимодействие с красной кровяной солью K₃[Fe(CN)₆] – также качественная реакция на ионы железа +2. При этом образуется синий осадок «турнбулева синь».

Видеоопыт взаимодействия раствора хлорида железа (II) с раствором гексацианоферрата (III) калия (качественная реакция на ионы железа (II)) можно посмотреть здесь.

Качественные реакции на ионы железа +3

– взаимодействие солей железа (III) с щелочами . При этом образуется бурый осадок гидроксида железа (III).

Например , хлорид железа (III) реагирует с гидроксидом натрия:

3NaOH + FeCl₃ → Fe(OH)₃ + 3NaCl

Видеоопыт взаимодействия раствора хлорида железа (III) с раствором гидроксида натрия (качественная реакция на ионы железа (III)) можно посмотреть здесь.

– ионы железа +3 окрашивают раствор в светлый желто-оранжевый цвет.

– взаимодействие с желтой кровяной солью K₄[Fe(CN)₆] ионы железа +3. При этом образуется синий осадок «берлинская лазурь».

Видеоопыт взаимодействия раствора хлорида железа (III) с раствором гексацианоферрата (II) калия (качественная реакция на ионы железа (III)) можно посмотреть здесь.

В последнее время получены данные, которые свидетельствуют, что молекулы берлинской лазури идентичны по строению молекулам турнбулевой сини. Состав молекул обоих этих веществ можно выразить формулой Fe₄[Fe₂(CN)₆]₃.

– при взаимодействии солей железа (III) с роданидами раствор окрашивается в кроваво-красный цвет.

Например , хлорид железа (III) взаимодействует с роданидом натрия:

FeCl₃ + 3NaCNS → Fe(CNS)₃ + 3NaCl

Видеоопыт взаимодействия раствора хлорида железа (III) с раствором роданида калия (качественная реакция на ионы железа (III)) можно посмотреть здесь.

Химические свойства

1. При обычных условиях железо малоактивно , но при нагревании, в особенности в мелкораздробленном состоянии, оно становится активным и реагирует почти со всеми неметаллами .

1.1. Железо реагирует с галогенами с образованием галогенидов. При этом активные неметаллы (фтор, хлор и бром) окисляют железо до степени окисления +3:

2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃

Менее активный йод окисляет железо до степени окисления +2:

1.2. Железо реагирует с серой с образованием сульфида железа (II):

Fe + S → FeS

1.3. Железо реагирует с фосфором . При этом образуется бинарное соединения – фосфид железа:

Fe + P → FeP

1.4. С азотом железо реагирует в специфических условиях.

1.5. Железо реагирует с углеродом и кремнием с образованием карбида и силицида.

1.6. При взаимодействии с кислородом железо образует окалину – двойной оксид железа (II, III):

При пропускании кислорода через расплавленное железо возможно образование оксида железа (II):

2Fe + O₂ → 2FeO

2. Железо взаимодействует со сложными веществами.

2.1. При обычных условиях железо с водой практически не реагирует. Раскаленное железо может вступать в реакцию при температуре 700-900 о С с водяным паром:

3 Fe 0 + 4 H₂ + O → Fe +3 ₃O₄ + 4 H₂ 0

В воде в присутствии кислорода или во влажном воздухе железо медленно окисляется (корродирует):

2.2. Железо взаимодействуют с минеральными кислотами (с соляной, фосфорной и разбавленной серной кислотой). При этом образуются соль железа со степенью окисления +2 и водород.

Например , железо бурно реагирует с соляной кислотой :

Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑

2.3. При обычных условиях железо не реагирует с концентрированной серной кислотой из-за пассивации – образования плотной оксидной пленки. При нагревании реакция идет, образуются оксид серы (IV), сульфат железа (III) и вода:

2.4. Железо не реагирует при обычных условиях с концентрированной азотной кислотой также из-за пассивации. При нагревании реакция идет с образованием нитрата железа (III), оксида азота (IV) и воды:

С разбавленной азотной кислотой железо реагирует с образованием оксида азота (II):

При взаимодействии железа с очень разбавленной азотной кислотой образуется нитрат аммония:

2.5. Железо может реагировать с щелочными растворами или расплавами сильных окислителей . При этом железо окисляет до степени окисления +6, образуя соль (феррат).

Например , при взаимодействии железа с расплавом нитрата калия в присутствии гидроксида калия железо окисляется до феррата калия, а азот восстанавливается либо до нитрита калия, либо до аммиака:

2.6. Железо восстанавливает менее активные металлы из оксидов и солей .

Например , железо вытесняет медь из сульфата меди (II). Реакция экзотермическая:

Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu

Еще пример : простое вещество железо восстанавливает железо до степени окисления +2 при взаимодействии с соединениями железа +3:

2FeCl₃ + Fe → 3FeCl₂

Оксид железа (II)

Оксид железа (II) – это твердое, нерастворимое в воде вещество черного цвета.

Способы получения

Оксид железа (II) можно получить различными методами :

1. Частичным в осстановлением оксида железа (III).

Например , частичным восстановлением оксида железа (III) водородом:

Или частичным восстановлением оксида железа (III) угарным газом:

Еще один пример : восстановление оксида железа (III) железом:

2. Разложение гидроксида железа (II) при нагревании :

Химические свойства

Оксид железа (II) — типичный основный оксид .

