В жизни мы постоянно сталкиваемся со сплавами, самый распространенный из которых сталь. Поэтому нет ничего удивительно, что у кого-нибудь да возникнет вопрос о том, как делают сталь?
Сталь – это один из сплавов железа и углерода, получивший широчайшее распространение в повседневной жизни. Процесс производства стали многоступенчатый и состоит из нескольких этапов: добыча и обогащение руды, получение агломерата, производства чугуна и выплавка стали.
Руда и агломерат
Месторождения руд позволяют добывать как богатые, так и бедные породы. Богатую руду можно сразу использовать как производственное сырье. Чтобы можно было выплавлять и бедную руду, ее необходимо обогатить, то есть увеличить в ней содержание чистого металла. Для этого руду измельчают и, применяя различные технологии, отделяют частицы, богатые соединениями металла. Например, для железных руд применяют магнитную сепарацию – воздействие магнитным полем на исходное сырье с целью отделение частиц богатых железом.
Получается низкодисперсионный концентрат, который спекают в более крупные куски. Результат обжига железных руд и есть агломерат. Виды агломератов получили название по основному сырью, входящему в их состав. В нашем случае это железорудный агломерат. Теперь, чтобы понять, как делают сталь, необходимо проследить дальнейший технологический процесс.
Производство чугуна.
Чугун выплавляют в доменных печах, которые функционируют по принципу противотока. Загрузка агломерата, кокса и другого шихтового материала осуществляется сверху. Снизу вверх, навстречу этим материалам, поднимаются потоки раскаленного газа от сгорания кокса. Начинается череда химических процессов, в результате чего происходит восстановление железа и насыщение его углеродом. Температурный режим при этом сохраняется в районе 400-500 градусов Цельсия. В нижних частях печи, куда постепенно опускается восстановленное железо, температура увеличивается до 900-950 градусов. Образуется жидкий сплав железа с углеродом – чугун. К основным химическим характеристикам чугуна относятся: содержание углерода более 2,14 %, обязательное наличие в составе серы, кремния, фосфора и марганца. Чугун отличается повышенной хрупкостью.
Выплавка стали.
Теперь мы приблизились к последнему этапу, позволяющему узнать, как делают сталь. В химическом плане сталь отличается от чугуна пониженным содержанием углерода; соответственно, основная задача производственного процесса – уменьшить содержание углерода и других примесей в основном сплаве железа. Для производства стали используют мартеновские печи, кислородные конвертеры или электропечи.
По различным технологиям расплавленный чугун продувается кислородом при очень высоких температурах. Происходит обратный процесс – окисление железа на уровне примесей, входящих в сплав. Полученный шлак в дальнейшем убирается. В результате продувки кислородом понижается содержание углерода и происходит преобразование чугуна в сталь.
В сталь могут добавляться легирующие элементы, изменяющие свойства материала. Поэтому сталью считается сплав железо-углерод с содержанием железа не менее 45 %.
Вышеописанные процессы разъяснили, как делают сталь, из каких материалов и с применением каких технологий.
Получение железа из железной руды производится в две стадии. Оно начинается с подготовки руды-измельчения и нагревания. Руду измельчают на куски диаметром не более 10 см. Затем измельченную руду прокаливают для удаления воды и летучих примесей.
На второй стадии железную руду восстанавливают до железа с помощью оксида углерода в доменной печи. Восстановление проводится при температурах порядка 700 °С:
Для повышения выхода железа этот процесс проводится в условиях избытка диоксида углерода СО 2 .
Моноксид углерода СО образуется в доменной печи из кокса и воздуха. Воздух сначала нагревают приблизительно до 600 °С и нагнетают в печь через особую трубу- фурму. Кокс сгорает в горячем сжатом воздухе, образуя диоксид углерода. Эта реакция экзотермична и вызывает повышение температуры выше 1700°С:
Диоксид углерода поднимается вверх в печи и реагирует с новыми порциями кокса, образуя моноксид углерода. Эта реакция эндотермична:
Железо, образующееся при восстановлении руды, загрязнено примесями песка и глинозема (см. выше). Для их удаления в печь добавляют известняк. При температурах, существующих в печи, известняк подвергается термическому разложению с образованием оксида кальция и диоксида углерода:
Оксид кальция соединяется с примесями, образуя шлак. Шлак содержит силикат кальция и алюминат кальция:
Железо плавится при 1540 °С. Расплавленное железо вместе с расплавленным шлаком стекают в нижнюю часть печи. Расплавленный шлак плавает на поверхности расплавленного железа. Периодически из печи выпускают на соответствующем уровне каждый из этих слоев.
Доменная печь работает круглосуточно, в непрерывном режиме. Сырьем для доменного процесса служат железная руда, кокс и известняк. Их постоянно загружают в печь через верхнюю часть. Железо выпускают из печи четыре раза в сутки, через равные промежутки времени. Оно выливается из печи огненным потоком при температуре порядка 1500°С. Доменные печи бывают разной величины и производительности (1000-3000 т в сутки). В США существуют некоторые печи новой конструкции с четырьмя выпускными отверстиями и непрерывным выпуском расплавленного железа. Такие печи имеют производительность до 10000 т в сутки.
Железо, выплавленное в доменной печи, разливают в песочные изложницы. Такое железо называется чугун. Содержание железа в чугуне составляет около 95%. Чугун представляет собой твердое, но хрупкое вещество с температурой плавления около 1200°С.
Литое железо получают, сплавляя смесь чугуна, металлолома и стали с коксом. Расплавленное железо разливают в формы и охлаждают.
Сварочное железо представляет собой наиболее чистую форму технического железа. Его получают, нагревая неочищенное железо с гематитом и известняком в плавильной печи. Это повышает чистоту железа приблизительно до 99,5%. Его температура плавления повышается до 1400 °С. Сварочное железо имеет большую прочность, ковкость и тягучесть. Однако для многих применений его заменяют низкоуглеродистой сталью (см. ниже).
Химические реакции при выплавке чугуна из железной руды
В основе производства чугуна лежит процесс восстановления железа из его окислов окисью углерода.
