Как добывают железную руду и выплавляют сталь. История металлургии железа Прикладная плавка железа в кустарных условиях

Руководители:

А.М. Подурец

В.Ф. Кузнецова

Введение

Нас давно интересовала история развития металлургии в нашем крае, эта история связана, в основном, с братьями Баташовыми, которые владели заводами в нашем округе. В предыдущие годы мы занимались исследованием их заводов в Илёве , Сноведи , а также в Рязанской и Владимирской областях . Известно, что на заводах Баташовых существовал полный металлургический цикл: от добычи руды до изготовления железных изделий. В процессе изучения истории заводов нас очень интересовал вопрос о развитии технологии металлургии, и данную работу мы посвятили древнему процессу получения железа.

Развитие металлургии железа

Первые известные археологам железные предметы относятся к 10 веку до н.э. Первое железо ценилось очень дорого и не сразу использовалось для изготовления орудий труда. Самым древним способом получения железа из руды был, так называемый, сыродутный способ, при котором в горн или печь загружают железную руду и уголь, при горении которого происходит частичное восстановление железа из руды. В горн нагнетали «сырой», не подогретый воздух, откуда и произошло название самой техники. Плавление в горне измельченной железной руды в смеси с древесным углем происходило при высокой температуре. По мере выгорания угля твердые зерна железа, восстановленные из руды, опускались в низ печи и, свариваясь, образовывали губчатый сгусток, называемый крицей. Для уплотнения металла вынутую из горна застывшую крицу многократно проковывали, получая монолитный кусок железа весом до 5-6 кг. Товарным крицам металлургии придавали округлую лепешкообразную форму.

Впоследствии, при производстве железа примитивные кричные горны были заменены доменными печами: эти печи имеют больший размер, производительность, а также в них достигается большая температура. Продукцией домны является чугун (железо с высоким содержанием углерода), который потом перерабатывается в железо или сталь .

Цели и задачи работы

Цель работы : реконструировать сыродутный способ получения железа в современных условиях.

Задачи :

1) Найти руду, необходимую для выплавки железа.

2) Соорудить печь, максимально соответствующую древним образцам.

3) Провести процесс плавки.

4) Проанализировать полученные образцы.

Описание получения железа в литературе

Одним из источников по которому мы восстанавливали древний способ получения железа была книга Жюля Верна “Таинственный остров” . В книге описывается, как несколько людей попали на необитаемый остров в одной одежде и постепенно сами создавали себе разные удобства, в том числе они выплавляли железо для собственных нужд.

Их способ выплавки назывался “каталонским”. Он заключался в следующем. ”Каталонский способ в собственном смысле требует постройки печей и тиглей, в которые укладываются пластами руда и уголь.” Но герой книги инженер Сайрес Смит предполагал обойтись без этих конструкций. Он возвёл «кубическое сооружение из угля и руды и направил в центр него струю воздуха». “Каменный уголь, так же как и руду, удалось без труда собрать поблизости прямо с поверхности земли. Сначала руду искрошили на мелкие куски и очистили руками от грязи. Затем уголь и руду слой за слоем сложили в кучу, как делает угольщик с деревом, которое он хочет обжечь. Таким образом, под действием воздуха, нагнетаемого мехами, уголь должен был превратиться в углекислоту и затем в окись углерода, которой предстояло восстановить магнитный железняк, то есть отнять от него кислород”. Воздушное дутьё было организовано с помощью мехов из тюленьих шкур.

Железо было получено, но “это оказалось трудным делом. Понадобилось всё терпение, вся изобретательность колонистов, чтобы успешно его осуществить. В конце концов, оно удалось, и была получена железная болванка в губчатом состоянии, которую надо было ещё ковать, чтобы выгнать из неё жидкий шлак. Таким образом, был получен грубый, но годный к употреблению металл”.

Мы пытались воплотить в реальность то, что было описано Жюлем Верном. Основным отличием нашего способа являлось то, что мы использовали печь.

Процесс получения железа

Добыча руды

3 июня 2010 года мы поехали исследовать окрестности села Елизарьева, где, как нам было известно, находились дудки-шахты по добыче железной руды. От Сарова мы добрались до места примерно за 20 минут. Добравшись до места, мы пошли на поиск руды, которая должна была располагаться в области старых шахт. Больше всего руды мы нашли там, где не было травы и был снят (траншея антипожарная) или утрамбован (дорога) слой грунта. Именно в траншее мы и нашли большинство руды разных размеров, вплоть до 15*10*10 см (приблизительно). В основном руда была серого и бурого цвета. Преобладает руда бурого цвета. Мы набрали ведро руды. Также мы увидели около десятка остатков дудок, которые засыпаны и уже заросли травой.