1. При взаимодействии оксида железа (II) с кислотными оксидами образуются соли.

Например , оксид железа (II) взаимодействует с оксидом серы (VI):

FeO + SO₃ → FeSO₄

2. Оксид железа (II) взаимодействует с растворимыми кислотами. При этом также образуются соответствующие соли .

Например , оксид железа (II) взаимодействует с соляной кислотой:

FeO + 2HCl → FeCl₂ + H₂O

3. Оксид железа (II) не взаимодействует с водой.

4. Оксид железа (II) малоустойчив, и легко окисляется до соединений железа (III).

Например , при взаимодействии с концентрированной азотной кислотой образуются нитрат железа (III), оксид азота (IV) и вода:

При взаимодействии с разбавленной азотной кислотой образуется оксид азота (II). Реакция идет при нагревании:

5. Оксид железа (II) проявляет слабые окислительные свойства .

Например , оксид железа (II) реагирует с угарным газом при нагревании:

FeO + CO → Fe + CO₂

Оксид железа (III)

Оксид железа (III) – это твердое, нерастворимое в воде вещество красно-коричневого цвета.

Способы получения

Оксид железа (III) можно получить различными методами :

1. Окисление оксида железа (II) кислородом.

2. Разложение гидроксида железа (III) при нагревании :

Химические свойства

Оксид железа (III) – амфотерный .

1. При взаимодействии оксида железа (III) с кислотными оксидами и кислотами образуются соли.

Например , оксид железа (III) взаимодействует с азотной кислотой:

2. Оксид железа (III) взаимодействует с щелочами и основными оксидами. Реакция протекает в расплаве, при этом образуется соответствующая соль (феррит) .

Например , оксид железа (III) взаимодействует с гидроксидом натрия:

3. Оксид железа (III) не взаимодействует с водой.

4. Оксид железа (III) окисляется сильными окислителями до соединений железа (VI).

Например , хлорат калия в щелочной среде окисляет оксид железа (III) до феррата:

Нитраты и нитриты в щелочной среде также окисляют оксид железа (III):

5. Оксид железа (III) проявляет окислительные свойства .

Например , оксид железа (III) реагирует с угарным газом при нагревании. При этом возможно восстановление как до чистого железа, так и до оксида железа (II) или железной окалины:

Также оксид железа (III) восстанавливается водородом:

Железом можно восстановить оксид железа только до оксида железа (II):

Оксид железа (III) реагирует с более активными металлами .

Например , с алюминием (алюмотермия):

Оксид железа (III) реагирует также с некоторыми другими сильными восстановителями.

Например , с гидридом натрия:

Fe₂O₃ + 3NaH → 3NaOH + 2Fe

6. Оксид железа (III) – твердый, нелетучий и амфотерный. А следовательно, он вытесняет более летучие оксиды (как правило, углекислый газ) из солей при сплавлении.

Например , из карбоната натрия:

Оксид железа (II, III)

Оксид железа (II, III) (железная окалина, магнетит) – это твердое, нерастворимое в воде вещество черного цвета.

Фото с сайта wikipedia.ru

Способы получения

Оксид железа (II, III) можно получить различными методами :

1. Горение железа на воздухе:

2. Частичное восстановление оксида железа (III) водородом или угарным газом :

3. При высокой температуре раскаленное железо реагирует с водой, образуя двойной оксид железа (II, III):

Химические свойства

Свойства оксида железа (II, III) определяются свойствами двух оксидов, из которых он состоит: основного оксида железа (II) и амфотерного оксида железа (III).

1. При взаимодействии оксида железа (II, III) с кислотными оксидами и кислотами образуются соли железа (II) и железа (III).

Например , оксид железа (II, III) взаимодействует с соляной кислотой. При это образуются две соли – хлорид железа (II) и хлорид железа (III):

Еще пример : оксид железа (II, III) взаимодействует с разбавленной серной кислотой.

2. Оксид железа (II, III) взаимодействует с сильными кислотами-окислителями (серной-концентрированной и азотной).

Например , железная окалина окисляется концентрированной азотной кислотой:

Разбавленной азотной кислотой окалина окисляется при нагревании:

Также оксид железа (II, III) окисляется концентрированной серной кислотой:

Также окалина окисляется кислородом воздуха :

3. Оксид железа (II, III) не взаимодействует с водой.

4. Оксид железа (II, III) окисляется сильными окислителями до соединений железа (VI), как и прочие оксиды железа (см. выше).

5. Железная окалина проявляет окислительные свойства .

Например , оксид железа (II, III) реагирует с угарным газом при нагревании. При этом возможно восстановление как до чистого железа, так и до оксида железа (II):

Также железная окалина восстанавливается водородом:

Оксид железа (II, III) реагирует с более активными металлами .

Например , с алюминием (алюмотермия):

Оксид железа (II, III) реагирует также с некоторыми другими сильными восстановителями (йодидами и сульфидами).

Например , с йодоводородом:

Гидроксид железа (II)

Способы получения

1. Гидроксид железа (II) можно получить действием раствора аммиака на соли железа (II).

