Одержання заліза із залізної руди проводиться в дві стадії. Воно починається з підготовки руди-подрібнення і нагрівання. Руду подрібнюють на шматки діаметром не більше 10 см. Потім подрібнену руду прожарюють для видалення води і летючих домішок.
На другій стадії залізну руду відновлюють до заліза за допомогою оксиду вуглецю в доменній печі. Відновлення проводиться при температурах порядку 700 ° С:
Для підвищення виходу заліза цей процес проводиться в умовах надлишку діоксиду вуглецю СО2.
Моноксид вуглецю СО утворюється в доменній печі з коксу і повітря. Повітря спочатку нагрівають приблизно до 600 ° С і нагнітають в піч через особливу трубу-фурму. Кокс згорає в гарячому стислому повітрі, утворюючи діоксид вуглецю. Ця реакція екзотермічну і викликає підвищення температури вище 1700 ° С:
Діоксид вуглецю піднімається вгору в печі і реагує з новими порціями коксу, утворюючи моноксид вуглецю. Ця реакція ендотермічну:
Залізо, що утворюється при відновленні руди, забруднено домішками піску і глинозему (див. вище). Для їх видалення в піч додають вапняк. При температурах, що існують у печі, вапняк піддається термічному розкладанню з утворенням оксиду кальцію і діоксиду вуглецю:
Оксид кальцію з'єднується з домішками, утворюючи шлак. Шлак містить силікат кальцію і алюмінат кальцію:
Залізо плавиться при 1540 ° С. Розплавлене залізо разом з розплавленим шлаком стікають в нижню частину печі. Розплавлений шлак плаває на поверхні розплавленого заліза. Періодично з печі випускають на відповідному рівні кожен з цих шарів.
Доменна піч працює цілодобово, в безперервному режимі. Сировиною для доменного процесу служать залізна руда, кокс і вапняк. Їх постійно завантажують у піч через верхню частину. Залізо випускають з печі чотири рази на добу, через рівні проміжки часу. Воно виливається з печі вогненним потоком при температурі близько 1500 ° С. Доменні печі бувають різної величини і продуктивності (1000-3000 т на добу). У США існують деякі печі нової конструкції з чотирма випускними отворами і безперервним випуском розплавленого заліза. Такі печі мають продуктивність до 10000 т на добу.
Залізо, відлив у доменній печі, розливають в пісочні виливниці. Таке залізо називається чавун. Вміст заліза в чавуні становить близько 95%. Чавун являє собою тверде, але крихке речовина з температурою плавлення близько 1200 ° С.
Літос залізо отримують, сплавляючи суміш чавуну, металобрухту і сталі з коксом. Розплавлене залізо розливають у форми і охолоджують.
Зварювальне залізо являє собою найбільш чистий форму технічного заліза. Його отримують, нагріваючи неочищена залізо з гематитом і вапняком в плавильній печі. Це підвищує чистоту заліза приблизно до 99,5%. Його температура плавлення підвищується до 1400 ° С. Зварювальне залізо має більшу міцність, ковкість і тягучість. Однак для багатьох застосувань його замінюють низьковуглецевої сталлю (див. нижче).
Хімічні реакції при виплавці чавуну із залізної рудиВ основі виробництва чавуну лежить процес відновлення заліза з його оксидів окисом вуглецю.
Відомо, що окис вуглецю можна отримати, діючи киснем повітря на розпечений кокс. При цьому спочатку утворюється двоокис вуглецю, яка при високій температурі відновлюється вуглецем коксу в окис вуглецю:
Відновлення заліза з окису заліза відбувається поступово. Спочатку окис заліза відновлюється до закису-окису заліза:
Далі закис-окис заліза відновлюється на закис заліза:
і, нарешті, з закису заліза відновлюється залізо:
Швидкість цих реакцій зростає з підвищенням температури, із збільшенням в руді вмісту заліза і зі зменшенням розмірів шматків руди. Тому процес ведуть при високих температурах, а руду попередньо збагачують, подрібнюють, і шматки сортують за крупністю: у шматках однакової величини відновлення заліза відбувається за одне і те ж час. Оптимальні розміри шматків руди і коксу від 4 до 8-10 см. Дрібну руду попередньо спікають (агломеріруют) шляхом нагрівання до високої температури. При цьому з руди видаляється більшість сірки.
