Губчатое железо: свойство, способы получения, применение

Алан-э-Дейл       02.05.2022 г.

Химические свойства сульфата железа. Химические реакции сульфата железа и кристаллогидратов меди:

Химические свойства сульфата железа аналогичны свойствам сульфатов других металлов. Поэтому для него характерны следующие химические реакции:

1. реакция сульфата железа и цинка:

Zn + FeSO4 → ZnSO4 + Fe.

В результате реакции образуются сульфат цинка и железо.

2. реакция сульфата железа и алюминия:

6FeSO4 + 4Al = 2Al2(SO4)3 + 6Fe.

В результате реакции образуются сульфат алюминия и железо.

3. реакция сульфата железа и магния:

FeSO4 + Mg → Fe + MgSO4.

В результате реакции образуются сульфат алюминия и железо.

4. реакция сульфата железа и кальция:

FeSO4 + Ca → CaSO4 + Fe.

В результате реакции образуются сульфат кальция и железо.

5. реакция взаимодействия сульфата железа и кислорода:

12FeSO4 + 3O2 → 4Fe2(SO4)3 + 2Fe2O3.

В результате реакции образуются сульфат железа (III) и оксид железа (III).

6. реакция взаимодействия сульфата железа, кислорода и воды:

4FeSO4 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)SO4.

В результате реакции образуется гидроксосульфат железа (III). Реакция протекает медленно.

7. реакция взаимодействия сульфата железа и гидроксида натрия:

FeSO4 + 2NaOH → Fe(OH)2 + Na2SO4.

В результате реакции образуются сульфат натрия и гидроксид железа. Реакция протекает в атмосфере азота.

реакция взаимодействия сульфата железа и сульфида натрия:

FeSO4 + Na2S → FeS + Na2SO4.

В результате реакции образуются сульфат натрия и сульфид железа.

реакция взаимодействия сульфата железа и нитрата свинца:

FeSO4 + Pb(NO3)2 → Fe(NO3)2 + PbSO4 (t = 10 °C).

В результате реакции образуются нитрат железа и сульфат свинца. Реакция протекает в атмосфере азота.

реакция взаимодействия сульфата железа и карбоната натрия:

FeSO4 + Na2CO3 → FeCO3 + Na2SO4 (t = 150 °C).

В результате реакции образуются сульфат натрия и карбонат железа.

реакция взаимодействия сульфата железа и фосфата натрия:

3FeSO4 + 2Na3PO4 → Fe3(PO4)2 + 3Na2SO4 (t = 60-80°C).

В результате реакции образуются фосфат железа и сульфат натрия. В ходе реакции используется разбавленный раствор фосфата натрия.

реакция взаимодействия сульфата железа (II) и сульфата меди:

2FeSO4 + CuSO4 → Cu + Fe2(SO4)3.

В результате реакции образуются медь и сульфат железа (III). В ходе реакции используется концентрированный раствор фосфата железа.

реакция термического разложения сульфата железа:

2FeSO4 → Fe2O3 + SO2 + SO3 (t > 480 °C),

4FeSO4 → 2Fe2O3 + 4SO2 + O2 (t = 700°C).

В результате реакции образуются в первом случае – оксид железа (III), оксид серы (IV) и оксид серы (VI), во втором – оксид железа (III), оксид серы (IV) и кислород. В ходе второй реакции также образуется примесь SO3.

реакция термического разложения гептагидрата сульфата железа:

FeSO4•7H2O → FeSO4 + 7H2O (t < 250 °C).

Гептагидрат сульфата железа FeSO4•7H2O  разлагается на сульфат железа и воду. Реакция протекает в атмосфере водорода.

Что делают из железной руды — применение железной руды

Понятно, что железная руда используется для получения металла. Но, еще две тысячи лет назад металлурги поняли, что в чистом виде железо довольно мягкий материал, изделия из которого немного лучше бронзы. Результатом стало открытие сплава железа с углеродом – стали.

Сегодня из этого металла изготавливается огромный список изделий, оборудования и машин. Однако, изобретение стали было связано с развитием оружейного дела, мастера в котором пытались получить материал с прочными характеристиками, но в то же время, с отличной гибкостью, ковкостью, и прочими техническими, физическими и химическими характеристиками. Сегодня высококачественный металл имеет и другие добавки, легирующие его, добавляя твердость износоустойчивость.