Например , хлорид железа (II) реагирует с водным раствором аммиака с образованием гидроксида железа (II) и хлорида аммония:

2. Гидроксид железа (II) можно получить действием щелочи на соли железа (II).

Например , хлорид железа (II) реагирует с гидроксидом калия с образованием гидроксида железа (II) и хлорида калия:

FeCl₂ + 2KOH → Fe(OH)₂↓ + 2KCl

Химические свойства

1. Гидроксид железа (II) проявляется основные свойства , а именно реагирует с кислотами . При этом образуются соответствующие соли.

Например , гидроксид железа (II) взаимодействует с соляной кислотой с образованием хлорида железа (II):

2. Гидроксид железа (II) взаимодействует с кислотными оксидами сильных кислот .

Например , гидроксид железа (II) взаимодействует с оксидом серы (VI) с образованием сульфата железа (II):

3. Гидроксид железа (II) проявляет сильные восстановительные свойства , и реагирует с окислителями. При этом образуются соединения железа (III) .

Например , гидроксид железа (II) взаимодействует с кислородом в присутствии воды:

Гидроксид железа (II) взаимодействует с пероксидом водорода:

При растворении Fe(OH)₂ в азотной или концентрированной серной кислотах образуются соли железа (III):

4. Г идроксид железа (II) разлагается при нагревании :

Гидроксид железа (III)

Способы получения

1. Гидроксид железа (III) можно получить действием раствора аммиака на соли железа (III).

Например , хлорид железа (III) реагирует с водным раствором аммиака с образованием гидроксида железа (III) и хлорида аммония:

2. Окислением гидроксида железа (II) кислородом или пероксидом водорода:

3. Гидроксид железа (III) можно получить действием щелочи на раствор соли железа (III).

Например , хлорид железа (III) реагирует с раствором гидроксида калия с образованием гидроксида железа (III) и хлорида калия:

FeCl₃ + 3KOH → Fe(OH)₃↓ + 3KCl

Видеоопыт получения гидроксида железа (III) взаимодействием хлорида железа (III) и гидроксида калия можно посмотреть здесь.

4. Также гидроксид железа (III) образуется при взаимодействии растворимых солей железа (III) с растворами карбонатов и сульфитов . Карбонаты и сульфиты железа (III) необратимо гидролизуются в водном растворе.

Например: бромид железа (III) реагирует с карбонатом натрия. При этом выпадает осадок гидроксида железа (III), выделяется углекислый газ и образуется бромид натрия:

Но есть исключение ! Взаимодействие солей железа (III) с сульфитами в ЕГЭ по химии — окислительно-восстановительная реакция. Соединения железа (III) окисляют сульфиты, а также сульфиды и иодиды.

Взаимодействие хлорида железа (III) с сульфитом, например, калия — очень интересная реакция. Во-первых, в некоторых источниках указывается, что в ней таки может протекать необратимый гидролиз. Но для ЕГЭ лучше считать, что при этом протекает ОВР. Во-вторых, ОВР можно записать в разных видах:

Также допустима такая запись:

Химические свойства

1. Гидроксид железа (III) проявляет слабовыраженные амфотерные свойства, с преобладанием основных. Как основание, гидроксид железа (III) реагирует с растворимыми кислотами .

Например , гидроксид железа (III) взаимодействует с азотной кислотой с образованием нитрата железа (III):

2. Гидроксид железа (III) взаимодействует с кислотными оксидами сильных кислот .

Например , гидроксид железа (III) взаимодействует с оксидом серы (VI) с образованием сульфата железа (III):

3. Гидроксид железа (III) взаимодействует с растворимыми основаниями (щелочами). При этом в расплаве образуются соли—ферриты, а в растворе реакция практически не идет. При этом гидроксид железа (III) проявляет кислотные свойства.

Например , гидроксид железа (III) взаимодействует с гидроксидом калия в расплаве с образованием феррита калия и воды:

4. Г идроксид железа (III) разлагается при нагревании :

Видеоопыт взаимодействия гидроксида железа (III) с соляной кислотой можно посмотреть здесь.

Соли железа

Нитраты железа

Нитрат железа (II) при нагревании разлагается на оксид железа (III), оксид азота (IV) и кислород:

Нитрат железа (III) при нагревании разлагается также на оксид железа (III), оксид азота (IV) и кислород:

Гидролиз солей железа

Растворимые соли железа, образованные кислотными остатками сильных кислот гидролизуются по катиону. Гидролиз протекает ступенчато и обратимо, т.е. частично:

I ступень: Fe 3+ + H₂O ↔ FeOH 2+ + H +

II ступень: FeOH 2+ + H₂O ↔ Fe(OH )₂ + + H +

Однако сульфиты и карбонаты железа (III) и их кислые соли гидролизуются необратимо, полностью, т.е. в водном растворе не существуют, а разлагаются водой:

При взаимодействии соединений железа (III) с сульфидами протекает ОВР:

2FeCl₃ + 3Na₂S → 2FeS + S + 6NaCl

Более подробно про гидролиз можно прочитать в соответствующей статье.

Окислительные свойства железа (III)

Соли железа (III) под проявляют довольно сильные окислительные свойств. Так, при взаимодействии соединений железа (III) с сульфидами протекает окислительно-восстановительная реакция.

