Как да топим желязо от руда. Как се добива желязна руда и топи стомана. От карфица до равнина

Желязната руда е започнала да се добива от хората преди много векове. Още тогава ползите от използването на желязо станаха очевидни.

Намирането на минерални образувания, съдържащи желязо, е доста лесно, тъй като този елемент съставлява около пет процента от земната кора. Като цяло желязото е четвъртият най-разпространен елемент в природата.

Невъзможно е да се намери в чиста форма; Желязната руда има най-високо съдържание на желязо, извличането на метал от която е икономически най-изгодно. Количеството желязо, което съдържа, зависи от произхода му, чийто нормален дял е около 15%.

Химичен състав

Свойствата на желязната руда, нейната стойност и характеристики пряко зависят от нейния химичен състав. Желязната руда може да съдържа различни количества желязо и други примеси. В зависимост от това има няколко вида:

• много богати, когато съдържанието на желязо в рудите надвишава 65%;
• богат, процентът на желязо, в който варира от 60% до 65%;
• средно, от 45% и повече;
• бедни, в които процентът на полезните елементи не надвишава 45%.

Колкото повече странични продукти има в желязната руда, толкова повече енергия е необходима за преработката й и толкова по-малко ефективно е производството на готови продукти.

Съставът на една скала може да бъде комбинация от различни минерали, отпадъчни скали и други странични продукти, чието съотношение зависи от нейното находище.

Магнитните руди се отличават с това, че се основават на оксид, който има магнитни свойства, но при силно нагряване те се губят. Количеството на този тип скала в природата е ограничено, но съдържанието на желязо в него може да бъде толкова добро, колкото червената желязна руда. Външно изглежда като твърди черно-сини кристали.

Желязната руда Spar е рудна скала на основата на сидерит. Много често съдържа значително количество глина. Този тип камък е относително труден за намиране в природата, което, съчетано с ниското съдържание на желязо, го прави рядко използван. Поради това е невъзможно да се класифицират като индустриални видове руди.

В допълнение към оксидите, природата съдържа и други руди на основата на силикати и карбонати. Количеството съдържание на желязо в скалата е много важно за нейната промишлена употреба, но също така важно е наличието на полезни странични елементи като никел, магнезий и молибден.

Приложения

Обхватът на приложение на желязната руда е почти изцяло ограничен до металургията. Използва се главно за топене на чугун, който се добива с помощта на открити или конверторни пещи. Днес чугунът се използва в различни сфери на човешката дейност, включително в повечето видове промишлено производство.

Различните сплави на основата на желязо са не по-малко използвани - стоманата е най-широко използвана поради здравината и антикорозионните си свойства.

Чугун, стомана и различни други железни сплави се използват в:

1. Машиностроене, за производство на различни машини и устройства.
2. Автомобилна индустрия, за производство на двигатели, корпуси, рами, както и други компоненти и части.
3. Военна и ракетна индустрия, в производството на специално оборудване, оръжия и ракети.
4. Конструкция, като усилващ елемент или конструкция на носещи конструкции.
5. Лека и хранително-вкусова промишленост, като контейнери, производствени линии, различни агрегати и устройства.
6. Минна промишленост, като специални машини и оборудване.

Залежи от желязна руда

Световните запаси от желязна руда са ограничени като количество и местоположение. Териториите на натрупване на рудни запаси се наричат ​​находища. Днес находищата на желязна руда се разделят на:

1. Ендогенни. Те се характеризират със специално разположение в земната кора, обикновено под формата на титаномагнетитни руди. Формите и местоположението на такива включвания са разнообразни, те могат да бъдат под формата на лещи, слоеве, разположени в земната кора под формата на отлагания, вулканични отлагания, под формата на различни вени и други неправилни форми.
2. Екзогенен. Този тип включва находища на кафяви железни руди и други седиментни скали.
3. Метаморфогенен. Които включват находища на кварцит.

Залежи от такива руди могат да бъдат намерени по цялата планета. Най-голям брой находища са съсредоточени на територията на постсъветските републики. Особено Украйна, Русия и Казахстан.

Държави като Бразилия, Канада, Австралия, САЩ, Индия и Южна Африка имат големи запаси от желязо. В същото време почти всяка страна по света има свои собствени разработени находища, в случай на недостиг на които, породата се внася от други страни.

Обогатяване на желязна руда

Както беше посочено, има няколко вида руди. Богатите могат да бъдат преработени директно след извличане от земната кора, други трябва да бъдат обогатени. В допълнение към процеса на обогатяване, обработката на рудата включва няколко етапа, като сортиране, раздробяване, разделяне и агломериране.

Днес има няколко основни метода за обогатяване:

1. Зачервяване.

Използва се за почистване на руди от странични продукти под формата на глина или пясък, които се измиват с водни струи под високо налягане. Тази операция ви позволява да увеличите съдържанието на желязо в нискокачествена руда с приблизително 5%. Поради това се използва само в комбинация с други видове обогатяване.

1. Гравитационно почистване.

Извършва се с помощта на специални видове суспензии, чиято плътност надвишава плътността на отпадъчната скала, но е по-ниска от плътността на желязото. Под въздействието на гравитационните сили страничните продукти се издигат до върха, а желязото пада на дъното на суспензията.

1. Магнитна сепарация.

Най-често срещаният метод за обогатяване, който се основава на различни нива на възприемане на влиянието на магнитните сили от компонентите на руда. Такова разделяне може да се извърши със суха скала, мокра скала или в алтернативна комбинация от двете й състояния.

За обработка на сухи и мокри смеси се използват специални барабани с електромагнити.

1. Флотация.

За този метод натрошената руда под формата на прах се потапя във вода с добавяне на специално вещество (флотационен реагент) и въздух. Под въздействието на реагента желязото се присъединява към въздушните мехурчета и се издига на повърхността на водата, докато отпадъчната скала потъва на дъното. Компонентите, съдържащи желязо, се събират от повърхността под формата на пяна.

Производството на желязо в Русия е известно от незапомнени времена. В резултат на археологически разкопки в райони, съседни на Новгород, Владимир, Ярославъл, Псков, Смоленск, Рязан, Муром, Тула, Киев, Вишгород, Переяславъл, Вжище, както и в района на езерото Ладога и други места, стотици открити са места с останки от топилни съдове, пещи за сирене, т. нар. „вълчи ями” и съответните производствени инструменти на древната металургия. В една от вълчите ями, изкопани за топене на желязо, близо до село Подмоклое в южната част на въглищния басейн на Московска област, е открита монета от 189 г. на мюсюлманската ера, която съответства на началото на 9 век от съвременната хронология. Това означава, че те са знаели как да топят желязо в Русия още в онези далечни, дълбоко предхристиянски времена.

Имената на руския народ буквално ни крещят за разпространението на металургията на територията на древна Рус: Кузнецов, Ковальов, Ковал, Коваленко, Ковалчук. По отношение на разпространението руските „металургични“ фамилни имена може би съперничат дори на архетипния английски Джон Смит (който всъщност ковач, тоест същият ковач).

