Gvožđe čini više od 5% zemljine kore. Glavne rude koje se koriste za ekstrakciju željeza su hematit i magnetit. Ove rude sadrže od 20 do 70% gvožđa. Najvažnije nečistoće željeza u ovim rudama su pijesak i glinica (aluminij oksid).

Zemljino jezgro

Na osnovu indirektnih dokaza, možemo zaključiti da je Zemljino jezgro uglavnom legura željeza. Njegov radijus je približno 3470 km, dok je poluprečnik Zemlje 6370 km. Čini se da je Zemljino unutrašnje jezgro čvrsto i ima radijus od oko 1200 km. Okružena je tečnim vanjskim jezgrom. Turbulentno strujanje fluida u ovom dijelu jezgra stvara Zemljino magnetsko polje. Pritisak unutar jezgra kreće se od 1,3 do 3,5 miliona atmosfera, a temperatura od

Iako je utvrđeno da se Zemljino jezgro sastoji uglavnom od gvožđa, njen tačan sastav nije poznat. Procjenjuje se da 8 do 10% mase Zemljinog jezgra čine elementi kao što su nikl, sumpor (u obliku željeznog sulfida), kisik (u obliku željeznog oksida) i silicijum (u obliku silicid gvožđa).

Najmanje 12 zemalja u svijetu ima dokazane rezerve željezne rude koje prelaze milijardu tona. Ove zemlje uključuju Australiju, Kanadu, SAD, Južnu Afriku, Indiju, SSSR i Francusku. Globalni nivo proizvodnje čelika trenutno dostiže 700 miliona tona. Glavni proizvođači čelika su SSSR, SAD i Japan godišnje. U Velikoj Britaniji nivo proizvodnje čelika je 20 miliona tona godišnje.

Proizvodnja gvožđa

Ekstrakcija željeza iz željezne rude odvija se u dvije faze. Počinje pripremom rude – mljevenjem i zagrijavanjem. Ruda se usitnjava u komade prečnika ne više od 10 cm. Zdrobljena ruda se zatim kalcinira kako bi se uklonila voda i isparljive nečistoće.

U drugoj fazi, željezna ruda se redukuje u željezo korištenjem ugljičnog monoksida u visokoj peći (slika 14.12). Redukcija se vrši na temperaturama od oko 700°C:

Da bi se povećao prinos željeza, ovaj proces se provodi u uvjetima viška ugljičnog dioksida

Ugljični monoksid CO nastaje u visokoj peći iz koksa i zraka. Vazduh se prvo zagreva na približno 600 °C i ubacuje u peć kroz specijalnu cev - tujer. Koks sagorijeva u vrućem komprimiranom zraku stvarajući ugljični dioksid. Ova reakcija je egzotermna i uzrokuje porast temperature iznad 1700 °C:

Ugljični dioksid se diže u peći i reagira s još koksa i stvara ugljični monoksid. Ova reakcija je endotermna:

Rice. 14.12. Visoka peć, 1 - željezna ruda, krečnjak, koks, 2 konus za punjenje (gornji), 3 - gornji plin, 4 - zidanje peći, 5 - zona redukcije željeznog oksida, 6 - zona formiranja šljake, 7 - zona sagorijevanja koksa, 8 - ubrizgavanje zagrijanog zraka kroz tujere, 9 - rastopljeno željezo, 10 - rastopljena šljaka.

Gvožđe koje nastaje tokom redukcije rude je kontaminirano nečistoćama peska i glinice (vidi gore). Da bi se uklonili, u peć se dodaje krečnjak. Na temperaturama koje postoje u peći, krečnjak se podvrgava termičkoj razgradnji sa stvaranjem kalcijum oksida i ugljičnog dioksida:

Kalcijum oksid se kombinuje sa nečistoćama i formira šljaku. Zgura sadrži kalcijum silikat i kalcijum aluminat:

Gvožđe se topi na 1540°C (vidi tabelu 14.2). Rastopljeno željezo zajedno sa rastopljenom šljakom teče u donji dio peći. Rastopljena šljaka pliva na površini rastopljenog gvožđa. Svaki od ovih slojeva se periodično pušta iz pećnice na odgovarajući nivo.

Visoka peć radi 24 sata dnevno, u kontinuiranom režimu. Sirovine za proces visoke peći su željezna ruda, koks i krečnjak. Stalno se ubacuju u pećnicu kroz vrh. Gvožđe se pušta iz peći četiri puta dnevno, u pravilnim intervalima. Izlijeva se iz peći u vatrenom mlazu na temperaturi od oko 1500 °C. Visoke peći dolaze u različitim veličinama i produktivnosti (1000-3000 tona dnevno). U SAD-u postoje neke pećnice novi dizajn With

četiri izlaza i kontinuirano oslobađanje rastopljenog željeza. Takve peći imaju kapacitet do 10.000 tona dnevno.

Gvožđe istopljeno u visokoj peći sipa se u peščane kalupe. Ova vrsta gvožđa se naziva liveno gvožđe. Sadržaj gvožđa u livenom gvožđu je oko 95%. Liveno gvožđe je tvrda, ali krhka supstanca sa tačkom topljenja od oko 1200 °C.

Liveno gvožđe se proizvodi spajanjem mešavine sirovog gvožđa, starog metala i čelika sa koksom. Rastopljeno gvožđe se sipa u kalupe i hladi.

Kovano gvožđe je najčistiji oblik industrijskog gvožđa. Proizvodi se zagrijavanjem sirovog željeza sa hematitom i krečnjakom u peći za topljenje. Ovo povećava čistoću gvožđa na približno 99,5%. Njegova tačka topljenja raste do 1400 °C. Kovano gvožđe ima veliku snagu, savitljivost i duktilnost. Međutim, za mnoge primjene zamjenjuje se mekim čelikom (vidi dolje).

