История металлургии железа

Железо... Недра нашей планеты богаты этим металлом, который по праву называют «фундаментом цивилизации». Словно для того чтобы не расставаться со своими сокровищами, природа, прочно связав железо с другими элементами (главным образом с кислородом), спрятала его в разнообразных рудных минералах. Но уже в глубокой древности - во втором тысячелетии до нашей эры - человек научился извлекать нужный ему металл.

В историческом плане производство черных металлов развивалось по следующим этапам:

Сыродутный процесс (1500 лет до н. э.). Производительность процесса очень низкая, получали за 1 час всего до 0,5… 0,6 кг железа. В кузнечных горнах железо восстанавливалось из руды углём при продувке воздухом с помощью кузнечных мехов. Сначала при горении древесного угля образовывалась окись углерода, которая и восстанавливала чистое железо из руды.

В результате длительной продувки воздухом из кусочков руды получались практически без примесей кусочки чистого железа, которые сваривались между собой кузнечным способом в полосу, которые далее использовались для производства необходимых человеку изделий. Это технически чистое железо содержало очень мало углерода и мало примесей (чистый древесный уголь и хорошая руда), поэтому оно хорошо ковалось и сваривалось и практически не корродировало. Процесс шел при относительно невысокой температуре (до 1100…1350 o С), металл не плавился, т. е. восстановление металла шло в твердой фазе. В результате получалось ковкое (кричное) железо. Просуществовал этот способ до XIV века, а в несколько усовершенствованном виде до начала XX века, но был постепенно вытеснен кричным переделом.

Отсюда следует, что исторически самым первым сварщиком металлов был кузнец, а самый первый способ сварки - это кузнечная сварка.

С увеличением размеров сыродутных горнов и интенсификацией процесса возрастало содержание углерода в железе, температура плавления этого сплава (чугуна) оказывалась ниже, чем у более чистого железа и получалась часть металла в виде расплавленного чугуна, который как отход производства вытекал из горна вместе со шлаком. В XIV век в Европе был разработан двухступенчатый способ получения железа (маленькая домна, далее кричной процесс). Производительность увеличилась до 40 …50 кг/час железа. Использовалось водяное колесо для подачи воздуха. Кричный передел - это процесс рафинирования чугуна (снижение количества C, Si, Mn) с целью получения из чугуна кричного (сварочного) железа.

В конце XVIII века в Европе начали использовать минеральное топливо в доменном процессе и в пудлинговом процессе . При пудлинговом процессе каменный уголь сгорает в топке, газ проходит через ванну, расплавляет и очищает металл. В Китае даже раньше, в X-ом веке, выплавляли чугун, а далее получали сталь процессом пудлингования. Пудлингование- это очистка чугуна в пламенной печи. При очистке железные зерна собираются в комья. Пудлиновщик ломом много раз переворачивает массу и делит ее на 3…5 частей – криц. В кузнице или прокатной машине свариваются зерна и получают полосы и другие заготовки. Используются уже паровые машины вместо водяного колеса. Производительность возрастает до 140 кг сварочного железа в час.

В конце XIX века - почти одновременно внедряются три новых процесса получения стали: бессемеровский, мартеновский и томасовский. Производительность плавки стали возрастает резко (до 6 тн/час).

В середине XX века: внедряются кислородное дутье, автоматизация процесса и непрерывная разливка стали.

При сыродутном, кричном и пудлинговом процессах железо не плавилось (технический уровень того времени не давал возможность обеспечить температуру его плавления). Продувка кислородом расплавленного металла в бессемеровском конверторе из-за резкого увеличения поверхности соприкосновения металла с окислителем (кислородом) в тысячу раз ускоряет химические реакции по сравнению с пудлинговой печью.

В сыродутном и кричном процессах получали одностадийным методом ковкое, сварочное железо (малоуглеродистую сталь), причём имеющее небольшое количество примесей, поэтому весьма стойкое к коррозии. Сейчас в стадии развития находится одностадийный процесс производства стали: обогащение руд (получение окатышей, содержащих 90… 95 % железа) и выплавка стали в электропечи.

Вся история металлургии железа, со времени появления первых плавильных, ям вплоть до наших дней,-это непрекращающееся совершенствование способов его получения. Несколько столетий назад появилась доменная печь - высокопроизводительный агрегат, в котором железная руда превращается в чугун - исходный продукт для выплавки стали. С. той пори доменный процесс стал основным звеном технологии производства стали.

Процесс извлечения железа из руды в горне вошел в историю металлургии под названием «сыродутный», поскольку в горн вдувался неподогретый - сырой - воздух (горячее дутье появилось на металлургических заводах лишь в XIX веке). Получавшееся в сыродутном горне железо порой оказывалось недостаточно прочным и твердым, а изделия из него - ножи, топоры, копья - недолго оставались острыми, гнулись, быстро выходили из строя.

На дне горна наряду со сравнительно мягкими комками железа попадались и более твердые - те, что вплотную соприкасались с древесным углем. Подметив эту закономерность, человек начал сознательно увеличивать зону контакта с углем и тем самым науглероживать железо. Теперь металл уже мог удовлетворить самого взыскательного мастера. Это была сталь - важнейший сплав железа, который и по сей день служит основным конструкционным материалом.

Спрос на сталь всегда и почти повсеместно опережал ее производство, а примитивная металлургическая техника долго отставала от требований жизни. Как ни удивительно, но на протяжении почти трех тысячелетий металлургия железа никаких принципиальных изменений не претерпела - в основе получения железа и стали лежал все тот же сыродутный процесс. Правда, постепенно увеличивались размеры горнов, совершенствовалась их форма, повышалась мощность дутья, но технология оставалась малопроизводительной.

В средние века сыродутный горн обрел вид шахтной печи, достигавшей в высоту нескольких метров. В России эти печи называли домницами - от древнерусского слова «дмение», означавшего «дутье». В них загружалось уже солидное количество шихтовых материалов - железной руды и древесного угля, да и воздуха требовалось во много раз больше, чем для примитивных сыродутных горнов. Теперь печи «дышали» с помощью энергии воды: воздуходувные мехи приводились в движение сначала специальными водяными трубами, а позже огромными водяными колесами.

В шахтной печи в единицу времени сгорало больше топлива, чем в горне и, естественно, больше выделялось тепла. Именно высокие температуры в печи и привели к тому, что часть восстановленного железа, освободившегося от кислорода, но зато сильно насыщенного углеродом, расплавлялась и вытекала из печи. Застывая, такой железоуглеродистый сплав, содержащий в несколько раз больше углерода, чем сталь, становился очень твердым, но и очень хрупким. Это был чугун .

Роль его в развитии металлургии очень важна, но несколько столетий назад мастера железных дел придерживались совсем иного мнения; ведь под ударами молота такой металл разлетался на куски, и сделать из него оружие или инструмент было просто невозможно. В то же время из-за этого ни на что не пригодного сплава количество добротного продукта - железной крицы - резко сокращалось.

Каких только прозвищ не давали средневековые металлурги новому сплаву. В странах Центральной Европы его называли диким камнем, гусем, в Англии - свинским железом (по-английски чугун так называется и сейчас), да и русское слово чушка, то есть чугунный слиток, имеет то же происхождение.

Поскольку никакого применения чугун не находил, его обычно выбрасывали на свалку. Но вот в Х1У веке кому-то пришла счастливая мысль загрузить чугун снова в печь и переплавить вместе с рудой. Эта попытка знаменовала собой настоящий переворот в металлургии железа. Оказалось, что такой способ позволяет сравнительно легко получать нужную сталь, притом в больших количествах. Увы, история не сохранила для нас имя этого средневекового изобретателя.

Нововведение привело к четкому разделению «труда»: в домницах, ставших уже к тому времени более совершенными доменными печами, из руды выплавлялся чугун, а в кричных горнах из него удалялся лишний углерод, то есть осуществлялся процесс превращения чугуна в сталь - «кричный передел». Так возник двухстадийный способ получения стали из железной руды: руда - чугун, чугун - сталь.