Залізо відновлюється окисом вуглецю практично повністю. Одночасно частково відновлюються кремній і марганець. Відновлене залізо утворює сплав з вуглецем коксу. кремнієм, марганцем, і з'єднаннями, сірки та фосфору. Цей сплав-рідкий чавун. Температура плавлення чавуну значно нижче за температуру плавлення чистого заліза.
Порожня порода і зола палива також повинні бути розплавлені. Для зниження температури плавлення до складу «плавильних» матеріалів вводять, крім руди і коксу, флюси (плавні) - здебільшого вапняк СаСО3 і доломіт CaCO3 × МgСО3. Продукти розкладання флюсів при нагріванні утворюють з речовинами, що входять до складу пустої породи і золи коксу, сполуки з більш низькими температурами плавлення, переважно силікати і алюмосилікати кальцію і магнію, наприклад, 2CaO × Al2O3 × SiO2, 2CaO × Mg0 × 2Si02.
Хімічний склад сировини, що надходить на переробку, іноді коливається в широких межах. Щоб вести процес при постійних і найкращих умовах, сировину «усереднюють» за хімічним складом, тобто змішують руди різного хімічного складу в певних вагових відносинах і отримують суміші постійного складу. Дрібні руди спікають разом з флюсами, отримуючи «офлюсований агломерат». Застосування офлюсованого агломерату дає можливість значно прискорити процес.
Виробництво сталіСтали поділяються на два типи. Вуглецеві сталі містять до 1,5% вуглецю. Леговані сталі містять не тільки невеликі кількості вуглецю, але також спеціально вводяться домішки (добавки) інших металів. Нижче докладно розглядаються різні типи сталей, їх властивості та застосування.
Киснево-конвертерний процес. В останні десятиліття виробництво сталі революціонізувало в результаті розробки киснево-конвертерного процесу (відомого також під назвою процесу Лінца-Донавіца). Цей процес почав застосовуватися в 1953 р. на сталеплавильних заводах у двох австрійських металургійних центрах-Лінці і Донавіце.
У киснево-конвертерному процесі використовується кисневий конвертер з основною футеровкой (кладкою). Конвертер завантажують в похилому положенні розплавленим чавуном з плавильної печі і брухтом, потім повертають у вертикальне положення. Після цього в конвертер зверху вводять мідну трубку з водяним охолодженням і через неї направляють на поверхню розплавленого заліза струмінь кисню з домішкою порошкоподібного вапна (СаО). Ця «киснева продування», яка триває 20 хв, призводить до інтенсивного окислення домішок заліза, причому вміст конвертера зберігає рідкий стан завдяки виділенню енергії при реакції окислення. Утворюються оксиди з'єднуються з вапном і перетворюються в шлак. Потім мідну трубку висувають і конвертер нахиляють, щоб злити з нього шлак. Після повторної продувки розплавлену сталь виливають з конвертера (в похилому положенні) в ківш.
Киснево-конвертерний процес використовується головним чином для отримання вуглецевих сталей. Він характеризується великою продуктивністю. За 40-45 хв в одному конвертері може бути отримано 300-350 т сталі.
В даний час всю сталь у Великобританії і велику частину стали у всьому світі отримують за допомогою цього процесу.
Електросталеплавильний процес. Електричні печі використовують головним чином для перетворення сталевого і чавунного металобрухту у високоякісні леговані сталі, наприклад у нержавіючу сталь. Електропіч являє собою круглий глибокий резервуар, викладений вогнетривкою цеглою. Через відкриту кришку піч завантажують металобрухтом, потім кришку закривають і через наявні в ній отвори опускають в піч електроди, поки вони не прийдуть в зіткнення з металобрухтом. Після цього вмикають струм. Між електродами виникає дуга, в якій розвивається температура вище 3000 ° С. При такій температурі метал плавиться і утворюється нова сталь. Кожне завантаження печі дозволяє отримати 25-50 т сталі.
Сталь виходить з чавуну при видаленні з нього здебільшого вуглецю, кремнію, марганцю, фосфору і сірки. Для цього чавун піддають окисної плавки. Продукти окислення виділяються в газоподібному стані і у вигляді шлаку.
Так як концентрація заліза в чавуні значно вище, ніж інших речовин, то спочатку інтенсивно окислюється залізо. Частина заліза переходить на закис заліза:
Реакція йде з виділенням тепла.
