Химия и производство чугуна и стали

Среди многих материалов, используемых человеком, особая роль принадлежит чёрным металлам, то есть сплавам железа с углеродом и другими элементами.

Первое железо, которое добыл человек, было неземным. Метеориты, падающие на Землю, имели железную или железо-никелевую основу.

Древние люди считали железо подарком Богов, так как оно приходило с неба и превосходило по прочности многие известные тогда материалы.

Спустя столетия люди поняли, что железо лежит под его ногами, но в чистом виде оно не встречается. Его получение – это сложный технологический процесс.

Древние металлурги в горнах выплавляли сталь, при этом получали ещё и чугун. Чугун они называли «свинским железом» (свиньёй, или чушкой), так как он был очень хрупок и не поддавался ковке.

Но затем поняли, что при повторном плавлении чугун превращается в сталь, так как лишний углерод при этом выгорает.

И только в 14 веке было создано устройство – доменная печь, в которой и началось производство чугуна.

В 30-х годах и в послевоенные годы в Советском союзе увеличилось производство доменных печей.

Для производства чугуна необходима железная руда, кокс и флюсы. Из железных руд промышленное значение имеет красный железняк, содержащий 60-70% оксида железа три и магнитный железняк, в котором 55-60% железной окалины.

По запасам железных руд Россия занимает ведущее место. Железные руды залегают на Урале, в Курской области, Западной Сибири и других местах.

Основную массу железной руды получают в России открытым способом. В открытых карьерах руду добывают взрывным способом. Для этого бурят скважины, закладывают взрывчатое вещество и производят взрыв.

Раздробленную руду доставляют на обогатительную фабрику, здесь её измельчают и обогащают, то есть рудный материал и пустую породу разделяют и получают концентрат – продукт с повышенным содержанием оксидов железа.

Затем концентрат смешивают с флюсами, известняком или доломитом, а также коксом. Все компоненты перемешивают и затем спекают для выгорания серы и разложения известняка. Полученный таким образом материал – шихта поступает на рудный двор доменного цеха, который представляет собой сложный комплекс различных сооружений: там есть доменная печь, литейный двор, воздухонагреватели и другие.

Специальная скиповая тележка (вагонетка) подаёт шихту в воронку доменной печи. В нижней части печи установлены фурмы для подачи нагретого воздуха. За одну минуту в печь вдувается более шести тысяч кубических метров воздуха.

Воздух предварительно нагревается в воздухонагревателях – регенераторах.

Доменная печь – это аппарат длительного действия.

Она непрерывно работает в течение нескольких лет. Сверху печи – шихта, а снизу раскалённые газы. Температура здесь постепенно повышается, и создаются условия для восстановления железа. В нижней части домны кислород воздуха реагирует с углеродом кокса с выделением большого количества тепла.

Образовавшихся оксид углерода четыре взаимодействует с раскалённым коксом и превращается в оксид углерода два, который используется в качестве восстановителя железа из его оксидов.

Для ускорения восстановления в печь добавляют природный газ, содержащий метан. При его горении образуется углекислый газ и вода. Оксид углерода четыре и водяной пар реагируют с углеродом кокса и доменный газ обогащается восстановителями: оксидом углерода два и водородом. Сейчас доменный газ используют в качестве топлива – электроэнергии.

Восстановление железа начинается при температуре 300 градусов по Цэльсию. Сначала из оксида железа три образуется железная окалина.

Затем окалина восстанавливается до оксида железа два.

А из оксида железа два получают восстановлением металлическое губчатое железо.

Губчатое железо постепенно опускается в зону температуры 1100 градусов по Цэльсию, где оно расплавляется. Часть этого железа реагирует с углеродом и превращается в карбид железа.

Карбид железа и углерода растворяются в жидком железе. Кремний, марганец, фосфор и сера, которые получаются из оксидов, растворяются в расплавленном железе и образуется жидкий чугун – сплав железа с углеродом, кремнием, марганцем, фосфором и серой.

За сутки доменная печь потребляет 68 вагонов коксованного угля и 220 вагонов железной руды.

Жидкий чугун скапливается в горне. Из чугуна выливают крупные массивные детали, трубы, большая часть чугуна идёт на производство стали.

Например, в Новолипецком металлургическом комбинате производят более трёх с половиной миллионов тонн чугуна в год. На производство этого комбината было потрачено столько металлоконструкций, что из них можно было бы соорудить 10 Эйфелевых башен.

Сталь можно получить несколькими способами.

Рассмотрим конверторный способ получения. Конвертер имеет металлический кожух, а изнутри выложен огнеупорным кирпичом.

Через фурму подаётся воздух, обогащённый кислородом. Сначала в конвертер загружают металлолом, затем заливают жидкий чугун. Через желоб в конвертер поступает железная руда, известь, окалина.

Затем через фурму вдувается воздух, обогащённый кислородом. Температура при этом достигает 2400 градусов по Цэльсию.  В производстве передела чугуна сначала окисляется железо, концентрация которого в чугуне больше, чем других веществ.

Оксид железа два, перемешиваясь с расплавом, окисляет кремний, марганец, фосфор и углерод.

Газообразные продукты окисления удаляются, а остальные образуют шлак. За 1 год можно получить около одного миллиона тонн шлака. Его хватило, чтобы обсыпать Московскую кольцевую автомобильную дорогу (МКАД).

Затем происходит выжигание углерода чугуна кислородом с образованием оксида углерода два.

После плавки преступают к выпуску металла. В расплаве ещё содержится оксид железа два, от которого сталь необходимо освободить. Для этого в жидкий металл добавляют раскислители. После выпуска стали шлак идёт на производство цемента, шлакоблоков, шлаковаты. Из стали изготавливают трубы, валы, стальные листы используют для кузовов автомобилей, из стали делают рельсы, балки, инструменты, подшипники.

Способ получения стали в мартэновских печах аналогичен. Мартэновская печь – крупное сооружение. Передняя стенка печи имеет окна, через которые подаётся шихта. В задней стенке есть отверстия для выпуска стали и шлака.

Для ускорения процесса плавки в мартэновскую печь вводится воздух, обогащённый кислородом. После полного расплавления шихты в печь вводят оставшуюся железную руду, которая вызывает интенсивное кипение. В период кипения металл освобождается от серы, уменьшается содержание углерода. Полученная сталь через жёлоб сливается в ковши. В процессе выплавки в металл вводят легирующие элементы.

Лучший способ получения стали осуществляется в электропечах.

Здесь применяют электроэнергию, что позволяет получать высокие температуры, в таких печах получают самую лучшую нержавеющую сталь. Электропечь имеет стальной кожух, а изнутри выложена огнеупорным кирпичом. Печь имеет рабочее окно и выпускное отверстие со сливным жёлобом. Основные элементы электропечи – это электроды, которые могут опускаться и подниматься.

Шихту загружают сверху в печь. В шихту добавляют также известняк. Под действием высоких температур шихта плавится при температуре 3500 градусов по Цэльсию. Вводятся раскислители. По окончании правки металл разливают в ковши. Слитки стали раскатывают в листы нужной толщины и закатывают в рулоны.

Если весь чугун, произведённый в печи превратить в стальной лист, то получится такая полоса, которой можно обернуть Землю по экватору 20 раз.

Таким образом, получение чугуна и стали – сложный процесс, который состоит из множества стадий. Сырьём для получения чугуна и стали является железная руда. Основная масса чугуна идёт на производство стали. Сущность этого процесса заключается в уменьшении содержания углерода в чугуне. Сталь получают в конвертерах, мартэновских печах или в электропечах.