Proizvodnja čelika

Čelici se dijele na dvije vrste. Ugljični čelici sadrže do 1,5% ugljika. Legirani čelici sadrže ne samo male količine ugljika, već i posebno unesene nečistoće (aditive) drugih metala. Različite vrste čelika, njihova svojstva i primjena detaljno su razmotreni u nastavku.

Proces pretvarača kiseonika. Posljednjih desetljeća, proizvodnja čelika je revolucionirana razvojem osnovnog procesa kisika (također poznat kao Linz-Donawitz proces). Ovaj proces je počeo da se koristi 1953. godine u čeličanama u dve austrijske metalurškim centrima- Linz i Donawice.

Proces pretvarača kiseonika koristi pretvarač kiseonika sa glavnom oblogom (zidanjem) (slika 14.13). Pretvarač je opterećen u nagnutom položaju

Rice. 14.13. Pretvarač za topljenje čelika, 1 - kisik i 2 - vodeno hlađena cijev za mlaz kisika, 3 - šljaka. 4-os, 5-taljeni čelik, 6-čelično tijelo.

rastopljeno sirovo gvožđe iz peći za topljenje i otpadni metal, zatim vraćeno u vertikalni položaj. Nakon toga, u pretvarač se odozgo ubacuje vodeno hlađena bakarna cijev i kroz nju se struja kisika pomiješanog s vapnom u prahu usmjerava na površinu rastaljenog željeza. Ovo „pročišćavanje kiseonikom“, koje traje 20 minuta, dovodi do intenzivne oksidacije nečistoća gvožđa, a sadržaj pretvarača ostaje tečan zbog oslobađanja energije tokom oksidacione reakcije. Nastali oksidi se spajaju s vapnom i pretvaraju se u trosku. Bakarna cijev se zatim izvlači i pretvarač se naginje kako bi se šljaka ispraznila. Nakon višekratnog puhanja, rastopljeni čelik se iz pretvarača (u nagnutom položaju) izlijeva u lonac.

Proces pretvarača kisika prvenstveno se koristi za proizvodnju ugljičnih čelika. Odlikuje se visokom produktivnošću. Za 40-45 minuta može se proizvesti 300-350 tona čelika u jednom pretvaraču.

Trenutno se sav čelik u Velikoj Britaniji i većina čelika širom svijeta proizvodi ovim postupkom.

Električni proces proizvodnje čelika. Električne peći se prvenstveno koriste za pretvaranje otpadnog čelika i lijevanog željeza u visokokvalitetne legirane čelike kao što je nehrđajući čelik. Električna peć je okrugli duboki rezervoar obložen vatrostalnim ciglama. Peć se puni otpadnim metalom kroz otvoreni poklopac, zatim se poklopac zatvara i elektrode se spuštaju u peć kroz rupe u njoj dok ne dođu u kontakt sa otpadnim metalom. Nakon toga, struja se uključuje. Između elektroda nastaje luk u kojem se razvija temperatura iznad 3000 °C. Na toj temperaturi se topi metal i formira se novi čelik.

Istorija metalurgije gvožđa

Gvožđe... Dubine naše planete bogate su ovim metalom, koji se s pravom naziva „temeljom civilizacije“. Kao da se ne bi rastala sa svojim blagom, priroda ga je, čvrsto vezavši željezo s drugim elementima (uglavnom kisikom), sakrila u razne rudne minerale. Ali već u davna vremena - u drugom milenijumu prije nove ere - čovjek je naučio vaditi metal koji mu je bio potreban.

Istorijski gledano, proizvodnja crnih metala se razvijala u sljedećim fazama:

Proces proizvodnje sira (1500 pne).

Produktivnost procesa je vrlo niska za 1 sat se dobija samo do 0,5...0,6 kg gvožđa. U kovačnicama se željezo redukovalo iz rude sa ugljem kada se puhalo zrakom pomoću kovačkih mijehova. Prvo, prilikom sagorijevanja drvenog uglja nastao je ugljični monoksid, koji je reducirao čisto željezo iz rude. Kao rezultat dugotrajnog duvanja zrakom, iz komada rude su se dobivali komadi rude u komade čistog željeza praktički bez nečistoća, koji su kovačnicom zavareni u trake, od kojih su se potom proizvodili proizvodi potrebni čovjeku. Ovo tehnički čisto željezo sadržavalo je vrlo malo ugljika i malo nečistoća (čisto drveni ugalj

i dobra ruda), tako da je bio dobro kovan i zavaren i praktički nije korodirao. Proces se odvijao na relativno niskoj temperaturi (do 1100...1350 o C), metal se nije topio, odnosno redukcija metala se odvijala u čvrstoj fazi. Rezultat je bilo kovno gvožđe. Ovaj metod je postojao do 14. veka, a u nešto poboljšanom obliku do početka 20. veka, ali je postepeno zamenjen kritičkom preraspodelom.

Sa povećanjem veličine peći za sir i intenziviranjem procesa, povećavao se sadržaj ugljika u željezu, temperatura topljenja ove legure (lijevanog željeza) je bila niža od one kod čistijeg željeza, a dio metala dobija se u obliku rastaljenog livenog gvožđa, koje je isticalo iz peći zajedno sa šljakom kao proizvodnim otpadom. U 14. veku u Evropi je razvijena dvostepena metoda za proizvodnju gvožđa (mala visoka peć, zatim proces peći). Produktivnost je povećana na 40...50 kg/sat željeza. Za dovod zraka korišten je vodeni točak. Krični redistribucija

- ovo je proces rafinacije livenog gvožđa (smanjenje količine C, Si, Mn) kako bi se od livenog gvožđa dobilo gvožđe za zavarivanje. Krajem 18. vijeka u Evropi su se mineralna goriva počela koristiti u procesu visokih peći i u proces pudlinga

.

