Залізо та його роль
Герою знаменитого роману Даніеля Дефо пощастило. Корабель, з якого він врятувався, сидів на мілині зовсім недалеко від острова. Робінзон зумів занурити на пліт все необхідне і благополучно переправився на острів. Йому пощастило ще раз - цитуємо роман: "Після довгих пошуків я знайшов ящик нашого тесляра, і це була для мене справді дорогоцінна знахідка, якій я не віддав би тоді за цілий корабель із золотом".
Що було в плотницком ящику? Звичайний залізний інструмент: сокира, пила, молоток, цвяхи.
Через два століття на інший безлюдний острів потрапили герої іншого французького роману - п'ятеро американців. Вони зуміли не тільки вижити на острові, а й створити собі більш-менш нормальні умови життя, що виразно не вдалося б, якби всезнаючий інженер Сайрес Сміт (зауважимо, що по-англійськи "сміт" означає "коваль") не зумів знайти на таємничому острові залізну руду і зробити залізні інструменти. Інакше знову припали б Жюлю Верну виручати своїх героїв за допомогою знаменитого капітана Немо.
Як бачимо, без заліза не може обійтися навіть пригодницька література. Надзвичайно важливе місце займає цей метал в житті людини.
Цифри, що відображають річний рівень виплавки сталі, в значній мірі визначають економічну міць країни. Світове виробництво сталі вже перевищила 600 млн. т, і меж цьому зростанню поки не видно. Серед найважливіших будівництв десятої п'ятирічки поряд з БАМом і КамАЗом у всіх документах незмінно фігурує Оскольський електрометалургійний комбінат.
Точно так же найважливішими будівництвами перших наших п'ятирічок були Магнітогорський і Кузнецький металургійні комбінати.
Розвитку чорної металургії - металургії заліза - надавав першорядне значення Володимир Ілліч Ленін. Ще до Жовтневої революції, в 1913р., У статті "Залізо в селянському господарство" він писав:
"Щодо заліза - одного з фундаментів, можна сказати, цивілізації - відсталість і дикість Росії особливо великі". Дійсно, в той рік, а 1913 вважався в царській Росії роком промислового підйому, у величезній країні з 150-мільйонним населенням було виплавлено лише 3,6 млнт сталі. Зараз це середня річна продуктивність середнього металургійного заводу. Сьогодні Радянський Союз з виплавки чавуну і сталі впевнено тримає перше місце в світі. У 1975р. в країні виплавлені 141млнт сталі і 103млнт чавуну (в США, відповідно, для порівняння: 110 і 75млнт).
Початок залізного віку
Був час, коли залізо на землі цінувалося значно дорожче золота. Радянський історик Г. Арешян вивчав вплив заліза на давню культуру країн Середземномор'я. Він наводить таку пропорцію: 1:160:1280:6400. Це співвідношення вартостей міді, срібла, золота та заліза у стародавніх хеттів. Як свідчить в "Одіссеї" Гомер, переможця ігор, влаштованих Ахіллесом, нагороджували шматком золота і шматком заліза.
Залізо було в рівній мірі необхідно і воїну, і орача, а практична потреба, як відомо, - кращий двигун виробництва і технічного прогресу.
Термін "залізний вік" введений в науку в середині XIX ст. датським археологом К.Ю. Томсеном. "Офіційні" межі цього періоду людської історії: від IX ... VIIвв. дон.е. коли в багатьох народів і племен Європи та Азії почала розвиватися металургія заліза, і до часу виникнення у цих племен класового суспільства і держави. Але якщо епохи називати по головному матеріалу знарядь праці, то, очевидно, залізний вік продовжується і сьогодні.
Як отримували залізо наші далекі предки? Спочатку так званим сиродутним методом. Сиродутний печі влаштовували прямо на землі, зазвичай на схилах ярів і канав. Вони мали вигляд труби. Цю трубу заповнювали деревним вугіллям і залізною рудою. Вугілля запалювали, і вітер, що дув у схил яру, підтримував горіння вугілля. Залізна руда відновлювалася, і виходила м'яка криця - залізо з включеннями шлаку. Таке залізо називалося зварювальним, в ньому містилося трохи вуглецю і домішок, які перейшли з руди. Крицю кували. Шматки шлаку відвалювалися, і під молотом залишалося залізо, пронизане шлаковими нитками. З нього отковивалі різні знаряддя.
Століття зварювального заліза був довгим, проте людям давнини та раннього середньовіччя було знайоме й інше залізо. Знамениту дамаську сталь (або булат) робили на Сході ще за часів Аристотеля (IVв.дон.е.). Але технологія її виробництва, так само як процес виготовлення булатні клинків, трималася в секреті.