Например : хлорид железа (III) взаимодействует с сульфидом натрия. При этом образуется сера, хлорид натрия и либо черный осадок сульфида железа (II) (в избытке сульфида натрия), либо хлорид железа (II) (в избытке хлорида железа (III)):

2FeCl₃ + 3Na₂S → 2FeS + S + 6NaCl

2FeCl₃ + Na₂S → 2FeCl₂ + S + 2NaCl

По такому же принципу соли железа (III) реагируют с сероводородом:

2FeCl₃ + H₂S → 2FeCl₂ + S + 2HCl

Соли железа (III) также вступают в окислительно-восстановительные реакции с йодидами .

Например , хлорид железа (III) взаимодействует с йодидом калия. При этом образуются хлорид железа (II), молекулярный йод и хлорид калия:

2FeCl₃ + 2KI → 2FeCl₂ + I₂ + 2KCl

Интерес представляют также реакции солей железа (III) с металлами. Мы знаем, что более активные металлы вытесняют из солей менее активные металлы . Иначе говоря, металлы, которые стоят в электрохимическом ряду левее, могут взаимодействовать с солями металлов, которые расположены в этом ряду правее . Исходя из этого правила, соли железа могут взаимодействовать только с металлами, которые расположены до железа. И они взаимодействуют.

Однако, соли железа со степенью окисления +3 в этом ряду являются небольшим исключением. Ведь для железа характерны две степени окисления: +2 и +3. И железо со степенью окисления +3 является более сильным окислителем. Таким образом, условно говоря, железо со степенью окисления +3 расположено в ряду активности после меди. И соли железа (III) могут реагировать еще и с металлами, которые расположены правее железа! Но до меди, включительно. Вот такой парадокс.

И еще один момент. Соединения железа (III) с этими металлами реагировать будут, а вот соединения железа (II) с ними реагировать не будут. Таким образом, металлы, расположенные в ряду активности между железом и медью (включая медь) при взаимодействии с солями железа (III) восстанавливают железо до степени окисления +2. А вот металлы, расположенные до железа в ряду активности, могут восстановить железо и до простого вещества.

Например , хлорид железа (III) взаимодействует с медью. При этом образуются хлорид железа (II) и хлорид меди (II):

А вот реакция нитрата железа (III) с цинком протекает уже по привычному механизму. И железо восстанавливается до простого вещества:

Способ получения карбида железа

Изобретение относится к способу получения карбида железа, пригодного в качестве сырьевого материла для производства чугуна и стали. Способ включает восстановление и карбюризацию мелкодисперсного содержащего железо материала, классификацию мелкодисперсного содержащего железо материала на несколько сортов в соответствии с размером частиц после предварительно нагрева. При этом восстановление и карбюризацию каждого сорта проводят отдельно, причем в два этапа. Первый этап для осуществления части реакции восстановления, а второй этап — для реакции дальнейшего восстановления и карбюризации. Способ осуществляют с помощью реактора с псевдоожиженным слоем, имеющего зону псевдоожиженного слоя, разделенную на несколько отсеков разделительными перегородками. Часть отсеков предназначена для крупных, а другая для мелких мелкодисперсных содержащих железо материалов. Восстановление и карбюризацию крупных мелкодисперсных содержащих железо материалов осуществляют в одной части реактора, а мелких — в другой. 3 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 5 ил.

Изобретение относится к способу получения карбида железа, пригодного в качестве сырьевого материала для производства чугуна и стали, который содержит карбид железа (Fe₃C) как основной компонент, например, сырьевого материала для производства стали, который используют в электрической печи и т. п.

Предшествующий уровень техники Получение стали обычно включает этапы превращения железной руды в чушковый [передельный] чугун с использованием доменной печи, а после этого превращение чушкового [передельного] чугуна в сталь с использованием открытой подовой печи или конвертера. Такой традиционный способ является энергоемким, требует крупногабаритного оборудования и связан с высокими затратами. Поэтому при мелкосерийном производстве стали используют способ, включающий этапы прямого превращения железной руды в сырьевые материалы, используемые в печи для производства стали, и превращения сырьевого материала в сталь с использованием электрической печи и т.п. Что касается способа прямого получения стали, то для превращения железной руды в восстановленное железо используют способ прямого восстановления железа. Однако восстановленное железо, полученное способом прямого восстановления, обладает очень высокой химической активностью и взаимодействует с кислородом воздуха с выделением тепла. Таким образом, при транспортировке и хранении восстановленного железа в присутствии атмосферы инертного газа его необходимо герметизировать или принимать некоторые другие меры. Поэтому карбид железа (Fe₃C), содержащий сравнительно высокое количество железа (Fe), и который имеет низкую химическую активность и может легко транспортироваться и храниться, недавно нашел применение как содержащий железо материал для производства стали в электрической печи и т.п.

Кроме того, сырьевой материал для получения чугуна или стали, содержащий карбид железа в качестве основного компонента, не только легко транспортировать и хранить, но он также имеет то преимущество, что углерод в соединении с железом можно использовать как источник энергии в печи для получения чугуна и стали, также может быть использован как источник образования микропузырьков, которые уменьшают количество азота в ванне расплава при получении стали.