U procesu pudlinga, ugalj se sagorijeva u peći, plin prolazi kroz kadu, topi i pročišćava metal. U Kini se još ranije, u 10. veku, topilo liveno gvožđe, a potom se čelik dobijao postupkom pudlinga.

Puding je čišćenje livenog gvožđa u užarenoj peći. Tokom čišćenja, zrna gvožđa se skupljaju u grudve. Pudliner masu iznova okreće pajserom i dijeli je na 3...5 dijelova - krita. U kovačnici ili mašini za valjanje zrna se zavaruju da bi se dobile trake i drugi zarezi. Umjesto vodenog točka već se koriste parne mašine.

U procesima puhanja i livenja sira, jednofaznom metodom dobijano je kovano, kovano gvožđe (čelik sa niskim sadržajem ugljenika), koje je sadržalo malu količinu nečistoća, pa je stoga bilo veoma otporno na koroziju.

Trenutno je u razvoju jednofazni proces proizvodnje čelika: obogaćivanje rude (proizvodnja peleta koji sadrži 90...95% željeza) i topljenje čelika u električnoj peći.

Celokupna istorija metalurgije gvožđa, od vremena pojave prvih topionica do danas, predstavlja kontinuirano usavršavanje metoda za njegovu proizvodnju. Prije nekoliko stoljeća pojavila se visoka peć - jedinica visokih performansi u kojoj se željezna ruda pretvara u lijevano željezo - početni proizvod za topljenje čelika. Od tada je proces visoke peći postao glavni element tehnologije proizvodnje čelika.

Proces vađenja gvožđa iz rude u kovačnici ušao je u istoriju metalurgije pod nazivom „puhanje sira“, budući da se u kovačnicu upuhivao nezagrejani – sirovi – vazduh (vruća eksplozija se pojavila u metalurškim postrojenjima tek u 19. veku). Gvožđe proizvedeno u peći za sir ponekad se pokazalo nedovoljno jakim i tvrdim, a proizvodi od njega - noževi, sjekire, koplja - nisu dugo ostajali oštri, savijani i brzo propadali.

Na dnu kovačnice, uz relativno meke grude gvožđa, bilo je i onih tvrđih - onih koje su bile u bliskom kontaktu sa drvenim ugljem. Primijetivši ovaj obrazac, čovjek je počeo svjesno povećavati površinu kontakta s ugljem i time karbonizirati željezo. Sada je metal mogao zadovoljiti i najzahtjevnijeg majstora. Bio je to čelik - najvažnija legura željeza, koja do danas služi kao glavni konstrukcijski materijal.

U srednjem vijeku, sirna peć je imala oblik šahtne peći, koja je dostizala visinu od nekoliko metara. U Rusiji su se ove peći zvale domnica - od drevne ruske riječi "dmenie", što znači "puhanje". Već su bili natovareni značajnom količinom materijala za punjenje - željezne rude i drvenog uglja, a zraka je bilo potrebno višestruko više nego za primitivne kovačnice za puhanje sira. Sada su peći „disale” koristeći energiju vode: mijeh su pokretali najprije posebne cijevi za vodu, a kasnije i ogromni vodeni kotači.

U osovinskoj peći sagorevalo se više goriva po jedinici vremena nego u kovačnici i, prirodno, oslobađalo se više toplote. Upravo su visoke temperature u peći dovele do toga da se dio reduciranog željeza, oslobođen kisika, ali visoko zasićen ugljikom, otopio i istjecao iz peći. Kada se očvrsne, takva legura željeza i ugljika, koja je sadržavala nekoliko puta više ugljika od čelika, postala je vrlo tvrda, ali i vrlo krta. Bilo je liveno gvožđe.

Njegova uloga u razvoju metalurgije je veoma važna, ali pre nekoliko vekova majstori gvožđa su imali potpuno drugačije mišljenje; na kraju krajeva, pod udarcima čekića, takav metal se raspao u komadiće i od njega je bilo jednostavno nemoguće napraviti oružje ili alat. U isto vrijeme, zbog ove beskorisne legure, količina dobrog proizvoda - željeznog zrna - naglo je smanjena.

Koje su nadimke srednjovjekovni metalurzi dali novoj leguri? U zemljama srednje Evrope zvali su ga divlji kamen, guska, u Engleskoj - sirovo gvožđe (na engleskom se liveno gvožđe i dalje tako zove), a isto poreklo ima i ruska reč svinja, odnosno ingot od livenog gvožđa.

Pošto liveno gvožđe nije imalo koristi, obično se bacalo na deponiju. Ali u 19. veku, neko je došao na srećnu ideju da liveno gvožđe utovari nazad u peć i da ga topi zajedno sa rudom. Ovaj pokušaj označio je pravu revoluciju u metalurgiji željeza. Pokazalo se da ova metoda omogućava relativno lako dobijanje potrebnog čelika, i to u velikim količinama. Nažalost, istorija nam nije sačuvala ime ovog srednjovjekovnog pronalazača.

Inovacija je dovela do jasne podjele "rada": u visokim pećima, koje su do tada već postale naprednije visoke peći, liveno željezo se topilo iz rude, a u pećima je iz njega uklonjen višak ugljika, tj. izvršen je proces pretvaranja livenog gvožđa u čelik – „kritična obrada“. Tako je nastala dvostepena metoda proizvodnje čelika iz željezne rude: ruda - lijevano željezo, lijevano željezo - čelik.

Sada je potražnja za livenim gvožđem, prvenstveno kao međuproizvodom, koji se potom pretvara u čelik, naglo porasla. A visoke peći su rasle posvuda kao pečurke posle kiše. No, budući da je topljenje u visokim pećima zahtijevalo mnogo drvenog uglja, ubrzo se u onim zemljama koje nisu bile bogate šumama, njegova nestašica počela oštro osjećati, a metalurgija, lišena goriva, ovdje je počela opadati. To se dogodilo, na primjer, u Engleskoj, koja je dugo vremena zauzimala dominantan položaj u proizvodnji željeza.