Що таке булат
І булат, і дамаська сталь за хімічним складом не відрізняються від звичайної нелегованої сталі. Це сплави заліза з вуглецем. Але на відміну від звичайної вуглецевої сталі булат має дуже високу стійкість та пружністю, а також здатністю давати лезо виняткової гостроти.
Секрет булату не давав спокою металургам багатьох століть і країн. Яких тільки способів і рецептів не пропонувалося! У залізо додавали золото, срібло, дорогоцінні камені, слонову кістку. Придумує хитромудрий (і деколи жахливі) "технології". Один з найдавніших рад: для загартування занурювати клинок не в воду, а в тіло м'язистого раба, - щоб його сила перейшла в сталь.
Розкрити секрет булату вдалося в першій половині минулого століття чудовому російському металургові П.П. Аносову. Він брав найчистіше крічном залізо і поміщав їх у відкритому тиглі в горн з деревним вугіллям. Залізо, плавлячись, насищалося вуглецем, покривалося шлаком з кристалічного доломіту, іноді з добавкою чистої залізної окалини. Під цим шлаком воно дуже інтенсивно звільнялося від кисню, сірки, фосфору і кремнію. Але це було тільки півсправи. Потрібно було ще охолодити сталь якомога спокійніше і повільніше, щоб в процесі кристалізації спочатку могли утворитися великі кристали розгалуженої структури - так звані дендрити. Охолодження йшло прямо в горні, заповненому розпеченим вугіллям. Потім йшла майстерна кування, яка ні мала порушити утворилася структуру.
Інший російський металург - Д.К. Чернов згодом пояснив походження унікальних властивостей булату, зв'язавши їх зі структурою. Дендрити складаються з тугоплавкої, але відносно м'якої сталі, а простір між їх "гілками" заповнюється в процесі застигання металу більш насиченою вуглецем, а отже, і більш твердої сталлю. Звідси велика твердість і велика в'язкість одночасно. При куванні цей сталевий "гібрид" не руйнується, зберігається його деревоподібна структура, але тільки з прямолінійною вона перетворюється в зигзагоподібну. Особливості малюнка значною мірою залежать від сили та напряму ударів, від майстерності коваля.
Дамаська сталь старовини - це той же булат, але пізніше так називали сталь, отриману шляхом ковальського зварювання з численних сталевих зволікань або смуг. Зволікання робилися з сталей з різним вмістом вуглецю, звідси ті ж властивості, що й у булату. У середні століття мистецтво приготування такої сталі досягло найбільшого розвитку. Відомий японський клинок, в структурі якого виявлено близько 4млн мікроскопічно тонких сталевих ниток. Природно, процес виготовлення зброї з дамаської сталі ще більш трудомісткий, ніж процес виготовлення булатні шабель.
До речі, після смерті П.П. Аносова секрет булату був знову загублений. Втретє його відкрили вже у середині ХХ ст. Булатні пластинки були своєрідними сувенірами: металурги Златоуста вручали їх учасникам Всесоюзної наради прокатників, що проходив в цьому місті в 1961р.
Повернемося, однак, в ті часи, коли булат був прекрасною і небезпечною дивиною.
Від домниці до домні
Сиродутний процес багато в чому залежав від погоди: потрібно було, щоб вітер обов'язково задував в "трубу". Прагнення позбутися від примх погоди призвело до створення хутра, якими роздмухували вогонь у горні сиродутним. З появою хутра відпала потреба влаштовувати сиродутним сурми на схилах. З'явилися печі нового типу - так звані вовчі ями, які викопували в землі, і домниці, які височіли над землею. Їх робили з каменів, скріплених глиною. В отвір у підстави домниці вставляли трубку хутра і починали роздмухувати піч. Вугілля згоряв, а в горні печі залишалася вже знайома нам криця. Зазвичай, щоб витягти її назовні, виламували кілька каменів в нижній частині печі. Потім їх знову закладали на місце, заповнювали піч вугіллям та рудою, і все починалося спочатку.
Саме слово "Домниця" походить від слов'янського слова "дмуті", що означає "дути". Від цього ж слова походять слова "пихатий" (надутий) і "дим". По-англійськи доменна піч називається, як і по-російськи, дуттьовий - blast furnace. А у французькому та німецькою мовами ці печі дістали назву високих (Hochofen по-німецьки і haut fourneau по-французьки).
Домниці ставали все більше. Збільшувалася продуктивність хутра: вугілля горів все гарячіше, і залізо насищалося вуглецем.
Виймання криці з печі виливався і розплавлений чавун - залізо, що містить більше 2% вуглецю плавящееся при більш низьких температурах. У твердому вигляді чавун не можна кувати, він розлітається на шматки від одного удару молотом. Тому чавун, як і шлак, вважався спочатку відходом виробництва. Англійці навіть назвали його "свинським залізом" - pig iron. Тільки потім металурги зметикували, що рідкий чавун можна заливати у форми й отримувати з нього різні вироби, наприклад гарматні ядра.