Старая дудка вблизи села Елизарьева

Железная руда

Измельчение руды

Мы решили дробить руду до размеров не более 1см 3 , чтобы её было легче расплавить. Мы раздробили всю руду, находящуюся в ведре и получили примерно 3/5 ведра дроблёной руды.

Кладка печи

Для печи были использованы обломки силикатных кирпичей. Кладка печи осуществлялась с помощью смеси цемента с песком. Мы намесили раствор и ряд за рядом складывали кирпичи в печь, скрепляя их раствором.

Приготовление раствора

Наша печь

Плавка

Печь предварительно нагрели, сжигая в ней дрова в течение полутора часов.

В прогретую печь мы засыпали руду, а затем древесный уголь, приобретённый в магазине, слоями. Нам надо было добиться температуры в 900 градусов по Цельсию, поэтому помимо условий, предоставленных нам природой, нам пришлось использовать пылесосы для дутья (имитация мехов). Пылесосов было два и включались они поочерёдно, работая по 30 минут без перерыва. Но уже через час плавки печь начала трескаться, так как силикатный кирпич не выдерживал столь высокой температуры. Но при том, что она трескалась, за 2ч30мин плавки не рассыпалась. В процессе плавки мы измеряли температуру внутри печи с помощью специального прибора. Она колебалась от 800 до 1300 градусов по Цельсию. Весь процесс с подготовкой занял 4ч.

Воздушное дутьё. На фото — Валентина Фёдоровна Кузнецова — хозяйка пылесоса

Измерение температуры при помощи пирометра проводит Алексей Ковалёв

Результат плавки

После разборки печи на следующий день мы извлекли из неё серые кусочки со слабо выраженным металлическим блеском.

Разборка печи

Образцы полученного металла

Видимо, металлургическая реакция имела место (до и после)

Попытка проковать полученный металл

Следуя способу, описанному Жюлем Верном, образцы полученного металла следовало проковать. Для этого мы их отнесли в кузницу, там кузнец раскалил их в горне, но под его молотком наш металл рассыпался. Экспертиза, проделанная в одной из лабораторий ВНИИЭФ, показала, что полученное вещество состоит на 20% из железа, а остальное — оксиды железа.

Заключение

Металл мы получили, но он оказался не годным для изготовления каких-либо изделий.

В чём же была наша возможная ошибка? Мы разместили описание нашего опыта в интернете и получили множество комментариев , некоторые из которых оказались ценными.

В частности, пользователь с ником 3meys подсказал нам:

“При кричной плавке из руды температура должна быть ~900 градусов и как можно меньше не сгоревшего кислорода, чтоб он не окислял обратно металл”.

Из этого мы делаем вывод, что у нас была температура несколько выше необходимой, и восстановленное железо окислилось, что объясняет хрупкость и пористость полученных нами образцов.

Тем не менее, мы считаем, что добились поставленных целей — провели плавку, в результате которой был осуществлён металлургический процесс. С помощью нашего эксперимента мы приблизились к пониманию древнего металлургического производства.

Благодарности

Автор и руководители благодарят сотрудников Института Физики Взрыва РФЯЦ-ВНИИЭФ Алексея Евгеньевича Ковалёва за измерения температуры при помощи пирометра и Михаила Игоревича Ткаченко за проведение рентгеноструктурного анализа руды и металла.

Список литературы

1. Михайлов Л. (руководители А.М. Подурец, В.Ф. Кузнецова). Унженские заводы Баташёвых. Доклад на Школьных Харитоновских чтениях, Саров, 2010.
2. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия. Москва, 2002.
3. http://erzya.ru/culture/57-krichniki.html
4. Верн Ж. Таинственный остров. Минск, 1984.
5. http://leprosorium.ru/comments/948169.

Приложение

Сравнение технологии сегодня, в XVII — XVIII веках (вчера) и нашей

Добыча руды:

Измельчение руды:

Получение угля:

Железная руда стала добываться человеком много веков назад. Уже тогда стали очевидными преимущества использования железа.

Найти минеральные образования, содержащие железо, довольно легко, так как этот элемент составляет около пяти процентов земной коры. В целом, железо является четвертым по распространенности элементом в природе.

В чистом виде найти его невозможно, железо содержится в определенном количестве во многих типах горных пород. Наибольшее содержание железа имеет железная руда, добыча металла из которой является наиболее экономично выгодным. От ее происхождения зависит количество содержащегося в ней железа, нормальная доля которого в составе около 15%.

Химический состав

Свойства железной руды, ее ценность и характеристики напрямую зависят от ее химического состава. Железная руда может содержать различное количество железа и других примесей. В зависимости от этого выделяют ее несколько типов:

• очень богатые, когда содержание железа в рудах превышает 65%;
• богатые, процент железа в которой варьируется в диапазоне от 60% до 65%;
• средние, от 45% и выше;
• бедные, в которых процент полезных элементов не превышает 45%.