Teška situacija u kojoj se u vezi s tim našla engleska industrija primorala je metalurge da potraže zamjenu za drveni ugalj. Prije svega, pažnju im je privukao ugalj, kojim je priroda velikodušno obdarila britanska ostrva. Međutim, svi pokušaji topljenja livenog gvožđa na njemu završili su neuspehom: ugalj se zgnječio tokom procesa zagrevanja, što je otežavalo duvanje. Ali konačno, 1735. godine, Englez Abraham Derby uspio je izvesti proces visoke peći koristeći koks - gorivo dobiveno od koksnog uglja zagrijavanjem bez pristupa zraka na visoke temperature (950-1050 ° C), dok ugalj nije bio drobljen, ali sinterovano u komade. Danas ni topljenje u visokim pećima ni niz drugih metalurških procesa nisu nezamislivi bez koksa.

18. i 19. stoljeće unijelo je mnogo novih stvari u dizajn visoke peći: izumljene su prve mašine za puhanje, a pored visoke peći izrasla je „počasna straža“ - ogromne tuponosne cigare grijača zraka, zahvaljujući kojoj se vrući zrak sada dovodi u peć.

Drevna kovačnica za dobijanje željeznog krika. Rog sa vazdušnim udarom (XVI vek). Visoka peć (kraj 18. st.)

Velike promjene dogodile su se iu drugoj fazi metalurške proizvodnje. U početku je vrišteća kovačnica ustupila mjesto naprednijoj peći - peći za pudling. Ovdje je rastopljeno lijevano željezo pomiješano (otuda i naziv peći - od engleske riječi puddle - miješati) zajedno sa željeznom šljakom i kao rezultat je dobiveno željezo s niskim udjelom ugljika. A u drugoj polovini prošlog stoljeća stvorene su produktivnije jedinice za topljenje čelika - pretvarač i peć na otvorenom ložištu. U njima se liveno gvožđe više nije pretvaralo u masu nalik testu - kricu, već u tečni čelik.

Tada je ispisana još jedna važna stranica u povijesti metalurgije: dizajnirana je lučna peć za topljenje čelika, što je omogućilo proizvodnju visokokvalitetnog metala. Plamen, koji je hiljadama godina imao monopol na sva prava na topljenje metala, sada ima ozbiljnog konkurenta - električnu struju.

Posljednjih desetljeća metalurgija je doživjela svojevrsno "ubrzanje": veličine svih vrsta peći rastu iz godine u godinu. Prošlo je dosta vremena otkako su visoke peći sa zapreminom od dvije hiljade kubnih metara smatrane gotovo svjetskim čudom, ali danas na svijetu ima mnogo impresivnijih kolosa - "četiri hiljade metara", pa čak i "pet hiljada metara".

Visoke peći će nesumnjivo ostati važne još dugo vremena. Ipak, njihova se sudbina teško može smatrati bezoblačnom. Za razliku od primitivne drevne kovačnice, u kojoj su naši preci željezo dobivali direktno iz rude, moderna gigantska građevina - visoka peć - uglavnom ne proizvodi metal koji tehnologija direktno zahtijeva, već samo proizvod konverzije, koji se zatim u sljedećoj fazi pretvara u čelik koji nam je potreban (izuzetak je livačko gvožđe koje se koristi za proizvodnju odlivaka; njegov udeo u ukupnoj količini proizvedenog livenog gvožđa ne prelazi 15 procenata). Drugim riječima, u nastojanju da postignu visoke kvantitativne pokazatelje, metalurzi su prinuđeni da idu svojevrsnim kružnim putem.

Pitanje promjene tehnološkog puta u proizvodnji čelika dugo je zaokupljalo naučnike. A poenta ovdje nije besposlena želja da se isprave putevi crne metalurgije. Razlog je drugačiji.

Visoka peć ima ozbiljan nedostatak. Njena suština je, iako na prvi pogled može izgledati čudno, da je neizostavno „jelo” u njenoj ishrani koka-kola. Isti koks, čiji je pronalazak postao značajna prekretnica u razvoju metalurgije željeza. Na kraju krajeva, zahvaljujući koksu, visoka peć već dva i po stoljeća prima odličnu visokokaloričnu "prehranu". Ali postepeno su se na horizontu visoke peći počeli pojavljivati ​​oblaci, koji se s pravom mogu nazvati oblacima koksa.

sta je bilo?

Kao što je poznato, u prirodi nema kokaina. Dobija se iz uglja. Ali ne bilo koji od njih. Ali samo one koje imaju tendenciju koksovanja (sinterovanja). Takvih ugljeva u svijetu nema mnogo, pa su svake godine sve ređi i skuplji. A ugalj još treba pretvoriti u koks. Ovaj proces je prilično složen i radno intenzivan, praćen oslobađanjem štetnih nusproizvoda nipošto parfimerijskih aroma. Da bi se atmosfera, voda i tlo što više oslobodili, potrebno je izgraditi skupe uređaje za tretman.

Porast cijena koksa doveo je do činjenice da se ispostavilo da je najznačajnija stavka u cijeni lijevanog željeza: čini otprilike polovicu svih troškova. Zbog toga operateri visokih peći stalno nastoje da smanje potrošnju koksa, djelimično ga zamjenjujući prirodnim plinom, prahom i lož-uljem, a ovdje je već postignut značajan uspjeh. Dakle, možda, razvijanjem ofanzive protiv koksa, radnici visokih peći će ga se postepeno moći potpuno otarasiti? Ali tada ćete se morati riješiti same visoke peći: na kraju krajeva, bez koksa je kao peć bez drva.

