1.Производство  чугуна и стали. 
 

     Железо  имело промышленное применение  уже до нашей эры. В древние  времена его получали в пластичном  состоянии в горнах. Шлак отделяли, выдавливая его из губчатого  железа, ударами молота.

     По  мере развития техники производства железа постепенно повышалась температура, при которой велся процесс. Металл  и шлак стали плавиться; стало возможным разделять их гораздо полнее. Но одновременно в металле  повышалось содержание углерода  и других примесей, - металл становился хрупким и нековким. Так появился чугун.

     Позднее  научились перерабатывать чугун;  зародился двухступенчатый способ  производства  железа из руды. В принципе  он сохраняется  до настоящего времени: современная  схема получения стали состоит  из доменного процесса, в ходе которого из руды получается чугун, и  сталеплавильного передела, приводящего к уменьшению в металле количества углерода и других примесей.

     Современный  высокий уровень металлургического  производства основан на теоретических  исследованиях и открытиях, сделанных в различных странах, и на богатом практическом опыте. Немалая доля в этом процессе принадлежит русским ученым. Например, российские ученые первыми широко применили природный газ для доменной плавки.

2. Производство чугуна.

            

 
 

2.1. Исходные материалы. 

     Железные руды. Главный исходный материал для производства чугуна в доменных печах – железные руды. К ним относят горные породы, содержащие железо в таком количестве, при котором выплавка становится экономически выгодной.

     Железная  руда состоит из рудного вещества  и пустой породы. Рудным веществом  чаще всего являются окислы, силикаты  и карбонаты железа. А пустая  порода обычно состоит из кварцита  или песчаника с примесью глинистых  веществ и реже – из доломита  или известняка.

     В  зависимости от рудного вещества  железные руды бывают богатыми, которых используют непосредственно,  и бедными, которых подвергают  обогащению.

     В  доменном производстве применяют  разные железные руды.

     Красный железняк (гематит) содержит железо в виде безводной окиси железа. Она имеет разную окраску( от темно-красной до темно-серой). Руда содержит много железа(45-65 %) и мало вредных примесей. Восстановим ость железа из руды хорошая.

     Бурый железняк содержит железо в виде водных окислов. В нем содержится  25- 50% железа. Окраска меняется от желтой до буро-желтой. Пустая порода железняка глинистая иногда кремнисто-глиноземистая.

     Магнитный железняк содержит 40-70% железа в виде закиси-окиси железа.

руда обладает хорошо выраженными магнитными свойствами, имеет темно-серый или черный с различными оттенками цвет. Пустая порода руды кремнеземистая с примесями других окислов. Железо из магнитного железняка восстанавливается труднее, чем из других руд.

     Шпатовый железняк (сидерит) содержит железо в виде углекислой соли. В этом железняке содержится 30-37 % железа. Сидерит имеет желтовато-белый и грязно-серый цвет. Он легко окисляется и переходит в бурый железняк. Из всех железных руд он обладает наиболее высокой восстановимостью.

     Марганцевые руды содержат 25-45% марганца в виде различных окислов марганца. Их добавляют в шихту для повышения в чугуне количества марганца. 

2.2. Производство чугуна  в доменной печи. 

    Выплавка  чугуна производится в огромных  доменных печах, выложенных из огнеупорных кирпичей достигающих 30 м высоты при внутреннем диаметре около 12 м.

     Разрез  доменной печи схематически изображен  на рисунке.  

     

 

    Верхняя ее половина носит название шахты и заканчивается наверху отверстием – калашником, которая закрывается подвижной колонкой – кколашниковым затвором. Самая широкая часть печи называется распаром, а нижняя часть – горном. Через специальные отверстия в горне(фурмы) в печать вдувается горячий воздух или кислород.

     Доменную  печь загружают сначала коксом, а затем послойно агломератом и коксом. Агломерат – это определенным образом подготовленная руда, спеченная с флюсом. Горение и необходимая для выплавки чугуна температура поддерживаются вдуванием в горн подогретого воздуха или кислорода. Последний поступает в кольцевую трубу, расположенную вокруг нижней части печи, а из нее по изогнутым трубкам через фурмы в горн. В горне кокс сгорает, образуя СО2, который, поднимаясь вверх и проходя сквозь слои наколенного кокса, взаимодействует с ним и образует СО. Образовавшийся оксид углерода и восстонавливает большую часть руды, переходя снова в СО2.

     Процесс  восстановления руды происходит  главным образом в верхней  части шахты. Его можно выразить  суммарным уравнением:

Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2

     Пустую породу в руде образуют, главным образом диоксид кремния SiO2.

Это – тугоплавкое  вещество. Для превращения тугоплавких  примесей в более легкоплавкие соединения к руде добавляются флюс . Обычно в качестве флюса  используют CaCo3.  При взаимодействии его с SiO2 образуется  CaSiO2, легко отделяющийся в виде шлака.

     При восстановлении руды железо получается в твердом состоянии. Постепенно оно опускается в более горячую часть печи – распар - и растворяет в себе углерод; образуется чугун. Последний плавится и стекает в нижнюю часть горна, а жидкие шлаки собираются на поверхности чугуна, предохраняя его от окисления. Чугун и шлаки выпускают по мере накопления через особые отверстия, забитые в остальное время глиной. 

     Выходящие  из отверстия печи газы содержат до 25% СО. Их сжигают в особых аппаратах-кауперах, предназначенных для предварительного нагревания  вдуваемого в печь воздуха. Доменная печь работает непрерывно. По мере того  как верхние слои руды и кокса опускаются, в печь добавляют новые их порции. Смесь руды и кокса доставляется подъемниками  на верхнюю площадку печи и загружается в чугунную воронку, закрытую снизу колошниковым затвором. При опускании затвора смесь попадает в печь. Работа печи продолжается в течение нескольких лет, пока печь не потребует капитального ремонта.