Чем больше побочных примесей в составе железной руды, тем больше необходимо энергии на ее переработку, и тем менее эффективным является производство готовой продукции.

Состав породы может представлять собой совокупность различных минералов, пустой породы и других побочных примесей, соотношение которых зависит от ее месторождения.

Магнитные руды отличаются тем, что в их основе заложен оксид, имеющий магнитные свойства, но при сильном нагреве они теряются. Количество этого типа породы в природе ограничено, но содержание железа в нем может не уступать красному железняку. Внешне он выглядит как твердые кристаллы черно-синего цвета.

Шпатовый железняк представляет собой рудную породу, в основе которой лежит сидерит. Очень часто имеет в составе значительное количество глины. Этот тип породы относительно тяжело найти в природе, что на фоне малого количества содержимого железа делает его редко используемым. Поэтому отнести их к промышленным типам руд невозможно.

Кроме оксидов в природе содержаться другие руды на основе силикатов и карбонатов. Количество содержимого железа в породе очень важно для ее промышленного использования, но также важно наличие полезных побочных элементов, таких как никель, магний, и молибден.

Отрасли применения

Сфера применения железной руды практически полностью ограничена металлургией. Ее используют, в основном, для выплавки чугуна, который добывают с помощью мартеновских или конверторных печей. На сегодняшний день чугун используется в различных сферах жизнедеятельности человека, в том числе в большинстве видов промышленного производства.

Не в меньшей степени используются различные сплавы на основе железа – наиболее широкое применение обрела сталь благодаря своим прочностным и антикоррозийным свойствам.

Чугун, сталь и различные другие сплавы железа используются в:

1. Машиностроении, для производства различных станков и аппаратов.
2. Автомобилестроении, для изготовления двигателей, корпусов, рам, а также других узлов и деталей.
3. Военной и ракетной промышленности, при производстве спецтехники, оружия и ракет.
4. Строительстве, в качестве армирующего элемента или возведения несущих конструкций.
5. Легкой и пищевой промышлености, в качестве тары, производственных линий, различных агрегатов и аппаратов.
6. Добывающей промышленности, в качестве спецтехники и оборудования.

Месторождения железной руды

Мировые запасы железной руды ограничены в количестве и своем местоположении. Территории скопления запасов руд называют месторождениями. На сегодняшний день месторождения железных руд делят на:

1. Эндогенные. Они характеризуются особым расположением в земной коре, обычно в виде титаномагнетитовых руд. Формы и расположения таких вкраплений разнообразны, могут быть в форме линз, пластов, расположенных в земной коре в виде залежей, вулканообразовных залежей, в виде различных жил и других неправильных форм.
2. Экзогенные. К этому типу относятся залежи бурых железняков и других осадочных пород.
3. Метаморфогенные. К которым относятся залежи кварцитов.

Месторождения таких руд можно встретить на территории всей нашей планеты. Наибольшее количество залежей сконцентрировано на территории постсоветских республик. В особенности Украины, России и Казахстана.

Большие запасы железа имеют такие страны как Бразилия, Канада, Австралия, США, Индия и ЮАР. При этом практически в каждой стране на земном шаре имеются свои разрабатываемыми месторождения, в случае дефицита которых, порода импортируется из других стран.

Обогащения железных руд

Как было указано, существует несколько типов руд. Богатые можно перерабатывать непосредственно после извлечения из земной коры, другие необходимо обогатить. Кроме процесса обогащения, переработка руды включает в себя несколько этапов, таких как сортировка, дробление, сепарация и агломерация.

На сегодняшний день существует несколько основных способов обогащения:

1. Промывка.

Применяется для очистки руд от побочных примесей в виде глины или песка, вымывание которых проводят с помощью струй воды под высоким давлением. Такая операция позволяет увеличить количество содержимого железа в бедной руде примерно на 5%. Поэтому его используют только в комплексе с другими типами обогащения.

1. Гравитационная очистка.

Выполняется с помощью специальных типов суспензий, плотность которых превышает плотность пустой породы, но уступает плотности железа. Под воздействием гравитационных сил побочные компоненты поднимаются на верх, а железо опускается на низ суспензии.

1. Магнитная сепарация.

Наиболее распространенный способ обогащения, который основывается на различном уровне восприятия компонентами руды воздействия магнитных сил. Такую сепарацию могут проводить с сухой породой, мокрой, или в поочередном сочетании двух ее состояний.

Для переработки сухой и мокрой смеси используют специальные барабаны с электромагнитами.