Поэтому, с недавнего времени сырьевые материалы для производства чугуна и стали, содержащие карбид железа в качестве основного компонента, вызывают особый интерес.

В соответствии с известным способом получения карбида железа мелкодисперсную железную руду загружают в реактор с псевдоожиженным слоем или в подобное ему устройство и осуществляют его взаимодействие с газовой смесью, содержащей восстановительный газ (например, газообразный водород) и карбюризирующий газ (например, газообразный метан и т.п.) при предварительно заданной температуре. Таким образом, оксиды железа (например, гематит (Fe₂O₃), магнетит (Fe₃O₄) и вюстит (FeO)) в железной руде подвергают восстановлению и карбюризации в едином процессе (что означает, что процесс выполняют при одновременном введении восстановительного газа и карбюризирующего газа в один реактор). Эта реакция протекает по следующей обобщенной формуле: 3Fe₂O₃ + 5H₂ + 2CH₄ —> 2Fe₃C + 9H₂O Предшествующее техническое решение в области настоящего изобретения описано, например, в публикации японского перевода Международной заявки на патент N 6-501983.

Для облегчения понимания настоящего изобретения ниже будет описан пример устройства для получения карбида железа в соответствии с предшествующим техническим решением. Например, известно устройство, показанное на фиг. 1. Как показано на фиг. 1, ссылочном номером 1 обозначен реактор с псевдоожиженным слоем. Реактор 1 с псевдоожиженным слоем имеет донную часть, к которой присоединен канал 2 для подачи реакционных газов (восстановительного газа и карбюризирующего газа), и верхнюю часть, к которой присоединен канал 3 для выпуска газа после реакции. Ссылочным номером 4 обозначена печь предварительного нагрева. Мелкодисперсную железную руду, подаваемую в печь 4 предварительного нагрева, подвергают в ней предварительному нагреву в течение заранее определенного времени. Затем подогретую железную руду подают в реактор 1 с псевдоожиженным слоем по каналу 5 и подвергают в нем реакции восстановления и карбюризации в течение предварительно определенного времени и при предварительно заданных температуре и давлении реакции. Полученный при этом готовый карбид железа выгружают по каналу 6.

В случае, когда распределение частиц железной руды по размерам является широким, трудно обеспечить, чтобы реакция протекала эффективно. Причина состоит в следующем. Для того, чтобы реакция протекала эффективно, предпочтительно, чтобы скорость обеспечивающего псевдоожиженного газа в реакторе 1 была относительно высокой, если размер основной части частиц железной руды является большим (крупным), однако при этом мелкодисперсная руда будет выдуваться, и чтобы скорость обеспечивающего псевдоожиженного газа в реакторе 1 была относительно низкой, если размер основной части частиц железной руды является малым (мелким), но крупные частицы руды при этом не будут псевдоожижены. Предпочтительны условия процесса, выбранные в зависимости от соответствующего размера частиц. Кроме того, для железной руды, имеющей частицы крупного размера, предпочтительно использовать реактор с подвижным слоем. Увеличение скорости течения газа при псевдоожижении вызывает образование мелкодисперсной железной руды за счет взаимного трения частиц и невыгодно для получения высокого выпуска железной руды.

Как видно из обобщенной формулы реакции, частица Fe₂O₃ превращена в F₃C, обладая около 3/4 первоначального веса. Кроме того, частицы мелкодисперсной железной руды в процессе псевдоожижения трутся друг о друга, так что за счет этого размер частиц постепенно уменьшается. Принимая во внимание, что вес псевдоожиженного материала (мелкодисперсной железной руды) постепенно уменьшается по мере протекания реакции, предпочтительно, чтобы скорость реакционного газа, подлежащего подаче в реактор с псевдоожиженным слоем, была относительно высокой в первой половине реакции и была относительно снижена в последней половине реакции, для того чтобы реакция протекала эффективно. Поскольку существуют конкретные условия, соответствующие развитию реакции, то нежелательно, чтобы реакция восстановления и реакция карбюризации выполнялись при одинаковых условиях в реакторе с псевдоожиженным слоем.

С учетом вышеописанных проблем, связанных с предшествующим техническим решением, задачей настоящего изобретения является создание способа эффективного получения карбида железа в зависимости от размера частиц содержащего железо материала или от развития реакции.

Сущность изобретения Для того, чтобы решить поставленную задачу, в настоящем изобретении предложен способ эффективного получения карбида железа посредством классификации мелкодисперсного содержащего железо материала для производства чугуна на несколько сортов в соответствии с размером частиц, и восстановления и карбюризации содержащего железо материала, согласно соответствующим размерам частиц.

Первый аспект настоящего изобретения направлен на разработку способа получения карбида железа, включающего этапы классификации мелкодисперсного содержащего железо материала на несколько сортов в соответствии с размером частиц и восстановления, и карбюризации каждого содержащего железо материала в соответствии с каждым сортом. Согласно первому аспекту настоящего изобретения обработке можно подвергать мелкодисперсный содержащий железо материал для производства чугуна, который имеет широкий диапазон распределения частиц. Путем выбора условий процесса в зависимости от размера частиц можно эффективно получать карбид железа.