До XIV-XVвв. доменні печі, які робили чавун, міцно увійшли в промисловість. Висота їх досягала 3м більше, вони виплавляли ливарний чавун, з якого лили вже не тільки ядра, але і самі гармати.
Справжній поворот від домниці до домні стався лише в 80-х роках XVIII ст., Коли одному з Демидівський прикажчиків прийшла в голову думка подавати дуття в доменну піч не через одне сопло, а через два, розташувавши їх по обидва боки горна. Лиха біда початок! Число сопел, або фурм (як їх тепер називають), росло, дуття ставало все більш рівномірним, збільшувався діаметр горна, підвищувалася продуктивність печей.
Ще два відкриття сильно вплинули на розвиток доменного виробництва. Довгі роки паливом доменних печей був деревне вугілля. Існувала ціла галузь промисловості, що займалася випалюванням вугілля з дерева. В результаті лісу в Англії вирубали до такої міри, що був виданий спеціальний указ королеви, що забороняє знищувати ліс заради потреб чорної металургії. Після цього англійська металургія стала швидко занепадати. Британія була змушена ввозити чавун з-за кордону, головним чином з Росії. Так тривало до середини XVIII ст., Коли Абрагам Дербі знайшов спосіб отримання коксу з кам'яного вугілля, запаси якого в Англії дуже великі. Кокс став основним паливом для доменних печей.
З винаходом коксу пов'язана легенда про Даде Дадлі, який нібито винайшов коксування ще в XVI ст., Задовго до Дербі. Але фабриканти деревного вугілля злякалися за свої доходи і, змовившись, вбили винахідника.
У 1829г. Дж.Нілсон на заводі Клейд (Шотландія) вперше застосував вдування в домни нагрітого повітря. Це нововведення підвищило продуктивність печей і різко знизило витрата палива.
Останнє значне вдосконалення доменного процесу відбулося вже в наші дні. Суть його - заміна частини коксу дешевим природним газом.
Головний переділ
Процес виробництва сталі зводиться по суті до випалюванню з чавуну домішок, до окислення їх киснем повітря. Те, що роблять металурги, рядовому хіміку може здатися нісенітницею: спочатку відновлюють окисел заліза, одночасно насичуючи метал вуглецем, кремнієм, марганцем (виробництво чавуну), а потім намагаються випалити їх. Найприкріше, що хімік абсолютно правий: металурги застосовують явно безглуздий метод. Але іншого у них не було.
Головний металургійний переділ - виробництво сталі з чавуну - з'явилося в XIVст. Сталь тоді отримували в крічних горнах. Чавун поміщали на шар деревного вугілля, розташований вище фурми для подачі повітря. При горінні вугілля чавун плавився і краплями стікав вниз, проходячи через зону, більш багату на кисень, - повз фурми. Тут залізо частково звільнялося від вуглецю і майже повністю від кремнію і марганцю. Потім воно виявлялося на дні горна з плиток шаром залозистого шлаку, що залишився після попередньої плавки. Шлаки поступово окислюється вуглець, ще зберігся в металі, чому температура плавлення металу підвищувалася, і він загусає. Утворився м'який злиток ломом піднімали вгору. У зоні над фурмой він ще раз переплавляли, при цьому окислюється ще якась частина міститься в залозі вуглецю. Коли після переплавки на дні горна утворювалася 50 ... 100-кілограмова криця, її витягували з горна і тут же відправляли на проковування, мета якої була не тільки ущільнити метал, але і видавати з нього рідкі шлаки.
Найбільш досконалим залізоробний агрегатом минулого була пудлінгового піч, винайдена англійцем Генрі Кортом в кінці XVIII ст. (До речі, він же винайшов і прокатку профільного заліза на валках з нарізаними в них калібрами. Розпечена смуга металу, проходячи через калібри, брала їх форму.).
Пудлінгового піч Корта завантажувалася чавуном, а подини (дно) і стіни її були футеровані залізною рудою. Після кожної плавки їх підновляти. Гарячі гази з топки розплавляли чавун, а потім кисень повітря і кисень, що міститься в руді, окисляє домішки. Пудлінговщік, що стоїть біля печі, колотив у ванні залізниці ключкою, на якій осаджувалися кристали, що утворюють залізну крицю.
Після винаходу пудлінгового печі в цій галузі чорної металургії довго не з'являлося нічого нового, якщо не вважати розробленого англійцем Гунстманом тигельного способу отримання високоякісної сталі. Але тиглі були малопродуктивні, а розвиток промисловості та транспорту вимагало все більшого, і більшої кількості стали.