Вторым материалом, который производится с железной руды, является чугун. Это также сплав железа с углеродом, которого в составе имеется более чем 2,14%.

Длительное время чугун считался бесполезным материалом, который получался либо при нарушении технологии выплавки стали, или как побочный металл, оседающий на дне плавильных печей. В основном его выбрасывали, его невозможно ковать (хрупкий и практически не пластичный).

Сегодня чугун используют во многих отраслях, особенно в машиностроении. Также этот металл используется для получения стали (мартеновские печи и бессмеровский способ).

С ростом производства требуется все больше материалов, что способствует интенсивной разработке месторождений. Но развитые страны считают более целесообразным импортировать относительно недорогое сырье, сокращая объемы собственного производства. Это позволяет основным странам экспортерам наращивать добычу железной руды с дальнейшим ее обогащением и продажей в качестве концентрата.

Физические свойства железного купороса:

Наименование параметра: Значение:
Химическая формула FeSO4·7H2O
Синонимы и названия иностранном языке гептагидрат сульфата железа (II)

iron (II) sulfate heptahydrate (англ.)

железный купорос (рус.)

Тип вещества неорганическое
Внешний вид голубовато-зелёные моноклинные  кристаллы
Цвет голубовато-зелёный цвет
Вкус горьковато-металлический вяжущий
Запах без запаха
Агрегатное состояние (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.) твердое вещество
Плотность (состояние вещества – твердое вещество, при 18 °C), кг/м3 1898
Плотность (состояние вещества – твердое вещество, при 18 °C), г/см3 1,898
Температура кипения, °C —*
Температура плавления, °C 64
Температура разложения, °C 56,8
Гигроскопичность гигроскопичен
Молярная масса, г/моль 278,01
Растворимость в воде (25 oС), г/100 г 26,3

* Примечание:

— нет данных.

Химический состав

Теллурическое железо содержит примеси никеля (Ni) 0,6—2%, кобальта (Со) до 0,3%, меди (Сu) до 0,4%, платины (Pt) до 0,1%, углерода; в метеоритном железе никель составляет от 2 до 12%, кобальт—около 0,5%, имеются также примеси фосфора, серы, углерода.

Поведение в кислотах: растворяется в НNО3.В природе существует несколько модификаций железа — низкотемпературная имеет ОЦК ячейку (Im3m), высокотемпературная (при температурах > 1179K) ГЦК ячейку (Fm(-3)m). В больших количествах содержится в метеоритах. В железных метеоритах при травлении или нагреве проявляются видманштеттеновы фигуры.Происхождение: теллурическое (земное) железо редко встречается в базальтовых лавах (Уифак, о. Диско, у западного берега Гренландии, вблизи г. Касселя Германия). В обоих пунктах с ним ассоциируют пирротин (Fe1-xS) и когенит (Fe3C), что объясняют как восстановление углеродом (в т.ч. и из вмещающих пород), так и распадом карбонильных комплексов типа Fe(CO)n. В микроскопических зернах оно не раз устанавливалось в измененных (серпентинизированных) ультраосновных породах также в парагенезисе с пирротином, иногда с магнетитом, за счет которых оно и возникает при восстановительных реакциях. Очень редко встречается в зоне окисления рудных месторождений, при образовании болотных руд. Зарегистрированы находки в осадочных породах, связываемые с восстановлением соединений железа водородом и углеводородами.Почти чистое железо найдено в лунном грунте, что связывают как с падениями метеоритов, так и с магматическими процессами. Наконец, два класса метеоритов — железокаменные и железные содержат природные сплавы железа в качестве породообразующего компонента.

