Глава 3.Получение материала

Чистое металлическое железо может быть получено путем восстановления оксида железа Fe2O3 водородом при нагревании. В настоящее время разработаны методы, которые позволяют получить железо, содержащее 10-6% примесей. Однако на практике железо в основном используется 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. При переработке руд сначала получают чугун, а затем чугун переводят в сталь. Восстановление железных руд и получение чугуна осуществляют в доменных печах. Это сложное сооружение объемом 5000 м3 и высотой до 80 м с внутренней обкладкой из огнеупорного кирпича и стальным внешним кожухом (для прочности). Схема устройства доменной печи приведена на рис. 26. Верхняя половина домны называется шахтой, верхнее отверстие — колошником, самая широкая часть — распаром, нижняя часть — горном. Исходные материалы: шихта — руда, содержащая оксид железа, кокс, флюсы (плавки). Кокс служит источником теплоты, а также используется для получения восстановителя — оксида углерода (II). Флюсы превращают пустую породу в легкоплавкие соединения — шлаки. Например, для связывания песка добавляют карбонаты, в случае же содержания в пустой породе известняков в состав флюсов вводят песок: SiO2 + СаСO3=CaSiO3+CO2

Домну загружают через колошник исходными материалами (чередующимися слоями кокса и железной руды, смешанной с флюсом). Горение и необходимая температура поддерживаются вдуванием через специальные отверстия в горне горячего воздуха. Производительность домны повышается примерно на 1/3 при вдувании воздуха, обогащенного кислородом, т.е. при применении кислородного дутья. В верхней части горна, где температура достигает 1500°С, происходит интенсивное сгорание кокса в струе вдуваемого воздуха, нагретого до 600-800°С: С+O2=СО2 Оксид углерода (IV), проходя через раскаленный кокс, превращается в оксид углерода (II): СO2+С=2СО Оксид углерода (II) постепенно восстанавливает руду. При температуре 450-500°С из оксида железа (III) Fe2O3 образуется оксид железа (II-III) Fe3O4: 3Fe2O3+СО=2Fe3O4+СO2 а при температуре примерно 700°С оксид железа (II) восстанавливается до свободного металла: FeO+CO=Fe+CO2 Наряду с оксидом углерода (II) при высоких температурах в восстановлении оксида железа участвует и кокс: FeO+С=Fe+CO Восстановление железа из руды заканчивается примерно при 1100°С. При этой температуре частично восстанавливаются кремний, марганец и фосфор и их соединения, содержащиеся в руде в виде примесей. Эти процессы можно выразить уравнениями: SiO2+2С=Si+2CO MnO+С=Mn+СО Са3(РO4)2+5С=2Р+3СаО+5СО Сера, содержащаяся в исходных материалах в виде соединений (CaSO4, FeS2 и др.), частично превращается в сульфид железа FeS, хорошо растворимый в чугуне. Восстановленное железо постепенно опускается вниз и, соприкасаясь с раскаленным коксом и оксидом углерода (II), образует карбид железа (цементит): 3Fe+С=Fe3C 3Fe+2СО=Fe3C+СО2 При этом температура плавления науглероженного железа понижается до 1200°С. Расплавленное железо растворяет в себе углерод, цементит, кремний, марганец, фосфор, серу и образует жидкий чугун. Жидкий чугун и шлак стекают в горн, причем шлак, как более легкий, собирается над чугуном, предохраняя его от действия кислорода. Чугун и шлак выпускают через отверстия, расположенные на разных уровнях. Выходящий из домны газ называется колошниковым, или доменным. Он содержит около 30% оксида углерода (II), азот, оксид углерода (IV) и используется для накаливания специальных сооружений — доменных воздухонагревателей (кауперов), в которых подаваемый в домну воздух подогревается до 600-800°С.