Известно, что окись углерода можно получить, действуя кислородом воздуха на раскалённый кокс. При этом сначала образуется двуокись углерода, которая при высокой температуре восстанавливается углеродом кокса в окись углерода:
Восстановление железа из окиси железа происходит постепенно. Сначала окись железа восстанавливается до закиси-окиси железа:
и, наконец, из закиси железа восстанавливается железо:
Скорость этих реакций растёт с повышением температуры, с увеличением в руде содержания железа и с уменьшением размеров кусков руды. Поэтому процесс ведут при высоких температурах, а руду предварительно обогащают, измельчают, и куски сортируют по крупности: в кусках одинаковой величины восстановление железа происходит за одно и то же время. Оптимальные размеры кусков руды и кокса от 4 до 8-10 см. Мелкую руду предварительно спекают (агломерируют) путём нагревания до высокой температуры. При этом из руды удаляется большая часть серы.
Железо восстанавливается окисью углерода практически полностью. Одновременно частично восстанавливаются кремний и марганец. Восстановленное железо образует сплав с углеродом кокса. кремнием, марганцем, и соединениями, серы и фосфора. Этот сплав-жидкий чугун. Температура плавления чугуна значительно ниже температуры плавления чистого железа.
Пустая порода и зола топлива также должны быть расплавлены. Для понижения температуры плавления в состав “плавильных” материалов вводят, кроме руды и кокса, флюсы (плавни) - большей частью известняк СаСО 3 и доломит CaCO 3× МgСО 3 . Продукты разложения флюсов при нагревании образуют с веществами, входящими в состав пустой породы и золы кокса, соединения с более низкими температурами плавления, преимущественно силикаты и алюмосиликаты кальция и магния, например, 2CaO×Al 2 O 3× SiO 2 , 2CaO×Mg0×2Si0 2 .
Химический состав сырья, поступающего на переработку, иногда колеблется в широких пределах. Чтобы вести процесс при постоянных и наилучших условиях, сырьё “усредняют” по химическому составу, т. е. смешивают руды различного химического состава в определённых весовых отношениях и получают смеси постоянного состава. Мелкие руды спекают вместе с флюсами, получая “офлюсованный агломерат”. Применение офлюсованного агломерата даёт возможность значительно ускорить процесс.
Производство стали
Стали подразделяются на два типа. Углеродистые стали содержат до 1,5% углерода. Легированные стали содержат не только небольшие количества углерода, но также специально вводимые примеси (добавки) других металлов. Ниже подробно рассматриваются различные типы сталей, их свойства и применения.
Кислородно-конвертерный процесс. В последние десятилетия производство стали революционизировалось в результате разработки кислородно-конвертерного процесса (известного также под названием процесса Линца-Донавица). Этот процесс начал применяться в 1953 г. на сталеплавильных заводах в двух австрийских металлургических центрах-Линце и Донавице.
В кислородно-конвертерном процессе используется кислородный конвертер с основной футеровкой (кладкой). Конвертер загружают в наклонном положении расплавленным чугуном из плавильной печи и металлоломом, затем возвращают в вертикальное положение. После этого в конвертер сверху вводят медную трубку с водяным охлаждением и через нее направляют на поверхность расплавленного железа струю кислорода с примесью порошкообразной извести (СаО). Эта “кислородная продувка”, которая длится 20 мин, приводит к интенсивному окислению примесей железа, причем содержимое конвертера сохраняет жидкое состояние благодаря выделению энергии при реакции окисления. Образующиеся оксиды соединяются с известью и превращаются в шлак. Затем медную трубку выдвигают и конвертер наклоняют, чтобы слить из него шлак. После повторной продувки расплавленную сталь выливают из конвертера (в наклонном положении) в ковш.
Кислородно-конвертерный процесс используется главным образом для получения углеродистых сталей. Он характеризуется большой производительностью. За 40-45 мин в одном конвертере может быть получено 300-350 т стали.
В настоящее время всю сталь в Великобритании и большую часть стали во всем мире получают с помощью этого процесса.
Электросталеплавильный процесс. Электрические печи используют главным образом для превращения стального и чугунного металлолома в высококачественные легированные стали, например в нержавеющую сталь. Электропечь представляет собой круглый глубокий резервуар, выложенный огнеупорным кирпичом. Через открытую крышку печь загружают металлоломом, затем крышку закрывают и через имеющиеся в ней отверстия опускают в печь электроды, пока они не придут в соприкосновение с металлоломом. После этого включают ток. Между электродами возникает дуга, в которой развивается температура выше 3000 °С. При такой температуре металл плавится и образуется новая сталь. Каждая загрузка печи позволяет получить 25-50 т стали.
Сталь получается из чугуна при удалении из него большей части углерода, кремния, марганца, фосфора и серы. Для этого чугун подвергают окислительной плавке. Продукты окисления выделяются в газообразном состоянии и в виде шлака.
Так как концентрация железа в чугуне значительно выше, чем других веществ, то сначала интенсивно окисляется железо. Часть железа переходит в закись железа:
Реакция идёт с выделением тепла.
Закись железа, перемешиваясь с расплавом, окисляет кремний марганец и углерод:
Si+2FeO=SiO 2 +2Fe
Первые две реакции экзотермичны. Особенно много тепла выделяется при окислении кремния.
Фосфор окисляется в фосфорный ангидрид, который образует с окислами металлов соединения, растворимые в шлаке. Но содержание серы снижается незначительно, и поэтому важно чтобы в исходных материалах было мало серы.
После завершения окислительных реакций в жидком сплаве содержится ещё закись железа, от которой его необходимо освободить. Кроме того, необходимо довести до установленных норм содержание в стали углерода, кремния и марганца. Поэтому к концу плавки добавляют восстановители, например ферромарганец (сплав железа с марганцем) и другие так называемые “раскислители”. Марганец реагирует с закисью железа и “сраскисляет” сталь:
Мп+FеО=МnО+Fe
Передел чугуна в сталь осуществляется в настоящее время различными способами. Более старым, применённым впервые в середине XIX в. является способ Бессемера.
Способ Бессемера . По этому способу передел чугуна в сталь проводится путём продувания воздуха через расплавленный горячий чугун. Процесс протекает без затраты топлива за счёт тепла, выделяющегося при экзотермических реакциях окисления кремния, марганца и других элементов.