Теперь спрос на чугун, прежде всего как на полупродукт, превращаемый затем в сталь, резко увеличился. И доменные печи вырастали повсюду, как грибы после дождя. Но поскольку для доменной плавки требовалось много древесного угля, вскоре в тех странах, которые не были богаты лесами, начал остро ощущаться его недостаток, и металлургия, лишившись топлива, пошла здесь на убыль. Такое произошло, например, в Англии, долгое время занимавшей главенствующие позиции в железоделательном производстве.

Тяжелое положение, в котором оказалась в связи с этим английская промышленность, вынудила металлургов искать замену древесному углю. Прежде всего их внимание привлек каменный уголь, которым природа, не скупясь, одарила Британские острова. Однако все попытки выплавить на нем чугун кончались неудачей: уголь в процессе нагрева измельчался, а это сильно затрудняло дутье. Но вот наконец в 1735 году англичанину Абрахаму Дерби удалось осуществить доменный процесс на коксе - топливе, полученном из коксующегося каменного угля при его нагревании без доступа воздуха до высоких температур (950-1050°С), при этом уголь не измельчался, а спекался в куски. Сегодня без кокса немыслимы ни доменная плавка, ни ряд других металлургических процессов.

XVIII и XIX века внесли немало нового в конструкцию доменной печи: были изобретены первые воздуходувные машины, а рядом с домной вырос «почетный караул» - огромные тупоносые сигары воздухонагревателей, благодаря которым в печь теперь подается горячий воздух.

Древний горн для получения железной крицы. Горн с воздушным дутьем (XVI век). Доменная печь (конец XVIII века)

Большие перемены произошли и на второй стадии металлургического производства. Сначала кричный горн уступил место более совершенной печи - пудлинговой. Здесь расплавленный чугун перемешивали (отсюда и название печи - от английского слова puddle - перемешивать) вместе с железистыми шлаками и в результате получали крицы малоуглеродистого железа. А во второй половине прошлого века были созданы более производительные сталеплавильные агрегаты - конвертер и мартеновская печь. В них чугун превращался уже не в тестообразную массу - крицу, а в жидкую сталь.

Затем в историю металлургии была вписана еще одна важная страница: сконструирована дуговая сталеплавильная печь, позволявшая получать металл высокого качества. У пламени, тысячелетиями монопольно владевшего всеми правами на плавку металлов, появился серьезный конкурент - электрический ток.

В последние десятилетия в металлургии наблюдается своеобразная «акселерация»: размеры всевозможных печей растут из года в год. Давно ли домны объемом в две тысячи кубометров считались чуть ли не чудом света, а сегодня в мире действуют значительно более внушительные колоссы - «четырехтысячники» и даже «пятитысячники».

В течение еще длительного периода домны, несомненно, сохранят свое значение. Тем не менее судьбу их вряд ли можно считать безоблачной. В отличие от примитивного древнего горна, в котором наши предки получали железо непосредственно из руды, современное исполинское сооружение - доменная печь - производит в основном не тот металл, который непосредственно требуется технике, а лишь передельный продукт, превращаемый затем на следующем этапе в нужную нам сталь (исключение составляет литейный чугун, идущий на производство отливок; его доля в общем объеме выплавляемого чугуна не превышает 15 процентов). Иными словами, в стремлении достичь высоких количественных показателей металлурги вынуждены идти как бы окольными путями.

Вопрос об изменении технологического маршрута в производстве стали давно занимает ученых. И дело здесь не в праздном желании выпрямить пути-дороги черной металлургии. Причина в другом.

У доменной печи есть серьезный недостаток. Суть его в том, хотя это и может показаться на первый взгляд странным, что непременное «блюдо» в ее рационе - кокс. Тот самый кокс, изобретение которого стало заметной вехой в развитии металлургии железа. Ведь именно благодаря коксу вот уже два с половиной столетия домна получает отличное высококалорийное «питание». Но постепенно на доменном небосклоне начали появляться тучи, которые с полным основанием можно назвать коксовыми.

В чем же дело?

В природе кокса, как известно, нет. Его получают из каменных углей. Но не из любых. А лишь из тех, что имеют склонность к коксованию (спеканию). Таких углей в мире не очень много, поэтому год от года они становятся все дефицитнее и дороже. Да и уголь еще нужно превратить в кокс. Процесс этот довольно сложный и трудоемкий, сопровождающийся выделением вредных побочных продуктов с отнюдь не парфюмерными ароматами. Чтобы по возможности избавить от них атмосферу, воду, почву, приходится сооружать дорогостоящие очистные устройства.

Удорожание кокса привело к тому, что он оказался самой солидной статьей в себестоимости чугуна: на его долю приходится примерно половина всех затрат. Вот почему доменщики постоянно стремятся сократить расход кокса, частично заменяя его природным газом, пылевидным углем, мазутом, и здесь уже достигнуты немалые успехи. Так, может быть, развивая наступление на кокс, доменщикам постепенно удастся полностью от него избавиться? Но тогда придется избавляться и от самой домны: ведь без кокса она, что печка без дров.

Проблемами бескоксовой металлургии занимался еще основоположник современного металловедения Д. К, Чернов. В конце прошлого века он предложил оригинальную конструкцию шахтной печи, которая выплавляла бы не чугун, а железо и сталь. К сожалению, его идее не суждено было воплотиться в жизнь. Спустя примерно полтора десятилетия после того, как Чернов представил свой проект, он с горечью писал: «Вследствие обычной косности наших частных заводов я обратился в министерство торговли и промышленности в надежде получить возможность осуществить предлагаемый способ в упрощенном виде на одном из казенных горных заводов. Однако несмотря на двукратно выраженное тогдашним министром желание помочь производству такого опыта, вопрос этот встретил неодолимые препятствия среди шкафов и коридоров министерства».

Сторонником бездоменного производства был и Д. И. Менделеев. «Я полагаю,- писал он на рубеже столетий,- что придет со временем опять пора искать способы прямого получения железа и стали из руд, минуя чугун».

Десятки лет ученые и инженеры разных стран стремились найти приемлемую технологию прямого восстановления железа. Были выданы сотни патентов, предложены и созданы разнообразные агрегаты, установки, печи. Однако даже самые, казалось бы, многообещающие идеи долгое время не удавалось воплотить в жизнь.

Первая сравнительно удачная промышленная установка для прямого получения железа была сооружена в 1911 году в Швеции по проекту инженера Э. Сьерина. Достоинством этой технологии было то. что восстановителем, отбирающим у железа кислород, служили отходы угольного и коксового производства (каменноугольная пыль и мелкие фракции кокса), а сама печь отапливалась дешевыми сортами угля. К тому же весьма высоким было качество выплавляемого металла, чем всегда славилась Швеция. Тем не менее эта технология не получила широкого распространения, поскольку процесс длился несколько суток. Конкурировать с хорошо к тому времени сработавшимися «дуэтами» домна - мартен или домна - конвертер шведская установка не могла.

Важный шаг в развитии технологии прямого получения железа был сделан в 1918 году, когда шведский инженер М. Виберг предложил вести процесс восстановления в шахтной печи используя для этой цели горючий газ содержащий окись углерода и водород. Способ позволял превращать руду в 95-процентное железо. Но (и здесь не обошлось без «но») у этого способа был существенный недостаток: исходным сырьем для получения восстановительного газа служил все тот же кокс, а для его газификации нужны были сложные и дорогие устройства - электрогазогенераторы.

В нашей стране большим энтузиастом бездоменной технологии был доцент Сибирского металлургического института В. П. Ремин. Еще в конце 30-х годов он разработал конструкцию электропечи, в которой руда должна была расплавляться, сползая по наклонной подине, как лед в горах (поэтому печь назвали глетчерной), а затем из расплава предполагалось восстанавливать железо. Вероломное нападение на нашу страну гитлеровской Германии поставило перед металлургами много трудных задач, и эти эксперименты пришлось отложить до лучших времен.

