Залізо та сталі на його основі використовуються повсюдно у промисловості та повсякденному житті людини. Однак мало хто знає, з чого роблять залізо, вірніше, як його видобувають і перетворюють на сплав сталі.

Здобич

В Росії та світі існує безліч кар'єрів, де видобувають залізну руду. Це величезне і важке каміння, яке досить складно дістати з кар'єру, оскільки вони є частиною однієї великої гірської породи. Безпосередньо на кар'єрах у гірську породу закладають вибухівку та підривають її, після чого величезні шматки каміння розлітаються у різні боки. Потім їх збирають, вантажать на великі самоскиди (типу БелАЗ) та везуть на переробний завод. З цієї гірської породи і видобуватиметься залізо.

Іноді якщо руда знаходиться на поверхні, то її зовсім необов'язково підривати. Її достатньо розколоти на шматки будь-яким іншим способом, занурити на самоскид та відвезти.

Виробництво

Тож тепер ми розуміємо, з чого роблять залізо. Гірська порода є сировиною для його видобутку. Її відвозять на переробне підприємство, завантажують у доменну піч та нагрівають до температури 1400-1500 градусів. Ця температура повинна триматись протягом певного часу. Залізо, що міститься в складі гірської породи, плавиться і набуває рідкої форми. Потім його залишається розлити у спеціальні форми. Шлаки, що утворилися, при цьому відокремлюють, а саме залізо виходить чистим. Потім агломерат подають у бункерні чаші, де він продувається потоком повітря та охолоджується водою.

Є й інший спосіб одержання заліза: гірську породу дроблять та подають на спеціальний магнітний сепаратор. Оскільки залізо має можливість намагнічуватися, то мінерали залишаються на сепараторі, а вся вимивається. Звичайно, щоб залізо перетворити на метал і надати йому твердої форми, його необхідно легувати за допомогою іншого компонента - вуглецю. Його частка у складі дуже мала, проте саме завдяки ньому метал стає високоміцним.

Варто зазначити, що в залежності від обсягу вуглецю, що додається до складу, сталь може виходити різною. Зокрема, вона може бути більш менш м'якою. Є, наприклад, спеціальна машинобудівна сталь, при виготовленні якої до заліза додають лише 0,75% вуглецю та марганець.

Тепер ви знаєте, з чого роблять залізо і як його перетворюють на сталь. Звичайно, способи описані дуже поверхово, але суть вони передають. Потрібно запам'ятати, що з гірської породи роблять залізо, з чого можуть отримувати сталь.

Виробники

На сьогоднішній день у різних країнахІснують великі родовища залізняку, які є базою для виробництва світових запасів сталі. Зокрема, на Росію та Бразилію припадає 18% світового на Австралію – 14%, Україну – 11%. Найбільшими експортерами є Індія, Бразилія, Австралія. Зазначимо, що ціни на метал постійно змінюються. Так, у 2011 році вартість однієї тонни металу становила 180 доларів США, а до 2016 року було зафіксовано ціну у 35 доларів США за тонну.

Висновок

Тепер ви знаєте, з чого складається залізо (є і як його виробляють. Застосування цього матеріалу поширене у всьому світі, і його значення практично неможливо переоцінити, тому що використовується він у промислових та побутових галузях. До того ж економіка деяких країн побудована на базі виготовлення металу та його подальшого експорту.

Ми розглянули, із чого складається сплав. Залізо у його складі поєднується з вуглецем, і подібна суміш є основною для виготовлення більшості відомих металів.

Одержання заліза із залізняку виробляється у дві стадії. Воно починається з підготовки руди-подрібнення та нагрівання. Руду подрібнюють на шматки діаметром трохи більше 10 див. Потім подрібнену руду прожарюють видалення води та летких домішок.

На другій стадії залізну руду відновлюють до заліза за допомогою оксиду вуглецю доменної печі. Відновлення проводиться за температури близько 700 °С:

Для підвищення виходу заліза цей процес проводиться в умовах надлишку діоксиду вуглецю 2 .

Моноксид вуглецю СО утворюється в доменній печі з коксу та повітря. Повітря спочатку нагрівають приблизно до 600 °С і нагнітають у піч через спеціальну трубу-фурму. Кокс згоряє в гарячому стисненому повітрі, утворюючи діоксид вуглецю. Ця реакція екзотермічна і викликає підвищення температури вище 1700°С:

Діоксид вуглецю піднімається вгору печі і реагує з новими порціями коксу, утворюючи моноксид вуглецю. Ця реакція ендотермічна:

Залізо, що утворюється при відновленні руди, забруднене домішками піску та глинозему (див. вище). Для їхнього видалення в піч додають вапняк. При температурах, що існують у печі, вапняк зазнає термічного розкладання з утворенням оксиду кальцію та діоксиду вуглецю:

Оксид кальцію з'єднується з домішками, утворюючи шлак. Шлак містить силікат кальцію та алюмінат кальцію:

Залізо плавиться за 1540 °С. Розплавлене залізо разом з розплавленим шлаком стікають у нижню частинупечі. Розплавлений шлак плаває лежить на поверхні розплавленого заліза. Періодично з печі випускають на відповідному рівні кожен із цих шарів.

Доменна піч працює цілодобово, у безперервному режимі. Сировиною для доменного процесу є залізна руда, кокс і вапняк. Їх постійно завантажують у піч через верхню частину. Залізо випускають із печі чотири рази на добу, через рівні проміжки часу. Воно виливається із печі вогненним потоком при температурі близько 1500°С. Доменні печі бувають різної величинита продуктивності (1000-3000 т на добу). У США є деякі печі нової конструкції з чотирма випускними отворами і безперервним випуском розплавленого заліза. Такі печі мають продуктивність до 10000 т на добу.

Залізо, виплавлене доменної печі, розливають у пісочні виливниці. Таке залізо називається чавун. Вміст заліза у чавуні становить близько 95%. Чавун є твердою, але крихкою речовиною з температурою плавлення близько 1200°С.

Лите залізо отримують, сплавляючи суміш чавуну, металобрухту та сталі з коксом. Розплавлене залізо розливають у форми та охолоджують.