Osnivač moderne metalurgije D.K. Černov bavio se problemima metalurgije bez koksa. Krajem prošlog stoljeća predložio je originalan dizajn peći na vratilu koja ne topila lijevano željezo, već željezo i čelik. Nažalost, njegovoj ideji nije bilo suđeno da se ostvari. Otprilike deceniju i po nakon što je Černov predstavio svoj projekat, ogorčeno je napisao: „Zbog uobičajene inercije naših privatnih fabrika, obratio sam se Ministarstvu trgovine i industrije u nadi da ću moći da primenim predloženi metod na pojednostavljen način. formiraju u jednom od državnih rudarskih pogona. Međutim, uprkos dvaput izraženoj želji tadašnjeg ministra da pomogne u stvaranju ovakvog iskustva, ovo pitanje naišlo je na nepremostive prepreke među kabinetima i hodnicima ministarstva.”

D.I. Mendeljejev je također bio pristalica produkcije bez eksplozije. “Vjerujem,” napisao je na prijelazu stoljeća, “da će ponovo doći vrijeme da se traže načini za direktno dobivanje željeza i čelika iz ruda, zaobilazeći liveno željezo.”

Decenijama su naučnici i inženjeri iz različitih zemalja pokušavali da pronađu prihvatljivu tehnologiju za direktnu redukciju gvožđa. Izdane su stotine patenata, predložene su i stvorene različite jedinice, instalacije i peći. Međutim, čak i ideje koje su naizgled najviše obećavale nisu mogle dugo da se ožive.

Prva relativno uspješna industrijska instalacija za direktnu proizvodnju željeza izgrađena je 1911. godine u Švedskoj prema projektu inženjera E. Sierina. Prednost ove tehnologije bila je u tome. da je redukcioni agens koji je oduzimao kiseonik iz gvožđa otpad iz proizvodnje uglja i koksa (ugljena prašina i fine frakcije koksa), a sama peć se zagrijavala jeftinim vrstama uglja. Osim toga, kvalitet istopljenog metala bio je vrlo visok, po čemu je Švedska oduvijek bila poznata. Međutim, ova tehnologija nije bila široko korištena jer je proces trajao nekoliko dana. Švedska instalacija do tada nije mogla da se takmiči sa „duetima“ visokih peći – otvorenog ložišta ili visoke peći – konvertera.

Važan korak u razvoju tehnologije direktne proizvodnje željeza napravljen je 1918. godine, kada je švedski inženjer M. Wiberg predložio provođenje procesa redukcije u osovinskoj peći korištenjem zapaljivog plina koji sadrži ugljični monoksid i vodonik u tu svrhu. Metoda je omogućila pretvaranje rude u 95 posto željeza. Ali (i ovdje postoje neki "ali") ova metoda je imala značajan nedostatak: početna sirovina za proizvodnju reducirajućeg plina bio je isti koks, a za njegovu gasifikaciju bili su potrebni kompleksni i skupi uređaji - električni generatori plina.

U našoj zemlji, V.P. Remin, vanredni profesor Sibirskog metalurškog instituta, bio je veliki entuzijasta za tehnologiju visokih peći. Još kasnih 30-ih razvio je dizajn električne peći u kojoj je trebalo topiti rudu, klizeći niz nagnuto dno, poput leda u planinama (zbog toga je peć nazvana glečerska peć), a zatim je željezo trebalo bi da se izvuku iz taline. Izdajnički napad Hitlerove Njemačke na našu zemlju postavio je pred metalurge mnoge teške zadatke, a ti eksperimenti su morali biti odloženi do boljih vremena.

Visoka peć: 1 - skip; 2 - prijemni lijevak: 3 - razdjelnik punjenja: 4 - zračno koplje; 5 - rupa od livenog gvožđa: 6 - rupa od šljake.

Ali čak i kada su stigli, pokazalo se da stručnjaci nemaju zajedničko gledište. Neki su se bezuslovno zalagali za visoku peć, provjerenu stoljećima, dok su drugi vidjeli izglede bez visoke peći i bez koksa. Godine 1958. akademik I.P. Bardin je, govoreći o direktnoj proizvodnji željeza iz rude, primijetio da je „čuveni američki metalurg Smith, koji je visoku peć nazvao mlinski kamen koji visi oko vrata metalurgije kao kaznu za njene grijehe na polju. naučna istraživanja Kada sam razmatrao specifične procese, bio sam primoran da se vratim na visoku peć kao jedinu jedinicu trenutno na kojoj se metalurgija može zasnivati.”

U tim godinama metalurgija zaista nije imala značajnu alternativu visokoj peći. Unatoč brojnim pokušajima da se razviju metode za dobivanje željeza direktno iz rude, dugo nije bilo moguće pronaći rješenje koje bi bezuvjetno zadovoljilo metalurge. Ili je tehnološka shema bila nesavršena, ili se oprema pokazala nepouzdanom ili neučinkovitom, ili je kvaliteta dobivenog metala ostavila mnogo željenog. Osim toga, predložene opcije često nisu bile ekonomski opravdane: metal se pokazao vrlo skupim. Izbor redukcionog agensa je takođe ostao težak zadatak. Potraga je zašla u ćorsokak, iako u Švedskoj, SSSR-u i SAD-u. Meksiko, Venecuela, Njemačka i Japan upravljale su nekoliko malih postrojenja za direktno vađenje željeza iz ruda.

Činjenica je da su ove zemlje prve implementirale nova tehnologija, nije bilo ništa iznenađujuće. Na primjer, metalurgija u Švedskoj se dugo specijalizirala za proizvodnju visokokvalitetnog čelika, a, kako je praksa pokazala, put direktne redukcije je i put za direktno poboljšanje kvalitete metala. Što se tiče Meksika i Venecuele, oni su nevoljno postali lideri - ove zemlje nemaju koksirajući ugalj, ali imaju velike rezerve prirodnog gasa, pa nisu mogle da razvijaju crnu metalurgiju na tradicionalnoj osnovi, odnosno gradnjom visokih peći, čak i ako hteli su.