Доменная печь: 1 - скип; 2 - приемная воронка: 3 - распределитель шихты: 4 - воздушная фурма; 5 - чугунная лётка: 6 - шлаковая лётка.

Но и когда они настали, оказалось, что у специалистов нет единой точки зрения. Одни безоговорочно ратовали за испытанную веками домну, другим же виделись бездоменные и бескоксовые перспективы. В 1958 году академик И. П. Бардин, высказываясь по поводу прямого получения железа из руды, заметил, что «известный американский металлург Смит, который называл доменную печь жерновом повешенным на шею металлургии в наказание за ее грехи в области научных исследований вынужден был при рассмотрении конкретных процессов вернуться к доменной печи как единственному в настоящее время агрегату, на котором может базироваться металлургия».

В те годы металлургия и впрямь не имела заслуживающей внимания альтернативы доменной печи. Несмотря на многочисленные попытки разработать способы получения железа непосредственно из руды, найти решение, которое бы безоговорочно удовлетворило металлургов, долго не удавалось. Либо несовершенной была технологическая схема, либо ненадежным или малопроизводительным оказывалось оборудование, либо оставляло желать лучшего качество получаемого металла. Кроме того, предлагавшиеся варианты часто не оправдывались экономически: металл получался очень дорогим. Трудной задачей оставался и выбор восстановителя. Поиски зашли в тупик, хотя в Швеции, СССР, США. Мексике, Венесуэле, ФРГ и Японии действовало несколько небольших установок для прямого получения железа из руд.

В том, что именно эти страны раньше других начали внедрять новую технологию, не было ничего удивительного. Например металлургия Швеции издавна специализируется на производстве высококачественной стали, а, как показала практика, путь прямого восстановления - это и путь прямого улучшения качества металла. Что же касается Мексики и Венесуэлы, то они стали лидерами поневоле - в этих странах нет коксующихся углей, зато есть большие запасы природного газа, поэтому развивать черную металлургию на традиционной основе, то есть сооружая доменные печи, они при всем желании не могли.

К концу 50-х годов металлурги пришли к твердому убеждению, что в роли восстановителя в процессах прямого получения железа должен выступать газ. Это означало, что дальнейшие поиски следовало вести в направлении, предложенном Вибергом. Вскоре в ряде стран были найдены удачные решения. Так, достоинством одной из предложенных технологий было то, что восстановитель оказывался практически бесплатным: изобретатели предложили использовать отходящий газ электросталеплавильных цехов, который прежде выбрасывался в атмосферу. Оригинальным было и другое решение. Из шахтной печи, где происходило восстановление железа, горячий газ направлялся не в небеса, а в рекуператор и отдавал свое тепло поступающему туда газ-восстановителю.

Как добывают железо?

Железо - важнейший химический элемент в таблице Менделеева; металл, который применяют в самых разных отраслях промышленности. Добывают его из железной руды, которая залегает в недрах земли.

Как добывают железо: способы

Существует несколько способов добычи железной руды. Выбор того или иного метода будет зависеть от месторасположения залежей, глубины залегания руды и некоторых других факторов.

Железо добывают как открытым, так и закрытым способом:

1. При выборе первого способа необходимо обеспечить подвоз всей необходимой техники непосредственно к самому месторождению. Здесь с ее помощью и будет строиться карьер. В зависимости от ширины залегания руды карьер может быть разного диаметра и до 500 метров в глубину. Этот способ добычи железной руды подходит, если полезное ископаемое находится неглубоко.
2. Более распространенным все же является закрытый способ добычи железной руды. В ходе него роются глубокие колодцы-шахты до 1000 м глубиной, в стороны от которых копаются разветвления (коридоры) - штреки. В них опускается специальное оборудование, посредством которого руда изымается из земли и поднимается на поверхность. По сравнению с открытым, закрытый способ добычи железной руды намного более опасный и затратный.

После изъятия руды из недр земли, ее грузят на специальные грузоподъемные машины, которые доставляют руду на перерабатывающие предприятия.

Переработка железной руды

Железная руда - это горная порода, в составе которой есть железо. Чтобы в дальнейшем направить железо в промышленность, его нужно добыть из породы. Для этого из каменных кусков породы выплавляют само железо, причем делают это при очень высоких температурах (до 1400-1500 градусов).

Обычно добываемая порода состоит из железа, угля и примесей. Ее загружают в доменные печи и нагревают, причем уголь сам поддерживает высокую температуру, а железо при этом приобретает жидкую консистенцию, после чего его разливают в различные формы. Шлаки при этом отделяются, а само железо остается чистым.

Получение железа из железной руды производится в две стадии. Оно начинается с подготовки руды-измельчения и нагревания. Руду измельчают на куски диаметром не более 10 см. Затем измельченную руду прокаливают для удаления воды и летучих примесей.

На второй стадии железную руду восстанавливают до железа с помощью оксида углерода в доменной печи. Восстановление проводится при температурах порядка 700 °С:

Для повышения выхода железа этот процесс проводится в условиях избытка диоксида углерода СО 2 .

Моноксид углерода СО образуется в доменной печи из кокса и воздуха. Воздух сначала нагревают приблизительно до 600 °С и нагнетают в печь через особую трубу- фурму. Кокс сгорает в горячем сжатом воздухе, образуя диоксид углерода. Эта реакция экзотермична и вызывает повышение температуры выше 1700°С:

Диоксид углерода поднимается вверх в печи и реагирует с новыми порциями кокса, образуя моноксид углерода. Эта реакция эндотермична:

Железо, образующееся при восстановлении руды, загрязнено примесями песка и глинозема (см. выше). Для их удаления в печь добавляют известняк. При температурах, существующих в печи, известняк подвергается термическому разложению с образованием оксида кальция и диоксида углерода:

Оксид кальция соединяется с примесями, образуя шлак. Шлак содержит силикат кальция и алюминат кальция:

Железо плавится при 1540 °С. Расплавленное железо вместе с расплавленным шлаком стекают в нижнюю часть печи. Расплавленный шлак плавает на поверхности расплавленного железа. Периодически из печи выпускают на соответствующем уровне каждый из этих слоев.

Доменная печь работает круглосуточно, в непрерывном режиме. Сырьем для доменного процесса служат железная руда, кокс и известняк. Их постоянно загружают в печь через верхнюю часть. Железо выпускают из печи четыре раза в сутки, через равные промежутки времени. Оно выливается из печи огненным потоком при температуре порядка 1500°С. Доменные печи бывают разной величины и производительности (1000-3000 т в сутки). В США существуют некоторые печи новой конструкции с четырьмя выпускными отверстиями и непрерывным выпуском расплавленного железа. Такие печи имеют производительность до 10000 т в сутки.

Железо, выплавленное в доменной печи, разливают в песочные изложницы. Такое железо называется чугун. Содержание железа в чугуне составляет около 95%. Чугун представляет собой твердое, но хрупкое вещество с температурой плавления около 1200°С.

Литое железо получают, сплавляя смесь чугуна, металлолома и стали с коксом. Расплавленное железо разливают в формы и охлаждают.

Сварочное железо представляет собой наиболее чистую форму технического железа. Его получают, нагревая неочищенное железо с гематитом и известняком в плавильной печи. Это повышает чистоту железа приблизительно до 99,5%. Его температура плавления повышается до 1400 °С. Сварочное железо имеет большую прочность, ковкость и тягучесть. Однако для многих применений его заменяют низкоуглеродистой сталью (см. ниже).

Химические реакции при выплавке чугуна из железной руды

В основе производства чугуна лежит процесс восстановления железа из его окислов окисью углерода.