1. Флотация.

Для этого метода раздробленную руду в виде пыли опускают в воду с добавлением специального вещества (флотационный реагент) и воздуха. Под действием реагента железо присоединяется к воздушным пузырькам и поднимается на поверхность воды, а пустая порода опускается на дно. Компоненты, содержащие железо, собираются с поверхности в виде пены.

Часть 1. Зачем все это надо?

Если речь идет о создании реплики исторического артефакта (например, ножа или топора Х века), то перед мастером стоит как минимум 3 задачи:

1. Повторить внешний вид. Другими словами, создать масса-габаритную модель. Пример реплика топора из могильника Якштайчай, Литва. Топор изготовлен с соблюдением размеров оригинала.

По внешнему виду средневековое оружие исследовали такие известные авторы как Эвард Окшотт, Ян Петерсен, Анатолий Кирпичников.

2. Структура кованого изделия. Большинство средневековых артефактов изготовлено, говоря современным языком, как минимум, из двух разных марок сталей. Тут речь идет о технологии кузнечной сварки, о технологии изготовления дамасской стали. Из-за дороговизны углеродистой стали в средние века, широко применялась технология, когда только рабочая часть изделия (например, в ноже это лезвие) была стальной, а все остальное изготавливалось из железа или низкокачественной стали.

Подробнее эта тема рассмотрена на практике на примере . О структуре средневековых кованых изделий можно судить по таким книгам как «Дамасская сталь в странах бассейна Балтийского моря» Антейн А.К. и «Кузнечное ремесло Полоцкой земли. IX–XIII вв.» Гурин, М.Ф.

3. Собственно металл. Сталь Х века и сталь ХХI века это 2 принципиально разных по способу получения материала. И как следствие, свойства этих материалов отличаются. Вероятно, из-за этих отличий и получило широкое распространение такое направление в кузнечном деле как дамасская сталь. Топор из сыродутного железа.

Основной способ получения железа в средние века – плавка болотной руды в сыродутных горнах. Суть сыродутного процесса в том, что воздух для горения топлива подается не подогретым, атмосферных параметров.

Конструкция средневековых печей описана в книге Бориса Колчина «Черная металлургия и металлообработка в Древней Руси».

Часть 2. Сырье и подготовка к плавке.

Болотная руда — это бурый железняк, или лимонит. Основное из чего она состоит это Fe2O3. Вот так выглядит в природе.

Восстанавливается руда до чистого металла древесным углем. Перед плавкой руду обогащают путем промывки от лишней породы.

Первую плавку руды я сделал в графито-шамотном тигле в камере газового горна. Из 400 грамм руды получилось 160 грамм железа. Слиток пористый, поры чистые без неметаллических вкраплений.

Был сделан спектральный анализ этого слитка на легирующие элементы и примеси.

Анализ показал содержание углерода – 0.14%. Вероятно, углерод поступил в железо из древесного угля, в следствии процесса цементации поверхности. Вероятно, длительное нахождения слитка железа в области высоких температур обеспечило хорошую диффузию углерода, и как следствие равномерное его распределение по всему объему образца. Таким образом мы можем говорить о получении низкоуглеродистой стали. Высокое содержание фосфора и серы (1.49% и 0.075% соответственно) ощутимо снижает качество металла и с точки зрения кузнечной обработки, и с точки зрения эксплуатации будущих изделий. Чтобы уменьшить содержание серы и фосфора в состав шихты (Шихта — Смесь материалов, загруженных в плавильную печь для получения металла определённого состава.) следует ввести оксид кальция СаO (негашеная известь). Например, добавить мел CaCO3. В области высоких температур (1000-1100 ОС) внутри горна мел станет негашеной известью.

Часть 3. Плавка руды в аутентичных сыродутных горнах.

22-23.07.2017 в музейном комплексе «Дудутки» на фестивале славы белорусского оружия «Наш Грюнвальд-2017» состоялась плавка руды в сыродутных горнах. Цель этого эксперимента получить практические ответы на следующие вопросы:

1. Материалы и конструкция сыродутных горнов.

2. Способ подачи воздуха для горения топлива. Режимы дутья.

3. Состав шихты.

4. Шлакообразование и его влияние на процесс плавки.

5. Получение чистого металла.

6. Получение металла лучшего качества, чем при первой плавке в тигле.

Забегая вперед могу сказать, что все поставленные задачи были решены. Было изготовлено 2 сыродутных горна из разных материалов, разной конструкции и размера. Один из двух горнов был изготовлен из местного сырья, воздух подавался двухкамерными кузнечными мехами.