Процесс проводится в аппарате, который называется по фамилии изобретателя конвертером Бессемера . Он представляет собой грушевидный стальной сосуд, футерованный внутри огнеупорным материалом. В дне конвертера имеются отверстия, через которые подаётся в аппарат воздух. Аппарат работает периодически. Повернув аппарат в горизонтальное положение, заливают чугун и подают воздух. Затем поворачивают аппарат в вертикальное положение. В начале процесса окисляются железо, кремний и марганец, затем углерод. Образующаяся окись углерода сгорает над конвертером ослепительно ярким пламенем длиной до 8 л. Пламя постепенно сменяется бурым дымом. Начинается горение железа. Это указывает, что период интенсивного окисления углерода заканчивается. Тогда подачу воздуха прекращают, переводят конвертер в горизонтальное положение и вносят раскислители.
Процесс Бессемера обладает рядом достоинств. Он протекает очень быстро (в течение 15 минут), поэтому производительность аппарата велика. Для проведения процесса не требуется расходовать топливо или электрическую энергию. Но этим способом можно переделывать в сталь не все, а только отдельные сорта чугуна. К тому же значительное количество железа в бессемеровском процессе окисляется и теряется (велик “угар” железа).
Значительным усовершенствованием в производстве стали в конвертерах Бессемера является применение для продувкя вместо воздуха смеси его с чистым кислородом (“обогащённого воздуха”), что позволяет получать стали более высокого качества.
Мартеновский способ. Основным способом передела чугуна в сталь является в настоящее время мартеновский. Тепло, необходимое для проведения процесса, получается посредством сжигания газообразного или жидкого топлива. Процесс получения стали осуществляется в пламенной печи – мартеновской печи.
Плавильное пространство мартеновской печи представляет собой ванну, перекрытую сводом из огнеупорного кирпича. В передней стенке печи находятся загрузочные окна, через которые завалочные машины загружают в печь шихту. В задней стенке находится отверстие для выпуска стали. С обеих сторон ванны расположены головки с каналами для подвода топлива и воздуха и отвода продуктов горения. Печь ёмкостью 350 т имеет длину 25 м и ширину 7 м.
Мартеновская печь работает периодически. После выпуска стали в горячую печь загружают в установленной последовательности лом, железную руду, чугун, а в качестве флюса - известняк или известь. Шихта плавится. При этом интенсивно окисляются: часть железа, кремний и марганец. Затем начинается период быстрого окисления углерода, называемый периодом “кипения”, - движение пузырьков окиси углерода через слой расплавленного металла создаёт впечатление, что он кипит.
В конце процесса добавляют раскислители. За изменением состава сплава тщательно следят, руководствуясь данными экспресс-анализа, позволяющего дать ответ о составе стали в течение нескольких минут. Готовую сталь выливают в ковши. Для повышения температуры пламени газообразное топливо и воздух предварительно подогревают в регенераторах. Принцип действия регенераторов тот же, что и воздухонагревателей доменного производства. Насадка регенератора нагревается отходящими из печи газами, и когда она достаточно нагреется, через регенератор начинают подавать в печь воздух. В это время нагревается другой регенератор. Для регулирования теплового режима печь снабжается автоматическими приспособлениями.
В мартеновской печи, в отличие от конвертера Бессемера, можно перерабатывать не только жидкий чугун, но и твёрдый, а также отходы металлообрабатывающей промышленности и стальной лом. В шихту вводят также и железную руду. Состав шихты можно изменять в широких пределах и выплавлять стали разнообразного состава, как углеродистые, так и легированные.
Российскими учёными и сталеварами разработаны методы скоростного сталеварения, повышающие производительность печей. Производительность печей выражается количеством стали, получаемым с одного квадратного метра площади пода печи в единицу времени.
Производство стали в электропечах. Применение электрической энергии в производстве стали даёт возможность достигать более высокой температуры и точнее её регулировать. Поэтому в электропечах выплавляют любые марки сталей, в том числе содержащие тугоплавкие металлы - вольфрам, молибден и др. Потери легирующих элементов в электропечах меньше, чем в других печах. При плавке с кислородом ускоряется плавление шихты и особенно окисление углерода в жидкой шихте, Применение кислорода позволяет ещё более повысить качество электростали, так как в ней остаётся меньше растворённых газов и неметаллических включений.
В промышленности применяют два типа электропечей: дуговые и индукционные. В дуговых печах тепло получается вследствие образования электрической дуги между электродами и шихтой. В индукционных печах тепло получается за счёт индуцируемого в металле электрического тока.
Сталеплавильные печи всех типов - бессемеровские конвертеры, мартеновские и электрические - представляют собой аппараты периодического действия. К недостаткам периодических процессов относятся, как известно, затрата времени на загрузку и разгрузку аппаратов, необходимость изменять условия по мере течения процесса, трудность регулирования и др. Поэтому перед металлургами стоит задача создания нового непрерывного процесса.
Применения в качестве конструкционных материалов сплавов железа.
Некоторые d-элементы широко используются для изготовления конструкционных материалов, главным образом в виде сплавов. Сплав-это смесь (или раствор) какого-либо металла с одним или несколькими другими элементами.
Сплавы, главной составной частью которых служит железо, называются сталями. Выше мы уже говорили, что все стали подразделяются на два типа: углеродистые и легированные.
Углеродистые стали. По содержанию углерода эти стали в свою очередь подразделяются на низкоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую стали. Твердость углеродистых сталей возрастает с повышением содержания углерода. Например, низкоуглеродистая сталь является тягучей и ковкой. Ее используют в тех случаях, когда механическая нагрузка не имеет решающего значения. Различные применения углеродистых сталей указаны в таблице. На долю углеродистых сталей приходится до 90% всего объема производства стали.
Легированные стали. Такие стали содержат до 50% примеси одного или нескольких металлов, чаще всего алюминия, хрома, кобальта, молибдена, никеля, титана, вольфрама и ванадия.
Нержавеющие стали содержат в качестве примесей к железу хром и никель. Эти примеси повышают твердость стали и делают ее устойчивой к коррозии. Последнее свойство обусловлено образованием тонкого слоя оксида хрома (III) на поверхности стали.
Инструментальные стали подразделяются на вольфрамовые и марганцовистые. Добавление этих металлов повышает твердость, прочность и устойчивость при высоких температурах (жаропрочность) стали. Такие стали используются для бурения скважин, изготовления режущих кромок металлообрабатывающих инструментов и тех деталей машин, которые подвергаются большой механической нагрузке.
Кремнистые стали используются для изготовления различного электрооборудования: моторов, электрогенераторов и трансформаторов.