Семейство самородного железа (по Годовикову) Группа самородного железа< 2,9, редко до 6,4 ат. % Ni — феррит< ~ 6,4 ат. % Ni — камасит

Группа самородного никеля> 24 ат. % Ni — тэнит62,5 — 92 ат. % Ni — аваруит Ni3Fe(Ni, Fe) — Самородный никель

Железо (англ. Iron, франц. Fer, нем. Eisen) — один из семи металлов древности. Весьма вероятно, что человек познакомился с железом метеоритного происхождения раньше, чем с другими металлами. Метеоритное железо обычно легко отличить от земного, так как в нем почти всегда содержится от 5 до 30% никеля, чаще всего — 7-8%. С древнейших времен железо получали из руд, залегающих почти повсеместно. Наиболее распространенны руды гематита (Fe2O3,), бурого железняка (2Fe2O3, ЗН2О) и его разновидностей (болотная руда, сидерит, или шпатовое железо FeCO3,), магнетита (Fe304) и некоторые другие. Все эти руды при нагревании с углем легко восстанавливаются при сравнительно низкой температуре начиная с 500oС. Получаемый металл имел вид вязкой губчатой массы, которую затем обрабатывали при 700-800oС повторной проковкой.

В древности и в средние века семь известных тогда металлов сопоставляли с семью планетами, что символизировало связь между металлами и небесными телами и небесное происхождение металлов. Такое сопоставление стало обычным более 2000 лет назад и постоянно встречается в литературе вплоть до XIX в. Во II в. н. э. железо сопоставлялось с Меркурием и называлось меркурием, но позднее его стали сопоставлять с Марсом и называть марс (Mars), что, в частности, подчеркивало внешнее сходство красноватой окраски Марса с красными железными рудами.

Обогащение железной руды

Обогащение железной руды

Так как в составе руд кроме необходимого железа есть множество примесей, то для получения максимального полезного выхода необходимо очистить породу, подготовив материал (концентрат) для выплавки. Весь процесс осуществляется на горно-обогатительных комбинатах. К различным видам руд, применяются свои приемы и методы очистки и удаление ненужных примесей.

Например, технологическая цепочка обогащения маггнитных железняков следующая:

  • Изначально руда проходит стадию дробления на дробильных установках (например, щековых) и подается ленточным транспортером на станции сепарации.
  • Используя электромагнитные сепараторы, отделяют части магнитного железняка от пустой ненужной породы.
  • После чего рудная масса транспортируется на очередное дробление.
  • Измельченные минералы перемещают на очередную станцию очистки, так называемые вибрационные сита, здесь полезная руда просеивается, отделяясь от легкой ненужно породы.
  • Следующий этап – бункер мелкой руды, в котором вибрациями отделяются мелкие частицы примесей.
  • Последующие циклы включают очередное добавление воды измельчение и прохождение рудной массы через шламовые насосы, удаляющие вместе с жидкостью ненужный шлам (пустую породу), и опять дробление.
  • После многократного очищения насосами, руда поступает на так называемый грохот, который гравитационным методом в очередной раз очищает минералы.
  • Многократно очищенная смесь поступает на обезвоживатель, удаляющий воду.
  • Осушенная руда опять попадает на магнитные сепараторы, и уже потом на газожидкостную станцию.

Результатом обогащения становиться железорудный концентрат, использующийся при плавке.

Физические свойства сульфата железа:

Наименование параметра: Значение:
Химическая формула FeSO4
Синонимы и названия иностранном языке iron (II) sulfate (англ.)
Тип вещества неорганическое
Внешний вид бесцветные кристаллы
Цвет белый, бесцветный
Вкус —*
Запах без запаха
Агрегатное состояние (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.) твердое вещество
Плотность (состояние вещества – твердое вещество, при 20 °C), кг/м3 1898
Плотность (состояние вещества – твердое вещество, при 20 °C), г/см3 1,898
Температура кипения, °C
Температура плавления, °C
Температура разложения, °C 680
Гигроскопичность гигроскопичен
Молярная масса, г/моль 151,932
Растворимость в воде (20 oС), г/100 г 26,3

* Примечание:

— нет данных.

Классификация процессов

Наиболее предпочтительной, по мнению большинства специалистов, является классификация по виду получаемого продукта:

  • получение частично металлизованных (степень металлизации 30—50 %) материалов для доменных печей;
  • получение высокометаллизованного продукта (степень металлизации 85—95 %) в твёрдом виде (губчатого железа) для переплавки в сталеплавильных агрегатах с получением стали;
  • получение металлизованного продукта в пластическом состоянии (кричного железа) для различных целей, в том числе как вариант пирометаллургического обогащения труднообогатимых, бедных и комплексных руд;
  • получение жидкого металла (чугуна или полупродукта) для переплава в сталеплавильных печах.