Постройка горнов, их сушка, прогрев и последующая плавка – очень трудоемкая задача. Весь процесс занял 2 дня, работы велись с самого утра и до поздней ночи с учетом того, что мне помогала целая команда помощников. Эксперимент удачный – полученный металл примерно в 7 раз чище по вредным примесям в сравнении с тигельной плавкой. Однако металла получилось немного. Основной объем – это небольшие металлические шарики в кусках шлака.

Вероятно, если создать бОльшую температуру в горне и увеличить время плавки, то эти шарики сварятся вместе и образуют годную для ковки крицу. Спектральный анализ не определил содержание углерода, вероятно, из-за его неравномерного распределения в слитке. Вероятно, это также косвенно говорит о необходимости увеличения времени плавки. Проведенный эксперимент показал, что основные параметры выбраны в целом верно, значит их оптимизация приведет к улучшению результата. Об этом я напишу позже, по мере развития событий.

В природе железо встречается только в виде руды, то есть с примесью минералов. Ещё в древности люди научились извлекать металл из руды, плавя её в специальных доменных печах при очень высокой температуре. Жидкий металл разливают по формам и охлаждают. Так получают чугунные заготовки для рельсов, оград, ванн, батарей отопления и даже сковородок. Но чугун непрочен, он может треснуть от сильного удара.

Сталь

150 лет назад изобрели мартеновскую печь, где чугун снова расплавляют, обогащают специальными добавками и получают сталь - металл более прочный, чем чугун, и в то же время упругий. Из него изготавливают множество разных вещей.

Ржавчина

Если железный предмет постоянно соприкасается с водой или влажным воздухом, его разъедает ржавчина. Ученые придумали, как выплавить нержавеющую сталь, чтобы она не портилась от времени и всегда блестела. Из нержавейки делают, к примеру, кастрюли и столовые приборы.

Интересный факт: Чтобы предметы из железа не ржавели, их покрывают лаком или особой красной краской - суриком, а чтобы чугунная ванна не ржавела, её покрывают эмалью, а изделия из стали (например кузов машины) другим металлом - цинком.

Золото тоже метал, как и железо. Но, в отличие от железа, оно не смешивается с минералами, а залегает в горах или в руслах рек маленькими кусочками. Такие кусочки чистого золота называют самородками.

От булавки до самолёта

Невозможно перечислить, сколько разных вещей делают из железа: от самых маленьких - до самых больших. Из чугуна и стали производят автомобили и автобусы, опоры для семафоров, дорожные указатели, двери, трамвайные рельсы, поезда, корабли и двигатели самолётов. Железо входит в состав железобетона, из которого строят мосты и небоскрёбы.

Процессы прямого получения железа из руд

Под процессами прямого получения железа понимают такие химические, электрохимические или химико-термические процессы, которые дают возможность получать непосредственно из руды, минуя доменную печь, металлическое железо в виде губки, крицы или жидкого металла.

Такие процессы ведутся, не расходуя металлургический кокс, флюсы, электроэнергию (на подготовку сжатого воздуха), а также позволяют получить очень чистый металл.

Методы прямого получения железа известны давно. Опробовано более 70 различных способов, но лишь немногие осуществлены и притом в небольшом промышленном масштабе.

В последние годы интерес к этой проблеме вырос, что связано, помимо замены кокса другим топливом, с развитием способов глубокого обогащения руд, обеспечивающих не только высокого содержания железа в концентратах (70…72%), но и почти полное освобождение его от серы и фосфора.

Получение губчатого железа в шахтных печах.

Схема процесса представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Схема установки для прямого восстановления железа из руд и получения металлизованных окатышей

При получении губчатого железа добытую руду обогащают и получают окатыши. Окатыши из бункера 1 по грохоту 2поступают в короб 10 шихтозавалочной машины и оттуда в шахтную печь 9 , работающую по принципу противотока. Просыпь от окатышей попадает в бункер 3 с брикетировочным прессом и в виде окатышей вновь поступает на грохот 2. Для восстановления железа из окатышей в печь по трубопроводу 8 подают смесь природного и доменного газов, подвергнутую в установке 7конверсии, в результате которой смесь разлагается на водород и оксид углерода . В восстановительной зоне печи Всоздается температура 1000…1100 0 C, при которой и восстанавливают железную руду в окатышах до твёрдого губчатого железа. Содержание железа в окатышах достигает 90…95%. Для охлаждения железных окатышей по трубопроводу 6 в зону охлаждения 0 печи подают воздух. Охлаждённые окатыши 5 выдаются на конвейер 4 и поступают на выплавку стали в электропечах.

Восстановление железа в кипящем слое.