Известно, что окись углерода можно получить, действуя кислородом воздуха на раскалённый кокс. При этом сначала образуется двуокись углерода, которая при высокой температуре восстанавливается углеродом кокса в окись углерода:

Восстановление железа из окиси железа происходит постепенно. Сначала окись железа восстанавливается до закиси-окиси железа:

и, наконец, из закиси железа восстанавливается железо:

Скорость этих реакций растёт с повышением температуры, с увеличением в руде содержания железа и с уменьшением размеров кусков руды. Поэтому процесс ведут при высоких температурах, а руду предварительно обогащают, измельчают, и куски сортируют по крупности: в кусках одинаковой величины восстановление железа происходит за одно и то же время. Оптимальные размеры кусков руды и кокса от 4 до 8-10 см. Мелкую руду предварительно спекают (агломерируют) путём нагревания до высокой температуры. При этом из руды удаляется большая часть серы.

Железо восстанавливается окисью углерода практически полностью. Одновременно частично восстанавливаются кремний и марганец. Восстановленное железо образует сплав с углеродом кокса. кремнием, марганцем, и соединениями, серы и фосфора. Этот сплав-жидкий чугун. Температура плавления чугуна значительно ниже температуры плавления чистого железа.

Пустая порода и зола топлива также должны быть расплавлены. Для понижения температуры плавления в состав “плавильных” материалов вводят, кроме руды и кокса, флюсы (плавни) - большей частью известняк СаСО 3 и доломит CaCO 3× МgСО 3 . Продукты разложения флюсов при нагревании образуют с веществами, входящими в состав пустой породы и золы кокса, соединения с более низкими температурами плавления, преимущественно силикаты и алюмосиликаты кальция и магния, например, 2CaO×Al 2 O 3× SiO 2 , 2CaO×Mg0×2Si0 2 .

Химический состав сырья, поступающего на переработку, иногда колеблется в широких пределах. Чтобы вести процесс при постоянных и наилучших условиях, сырьё “усредняют” по химическому составу, т. е. смешивают руды различного химического состава в определённых весовых отношениях и получают смеси постоянного состава. Мелкие руды спекают вместе с флюсами, получая “офлюсованный агломерат”. Применение офлюсованного агломерата даёт возможность значительно ускорить процесс.

Производство стали

Стали подразделяются на два типа. Углеродистые стали содержат до 1,5% углерода. Легированные стали содержат не только небольшие количества углерода, но также специально вводимые примеси (добавки) других металлов. Ниже подробно рассматриваются различные типы сталей, их свойства и применения.

Кислородно-конвертерный процесс. В последние десятилетия производство стали революционизировалось в результате разработки кислородно-конвертерного процесса (известного также под названием процесса Линца-Донавица). Этот процесс начал применяться в 1953 г. на сталеплавильных заводах в двух австрийских металлургических центрах-Линце и Донавице.

В кислородно-конвертерном процессе используется кислородный конвертер с основной футеровкой (кладкой). Конвертер загружают в наклонном положении расплавленным чугуном из плавильной печи и металлоломом, затем возвращают в вертикальное положение. После этого в конвертер сверху вводят медную трубку с водяным охлаждением и через нее направляют на поверхность расплавленного железа струю кислорода с примесью порошкообразной извести (СаО). Эта “кислородная продувка”, которая длится 20 мин, приводит к интенсивному окислению примесей железа, причем содержимое конвертера сохраняет жидкое состояние благодаря выделению энергии при реакции окисления. Образующиеся оксиды соединяются с известью и превращаются в шлак. Затем медную трубку выдвигают и конвертер наклоняют, чтобы слить из него шлак. После повторной продувки расплавленную сталь выливают из конвертера (в наклонном положении) в ковш.

Кислородно-конвертерный процесс используется главным образом для получения углеродистых сталей. Он характеризуется большой производительностью. За 40-45 мин в одном конвертере может быть получено 300-350 т стали.

В настоящее время всю сталь в Великобритании и большую часть стали во всем мире получают с помощью этого процесса.

Электросталеплавильный процесс. Электрические печи используют главным образом для превращения стального и чугунного металлолома в высококачественные легированные стали, например в нержавеющую сталь. Электропечь представляет собой круглый глубокий резервуар, выложенный огнеупорным кирпичом. Через открытую крышку печь загружают металлоломом, затем крышку закрывают и через имеющиеся в ней отверстия опускают в печь электроды, пока они не придут в соприкосновение с металлоломом. После этого включают ток. Между электродами возникает дуга, в которой развивается температура выше 3000 °С. При такой температуре металл плавится и образуется новая сталь. Каждая загрузка печи позволяет получить 25-50 т стали.

Сталь получается из чугуна при удалении из него большей части углерода, кремния, марганца, фосфора и серы. Для этого чугун подвергают окислительной плавке. Продукты окисления выделяются в газообразном состоянии и в виде шлака.

Так как концентрация железа в чугуне значительно выше, чем других веществ, то сначала интенсивно окисляется железо. Часть железа переходит в закись железа:

Реакция идёт с выделением тепла.

Закись железа, перемешиваясь с расплавом, окисляет кремний марганец и углерод:

Si+2FeO=SiO 2 +2Fe

Первые две реакции экзотермичны. Особенно много тепла выделяется при окислении кремния.

Фосфор окисляется в фосфорный ангидрид, который образует с окислами металлов соединения, растворимые в шлаке. Но содержание серы снижается незначительно, и поэтому важно чтобы в исходных материалах было мало серы.

После завершения окислительных реакций в жидком сплаве содержится ещё закись железа, от которой его необходимо освободить. Кроме того, необходимо довести до установленных норм содержание в стали углерода, кремния и марганца. Поэтому к концу плавки добавляют восстановители, например ферромарганец (сплав железа с марганцем) и другие так называемые “раскислители”. Марганец реагирует с закисью железа и “сраскисляет” сталь:

Мп+FеО=МnО+Fe

Передел чугуна в сталь осуществляется в настоящее время различными способами. Более старым, применённым впервые в середине XIX в. является способ Бессемера.

Способ Бессемера . По этому способу передел чугуна в сталь проводится путём продувания воздуха через расплавленный горячий чугун. Процесс протекает без затраты топлива за счёт тепла, выделяющегося при экзотермических реакциях окисления кремния, марганца и других элементов.

Процесс проводится в аппарате, который называется по фамилии изобретателя конвертером Бессемера . Он представляет собой грушевидный стальной сосуд, футерованный внутри огнеупорным материалом. В дне конвертера имеются отверстия, через которые подаётся в аппарат воздух. Аппарат работает периодически. Повернув аппарат в горизонтальное положение, заливают чугун и подают воздух. Затем поворачивают аппарат в вертикальное положение. В начале процесса окисляются железо, кремний и марганец, затем углерод. Образующаяся окись углерода сгорает над конвертером ослепительно ярким пламенем длиной до 8 л. Пламя постепенно сменяется бурым дымом. Начинается горение железа. Это указывает, что период интенсивного окисления углерода заканчивается. Тогда подачу воздуха прекращают, переводят конвертер в горизонтальное положение и вносят раскислители.

Процесс Бессемера обладает рядом достоинств. Он протекает очень быстро (в течение 15 минут), поэтому производительность аппарата велика. Для проведения процесса не требуется расходовать топливо или электрическую энергию. Но этим способом можно переделывать в сталь не все, а только отдельные сорта чугуна. К тому же значительное количество железа в бессемеровском процессе окисляется и теряется (велик “угар” железа).

Значительным усовершенствованием в производстве стали в конвертерах Бессемера является применение для продувкя вместо воздуха смеси его с чистым кислородом (“обогащённого воздуха”), что позволяет получать стали более высокого качества.

Мартеновский способ. Основным способом передела чугуна в сталь является в настоящее время мартеновский. Тепло, необходимое для проведения процесса, получается посредством сжигания газообразного или жидкого топлива. Процесс получения стали осуществляется в пламенной печи – мартеновской печи.