Что такое железо

Это химический элемент периодической системы. Ему присвоен порядковый номер 26. По отношению к другим элементам ведёт себя как восстановитель. Образует простые, а также сложные вещества.

Феррум в организме человека

Химический элемент образует белок крови гемоглобин. В крови содержится до 80% железа. Придаёт ей красный цвет, транспортирует кислород по организму. Ещё 20% откладывается в печени и селезёнке, как резерв. В небольших количествах феррум встречается в тканях. Необходим элемент для нормального функционирования других
белков, ферментов, гормонов. Потребность в железе у мужчин меньше, чем у женщин. Поступает в организм с продуктами:

  1. Мясом.
  2. Бобовыми.
  3. Рыбой.
  4. Зеленью.

Легче усваивается железо, содержащееся в мясе.

Простое вещество железо

В чистом виде не встречается, благодаря своей активности. Образует оксиды, соли. Получают его процессом восстановления углеродом, или другими восстановителями. Из солей выделяют электролизом водных растворов. Имеет характеристики:

  • Серебристо-белого цвета.
  • Ковкое, пластичное.
  • Электропроводное.
  • Теплопроводное.
  • Намагничивается.

Устойчив против коррозии, то есть ржавления. Железо, измельчённое до очень тонкого состояния, самовозгорается на воздухе.

К этому же материалу относят сплавы на основе феррума, с низким содержанием примесей. Основные свойства в сплавах сохраняются. Поэтому они применяются для изготовления разнообразной продукции, от ложек, до техники, объёмных металлических конструкций. К сплавам относят:

  1. Чугун.
  2. Сталь.

Наибольшего применения нашла сталь. Основная примесь сплава – углерод. Он придаёт твёрдость материалу. Сейчас изготовляются легированные стали. При их плавке добавляются цветные металлы: никель, цинк, вольфрам и другие. В результате получают сталь с заранее заданными свойствами, так как влияние каждого компонента на свойства сплава изучены.

Ценные характеристики железа, сплавов на его основе, делают их очень востребованными.

Состав

Элементы, из которых состоит железная руда, представлены в виде смесей с минеральными составляющими, без железа в чистом виде или металлических примесей. Они могут быть смешаны с частицами известняка, глины или других компонентов, образованных в результате извержений или других природных явлений. Чаще всего, руды встречаются в виде:

  • сидерита, железного шпата;
  • бурого железняка, который называют лимонитом, для него характерно озерное или болотное происхождение;
  • гематита;
  • магнетита.

Железные руды могут иметь вид различных соединений:

  • солей;
  • гидратов;
  • просто окисей.

Поиск этих полезных составляющих элементов является кропотливым и трудоемким процессом. Более сложно извлечь металлические примеси из минералов.

В зависимости от количества полезных элементов, входящих в состав сырья, различают мономинеральные и полиминеральные руды.

Если мономинеральный ресурс включает в состав только один ценный минерал, то в полиминеральных ископаемых, важных составляющих металлов может быть более двух.

При наличии одного полезного минерала, железную руду называют простой, а при наличии нескольких элементов, такое сырье относят к комплексному виду

Входящие в состав комплексной руды, редкие металлические элементы, делают руду ценной и важной для извлечения и дальнейшего применения в машиностроении и приборостроении. Больше 80-ти химических элементов добывают из руды и применяют в производстве различного оборудования

По преобладанию какого-либо из минеральных элементов, руду разделяют на:

  • самородную;
  • фосфатную;
  • карбонатную;
  • сульфидную;
  • силикатную;
  • оксидную;
  • смешанную.

Из самородных руд добывают платину и золото. Геохимический железный состав и свойства таких минералов связаны с определенными горными породами. Эта связь способствует правильности выбора территориального расположения залежей золотосодержащих и других ценных видов руд.

В зависимости от промышленной ценности железных элементов, руда может быть вкрапленной или сплошной. Последняя, по составу, имеет большее соотношение ценных минералов к примесям или является разновидностью железного соединения, а вкрапленная – включает от 20 до 60 % частиц различных форм, которые необходимо извлечь из рудных пород.