Закис заліза, перемішуючись з розплавом, окисляє кремній марганець і вуглець:
Si +2 FeO = SiO2 +2 Fe
Mn + FeO = MnO + Fe
C + FeO = CO + Fe
Перші дві реакції екзотермічну. Особливо багато тепла виділяється при окисленні кремнію.
Фосфор окислюється в фосфорний ангідрид, який утворює з окислами металів сполуки, розчинні в шлаку. Але вміст сірки знижується незначно, і тому важливо, аби у вихідних матеріалах було мало сірки.
Після завершення окислювальних реакцій в рідкому сплаві міститься ще закис заліза, від якої його необхідно звільнити. Крім того, необхідно довести до встановлених норм утримання в сталі вуглецю, кремнію і марганцю. Тому до кінця плавки додають відновники, наприклад феромарганець (сплав заліза з марганцем) та інші так звані «раскислители». Марганець реагує із закисом заліза і «сраскісляет» сталь:
Мп + F ЄВ = М n О + Fe
Переділ чавуну в сталь здійснюється в даний час різними способами. Більш старим, застосованим вперше в середині XIX ст. є спосіб Бессемера.
Спосіб Бессемера. За цим способом переділ чавуну в сталь проводиться шляхом продування повітря через розплавлений гарячий чавун. Процес протікає без витрати палива за рахунок тепла, що виділяється при екзотермічних реакціях окислення кремнію, марганцю та інших елементів.
Процес проводиться в апараті, який називається на прізвище винахідника конвертером Бессемера. Він являє собою грушоподібний сталевий посудину, футеровані всередині вогнетривким матеріалом. У дні конвертера є отвори, через які подається в апарат повітря. Апарат працює періодично. Повернувши апарат у горизонтальне положення, заливають чавун і подають повітря. Потім повертають апарат у вертикальне положення. На початку процесу окислюються залізо, кремній і марганець, потім вуглець. Окис вуглецю згоряє над конвертером сліпучо яскравим полум'ям довжиною до 8 л. Полум'я поступово змінюється бурим димом. Починається горіння заліза. Це вказує, що період інтенсивного окислення вуглецю закінчується. Тоді подачу повітря припиняють, переводять конвертер в горизонтальне положення і вносять раскислители.
Процес Бессемера має ряд переваг. Він протікає дуже швидко (протягом 15 хвилин), тому продуктивність апарату велика. Для проведення процесу не потрібно витрачати паливо або електричну енергію. Але цим способом можна переробляти в сталь не всі, а тільки окремі сорти чавуну. До того ж значна кількість заліза в бесемерівському процесі окислюється і втрачається (великий «чад» заліза).
Значним удосконаленням у виробництві сталі в конвертерах Бессемера є застосування для продувки замість повітря суміші його з чистим киснем («збагаченого повітря»), що дозволяє отримувати стали більш високої якості.
Мартенівський спосіб. Основним способом переділу чавуну в сталь в даний час мартенівський. Тепло, необхідне для проведення процесу, виходить за допомогою спалювання газоподібного або рідкого палива. Процес отримання сталі здійснюється в полум'яній печі - мартенівської печі.
Домішки, що містяться в шихті, окислюються вільним, киснем топкових газів і киснем, що входять до складу залізної руди, окалини та іржі.
Плавильний простір мартенівської печі є ванну, перекриту склепінням з вогнетривкої цегли. У передній стінці печі перебувають завантажувальні вікна, через які завалочні машини завантажують у піч шихту. У задній стінці знаходиться отвір для випуску сталі. З обох сторін ванни розташовані головки з каналами для підведення палива і повітря і відводу продуктів горіння. Піч ємністю 350 т має довжину 25 м і завширшки 7 м.
Мартенівська піч працює періодично. Після випуску сталі в гарячу піч завантажують у встановленій послідовності брухт, залізну руду, чавун, а як флюс - вапняк або вапно. Шихта плавиться. При цьому інтенсивно окислюються: частина заліза, кремній і марганець. Потім починається період швидкого окислення вуглецю, званий періодом «кипіння», - рух бульбашок окису вуглецю через шар розплавленого металу створює враження, що він кипить.