Мартен і конвертер
Генрі Бессемер був механіком, до того ж без систематичної освіти. Він винаходив, що доведеться: машинку для гасіння марок, нарізну гармату, різні механічні пристосування. Бував він і на металургійних заводах, спостерігав за роботою пудлінговщіков. У Бессемера з'явилася думка перекласти цю важку "гарячу" роботу на стиснене повітря. Після багатьох спроб він в 1856р. запатентував спосіб виробництва сталі продуванням повітря через рідкий чавун, що знаходиться в конвертері - грушоподібної посудині з листового заліза, викладеному зсередини кварцовим вогнетривом.
Для підведення дуття служить вогнетривке днище з багатьма отворами. Конвертор має пристрій для повороту в межах 300 °. Перед початком роботи конвертер кладуть "на спину", заливають в нього чавун, пускають дуття і тільки тоді ставлять конвертер вертикально. Кисень повітря окислює залізо в закис FeO. Остання розчиняється в чавуні і окисляє вуглець, кремній, марганець ... З оксидів заліза, марганцю і кремнію утворюються шлаки. Таксі процес ведуть до повного вигоряння вуглецю.
Потім конвертер знову кладуть "на спину", відключають дуття, вводять у метал розрахункова кількість феромарганцю - для розкислення. Так виходить високоякісна сталь.
Спосіб конвертерного переділу чавуну став першим способом масового виробництва литої сталі.
Переділ в бесемерівському конвертері, як з'ясувалося пізніше, мав і недоліки. Зокрема, з чавуну але віддалялися шкідливі домішки - сірка і фосфор. Тому для переробки в конвертері застосовували головним чином чавун, вільний від сірки і фосфору. Від сірки надалі навчилися позбавлятися (частково, зрозуміло), додаючи в рідку сталь багатий марганцем "дзеркальний" чавун, а пізніше і феромарганець.
З фосфором, який не віддалявся в доменному процесі і не зв'язувався марганцем, справа йшла складніше. Деякі руди, такі, як Лотаринзький, що відрізняються високим вмістом фосфору, залишалися непридатними для виробництва сталі. Вихід був знайдений англійським хіміком С. Д. Томасом, який запропонував пов'язувати фосфор вапном. Конвертор Томаса на відміну від бесемерівського був футерований обпаленим доломітом, а не кремнеземом. У чавун під час продувки подавали вапно. Утворювався вапняно-фосфористий шлак, який легко відокремлювався від сталі. Згодом цей шлак навіть стали використовувати як добриво.
Найбільша революція у сталеплавильному виробництві сталася в 1865г., Коли батько і син - П'єр і Еміль Мартен використовували для отримання сталі регенеративну газову піч, побудовану за кресленнями В. Сіменса. У ній, завдяки підігріву газу та повітря, в особливих камерах з вогнетривкої насадкою досягалася така висока температура, що сталь у ванні печі переходила вже не в тістоподібної, як в пудлінгового печі, а в рідкий стан. Її можна було заливати в ковші і форми, виготовляти зливки та прокатувати їх у рейки, балки, будівельні профілі, листи ... І все це у величезних масштабах! Крім того, з'явилася можливість використовувати величезні кількості залізного брухту, що скупчився за довгі роки на металургійних і машинобудівних заводах.
Остання обставина відіграла дуже важливу роль у становленні нового процесу. На початку ХХ ст. мартенівські печі майже повністю витіснили бесемерівського і томасівського конвертери, які хоча і споживали лом, але в дуже малих кількостях.
Конвертерне виробництво могло б стати історичною рідкістю, такий же, як і пудлінгового, якби не кисневе дуття. Думка про те, щоб прибрати з повітря азот, не бере участь в процесі, і продувати чавун одним киснем, приходила в голову багатьом видатним металургам минулого; зокрема, ще в XIX ст. російський металург Д. К. Чернов і швед Р. Окерман писали про це. Але в той час кисень був дуже дорогий. Тільки в 30 ... 40-х роках нашого століття, коли були впроваджені дешеві промислові способи отримання кисню з повітря, металурги змогли використовувати кисень у сталеплавильному виробництві. Зрозуміло, в мартенівських печах. Спроби продувати киснем чавун у конвертерах не привели до успіху; розвивалася така висока температура, що прогорали днища апаратів. У мартенівської печі все було простіше: кисень давали і в факел, щоб підвищити температуру полум'я, і в ванну (в рідкий метал), щоб випалити домішки. Це дозволило набагато збільшити продуктивність мартенівських печей, але в той же час підвищило температуру в них настільки, що починали плавитися вогнетриви. Тому й тут кисень застосовували в помірних кількостях.
У 1952р. в австрійському місті Лінці на заводі "Фест" вперше почали застосовувати новий спосіб виробництва сталі - киснево-конвертерний. Чавун заливали в конвертор, днище якого не мало отворів для дуття, було глухим. Кисень подавався на поверхню рідкого чавуну. Вигорання домішок створювало таку високу температуру, що рідкий метал доводилося охолоджувати, додаючи в конвертер залізну руду і лом. І в досить великих кількостях. Конвертери знову з'явилися на металургійних заводах. Новий спосіб виробництва сталі почав швидко поширюватися в усіх промислово розвинених країнах. Зараз він вважається одним з найперспективніших у сталеплавильному виробництві.
Переваги конвертера полягають у тому, що він займає менше місця, ніж мартенівська піч, спорудження його набагато дешевше, а продуктивність вище. Однак у конвертерах спочатку виплавляли тільки маловуглецеві м'які сталі. У наступні роки було розроблено процес виплавки в конвертері високовуглецевих і легованих сталей.
Електрика плавить метал
Властивості сталей різноманітні. Є сталі, призначені для тривалого перебування в морській воді, сталі, що витримують високу температуру і агресивна дія гарячих газів, сталі, з яких роблять м'яку увязочную дріт, і стали для виготовлення пружних і жорстких пружин.
Така різноманітність властивостей випливає з різноманітності складів сталей. Так, зі сталі, яка містить 1% вуглецю і 1,5% хрому, роблять шарикопідшипники високої стійкості; сталь, що містить 18% хрому і 8 ... 9% нікелю, - це всім відома "нержавейка", а зі сталі, що містить 18 % вольфраму, 4% хрому і 1% ванадію, виготовляють токарні різці.
Ця різноманітність складів сталей дуже ускладнює їх виплавку. Адже в мартенівської печі і конвертері атмосфера окислювальна, і такі елементи, як хром, легко окислюються і переходять в шлак, тобто губляться. Значить, щоб одержати сталь із вмістом хрому 18%, в піч треба дати набагато більше хрому, ніж 180 кг на тонну сталі. А хром - метал дорогою. Як знайти вихід з цього становища?
Вихід був знайдений на початку ХХ ст. Для виплавки металу було запропоновано використовувати тепло електричної дуги. У піч круглого перерізу завантажували металобрухт, заливали чавун і опускали вугільні або графітові електроди. Між ними і металом в печі ("ванні") виникала електрична дуга з температурою близько 4000 ° C. Метал легко і швидко розплавляється. А в такої закритої електропечі можна створювати будь-яку атмосферу - окислювальну, відновлювальну або зовсім нейтральну. Іншими словами, можна запобігти вигоряння цінних елементів. Так була створена металургія якісних сталей.
Пізніше був запропонований ще один спосіб електроплавкі - індукційний. З фізики відомо, що коли якийсь металевий провідник помістити в котушку, по якій проходить струм високої частоти, то в ньому індукується струм і провідник нагрівається. Цього тепла вистачає, щоб за певний час розплавити метал. Індукційна піч складається з тигля, в футеровку якого вправлена спіраль. По спіралі пропускають струм високої частоти, і метал в тиглі розплавляється. У такій печі теж можна створити будь-яку атмосферу.
В електричних дугових печах процес плавки йде звичайно в кілька стадій. Спочатку з металу випалюють непотрібні домішки, окислюючи їх (окислювальний період). Потім з печі прибирають (скачують) шлак, що містить оксиди цих елементів, і завантажують феросплави - сплави заліза з елементами, які потрібно ввести в метал. Піч закривають і продовжують плавку без доступу повітря (відновний період). У результаті сталь насичується необхідними елементами в заданій кількості. Готовий метал випускають в ківш і розливають.
Бочка меду і ложка дьогтю
Стали, особливо якісні, виявилися дуже чутливими до змісту домішок. Навіть невеликі кількості кисню, азоту, водню, сірки, фосфору сильно погіршують їх властивості - міцність, в'язкість, корозійну стійкість. Ці домішки утворюють з залізом і іншими містяться в стали елементами неметалеві сполуки, які вклинюються між зернами металу, погіршують його однорідність і знижують якість. Так, при підвищеному вмісті кисню та азоту в сталях знижується їх міцність, водень викликає поява флокенов - мікротріщин в металі, які призводять до несподіваного руйнування сталевих деталей під навантаженням, фосфор збільшує крихкість стали на холоді, сірка викликає красноломкость - руйнування сталі під навантаженням при високих температурах.
Металурги довго шукали шляхи видалення цих домішок. Після виплавки в мартенівських печах, конвертерах і електропечах метал раскисляют - додають до нього алюміній, феросиліцій (сплав заліза з кремнієм) або феромарганець. Ці елементи активно з'єднуються з киснем, спливають в шлак і зменшують вміст кисню в сталі. Але кисень все ж залишається в металі, а для високоякісних сталей і залишилися його кількості виявляються занадто великими. Необхідно було знайти інші, більш ефективні способи.
У 50-х роках металурги почали в промисловому масштабі вакуумувати сталь. Ківш з рідким металом вміщують у камеру, з якої відкачують повітря. Метал починає бурхливо кипіти і гази з нього виділяються.