Железо составляет более 5% земной коры. Для извлечения железа используются в основном такие руды, как гематит Fe2O3 и магнетит Fe3O4. В этих рудах содержится от 20 до 70% железа. Важнейшими примесями железа в этих рудах являются песок (оксид кремния(IV) SiO2) и глинозем (оксид алюминия Al2O3).
Получение железа из железной руды производится в две стадии. Оно начинается с подготовки руды-измельчения и нагревания. Руду измельчают на куски диаметром не более 10 см. Затем измельченную руду прокаливают для удаления воды и летучих примесей.
На второй стадии железную руду восстанавливают до железа с помощью оксида углерода в доменной печи (рисунок 2.1), где: 1 - железная руда, известняк, кокс, 2 загрузочный конус (колошник), 3 - колошниковый газ, 4- кладка печи, 5 - зона восстановления оксида железа, 6 - зона образования шлака, 7 - зона горения кокса, 8 - вдувание нагретого воздуха через фурмы, 9 - расплавленное железо, 10 - расплавленный шлак.
Восстановление проводится при температурах порядка 700°С:
Fe2O3(тв.) +3CO(г.) = 2Fe(ж.) + 3CO2(г.)
Для повышения выхода железа этот процесс проводится в условиях избытка диоксида углерода СO2.
Моноксид углерода СО образуется в доменной печи из кокса и воздуха (2.12). Воздух сначала нагревают приблизительно до 600 °С и нагнетают в печь через особую трубу - фурму. Кокс сгорает в горячем сжатом воздухе, образуя диоксид углерода. Эта реакция экзотермична и вызывает повышение температуры выше 1700 °С:
C(г.) + O2(г.) > CO2(г.) , ?H0m = -406 кДж/моль
Диоксид углерода поднимается вверх в печи и реагирует с новыми порциями кокса, образуя моноксид углерода (2.13). Эта реакция эндотермична:
CO2(г.) +С(тв.) > 2CO(г.) , ?H0m = +173 кДж/моль
Железо, образующееся при восстановлении руды, загрязнено примесями песка и глинозема. Для их удаления в печь добавляют известняк. При температурах, существующих в печи (800 0C), известняк подвергается термическому разложению с образованием оксида кальция и диоксида углерода:
СaCO3(тв.) >CaO(тв.) + CO2(г.)
Оксид кальция соединяется с примесями, образуя шлак. Шлак содержит силикат кальция и алюминат кальция:
CaO(тв.) + SiO2(тв.) >CaSiO3(ж.)
CaO(тв.) +Al2O3(тв.) >CaAl2O4(ж.)
Железо плавится при 1540°С. Расплавленное железо вместе с расплавленным шлаком стекают в нижнюю часть печи. Расплавленный шлак плавает на поверхности расплавленного железа. Периодически из печи выпускают на соответствующем уровне каждый из этих слоев.
Доменная печь работает круглосуточно, в непрерывном режиме. Сырьем для доменного процесса служат железная руда, кокс и известняк. Их постоянно загружают в печь через верхнюю часть. Железо выпускают из печи четыре раза в сутки, через равные промежутки времени. Оно выливается из печи огненным потоком при температуре порядка 1500 °С. Доменные печи бывают разной величины и производительности (1000-3000 т в сутки). В США существуют некоторые печи новой конструкции с четырьмя выпускными отверстиями и непрерывным выпуском расплавленного железа. Такие печи имеют производительность до 10000 т в сутки.
Железо, выплавленное в доменной печи, разливают в песочные изложницы. Такое железо называется чугун. Содержание железа в чугуне составляет около 95%. Чугун представляет собой твердое, но хрупкое вещество с температурой плавления около 1200 °С.
Литое железо получают, сплавляя смесь чугуна, металлолома и стали с коксом. Расплавленное железо разливают в формы и охлаждают.
Сварочное железо представляет собой наиболее чистую форму технического железа. Его получают, нагревая неочищенное железо с гематитом и известняком в плавильной печи. Это повышает чистоту железа приблизительно до 99,5%. Его температура плавления повышается до 1400 °С.
Сварочное железо имеет большую прочность, ковкость и тягучесть. Однако для многих применений его заменяют низкоуглеродистой сталью.
Производство стали: процесс переработки чугуна в сталь состоит в том, что из чугуна удаляется избыток углерода, серы, фосфора, кремния, марганца и других элементов. Удаление примесей осуществляется переведением их в оксиды, которые либо улетучиваются(CO и CO2), либо переходят в шлак. Переработка чугунов в сталь осуществляется тремя способами: бессемеровским, томасовским и мартеновским, которые выбирают в зависимости от состава чугуна и от сорта стали, которую нужно получить. Ниже подробно рассматриваются различные типы сталей, их свойства и применения.
Мартеновский способ отличается от последующих тем, что в нем используют твердые окислители в виде оксидов железа, содержащихся в руде, окалине и скрапе (металлоломе). Мартеновский процесс проводят в специальных печах, которые называются мартеновскими. Мартеновские печи (Рисунок 2.2), где: 1 -- свод, 2 -- завалочные окна, 3 -- ванна расплава, 4 -- головки, 5 -- регенераторы, 6 -- перекидные клапаны.
Мартеновские печи относятся к типу пламенных печей - они нагреваются пламенем, получаемым при сжигании горючих газов над поверхностью нагреваемой массы. В мартеновскую печь загружают чугун, руду и скрап в таком соотношении, чтобы кислорода оксидов железа было достаточно для окисления определенного количества примесей. Флюсы подбирают с таким расчетом, чтобы шлак был кислым или основным, в зависимости от характера выводимых примесей. Процесс плавки длится 5-6 часов. В течении этого времени периодически берут пробы расплавленной стали, определяют её состав и вносят необходимые компоненты в виде ферросплавов (сплавов железа с различными металлами и неметаллами, такими, как никель, марганец, титан, молибден, вольфрам, хром, кремний и другие). Большая длительность плавки позволяет изготовить сталь определенного состава. Применение воздуха, обогащенность кислородом, дает возможность достичь более высокой температуры и позволяет интенсифицировать процесс плавки и сократить её время до 4 часов.
Кислородно-конвертерный процесс. В последние десятилетия производство стали революционизировалось в результате разработки кислородно-конвертерного процесса (известного также под названием процесса Линца--Донавица). Этот процесс начал применяться в 1953 г. на сталеплавильных заводах в двух австрийских металлургических центрах - Линце и Донавице.