Мелкозернистую руду или концентрат помещают на решётку, через которую подают водород или другой восстановительный газ под давлением 1,5 МПа. Под давлением водорода частицы руды находятся во взвешенном состоянии, совершая непрерывное движение и образуя «кипящий», «псевдосжиженый» слой. В кипящем слое обеспечивается хороший контакт газа-восстановителя с частицами оксидов железа. На одну тонну восстановленного порошка расход водорода составляет 600…650 м 3 .

Получение губчатого железа в капсулах-тиглях.

Используют карбидокремниевые капсулы диаметром 500 мм и высотой 1500 мм. Шихта загружается концентрическими слоями. Внутренняя часть капсулы заполнена восстановителем – измельч¨нным тв¨рдым топливом и известняком (10…15%) для удаления серы. Второй слой – восстанавливаемая измельч¨нная руда или концентрат, окалина, затем еще один концентрический слой – восстановителя и известняка. Установленные на вагонетки капсулы медленно перемещаются в туннельной печи длиной до 140 м, где происходит нагрев, выдержка при 1200 0 C и охлаждение в течение 100 часов.

Восстановленное железо получают в виде толстостенных труб, их чистят, дробят и измельчают, получая железный порошок с содержанием железа до 99 %, углерода – 0,1…0,2%.

Производство стали

Сущность процесса

Стали – железоуглеродистые сплавы, содержащие практически до 1,5% углерода, при большем его содержании значительно увеличиваются твёрдость и хрупкость сталей и они не находят широкого применения.

Основными исходными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап).

Железо окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильных печах:

Одновременно с железом окисляются кремний, фосфор, марганец и углерод. Образующийся оксид железа при высоких температурах отдаёт свой кислород более активным примесям в чугуне, окисляя их.

Процессы выплавки стали осуществляют в три этапа.

Первый этап – расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла.

Температура металла сравнительно невысокая, интенсивно происходит окисление железа, образование оксида железа и окисление примесей: кремния, марганца и фосфора.

Наиболее важная задача этапа – удаление фосфора. Для этого желательно проведение плавки в основной печи, где шлак содержит . Фосфорный ангидрид образует с оксидом железа нестойкое соединение . Оксид кальция – более сильное основание, чем оксид железа, поэтому при невысоких температурах связывает и переводит его в шлак:

Для удаления фосфора необходимы невысокие температура ванны металла и шлака, достаточное содержание в шлаке . Для повышения содержания в шлаке и ускорения окисления примесей в печь добавляют железную руду и окалину, наводя железистый шлак. По мере удаления фосфора из металла в шлак, содержание фосфора в шлаке увеличивается. Поэтому необходимо убрать этот шлак с зеркала металла и заменить его новым со свежими добавками .

Второй этап – кипение металлической ванны – начинается по мере прогрева до более высоких температур.

При повышении температуры более интенсивно протекает реакция окисления углерода, происходящая с поглощением теплоты:

Для окисления углерода в металл вводят незначительное количество руды, окалины или вдувают кислород.

При реакции оксида железа с углеродом, пузырьки оксида углерода выделяются из жидкого металла, вызывая «кипение ванны». При «кипении» уменьшается содержание углерода в металле до требуемого, выравнивается температура по объ¨му ванны, частично удаляются неметаллические включения, прилипающие к всплывающим пузырькам , а также газы, проникающие в пузырьки . Вс¨ это способствует повышению качества металла. Следовательно, этот этап - основной в процессе выплавки стали.

Также создаются условия для удаления серы. Сера в стали находится в виде сульфида (), который растворяется также в основном шлаке. Чем выше температура, тем большее количество сульфида железа растворяется в шлаке и взаимодействует с оксидом кальция :

Образующееся соединение растворяется в шлаке, но не растворяется в железе, поэтому сера удаляется в шлак.

Третий этап – раскисление стали заключается в восстановлении оксида железа, растворённого в жидком металле.

При плавке повышение содержания кислорода в металле необходимо для окисления примесей, но в готовой стали кислород – вредная примесь, так как понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах.

Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим и диффузионным.

Осаждающее раскисление осуществляется введением в жидкую сталь растворимых раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия), содержащих элементы, которые обладают большим сродством к кислороду, чем железо.

В результате раскисления восстанавливается железо и образуются оксиды: , которые имеют меньшую плотность, чем сталь, и удаляются в шлак.

Диффузионное раскисление осуществляется раскислением шлака. Ферромарганец, ферросилиций и алюминий в измельчённом виде загружают на поверхность шлака. Раскислители, восстанавливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке. Следовательно, оксид железа, растворённый в стали переходит в шлак. Образующиеся при этом процессе оксиды остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, при этом в стали снижается содержание неметаллических включений и повышается ее качество.

В зависимости от степени раскисления выплавляют стали:

а) спокойные,

б) кипящие,

в) полуспокойные.