Do kraja 50-ih metalurzi su došli do čvrstog uvjerenja da bi plin trebao djelovati kao redukcijski agens u procesima direktne proizvodnje željeza. To je značilo da se dalje traženje treba voditi u pravcu koji je predložio Wiberg. Ubrzo su pronađena uspješna rješenja u nizu zemalja. Dakle, prednost jedne od predloženih tehnologija bila je u tome što je redukcijski agens bio praktički besplatan: izumitelji su predložili korištenje otpadnog plina električnih talionica čelika, koji je prethodno ispušten u atmosferu. Postojalo je još jedno originalno rješenje. Iz osovinske peći, u kojoj se odvijala redukcija gvožđa, vreli gas se slao ne u nebo, već u rekuperator i predavao svoju toplotu redukcionom gasu koji je tamo ulazio.

Kako se kopa gvožđe?

Gvožđe je najvažniji hemijski element u periodnom sistemu; metal koji se koristi u raznim industrijama. Iskopava se iz željezne rude, koja leži u utrobi zemlje.

Kako se kopa gvožđe: metode

Postoji nekoliko načina za iskopavanje željezne rude. Izbor jedne ili druge metode zavisiće od lokacije ležišta, dubine rude i nekih drugih faktora.

Gvožđe se kopa otvorenim i zatvorenim metodama:

1. Prilikom odabira prve metode potrebno je osigurati isporuku sve potrebne opreme direktno na samo teren. Ovdje će uz njegovu pomoć biti izgrađen kamenolom. U zavisnosti od širine rude, kamenolom može biti različitih prečnika i dubine do 500 metara. Ova metoda vađenja željezne rude je pogodna ako se mineral nalazi plitko.
2. Zatvoreni način vađenja željezne rude je još uvijek češći. Pri tome se kopaju duboki bunari-šahti do 1000 m dubine, a sa njihovih strana kopaju se grane (hodnici) - nanosi. U njih se spušta specijalna oprema preko koje se ruda uklanja iz zemlje i izdiže na površinu. U poređenju sa otvorenom metodom, zatvorena metoda vađenja željezne rude je mnogo opasnija i skuplja.

Nakon što se ruda izvadi iz utrobe zemlje, ona se utovaruje na specijalne mašine za podizanje, koje rudu dopremaju u prerađivačke pogone.

Prerada željezne rude

Željezna ruda je stijena koja sadrži željezo. Da bi se željezo dalje koristilo u industriji, mora se izdvojiti iz stijene. Da bi se to postiglo, samo željezo se topi iz kamenih komada stijene, a to se radi na vrlo visokim temperaturama (do 1400-1500 stepeni).

Obično se rudarska stijena sastoji od željeza, uglja i nečistoća. Utovaruje se u visoke peći i zagrijava, a sam ugalj održava visoku temperaturu, a željezo poprima tekuću konzistenciju, nakon čega se sipa u raznih oblika. U ovom slučaju, šljaka se odvaja, ali samo željezo ostaje čisto.

Gvožđe i čelik na bazi njega koriste se svuda u industriji i svakodnevnom životu ljudi. Međutim, malo ljudi zna od čega je napravljeno željezo, odnosno kako se kopa i pretvara u čeličnu leguru.

Popular Misconception

Prvo, hajde da definišemo pojmove, pošto su ljudi često zbunjeni i uopšte ne razumeju sasvim. Ovo je hemijski element i jednostavna supstanca koja se ne nalazi niti se koristi u svom čistom obliku. Ali čelik je legura na bazi željeza. Bogat je raznim hemijskim elementima, a u svom sastavu sadrži i ugljik koji je neophodan za davanje čvrstoće i tvrdoće.

Stoga nije sasvim ispravno govoriti o tome od čega se sastoji željezo, jer je to hemijski element koji postoji u prirodi. Čovjek od njega pravi čelik od kojeg se kasnije može napraviti bilo šta: ležajevi, karoserije automobila, vrata itd. Nemoguće je nabrojati sve predmete koji se od njega prave. Dakle, u nastavku nećemo raspravljati od čega je napravljeno željezo. Umjesto toga, hajde da pričamo o pretvaranju ovog elementa u čelik.

Proizvodnja

U Rusiji i svijetu postoji mnogo kamenoloma u kojima se kopa željezna ruda. Riječ je o ogromnom i teškom kamenju koje je prilično teško izvaditi iz kamenoloma, jer je dio jedne velike stijene. Direktno u kamenolomima, eksploziv se postavlja u stijenu i detonira, nakon čega ogromni komadi kamenja lete u različitim smjerovima. Zatim se sakupljaju, utovaruju na velike kamione za odlaganje tereta (kao što je BelAZ) i transportuju u pogon za preradu. Gvožđe će se vaditi iz ove stene.

Ponekad, ako je ruda na površini, nije potrebno da je iskopavate. Dovoljno ga je na bilo koji drugi način raskomadati, utovariti u kiper i odvesti.

Proizvodnja

Dakle, sada razumemo od čega je napravljeno gvožđe. Stena je sirovina za njeno vađenje. Odvozi se u pogon za preradu, utovaruje u visoku peć i zagreva na temperaturu od 1400-1500 stepeni. Ova temperatura se mora održavati određeno vrijeme. Gvožđe sadržano u stijeni se topi i poprima tečni oblik. Zatim ostaje da se izlije u posebne forme. Nastala troska se odvaja, a samo željezo je čisto. Aglomerat se zatim ubacuje u posude bunkera, gdje se prodire strujom zraka i hladi vodom.

Postoji još jedan način za dobivanje željeza: stijena se drobi i dovodi u poseban magnetni separator. Pošto željezo ima sposobnost magnetizacije, minerali ostaju na separatoru i sve se ispire. Naravno, da bi se željezo pretvorilo u metal i dalo mu čvrst oblik, mora biti legirano s drugom komponentom - ugljikom. Njegov udio u sastavu je vrlo mali, ali zahvaljujući njemu metal postaje vrlo izdržljiv.