Плавильное пространство мартеновской печи представляет собой ванну, перекрытую сводом из огнеупорного кирпича. В передней стенке печи находятся загрузочные окна, через которые завалочные машины загружают в печь шихту. В задней стенке находится отверстие для выпуска стали. С обеих сторон ванны расположены головки с каналами для подвода топлива и воздуха и отвода продуктов горения. Печь ёмкостью 350 т имеет длину 25 м и ширину 7 м.

Мартеновская печь работает периодически. После выпуска стали в горячую печь загружают в установленной последовательности лом, железную руду, чугун, а в качестве флюса - известняк или известь. Шихта плавится. При этом интенсивно окисляются: часть железа, кремний и марганец. Затем начинается период быстрого окисления углерода, называемый периодом “кипения”, - движение пузырьков окиси углерода через слой расплавленного металла создаёт впечатление, что он кипит.

В конце процесса добавляют раскислители. За изменением состава сплава тщательно следят, руководствуясь данными экспресс-анализа, позволяющего дать ответ о составе стали в течение нескольких минут. Готовую сталь выливают в ковши. Для повышения температуры пламени газообразное топливо и воздух предварительно подогревают в регенераторах. Принцип действия регенераторов тот же, что и воздухонагревателей доменного производства. Насадка регенератора нагревается отходящими из печи газами, и когда она достаточно нагреется, через регенератор начинают подавать в печь воздух. В это время нагревается другой регенератор. Для регулирования теплового режима печь снабжается автоматическими приспособлениями.

В мартеновской печи, в отличие от конвертера Бессемера, можно перерабатывать не только жидкий чугун, но и твёрдый, а также отходы металлообрабатывающей промышленности и стальной лом. В шихту вводят также и железную руду. Состав шихты можно изменять в широких пределах и выплавлять стали разнообразного состава, как углеродистые, так и легированные.

Российскими учёными и сталеварами разработаны методы скоростного сталеварения, повышающие производительность печей. Производительность печей выражается количеством стали, получаемым с одного квадратного метра площади пода печи в единицу времени.

Производство стали в электропечах. Применение электрической энергии в производстве стали даёт возможность достигать более высокой температуры и точнее её регулировать. Поэтому в электропечах выплавляют любые марки сталей, в том числе содержащие тугоплавкие металлы - вольфрам, молибден и др. Потери легирующих элементов в электропечах меньше, чем в других печах. При плавке с кислородом ускоряется плавление шихты и особенно окисление углерода в жидкой шихте, Применение кислорода позволяет ещё более повысить качество электростали, так как в ней остаётся меньше растворённых газов и неметаллических включений.

В промышленности применяют два типа электропечей: дуговые и индукционные. В дуговых печах тепло получается вследствие образования электрической дуги между электродами и шихтой. В индукционных печах тепло получается за счёт индуцируемого в металле электрического тока.

Сталеплавильные печи всех типов - бессемеровские конвертеры, мартеновские и электрические - представляют собой аппараты периодического действия. К недостаткам периодических процессов относятся, как известно, затрата времени на загрузку и разгрузку аппаратов, необходимость изменять условия по мере течения процесса, трудность регулирования и др. Поэтому перед металлургами стоит задача создания нового непрерывного процесса.

Применения в качестве конструкционных материалов сплавов железа.

Некоторые d-элементы широко используются для изготовления конструкционных материалов, главным образом в виде сплавов. Сплав-это смесь (или раствор) какого-либо металла с одним или несколькими другими элементами.

Сплавы, главной составной частью которых служит железо, называются сталями. Выше мы уже говорили, что все стали подразделяются на два типа: углеродистые и легированные.

Углеродистые стали. По содержанию углерода эти стали в свою очередь подразделяются на низкоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую стали. Твердость углеродистых сталей возрастает с повышением содержания углерода. Например, низкоуглеродистая сталь является тягучей и ковкой. Ее используют в тех случаях, когда механическая нагрузка не имеет решающего значения. Различные применения углеродистых сталей указаны в таблице. На долю углеродистых сталей приходится до 90% всего объема производства стали.

Легированные стали. Такие стали содержат до 50% примеси одного или нескольких металлов, чаще всего алюминия, хрома, кобальта, молибдена, никеля, титана, вольфрама и ванадия.

Нержавеющие стали содержат в качестве примесей к железу хром и никель. Эти примеси повышают твердость стали и делают ее устойчивой к коррозии. Последнее свойство обусловлено образованием тонкого слоя оксида хрома (III) на поверхности стали.

Инструментальные стали подразделяются на вольфрамовые и марганцовистые. Добавление этих металлов повышает твердость, прочность и устойчивость при высоких температурах (жаропрочность) стали. Такие стали используются для бурения скважин, изготовления режущих кромок металлообрабатывающих инструментов и тех деталей машин, которые подвергаются большой механической нагрузке.

Кремнистые стали используются для изготовления различного электрооборудования: моторов, электрогенераторов и трансформаторов.

Процесс получения железа начинается со стадии выплавки чугуна, содержащего значительное количество углерода (который попадает в чугун из кокса или древесного угля, используемых для плавления руды). Чугун отличается очень большой твердостью, но он хрупок. Из чугуна можно полностью удалить углерод. Образующееся в результате этой операции сварочное железо представляет собой ковкий, но относительно мягкий материал. В него вновь вводят некоторое количество углерода и в результате получают сталь, которая обладает достаточной вязкостью и в то же время достаточной твердостью. 

    Подсчитать количество электроэнергии, потребной для выплавки 1 т чугуна в электропечи, если принять а) реакция восстановления железа в печи протекает по схеме  

Все металлургические процессы можно разделить на первичные и вторичные. Под первичными процессами понимают извлечение металла из различных природных или искусственных сырых материалов (доменный процесс, прямое получение железа, выплавка черно- 

При всех процессах выплавки жидкая сталь содержит небольшое количество растворенного кислорода (до 0,1%). При кристаллизации стали кислород взаимодействует с растворенным углеродом, образуя оксид углерода (П). Этот газ (а также некоторые другие растворенные в жидкой стали газы), выделяется из стали в виде пузырей. Кроме того, по границам зерен стали выделяются оксиды железа и металлов примесей. Все это приводит к ухудшению механических свойств стали. 

Марганец добывают в виде ферромарганца, содержащего 85- 88% марганца, до 7% углерода, остальное - железо. Выплавку ферромарганца из смеси марганцовых и железных руд осуществляют с помощью угля как восстановителя. Уравнение реакции восстановления МпОз 

При окислении углерода и примесей часть металлического железа окисляется до оксида FeO (угар металла). Для уменьшения потерь металла его регенерируют, то есть восстанавливают до железа. В соответствии с этим в процессе выплавки стали выделяют два последовательно протекаюш их периода - окислительный и восстановительный, что может быть представлено схемой  

Б. Восстановительный период плавки при кислородно-конверторной выплавке стали пространственно отделен от окислительного и протекает после выпуска стали из конвертера в ковше. Одновременно с восстановлением оксида железа FeO в вос- 

Технологический процесс переработки железной руды, угля, известняка и углеводородных топлив в конечный продукт может быть разбит на 3-4 основные стадии, которые осуществляются раздельно с получением определенного продукта, на следующей стадии перерабатываемого в продукт нового вида. Различные стадии процесса могут проходить в одной технологической установке. Это будет способствовать не только экономии энергии и расходов на транспортировку, но и упрощению технологического процесса. Основные технологические стадии при производстве чугуна и стали следующие подготовка сырья (коксование угля, обжиг известняка, производство железорудного агломерата и окатышей) производство чугуна (доменная выплавка, производство губчатого чугуна за счет прямого восстановления железа) стали (в мартеновских и электродуговых печах, бессемеровских и основных кислородных конвертерах) проката (непрерывное литье заготовок, прокатка сортовой стали, производство труб, поковки). 