Сталь выплавляется в печах трех видов — в мартеновских регенеративных печах, бессемеровских конверторах и электропечах. Мартеновская печь, в отличие от доменной, не действует непрерывно. Главная ее часть — ванна, куда через окна специальной машиной загружают необходимые материалы. Ванна специальными ходами соединена с регенераторами, которые служат для нагрева горючих газов и воздуха, подающихся в печь. Нагревание происходит за счет продуктов горения, которые время от времени пропускаются через регенераторы. Поскольку их несколько, то работают они по очереди и по очереди нагреваются. Мартеновская печь может выдавать до 500 т стали за одну плавку (см. рис. 27).

Шихта мартеновской печи весьма разнообразна: в ее состав входят чугун, металлолом, руда, такие же флюсы, как и в доменном процессе. Как и в доменном процессе, при выплавке стали воздух и горючие газы подогревают в регенераторах за счет тепла отходящих газов. Топливом в мартеновских печах является либо мазут, распыляемый форсунками, либо горючие газы, которые в настоящее время применяются особо широко. Топливо здесь служит только для поддержания высокой температуры в печи. Процесс выплавки стали принципиально отличается от доменного процесса, так как доменный процесс — процесс восстановительный, а выплавка стали — окислительный, цель которого — понизить содержание углерода путем его окисления в массе металла. При этом протекают довольно сложные процессы. Кислород, содержащийся в руде и поступающий с воздухом в печь для сжигания газообразного топлива, окисляет углерод и другие элементы, содержащиеся в железе (Si, Mn, P, S), а также значительное количество железа, превращая его в основном в оксид железа (II):

2Fe+O2=2FeO Содержащиеся в чугуне марганец, кремний или какие-либо примеси других металлов при высокой температуре восстанавливают полученный оксид железа (II) снова до металлического железа согласно уравнениям: Si+2FeO = SiO2+2Fe Mn+FeO=MnO+Fe

Аналогично реагирует с оксидом железа (II) и углерод: С+FeO=Fe+CO В конце процесса для восстановления оставшегося оксида железа (II) (или, как говорят, для его «раскисления») добавляют раскислители — ферросплавы. Имеющиеся в них добавки марганца, кремния восстанавливают оставшийся оксид железа (II) по приведенным выше уравнениям. После этого плавка заканчивается. Плавка в мартеновских печах ведется 8-10 часов.

Бессемеровский конвертор — печь очень высокой производительности. Так как конвертор работает без затрат топлива, этот способ производства стали занимает значительное место в металлургии. Конвертор — грушевидный стальной сосуд емкостью 20-30 т, футерованный изнутри огнеупорным кирпичом. Каждая плавка в конверторе продолжается 12-15 минут. Конвертор имеет ряд недостатков; в частности, он может работать только на жидком чугуне. Это связано с тем, что окисление углерода ведется воздухом, пропускаемым через всю массу жидкого чугуна, что значительно ускоряет плавку и усиливает окисление. Естественно, «угар» железа в этом случае особенно велик. В то же время короткий промежуток плавки не позволяет ее регулировать, до-бавлять легирующие примеси, поэтому в конверторах выплавляют главным образом углеродистые стали. В конце плавки подачу воздуха прекращают и, как и в мартеновском процессе, добавляют раскислители. В электропечах выплавляется легированная сталь специальных сортов, главным образом с высокой температурой плавления, содержащая кобальт, хром, вольфрам и другие добавки. Готовую сталь направляют в прокатку. Там на огромных станах — блюмингах и слябингах — обжимают раскаленные стальные болванки с помощью валков, позволяющих изготовлять из стального слитка разнообразные формы. Железо в виде сплавов широко применяется в народном хозяйстве. Без него не обходится ни одна отрасль. Из стали изготовляют автомобили, инструменты, арматуру для железобетонных конструкций, жесть для консервных коробок и кровельное листовое железо, корабли и мосты, сельскохозяйственные машины и балки, трубы и ряд бытовых изделий. В целях экономии черных металлов в настоящее время по мере возможности стараются их заменять синтетическими материалами.