В кислородно-конвертерном процессе используется кислородный конвертер с основной футеровкой (кладкой) (рисунок 2.3), где: 1-кислород и CaO, 2 -- трубка с водяным охлаждением для кислородного дутья, 3 - шлак. 4-ось, 5-расплавленная сталь, 6 - стальной корпус.
Конвертер загружают в наклонном положении расплавленным чугуном из плавильной печи и металлоломом, затем возвращают в вертикальное положение. После этого в конвертер сверху вводят медную трубку с водяным охлаждением и через нее направляют на поверхность расплавленного железа струю кислорода с примесью порошкообразной извести СaO. Эта «кислородная продувка», которая длится 20 мин, приводит к интенсивному окислению примесей железа, причем содержимое конвертера сохраняет жидкое состояние благодаря выделению энергии при реакции окисления. Образующиеся оксиды соединяются с известью и превращаются в шлак. Затем медную трубку выдвигают и конвертер наклоняют, чтобы слить из него шлак. После повторной продувки расплавленную сталь выливают из конвертера (в наклонном положении) в ковш.
Кислородно-конвертерный процесс используется главным образом для получения углеродистых сталей. Он характеризуется большой производительностью. За 40-45 мин в одном конвертере может быть получено 300-350 т стали.
В настоящее время всю сталь в Великобритании и большую часть стали во всем мире получают с помощью этого процесса.
В зависимости от материала футеровки печи конверторный способ разделяют на два вида: бессемеровский и томасовский.
Бессемеровским способом перерабатывают чугуны, содержащие мало фосфора и серы и богатые кремнием (не менее 2%). При продувке кислорода сначала окисляется кремний с выделением значительного количества тепла. Вследствие этого начальная температура чугуна примерно с 1300°C быстро поднимается до 1500--1600°С. Выгорание 1% Si обусловливает повышение температуры на 200°C (2.17). Около 1500°C начинается интенсивное выгорание углерода. Вместе с ним интенсивно окисляется и железо, особенно к концу выгорания кремния и углерода:
Si(тв.) + O2(г.) = SiO2(тв.)
- 2C(тв.) + O2(г.) = 2CO(г.)
- 2Fe(тв.) + O2(г.) = 2FeO(тв.)
Образующийся монооксид железа, FeO, хорошо растворяется в расплавленном чугуне и частично переходит в сталь, а частично реагирует с SiO2 и в виде силиката железа FeSiO3 переходит в шлак:
FeO(тв.) + SiO2(тв.) = FeSiO3(тв.)
Фосфор полностью переходит из чугуна в сталь. Так P2O5 при избытке SiO2 не может реагировать с основными оксидами, поскольку SiO2 с последними реагирует более энергично. Поэтому фосфористые чугуны перерабатывать в сталь этим способом нельзя.
Все процессы в конверторе идут быстро -- в течение 10--20 минут, так как кислород воздуха, продуваемый через чугун, реагирует с соответствующими веществами сразу по всему объёму металла. При продувке воздухом, обогащенным кислородом, процессы ускоряются. Монооксид углерода CO, образующийся при выгорании углерода, пробулькивает вверх, сгорает там, образуя над горловиной конвертора факел светлого пламени, который по мере выгорания углерода уменьшается, а затем совсем исчезает, что и служит признаком окончания процесса. Получаемая при этом сталь содержит значительные количества растворенного монооксида железа FeO, который сильно снижает качество стали. Поэтому перед разливкой сталь надо обязательно раскислить с помощью различных раскислителей -- ферросилиция, фероманганца или алюминия:
2FeO(тв.) + Si(тв.) = 2Fe(тв.) + SiO2(тв.)
FeO(тв.) + Mn(тв.) = Fe(тв.) + MnO(тв.)
3FeO(тв.) + 2Al(тв.) = 3Fe(тв.) + Al2O3(тв.)
Монооксид марганца MnO как основной оксид реагирует с SiO2 и образует силикат марганца MnSiO3, который переходит в шлак. Оксид алюминия как нерастворимое при этих условиях вещество тоже всплывает наверх и переходит в шлак. Несмотря на простоту и высокую продуктивность, бессемеровский способ теперь не слишком распространен, поскольку он имеет ряд существенных недостатков. Так, чугун для бессемеровского способа должен быть с наименьшим содержанием фосфора и серы, что далеко не всегда возможно. При этом способе происходит очень большое выгорания металла, и выход стали составляет лишь 90% от массы чугуна, а также расходуется много раскислителей. Серьезным недостатком является невозможность регулирования химического состава стали.
Бессемеровская сталь содержит обычно менее 0,2% углерода и используется как техническое железо для производства проволоки, болтов, кровельного железа.
Томасовским способом перерабатывают чугун с большим содержанием фосфора (до 2 % и более). Основное отличие этого способа от бессемеровского заключается в том, что футеровку конвертера делают из оксидов магния и кальция. Кроме того, к чугуну добавляют ещё до 15 % CaO. Вследствие этого шлакообразующие вещества содержат значительный избыток оксидов с основными свойствами.
В этих условиях фосфатный ангидрид P2O5, который возникает при сгорании фосфора, взаимодействует с избытком CaO с образованием фосфата кальция и переходит в шлак:
4P(тв.) + 5O2(г.) = 2P2O5(тв.)
P2O5(тв.) + 3CaO(тв.) = Ca3(PO4)2(тв.)
Реакция горения фосфора является одним из главных источников тепла при этом способе. При сгорании 1 % фосфора температура конвертора поднимается на 150 °C. Сера выделяется в шлак в виде нерастворимого в расплавленной стали сульфида кальция CaS, который образуется в результате взаимодействия растворимого FeS с CaO по реакции:
FeS(ж.) + CaO(тв.) = FeO(ж.) + CaS(тв.)
Все последние процессы происходят так же, как и при бессемеровском способе. Недостатки Томасовского способа такие же, как и бессемеровского. Томасовская сталь также малоуглеродная и используется как техническое железо для производства проволоки, кровельного железа.
Электросталеплавильный процесс. Электрические печи используют главным образом для превращения стального и чугунного металлолома в высококачественные легированные стали, например в нержавеющую сталь. Электропечь представляет собой круглый глубокий резервуар, выложенный огнеупорным кирпичем. Через открытую крышку печь загружают металлоломом, затем крышку закрывают и через имеющиеся в ней отверстия опускают в печь электроды, пока они не придут в соприкосновение с металлоломом. После этого включают ток. Между электродами возникает дуга, в которой развивается температура выше 3000 0С. При такой температуре металл плавится и образуется новая сталь. Каждая загрузка печи позволяет получить 25--50 т стали.