Зварювальне залізо є найбільш чистою формою технічного заліза. Його отримують, нагріваючи неочищене залізо з гематитом та вапняком у плавильній печі. Це підвищує чистоту заліза приблизно 99,5%. Його температура плавлення збільшується до 1400 °С. Зварювальне залізо має велику міцність, ковкість та тягучість. Однак для багатьох застосувань його замінюють низьковуглецевою сталлю (див. нижче).

Хімічні реакції при виплавці чавуну із залізняку

В основі виробництва чавуну лежить процес відновлення заліза з його оксидів оксидом вуглецю.

Відомо, що окис вуглецю можна отримати, діючи киснем повітря на розпечений кокс. При цьому спочатку утворюється двоокис вуглецю, яка за високої температури відновлюється вуглецем коксу в окис вуглецю:

Відновлення заліза з окису заліза відбувається поступово. Спочатку окис заліза відновлюється до закису-окису заліза:

і, нарешті, із закису заліза відновлюється залізо:

Швидкість цих реакцій зростає із підвищенням температури, зі збільшенням у руді вмісту заліза та зі зменшенням розмірів шматків руди. Тому процес ведуть при високих температурах, а руду попередньо збагачують, подрібнюють, і шматки сортують по крупності: у шматках однакової величини відновлення заліза відбувається за те саме час. Оптимальні розміришматків руди та коксу від 4 до 8-10 див.Дрібну руду попередньо спекують (агломерують) шляхом нагрівання до високої температури. При цьому з руди видаляється більша частина сірки.

Залізо відновлюється окисом вуглецю майже повністю. Одночасно частково відновлюються кремній та марганець. Відновлене залізо утворює метал із вуглецем коксу. кремнієм, марганцем, та сполуками, сірки та фосфору. Цей сплав рідкий чавун. Температура плавлення чавуну значно нижча за температуру плавлення чистого заліза.

Порожня порода та зола палива також мають бути розплавлені. Для зниження температури плавлення до складу "плавильних" матеріалів вводять, крім руди та коксу, флюси (плавні) - здебільшоговапняк СаСО 3 і доломіт CaCO 3× МgСО 3 . Продукти розкладання флюсів при нагріванні утворюють з речовинами, що входять до складу порожньої породи та золи коксу, з'єднання з більш низькими температурамиплавлення, переважно силікати та алюмосилікати кальцію та магнію, наприклад, 2CaO×Al 2 O 3× SiO 2 , 2CaO×Mg0×2Si0 2 .

Хімічний склад сировини, що надходить на переробку, іноді коливається у межах. Щоб вести процес при постійних та найкращих умовах, сировину "усереднюють" за хімічним складом, тобто змішують руди різного хімічного складу в певних вагових відносинах і отримують суміші постійного складу. Дрібні руди спікають разом із флюсами, отримуючи “офлюсований агломерат”. Застосування офлюсованого агломерату дозволяє значно прискорити процес.

Виробництво сталі

Сталі поділяються на два типи. Вуглецеві сталімістять до 1,5% вуглецю. Леговані сталімістять не тільки невеликі кількості вуглецю, але також домішки (добавки) інших металів, що спеціально вводяться. Нижче докладно розглядаються різні типисталей, їх властивості та застосування.

Киснево-конвертерний процес. Останні десятиліття виробництво стали революціонізувалося в результаті розробки киснево-конвертерного процесу (відомого також під назвою процесу Лінца-Донавиця). Цей процес почав застосовуватися в 1953 р. на сталеплавильних заводах у двох австрійських металургійних центрах – Лінці та Донавіце.

У киснево-конвертерному процесі використовується кисневий конвертер з основним футеруванням (кладкою). Конвертер завантажують у похилому положенні розплавленим чавуном із плавильної печі та металобрухтом, потім повертають у вертикальне положення. Після цього в конвертер зверху вводять мідну трубкуз водяним охолодженням і через неї направляють на поверхню розплавленого заліза струмінь кисню з домішкою порошкоподібного вапна (СаО). Ця "киснева продування", яка триває 20 хв, призводить до інтенсивного окислення домішок заліза, причому вміст конвертера зберігає рідкий стан завдяки виділенню енергії при реакції окислення. Оксиди, що утворюються, з'єднуються з вапном і перетворюються на шлак. Потім мідну трубку висувають і нахиляють конвертер, щоб злити з нього шлак. Після повторного продування розплавлену сталь виливають з конвертера (в похилому положенні) в ківш.

Киснево-конвертерний процес використовується головним чином для отримання вуглецевих сталей. Він характеризується великою продуктивністю. За 40-45 хв в одному конвертері можна отримати 300-350 т сталі.

В даний час всю сталь у Великій Британії і більшу частину сталі у всьому світі отримують за допомогою цього процесу.

Електросталеплавильний процес. Електричні печівикористовують головним чином для перетворення сталевого та чавунного металобрухту на високоякісні леговані сталі, наприклад на нержавіючу сталь. Електропіч являє собою круглий глибокий резервуар, викладений вогнетривкою цеглою. Через відкриту кришку піч завантажують металобрухтом, потім кришку закривають і через отвори, що є в ній, опускають в піч електроди, поки вони не прийдуть в дотик з металобрухтом. Після цього включають струм. Між електродами виникає дуга, де розвивається температура вище 3000 °З. За такої температури метал плавиться і утворюється нова сталь. Кожне завантаження печі дозволяє одержати 25-50 т сталі.

Сталь виходить із чавуну при видаленні з нього більшої частини вуглецю, кремнію, марганцю, фосфору та сірки. Для цього чавун піддають окисної плавки. Продукти окислення виділяються у газоподібному стані та у вигляді шлаку.

Оскільки концентрація заліза в чавуні значно вища, ніж інших речовин, спочатку інтенсивно окислюється залізо. Частина заліза переходить у закис заліза:

Реакція йде із виділенням тепла.

Закис заліза, перемішуючи з розплавом, окислює кремній марганець та вуглець:

Si+2FeO=SiO 2 +2Fe

Перші дві реакції екзотермічні. Особливо багато тепла виділяється при окисненні кремнію.

Фосфор окислюється у фосфорний ангідрид, який утворює з окислами металів сполуки, розчинні у шлаку. Але вміст сірки знижується незначно, і тому важливо, щоб у вихідних матеріалах було мало сірки.