Пътят на всеки меч или оръдие обаче винаги е започвал много по-рано от металургичната ковачница и особено ковачницата. Всеки метал е, на първо място, гориво (въглища или кокс за неговото топене), и второ, суровина за неговото производство.

Тук веднага трябва да акцентирам. Защо основното условие е горивото, а самата желязна руда е толкова смело изместена на заден план? Всичко е свързано с логистиката на транспортирането на руда и гориво, необходими за производството на желязо през Средновековието.

В крайна сметка основното и най-висококачествено гориво за топенето на средновековно висококачествено желязо е било дървени въглища.
Дори и сега, в съвременната просветена епоха, задачата за получаване на висококачествени въглища съвсем не е толкова проста, колкото изглежда на пръв поглед.
Най-висококачествените дървени въглища се получават само от много ограничен брой дървесни видове - от всички сравнително редки и бавно растящи видове твърда дървесина (дъб, габър, бук) и от архетипните Руска бреза.
Вече от иглолистни дървета - бор или смърч, въгленът се оказва много по-крехък и с голям добив на фини частици и въглищен прах, а опитът да се получи добър въглен от мека трепетлика или елша е почти невъзможен - добивът е с добро качество спада почти наполовина в сравнение с дъба.

Ако не е имало достатъчно гори в района, където са открити находища на желязо, или ако горите в района са били унищожени от предишни поколения металурзи, е било необходимо да се измислят различни ерзац заместители.
Например в Централна Азия, въпреки висококачествените находища на желязна руда, дървеният материал беше стегнат, така че вместо дървени въглища беше необходимо да се използва следното иновативно гориво:

Ако някой не разбира, това е кравешка тор. Може да е кон, агне, яре или магаре - не играе специална роля. Изпражненията се омесваха на ръка в плоски питки (нещо подобно) и след това се поставяха да изсъхнат на слънце.
Ясно е, че в такава ситуация не е необходимо да се говори за „постоянството на състава“ на горивото, а температурата на пламъка от изгарянето на такова „композитно гориво“ е много по-ниска от тази на висококачествения въглен.

Друг, много по-технологичен заместител на дървените въглища се появява на бял свят много по-късно. Ние, разбира се, говорим за Кока Кола, на който сега се основава цялата съвременна черна металургия.
Историята на „изобретяването“ на кока датира само от двеста години. В края на краищата именно коксовата пещ, в която „въглищата се изгориха“, беше първият, най-мощен залп на индустриалната революция. Именно тя, акумулаторът на коксовата пещ, а не петролната платформа, създаде онзи „свят на въглища и пара“, който сега обичаме да си спомняме в книги, филми и анимета за стиймпънк.

Много преди индустриалната революция Англия вече е разработила богати находища на въглища, които обаче се използват почти изключително за отопление на домове. Топенето на руда в Англия се е извършвало, както на много места по света, само с дървени въглища. Това се дължи на един неприятен факт, характерен за повечето въглища - те съдържат значителни количества фосфор и сяра, които са много вредни за желязото, произведено в ковачницата.

Все пак Великобритания е остров. И в крайна сметка нарастващите нужди на английската металургия, базирана на дървени въглища, надмина всички възможности на английските гори. Английските Робин Худове просто нямаше къде да се скрият- увеличаването на топенето на желязо намали почти всички гори на Мъгливия Албион до нищо. В крайна сметка това се превърна в спирачка за производството на желязо, тъй като се изискваше топене огромно количество дърва за огрев: за преработка на един тон руда - почти 40 куб.м необработена дървесина.
Поради нарастващото производство на желязо имаше заплаха от пълно унищожаване на горите. Страната беше принудена да внася метал от чужбина, главно от Русия и Швеция. Опитите да се използват изкопаеми въглища за топене на желязо бяха неуспешни дълго време поради посочената по-горе причина.
Едва през 1735 г. производителят Ейбрахам Дерби, след дългогодишен опит, намери начин да топи чугун с помощта на коксови въглища. Беше победа. Но преди тази победа в началото на 9 век от н. е. остават още над 900 години.

Така че транспортирайте дърва за огрев (или дори готови дървени въглища) до ютията не работипросто заради логистиката на процеса - нужното гориво е 4-5 пъти масата на рудата, а още повече като обем - поне десет пъти повече. По-лесно е желязото да се превърне в гориво.

В Древна Рус има гориво и то в изобилие. Какво ще кажете за хардуера на руската платформа?
Но има въпроси с хардуера.
Висококачествена желязна руда не на Руската равнина.

Веднага чувам викове: „Ами Курската магнитна аномалия? Най-висококачествените магнитни железни руди в света!“
Да, едни от най-висококачествените в света. Отворен през 1931г. Дълбочина на поява - от 200 до 600 метра. Задачата явно не е за технологиите, с които са разполагали древните славяни през 9 век сл. Хр. Сега всичко изглежда красиво, но за онова време картината на съвременна мина за желязна руда беше като пътуване до Алфа Кентавър за съвременното човечество. На теория е възможно, но на практика не е:

В резултат на това през 9-ти век в Русия е необходимо да се направи избор от нещо, включено в този списък на всички железни руди, използвани в момента от човечеството:

Магнитна желязна руда - повече от 70% Fe във формата магнетит Fe3O4 (пример: магнитната аномалия в Курск, която описахме)
- червена желязна руда - 55-60% Fe във формата хематит Fe2O3 (пример: отново Курската магнитна аномалия или басейна на Кривой Рог)
- кафява желязна руда (лимонит) - 35-55% Fe във формата хидроксидни смеситривалентно желязо Fe2O3-3H2O и Fe2O3-H2O (пример: Керченско находище, разрушено от Украйна).
- желязна руда - до 40% Fe във форма карбонат FeCO3 (пример: находище Бакал)

Магнетитът и хематитът лежат дълбоко на руската платформа; върху нея изобщо няма шпатова желязна руда.
Това, което остава, е кафява желязна руда (лимонит).
Суровината е меко казано кофти - вижте само концентрацията на желязо в нея, но най-смешното е, че я има на територията на тогавашна Рус почти навсякъде. Освен това това „почти навсякъде“ по чудо се оказва в непосредствена близост до тогавашния източник на висококачествено въглищно гориво - могъщите гори на Руската равнина.

Разбира се, говорим за торфени блата и лимонит, който също често се нарича блато желязо.
В допълнение към блатното желязо те имат подобен генезис ливадно и езерно желязо. Въпреки това, както ще видите по-късно, копаенето на такова желязо беше най-изгодно в блато.

За да разберете широчината на разпространение на действителния добив на този местен ресурс в Русия, достатъчно е, както в случая с „металургичните фамилни имена“, просто да отворите всяка географска карта и да погледнете имената на руски, украински, беларуски или литовски села.
И веднага ще бъдете поразени от огромен брой топоними с думите Гута, Буда, Руда. Ето техните значения:

Гута: завод за топене на стъкло
Руда: добив на блато желязо
Buda: извличане на поташ от растителна пепел.