Постоянный спрос на металлические изделия, с годами, корректирует минимальный процент содержания ценных минералов в руде, которую экономически выгодно добывать. Если в середине прошлого столетия вели разработку залежей с последующей переработкой железной руды, при содержании минералов не менее 60 %, то сегодня, благодаря современному оборудованию и постоянной потребности в сырье, используют руду, с содержанием метала, на уровне 25-30 %.

Элементы: Железо — главный металл природы

Дата: 27.03.2019

Железо – один из самых распространённых элементов в Солнечной системе, особенно на Земле. Его среднее содержание в земной коре составляет 4,7 % по массе, уступая по этому показателю кислороду, кремнию и алюминию. Но в пересчёте на Землю в целом железо занимает едва ли не первое место, так как в мантии его содержание составляет 14%, в ядре – 86 % , а доля железного ядра составляет около 30 % от массы нашей планеты. В ядрах планет земной группы его содержание, по некоторым оценкам, составляет 90 %. Поэтому без преувеличения можно сказать, что по значимости для планет земной группы — это элемент номер один!     


Железные ядра планет земной группы

В чистом виде железо встречается только в метеоритах, но почти всегда с незначительными примесями кобальта и никеля. По одной из версий слово «железо» заимствовано из праславянского языка и родственно слову «желвак», т.е. округлый камень, окатыш. В таблице Менделеева этот элемент занимает клетку №26 и обозначается символом Fe — от латинского Ferrum (железо).

Вероятно, первое железо, которое попало в руки человеку, было метеоритное, так как отдельные железные предметы были известны уже в бронзовом веке. Поэтому, определить чёткую границу перехода от бронзового века к железному — периоду, когда люди осваивали производство железа из железных руд, представляется затруднительным. По некоторым данным это происходило примерно с 1200 года до н.э. до первых столетий н.э.

Природное железо состоит из четырёх стабильных изотопов: 54Fe , 56Fe, 57Fe и 58Fe, где доля 56Fe составляет 91 %.Также известно более 20 нестабильных изотопов железа с массовыми числами от 45 до 72. Большинство учёных считают, что железом оканчивается ряд синтеза элементов в ядрах нормальных звёзд, а все последующие элементы могут образоваться только в результате взрывов сверхновых.  

Известно большое количество минералов содержащих железо, но главными минералами на железо-рудных месторождениях являются: магнетит (FeO · Fe2O3); гематит Fe2O3); гётит FeO(OH); гидрогётит FeOOH·nH2O.


Кристаллы гётита, 4 см. Урал, Россия.

В земной коре также широко распространены сульфиды железа – пирит (FeS2), карбонаты железа – сидерит (FeCO3), фосфаты железа — вивианит (Fe3(PO4)2·8H2O). По запасам железных руд Россия занимает первое место в мире.


Кристаллы магнетита, 5 см. Ковдорское месторождение, Кольский п-ов, Россияю

Понимая важнейшую роль железа в жизни планеты, академик А.Е. Ферсман ещё в 1930-х годах писал: «Железо не только основа всего мира, самый главный металл окружающей нас природы, оно основа культуры и промышленности, оно орудие войны и мирного труда. И трудно во всей таблице Менделеева найти другой такой элемент, который был бы так связан с прошлыми, настоящими и будущими судьбами человечества».

3.4. Восстановление металлов более активными металлами

Более активные металлы вытесняют из оксидов менее активные.  Активность металлов можно примерно оценить по электрохимическому ряду металлов:

Восстановление металлов из оксидов другими металлами — распространенный способ получения металлов. Часто для восстановления металлов применяют алюминий и магний.  А вот щелочные металлы для этого не очень подходят – они слишком химически активны, что создает сложности при работе с ними.

Например, цезий взрывается на воздухе.

Алюмотермия – это восстановление металлов из оксидов алюминием.

Например: алюминий восстанавливает оксид меди (II) из оксида:

3CuO + 2Al  =  Al2O3 + 3Cu

Магниетермия – это восстановление металлов из оксидов магнием.

CuO + Mg = Cu + MgO

Железо можно вытеснить из оксида с помощью алюминия:

2Fe2O3 + 4Al → 4Fe + 2Al2O3

При алюмотермии образуется очень чистый, свободный от примесей углерода металл.