В кінці процесу додають раскислители. За зміною складу сплаву ретельно стежать, керуючись даними експрес-аналізу, що дозволяє дати відповідь про склад стали протягом декількох хвилин. Готову сталь виливають у ковші. Для підвищення температури полум'я газоподібне паливо і повітря попередньо підігрівають у регенераторах. Принцип дії регенераторів той же, що і повітронагрівачів доменного виробництва. Насадка регенератора нагрівається відходять з печі газами, і коли вона нагріється, через регенератор починають подавати в піч повітря. У цей час нагрівається інший регенератор. Для регулювання теплового режиму піч забезпечується автоматичними пристосуваннями.
У мартенівської печі, на відміну від конвертера Бессемера, можна переробляти не тільки рідкий чавун, а й твердий, а також відходи металообробної промисловості і сталевий брухт. У шихту вводять також і залізну руду. Склад шихти можна змінювати в широких межах і виплавляти стали різноманітного складу, як вуглецеві, так і леговані.
Російськими вченими і сталеварами розроблені методи швидкісного сталеваріння, що підвищують продуктивність печей. Продуктивність печей виражається кількістю стали, одержуваним з одного квадратного метра площі поду печі в одиницю часу.
Виробництво сталі в електропечах. Застосування електричної енергії у виробництві сталі дає можливість досягати вищої температури і точніше її регулювати. Тому в електропечах виплавляють будь-які марки сталей, у тому числі містять тугоплавкі метали - вольфрам, молібден і ін Втрати легуючих елементів в електропечах менше, ніж в інших печах. При плавці з киснем прискорюється плавлення шихти і особливо окислення вуглецю в рідкому шихті, Застосування кисню дозволяє ще більше підвищити якість електросталі, так як в ній залишається менше розчинених газів і неметалічних включень.
У промисловості застосовують два типи електропечей: дугові й індукційні. У дугових печах тепло виходить внаслідок утворення електричної дуги між електродами і шихтою. В індукційних печах тепло виходить за рахунок индуцируемого в металі електричного струму.
Сталеплавильні печі всіх типів - бесемерівський конвертери, мартенівські та електричні - є апаратами періодичної дії. До недоліків періодичних процесів відносяться, як відомо, витрата часу на завантаження і розвантаження апаратів, необхідність змінювати умови в міру перебігу процесу, трудність регулювання та ін Тому перед металургами стоїть завдання створення нового безперервного процесу.
Застосування як конструкційних матеріалів сплавів заліза.Деякі d-елементи широко використовуються для виготовлення конструкційних матеріалів, головним чином у вигляді сплавів. Сплав-це суміш (або розчин) будь-якого металу з одним або кількома іншими елементами.
Сплави, головною складовою частиною яких служить залізо, називаються сталями. Вище ми вже говорили, що всі стали поділяються на два типи: вуглецеві і леговані.
| Вуглецеві сталі | ||
| Тип стали | Зміст вуглецю,% | Застосування |
| Низьковуглецева | 0,2 | Загальне машинобудування: корпусу автомашин, дріт, труби, болти і гайки |
| Середньовуглецевих | 0,3-0,6 | Балки і ферми, пружини |
| Високовуглецева | 0,6-1,5 | Свердла, ножі, молотки, різці |
Вуглецеві сталі. За вмістом вуглецю ці стали в свою чергу поділяються на низкоуглеродистую, середньовуглецевих і високовуглецеву сталі. Твердість вуглецевих сталей зростає з підвищенням вмісту вуглецю. Наприклад, низьковуглецевий сталь є тягучою і куванням. Її використовують в тих випадках, коли механічне навантаження не має вирішального значення. Різні застосування вуглецевих сталей вказані в таблиці. На частку вуглецевих сталей припадає до 90% усього обсягу виробництва сталі.
Леговані сталі. Такі стали містять до 50% домішки одного або декількох металів, найчастіше алюмінію, хрому, кобальту, молібдену, нікелю, титану, вольфраму і ванадію.
Нержавіючі сталі містять як домішки до заліза хром і нікель. Ці домішки підвищують твердість сталі та роблять її стійкою до корозії. Остання властивість обумовлена утворенням тонкого шару оксиду хрому (III) на поверхні сталі.
Інструментальні сталі підрозділяються на вольфрамові та марганцевистих. Додавання цих металів підвищує твердість, міцність і стійкість при високих температурах (жароміцність) сталі. Такі стали використовуються для буріння свердловин, виготовлення ріжучих крайок металообробних інструментів і тих деталей машин, які зазнають великого механічного навантаження.
Крем'янисті стали використовуються для виготовлення різного електрообладнання: моторів, електрогенераторів і трансформаторів.