Спокойная сталь получается при полном раскислении в печи и ковше.

Кипящая сталь раскислена в печи неполностью. Ее раскисление продолжается в изложнице при затвердевании слитка, благодаря взаимодействию оксида железа и углерода: ,

Образующийся оксид углерода выделяется из стали, способствуя удалению из стали азота и водорода, газы выделяются в виде пузырьков, вызывая её кипение. Кипящая сталь не содержит неметаллических включений, поэтому обладает хорошей пластичностью.

Полуспокойная сталь имеет промежуточную раскисленность между спокойной и кипящей. Частично она раскисляется в печи и в ковше, а частично – в изложнице, благодаря взаимодействию оксида железа и углерода, содержащихся в стали.

Легирование стали осуществляется введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом количестве в расплав. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду меньше, чем у железа (), при плавке и разливке не окисляются, поэтому их вводят в любое время плавки. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа (), вводят в металл после раскисления или одновременно с ним в конце плавки, а иногда в ковш.

Способы выплавки стали

Чугун переделывается в сталь в различных по принципу действия металлургических агрегатах: мартеновских печах, кислородных конвертерах, электрических печах.

Производство стали в мартеновских печах

Мартеновский процесс (1864-1865, Франция). В период до семидесятых годов являлся основным способом производства стали. Способ характеризуется сравнительно небольшой производительностью, возможностью использования вторичного металла – стального скрапа. Вместимость печи составляет 200…900 т. Способ позволяет получать качественную сталь.

Мартеновская печь (рис.2.2.) по устройству и принципу работы является пламенной отражательной регенеративной печью. В плавильном пространстве сжигается газообразное

топливо или мазут. Высокая температура для получения стали в расплавленном состоянии обеспечивается регенерацией тепла печных газов.

Современная мартеновская печь представляет собой вытянутую в горизонтальном направлении камеру, сложенную из огнеупорного кирпича. Рабочее плавильное пространство ограничено снизу подиной 12, сверху сводом 11, а с боков передней 5 и задней 10 стенками. Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стенкам печи. В передней стенке имеются загрузочные окна 4 для подачи шихты и флюса, а в задней – отверстие 9 для выпуска готовой стали.

Рис.2.2. Схема мартеновской печи

Характеристикой рабочего пространства является площадь пода печи, которую подсчитывают на уровне порогов загрузочных окон. С обоих торцов плавильного пространства расположены головки печи 2, которые служат для смешивания топлива с воздухом и подачи этой смеси в плавильное пространство. В качестве топлива используют природный газ, мазут.

Для подогрева воздуха и газа при работе на низкокалорийном газе печь имеет два регенератора 1.

Регенератор – камера, в которой размещена насадка – огнеупорный кирпич, выложенный в клетку, предназначен для нагрева воздуха и газов.

Отходящие от печи газы имеют температуру 1500…1600 0 C. Попадая в регенератор, газы нагревают насадку до температуры 1250 0 C. Через один из регенераторов подают воздух, который проходя через насадку нагревается до 1200 0 C и поступает в головку печи, где смешивается с топливом, на выходе из головки образуется факел 7, направленный на шихту 6.

Отходящие газы проходят через противоположную головку (левую), очистные устройства (шлаковики), служащие для отделения от газа частиц шлака и пыли и направляются во второй регенератор.

Охлажд¨нные газы покидают печь через дымовую трубу 8.

После охлаждения насадки правого регенератора переключают клапаны, и поток газов в печи изменяет направление.

Температура факела пламени достигает 1800 0 C. Факел нагревает рабочее пространство печи и шихту. Факел способствует окислению примесей шихты при плавке.

Продолжительность плавки составляет 3…6 часов, для крупных печей – до 12 часов. Готовую плавку выпускают через отверстие, расположенное в задней стенке на нижнем уровне пода. Отверстие плотно забивают малоспекающимися огнеупорными материалами, которые при выпуске плавки выбивают. Печи работают непрерывно, до остановки на капитальный ремонт – 400…600 плавок.

В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают разновидности мартеновского процесса:

– скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома (скрапа) и 25…45 % чушкового передельного чугуна, процесс применяют на заводах, где нет доменных печей, но много металлолома.

– скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55…75 %), скрапа и железной руды, процесс применяют на металлургических заводах, имеющих доменные печи.

Футеровка печи может быть основной и кислой. Если в процессе плавки стали, в шлаке преобладают основные оксиды, то процесс называют основным мартеновским процессом, а если кислые – кислым .

Наибольшее количество стали производят скрап-рудным процессом в мартеновских печах с основной футеровкой.