Після завершення окисних реакцій у рідкому сплавіміститься ще закис заліза, від якого його потрібно звільнити. Крім того, необхідно довести до встановлених нормвміст сталі вуглецю, кремнію і марганцю. Тому до кінця плавки додають відновники, наприклад, феромарганець (сплав заліза з марганцем) та інші так звані “розкислювачі”. Марганець реагує із закисом заліза та “розкислює” сталь:

Мп+FеО=МnО+Fe

Переділ чавуну в сталь здійснюється в даний час у різний спосіб. Старішим, застосованим вперше у середині ХІХ ст. є спосіб Бессемера.

Спосіб Бессемера . За цим способом переділ чавуну в сталь проводиться шляхом продування повітря через гарячий розплавлений чавун. Процес протікає без витрати палива рахунок тепла, що виділяється при екзотермічних реакціях окислення кремнію, марганцю та інших елементів.

Процес проводиться в апараті, який називається на прізвище винахідника конвертером Бессемера. Він являє собою грушоподібну сталеву судину, футеровану всередині вогнетривким матеріалом. У дні конвертера є отвори, якими подається в апарат повітря. Апарат працює періодично. Повернувши апарат у горизонтальне положення, заливають чавун та подають повітря. Потім повертають апарат у вертикальне положення. На початку процесу окислюються залізо, кремній та марганець, потім вуглець. Окис вуглецю, що утворюється, згоряє над конвертером сліпуче яскравим полум'ям довжиною до 8 л. Полум'я поступово змінюється бурим димом. Починається горіння заліза. Це показує, що період інтенсивного окиснення вуглецю закінчується. Тоді подачу повітря припиняють, переводять конвертер у горизонтальне положення та вносять розкислювачі.

Процес Бессемера має низку переваг. Він протікає дуже швидко (протягом 15 хвилин), тому продуктивність апарата є великою. Для проведення процесу не потрібно витрачати паливо чи електричну енергію. Але цим способом можна переробляти в сталь не всі, лише окремі сорти чавуну. До того ж значна кількість заліза в безсемерівському процесі окислюється і губиться (великий “чад” заліза).

Значним удосконаленням у виробництві сталі в конвертерах Бессемера є застосування для продування замість повітря суміші його з чистим киснем (“збагаченого повітря”), що дозволяє отримувати сталі вищої якості.

Мартенівський спосіб. Основним способом переділу чавуну в сталь є зараз мартенівський. Тепло, необхідне проведення процесу, виходить у вигляді спалювання газоподібного чи рідкого палива.Процес одержання сталі здійснюється в полум'яній печі – мартенівській печі.

Плавильний простір мартенівської печі є ванною, перекритою склепінням з вогнетривкої цегли. У передній стінці печі знаходяться завантажувальні вікна, через які завалювальні машини завантажують у піч шихту. У задній стінці знаходиться отвір для випуску сталі. З обох боків ванни розташовані головки з каналами для підведення палива та повітря та відведення продуктів горіння. Пекти ємністю 350 т має довжину 25 м і ширину 7 м.

Мартенівська піч працює періодично. Після випуску сталі в гарячу піч завантажують у встановленій послідовності брухт, залізну руду, чавун, а як флюс - вапняк або вапно. Шихта плавиться. При цьому інтенсивно окислюються: частина заліза, кремнію та марганець. Потім починається період швидкого окислення вуглецю, званий періодом "кипіння", - рух бульбашок окису вуглецю через шар розплавленого металу створює враження, що він кипить.

Наприкінці процесу додають розкислювачі. За зміною складу металу ретельно стежать, керуючись даними експрес-аналізу, що дозволяє дати відповідь про склад сталі протягом декількох хвилин. Готову сталь виливають у ковші. Для підвищення температури полум'я газоподібне паливо та повітря попередньо підігрівають у регенераторах. Принцип дії регенераторів той самий, що й повітронагрівачів доменного виробництва. Насадка регенератора нагрівається газами, що відходять з печі, і коли вона достатньо нагріється, через регенератор починають подавати в піч повітря. Саме тоді нагрівається інший регенератор. Для регулювання теплового режиму піч забезпечується автоматичними пристроями.

У мартенівській печі, на відміну від конвертера Бессемера, можна переробляти не тільки рідкий чавун, але й твердий, а також відходи металообробної промисловості та сталевий брухт. У шихту вводять також залізну руду. Склад шихти можна змінювати у межах і виплавляти стали різноманітного складу, як вуглецеві, і леговані.

Російськими вченими та сталеварами розроблені методи швидкісного сталеварення, що підвищують продуктивність печей. Продуктивність печей виражається кількістю сталі, що отримується з одного квадратного метраплощі подавання печі в одиницю часу.

Виробництво сталі в електропечах. Застосування електричної енергіїу виробництві сталі дає можливість досягати вищої температури та точніше її регулювати. Тому в електропечах виплавляють будь-які марки сталей, у тому числі містять тугоплавкі метали - вольфрам, молібден та ін. Втрати легуючих елементів в електропечах менше, ніж в інших печах. При плавці з киснем прискорюється плавлення шихти і особливо окиснення вуглецю в рідкій шихті, Застосування кисню дозволяє ще більше підвищити якість електросталі, тому що в ній залишається менше розчинених газів та неметалевих включень.

У промисловості застосовують два типи електропечей: дугові та індукційні. У дугових печах тепло виходить внаслідок утворення електричної дуги між електродами та шихтою. В індукційних печах тепло виходить за рахунок електричного струму, що індукується в металі.

Сталеплавильні печі всіх типів - безсемерівські конвертери, мартенівські та електричні - є апаратами періодичної дії. До недоліків періодичних процесів відносяться, як відомо, витрата часу на завантаження та розвантаження апаратів, необхідність змінювати умови у міру перебігу процесу, труднощі регулювання та ін. Тому перед металургами стоїть завдання створення нового безперервного процесу.

Застосування як конструкційні матеріали сплавів заліза.

Деякі d-елементи широко використовуються виготовлення конструкційних матеріалів, головним чином вигляді сплавів. Сплав це суміш (або розчин) будь-якого металу з одним або декількома іншими елементами.

Сплави, головний складовоюяких служить залізо, називаються сталями. Вище ми вже говорили, що всі стали поділяються на два типи: вуглецеві та леговані.

Вуглецеві сталі. За вмістом вуглецю ці сталі у свою чергу поділяються на низьковуглецеву, середньовуглецеву та високовуглецеву сталі. Твердість вуглецевих сталей зростає з підвищенням вмісту вуглецю. Наприклад, низьковуглецева сталь є тягучою та ковкою. Її використовують у тих випадках, коли механічне навантаження не має вирішального значення. Різні застосуваннявуглецевих сталей вказані у таблиці. Перед вуглецевих сталей доводиться до 90% всього обсягу виробництва стали.

Леговані сталі. Такі сталі містять до 50% домішки одного або декількох металів, найчастіше алюмінію, хрому, кобальту, молібдену, нікелю, титану, вольфраму та ванадію.

Нержавіючі сталі містять як домішок до заліза хром і нікель. Ці домішки підвищують твердість сталі та роблять її стійкою до корозії. Остання властивість обумовлена освітою тонкого шару оксиду хрому (III) на поверхні сталі.

Інструментальні сталі поділяються на вольфрамові та марганцеві. Додавання цих металів підвищує твердість, міцність та стійкість за високих температур (жароміцність) сталі. Такі сталі використовуються для буріння свердловин, виготовлення ріжучих кромок металообробних інструментів та тих деталей машин, які піддаються великому механічному навантаженню.

Кремнисті сталі використовуються виготовлення різного електрообладнання: моторів, електрогенераторів і трансформаторів.

Процеси прямого отриманнязаліза із руд. Виробництво сталі.

Процеси прямого отримання заліза із руд

Під процесами прямого отримання заліза розуміють такі хімічні, електрохімічні або хіміко-термічні процеси, які дають змогу отримувати безпосередньо з руди, минаючи доменну піч, металеве залізо у вигляді губки, криці або рідкого металу.

Такі процеси ведуться, не витрачаючи металургійний кокс, флюси, електроенергію (підготовка стиснутого повітря), а також дозволяють отримати дуже чистий метал.

Методи прямого одержання заліза відомі давно. Опробовано понад 70 різних способів, але мало хто здійснено і до того ж у невеликому промисловому масштабі.

В Останніми рокамиінтерес до цієї проблеми зріс, що пов'язано, крім заміни коксу іншим паливом, з розвитком способів глибокого збагачення руд, що забезпечують як високого вмісту заліза в концентратах (70…72%), а й майже повне звільнення його від сірки і фосфору.

Одержання губчастого заліза у шахтних печах.

Схема процесу представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Схема установки для прямого відновлення заліза з руд та отримання металізованих котунів

При отриманні губчастого заліза видобуту руду збагачують і отримують котуни. Окатиші з бункера 1 по гуркоту 2 надходять у короб 10 шихтозавалочної машини і звідти в шахтну піч 9 , що працює за принципом протитечії. Просип від котунів потрапляє в бункер 3 з брикетувальним пресом і у вигляді котунів знову надходить на гуркіт 2 . Для відновлення заліза з окатишів у піч по трубопроводу 8 подають суміш природного та доменного газів, піддану в установці 7конверсії, в результаті якої суміш розкладається на водень та оксид вуглецю . У відновлювальній зоні печі Створюється температура 1000 ... 1100 0 C, за якої і відновлюють залізну руду в окатишах до твердого губчастого заліза. Вміст заліза в котунах досягає 90 ... 95%. Для охолодження залізних окатишів трубопроводом 6 в зону охолодження 0 печі подають повітря. Охолоджені котуни 5 видаються на конвеєр 4 і надходять на виплавку сталі в електропечах.

Відновлення заліза в киплячому шарі.

Дрібнозернисту руду або концентрат поміщають на решітку, через яку подають водень або інший відновлювальний газ під тиском 1,5 МПа. Під тиском водню частинки руди знаходяться у зваженому стані, здійснюючи безперервний рух і утворюючи «киплячий», «псевдозріджений» шар. У киплячому шарі забезпечується гарний контактгазу-відновника з частинками оксидів заліза На тонну відновленого порошку витрата водню становить 600…650 м 3 .

Отримання губчастого заліза у капсулах-тиглях.

Використовують карбідокремнієві капсули діаметром 500 мм та висотою 1500 мм. Шихта завантажується концентричними шарами. Внутрішня частинакапсули заповнена відновником - подрібненим твердим паливом і вапняком (10 ... 15%) для видалення сірки. Другий шар – відновлювана подрібнена руда або концентрат, окалина, потім ще один концентричний шар – відновника та вапняку. Встановлені на вагонетки капсули повільно переміщуються в тунельній печі довжиною до 140 м, де відбувається нагрівання, витримка при 1200 0 C і охолодження протягом 100 годин.

Відновлене залізо одержують як товстостінних труб, їх чистять, дроблять і подрібнюють, одержуючи залізний порошок із вмістом заліза до 99 %, вуглецю – 0,1…0,2%.

Виробництво сталі

Сутність процесу

Стали- Залізовуглецеві сплави, що містять практично до 1,5% вуглецю, при більшому його вмісті значно збільшуються твердість і крихкість сталей і вони не знаходять широкого застосування.

Основними вихідними матеріалами для виробництва стали граничний чавун і сталевий брухт (скрап).

Залізо окислюється в першу чергу при взаємодії чавуну з киснем у сталеплавильних печах:

Одночасно із залізом окислюються кремній, фосфор, марганець та вуглець. Оксид заліза, що утворюється, при високих температурах віддає свій кисень більш активним домішкам в чавуні, окислюючи їх.

Процеси виплавки стали здійснюють у три етапи.

Перший етап – розплавлення шихти та нагрівання ванни рідкого металу.

Температура металу порівняно невисока, інтенсивно відбувається окислення заліза, утворення оксиду заліза та окислення домішок: кремнію, марганцю та фосфору.

Найбільш важливе завданняетапу – видалення фосфору. Для цього бажано проведення плавки в основній печі, де містить шлак. Фосфорний ангідрид утворює з оксидом заліза нестійку сполуку. Оксид кальцію – сильніша основа, ніж оксид заліза, тому при невисоких температурах зв'язує та переводить його в шлак:

Для видалення фосфору необхідні невисокі температура ванни металу та шлаку, достатній вміст у шлаку. Для підвищення вмісту в шлаку та прискорення окислення домішок у піч додають залізну руду та окалину, наводячи залізистий шлак. У міру видалення фосфору з металу в шлак вміст фосфору в шлаку збільшується. Тому необхідно прибрати цей шлак із дзеркала металу та замінити його новим зі свіжими добавками.

Другий етап – кипіння металевої ванни – починається у міру прогріву до вищих температур.

При підвищенні температури інтенсивніше протікає реакція окиснення вуглецю, що відбувається з поглинанням теплоти:

Для окислення вуглецю в метал вводять незначну кількість руди, окалини або вдмухують кисень.

При реакції оксиду заліза з вуглецем, бульбашки оксиду вуглецю виділяються з рідкого металу, викликаючи кипіння ванни. При «кипенні» зменшується вміст вуглецю в металі до необхідного, вирівнюється температура по об'єму ванни, частково видаляються неметалеві включення, що прилипають до спливаючих бульбашок, а також гази, що проникають у бульбашки. Все це сприяє підвищенню якості металу. Отже, цей етап – основний у процесі виплавки сталі.

Також створюються умови видалення сірки. Сірка в сталі знаходиться у вигляді сульфіду (), який розчиняється також в основному шлаку. Чим вища температура, тим Велика кількістьсульфіду заліза розчиняється в шлаку і взаємодіє з оксидом кальцію:

З'єднання, що утворюється, розчиняється в шлаку, але не розчиняється в залозі, тому сірка видаляється в шлак.

Третій етап – розкислення сталі полягає у відновленні оксиду заліза, розчиненого у рідкому металі.

При плавці підвищення вмісту кисню в металі необхідне окислення домішок, але у готової сталі кисень – шкідлива домішка, оскільки знижує механічні властивостісталі, особливо за високих температур.

Сталь розкислюють двома способами: осаджуючим та дифузійним.

Облога розкислення здійснюється введенням в рідку сталь розчинних розкислювачів (феромарганця, феросиліція, алюмінію), що містять елементи, які мають більшу спорідненість до кисню, ніж залізо.

В результаті розкислення відновлюється залізо і утворюються оксиди: , які мають меншу щільність, ніж сталь, і віддаляються в шлак.

Дифузійне розкислення здійснюється розкисленням шлаку. Ферромарганець, феросиліцій та алюміній у подрібненому вигляді завантажують на поверхню шлаку. Розкислювачі, відновлюючи оксид заліза, зменшують його вміст у шлаку. Отже, оксид заліза, розчинений у сталі перетворюється на шлак. Оксиди, що утворюються при цьому, залишаються в шлаку, а відновлене залізо переходить у сталь, при цьому в сталі знижується вміст неметалевих включень і підвищується її якість.

Залежно від ступеня розкислення виплавляють:

а) спокійні,

б) киплячі,

в) напівспокійні.

Спокійна сталь виходить при повному розкисленні в печі та ковші.

Кипляча сталь розкислена в печі неповністю. Її розкислення продовжується у виливниці при затвердінні злитка, завдяки взаємодії оксиду заліза та вуглецю:

Оксид вуглецю, що утворюється, виділяється зі сталі, сприяючи видаленню зі сталі азоту і водню, гази виділяються у вигляді бульбашок, викликаючи її кипіння. Кипляча сталь не містить неметалевих включень, тому має гарну пластичність.

Напівспокійна сталь має проміжну розкисленість між спокійною та киплячою. Частково вона розкислюється в печі та в ковші, а частково – у виливниці, завдяки взаємодії оксиду заліза та вуглецю, що містяться у сталі.

Легування сталі здійснюється введенням феросплавів або чистих металів необхідної кількостіу розплав. Легирующие елементи, які мають спорідненість до кисню менше, ніж в заліза (), при плавці і розливу не окислюються, тому вводять у час плавки. Легуючі елементи, у яких спорідненість до кисню більша, ніж у заліза (), вводять у метал після розкислення або одночасно з ним в кінці плавки, а іноді в ківш.

Способи виплавлення сталі

Чавун переробляється в сталь у різних за принципом дії металургійних агрегатах: мартенівських печах, кисневих конвертерах, електричних печах.

Виробництво сталі в мартенівських печах

Мартенівський процес (1864-1865, Франція). У період до сімдесятих років був основним способом виробництва сталі. Спосіб характеризується порівняно невеликою продуктивністю, можливістю використання вторинного металу – сталевого скрапу. Місткість печі становить 200...900 т. Спосіб дозволяє отримувати якісну сталь.

Мартенівська піч (рис.2.2.) за влаштуванням і принципом роботи є полум'яною відбивною регенеративною піччю. У плавильному просторі спалюється газоподібне

паливо чи мазут. Висока температурадля отримання сталі у розплавленому стані забезпечується регенерацією тепла пічних газів.

Сучасна мартенівська піч є витягнутою в горизонтальному напрямку камерою, складеною з вогнетривкої цегли. Робочий плавильний простір обмежений знизу подиною 12, зверху склепінням 11 , а з боків передньої 5 та задньої 10 стінками. Подина має форму ванни з укосами до стін печі. У передній стінці є завантажувальні вікна 4 для подачі шихти і флюсу, а задній - отвір 9 для випуску готової сталі.

Рис.2.2. Схема мартенівської печі

Характеристикою робочого простору є площа печі, яку підраховують на рівні порогів завантажувальних вікон. З обох торців плавильного простору розташовані головки печі 2, які служать для змішування палива з повітрям та подачі цієї суміші в плавильний простір. Як паливо використовують природний газ, мазут.

Для підігріву повітря та газу при роботі на низькокалорійному газі піч має два регенератори 1.

Регенератор – камера, в якій розміщена насадка – вогнетривка цегла, викладена в клітку, призначена для нагрівання повітря та газів.

Гази, що відходять від печі, мають температуру 1500…1600 0 C. Потрапляючи в регенератор, гази нагрівають насадку до температури 1250 0 C. Через один з регенераторів подають повітря, яке проходячи через насадку нагрівається до 1200 0 C і надходить у головку печі, де змішується з паливом, на виході з головки утворюється смолоскип 7, спрямований на шихту 6.

Гази, що відходять, проходять через протилежну головку (ліву), очисні пристрої(шлаковики), що служать для відокремлення від газу частинок шлаку і пилу і прямують до другого регенератора.

Охолодні гази залишають піч через димову трубу 8.

Після охолодження насадки правого регенератора перемикають клапани, і потік газів у печі змінює напрямок.

Температура факела полум'я досягає 1800 0 C. Факел нагріває робочий простірпечі та шихту. Смолоскип сприяє окисленню домішок шихти при плавці.

Тривалість плавки становить 3-6 годин, для великих печей - до 12 годин. Готову плавку випускають через отвір, розташований у задній стінці нижньому рівні пода. Отвір щільно забивають вогнетривкими матеріалами, що малоспікаються, які при випуску плавки вибивають. Печі працюють безперервно, до зупинки на капітальний ремонт- 400 ... 600 плавок.

Залежно від складу шихти, що використовується при плавці, розрізняють різновиди мартенівського процесу:

– скрап-процес, при якому шихта складається із сталевого брухту (скрапу) та 25…45 % чушкового переділного чавуну, процес застосовують на заводах, де немає доменних печей, але багато металобрухту.

– скрап-рудний процес, у якому шихта складається з рідкого чавуну (55…75 %), скрапу і залізняку, процес застосовують на металургійних заводах, мають доменні печі.

Футерування печі може бути основним і кислим. Якщо в процесі плавки сталі, в шлаку переважають основні оксиди, процес називають основниммартенівським процесом, а якщо кислі – кислим.

Найбільша кількістьсталі виробляють скрап-рудним процесом у мартенівських печах з основним футеруванням.

У піч завантажують залізну руду та вапняк, а після підігріву подають скрап. Після розігріву скрапу в піч заливають рідкий чавун. У період плавлення за рахунок оксидів руди та скрапу інтенсивно окислюються домішки чавуну: кремній, фосфор, марганець і, частково, вуглець. Оксиди утворюють шлак з високим вмістом оксидів заліза та марганцю (залізистий шлак). Після цього проводять період «кипіння» ванни: в піч завантажують залізну руду і продувають ванну, що подається по трубах 3 киснем. У цей час відключають подачу в піч палива та повітря та видаляють шлак.

Для видалення сірки наводять новий шлак, подаючи на дзеркало металу вапно з додаванням бокситу зменшення в'язкості шлаку. Вміст у шлаку зростає, а зменшується.

У період кипіння вуглець інтенсивно окислюється, тому шихта повинна містити надлишок вуглецю. На даному етапіметал доводиться до заданого хімічного складу, з нього видаляються гази та неметалеві включення.

Потім проводять розкислення металу у два етапи. Спочатку розкислення йде шляхом окислення вуглецю металу, за одночасної подачі у ванну розкислювачів – феромарганця, феросиліція, алюмінію. Остаточне розкислення алюмінієм та феросиліцієм здійснюється в ковші, при випуску сталі з печі. Після відбору контрольних спроб сталь випускають в ківш.

В основних мартенівських печах виплавляють сталі вуглецеві конструкційні, низько- та середньолеговані (марганцовисті, хромисті), крім високолегованих сталей та сплавів, які одержують у плавильних електропечах.

У мартенівських кислих печах виплавляють якісні сталі. Застосовують шихту з низьким вмістом сірки та фосфору.

Основними техніко-економічними показниками виробництва сталі в мартенівських печах є:

· продуктивність печі – знімання сталі з 1м 2 площі пода на добу (т/м 2 на добу), в середньому становить 10 т/м 2 ; р

· Витрата палива на 1т сталі, що виплавляється, в середньому становить 80 кг/т.

З укрупненням печей збільшується їхня економічна ефективність.

Виробництво сталі у кисневих конвертерах.

Киснево-конвертерний процес – виплавка сталі з рідкого чавуну в конвертері з основним футеруванням і продуванням киснем через водоохолоджувану фурму.

Перші досліди у 1933-1934 – Мозковий.

В промислових масштабах– у 1952-1953 на заводах у Лінці та Донавіці (Австрія) – отримав назву ЛД-процес. В даний час спосіб є основним у масовому виробництві сталі.

Кисневий конвертер – посудина грушоподібної форми сталевого листа, футерований основною цеглою.

Місткість конвертера – 130…350 т рідкого чавуну. У процесі роботи конвертер може повертатися на 360 0 для завантаження скрапу, заливки чавуну, зливу сталі та шлаку.

Шихтовими матеріалами киснево-конвертерного процесу є рідкий переробний чавун, сталевий брухт (не більше 30%), вапно для наведення шлаку, залізна руда, а також боксит та плавиковий шпат для розрідження шлаку.

Послідовність технологічних операційпри виплавці сталі у кисневих конвертерах представлена на рис. 2.3.

Рис.2.3. Послідовність технологічних операцій при виплавці сталі в кисневих конвертерах

Після чергової плавки сталі випускний отвір закладають вогнетривкою масою і оглядають футерування, ремонтують.

Перед плавкою нахиляють конвертер, за допомогою завалочних машин завантажують скрап рис. (2.3.а), заливають чавун при температурі 1250...1400 0 C (рис. 2.3.б).

Після цього конвертер повертають у робоче положення (рис. 2.3.в), всередину вводять фурму, що охолоджується, і через неї подають кисень під тиском 0,9...1,4 МПа. Одночасно з початком продування завантажують вапно, боксит, залізну руду. Кисень проникає в метал, викликає його циркуляцію в конвертері та перемішування зі шлаком. Під фурмою розвивається температура 2400 0 C. У зоні контакту кисневого струменя з металом окислюється залізо. Оксид заліза розчиняється у шлаку та металі, збагачуючи метал киснем. Розчинений кисень окислює кремній, марганець, вуглець у металі, та його вміст падає. Відбувається розігрів металу теплотою, що виділяється при окисненні.

Фосфор видаляється на початку продування ванни киснем, коли її температура невисока (зміст фосфору в чавуні не повинен перевищувати 0,15%). При підвищеному змістіфосфору його видалення необхідно зливати шлак і наводити новий, що знижує продуктивність конвертера.

Сірка видаляється протягом усієї плавки (зміст сірки в чавуні має бути до 0,07%).

Подачу кисню закінчують, коли вміст вуглецю в металі відповідає заданому. Після цього конвертер повертають і випускають сталь у ківш (рис. 2.3.г), де розкислюють методом осадження феромарганцем, феросиліцієм і алюмінієм, потім зливають шлак (рис. 2.3.д).