Первыми используемыми металлами были, вероятно, золото и серебро, поскольку их можно было найти в природ в свободном состоянии. Применяли их в основном в декоративных изделия. Медь начали использовать около 8000 лет до нашей эры для изготовления орудий труда, оружия, кухонной утвари и украшений. Около 3800 лет до нашей эры была изобретена бронза - сплав меди и олова. В результате человечество перешло из каменного в бронзовый век. Затем был найден способ выплавки железа, и начался железный век. По мере того как люди накапливали свой химический опыт, расширялся и круг полезных материалов, которые человек научился получать путем переработки самых разнообразных руд. 

    Пирометаллургические методы выплавки меди нецелесообразно применять для переработки бедных руд, не поддающихся обогащению. К этой категории относятся окисленные руды как бедные, так и более богатые, а также отвалы бедных сульфидных руд и хвостов от обогащения. Для этого сырья применяются методы выщелачивания меди из руды и ее извлечение из растворов посредством осаждения железом или электролиза с нерастворимыми анодами. 

Наиболее распространенной рудой, из которой получается хром, является хромистый железняк РеСгаО. Вычислите содержание (в процентах) примесей в руде, если известно, что из 1 т ее при выплавке получилось 240 кг феррохрома (сплав железа с хромом), содержащего 65% хрома. 

Каково относительное содержание по весу жел за в этой руде (в процентах) Сколько углерода понадобится для выплавки железа из 

При комплексном использовании полиметаллических сульфидных руд получаются разнообразные цветные металлы, серная кислота и оксид железа для выплавки чугуна. Примерами комплексного использования природных материалов, представляющих собой смеси органических веществ, могут служить коксование угля с сопровождающими его химическими производствами, переработка нефти, сланца, торфа и древесины. Из каждого вида топлива получают сотни продуктов. Раньше при коксовании угля единственным продуктом этого процесса был кокс, газ сжигался в печах, а смола выбрасывалась. В настоящее время из коксового газа выделяют бензольные углеводороды, аммиак, сероводород и другие цен- 

Выплавка стекла. Стекло может быть прозрачным или полупрозрачным, бесцветным или окрашенным. Оно является продуктом высокотемпературного переплава смеси кремния (кварц или песок), соды и известняка. Для получения специфических или необычных оптических и других физических свойств в качестве присадки к расплаву или заменителя части соды и известняка в шихте применяют другие материалы (алюминий, поташ, борнокислый натрий, силикат свинца или карбонат бария). Цветные расплавы образуются в результате добавок окислов железа или хрома (желтые или зеленые цвета), сульфида кадмия (оранжевые), окислов кобальта (голубые), марганца (пурпурные) и никеля (фиолетовые). Температуры, до которых должны быть нагреты эти ингредиенты, превышают 1500 °С. Стекло не имеет определенной точки плавления и размягчается до жидкого состояния при температуре 1350-1600 °С. Энергопотребление даже в хорошо сконструированных печах составляет около 4187 кДж/кг производимого стекла. Необходимая температура пламени (1800- 1950 °С) достигается за счет сжигания газа в смеси с воздухом, подогреваемым до 1000 °С в регенеративном теплообменнике, который сооружается из огнеупорного кирпича и нагревается отходящими продуктами сгорания. Газ вдувается в поток горячего воздуха через боковые стенки верхней головки регенератора, которая является основной камерой сгорания, а продукты сгорания, отдав тепло стекломассе, покидают печь и уходят в расположенный напротив регенератор. Когда температура подогрева воздуха, подаваемого на горение, снизится значительно, потоки воздуха и продуктов сгорания реверсируются и газ начнет подаваться в поток воздуха, подогреваемого в расположенном напротив регенераторе. 

Коронирующие электроды в вертикальных электрофильтрах представляют собой тонкую круглую проволоку, проволоку с маленькими шипами либо проволоку, поперечное сечение которой имеет форму квадрата или звезды. Ввиду того, что длина коронирующих электродов часто более 6 м, круглая проволока, будучи достаточно тонкой для того, чтобы обеспечить устойчивую корону, может оказаться недостаточно прочной, особенно по мере того, как она будет подвергаться вибрациям в процессе стряхиваний. В связи с этим применяют проволоку большего калибра с сечением в форме квадрата или звезды, с острыми гранями, которые обеспечивают образование устойчивой короны. В некоторых электрофильтрах предпочтение отдают электродам в виде колючей проволоки, причем совсем недавно они стали использоваться для осаждения тумана оксида железа при кислородной выплавке стали . 

Принцип использования производственных отходов (комплексное использование сырья, безотходная технология). Превращение отходов в побочные продукты производства позволяет полнее использовать сырье, что в свою очередь снижает стоимость продукции и предотвращает загрязнение окружающей среды. Например, из полиметаллических сульфидных руд при комплексной переработке получают цветные металлы, серу, серную кислоту и оксид железа (III) для выплавки чугуна. Комплексное использование сырья служит основой комбинирования предприятий. При этом возникают новые производства, перерабатывающие отходы основного предприятия, что дает высокий экономический эффект и является важнейшим элементом химизации народного хозяйства. 

Металлы можно извлекать из их руд непосредственно электролитическим или химическим восстановлением. Электролитическое восстановление, которое уже обсуждалось в разд. 19.6, используется в промышленных масштабах для получения наиболее активных металлов натрия, магния и алюминия. Менее активные металлы - медь, железо и цинк-получают в промышленных масштабах с помощью химического восстановления, причем большую часть менее активных металлов получают методом высокотемпературного восстановления в расплавленном состоянии. Поэтому такие процессы называются выплавкой. 

Диоксид углерода образуется при восстановлении оксида железа [уравнение (22.20)], а также при разложении известняка. Но известняк играет в выплавке железа не только роль поставщика диоксида углерода. Обычно в восстанавливаемой руде содержится 

При выплавке железа шлак плавает на поверхности расплавленного металла, защищая его от окисления поступающим воздухом. Из печи периодически удаляют образующиеся железо и шлак. Железо, получаемое в доменной печи, называется чугуном и содержит до 5% углерода и до 2% других примесей-кремния, фосфора и серы. 

При выплавке чугуна в домне происходят разнообразные химические процессы, в частности восстановление оксида железа (III) оксидом углерода (II), которое может быть выражено уравнением Ре20з + ЗС0 = Ре-(-ЗС02. 

Химические реакции при выплавке чугуна и стали происходят преимущественно в растворах. Жидкие чугун и сталь представляют собой растворы различных элементов в железе. В доменных и сталеплавильных печах они взаимодействуют с жидким шлаком - раствором окислов. 

Селен и теллур встречаются в таких редких минералах, как СпзЗе, РЬ5е, А 25е, Си2Те, РЬТе, А 2Те и Аи Те, а также в виде примесей в сульфидных рудах меди, железа, никеля и свинца. С промышленной точки зрения важными источниками добычи этих элементов являются медные руды. В процессе их обжига при выплавке металлической меди большая часть селена и теллура остается в меди. При электролитической очистке меди, описанной в разд. 19.6, такие примеси, как селен и теллур, наряду с драгоценными металлами золотом и серебром скапливаются в так называемом анодном иле. При обработке анодного ила концентрированной серной кислотой приблизительно при 400°С происходит окисление селена в диоксид селена, который сублимируется из реакционной смеси  

В ряде случаев (например, при выплавке трансформаторной стали) необходимо достичь очень низкой концентрации углерода 0,002-0,003%. Из приведенного уравнения видно, что для этого следует понижать рсо- Применение вакуумных печей в современной металлургии позволяет выплавлять железо и сталь с минимальным содержанием углерода. 

При выплавке железа из магнитного железняка одна нз протекающих в доменной печи реакций выражается уравнением Рез04 + СО = ЗРеО + Oj Пользуясь данными табл. 5 приложения, определить тепловой эффект реакции. В каком направлении сместится равновесие этой реакции ири повышении температуры  

Магнитный железняк Оксидная железная руда содержание железа 50-70%, состоит в основном из оксида железа(11, ill) РбзО, Сырье для производства чугуна, добавка при производстве стали (выплавка) 

У-88. Из 1 т хромистого железняка Ре(Сг02)а образовалось при выплавке 240 кг сплава железа с хромом - феррохрома, содержащего 65% хрома. Вычислить процентное содержание примесей в руде. 