Vrijedi napomenuti da ovisno o količini ugljika dodanog u sastav, čelik može biti različit. Konkretno, može biti manje ili više mekana. Postoji, na primjer, specijalni inženjerski čelik, u čijoj se proizvodnji samo 0,75% ugljika i mangana dodaje željezu.

Sada znate od čega se pravi željezo i kako se pretvara u čelik. Naravno, metode su opisane vrlo površno, ali prenose suštinu. Morate imati na umu da je željezo napravljeno od stijene, koja se zatim može koristiti za izradu čelika.

Proizvođači

Danas u različitim zemljama Postoji veliki depozitiželjezne rude, koje su osnova za proizvodnju svjetskih rezervi čelika. Konkretno, Rusija i Brazil čine 18% svijeta, Australija - 14%, Ukrajina - 11%. Najviše glavni izvoznici je Indija, Brazil, Australija. Napominjemo da se cijene metala stalno mijenjaju. Tako je 2011. godine cijena jedne tone metala iznosila 180 američkih dolara, a do 2016. cijena je bila fiksirana na 35 američkih dolara po toni.

Zaključak

Sada znate od čega se sastoji željezo (dostupno i kako se proizvodi. Upotreba ovog materijala je rasprostranjena širom svijeta, a njegov značaj je gotovo nemoguće precijeniti, jer se koristi u industrijskoj i kućnoj industriji. Osim toga, Ekonomije nekih zemalja su izgrađene na bazi proizvodnje metala i njegovog kasnijeg izvoza.

Pogledali smo od čega se sastoji legura. Željezo je u svom sastavu pomiješano s ugljikom, a takva mješavina je osnova za proizvodnju većine poznatih metala.

Lideri:

A.M. Budala

V.F. Kuznetsova

Uvod

Odavno nas zanima istorija razvoja metalurgije na našim prostorima, ta istorija je vezana uglavnom za braću Batashov, koji su imali fabrike u našem okrugu. Prethodnih godina istraživali smo njihove fabrike u Ilevu, Snovedu, kao iu Rjazanskoj i Vladimirskoj oblasti. Poznato je da je u tvornicama Batashov postojao puni metalurški ciklus: od vađenja rude do proizvodnje željeznih proizvoda. U procesu proučavanja istorije fabrika, veoma nas je zanimalo pitanje razvoja metalurške tehnologije, a ovo djelo posvetili smo se drevnom procesu dobijanja gvožđa.

Razvoj metalurgije gvožđa

Prvi gvozdeni predmeti poznati arheolozima datiraju iz 10. veka pre nove ere. Prvo gvožđe bilo je veoma cenjeno i nije odmah korišćeno za izradu alata. Najstariji način dobijanja željeza iz rude bila je tzv. metoda puhanja sira, u kojoj se željezna ruda i ugalj utovaruju u kovačnicu ili peć, pri čijem sagorijevanju se željezo djelomično reducira iz rude. U kovačnicu je upumpavan „sirovi“, nezagrejani vazduh, odakle je i naziv same tehnike. Topljenje zdrobljene željezne rude u kovačnici pomiješano s drvenim ugljem odvijalo se na visokim temperaturama. Kako je ugalj izgarao, čvrsta zrna gvožđa, izvučena iz rude, potonula su na dno peći i, kada su zavareni, formirala sunđerasti ugrušak zvan kritsa. Za kompaktiranje metala, smrznuta krica izvađena iz kovačnice kovana je mnogo puta, čime se dobija monolitni komad željeza težine do 5-6 kg. Metalurški proizvodi su dobili okrugli, ravni oblik kolača.

Nakon toga, u proizvodnji gvožđa, primitivne kovačnice su zamenjene visokim pećima: ove peći imaju veća veličina, produktivnost, a dostižu i visoke temperature. Proizvod visoke peći je sirovo željezo (gvožđe s visokim sadržajem ugljika), koje se zatim prerađuje u željezo ili čelik.

Ciljevi i zadaci rada

Svrha rada: rekonstruisati sirarski način dobijanja gvožđa u savremenim uslovima.

Zadaci:

1) Pronađite rudu potrebnu za topljenje željeza.

2) Izgradite peć koja odgovara starim modelima što je više moguće.

3) Izvršite proces topljenja.

4) Analizirati dobijene uzorke.

Opis proizvodnje željeza u literaturi

Jedan od izvora koje smo koristili za restauraciju drevni način za nabavku željeza bila je knjiga Žila Verna "Misteriozno ostrvo". Knjiga opisuje kako je nekoliko ljudi završilo na pustom ostrvu noseći istu odjeću i postepeno stvarali razne pogodnosti za sebe, uključujući topljenje željeza za vlastite potrebe.

Njihova metoda topljenja nazvana je “katalonska”. Bilo je kako slijedi. “Katalonska metoda u svom pravom smislu zahtijeva izgradnju peći i lonaca u koje se u slojevima stavljaju ruda i ugalj.” Ali junak knjige, inženjer Cyrus Smith, namjeravao je bez ovih struktura. Podigao je “kubičnu strukturu od uglja i rude i usmjerio struju zraka u njen centar.” “ Ugalj, kao i ruda, lako su se sakupljali u blizini direktno sa površine zemlje. Najprije je ruda usitnjena u sitne komade i ručno očišćena od prljavštine. Zatim su se ugalj i ruda gomilali sloj po sloj, baš kao što rudar uglja radi sa drvetom koje želi spaliti. Tako se ugalj pod utjecajem zraka koji je pumpao mijeh morao pretvoriti u ugljični dioksid, a zatim u ugljični monoksid, koji je trebao obnoviti magnetnu željeznu rudu, odnosno oduzeti joj kisik.” Vazdušna eksplozija je organizovana korišćenjem mehova od kože tuljana.