У кисневих конвертерах виплавляють сталі з різним вмістом вуглецю, киплячі та спокійні, а також низьколеговані сталі. Легуючі елементи в розплавленому вигляді вводять у ківш перед випуском сталі.

Плавка в конвертерах місткістю 130-300 т закінчується через 25-30 хвилин.

Відоме людству мало космічне походження, а, точніше кажучи, метеоритне. Як інструментальний матеріал воно почало використовуватися приблизно 4 тис. років до нашої ери. Технологія виплавки металу кілька разів з'явилася на світ і губилася в результаті воєн та смут, але, як вважають історики, першими освоїли виплавку хети.

Варто відзначити, що йдеться про сплави заліза з невеликою кількістю домішок. Хімічно чистий метал стало можливим отримати лише з появою сучасних технологій. Дана стаття розповість вам у подробицях про особливості виробництва металу методом прямого відновлення, кричного, губчастого, сиродутного, гарячебрикетованого заліза, торкнемося виготовлення хлорної та чистої речовини.

Для початку варто розглянути спосіб виробництва заліза із залізної руди. Залізо – елемент дуже поширений. За вмістом у земній корі метал займає 4 місце серед усіх елементів та 2 серед металів. У літосфері залізо представлене зазвичай як силікатів. Найбільше його зміст зазначено в основних та ультраосновних породах.

Майже всі гірські руди містять якусь дещицю заліза. Проте розробляються ті породи, у яких частка елемента має промислове значення. Але і в цьому випадку кількість придатних для розробки мінералів більш ніж велика.

Насамперед, це залізняк– червоний (гематит), магнітний (магнітит) та бурий (лимоніт). Це складні оксиди заліза з вмістом елемента 70-74%. Бурий залізняк найчастіше зустрічається в корах вивітрювання, де формує так звані «залізні капелюхи» завтовшки до кількох сотень метрів. Інші мають переважно осадове походження.
Дуже поширений сульфід заліза- Пірит або сірчаний колчедан, проте залізною рудою він не вважається і йде на виробництво сірчаної кислоти.
Сидерит- карбонат заліза, що включає до 35%, це руда середня за змістом елемента.
Марказіт- Включає до 46,6%.
Міспікель– з'єднання з миш'яком та сіркою, містить до 34,3% заліза.
Леллінгіт- Включає всього 27,2% елемента і вважається рудою бідною.

Мінеральні породи класифікують за часткою заліза таким чином:

багаті– із вмістом металу більше, ніж 57%, із часткою кремнезему менше 8–10%, та домішкою сірки та фосфору менше 0,15%. Такі руди не збагачуються, відразу вирушають виробництва;
руда із середнім змістомвключає не менше 35% речовини і потребує збагачення;
біднізалізні руди повинні містити не менше 26% і теж збагачуються перед відправкою в цех.

Загальний технологічний цикл виробництва заліза у вигляді чавуну, сталі та прокату розглянутий у цьому відео:

Розробка родовищ

Існує кілька способів видобутку руди. Застосовують той, який вважають найбільш економічно доцільним.

Відкритий спосіб розробки- або кар'єрний. Розрахований на неглибоке залягання мінеральної породи. Для видобутку викопують кар'єр глибиною до 500 м-коду і шириною, що залежить від потужності родовища. Залізну руду витягують із кар'єру та транспортують машинами, розрахованими на перевезення важких вантажів. Як правило, так видобувають саме багату руду, тому потреби в її збагаченні не виникає.
Шахтний– при заляганні породи на глибині 600–900 м-коду, бурять шахти. Така розробка значно небезпечніша, оскільки пов'язана з підземними роботами: виявлені пласти підривають, а потім зібрану руду транспортують нагору. За всієї своєї небезпеки цей метод вважається ефективнішим.
Гідродобича- У цьому випадку бурять свердловини на певну глибину. У шахту спускають труби та подають воду під дуже великим тиском. Водяний струмінь дробить породу, а потім залізну руду піднімають на поверхню. Свердловина гідровидобування мало поширена, оскільки потребує великих витрат.

Технології виробництва заліза

Всі метали та сплави поділяють на кольорові (на кшталт , тощо) і чорні. До останніх відносяться чавун та сталь. 95% всіх металургійних процесів посідає чорну металургію, .

Незважаючи на неймовірну різноманітність одержуваних сталей технологій виготовлення не так багато. Крім того, чавун і сталь – це не зовсім 2 різні продукти, чавун – обов'язкова попередня стадія отримання сталі.

Класифікація продукції

І чавун, і сталь відносять до сплавів заліза, де легуючим компонентом є вуглець. Частка його невелика, але він надає металу дуже високу твердість та деяку крихкість. Чавун, оскільки містить більше вуглецю, більш тендітний, ніж сталь. Менш пластичний, але відрізняється кращою теплоємністю та стійкістю до внутрішнього тиску.

Чавун одержують при доменній плавці. Розрізняють 3 види:

сірий або ливарний– отримують шляхом повільного остигання. Сплав містить від 17 до 42% вуглецю. Сірий чавун добре обробляється механічними інструментами, чудово заповнює форми, тому його використовують для виробництва ливарних виробів;
білий- або граничний, отримують при швидкому охолодженні. Частка вуглецю – до 4,5%. Може включати додаткові домішки, графіту, марганцю. Білий чавун відрізняється твердістю та крихкістю та в основному застосовується для виплавки сталі;
кування- Включає від 2 до 2,2% вуглецю. Виготовляється з білого чавуну шляхом тривалого прогрівання виливків та повільного тривалого охолодження.

Сталь може включати не більше 2% вуглецю, одержують її 3 основними способами. Але в будь-якому випадку суть сталеваріння зводиться до відпалу небажаних домішок кремнію, марганцю, сірки і таке інше. Крім того, якщо отримують леговану сталь, в процесі виготовлення вводять додаткові інгредієнти.