     Процесс  выплавки может быть ускорен  путем применения в доменных  печах кислорода. При вдувании  в доменную печь обогащенного  кислородом воздуха предварительный  подогрев его становится излишним, а значит, отпадает необходимость в громоздких и сложных кауперах и весь процесс упрощается. Вместе с тем производительность печи повышается и уменьшается расход топлива. Такая доменная печь дает в 1,5 раза больше железа и требует кокса на ¼ меньше чем обычная.     

   3 Производство стали.

    В стали по сравнению с чугуном  содержится меньше углерода, кремния, серы и фосфора. Для получения  стали из чугуна необходимо снизить  концентрацию веществ путем окислительной  плавки.

    В современной металлургической промышленности сталь выплавляют в основном в трех агрегатах: конвекторах, мартеновских  и электрических печах.     

   3.1. Производство стали  в конверторах.

 

    Конвертор представляет собой сосуд грушевидной  формы. Верхнюю часть называют козырьком  или шлемом. Она имеет горловину, через которую жидкий чугун и сливают сталь и шлак. Средняя часть имеет цилиндрическую форму. В нижней части есть приставное днище,  которое по мере износа заменяют новым. К днищу присоединена воздушная коробка, в которую поступает сжатый воздух.

    Емкость современных конвекторов равна 60 – 100 т. и более, а давление воздушного дутья 0,3-1,35 Мн/м. Количество воздуха необходимого для переработки 1 т чугуна, составляет 350 кубометров.

    Перед заливкой чугуна конвектор поворачивают до горизонтального положения, при  котором отверстия фурм оказываются выше уровня залитого чугуна. Затем его медленно возвращают в вертикальное положение и одновременно подают дутье, не позволяющее металлу проникать через отверстия фурм в воздушную коробку. В процессе продувки воздухом жидкого чугуна  выгорают кремний, марганец, углерод и частично железо.

    При достижении необходимой концентрации углерода конвектор возвращают в  горизонтальное положение и прекращают подачу воздуха. Готовый металл раскисляют и выливают в ковш.

    Бессемеровский  процесс. В конвертор заливают жидкий чугун с достаточно высоким содержанием кремния (до 2,25% и выше), марганца       (0,6-0,9%), и минимальным количеством серы и фосфора.

    По  характеру происходящей реакции  бессемеровский процесс можно разбить  на три периода. Первый период начинается после пуска дутья в конвертор и продолжается 3-6 мин. Из горловины конвертора вместе с газами вылетают мелкие капли жидкого чугуна с образованием искр. В этот период окисляются кремний, марганец и частично железа по реакциям:

    Si + O2 = SiO2,

    2Mn + O2 = 2MnO,

    2Fe + O2 = 2FeO. 

    Образующаяся  закись железа частично растворяется в жидком металле, способствуя дальнейшему  окислению кремния и марганца. Эти реакции протекают с выделением большого количества тепла, что вызывает разогрев металла. Шлак получается кислым (40-50% SiO2).

    Второй  период начинается после почти полного  выгорания кремния и марганца. Жидкий металл достаточно хорошо разогрет, что создаются благоприятные  условия для окисления углерода по реакции C + FeO = Fe + CO, которая протекает с поглощением тепла. Горение углерода продолжается 8-10 мин и сопровождается некоторым понижением температуры жидкого металла. Образующаяся окись углерода сгорает на воздухе. Над горловиной конвектора появляется яркое пламя.  

    По  мере снижения содержания углерода в металле пламя над горловиной уменьшается и начинается третий период. Он отличается от предыдущих периодов появлением над горловиной конвертора бурого дыма. Это показывает, что из чугуна почти полностью выгорели кремний,  марганец и углерод и началось очень сильное окисление железа. Третий период продолжается не более 2 – 3 мин, после чего конвектор переворачивают в горизонтальное положение и в ванну вводят раскислители (ферромарганец, ферросилиций или алюминий) для понижения содержания кислорода в металле. В металле происходят реакции

      FeO + Mn = MnO + Fe,

         2FeO + Si = SiO2 + Fe,

                3FeO + 2Al = Al2O3 + 3Fe.

      Готовую сталь выливают из конвектора в ковш, а затем направляют на разливку.

    Чтобы получить сталь с заранее заданным количеством углерода (например, 0,4 – 0,7% С), продувку металла прекращают в тот момент, когда из него углерод еще не выгорел, или можно допустить полное выгорание углерода, а затем добавить определенное количество чугуна или содержащих углерод определенное количество ферросплавов. 

    Томасовский процесс. В конвертор с основной футеровкой сначала загружают свежеобожженную известь, а затем заливают чугун, содержащий  1,6-2,0% Р, до 0,6%Si и до 0,8% S. В томасовском конвекторе образуется известковый шлак, необходимый для извлечения и связывания фосфора. Заполнение конвектора жидким чугуном, подъем конвертора, и пуск дутья происходят также как и в бессемеровском процессе.

    В первый период продувки в конвекторе окисляется железо, кремний, марганец и формируется известковый шлак. В этот период температура металла несколько повышается.

    Во  второй период продувки выгорает углерод, что сопровождается некоторым понижением температуры металла. Когда содержание углерода в металле достигнет  менее 0,1%, пламя уменьшится и исчезнет. Наступает третий период, вовремя которого интенсивно окисляется фосфор

    2P + 5FeO + 4CaO = (CaO)4*P2O5 + 5Fe.

    В результате окисления фосфор переходит  из металла в шлак, поскольку тетрафосфат  кальция может раствориться только в нем. Томасовские шлаки содержат 16 – 24% Р2О5.