Такива села ще намерите навсякъде - в широк пояс в полесските блата - от Брест до Суми. В Русия имаше много източници на „блатна руда“. „Блатното желязо“ обикновено се образува почти навсякъде, където има преход от кислородсъдържащи почви към безкислороден слой (точно на кръстопътя на тези два слоя).
В блатата тази граница е просто разположена, за разлика от други видове терени, много близо до повърхността, следователно железните възли там могат да се копаят буквално с лопата, като се отстранява само тънък слой блатна растителност.

Ето как изглежда блатното желязо: .
Но именно това спаси Рус.

Самите находища на блатото желязо са класически разсипи.
Разсипите обикновено са много по-малки находища от рудните тела, общият им обем рядко надвишава десетки хиляди тона (докато рудните находища могат да съдържат милиони и милиарди тонове руда), но добивът на разсипи обикновено е много по-прост от добива на рудно тяло.
Разсипите обикновено могат да се разработват почти с голи ръце и с минимално раздробяване на скалата, тъй като разсипите обикновено се срещат във вече разрушени седиментни скали.
Това обикновено е обичайна практика: първо се добиват разсипи, а след това руди.
Освен това за всички метали, минерали или съединения.

Между другото, „дървен калай“ (за който писах в поредицата за катастрофата от бронзовата епоха) също е разлив.

Въпреки това не може да се каже, че добивът на блатни железни разсипи е бил проста задача.

Блатното желязо се добивало по три основни начина.

Първият - през лятото дънната тиня се изгребваше от салове в блатни езера и реки, изтичащи от блата. Салът беше държан на едно място с прът (един човек), а друг човек използваше бейлер, за да отстрани тинята от дъното. Предимствата на този метод са простотата и ниското физическо натоварване на работниците.
Недостатъци - голямо количество безполезен труд, тъй като не само отпадъчната скала беше загребена с блато желязо, но освен това трябваше да се вдигнат и големи количества вода заедно с тиня. Освен това е трудно да се използва лъжичка за отстраняване на почвата на голяма дълбочина.

Втори начин. През зимата на местата, където каналите са замръзнали до дъното, първо се изрязва ледът, а след това се изрязва и дънната утайка, съдържаща блатно желязо. Предимствата на този метод: възможността за избор на голям слой, съдържащ блатно желязо. Недостатъци: физически е трудно да се кълчи лед и замръзнала земя. Извличането е възможно само до дълбочината на замръзване.

Третият метод беше най-често срещаният. На брега в близост до потоци или блатни езера беше сглобена рамка, както за кладенец, само в по-големи размери, например 4 на 4 метра. След това те започнаха да изкопават покриващия слой от отпадъчна скала вътре в дървената къща, като постепенно я задълбочиха. Тогава беше избрана и скалата, съдържаща блатно желязо. Ролките трупи бяха добавени, когато дървената къща се задълбочи.
Постоянно течащата вода периодично се спасяваше. Разбира се, беше възможно просто да се копае, без да се укрепват стените с трупи, но в случай на много вероятно срутване на отмитата почва и работниците да заспят в дупката - едва ли щеше да е възможно да се спаси някой - хората бързо се задавиха и удавиха. Предимствата на този метод: възможността за избор на целия слой, съдържащ блато желязо, и по-малко разходи за труд в сравнение с втория метод. Освен това е било възможно дори преди началото на добива приблизително да се определи качеството на добитите суровини („местните жители също съдят за добротата на рудата по вида на дърветата, които растат върху нея; по този начин намереното под бреза и трепетлика се счита за най-доброто, тъй като желязото от него е по-меко, а на места, където расте смърчовата гора, е по-твърдо и по-здраво").
Недостатъци: трябва да работите във вода през цялото време.

Като цяло древните руски миньори имаха трудности. Сега, разбира се, реконструктори по целия свят правят екскурзии и дори копаят дупки на по-сухи и по-достъпни места, където лесно могат да добият малко блатна руда:

Децата на реконструкторите са щастливи. През 9-ти век мисля, че всичко е било различно.

Но за да се разбере ситуацията в Русия през 9-12 век, трябва да се разбере мащабриболовът, организиран от нашите предци на такъв разточителен ресурс като блатните места.

В края на краищата, ако самият процес на изкопаване на тиня в блатата не е оставил никакви следи, които могат да бъдат проследени през вековете, то последващата обработка на блатото желязо е оставила следи в културния слой, и то какви!

В края на краищата, за процеса на издухване на сирене, който по това време е бил използван в древната руска металургия и е произвеждал високожелязна шлака, е било необходимо много богатжелязна руда. А лимонитът, както си спомняме, е бедна руда.
За да се получи добър лимонитов концентрат, е било необходимо предварително обогатяване на добитите руди - както блатни, така и ливадни. Следователно древните руски металурзи непременно обогатяват блатните железни руди, които отиват в топене.

Операцията по обогатяване е много важно технологично условие за производството на желязо в пещите за сирене.
По-късни проучвания, чрез анализ на исторически паметници, разкриват следните методи за обогатяване на рудата:

1) сушене (изветряне, в рамките на един месец);
2) стрелба;
3) смилане;
4) измиване;
5) пресяване.

Производството на силно концентрирана руда не може да се ограничи само до една или две операции, а изисква системна обработка по всички горепосочени методи. Археологически добре известна операция е печенето на руда.
Както разбирате, печенето също изисква висококачествено гориво (дървени въглища) и също в значителни количества.

По време на археологически проучвания край село Ласуна на брега на Финския залив в една от ямите е открита купчина изгорена руда. За всички операции по обогатяване на рудата е необходимо много просто оборудване: за раздробяване на рудата - дървен блок и хоросан, а за пресяване и измиване - дървено сито (мрежа от пръти).
Недостатъкът на изгарянето на блатна руда в огньове и ями беше непълното отстраняване на водата от нея при печене на големи парчета и големи загуби при печене на малки парчета.

В съвременното производство, разбира се, обогатяването е много по-просто - фино натрошената руда се смесва със същия смлян кокс и се подава в устройство, подобно на голяма месомелачка. Шнекът подава сместа от руда и кокс върху решетка с отвори не по-големи от 8 mm. Изстисквайки се през отворите, такава хомогенна смес навлиза в пламъка, докато коксът гори, топейки рудата, а освен това сярата се изгаря от рудата, като по този начин едновременно се извършва десулфуриране на суровините.

В крайна сметка, блатото желязо, подобно на въглищата, съдържа вредни примеси - сяра и фосфор. Разбира се, беше възможно да се намерят суровини, съдържащи малко фосфор (е, сравнително малко - винаги има по-малко от него в желязната руда, отколкото в блатото желязо). Но беше почти невъзможно да се намери блато желязо, съдържащо малко фосфор и сяра. Следователно, в допълнение към цялата индустрия за добив на блато желязо, възникна също толкова мащабна индустрия за обогатяването му.

За да разбера обхвата на това действие, ще дам един пример: по време на разкопки в Стария Рязан в 16 от 19 жилища на гражданиса открити следи от „домашно“ готвене на желязо в съдове в обикновена пещ.
Западноевропейският пътешественик Яков Райтенфелс, посетил Московия през 1670 г., пише, че „страната на московчаните е жив източник на хляб и метал“.

