Производство чугуна и стали
Чистое металлическое железо может быть получено путем восстановления оксида железа Fe2О3 водородом при нагревании. В настоящее время разработаны методы, которые позволяют получить железо, содержащее 10-6 % примесей. Однако на практике основные количества железа используются не в чистом виде, а в виде сплавов с углеродом и другими компонентами (чугуны и стали).
Промышленным производством чугунов и сталей занимается черная металлургия, которая перерабатывает руды железа в железные сплавы. При переработке руд сначала получают чугун, а затем чугун переводят в сталь. Чугуны – сплавы железа, содержащие больше 1,7% углерода. Стали – сплавы железа, содержащие менее 1,7% углерода.
Получение чугуна. Получение чугуна восстановлением железных руд производят в доменных печах. Доменные печи представляют собой огромные, сложные сооружения, имеющие форму двух усеченных конусов, соединенных основаниями (рис. 1).
Рис. 1. Схема доменного процесса
Загрузку доменной печи компонентами производят через ее верхнюю часть. Загрузка содержит: 1) железную руду – источник железа; 2) кокс – топливо и восстанавливающий реагент одновременно; 3) известняк – для образования шлака, растворяющего примеси, которые имеют высокие температуры плавления. Предварительно нагретый воздух вдувается в нижнюю часть печи. В процессе работы загружаемый материал постепенно опускается и по пути нагревается газами, поднимающимися снизу. Основными реакциями доменного процесса являются:
1) горение кокса: C(T) + O2(г) = CO2(г)
2) избыток кокса восстанавливает диоксид углерода до монооксида
С(т) + СO2(г) = 2СО(г)
3) монооксид углерода, поднимаясь внутри печи, восстанавливает железную руду, опускающуюся вниз: Fe2O3(т) + 3СО(г) = 2Fe(ж) + 3СО2(г)
4) непрореагировавшая железная руда восстанавливается еще не прореагировавшим коксом: 2Fe2O3(т) + ЗС(т) = 4Fe(ж) + 3CO2(г)
5) известняк разлагается: СаСО3(т) = СаO(т) + СО2(г)
6) оксид кальция вступает в реакцию с примесями, имеющими высокую температуру плавления, образуя шлак: СаO(т) + SiO2(T) = СаSiO3(ж)
который также предохраняет расплавленное железо от раскаленного воздуха, продувающего печь.
Выплавленный в домне чугун представляет собой сплав железа с углеродом (углерода более 1,7%), а также с другими элементами – серой, фосфором, кремнием, мышьяком, марганцем (обычно в чугуне содержится не менее 90% железа, а остальные 10% приходятся на углерод и перечисленные выше сопутствующие элементы).
Приготовление стали. По химическому составу чугуны делятся на литейные и специальные, применяемые для изготовления чугунных изделий, и на передельные, идущие на изготовление сталей. Лишь ~ 10% чугуна идет на изготовление чугунных изделий, остальные ~ 90% перерабатываются на сталь.
Сталь является сплавом железа с углеродом (углерода менее 1,7%), содержащим, кроме того, некоторые количества кремния, марганца, фосфора, серы. Обычно в стали допускается содержание сопутствующих элементов в строго ограниченных количествах, например Si < 0,3%, Р < 0,05%. Сталь в отличие от чугуна легко поддается ковке и прокатке.
Превращение чугуна в сталь проводят в так называемых конверторах, в которые заливается расплавленный чугун и через отверстия продувается воздух. Конвертор (рис. 2) представляет собой большой грушевидный металлический сосуд (вместимостью 20 – 60 т), футерованный изнутри огнеупорным материалом, он может вращаться вокруг горизонтальной оси. Днище конвертора снабжено отверстиями, через которые и вдувается воздух. При этом происходит «выгорание» (окисление) примесей: Si + O2 = SiO2, C = O2 = CO2
2Mn + O2 = 2MnO, S + O2 = SO2
P4 + 5O2 = 2P2O5
а также в небольшой степени железа 2Fe + O2 = 2FeO
Рис. 2. Конвертор для получения сталей
Все эти реакции являются экзотермическими, и вся масса в течение процесса, протекающего 10 – 20 мин, остается расплавленной. Этого времени достаточно для добавления в сталь специальных легирующих элементов, которые придают стали определенные свойства. Так, например, хром и никель добавляют для получения нержавеющей стали; добавка вольфрама способствует увеличению твердости («инструментальная» сталь); добавка марганца улучшает «пружинные» свойства сталей и т. д.