Качество стальных изделий можно улучшить дополнительной обработкой. Для этого применяют термическую обработку, цементацию, азолирование, алитиование и различные антикоррозионные покрытия.
Таким образом, промышленный метод получения железа является основным и он намного эффективнее лабораторного. Существует много промышленных методов получения железа, в их основу положено получение железа в следствии выплавки чугунка из железных руд, виплавки из чугунка стали. промыленные методы добывания железа постоянно модернизируются и на смену одной методике приходит новая.
Технология получения железа в древности
Для получения железа из руды, сначала нужно получить крицу. Для этого сначала использовалась окисленная железная руда, которая чаще всего залегает у поверхности. После открытия ее свойств такие залежи быстро истощились в результате их интенсивной разработки.
Болотные руды распространены гораздо шире. Они образовались в субатлантическом периоде, когда в процессе заболачивания железная руда оседала на дно водоемов. Все средневековье черная металлургия использовала болотные руды. Ими даже платили повинности. Получение железа из руды в относительно большом количестве стало возможным после изобретения сыродутного горна. Это название появилось после изобретения дутья подогретым воздухом в доменных печах. В древности же металлурги подавали в горн сырой (холодный) воздух. При температуре 900 o с помощью углекислого газа, отнимающего у окиси железа кислород, происходит восстановление железа из руды и получается тесто или бесформенный, пропитанный шлаком пористый кусок – крица. Для осуществления этого процесса был необходим древесный уголь как источник углекислого газа. Крица после этого проковывалась, для того чтобы удалить из нее шлак. Сыродутный способ, иногда называемый варкой железа, неэкономичен, но он долгое время оставался единственным и неизменным способом получения черного металла.
Сначала железо выплавляли в обычных, закрытых сверху ямах, позднее стали строить глиняные печи-горны. В рабочее пространство горна слоями загружали измельченную руду и уголь, все это поджигалось, и через отверстия-сопла специальными (кожаными) мехами нагнетался воздух. Каменная порода оседает в шлак при температуре 1300-1400 o , при которой получается сталь – железо, содержащее от 0.3 до 1.2%. углерода. При остывании оно становится очень твердым. Чтобы получить чугун – плавкое железо с содержанием углерода 1.5-5%, – нужна более сложная конструкция горна с большим рабочим пространством. При этом температура плавления железа оказывалась ниже, и оно частично вытекало из горна вместе со шлаком. При остывании оно становилось хрупким, и его поначалу выбрасывали, но потом научились использовать. Чтобы получить из чугуна ковкое железо, нужно удалить из него углерод.
Технология создания железных сплавовПервым устройством для получения железа из руды была одноразовая сыродутная печь. При огромном количестве недостатков, долгое время это был единственный способ получить металл из руды.
Древние люди долгое время жили богато и счастливо - каменные топоры делали из яшмы, а для получения меди пережигали малахит, но все хорошее имеет тенденцию кончаться. Одной из причин краха античной цивилизации Средиземноморья стало истощение минеральных ресурсов. Золото кончилось не в казне, а в недрах, олово иссякло даже на «Оловянных островах». Хотя медь и добывается на Синае и Кипре до сих пор, но те месторождения, которые разрабатываются сейчас, римлянам доступны не были. Среди прочего, кончилась и пригодная для сыродутной обработки руда. Только свинца ещё было много.
Впрочем, варварские племена, заселившие ставшую бесхозной Европу, долгое время не знали, что недра её истощены предшественниками. Учитывая громадное падение объёма производства металлов, тех ресурсов, которыми римляне побрезговали, долгое время хватало. Позже, металлургия стала возрождаться в первую очередь в Германии и Чехии - то есть, там, куда римляне не добрались с кирками и тачками.
Более высокую ступень в развитии чёрной металлургии представляли собой постоянные высокие печи называемые в Европе штукофенами. Это действительно была высокая печь - с четырёхметровой трубой для усиления тяги. Мехи штукофена качались уже несколькими людьми, а иногда и водяным двигателем. Штукофен имел дверцы, через которые раз в сутки извлекалась крица.
Изобретены штукофены были в Индии в начале первого тысячелетия до новой эры. В начале нашей эры они попали в Китай, а в VII веке вместе с «арабскими» цифрами арабы заимствовали из Индии и эту технологию. В конце XIII века штукофены стали появляться в Германии и Чехии (а ещё до того были на юге Испании) и в течение следующего века распространились по всей Европе.
Производительность штукофена была несравненно выше, чем сыродутной печи - в день он давал до 250 кг железа, а температура плавления в нем оказывалась достаточна для науглероживания части железа до состояния чугуна. Однако штукофенный чугун при остановке печи застывал на её дне, смешиваясь со шлаками, а очищать металл от шлаков умели тогда только ковкой, но как раз ей-то чугун и не поддавался. Его приходилось выбрасывать.
Иногда, впрочем, штукофенному чугуну пытались найти какое-то применение. Например, древние индусы отливали из грязного чугуна гробы, а турки в начале XIX века - пушечные ядра. Трудно судить, как гробы, но ядра из него получались - так себе.
Ядра для пушек из железистых шлаков в Европе отливали еще в конце XVI в. Из литой брусчатки делались дороги. В Нижнем Тагиле до сих пор сохранились здания с фундаментами из литых шлаковых блоков.
Металлурги давно заметили связь между температурой плавления и выходом продукта - чем выше она была, тем большую часть содержащегося в руде железа удавалось восстановить. Потому рано или поздно им приходила мысль форсировать штукофен предварительным подогревом воздуха и увеличением высоты трубы. В середине XV века в Европе появились печи нового типа - блауофены, которые сразу преподнесли сталеварам неприятный сюрприз.
Более высокая температура плавления действительно значительно повысила выход железа из руды, но она же повысила и долю железа науглероживающегося до состояния чугуна. Теперь уже не 10 %, как в штукофене, а 30 % выхода составлял чугун - «свиное железо», ни к какому делу не годное. В итоге, выигрыш часто не окупал модернизации.