При выплавке высокохромистых сталей типа Х18Н10Т на рабочей поверхности огнеупорной футеровки образуется своесбразный гарнисаж с повышенным содержанием AlA TiO., (до 33%), оксидов железа (до 57%) и оксидов хрома (до 33%), что ведет к увеличению срока службы футеровки. 

В результате в печи образуются два жидких слоя - сверху более легкий шлак, а внизу - расплав, состоящий из FeS и U2S (штейн). Шлак сливают, а жидкий штейн переливают в конвертор, в- который добавляют флюс и вдувают воздух. Конвертор для выплавки меди аналогичен используемому для получения стали, только воздух в него подается сбоку (при подаче воздуха снизу медь сильно охлаждается и затвердевает). В конверторе образуется расплавленная медь, сульфид железа превращается в оксид, который переходит в шлак  

Конечное содержание серы в прокаленном коксе из гудрона арланской нефти такое же, как в коксе из крекинг-остатка ромашкинской нефти, т. е. менее 1%. Остальные показатели в основном одинаковы, за исключением содержания ванадия (для арланского кокса в 1,5 раза выше), железа и других металлов. Повышенное содержание ванадия в обессеренном коксе объясняется высоким его содержанием в арланской нефти. Из-за этого такой кокс нельзя применять в алюминиевой промышленности. При выплавке алюминия ванадий, как и другие металлы, из кокса по- 

В работе описано влияние марганца на сульфидное растрескивание сталей. Марганец в количестве от 1 до 167о вводили прн выплавке в армо-железо, содержащее 0,04% С, в сталь 20, и в сталь У8. Результаты исследований приведены в табл. 1.2, из которой видно, что легирование сталей марганцем увеличивает их склонность к растрескиванию в сероводородсодержащей среде, причем отрицательное влияние марганца зависит от содержания углерода в стали. Так, отрицательное влияние марганца для армо-железа, стали 20 и стали У8 начинает проявляться при его содержании 3 2 н 1 % соответственно. Отрицательное влияние марганца на растрескивание сталей авторы связывают с появлением бей- 

В металлургии большое значение имеет сплав железа с кремнием - ферросилиций. Он применяется для раскисления многих марок стали и для получения кремнеуглеродистых ферросплавов. Ферросилиций с содержанием 9-17% 51 выплавляется в доменных печах из кварца, железной стружки и кокса. Ферросилиций с высоким содержанием кремния - перспективный материал для изготовления деталей химической аппаратуры благодаря исключительной кислотостойкости. Он широко применяется в качестве восстановителя при выплавке силикомарганца, ферровольфрама, ферромолибдена. Добавка кремния к стали в виде ферросилиция при ее выплавке придает ей упругость, повышает устойчивость против коррозии. 

Некоторые особенности типичного процесса выплавки можно проиллюстрировать на примере восстановления железа. Непрерывную выплавку железа производят в особом реакторе, называемом доменной печью ее схематическое изображение приведено на рис. 22.16. Сверху в доменную печь загружают смесь кокса, известняка и измельченной руды, обычно содержащей FejOs. (Кокс представляет собой твердый остаток, получаемый при коксовании природных топлив, главным образом каменного угля, с целью удаления из них летучих компонентов.) Снизу в печь нагнетают нагретый воздух, иногда обогащенный кислородом. Для получения 1 т железа необходимо примерно 2 т руды, 1 т кокса и 0,3 т известняка. Одна доменная печь позволяет получать до 2000 т железа в сутки. Нагнетаемый в печь воздух реагирует с углеродом, образуя СО. При этом выделяется такое количество тепла, что в нижней части печи развивается температура порядка 1500°С. Восстановление металлического железа можно описать реакциями 

Сколько тонн магнитного железняка, состаящего на 90% из FegOi, могут дать при выплавке 2 т чугуна с 93%-ным содержанием железа, если выход продукта составляет 92%  

Введение кремния в стали и чугун сопровождается образованием силицидов железа (ферросилиций FeSi). Чугун с содержанием 15-17% кремния кислотоупорен. Ферросилиций добавляют в сталь при ее выплавке, чтобы удалить содержащийся кислород  

ШТЕЙН - промежуточный продукт при выплавке некоторых цветных металлов (Си, N1, Рв и др.) из их сз льфидных руд. Ш. - сплав сульфида железа с сульфидами получаемых металлов (напр., Си, 8). 

Явление понижения температуры плавления растворов имеет важное значение как в природе, так и в технике. Например, выплавка чугуна из железной руды существенно облегчается тем, что температура плавления железа понижается примерно на 400° С благодаря тому, что в нем растворяется углерод и другие элемен-Растдоритель ты. То же относится и к тугоплавким окислам, составляющим пустую породу, которые вместе с флюсами (СаО) образуют раствор (шлак), плавящийся при относительно низкой температуре. Это позволяет осуществлять непрерывно периодический процесс в доменных печах, выпуская из них жидкие чугун и шлак.  ]

Редко бывает так, что я посещаю одно и то же производство дважды. Но когда меня опять позвали на Лебединский ГОК и ОЭМК, то я решил, что нужно пользоваться моментом. Интересно было посмотреть, что изменилось за 4 года с прошлой поездки, к тому же в этот раз я был больше экипирован и помимо фотоаппарата, захватил с собой еще и 4К камеру для того, чтобы передать вам в действительности всю атмосферу, обжигающие и завораживающие глаза кадры с ГОКа и сталелитейных цехов Оскольского электрометаллургического комбината.

Сегодня специально для репортаж о добыче железной руды, ее переработке, переплавке и получении стальных изделий.

Лебединский ГОК является крупнейшим российским предприятием по добыче и обогащению железной руды и имеет самый крупный в мире карьер по добыче железной руды. Комбинат и карьер расположены в Белгородской области, недалеко от г. Губкин. Предприятие входит в компанию "Металлоинвест" и является лидирующим производителем железорудной продукции в России.

Вид со смотровой площадки при въезде на карьер завораживает.

Он действительно огромный и разрастается с каждым днем. Глубина карьера Лебединского ГОКа - 250 м от уровня моря или 450 м - от поверхности земли (а диаметр - 4 на 5 километров), в него постоянно просачиваются подземные воды, и если бы не работа насосов, то он заполнился до самого верха за месяц. Он дважды занесен в книгу рекордов Гиннесса как крупнейший карьер по добыче негорючих полезных ископаемых.

Так он выглядит с высоты полета шпионского спутника.

Помимо Лебединского ГОКа, в состав Металлоинвест также входит Михайловский ГОК, что расположен в Курской области. Вместе два крупнейших комбината выводят компанию в мировые лидеры по добыче и переработке железной руды в России, и в 5-ку в мире по производству товарной железной руды. Совокупные разведанные запасы этих комбинатов оцениваются в 14,2 млрд тонн по международной классификации JORС, что гарантирует около 150 лет эксплуатационного периода при текущем уровне добычи. Так что горняки и их дети будут надолго обеспечены работой.

Погода в этот раз также не была солнечной, местами даже моросил дождь, чего не было в планах, но от того фотографии вышли еще контрастнее).

Примечательно, что прямо “в сердце” карьера расположен участок с пустой породой, вокруг которого уже добыли всю руду содержащую железо. За 4 года он заметно уменьшился, поскольку сие мешает дальнейшему развитию карьера и его планомерно вырабатывают тоже.

Железную руду загружают тут же в жд составы, в специальные усиленные вагоны, которые вывозят руду из карьера, они называются думпкары, их грузоподъемность - 120 тонн.

Геологические пласты, по которым можно изучать историю развития Земли.