И така, на голо място, без нищо под тях, освен бедни горски почви със закърнели брезови дървета и торфени блата, нашите предци изведнъж откриха „златна мина“ буквално под краката си. И дори ако това не беше вена, а място, и не злато, а желязо, ситуацията не се промени.

Все още развиващата се страна получи своето място в света и цивилизационен път, който ще я отведе до оръдията Балаклава, танка T-Z4 и междуконтиненталната балистична ракета Топол-М.
Ресурси. работа. производство. оръжие.

Защото разполагайки с ресурси, вие неизбежно стигате до оръжия. Или - някой друг идва за вашите ресурси.
Желязната епоха започва в Русия.
Век — или по-скоро хилядолетие — руско оръжие.

Хилядолетие, в което мечът ще се издигне - и ще падне отново, след като поредният враг бъде победен и изхвърлен от брезовите гори и торфените блата.

И враговете не закъсняха.
Наистина, през 10 век надпреварата във въоръжаването от желязната епоха вече набира скорост.

Желязната руда се добива по обичайния начин: открит или подземен добив и последващо транспортиране до първоначална подготовка, където материалът се раздробява, измива и обработва.

Рудата се излива в доменна пещ и се продухва с горещ въздух и топлина, което я превръща в разтопено желязо. След това се изважда от дъното на пещта във форми, известни като свине, където се охлажда, за да се получи чугун. То се превръща в ковано желязо или се преработва в стомана по няколко начина.

Какво е стомана?

В началото имаше желязо. Той е един от. Може да се намери почти навсякъде, комбиниран с много други елементи, под формата на руда. В Европа началото на работата с желязо датира от 1700 г. пр.н.е.

През 1786 г. френските учени Berthollet, Monge и Vandermonde точно определят, че разликата между желязо, чугун и стомана се дължи на различно съдържание на въглерод. Въпреки това стоманата, направена от желязо, бързо се превърна в най-важния метал на индустриалната революция. В началото на 20 век световното производство на стомана е 28 милиона тона, шест пъти повече от 1880 г. До началото на Първата световна война производството му е 85 милиона тона. В рамките на няколко десетилетия той практически замени желязото.

В момента има повече от 3000 каталогизирани марки (на химически съединения), без да се броят тези, създадени, за да отговорят на индивидуалните нужди. Всички те допринасят за превръщането на стоманата в най-подходящия материал за решаване на предизвикателствата на бъдещето.

Суровини за производство на стомана: първични и вторични

Топенето на този метал с помощта на много компоненти е най-често срещаният метод за добив. Зарядните материали могат да бъдат първични или вторични. Основният състав на шихтата обикновено е 55% чугун и 45% остатъчен метален скрап. Като основен елемент на сплавта се използват феросплави, преработен чугун и технически чисти метали; вторичните елементи по правило включват всички видове черни метали.

Желязната руда е най-важната и основна суровина в черната и стоманодобивната промишленост. За производството на един тон чугун са необходими около 1,5 тона от този материал. За производството на един тон чугун се използват около 450 тона кокс. Много металургични заводи дори използват

Водата е важна суровина за производството на желязо и стомана. Използва се главно за втвърдяване на кокс, охлаждане на доменни пещи, генериране на пара за работа на хидравлично оборудване и изхвърляне на отпадъчни води. За производството на един тон стомана са необходими около 4 тона въздух. Флюсът се използва в доменна пещ за отстраняване на примеси от топене на руда. Варовикът и доломитът се комбинират с извлечените примеси, за да образуват шлака.

Както доменните, така и стоманодобивните пещи са облицовани с огнеупорни материали. Използват се за линейни пещи, предназначени за топене на желязна руда. За формоване се използва силициев диоксид или пясък. Алуминий, хром, кобалт, мед, олово, манган, молибден, никел, калай, волфрам, цинк, ванадий и др. се използват за производството на различни видове стомана. Сред всички тези феросплави, манганът се използва широко при топенето на стомана.

Железните отпадъци, получени от демонтирани конструкции на заводи, машини, стари превозни средства и т.н., се рециклират и се използват широко в тази индустрия.

Чугун за стомана

Топенето на стомана с помощта на чугун се извършва много по-често, отколкото с други материали. Чугунът е термин, който обикновено се отнася до сив чугун, но също така се идентифицира с голяма група феросплави. Въглеродът съставлява около 2,1 до 4 тегл.%, докато силицият обикновено съставлява 1 до 3 тегл.% в сплавта.

Желязото и стоманата се топят при точка на топене между 1150 и 1200 градуса, което е около 300 градуса по-ниско от точката на топене на чистото желязо. Чугунът също показва добра течливост, отлична обработваемост и устойчивост на деформация, окисляване и леене.

Стоманата също е сплав от желязо с променливо съдържание на въглерод. Съдържанието на въглерод в стоманата варира от 0,2 до 2,1 масови процента и това е най-икономичният легиращ материал за желязо. Топенето на стомана от чугун е полезно за различни инженерни и структурни цели.

Желязна руда за стомана

Процесът на топене на стомана започва с преработката на желязна руда. Скалата, съдържаща желязната руда, се раздробява. Рудата се добива с помощта на магнитни валяци. Дребнозърнестата желязна руда се преработва в едрозърнести бучки за използване в доменната пещ. Въглищата се пречистват от примеси, което води до почти чиста форма на въглерод. След това сместа от желязна руда и въглища се нагрява, за да се получи разтопено желязо или чугун, който се използва за производството на стомана.

В главната кислородна пещ разтопената желязна руда е основната суровина и се смесва с различни количества стоманен скрап и сплави за производството на различни степени на стомана. Електродъгова пещ топи рециклиран стоманен скрап директно в нова стомана. Около 12% от стоманата е направена от рециклиран материал.

Технология на топене

Топенето е процесът, чрез който метал се получава или като елемент, или като просто съединение от неговата руда чрез нагряване над неговата точка на топене, обикновено в присъствието на окислители като въздух или редуциращи агенти като кокс.

В технологията за производство на стомана метал, който се свързва с кислород, като железен оксид, се нагрява до висока температура и оксидът се образува в комбинация с въглерода в горивото, който излиза като въглероден оксид или въглероден диоксид.
Други примеси, наричани общо вени, се отстраняват чрез добавяне на поток, с който те се комбинират, за да образуват шлака.

Съвременното топене на стомана използва реверберационна пещ. Концентрирана руда и поток (обикновено варовик) се зареждат в горната част, а разтопеният щейн (съединение от мед, желязо, сяра и шлака) се изтегля от дъното. Необходима е втора топлинна обработка в конверторна пещ, за да се отстрани желязото от матовата повърхност.

Кислородно-конвекционен метод

BOF процесът е водещият процес за производство на стомана в света. Световното производство на конверторна стомана през 2003 г. възлиза на 964,8 милиона тона или 63,3% от общото производство. Конверторното производство е източник на замърсяване на околната среда. Основните предизвикателства за това са намаляването на емисиите, заустванията и намаляването на отпадъците. Тяхната същност се състои в използването на вторични енергийни и материални ресурси.

Екзотермичната топлина се генерира от окислителни реакции по време на продухване.

Основният процес на производство на стомана, използвайки собствени резерви:

• Разтопеният чугун (понякога наричан горещ метал) от доменна пещ се излива в голям огнеупорен контейнер, наречен черпак.
• Металът в кофата се изпраща директно към основния етап на производство на стомана или предварителна обработка.
• Кислород с висока чистота при налягане от 700-1000 килопаскала се инжектира със свръхзвукова скорост върху повърхността на желязната вана чрез водно охлаждано копие, което е окачено в съд и се държи на няколко фута над ваната.

Решението за предварителна обработка зависи от качеството на горещия метал и желаното крайно качество на стоманата. Първите конвертори с подвижни дъна, които могат да се отделят и ремонтират, все още се използват. Копията, използвани за издухване, са променени. За да се предотврати задръстване на фурмата по време на продухване, бяха използвани прорезни маншети с дълъг заострен меден връх. Върховете на върховете, след изгаряне, изгарят CO, произведен от вдухването в CO 2, и осигуряват допълнителна топлина. За премахване на шлака се използват дартс, огнеупорни топки и детектори за шлака.

Кислородно-конвекционен метод: предимства и недостатъци

Не изисква разходи за оборудване за пречистване на газ, тъй като образуването на прах, т.е. изпаряването на желязото, се намалява 3 пъти. Поради намаляване на добива на желязо се наблюдава увеличение на добива на течна стомана с 1,5 - 2,5%. Друго предимство е, че интензивността на продухване при този метод се увеличава, което позволява да се увеличи производителността на конвертора с 18%. Качеството на стоманата е по-високо, тъй като температурата в зоната на продухване е намалена, което води до намаляване на образуването на азот.

Недостатъците на този метод на топене на стомана доведоха до намаляване на търсенето на потребление, тъй като нивото на потребление на кислород се увеличава със 7% поради високата консумация на изгаряне на гориво. В обработвания метал има повишено съдържание на водород, поради което е необходимо известно време след приключване на процеса да се извърши продухване с кислород. Сред всички методи кислородно-конверторният метод има най-голямо образуване на шлака, причината е невъзможността да се следи окислителният процес вътре в оборудването.

Метод на открито огнище

Процесът с отворена пещ включва по-голямата част от обработката на цялата стомана, произведена в света през по-голямата част от 20-ти век. Уилям Сименс през 60-те години на 19 век търси начин за повишаване на температурата в металургична пещ, възкресявайки старо предложение за използване на отпадъчната топлина, генерирана от пещта. Той нагрява тухлата до висока температура, след което използва същия път, за да вкара въздух в пещта. Предварително загрятият въздух значително повишава температурата на пламъка.

Като гориво се използва природен газ или атомизирани тежки масла; въздухът и горивото се нагряват преди изгаряне. Пещта се зарежда с течен скрап от чугун и стомана заедно с желязна руда, варовик, доломит и флюсове.

Самата печка е изработена от силно огнеупорни материали, като магнезитни тухли за огнищата. Пещите с отворен огнище тежат до 600 тона и обикновено се инсталират на групи, така че масивното спомагателно оборудване, необходимо за зареждане на пещите и обработка на течната стомана, да може да се използва ефективно.

Въпреки че процесът с отворена пещ е почти напълно заменен в повечето индустриализирани страни от основния кислороден процес и електродъгова пещ, той произвежда около 1/6 от цялата стомана, произведена в световен мащаб.

Предимства и недостатъци на този метод

Предимствата включват лекота на използване и лекота на производство на легирана стомана с различни добавки, които придават на материала различни специализирани свойства. Необходимите добавки и сплави се добавят непосредствено преди края на топенето.

Недостатъците включват намалена ефективност в сравнение с метода на кислородния конвертор. Освен това качеството на стоманата е по-ниско в сравнение с други методи за топене на метал.

Електрически метод за производство на стомана

Съвременният метод за топене на стомана с използване на собствени резерви е пещ, която нагрява заредения материал с помощта на електрическа дъга. Промишлените дъгови пещи варират по размер от малки единици с капацитет на натоварване от около един тон (използвани в леярни за производство на продукти от чугун) до единици от 400 тона, използвани във вторичната металургия.

Дъговите пещи, използвани в изследователски лаборатории, могат да имат капацитет само от няколко десетки грама. Температурите на промишлените електродъгови пещи могат да достигнат до 1800 °C (3,272 °F), докато лабораторните инсталации могат да надхвърлят 3000 °C (5432 °F).

Дъговите пещи се различават от индукционните по това, че зареждащият материал е директно изложен на електрическата дъга и токът в клемите преминава през заредения материал. Електродъговата пещ се използва за производство на стомана, състои се от огнеупорна облицовка, обикновено с водно охлаждане, има големи размери и е покрита с прибиращ се покрив.

Фурната е разделена основно на три секции:

• Черупка, състояща се от странични стени и долна стоманена купа.
• Огнището се състои от огнеупор, който продължава долната купа.
• Облицованият с огън или водно охлаждане покрив може да бъде проектиран като сферична секция или като пресечен конус (конична секция).

Предимства и недостатъци на метода

Този метод заема водеща позиция в областта на производството на стомана. Методът на топене на стомана се използва за създаване на висококачествен метал, който или е напълно лишен, или съдържа малки количества нежелани примеси като сяра, фосфор и кислород.

Основното предимство на метода е нагряването, благодарение на което можете лесно да контролирате температурата на топене и да постигнете невероятни скорости на нагряване на метала. Автоматизираната работа ще бъде приятно допълнение към отличната възможност за висококачествена обработка на различни метални отпадъци.

Недостатъците включват висока консумация на енергия.

Желязото съставлява повече от 5% от земната кора. Основните руди, използвани за добив на желязо, са хематит и магнетит. Тези руди съдържат от 20 до 70% желязо. Най-важните железни примеси в тези руди са пясък и алуминиев оксид (алуминиев оксид).

земното ядро

Въз основа на косвени доказателства можем да заключим, че ядрото на Земята е предимно от желязна сплав. Неговият радиус е приблизително 3470 км, докато радиусът на Земята е 6370 км. Вътрешното ядро ​​на Земята изглежда твърдо и има радиус от около 1200 km. Той е заобиколен от течно външно ядро. Турбулентният поток от течност в тази част на ядрото създава магнитното поле на Земята. Налягането вътре в ядрото варира от 1,3 до 3,5 милиона атмосфери, а температурата варира от

Въпреки че е установено, че ядрото на Земята е съставено предимно от желязо, точният му състав не е известен. Изчислено е, че 8 до 10% от масата на земното ядро ​​се състои от елементи като никел, сяра (под формата на железен сулфид), кислород (под формата на железен оксид) и силиций (под формата на железен силицид).

Най-малко 12 държави в света имат доказани запаси от желязна руда, надхвърлящи милиард тона. Тези страни включват Австралия, Канада, САЩ, Южна Африка, Индия, СССР и Франция. В момента световното производство на стомана достига 700 милиона тона, като всяка от тези страни произвежда повече от 100 милиона тона стомана. Във Великобритания нивото на производство на стомана е 20 милиона тона годишно.