Блауофенный чугун, как и штукофенный, застывал на дне печи, смешиваясь со шлаками. Он выходил несколько лучшим, так как его самого было больше, следовательно, относительное содержание шлаков выходило меньше, но продолжал оставаться малопригодным для литья. Чугун получаемый из блауофенов оказывался уже достаточно прочен, но оставался ещё очень неоднородным - из него выходили только предметы простые и грубые - кувалды, наковальни. Уже прилично выходили пушечные ядра.
Кроме того, если в сыродутных печах могло быть получено только железо, которое потом науглероживалось, то в штукофенах и блауофенах внешние слои крицы оказывались состоящими из стали. В блауофенных крицах стали было даже больше, чем железа. С одной стороны, это казалось хорошо, но, вот, разделить-то сталь и железо оказывалось весьма затруднительно. Содержание углерода становилось трудно контролировать. Только долгой ковкой можно было добиться однородности его распределения.
В своё время, столкнувшись с этими затруднениями, индусы не стали двигаться дальше, а занялись тонким усовершенствованием технологии и пришли к получению булата. Но, индусов в ту пору интересовало не количество, а качество продукта. Европейцы, экспериментируя с чугуном, скоро открыли передельный процесс, поднимающий металлургию железа на качественно новый уровень.
Следующим этапом в развитии металлургии стало появление доменных печей. За счёт увеличения размера, предварительного подогрева воздуха и механического дутья, в такой печи все железо из руды превращалось в чугун, который расплавлялся и периодически выпускался наружу. Производство стало непрерывным - печь работала круглосуточно и не остывала. За день она выдавала до полутора тонн чугуна. Перегнать же чугун в железо в горнах было значительно проще, чем выколачивать его из крицы, хотя ковка все равно требовалась - но теперь уже выколачивали шлаки из железа, а не железо из шлаков.
Доменные печи впервые были применены на рубеже XV-XVI веков в Европе. На Ближнем Востоке и в Индии эта технология появилась только в XIX веке (в значительной степени, вероятно, потому, что водяной двигатель из-за характерного дефицита воды на Ближнем Востоке не употреблялся). Наличие в Европе доменных печей позволило ей обогнать в XVI веке Турцию если не по качеству металла, то по валу. Это оказало несомненное влияние на исход борьбы, особенно когда оказалось, что из чугуна можно лить пушки.
С начала XVII века европейской кузницей стала Швеция, производившая половину железа в Европе. В середине XVIII века её роль в этом отношении стала стремительно падать в связи с очередным изобретением - применением в металлургии каменного угля.
Прежде всего надо сказать, что до XVIII века включительно каменный уголь в металлургии практически не использовался - из-за высокого содержания вредных для качества продукта примесей, в первую очередь - серы. С XVII века в Англии каменный уголь, правда, начали применять в пудлинговочных печах для отжига чугуна, но это позволяло достичь лишь небольшой экономии древесного угля - большая часть топлива расходовалась на плавку, где исключить контакт угля с рудой было невозможно.
Среди многих металлургических профессий того времени, пожалуй, самой тяжелой была профессия пудлинговщика. Пудлингование было основным способом получения железа почти на протяжении всего XIX в. Это был очень тяжелый и трудоемкий процесс. Работа при нем шла так: На подину пламенной печи загружались чушки чугуна; их расплавляли. По мере выгорания из металла углерода и других примесей температура плавления металла повышалась и из жидкого расплава начинали «вымораживаться» кристаллы довольно чистого железа. На подине печи собирался комок слипшейся тестообразной массы. Рабочие-пудлинговщики приступали к операции накатывания крицы при помощи железного лома. Перемешивая ломом массу металла, они старались собрать вокруг лома комок, или крицу, железа. Такой комок весил до 50 - 80 кг и более. Крицу вытаскивали из печи и подавали сразу под молот - для проковки с целью удаления частиц шлака и уплотнения металла.
Устранять серу коксованием научились в Англии в 1735 году, после чего возможность использовать для выплавки железа большие запасы каменного угля. Но за пределами Англии эта технология распространилась только в XIX веке.
Потребление же топлива в металлургии уже тогда было огромно - домна пожирала воз угля в час. Древесный уголь превратился в стратегический ресурс. Именно изобилие дерева в самой Швеции и принадлежащей ей Финляндии позволило шведам развернуть производство таких масштабов. Англичане, имевшие меньше лесов (да и те были зарезервированы для нужд флота), вынуждены были покупать железо в Швеции до тех пор, пока не научились использовать каменный уголь.
Электрический и индукционный способы выплавки железа
Разнообразие составов сталей очень затрудняет их выплавку. Ведь в мартеновской печи и конвертере атмосфера окислительная, и такие элементы, как хром, легко окисляются и переходят в шлак, т.е. теряются. Значит, чтобы получить сталь с содержанием хрома 18%, в печь надо дать гораздо больше хрома, чем 180 кг на тонну стали. А хром – металл дорогой. Как найти выход из этого положения?
Выход был найден в начале XX в. Для выплавки металла было предложено использовать тепло электрической дуги. В печь круглого сечения загружали металлолом, заливали чугун и опускали угольные или графитовые электроды. Между ними и металлом в печи («ванне») возникала электрическая дуга с температурой около 4000°C. Металл легко и быстро расплавлялся. А в такой закрытой электропечи можно создавать любую атмосферу – окислительную, восстановительную или совершенно нейтральную. Иными словами, можно предотвратить выгорание ценных элементов. Так была создана металлургия качественных сталей.
Позднее был предложен еще один способ электроплавки – индукционный. Из физики известно, что если металлический проводник поместить в катушку, по которой проходит ток высокой частоты, то в нем индуцируется ток и проводник нагревается. Этого тепла хватает, чтобы за определенное время расплавить металл. Индукционная печь состоит из тигля, в футеровку которого вделана спираль. По спирали пропускают ток высокой частоты, и металл в тигле расплавляется. В такой печи тоже можно создать любую атмосферу.
В электрических дуговых печах процесс плавки идет обычно в несколько стадий. Сначала из металла выжигают ненужные примеси, окисляя их (окислительный период). Затем из печи убирают (скачивают) шлак, содержащий окислы этих элементов, и загружают ферросплавы – сплавы железа с элементами, которые нужно ввести в металл. Печь закрывают и продолжают плавку без доступа воздуха (восстановительный период). В результате сталь насыщается требуемыми элементами в заданном количестве. Готовый металл выпускают в ковш и разливают.
Химические реакции при получении железа
В современной промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe 2 O 3) и магнетита (Fe 3 O 4).