Второй аспект настоящего изобретения направлен на разработку способа получения карбида железа в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, в котором мелкодисперсный содержащий железо материал для получения чугуна классифицируют на несколько сортов в соответствии с размером частиц после предварительного подогрева. Согласно второму аспекту настоящего изобретения, в дополнение к вышеописанным преимуществам, может быть получен следующий эффект. Более конкретно, если классификация влажного содержащего железо материала связана с трудностями, то операция классификации облегчается, если ее выполняют в сухом состоянии материала, после предварительного подогрева или после процесса первого этапа реакции. Кроме того, настоящее изобретение может быть реализовано для обработки такого содержащего железо материала, как мелкодисперсная железная руда, образующаяся из сырьевого материала, который легко дробится под действием тепла, с получением не побочного, а основного продукта.

Третий аспект настоящего изобретения направлен на разработку способа получения карбида железа в соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения, в котором процесс реакции восстановления и карбюризации включает процесс первого этапа реакции для выполнения части реакции восстановления, а затем процесс второго этапа реакции для выполнения дальнейшей реакции восстановления и карбюризации. Согласно третьему аспекту настоящего изобретения, в дополнение к вышеописанным преимуществам, может быть получен следующий эффект. Для каждого процесса, который не может быть выполнен с помощью способа получения карбида железа с использованием одного реактора в соответствии с предшествующим техническим решением, могут быть приняты различные контрмеры. Тем самым, можно получить гибкий процесс. При этом скорость превращения и скорость реакции можно легко регулировать. Кроме того, энергия, потребляемая при образовании побочного продукта, может быть эффективно регенерирована.

Четвертый аспект настоящего изобретения направлен на разработку способа получения карбида железа, включающего этапы: классификацию мелкодисперсного содержащего железо материала на несколько сортов в соответствии с размером частиц после процесса первого этапа реакции при восстановлении части содержащего железо материала и выполнение процесса второго этапа реакции для выполнения реакции дальнейшего восстановления и карбюризации для каждого содержащего железо материала в соответствии с каждым сортом. Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения способ по настоящему изобретению подходит для обработки содержащего железо материала, который становится намного мельче в процессе реакции восстановления.

Пятый аспект настоящего изобретения направлен на разработку способа превращения мелкодисперсного содержащего железо материала для производства чугуна в карбид железа с использованием реактора с псевдоожиженным слоем, имеющего зону псевдоожиженного слоя, разделенную на несколько отсеков разделительными стенками, включающего этапы деления отсеков на две части для крупного и мелкого содержащего железо материала, соответственно, и восстановление и карбюризацию крупного содержащего железо материала в одной части и мелкого содержащего железо материала в другой части. Согласно пятому аспекту настоящего изобретения подаваемый сырьевой материал можно обрабатывать в одном реакторе, в котором мелкодисперсная и крупнодисперсная руды участвуют в реакции отдельно, при конкретных условиях процесса для каждой руды. Тем самым, достигают оптимальной утилизации реакционного газа и эффективного выполнения процесса.

В настоящем изобретении содержащий железо материал для производства чугуна представляет собой железную руду или порошок и т.п., который образуется при производстве чугуна и содержит в качестве основного компонента по меньшей мере один оксид железа, такой как гематит, магнетит и вюстит, и гидроокиси железа, такие как гидроокись двухвалентного железа и гидроокись трехвалентного железа, или смеси более двух из них.

Согласно настоящему изобретению, имеющему описанные выше технические особенности, мелкодисперсный материал для получения чугуна, который имеет широкий диапазон распределения частиц по размерам, можно классифицировать на несколько сортов в соответствии с размером частиц, и можно выбрать условия процесса (температуру реакции, время реакции, скорость подачи газа и т.п.), соответствующие конкретным размерам частиц, для содержащего железо материала, относящегося к каждому сорту. Тем самым, можно получать карбид железа с высокой эффективностью.

Некоторые содержащие железо материалы легко дробятся под действием тепла. Такие материалы классифицируют после предварительного нагрева, а условия процесса, зависящие от каждого размера частиц, выбирают после классификации. Тем самым, можно получать карбид железа с высокой эффективностью.

Кроме того, при использовании двухэтапного процесса при осуществлении первого этапа реакции, при котором происходит часть реакции восстановления, а затем второго этапа реакции, при котором происходит реакция дальнейшего восстановления и карбюризации, газ, используемый на первом этапе реакции, может иметь оптимальный состав только для реакции восстановления, а газ, используемый на втором этапе реакции, может иметь оптимальный состав для реакции дальнейшего восстановления и карбюризации. При использовании двухэтапного процесса при восстановлении и карбюризации (превращении в карбид железа) содержащего железо материала можно увеличить скорость реакции, а время реакции (время, необходимое для превращения содержащего железо материала в карбид железа) можно сократить по сравнению со способом получения карбида железа в одноэтапном процессе.

Некоторые содержащие железо материалы легко измельчаются в процессе реакции восстановления. Такие материалы классифицируют после частичного восстановления, а условия реакции восстановления и карбюризации, соответствующие каждому размеру частиц, выбирают после классификации. Тем самым, реакция может проходить эффективно.