Производство на желязо

Добивът на желязо от желязна руда се извършва на два етапа. Започва с подготовката на рудата - смилане и нагряване. Рудата се раздробява на парчета с диаметър не повече от 10 cm, след което се калцинира, за да се отстранят водата и летливите примеси.

Във втория етап желязната руда се редуцира до желязо с помощта на въглероден окис в доменна пещ (фиг. 14.12). Редукцията се извършва при температури около 700°C:

За да се увеличи добивът на желязо, този процес се извършва при условия на излишък на въглероден диоксид

Въглеродният оксид CO се образува в доменна пещ от кокс и въздух. Въздухът първо се нагрява до приблизително 600 °C и се нагнетява в пещта през специална тръба - фурма. Коксът изгаря в горещ сгъстен въздух, за да образува въглероден диоксид. Тази реакция е екзотермична и причинява повишаване на температурата над 1700 °C:

Въглеродният диоксид се издига в пещта и реагира с повече кокс, за да образува въглероден оксид. Тази реакция е ендотермична:

Ориз. 14.12. Доменна пещ, 1 - желязна руда, варовик, кокс, 2 зареждащ конус (отгоре), 3 - горен газ, 4 - зидария на пещта, 5 - зона за редукция на железен оксид, 6 - зона за образуване на шлака, 7 - зона за изгаряне на кокс, 8 - инжектиране на нагрят въздух през фурми, 9 - разтопено желязо, 10 - разтопена шлака.

Желязото, образувано по време на редукция на рудата, е замърсено с примеси от пясък и алуминий (виж по-горе). За отстраняването им в пещта се добавя варовик. При температурите, съществуващи в пещта, варовикът претърпява термично разлагане с образуването на калциев оксид и въглероден диоксид:

Калциевият оксид се свързва с примеси, за да образува шлака. Шлаката съдържа калциев силикат и калциев алуминат:

Желязото се топи при 1540°C (виж таблица 14.2). Разтопеното желязо заедно с разтопената шлака се влива в долната част на пещта. Разтопената шлака плува по повърхността на разтопеното желязо. Всеки от тези слоеве периодично се освобождава от фурната на подходящо ниво.

Доменната пещ работи денонощно, в непрекъснат режим. Суровините за процеса на доменната пещ са желязна руда, кокс и варовик. Те постоянно се подават във фурната през горната част. Желязото се освобождава от пещта четири пъти на ден, на равни интервали. Излива се от пещта в огнен поток при температура около 1500 °C. Доменните пещи са с различни размери и производителност (1000-3000 тона на ден). В САЩ има някои нови дизайни на фурни с

четири изхода и непрекъснато изпускане на разтопено желязо. Такива пещи имат капацитет до 10 000 тона на ден.

Желязото, претопено в доменна пещ, се излива в пясъчни форми. Този вид желязо се нарича чугун. Съдържанието на желязо в чугуна е около 95%. Чугунът е твърдо, но крехко вещество с точка на топене около 1200 °C.

Чугунът се получава чрез топене на смес от чугун, скрап и стомана с кокс. Разтопеното желязо се излива във форми и се охлажда.

Кованото желязо е най-чистата форма на индустриално желязо. Произвежда се чрез нагряване на сурово желязо с хематит и варовик в топилна пещ. Това повишава чистотата на желязото до приблизително 99,5%. Точката му на топене се повишава до 1400 °C. Кованото желязо има голяма здравина, ковкост и пластичност. Въпреки това, за много приложения той се заменя с мека стомана (вижте по-долу).

Производство на стомана

Стоманите са разделени на два вида. Въглеродните стомани съдържат до 1,5% въглерод. Легираните стомани съдържат не само малки количества въглерод, но и специално въведени примеси (добавки) от други метали. Различните видове стомани, техните свойства и приложения са разгледани подробно по-долу.

Процес на преобразуване на кислород. През последните десетилетия производството на стомана беше революционизирано от развитието на основния кислороден процес (известен също като процес Линц-Донавиц). Този процес започва да се използва през 1953 г. в стоманодобивните заводи в два австрийски металургични центъра - Линц и Донавиц.

Процесът на преобразуване на кислород използва преобразувател на кислород с основна облицовка (зидария) (фиг. 14.13). Конверторът се зарежда в наклонено положение

Ориз. 14.13. Конвертор за топене на стомана, 1 - кислородна и 2 - тръба с водно охлаждане за кислородно взривяване, 3 - шлака. 4-ос, 5-разтопена стомана, 6-стоманено тяло.

разтопен чугун от пещта за топене и метален скрап, след което се връща във вертикално положение. След това медна тръба с водно охлаждане се вкарва в конвертора отгоре и през нея поток от кислород, смесен с прахообразна вар, се насочва към повърхността на разтопеното желязо. Това „продухване с кислород“, което продължава 20 минути, води до интензивно окисление на примесите от желязо и съдържанието на конвертора остава течно поради освобождаването на енергия по време на окислителната реакция. Получените оксиди се свързват с вар и се превръщат в шлака. След това медната тръба се издърпва и преобразувателят се накланя, за да изтече шлаката. След многократно продухване разтопената стомана се излива от конвертора (в наклонено положение) в кофа.

Кислородно-конверторният процес се използва предимно за производство на въглеродни стомани. Характеризира се с висока производителност. За 40-45 минути в един конвертор могат да бъдат произведени 300-350 тона стомана.

Понастоящем цялата стомана в Обединеното кралство и по-голямата част от стоманата в света се произвежда чрез този процес.

Електрически процес на производство на стомана. Електрическите пещи се използват предимно за превръщане на скрап от стомана и чугун във висококачествени легирани стомани като неръждаема стомана. Електрическата пещ е кръгъл дълбок резервоар, облицован с огнеупорни тухли. Пещта се зарежда със скрап през отворения капак, след което капакът се затваря и електродите се спускат в пещта през отворите в нея, докато влязат в контакт с металния скрап. След това токът се включва. Между електродите възниква дъга, при която се развива температура над 3000 °C, металът се топи и се образува нова стомана, която ви позволява да произведете 25-50 тона стомана.

Технология на производството на желязо в древността

За да получите желязо от руда, първо трябва да получите крица. За това първо е използвана окислена желязна руда, която най-често се среща близо до повърхността. След откриването на неговите свойства такива находища бързо се изчерпват в резултат на интензивното им развитие.

Много по-разпространени са блатните руди. Те са се образували в субатлантическия период, когато по време на процеса на заблатяване желязната руда се е утаила на дъното на резервоарите. През цялото средновековие черната металургия използва блатни руди. Те дори плащаха мита с тях. Производството на желязо от руда в относително големи количества стана възможно след изобретяването на пещта за сирене. Това име се появи след изобретяването на нагрят въздух в доменни пещи. В древни времена металурзите подавали суров (студен) въздух в ковачницата. При температура 900 o с помощта на въглероден диоксид, който отнема кислорода от железния оксид, желязото се редуцира от рудата и се получава тесто или безформено, поресто парче, напоено с шлака - крица. За осъществяването на този процес е бил необходим въглен като източник на въглероден диоксид. След това крицата се изковаваше, за да се отстрани шлаката от нея. Методът за производство на сирене, понякога наричан топене на желязо, е неикономичен, но дълго време остава единственият и непроменен метод за получаване на черни метали.