Однак уявіть собі ківш з 300т сталі і прикиньте, скільки часу мине, поки він прокипить повністю, і наскільки за цей час охолодиться метал. Вам відразу стане ясно, що такий спосіб годиться лише для невеликих кількостей сталі. Тому були розроблені інші, більш швидкі та ефективні способи вакуумування. Зараз вони застосовуються у всіх розвинутих країнах, і це дозволило покращити якість сталі. Але вимоги до неї всі росли і росли.
На початку 60-х років у Києві, у Всесоюзному інституті електрозварювання ім. Є. О. Патона був розроблений спосіб електрошлакового переплаву сталі, який дуже скоро почали застосовувати в багатьох країнах. Цей спосіб дуже простий. У водоохолоджуваним металевий посуд - кристалізатор - поміщають злиток металу, який треба очистити, і засипають його шлаком особливого складу. Потім злиток підключають до джерела струму. На кінці злитку виникає електрична дуга, і метал починає оплавлятися. Рідка сталь реагує зі шлаком і очищається не тільки від оксидів, а й від нітридів, фосфідів і сульфідів. У кристалізаторі застигає новий, очищений від шкідливих домішок злиток. У 1963р. за розробку і впровадження методу електрошлакового переплаву група працівників Всесоюзного інституту електрозварювання на чолі з Б.І. Медоварів та Ю. В. Латаш була удостоєна Ленінської премії.
За кілька іншому шляху пішли вчені-металурги з Центрального науково-дослідного інституту чорної металургії ім. І. П. Бардіна. У співдружності з працівниками металургійних заводів вони розробили ще простіший спосіб. Шлаки особливого складу для очищення металу розплавляють і виливають у ківш, а потім у цей рідкий шлак випускають метал з печі. Шлаки перемішується з металом і поглинає домішки. Метод цей швидкий, ефективний і не вимагає великих витрат електроенергії. Його автори С. Г. Воїнів, А. І. Осипов, А. Г. Шалімов та інші в 1966р. також були удостоєні Ленінської премії.
Однак у читача вже, напевно, виникло питання: а до чого всі ці складності? Адже ми вже говорили, що у звичайній електричній печі можна створити будь-яку атмосферу. Значить, можна просто відкачати з печі повітря і вести плавку у вакуумі. Але не поспішайте в патентне бюро! Цей спосіб вже давно був використаний в невеликих індукційних печах, а в кінці 60-х і початку 70-х років його почали застосовувати і в досить великих дугових та індукційних електропечах. Зараз способи вакуумного дугового і вакуумного індукційного переплаву отримали досить широке поширення.
Тут ми описали лише основні способи очищення сталі від шкідливих домішок. Існують десятки їх різновидів. Вони допомагають металургам видалити горезвісну ложку дьогтю з бочки меду і отримати високоякісний метал.
Без домен?
Вище вже говорилося, що чорна металургія з точки зору хіміка - заняття, м'яко кажучи, нелогічне. Спочатку залізо насичують вуглецем та іншими елементами, а потім витрачають багато праці та енергії для випалювання цих елементів. Чи не простіше відразу відновити залізо з руди. Адже саме так і робили стародавні металурги, які отримували розм'якшене гаряче губчасті залізні матеріали у сиродутних горнах.
В останні роки ця точка зору вже вийшла зі стадії риторичних запитань і спирається на абсолютно реальні, і навіть здійснені проекти. Отриманням заліза безпосередньо з руди, минаючи доменний процес, займалися ще в минулому столітті. Тоді цей процес і отримав назву прямого відновлення. Проте до останнього часу він не знайшов великого поширення. По-перше, всі запропоновані способи прямого відновлення були малопродуктивними, а по-друге, отриманий продукт - губчасте залізо - був низькоякісним та забруднених домішками. І все ж ентузіасти продовжували працювати в цьому напрямку.
Становище докорінно змінилося з тих пір, коли в промисловості почали широко використовувати природний газ. Він виявився ідеальним засобом відновлення залізної руди. Основний компонент природного газу - метан CH 4 розкладають окисленням в присутності каталізатора в спеціальних апаратах - реформерах з реакції 2CH 4 + О 2 → 2CO +2 Н 2.
Виходить суміш відновлювальних газів - окису вуглецю і водню. Ця суміш надходить в реактор, до якого подається і залізна руда. Обмовимося відразу - форми і конструкції реакторів дуже різноманітні. Іноді реактором служить обертається трубчаста піч, типу цементної, іноді - шахтна піч, іноді - закрита реторта. Цим і пояснюється різноманітність назв способів прямого відновлення: Мідрекс, Пурофер, Охалата-і-Ламіна, СЛ-РН і т.д. Число способів вже перевалило за два десятки. Але суть їх зазвичай одна і та ж. Багате залізорудну сировину відновлюється сумішшю окису вуглецю і водню.