В реакторе, имеющем зону псевдоожиженного слоя, разделенную на несколько отсеков, отсеки разделены на две части для содержащих железо материалов, имеющих крупные и мелкие частицы, а восстановление и карбюризацию содержащих железо материалов, имеющих крупные и мелкие частицы, проводят отдельно. Тем самым, подачу сырьевого материала и выгрузку готовых продуктов можно выполнять непрерывно, псевдоожижение может быть равномерным как для крупных, так и для мелких частиц, а площадь контакта между реакционным газом и сырьевым материалом может быть точно рассчитана для мелких частиц, с тем чтобы можно было сократить время реакции.

Краткое описание чертежей На фиг. 1 представлена поточная диаграмма, соответствующая техническому решению устройства для получения карбида железа, согласно предшествующему уровню техники.

На фиг. 2 (а) и 2 (b) представлены схемы, показывающие примеры выполнения способа, когда получение карбида железа соответствует настоящему изобретению.

На фиг. 3 представлена схема, показывающая другой пример выполнения способа, когда получение карбида железа соответствует настоящему изобретению.

На фиг. 4 представлена диаграмма, показывающая диапазон существования псевдоожиженного слоя в зависимости от размера частиц и скорости подачи газа.

На фиг. 5(а) представлено сечение, показывающее реактор с псевдоожиженным слоем, подходящий для выполнения способа, согласно настоящему изобретению, а на фиг. 5(b) представлено сечение по линии V-V на фиг. 5(а).

Предпочтительный вариант выполнения изобретения Ниже описан вариант, когда в способе, согласно настоящему изобретению, используют реактор с псевдоожиженным слоем.

(1) Выбор времени классификации Как описано выше, некоторые содержащие железо материалы легко дробятся под действием тепла или значительно измельчаются в процессе реакции восстановления. Например, степень образования мелкодисперсной железной руды, имеющей размер 70 мкм или мельче, обычно колеблется в соответствии с сортом железной руды в сырьевом материале (от 0,1 мм до 1,0 мм), в зависимости от условий обработки, которой подвергают железную руду, как показано в таблице 1.

Как описано ниже, оптимальные условия (протекания) способа можно получить путем выбора времени классификации, соответствующего сорту железной руды.

(а) В случае, когда в качестве сырьевого материала используют железную руду (руду «B» и «D»), которая легко дробится под действием тепла, предпочтительно использовать процесс, показанный на фиг. 2(a) и 2(b).

(b) В случае, когда в качестве сырьевого материала используют железную руду (руду «A»), которая легко измельчается в процессе реакции восстановления, предпочтительно использовать процесс, показанный на фиг. 3.

На фиг. 2(a), 2(b) и фиг. 3 крупную и мелкую железную руду можно обрабатывать одновременно в одном реакторе, если реактор имеет конструкцию, описанную в (3), хотя они могут быть обработаны и отдельно в соответствующем реакторе. Кроме того, классификацию можно выполнять два раза или более, в зависимости от распределения частиц железной руды по размерам.

(2) Выбор размера классификации Размер классификации для разделения железной руды на крупную и мелкую, основанный на диапазоне распределения частиц железной руды по размерам, можно получить, например, как показано на фиг. 4. Скорость псевдоожижения показана на фиг. 4, на которой по горизонтальной оси откладывают размер частиц (d_p, в логарифмическом виде), а на оси показана поверхностная скорость (u, в логарифмическом виде). Линия А ограничивает нижний предел псевдоожижения. Ниже линии А скорость недостаточна для псевдоожижения железной руды в реакторе. Линия В ограничивает скорости продувки (предельная скорость). Выше линии В скорость настолько высока, что железная руда выдувается, и, таким образом, не может ни всплывать, ни стать псевдоожиженной.

Как видно из фиг. 4, если распределение частиц железной руды по размерам составляет от 0,1 до 1,0 мм, то при некоторых условиях (протекания) способа железная руда может всплывать и становиться псевдоожиженной, поскольку скорость газа в точке A1 ниже, чем в точке B1. Однако если распределение частиц железной руды по размерам шире, например, железная руда содержит мелкие частицы, имеющие размер от 0,05 до 0,5 мм, и крупные частицы, имеющие размер от 0,5 до 5 мм, то предпочтительно, чтобы реакции для железной руды с мелкими частицами и железной руды с крупными частицами проходили раздельно, для того чтобы обеспечить эффективность реакции и чтобы предельные размеры при делении на «мелкие» и «крупные» находились в диапазоне от 0,2 до 0,8 мм. Если крупная железная руда, имеющая размеры частиц от 5 до 7 мм или более составляет основную часть, то предпочтительно использовать реактор с подвижным слоем.

(3) Оборудование для классификации В случае, когда железную руду классифицируют на основе распределения частиц по размеру, то крупную железную руду и мелкую железную руду можно обрабатывать в отдельных реакторах, чтобы обеспечить рабочие условия в зависимости от размера частиц. Однако крупную железную руду и мелкую железную руду можно обрабатывать одновременно в одном реакторе, если реактор имеет конструкцию, показанную на фиг. 5. Более конкретно, реактор 7 с псевдоожиженным слоем разделен на отсеки 8a-8e для крупной железной руды и отсеки 9a-9d для мелкой железной руды, в канале 10 для реакционного газа, подлежащего подаче в отсеки с мелкой железной рудой, предусмотрен регулирующий течение клапан 11, и мелкую железную руду, выпускаемую из реактора вместе с газом, извлекают в циклоне 12. Мелкую железную руду возвращают в отсеки 9a-9d.