Существуют различные способы извлечения железа из руд. Наиболее распространённым является доменный процесс.
Первый этап производства - восстановление железа углеродом в доменной печи при температуре 2000 °C. В доменной печи углерод в виде кокса, железная руда в виде агломерата или окатышей и флюс (например, известняк) подаются сверху, а снизу их встречает поток нагнетаемого горячего воздуха.
В печи углерод кокса окисляется до монооксида углерода (угарного газа) кислородом воздуха:
2C + O 2 → 2CO.
В свою очередь, угарный газ восстанавливает железо из руды:
3CO + Fe 2 O 3 → 2Fe + 3CO 2 .
Флюс добавляется для извлечения нежелательных примесей из руды, в первую очередь силикатов, таких как кварц (диоксид кремния). Типичный флюс содержит известняк (карбонат кальция) и доломит (карбонат магния). Против других примесей используют другие флюсы.
Действие флюса: карбонат кальция под действием тепла разлагается до оксида кальция (негашёная известь):
CaCO 3 → CaO + CO 2 .
Оксид кальция соединяется с диоксидом кремния, образуя шлак:
CaO + SiO 2 → CaSiO 3 .
Шлак, в отличие от диоксида кремния, плавится в печи. Более лёгкий, чем железо, шлак плавает на поверхности, и его можно сливать отдельно от металла. Шлак затем употребляется в строительстве и сельском хозяйстве. Расплав железа, полученный в доменной печи, содержит довольно много углерода (чугун). Кроме случаев, когда чугун используется непосредственно, он требует дальнейшей переработки.
Излишний углерод и другие примеси (сера, фосфор) удаляют из чугуна окислением в мартеновских печах или в конвертерах. Электрические печи используют и для выплавки легированных сталей.
Кроме доменного процесса, распространён процесс прямого получения железа. В этом случае предварительно измельчённую руду смешивают с особой глиной, формируя окатыши. Окатыши обжигают, и обрабатывают в шахтной печи горячими продуктами конверсии метана, содержащими водород. Водород легко восстанавливает железо, при этом не происходит загрязнения железа такими примесями как сера и фосфор - обычными примесями в каменном угле. Железо получается в твёрдом виде, и в дальнейшем переплавляется в электрических печах.
Химически чистое железо получается электролизом растворов его солей.
Железо и стали на его основе используются повсеместно в промышленности и обыденной жизни человека. Однако мало кто знает, из чего делают железо, вернее, как его добывают и преобразовывают в сплав стали.
Популярное заблуждение
Для начала определимся с понятиями, поскольку люди часто путаются и не совсем понимают, вообще. Это химический элемент и простое вещество, которое в чистом виде не встречается и не используется. А вот сталь - это сплав на основе железа. Она богата на различные химические элементы, а также содержит углерод в своем составе, который необходим для придания прочности и твердости.
Следовательно, не совсем правильно рассуждать о том, из чего делают железо, так как оно представляет собой химический элемент, который есть в природе. Человек из него делает сталь, которая в дальнейшем может использоваться для изготовления чего-либо: подшипников, кузовов автомобилей, дверей и т. д. Невозможно перечислить все предметы, которые из нее производятся. Итак, ниже мы не будем разбирать, из чего делают железо. Вместо этого поговорим о преобразовании этого элемента в сталь.
Добыча
В России и мире существует множество карьеров, где добывают железную руду. Это огромные и тяжелые камни, которые достаточно сложно достать из карьера, так как они являются частью одной большой горной породы. Непосредственно на карьерах в горную породу закладывают взрывчатку и взрывают ее, после чего огромные куски камней разлетаются в разные стороны. Затем их собирают, грузят на большие самосвалы (типа БелАЗ) и везут на перерабатывающий завод. Из этой горной породы и будет добываться железо.
Иногда, если руда находится на поверхности, то ее вовсе необязательно подрывать. Ее достаточно расколоть на куски любым другим способом, погрузить на самосвал и увезти.
Производство
Итак, теперь мы понимаем, из чего делают железо. Горная порода является сырьем для его добычи. Ее отвозят на перерабатывающее предприятие, загружают в доменную печь и нагревают до температуры 1400-1500 градусов. Эта температура должна держаться в течение определенного времени. Содержащееся в составе горной породы железо плавится и приобретает жидкую форму. Затем его остается разлить в специальные формы. Образовавшиеся шлаки при этом отделяют, а само железо получается чистым. Затем агломерат подают в бункерные чаши, где он продувается потоком воздуха и охлаждается водой.
Есть и другой способ получения железа: горную породу дробят и подают на специальный магнитный сепаратор. Так как железо имеет способность намагничиваться, то минералы остаются на сепараторе, а вся вымывается. Конечно, чтобы железо превратить в металл и придать ему твердую форму, его необходимо легировать с помощью другого компонента - углерода. Его доля в составе очень мала, однако именно благодаря нему металл становится высокопрочным.
Стоит отметить, что в зависимости от объема добавляемого в состав углерода сталь может получаться разной. В частности, она может быть более или менее мягкой. Есть, например, специальная машиностроительная сталь, при изготовлении которой к железу добавляют всего 0,75 % углерода и марганец.
Теперь вы знаете, из чего делают железо и как его преобразовывают в сталь. Конечно, способы описаны весьма поверхностно, но суть они передают. Нужно запомнить, что из горной породы делают железо, из чего далее могут получать сталь.
Производители
На сегодняшний день в разных странах есть крупные месторождения железной руды, которые являются базой для производства мировых запасов стали. В частности, на Россию и Бразилию приходится 18 % мирового на Австралию - 14 %, Украину - 11 %. Самыми крупными экспортерами является Индия, Бразилия, Австралия. Отметим, что цены на металл постоянно меняются. Так, в 2011 году стоимость одной тонны металла составляла 180 долларов США, а к 2016 году была зафиксирована цена в 35 долларов США за тонну.
Заключение
Теперь вы знаете, из чего состоит железо (имеется в и как его производят. Применение этого материала распространено во всем мире, и его значение практически невозможно переоценить, так как используется он в промышленных и бытовых отраслях. К тому же экономика некоторых стран построена на базе изготовления металла и его последующего экспорта.
Мы рассмотрели, из чего состоит сплав. Железо в его составе смешивается с углеродом, и подобная смесь является основной для изготовления большинства известных металлов.