Отначало желязото се топило в обикновени ями, затворени отгоре, по-късно започнали да се строят глинени пещи. Натрошена руда и въглища се зареждат в работното пространство на ковачницата на слоеве, всичко това се подпалва и въздухът се изтласква през отворите на дюзите със специални (кожени) мехове. Скалата се утаява в шлака при температура 1300-1400 o, при която се получава стомана - желязо, съдържащо от 0,3 до 1,2%. въглерод. Като изстине става много твърд. За да получите чугун - топимо желязо със съдържание на въглерод 1,5-5% - имате нужда от по-сложен дизайн на ковачница с голямо работно пространство. В този случай точката на топене на желязото е по-ниска и то частично изтича от пещта заедно с шлаката. Когато изстина, стана крехък и отначало беше изхвърлен, но след това се научиха да го използват. За да направите ковък чугун от чугун, трябва да премахнете въглерода от него.

Първото устройство за получаване на желязо от руда е еднократна пещ за сирене. С огромен брой недостатъци, дълго време това беше единственият начин за получаване на метал от руда.

Древните хора са живели богато и щастливо дълго време - каменните брадви са правени от яспис, а малахитът е изгарян, за да се получи мед, но всяко хубаво нещо има свой край. Една от причините за разпадането на древната цивилизация на Средиземно море е изчерпването на минералните ресурси. Златото свърши не в хазната, а в дълбините; калайът свърши дори на „калаените острови“. Въпреки че медта все още се добива в Синай и Кипър, находищата, които се разработват сега, не са били достъпни за римляните. Освен всичко друго, свършила е и рудата, годна за преработка на сирене. Все още имаше много олово.

Въпреки това варварските племена, заселили Европа, останала без собственик, дълго време не знаеха, че нейните минерални ресурси са били изчерпани от техните предшественици. Като се има предвид огромният спад в производството на метали, ресурсите, които римляните презират, са достатъчни за дълго време. По-късно металургията започва да се възражда предимно в Германия и Чехия – тоест там, където римляните не са стигали с кирките и ръчните колички.

По-висок етап в развитието на черната металургия представляват постоянните високи пещи, наречени в Европа мазилни пещи. Наистина беше висока печка - с четириметрова тръба за подобряване на тягата. Духалото на машината за мазилка вече се люлееше от няколко души, а понякога и от водна машина. Стукофенът имаше врати, през които веднъж на ден се изваждаше крицата.

Стукофените са изобретени в Индия в началото на първото хилядолетие пр.н.е. В началото на нашата ера те идват в Китай, а през 7 век, заедно с „арабските“ цифри, арабите заимстват тази технология от Индия. В края на 13-ти век Stuktofens започват да се появяват в Германия и Чехия (а още преди това са били в Южна Испания) и през следващия век се разпространяват в цяла Европа.

Производителността на стуктофена беше несравнимо по-висока от тази на пещ за издухване на сирене - тя произвеждаше до 250 кг желязо на ден, а температурата на топене в него беше достатъчна, за да карбуризира част от желязото до състояние на чугун. Въпреки това, когато пещта беше спряна, чугунът от мазилка замръзна на дъното й, смесвайки се с шлака и по това време те можеха да почистят метала от шлаката само чрез коване, но чугунът не се поддаваше на това. Той трябваше да бъде изхвърлен.

Понякога обаче се опитваха да намерят някакво приложение на гипсовия чугун. Например древните индуси са леели ковчези от мръсен чугун, а турците в началото на 19 век са леели гюлета. Трудно е да се прецени какви са ковчезите, но гюлетата, които излязоха от тях, бяха просто така.

Гюлетата за оръдия са отлети от черна шлака в Европа в края на 16 век. Пътищата са направени от ляти павета. В Нижни Тагил все още са запазени сгради с основи от ляти шлакови блокове.

Металурзите отдавна са забелязали връзката между температурата на топене и добива на продукта - колкото по-висока е тя, толкова по-голяма част от желязото, съдържащо се в рудата, може да бъде възстановено. Затова рано или късно им хрумна идеята да ускорят стукофена чрез предварително загряване на въздуха и увеличаване на височината на тръбата. В средата на 15-ти век в Европа се появява нов тип пещ - блауофен, който незабавно изненада производителите на стомана.

По-високата температура на топене наистина увеличи значително добива на желязо от рудата, но също така увеличи дела на желязото, което беше карбуризирано до състояние на чугун. Сега не 10%, както в машината за мазилка, но 30% от продукцията беше чугун - „свинско желязо“, неподходящ за никакви цели. В резултат на това печалбите често не плащат за модернизацията.

Blauofen чугун, подобно на гипсов чугун, се втвърдява на дъното на пещта, смесвайки се с шлака. Оказа се малко по-добре, тъй като имаше повече от него, следователно относителното съдържание на шлака беше по-малко, но тя продължаваше да остава неподходяща за леене. Чугунът, получен от блауофен, се оказа доста здрав, но все пак остана много разнороден - от него излязоха само прости и груби предмети - чукове, наковални. Вече излязоха доста гюлета.

Освен това, ако в пещите за издухване на сирене можеше да се получи само желязо, което след това беше карбуризирано, тогава в stukofen и blauofen външните слоеве на крица се оказаха направени от стомана. В blauofen krits имаше дори повече стомана, отколкото желязо. От една страна това изглеждаше добре, но се оказа много трудно да се разделят стоманата и желязото. Съдържанието на въглерод ставаше трудно да се контролира. Само дълго коване може да постигне равномерно разпределение.

По едно време, изправени пред тези трудности, индианците не продължиха напред, но започнаха да усъвършенстват технологията и стигнаха до производството на дамаска стомана. Но индийците по това време не се интересуват от количеството, а от качеството на продукта. Европейците, експериментирайки с чугуна, скоро откриха процес на преработка, който издигна металургията на желязото на качествено ново ниво.

Следващият етап в развитието на металургията е появата на доменни пещи. Поради увеличаването на размера, предварителното нагряване на въздуха и механичния взрив, в такава пещ цялото желязо от рудата се превръща в чугун, който се разтопява и периодично се освобождава навън. Производството става непрекъснато - пещта работи денонощно и не изстива. Той произвеждаше до един и половина тона чугун на ден. Дестилирането на чугун в желязо в ковачниците беше много по-лесно, отколкото избиването му от крица, въпреки че коването все още беше необходимо - но сега биеха шлака от желязо, а не желязо от шлака.

Доменните пещи са използвани за първи път в Европа в началото на 15-16 век. В Близкия изток и Индия тази технология се появява едва през 19 век (до голяма степен, вероятно защото водният двигател не е бил използван поради характерния недостиг на вода в Близкия изток). Наличието на доменни пещи в Европа й позволява да изпревари Турция през 16 век, ако не по качеството на метала, то по шахтата. Това оказа несъмнено влияние върху изхода на борбата, особено когато се оказа, че оръдията могат да бъдат отлети от чугун.