Кстати, верхние слои карьера, состоящие из каменных пород, не содержащих железо, не уходят в отвал, а перерабатываются в щебень, который потом используется как стройматериал.

Гигантские машины с высоты обзорной площадки кажутся не больше муравья.

По этой железной дороге, которая связывает карьер с заводами, руду транспортируют на дальнейшую переработку. Об этом рассказ будет дальше.

В карьере работает много всевозможной техники, но самая заметная, конечно же, - это многотонные самосвалы "Белаз" и "Caterpillar".

Кстати, у этих гигантов есть такие же автомобильные номера, как и обычных легковых авто и они зарегистрированы в ГИБДД.

В год оба горно обогатительных комбината входящих в Металлоинвест (Лебединский и Михайловский ГОК) производят около 40 млн. тонн железной руды в виде концентрата и аглоруды (это не объем добычи, а обогащенная уже руда, то есть отделенная от пустой породы). Таким образом выходит, что в день на двух ГОКах производится в среднем около 110 тысяч тонн обогащенной железной руды.

Этот Белаз за один раз перевозит до 220 тонн железной руды.

Экскаватор дает сигнал и он аккуратно дает задний ход. Всего несколько ковшов и кузов гиганта заполнен. Экскаватор еще раз дает сигнал и самосвал отъезжает.
У этого экскаватора "Хитачи", который является самым крупным в карьере емкость ковша 23 куб.м.

"Белаз" и "Caterpillar" чередуются. Импортный самосвал перевозит кстати всего 180 тонн.

Скоро и этой грудой заинтересуется водитель "Хитачи".

Интересная фактура у железной руды.

Ежесуточно в карьере Лебединского ГОКа работает 133 единицы основной горной техники (30 большегрузных самосвалов, 38 экскаваторов, 20 бурстанков, 45 тяговых агрегатов).

Белазы помельче

Взрывы увидеть не удалось, да и редко когда сми или блогеров пускают на них из-за норм безопасности, Такой взрыв делают один раз в три недели. Вся техника и работники по нормам безопасности перед этим выводится из карьера.

Ну а потом самосвалы выгружают руду ближе к железной дороге тут же в карьере, откуда другие экскаваторы перегружают ее в думпкары, о которых я писал выше.

Затем руду везут на обогатительную фабрику, где железистые кварциты подвергаются дроблению и происходит процесс отделения пустой породы методом магнитной сепарации: руду измельчают, потом отправляют на магнитный барабан (сепаратор), к которому в соответствии с законами физики все железное прилипает, а не железное - смывается водой. После этого из полученного железорудного концентрата делают окатыши и ГБЖ, которое затем используется для выплавки стали.

На фото мельница, перемалывающая руду.

В цехах стоят такие поильники, все-таки тут жарко, а без воды никак.

Масштабы цеха, где в барабанах дробится руда впечатляют. Руда перемалывается естественным образом, когда камни бьются друг о друга в процессе вращения. В барабан с семиметровым диаметром помещается около 150 тонн руды. Существуют и 9-метровые барабаны, их производительность больше чуть ли не вдвое!

Зашли на минуту в пульт управления цехом. Здесь довольно скромно, но напряжение чувствуется сразу: работают диспетчеры и контролируют рабочий процесс на пультах управления. Все процессы автоматизированы, поэтому любое вмешательство - будь то остановка или запуск какого либо из узлов проходит через них и с их непосредственным участием.

Следующей точкой маршрута стал комплекс третьей очереди цеха по производству горячебрикетированного железа - ЦГБЖ-3, на котором как вы уже догадались, производится горячебрикетированное железо.

Производственная мощность ЦГБЖ-3 составляет 1,8 млн тонн продукции в год, общий объем производственных мощностей компании с учетом 1 и 2 очереди по производству ГБЖ вырос совокупно до 4,5 млн тонн в год.

Комплекс ЦГБЖ-3 занимает территорию в 19 гектаров, и в него входит около 130 объектов: станции грохочения шихты и продукта, тракты и транспортировки окисленных окатышей и готовой продукции, системы обеспыливания нижнего уплотнительного газа и ГБЖ, эстакады трубопроводов, редукционная станция природного газа, станция уплотнительного газа, электрические подстанции, реформер, компрессор технологического газа и другие объекты. Сама шахтная печь высотой 35,4 м, размещается в восьмиярусной металлоконструкции высотой 126 метров.

Также в рамках проекта также была проведена и модернизация сопутствующих производств - обогатительной фабрики и фабрики окомкования, обеспечивших выпуск дополнительных объемов железорудного концентрата (содержанием железа более 70%) и высокоосновных окатышей повышенного качества.

Производство ГБЖ сегодня является самым экологичным способ получения железа. При его производстве не образуются вредные выбросы, связанные с производством кокса, агломерата и чугуна, кроме того нет и твёрдых отходов в виде шлака. По сравнении с производством чугуна энергозатраты на производство ГБЖ ниже на 35%, выбросы парниковых газов - ниже на 60%.
Производится ГБЖ из окатышей при температуре около 900 градусов.

В последующем через пресс-форму или как ее еще называют “брикет-пресс” образуются железные брикеты.

Вот так выглядит товарная продукция:

Ну теперь немного позагораем в горячих цехах! Это Оскольский электрометаллургический комбинат, проще говоря ОЭМК, где плавится сталь.

Близко подходит нельзя, жар чувствуется ощутимо.

На верхних этажах горячий, богатый железом суп помешивают половником.

Занимаются этим жаростойкие сталевары.

Слегка пропустил момент выливания железа в специальную емкость.

А это уже готовый железный суп, пожалуйте к столу, пока не остыл.

И еще один такой же.

А мы идем дальше по цеху. На рисунке можно заметить образцы стальных изделий, которые производит завод.

Производство здесь очень фактурное.

В одном из цехов комбината производят вот такие стальные заготовки. Их длина может достигать от 4 до 12 метров, в зависимости от желания заказчиков. На фото 6-ручьевая машина непрерывного литья заготовок.

Здесь видно, как заготовки режутся на куски.

В следующем цеху горячие заготовки охлаждаются водой до нужной температуры.

А так выглядят уже остывшие, но еще не обработанные изделия.

Это склад, куда помещаются такие полуфабрикаты.

А это многотонные, тяжелые валы для проката железа.

В соседнем цехе ОЭМК обтачивают и полируют стальные пруты разного диаметра, прошедшие прокат в предыдущих цехах. Кстати, этот комбинат - седьмое по величине предприятие в России по производству стали и стальной продукции.

После полировки продукция в соседнем цехе.

Еще один цех, здесь происходит обточка и полировка изделий.

Так они выглядят в необработанном виде.

Складывание полированных прутов воедино.

И складирование с помощью крана.

Основными потребителями металлопродукции ОЭМК на российском рынке являются предприятия автомобильной, машиностроительной, трубной, метизной и подшипниковой промышленности.

Нравятся сложенные аккуратно стальные пруты).

ОЭМК применяет передовые технологии, включая технологию прямого восстановления железа и электродуговой плавки, что обеспечивает производство металла высокого качества, с уменьшенным содержанием примесей.

Металлопродукция ОЭМК экспортируется в Германию, Францию, США, Италию, Норвегию, Турцию, Египет и многие другие страны.

Комбинат производит изделия, используемые ведущими мировыми автомобилестроителями, такими как Peugeot, Mercedes, Ford, Renault, Volkswagen. Из них делают подшипники для этих самых иномарок.

По требованию заказчика на каждое изделие клеится стикер. На стикере проштамповывается номер плавки и код марки стали.

Противоположный конец может маркироваться краской, а к каждому пакету к готовыми изделиями крепятся бирки с номером контракта, страны назначения, марки стали, номера плавки, размера в миллиметрах, наименования поставщика и веса пакета.

Спасибо, что дочитали до конца, надеюсь вам было интересно.
Отдельное спасибо кампании "Металлоинвест" за приглашение!

Жми на кнопку, чтобы подписаться на "Как это сделано"!