Але що ж робити з отриманою продукцією? З губчастого заліза не тільки гарного сокири - хорошого цвяха отковать можна. Як би не була багата вихідна руда, чистого заліза з неї все одно не вийде. За законами хімічної термодинаміки навіть відновити все що міститься в руді залізо не вдасться: частина його все одно залишиться в продукті у вигляді окислів. І тут на допомогу нам приходить випробуваний друг - електропіч. Губчасті залізні виявляється майже ідеальною сировиною для електрометалургії. Воно містить мало шкідливих домішок і добре плавиться.
Отже, знову двоступінчастий процес! Але це вже інший спосіб. Вигода схеми пряме відновлення - електропіч полягає у її дешевизні. Установки прямого відновлення значно дешевше і споживають менше енергії, ніж доменні печі. А продуктивність сучасних установок уже досягла досить високого рівня. Таким чином, новий, "бездоменной" спосіб виробництва сталі вже починає набувати права громадянства. У нашій країні поблизу Старого Оскола споруджується великий металургійний комбінат, який буде працювати саме але такою схемою. Його перша черга буде введена в експлуатацію в 1980 р.
Зауважимо, що прямий переплав - не єдиний спосіб застосування губчастого заліза в чорній металургії. Його можна також використовувати замість металобрухту в мартенівських печах, конвертерах і електросталеплавильних печах.
Спосіб переплаву губчастого заліза в електропечах бурхливо поширюється і за кордоном, особливо в країнах, які мають великі запаси нафти і природного газу, тобто в країнах Латинської Америки і Близького Сходу. Однак, вже виходячи з цих міркувань (наявності природного газу), поки немає ще підстав вважати, що новий спосіб коли-небудь повністю витіснить традиційний двоступінчастий спосіб доменна піч - сталеплавильний агрегат.
Майбутнє заліза
Залізний вік продовжується. Приблизно 9 / 10 всіх використовуваних людством металів і сплавів - це сплави на основі заліза. Заліза виплавляється в світі приблизно в 50 разів більше, ніж алюмінію, не кажучи вже про інших металах. Пластмаси? Але вони в наш час найчастіше виконують в різних конструкціях самостійну роль, а якщо вже їх відповідно до традиції намагаються ввести в ранг "незамінних замінників", то частіше вони замінюють кольорові метали, а не чорні. На заміну стали йдуть лише кілька відсотків споживаних нами пластиків.
Сплави на основі заліза універсальні, технологічні, доступні й у масі - дешеві. Сировинна база цього металу теж не викликає побоювань: вже розвіданих запасів залізних руд вистачило б щонайменше на два століття вперед. Залозу ще довго бути фундаментом цивілізації.
Як писав Пліній старший
"Залізні рудокопи доставляють людині поскільки і шкідливий знаряддя. Бо сим знаряддям прорізується ми землю, обробляємо плодовиті сади і, обрізаючи дикі лози з виноградом, слову їх щороку юнеть. Сим знаряддям вибудовуємо доми, розбиваємо камені і вживаємо залізо на всі подібні потреби. Але тим же залізом виробляємо лайки, битви і грабежі і вживаємо оное не тільки у районі, але мещем окрилене вдалину то з бійниць, то з потужних рук, то у вигляді оперених стріл. Самое хибною, на мою думку, хитрування розуму людського. Бо, щоб смерть швидше спіткала людини, вчинили її крилатою та залізу надали пір'я. Того ради нехай буде вина приписана людині, а не природі ".
Дорогоцінний метал
В "Географії" давньогрецького письменника Страбона згадується про те, що африканські народи за один фунт заліза віддавали десять фунтів золота.
Витягнуте з древнескандінавскіх гробниць зброю також свідчить про коштовності заліза в минулому - з нього зроблені тільки вістря мечів, а всі інші частини - з бронзи.
Зброя з метеоритів
З давніх промен люди намагалися використовувати метеоритне залізо, хоча зробити це було не просто.
Бухарський емір наказав своїм кращим зброярам викувати йому меч зі шматка "небесного заліза". Але скільки вони не старалися, нічого не виходило. Зброярів стратили. Вони загинули через те, що нагрітий метал не піддавався куванню. Це характерно для нікелістого метеоритного заліза: воно кується тільки холодним, а при нагріванні стає крихким.
Незважаючи на це, у володаря індійського князівства Джехангир в XVIIв. були дві шаблі, кинджал і наконечник піки з метеоритного заліза. Є відомості, що з цього ж матеріалу були виготовлені шпаги Олександра I і Болівара - героя Південної Америки.