От началото на 17 век Швеция става европейската ковачница, произвеждаща половината от желязото в Европа. В средата на 18 век ролята му в това отношение започва бързо да намалява поради друго изобретение - използването на въглища в металургията.

На първо място, трябва да се каже, че до 18-ти век включително въглищата практически не се използват в металургията - поради високото съдържание на примеси, вредни за качеството на продукта, предимно сяра. От 17-ти век в Англия въглищата започват да се използват в пудингови пещи за отгряване на чугун, но това позволява да се постигнат само малки икономии на въглища - по-голямата част от горивото се изразходва за топене, където е невъзможно да се изключи контактът на въглища с руда.

Сред многобройните металургични професии от онова време, може би най-трудната професия е тази на локвач. Пудингът е основният метод за получаване на желязо през почти целия 19 век. Това беше много труден и отнемащ време процес. Работата под негово ръководство вървеше по следния начин: Чугунът беше зареден на дъното на огнената пещ; те бяха претопени. Тъй като въглеродът и другите примеси изгарят от метала, температурата на топене на метала се повишава и кристали от сравнително чисто желязо започват да „измръзват“ от течната стопилка. Бучка лепкава маса, подобна на тесто, събрана на дъното на фурната. Работниците в пуделите започнаха операцията по разточване на тестото с помощта на железен скрап. Смесвайки масата от метал с лост, те се опитвали да съберат буца или крица желязо около лоста. Такава бучка тежеше до 50 - 80 кг или повече. Крицата се изваждаше от пещта и се подаваше директно под чука - за коване, за да се отстранят частиците шлака и да се уплътни металът.

Те се научили да елиминират сярата чрез коксуване в Англия през 1735 г., след което станало възможно да се използват големи запаси от въглища за топене на желязо. Но извън Англия тази технология се разпространява едва през 19 век.

Консумацията на гориво в металургията вече беше огромна още тогава - доменната пещ поглъщаше вагон въглища на час. Дървените въглища се превърнаха в стратегически ресурс. Именно изобилието от дървесина в самата Швеция и нейната Финландия позволи на шведите да развият производство в такъв мащаб. Англичаните, които имаха по-малко гори (и дори те бяха запазени за нуждите на флота), бяха принудени да купуват желязо в Швеция, докато не се научат да използват въглища.

Електрически и индукционни методи за топене на желязо

Разнообразието от стоманени състави прави тяхното топене много трудно. В края на краищата, в пещ с открита пещ и конвертор атмосферата се окислява и елементи като хром лесно се окисляват и се превръщат в шлака, т.е. са загубени. Това означава, че за да се получи стомана със съдържание на хром от 18%, в пещта трябва да се подаде много повече хром от 180 kg на тон стомана. А хромът е скъп метал. Как да намерим изход от тази ситуация?

В началото на 20 век е намерено решение. Беше предложено да се използва топлината на електрическа дъга за топене на метал. Скрапът се зарежда в кръгла пещ, излива се чугун и се спускат въглеродни или графитни електроди. Между тях и метала в пещта („ваната“) възниква електрическа дъга с температура около 4000°C. Металът се топи лесно и бързо. И в такава затворена електрическа пещ можете да създадете всякаква атмосфера - окислителна, редуцираща или напълно неутрална. С други думи, ценните елементи могат да бъдат предотвратени от изгаряне. Така се създава металургията на висококачествените стомани.

По-късно е предложен друг метод за електрическо топене - индукция. От физиката е известно, че ако метален проводник се постави в намотка, през която преминава високочестотен ток, в него се индуцира ток и проводникът се нагрява. Тази топлина е достатъчна, за да разтопи метала за определено време. Индукционната пещ се състои от тигел със спирала, вградена в неговата облицовка. През спиралата преминава високочестотен ток и металът в тигела се топи. В такава печка можете също да създадете всяка атмосфера.

В електродъговите пещи процесът на топене обикновено протича на няколко етапа. Първо, ненужните примеси се изгарят от метала, окислявайки ги (период на окисление). След това шлаката, съдържаща оксидите на тези елементи, се отстранява (изтегля) от пещта и се зареждат феросплави - железни сплави с елементи, които трябва да бъдат въведени в метала. Пещта се затваря и топенето продължава без достъп на въздух (период на възстановяване). В резултат на това стоманата се насища с необходимите елементи в определено количество. Готовият метал се пуска в черпак и се излива.

Химични реакции при производството на желязо

В съвременната индустрия желязото се получава от желязна руда, главно от хематит (Fe 2 O 3) и магнетит (Fe 3 O 4).

Има различни начини за извличане на желязо от руди. Най-често срещаният е процесът на домейн.

Първият етап от производството е редукция на желязо с въглерод в доменна пещ при температура 2000 °C. В доменната пещ въглеродът под формата на кокс, желязна руда под формата на агломерат или пелети и флюс (като варовик) се подават отгоре и се посрещат от поток от принудителен горещ въздух отдолу.

В пещта въглеродът в кокса се окислява до въглероден оксид (въглероден оксид) от атмосферния кислород:

2C + O 2 → 2CO.

На свой ред въглеродният окис намалява желязото от рудата:

3CO + Fe 2 O 3 → 2Fe + 3CO 2.

Флюсът се добавя за извличане на нежелани примеси от рудата, предимно силикати като кварц (силициев диоксид). Типичният флюс съдържа варовик (калциев карбонат) и доломит (магнезиев карбонат). Други потоци се използват срещу други примеси.

Ефект на потока: калциевият карбонат се разлага под въздействието на топлина до калциев оксид (негасена вар):

CaCO 3 → CaO + CO 2 .

Калциевият оксид се свързва със силициевия диоксид, за да образува шлака:

CaO + SiO 2 → CaSiO 3.

Шлаката, за разлика от силициевия диоксид, се топи в пещ. Шлаката, по-лека от желязото, плува на повърхността и може да се отцеди отделно от метала. След това шлаката се използва в строителството и селското стопанство. Разтопеното желязо, произведено в доменна пещ, съдържа доста много въглерод (чугун). Освен в случаите, когато чугунът се използва директно, той изисква допълнителна обработка.

Излишъкът от въглерод и други примеси (сяра, фосфор) се отстраняват от чугуна чрез окисляване в пещи с отворен огнище или конвертори. Електрическите пещи се използват и за топене на легирани стомани.

В допълнение към процеса на доменна пещ, процесът на директно производство на желязо е често срещан. В този случай предварително натрошената руда се смесва със специална глина, образувайки пелети. Пелетите се изпичат и обработват в шахтова пещ с горещи метанови продукти, съдържащи водород. Водородът лесно редуцира желязото, без да замърсява желязото с примеси като сяра и фосфор - често срещани примеси във въглищата. Желязото се получава в твърда форма и след това се топи в електрически пещи.

Химически чистото желязо се получава чрез електролиза на разтвори на неговите соли.