За призначенням сталь поділяють на 4 групи:

будівельна- застосовують у вигляді прокату без термічної обробки. Це матеріал для спорудження мостів, каркасів, виготовлення вагонів тощо;
машинобудівна- Конструкційна, відноситься до категорії вуглецевої сталі, включає не більше 0,75% вуглецю і не більше 1,1% марганцю. Використовується для різноманітних машинних деталей;
інструментальна– також вуглецева, але з низьким вмістом марганцю – трохи більше 0,4%. З неї виробляють різноманітний інструмент, зокрема, металорізальний;
сталь спеціального призначення- До цієї групи відносять всі сплави з особливими властивостями: жароміцна сталь, нержавіюча, кислототривка і так далі.

Попередній етап

Навіть багату руду перед виплавкою чавуну потрібно підготувати – звільнити від порожньої породи.

Агломераційний метод– руда дробиться, розмелюється та засипається разом із коксом на стрічку агломераційної машини. Стрічка проходить через пальники, де під дією температури спалахує кокс. При цьому руда спікається, а сірка та інші домішки вигоряють. Отриманий агломерат подається в бункерні чаші, де охолоджується водою та продувається потоком повітря.
Метод магнітної сепарації- руду дроблять і подають на магнітний сепаратор, оскільки залізо має здатність намагнічуватися, мінерали при промиванні водою залишаються в сепараторі, а порожня порода вимивається. Потім з отриманого концентрату робить котуни і гарячебрикетоване залізо. Останні допускається використовувати приготування сталі, минаючи стадію отримання чавуну.

Дане відео розповість у всіх подробицях про виробництво заліза:

Виплавка чавуну

Чавун виплавляють із руди в доменній печі:

готують шихту - агломерат, котуни, кокс, вапняк, доломіт та інше. Склад залежить від виду чавуну;
шихту скіповим витягом завантажують у доменну піч. Температура у печі – 1600 С, знизу подається гаряче повітря;
за такої температури залізо починає плавитися, а кокс горіти. При цьому відбувається відновлення заліза: спочатку при згорянні вугілля отримують чадний газ. Чадний газ реагує з оксидом заліза з отриманням чистого металута вуглекислого газу;
флюс – вапняк, доломіт, додається в шихту для перекладу небажаних домішок у форму, яку легко усунути. Наприклад, оксиди кремнію не плавляться за такої низької температури і відокремити їх від заліза неможливо. Але при взаємодії з оксидом кальцію, що отримується розкладанням вапняку, кварц перетворюється на силікат кальцію. Останній плавиться за такої температури. Він легший за чавун і залишається плавати на поверхні. Відокремити його досить просто – шлак періодично випускають через льотки;
рідкий чавун і шлак різними каналами стікають у ковші.

Отриманий чавун у ківшах транспортують у сталеплавильний цех або до розливної машини, де отримують чавунні зливки.

Виплавлення сталі

Перетворення чавуну на сталь проводиться 3 способами. У процесі виплавки випалюється зайвий вуглець, небажані домішки, а також додаються необхідні компоненти – при варінні спеціальних сталей, наприклад.

Мартеновський – найпопулярніший метод отримання, оскільки забезпечує висока якістьсталі. Розплавлений або твердий чавун із добавкою руди або скрапу подають у мартенівську піч і плавлять. Температура – близько 2000°С, підтримується за рахунок горіння газоподібного палива. Суть процесу зводиться до випалювання вуглецю та інших домішок із заліза. Необхідні добавки, якщо йдеться про леговану сталь, додають в кінці виплавки. Готовий продукт розливають у ковші або на зливки у виливниці.

Киснево-конвертний метод – або безсемерівський. Відрізняється вищою продуктивністю. Технологія включає продування крізь товщу чавуну стисненого повітря під тиском 26 кг/кв. див. При цьому вуглець згорає, і чавун стає сталлю. Реакція екзотермічна, тому температура при цьому підвищується до 1600 С. Щоб підвищити якість продукції, крізь чавун продувають суміш повітря з киснем або навіть чистий кисень.
Електроплавильний метод вважається найефективнішим. Найчастіше його використовують для отримання багаторазово легованих сталей, так як технологія виплавки у цьому випадку виключає попадання непотрібних домішок із повітря або газу. Температура в печідля виробництва заліза досягається максимальна - близько 2200 С за рахунок електродуги.

Пряме отримання

З 1970 став використовуватися і спосіб прямого відновлення заліза. Метод дозволяє уникнути витратну стадію отримання чавуну в присутності коксу. Перші установки такого роду не відрізнялися продуктивністю, але на сьогодні спосіб став досить відомим: виявилося, що як відновник можна застосовувати природний газ.

Сировиною для відновлення служать котуни. Їх завантажують у шахтну піч, прогрівають і продують продуктом конверсії газу – чадний газ, аміак, але переважно водень. Реакція відбувається при температурі 1000 С, при цьому водень відновлює залізо з оксиду.

Про виробників традиційного (не хлорного тощо) заліза у світі поговоримо нижче.

Відомі виробники

Найбільша частка родовищ залізняку припадає на Росію та Бразилію – 18%, Австралію – 14%, а також Україну – 11%. Найбільшими експортерами є Австралія, Бразилія та Індія. Пік вартості заліза спостерігався у 2011 році, коли тонна металу оцінювалася у 180$. До 2016 року ціна впала до 35 $ за тонну.

До найбільших виробників заліза відносять такі компанії:

Vale S. A. – бразильська гірничодобувна компанія, найбільший виробник заліза та ;
BHP Billiton – австралійська компанія. Основний її напрямок – видобуток нафти та газу. Але при цьому вона ж є найбільшим постачальникомміді та заліза;
Rio Tinto Group – австралійсько-британський концерн. Rio Tinto Group видобуває та виробляє золото, залізо, алмази та уран;
Fortescue Metals Group – ще одна австралійська компанія, що спеціалізується на видобутку руди та виробництві заліза;
В Росії найбільшим виробникомвиступає Євразхолдинг – металургійна та гірничодобувна компанія. Також відомі на світовому ринку Металлінвест та ММК;
ТОВ «Метінівест холдинг» – українська гірничо-металургійна компанія.

Поширеність заліза велика, спосіб видобутку досить простий, та й виплавка зрештою – процес економічно вигідний. Разом з фізичними характеристикамивиробництво та забезпечує залізу роль головного конструкційного матеріалу.

Виготовлення хлорного заліза показано у цьому відеоролику:

Промислові методи одержання заліза та його сполук. Технологи отримання заліза

Популярна помилка