Самородний чавун
Металеве залізо зустрічається не тільки в метеоритах. Ще в 1789. в "Словнику комерційному" Василя Левшина про самородном залозі писалося: "Так називається залізо, зовсім приготоване природою в надрах земних і зовсім очищене від сторонніх речовин настільки, що можна з нього кувати без переплавлення всякі речі".
Велике скупчення самородного заліза було знайдено на південному березі острова Діско біля берегів Гренландії. Воно залягає тут в вивергнути через пласти кам'яного вугілля базальті у вигляді блискіток, зерен і іноді потужних брил.
На відміну від метеоритного заліза, завжди містить порівняно багато нікелю, самородне залізо містить не більше 2% нікелю, іноді до 0,3% кобальту, близько 0,4% міді і до 0,1% платини. Зазвичай воно виключно бідно вуглецем. Однак можливе утворення і самородного чавуну, наприклад, в результаті контакту розпеченого вуглецю із залізною рудою. У 1905р. геолог А. А. Іноземців виявив в районі острова Російського на Далекому Сході невеликі пластообразние скупчення самородного чавуну, що знаходиться на глибині 30 ... 40м під скельними породами морського берега. У витягнутих зразках металу містилося близько 3,2% вуглецю.
Вбито через заліза
У 1735г. вогулів Степан Чумпін знайшов у гори Благодать великий шматок магнітного залізняку і показав його гірському техніку І. Ярцеву. Після огляду родовища Ярцев помчав з доповіддю в Єкатеринбург. Ця поїздка була справжнім втечею - по сліду Ярцева скакали збройні стражники некоронованого короля Уралу Демидова, який не допускав і думки, що нові багатства минають його. Ярцеву вдалося втекти від погоні. Першовідкривачі рудника отримали винагороду від Гірської канцелярії, але незабаром Степан Чумпін був убитий. Вбивця залишився неспійманих.
Кристал Чернова
Знаменитий російський металург Д. К. Чернов (1839 ... 1921) зібрав колекцію кристалів заліза. Деякі кристали, знайдені ним в сталевих злитках, досягали довжини 5мм, більшість же не більше 3 мм.
Головною цінністю колекції був унікальний "кристал Д. К. Чернова", описаний в багатьох підручниках з металознавства. Його знайшов у купі сталевого брухту шихтового двору підполковник морської артилерії А. Г. Берсенєв, який служив приймальником на металургійному заводі. Як вдалося з'ясувати, кристал виріс в 100-тонному зливку сталі. Берсенєв подарував його своєму вчителю Чернову.
Чернов ретельно досліджував кристал. Вага його виявився 3кг 450г, довжина 39см, хімічний склад: 0,78% вуглецю, 0,255% кремнію, 1,055% марганцю, 97,863% заліза.
Сталеве вино
У старовинних журналах можна знайти рецепти різних "залізних" ліків. Так, в "Економічній журналі" за 1783р. повідомлялося: "В деяких випадках і хворобах і саме залізо становить дуже хороші ліки, і приймаються з користю наімельчайшіе оного тирсу або просто, або обсахаренние". Там же перераховуються інші ліки того часу: обсахаренное залізо, залізний сніг, залізна вода, сталеве вино ("виноградне кисле вино, як, наприклад, Рейнвейн, настояти з залізними тирсою і вийде залізне або сталеве вино і вкупі дуже хороші ліки").
Магнітні ліки
У 1835г. "Журнал мануфактур і торгівлі", повідомляючи про товари, надісланих з Відня в Петербург, згадує металеві намагнічені бруски як засіб від зубного та головного болю. Бруски рекомендувалося носити на шиї. "Цей спосіб лікування нині в моді, - повідомлялося в журналі, - і, за відгуками лікарів, що заслуговують ймовірний, допомагає дуже багатьом".
В давнину і в середині століття магніт вживали не тільки як зовнішній, але і як внутрішнє. Гален вважав магніт проносним, Авіценна лікував їм іпохондриків, Парацельс готував "магнітну манну", Агрікола - магнітну сіль, магнітне масло і навіть магнітну есенцію.
Хімія заліза
Ймовірно, ви звернули увагу, що й стаття, і нотатки про елемент № 26 присвячені головним чином залозу металу. Це й не дивно: саме цим, перш за все залізо цікаво для нас. Але, віддаючи належне головному металу сучасної техніки, не можна забувати, що: елемент № 26 має значної хімічної активністю, він утворює безліч сполук, проявляючи зазвичай валентності 2 + і 3 +; існують солі залізної кислоти H 2 FeО 4, але у вільному стані ця кислота не отримана, так само як і її ангідрид - FeО 3; природне залізо складається з чотирьох стабільних ізотопів з масовими числами 54, 56, 57 і 58; залізо - життєво важливий елемент; в крові людини 14,5% її ваги доводиться на частку гемоглобіну - червоного пігменту еритроцитів, в центрі молекули якого знаходиться атом заліза.