Gvožđe je dobijeno, ali „pokazalo se teškim. Bilo je potrebno svo strpljenje i sva domišljatost kolonista da se to uspješno provede. Na kraju je to bilo uspješno, a dobijen je gvozdeni zalogaj u sunđerastom stanju, koji je još trebalo kovati da bi se iz njega izbacila tečna šljaka. Tako se dobija grub, ali upotrebljiv metal.”

Pokušali smo da pretočimo u stvarnost ono što je opisao Jules Verne. Glavna razlika između naše metode bila je u tome što smo koristili peć.

Proces dobijanja gvožđa

Rudarstvo

3. juna 2010. otišli smo da istražimo okolinu sela Elizarjeva, gde su, kao što smo znali, bili rudnici gvozdene rude. Iz Sarova smo do mjesta stigli za 20-ak minuta. Došavši do mjesta, krenuli smo u potragu za rudom, koja je trebala biti smještena na području starih rudnika. Najviše rude nalazili smo tamo gdje nije bilo trave, a sloj zemlje je skinut (vatrogasni rov) ili nabijen (put). U rovu smo našli većinu rude. različite veličine, do 15*10*10 cm (približno). Ruda je uglavnom bila sive i smeđe boje. Preovlađujuća ruda je smeđe boje. Sakupili smo kantu rude. Vidjeli smo i desetak ostataka cijevi, koje su bile zatrpane i već zarasle u travu.

Stara cijev u blizini sela Elizarjeva

Gvozdena ruda

Mljevenje rude

Odlučili smo da rudu drobimo na veličinu ne veću od 1 cm 3 kako bi se lakše topila. U kanti smo zdrobili svu rudu i dobili oko 3/5 kante zdrobljene rude.

Polaganje peći

Za peć su korišteni ulomci pješčano-krečnjaka. Peć je postavljena mješavinom cementa i pijeska. Miješali smo malter i slagali cigle red po red u pećnici držeći ih zajedno sa malterom.

Priprema rastvora

Naša pećnica

Osigurač

Peć je prethodno zagrejana tako što su se u njoj sagorevala drva sat i po.

U zagrijanu peć smo sipali rudu, a zatim u slojevima ugalj kupljen u trgovini. Morali smo postići temperaturu od 900 stepeni Celzijusa, pa smo pored uslova koje nam je omogućila priroda, morali da koristimo usisivače za duvanje (imitacija mehova). Bila su dva usisivača i palili su se jedan po jedan, radili su 30 minuta bez pauze. Ali nakon sat vremena topljenja, peć je počela pucati, jer pješčano-krečna cigla nije mogla izdržati tako visoku temperaturu. Ali uprkos činjenici da je napuklo, talina se nije raspala za 2 sata i 30 minuta. Tokom procesa topljenja smo pomoću posebnog uređaja mjerili temperaturu unutar peći. Ona se kretala od 800 do 1300 stepeni Celzijusa. Cijeli proces pripreme trajao je 4 sata.

Vazdušni udar. Na fotografiji - Valentina Fedorovna Kuznetsova - vlasnica usisivača

Merenja temperature pirometrom vrši Aleksej Kovaljov

Rezultat topljenja

Nakon što smo sljedećeg dana rastavili peć, s nje smo uklonili sive komade sa slabim metalnim sjajem.

Rastavljanje pećnice

Uzorci nastalog metala

Očigledno se dogodila metalurška reakcija (prije i poslije)

Pokušaj kovanja nastalog metala

Prateći metodu koju je opisao Jules Verne, uzorci nastalog metala morali su se kovati. Da bismo to učinili, odveli smo ih u kovačnicu, gdje ih je kovač zagrijao u kovačnici, ali pod njegovim čekićem se naš metal raspao. Ispitivanje obavljeno u jednoj od laboratorija VNIIEF pokazalo je da se rezultirajuća tvar sastoji od 20% željeza, a ostatak su oksidi željeza.

Zaključak

Dobili smo metal, ali se pokazalo da nije pogodan za izradu bilo kakvih proizvoda.

Šta je bilo naše moguća greška? Objavili smo svoje iskustvo na internetu i dobili mnogo komentara, od kojih su neki bili vrijedni.

Konkretno, korisnik sa nadimkom 3meys nam je rekao:

“Prilikom topljenja rude temperatura treba da bude ~900 stepeni i da ima što manje nesagorelog kiseonika kako ne bi oksidirao metal nazad.”

Iz ovoga zaključujemo da smo imali temperaturu nešto višu od potrebne, a redukovano željezo oksidiralo, što objašnjava lomljivost i poroznost uzoraka koje smo dobili.

Ipak, vjerujemo da smo postigli svoje ciljeve - izvršili smo topljenje, uslijed čega je izveden metalurški proces. Našim eksperimentom smo bliže razumijevanju drevne metalurške proizvodnje.

Priznanja

Autor i rukovodioci zahvaljuju zaposlenima Instituta za fiziku eksplozija Ruskog federalnog nuklearnog centra-VNIIEF Alekseju Jevgenijeviču Kovaljevu za merenje temperature pirometrom i Mihailu Igoreviču Tkačenku za provođenje rendgenske difrakcijske analize rude i metala.

Reference

1. Mihajlov L. (supervizori A.M. Podurets, V.F. Kuznjecova). Unženski tvornice Batashevovih. Izvještaj na Haritonovskim školskim čitanjima, Sarov, 2010.
2. Voskobojnikov V.G., Kudrin V.A., Yakushev A.M. Opća metalurgija. Moskva, 2002.
3. http://erzya.ru/culture/57-krichniki.html
4. Vern J. Mysterious Island. Minsk, 1984.
5. http://leprosorium.ru/comments/948169.

Aplikacija

Poređenje tehnologije danas, u 17. - 18. veku (jučer) i naše

rudarenje rude:

mlevenje rude:

Prijem uglja: