Lecture # 3

Путь от руды к железу, чугуну и стали

Как уже было сказано, главными соединениями железных руд являются оксиды железа. Они смешаны с пустой породой. После обогащения, получения концентрата и его окускования агломерат, окатыши и скрап становятся исходными продуктами для получения железа (железной губки), чугуна и стали. Для этого необходимо отнять кислород у оксидов железа. Отъем кислорода из оксида называют восстановлением. Восстановление металлов -это химическая реакция, состоящая в присоединении электронов ионом металла:

Восстановительные реакции протекают одновременно с окислительными, при которых элементы - восстановители (В) отдают электроны (окисляются):

В общем виде процесс выражают уравнением:

где G° - изменение энергии Гиббса реакции при стандартных условиях.

Восстановителем выступает элемент или соединение, обладающее большим химическим сродством к кислороду, чем оксид металла. Мерой химического сродства к кислороду служит изменение стандартной энергии Гиббса реакции окисления:

Если G₁< G₂, G< 0, то вещество В может выступать восстановителем оксида металла МеО.

В металлургической практике в качестве восстановителей В используют специально приготовленный восстановительный газ, состоящий из СО и Н₂, или углерод, или металлы (Si, Аl и др.).

Процессы восстановления с участием газов называют газовыми, с участием углерода - углетермическими (карботермичеcкими), а с участием металлов - металлотермическими (соответственно силикотермическими и алюмотермическими).

Железо в зависимости от валентности может образовывать три оксида: Fе₂Оз (высший оксид), Fе₃О₄ (средний оксид) и FеО (низший оксид); последний может существовать только при температуре > 570 °С. По теории академика А. А. Байкова, восстановление оксидов железа протекает ступенчато: от высших к низшим. При температуре более 570 °С восстановление проходит стадии: Fе₂О₃ -> Fе₃О₄ -> FеО->Fе. При температуре менее 570 °С имеют место следующие стадии: Fе₂О₃ -> Fе₃О₄ -> Fе.

Восстановление оксидов железа с участием газов СО и Н₂ называют косвенным, а с участием твердого углерода - прямым.

Реакции косвенного восстановления:

Реакция прямого восстановления:

Цель восстановления железорудных материалов - получение прямовосстановленного железа (губчатого железа и металлизованных окатышей) или чугуна как предварительной ступени производства стали.

У зависимости от цены на кокс, уголь, природный газ, чугун, скрап, электроэнергию и наличия исходных материалов выбирают тот или иной способ производства стали.

Идеальный способ получения стали - это непосредственное получение стали необходимых состава и свойств из руды. Однако технически сегодня это невозможно.

В настоящее время существует два пути получения стали из руды:

1. Восстановление оксидов железа с получением твердого, прямовосстановленного (губчатого) железа с последующим переплавом его в сталь.

Передел твердого прямовосстановленного (губчатого) железа в сталь ведут в дуговых электропечах.