В печь загружают железную руду и известняк, а после подогрева подают скрап. После разогрева скрапа в печь заливают жидкий чугун. В период плавления за счет оксидов руды и скрапа интенсивно окисляются примеси чугуна: кремний, фосфор, марганец и, частично, углерод. Оксиды образуют шлак с высоким содержанием оксидов железа и марганца (железистый шлак). После этого проводят период «кипения» ванны: в печь загружают железную руду и продувают ванну подаваемым по трубам 3 кислородом. В это время отключают подачу в печь топлива и воздуха и удаляют шлак.

Для удаления серы наводят новый шлак, подавая на зеркало металла известь с добавлением боксита для уменьшения вязкости шлака. Содержание в шлаке возрастает, а уменьшается.

В период «кипения» углерод интенсивно окисляется, поэтому шихта должна содержать избыток углерода. На данном этапе металл доводится до заданного химического состава, из него удаляются газы и неметаллические включения.

Затем проводят раскисление металла в два этапа. Сначала раскисление идет путем окисления углерода металла, при одновременной подаче в ванну раскислителей – ферромарганца, ферросилиция, алюминия. Окончательное раскисление алюминием и ферросилицием осуществляется в ковше, при выпуске стали из печи. После отбора контрольных проб сталь выпускают в ковш.

В основных мартеновских печах выплавляют стали углеродистые конструкционные, низко- и среднелегированные (марганцовистые, хромистые), кроме высоколегированных сталей и сплавов, которые получают в плавильных электропечах.

В кислых мартеновских печах выплавляют качественные стали. Применяют шихту с низким содержанием серы и фосфора.

Основными технико-экономическими показателями производства стали в мартеновских печах являются:

· производительность печи – съ¨м стали с 1м 2 площади пода в сутки (т/м 2 в сутки), в среднем составляет 10 т/м 2 ; р

· расход топлива на 1т выплавляемой стали, в среднем составляет 80 кг/т.

С укрупнением печей увеличивается их экономическая эффективность.

Производство стали в кислородных конвертерах.

Кислородно-конвертерный процесс – выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму.

Первые опыты в 1933-1934 – Мозговой.

В промышленных масштабах – в 1952-1953 на заводах в Линце и Донавице (Австрия) – получил название ЛД-процесс. В настоящее время способ является основным в массовом производстве стали.

Кислородный конвертер – сосуд грушевидной формы из стального листа, футерованный основным кирпичом.

Вместимость конвертера – 130…350 т жидкого чугуна. В процессе работы конвертер может поворачиваться на 360 0 для загрузки скрапа, заливки чугуна, слива стали и шлака.

Шихтовыми материалами кислородно-конвертерного процесса являются жидкий передельный чугун, стальной лом (не более 30%), известь для наведения шлака, железная руда, а также боксит и плавиковый шпат для разжижения шлака.

Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конвертерах представлена на рис. 2.3.

Рис.2.3. Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конвертерах

После очередной плавки стали выпускное отверстие заделывают огнеупорной массой и осматривают футеровку, ремонтируют.

Перед плавкой конвертер наклоняют, с помощью завалочных машин загружают скрап рис. (2.3.а), заливают чугун при температуре 1250…1400 0 C (рис. 2.3.б).

После этого конвертер поворачивают в рабочее положение (рис. 2.3.в), внутрь вводят охлаждаемую фурму и через не¨ подают кислород под давлением 0,9…1,4 МПа. Одновременно с началом продувки загружают известь, боксит, железную руду. Кислород проникает в металл, вызывает его циркуляцию в конвертере и перемешивание со шлаком. Под фурмой развивается температура 2400 0 C. В зоне контакта кислородной струи с металлом окисляется железо. Оксид железа растворяется в шлаке и металле, обогащая металл кислородом. Растворенный кислород окисляет кремний, марганец, углерод в металле, и их содержание падает. Происходит разогрев металла теплотой, выделяющейся при окислении.

Фосфор удаляется в начале продувки ванны кислородом, когда ее температура невысока (содержание фосфора в чугуне не должно превышать 0,15 %). При повышенном содержании фосфора для его удаления необходимо сливать шлак и наводить новый, что снижает производительность конвертера.

Сера удаляется в течение всей плавки (содержание серы в чугуне должно быть до 0,07 %).

Подачу кислорода заканчивают, когда содержание углерода в металле соответствует заданному. После этого конвертер поворачивают и выпускают сталь в ковш (рис. 2.3.г), где раскисляют осаждающим методом ферромарганцем, ферросилицием и алюминием, затем сливают шлак (рис. 2.3.д).

В кислородных конвертерах выплавляют стали с различным содержанием углерода, кипящие и спокойные, а также низколегированные стали. Легирующие элементы в расплавленном виде вводят в ковш перед выпуском в него стали.