Активные металлы вытесняют менее активные из растворов их солей.

Например, при добавлении меди (Cu) в раствор соли менее активного металла – серебра (AgNO3) произойдет химическая реакция:

2AgNO3 + Cu = Cu(NO3)2 + 2Ag

Медь покроется белыми кристаллами серебра.

При добавлении железа (Fe) в  раствор соли меди (CuSO4) на железном гвозде появился розовый налет металлической меди:

CuSO4  + Fe = FeSO4 + Cu

При добавлении цинка в раствор нитрата свинца (II) на цинке образуется слой металлического свинца:

Pb(NO3)2  + Zn = Pb + Zn (NO3)2

Технология

Процессы получения губчатого железа осуществляются при умеренных температурах с использованием газообразного или твердого восстановителя в различных агрегатах: шахтных, трубчатых, туннельных, муфельных, отражательных, электронагревательных печах, ретортах периодического действия, конвейерных машинах, реакторах с кипящим слоем и др. Иногда эти агрегаты соединены в комплексы, в которых наиболее часто сочетаются с электропечью (электродоменной или дуговой) для получения жидкого металла (чугуна и стали). Чаще всего губчатое железо применяют как высокочистую добавку к стальному лому. Наиболее стабильный спрос на губчатое железо отмечается в странах с недостаточными мощностями доменного производства и поставками стального лома.

Основными процессами, используемыми на работающих, строящихся и проектных установках для производства губчатого железа, являются процессы с применением шахтных печей и реторт периодического действия. Процессы с использованием вращающихся печей и твердого восстановителя находят промышленное применение, главным образом, при переработке металлургических отходов — пылей и шламов, которые содержат примеси цинка, свинца и др., а также комплексных железных руд (богатых титаном, хромом, никелем, марганцем и др.), не пригодных для использования в доменных печах. Процессы в кипящем слое получили меньшее распространение в связи с целым рядом специфических особенностей (жесткие требования к гранулометрическому составу, газодинамические ограничения существования кипящего слоя, температурные условия и др.).

Процессы металлизации в шахтных печах во многом похожи на процессы, протекающие в шахте доменных печей в области умеренных температур. Однако имеются и значительные отличия: в шахтной печи отсутствует кокс; важную роль в процессах восстановления оксидов железа играет водород; восстановительный газ является единственным источником тепла, обеспечивающим все тепловые потребности процесса.

В процессе восстановления окатыши обжигают, и обрабатывают в шахтной печи горячими продуктами конверсии газа (твердого топлива), которые содержат водород. Водород легко восстанавливает железо:

Fe2O3+3H2 →1000∘C 2Fe+3H2O{\displaystyle {\mathsf {Fe_{2}O_{3}+3H_{2}\ {\xrightarrow {1000^{\circ }C}}\ 2Fe+3H_{2}O}}},

при этом не происходит загрязнения железа такими примесями как сера и фосфор, которые являются обычными примесями в каменном угле. Железо получается в твёрдом виде и в дальнейшем переплавляется в электрических печах. Для получения тонны железа прямым восстановлением из руды необходимо затратить примерно 1000 м3 водорода.

По своей сути процесс прямого восстановления железа является восстановлением железа из руд, минуя доменный процесс, то есть кокс в процессе не участвует.

Наиболее отработанным и широко распространенным процессом является процесс Midrex. С 1983 г. на Оскольском электрометаллургическом комбинате работают четыре модуля процесса металлизации Midrex общей мощностью 1700 тыс. т металлизованных окатышей в год. В состав каждого модуля входят: шахтная печь металлизации, реформер (реактор конверсии природного газа); система производства инертного газа; система аспирации. Система водного хозяйства, свеча, помещение пульта управления и электроснабжение являются общими для каждой пары модулей.

Шахтная печь для металлизации состоит из загрузочного (промежуточного) бункера; верхнего динамического затвора с загрузочным распределителем и загрузочными трубами; зоны восстановления; промежуточной зоны; зоны охлаждения; огнеупорной футеровки; постоянно действующих питателей; нижнего динамического затвора и маятникового питателя (для выгрузки готового продукта).

Гость форума
От: admin

Эта тема закрыта для публикации ответов.