Что касается реактора, имеющего вышеописанную конструкцию, то при использовании одного реактора можно также одновременно обрабатывать мелкую железную руду и крупную железную руду, имея одинаковый состав газа на впуске, в соответствии со следующим способом. Посредством настройки регулирующего клапана 11 можно регулировать скорость течения реакционного газа для улучшения псевдоожижения мелкой и крупной железной руды. В этом случае предпочтительно, чтобы скорость течения (= поверхностная скорость) реакционного газа для мелкой железной руды была снижена, чтобы избежать выдувания мелкой железной руды, и чтобы высота слоя (Hff) мелкой железной руды была установлена меньше, чем высота слоя (Hfc) крупной железной руды, чтобы получить одинаковое время контакта (газа и обоих сортов руды). Скорость реакции у мелкой железной руды имеет тенденцию быть несколько выше, чем у крупной железной руды, как видно из таблицы 2. В таблице 2 приведена скорость восстановления, когда отношение газ/твердый материал составляло 0,59 кг/SLM, температура реакции составляла 63 o C, давление газа составляло от 4 до 5 атмосфер, и концентрация водорода в реакционном газе составляла от 65 до 80%. Скорость реакции у мелкой железной руды (Z) была несколько выше, чем у крупной железной руды (X, Y).

Аббревиатура SLM означает стандартные литры в минуту (1 литр при нормальных условиях/минута).

Таким образом, в случае, когда в одном реакторе происходит реакция мелкой и крупной железной руды, мелкая руда взаимодействует слишком активно, чтобы крупная руда [успевала] прореагировать должным образом.

Согласно настоящему изобретению мелкая железная руда и крупная железная руда реагируют отдельно в одном реакторе с псевдоожиженным слоем. Таким образом, можно снизить количество подлежащего использованию газа на единицу веса железной руды, и сократить время присутствия в реакторе. Тем самым, можно получать карбид железа экономично и эффективно.

Классифицированная железная руда с более мелкими частицами не только может использоваться для получения карбида железа, но также может найти применение как вспомогательный материал для получения цемента или как сырьевой материал после гранулирования.

Промышленное применение
Исходя из описанных выше конструктивных особенностей настоящего изобретения устройство по настоящему изобретению подходит для эффективного получения карбида железа в зависимости от размера частиц содержащего железо материала или от развития реакции.

1. 1. Способ получения карбида железа, включающий восстановление и карбюризацию мелкодисперсного содержащего железо материала, отличающийся тем, что он включает дополнительно классификацию мелкодисперсного содержащего железо материала на несколько сортов в соответствии с размером частиц, причем восстановление и карбюризацию каждого сорта проводят отдельно.

2. Способ получения карбида железа по п.1, отличающийся тем, что мелкодисперсный содержащий железо материал классифицируют на несколько сортов в соответствии с размером частиц после предварительного нагрева.

3. Способ получения карбида железа по п.2, отличающийся тем, что реакции восстановления и карбюризации проводят в два этапа, первый этап для осуществления части реакции восстановления, а второй этап для осуществления реакции дальнейшего восстановления и карбюризации.

4. Способ получения карбида железа, включающий восстановление и карбюризацию мелкодисперсного содержащего железо материала, отличающийся тем, что он включает первый этап для частичного восстановления мелкодисперсного содержащего железо материала, после которого проводят классификацию мелкодисперсного содержащего железо материала на несколько сортов в соответствии с размером частиц, и второй этап для осуществления реакции дальнейшего восстановления и карбюризации мелкодисперсного содержащего железо материала, которые для каждого сорта проводят отдельно.

5. Способ превращения мелкодисперсного содержащего железо материала в карбид железа, осуществляемый с помощью реактора с псевдоожиженным слоем, имеющего зону псевдоожиженного слоя, разделенную на несколько отсеков разделительными перегородками, включает восстановление и карбюризацию мелкодисперсных содержащих железо материалов, отличающийся тем, что часть отсеков предназначена для крупных, а другая часть для мелких мелкодисперсных содержащих железо материалов, восстановление и карбюризацию крупных мелкодисперсных содержащих железо материалов осуществляют в одной части реактора, а мелких мелкодисперсных содержащих железо материалов — в другой части реактора.

Реакция взаимодействия железа и углерода

Реакция взаимодействия железа и углерода

Уравнение реакции взаимодействия железа и углерода:

Реакция взаимодействия железа и углерода.

В результате реакции образуется карбид железа.

Реакция протекает при условии: при нагревании.

Формула поиска по сайту: 3Fe + C → Fe3C.

Реакция взаимодействия карбоната серебра (I) и гидроксида калия

Реакция взаимодействия оксида железа (II) и углерода

Реакция взаимодействия угольной кислоты и гидроксида натрия

Выбрать язык

Популярные записи

Предупреждение.

Все химические реакции и вся информация на сайте предназначены для использования исключительно в учебных целях — только для решения письменных, учебных задач. Мы не несем ответственность за проведение вами химических реакций.

Химические реакции и информация на сайте
не предназначены для проведения химических и лабораторных опытов и работ.