Железо составляет более 5% земной коры. Для извлечения железа используются в основном такие руды, как гематит и магнетит . В этих рудах содержится от 20 до 70% железа. Важнейшими примесями железа в этих рудах являются песок и глинозем (оксид алюминия ).

Ядро Земли

На основании косвенных данных можно заключить, что ядро Земли представляет собой главным образом сплав железа. Его радиус приблизительно равен 3470 км, тогда как радиус Земли составляет 6370 км. Внутреннее ядро Земли, по всей видимости, находится в твердом состоянии и имеет радиус около 1200 км. Оно окружено жидким внешним ядром. Турбулентный поток жидкости в этой части ядра создает магнитное поле Земли. Давление внутри ядра находится в пределах от 1,3 до 3,5 миллиона атмосфер, а температура - в пределах

Хотя установлено, что ядро Земли состоит большей частью из железа, его точный состав неизвестен. Есть предположения, что от 8 до 10% массы земного ядра приходится на такие элементы, как никель, сера (в виде сульфида железа), кислород (в виде оксида железа) и кремний (в виде силицида железа).

По меньшей мере 12 стран в мире имеют разведанные запасы железных руд, которые превышают миллиард тонн. К числу этих стран относятся Австралия, Канада, США, ЮАР, Индия, СССР и Франция. Мировой уровень выплавки стали в настоящее время достигает 700 млн. т. Главными производителями стали являются СССР, США, Япония, в каждой из этих стран выплавляется более 100 млн. т. стали в год. В Великобритании уровень выплавки стали составляет 20 млн. т в год.

Производство железа

Получение железа из железной руды производится в две стадии. Оно начинается с подготовки руды-измельчения и нагревания. Руду измельчают на куски диаметром не более 10 см. Затем измельченную руду прокаливают для удаления воды и летучих примесей.

На второй стадии железную руду восстанавливают до железа с помощью оксида углерода в доменной печи (рис. 14.12). Восстановление проводится при температурах порядка 700°С:

Для повышения выхода железа этот процесс проводится в условиях избытка диоксида углерода

Моноксид углерода СО образуется в доменной печи из кокса и воздуха. Воздух сначала нагревают приблизительно до 600 °С и нагнетают в печь через особую трубу - фурму. Кокс сгорает в горячем сжатом воздухе, образуя диоксид углерода. Эта реакция экзотермична и вызывает повышение температуры выше 1700 °С:

Диоксид углерода поднимается вверх в печи и реагирует с новыми порциями кокса, образуя моноксид углерода. Эта реакция эндотермична:

Рис. 14.12. Доменная печь, 1 - железная руда, известняк, кокс, 2 загрузочный конус (колошник), 3 - колошниковый газ, 4- кладка печи, 5 - зона восстановления оксида железа, 6 - зона образования шлака, 7 - зона горения кокса, 8 - вдувание нагретого воздуха через фурмы, 9 - расплавленное железо, 10 - расплавленный шлак.

Железо, образующееся при восстановлении руды, загрязнено примесями песка и глинозема (см. выше). Для их удаления в печь добавляют известняк. При температурах, существующих в печи, известняк подвергается термическому разложению с образованием оксида кальция и диоксида углерода:

Оксид кальция соединяется с примесями, образуя шлак. Шлак содержит силикат кальция и алюминат кальция:

Железо плавится при 1540°С (см. табл. 14.2). Расплавленное железо вместе с расплавленным шлаком стекают в нижнюю часть печи. Расплавленный шлак плавает на поверхности расплавленного железа. Периодически из печи выпускают на соответствующем уровне каждый из этих слоев.

Доменная печь работает круглосуточно, в непрерывном режиме. Сырьем для доменного процесса служат железная руда, кокс и известняк. Их постоянно загружают в печь через верхнюю часть. Железо выпускают из печи четыре раза в сутки, через равные промежутки времени. Оно выливается из печи огненным потоком при температуре порядка 1500 °С. Доменные печи бывают разной величины и производительности (1000-3000 т в сутки). В США существуют некоторые печи новой конструкции с

четырьмя выпускными отверстиями и непрерывным выпуском расплавленного железа. Такие печи имеют производительность до 10000 т в сутки.

Железо, выплавленное в доменной печи, разливают в песочные изложницы. Такое железо называется чугун. Содержание железа в чугуне составляет около 95%. Чугун представляет собой твердое, но хрупкое вещество с температурой плавления около 1200 °С.

Литое железо получают, сплавляя смесь чугуна, металлолома и стали с коксом. Расплавленное железо разливают в формы и охлаждают.

Сварочное железо представляет собой наиболее чистую форму технического железа. Его получают, нагревая неочищенное железо с гематитом и известняком в плавильной печи. Это повышает чистоту железа приблизительно до 99,5%. Его температура плавления повышается до 1400 °С. Сварочное железо имеет большую прочность, ковкость и тягучесть. Однако для многих применений его заменяют низкоуглеродистой сталью (см. ниже).

Производство стали

Стали подразделяются на два типа. Углеродистые стали содержат до 1,5% углерода. Легированные стали содержат не только небольшие количества углерода, но также специально вводимые примеси (добавки) других металлов. Ниже подробно рассматриваются различные типы сталей, их свойства и применения.

Кислородно-конвертерный процесс. В последние десятилетия производство стали революционизировалось в результате разработки кислородно-конвертерного процесса (известного также под названием процесса Линца-Донавица). Этот процесс начал применяться в 1953 г. на сталеплавильных заводах в двух австрийских металлургических центрах - Линце и Донавице.

В кислородно-конвертерном процессе используется кислородный конвертер с основной футеровкой (кладкой) (рис. 14.13). Конвертер загружают в наклонном положении

Рис. 14.13. Конвертер для выплавки стали, 1-кислород и 2 - трубка с водяным охлаждением для кислородного дутья, 3 - шлак. 4-ось, 5-расплавленная сталь, 6 - стальной корпус.

расплавленным чугуном из плавильной печи и металлоломом, затем возвращают в вертикальное положение. После этого в конвертер сверху вводят медную трубку с водяным охлаждением и через нее направляют на поверхность расплавленного железа струю кислорода с примесью порошкообразной извести . Эта «кислородная продувка», которая длится 20 мин, приводит к интенсивному окислению примесей железа, причем содержимое конвертера сохраняет жидкое состояние благодаря выделению энергии при реакции окисления. Образующиеся оксиды соединяются с известью и превращаются в шлак. Затем медную трубку выдвигают и конвертер наклоняют, чтобы слить из него шлак. После повторной продувки расплавленную сталь выливают из конвертера (в наклонном положении) в ковш.

Кислородно-конвертерный процесс используется главным образом для получения углеродистых сталей. Он характеризуется большой производительностью. За 40-45 мин в одном конвертере может быть получено 300-350 т стали.

В настоящее время всю сталь в Великобритании и большую часть стали во всем мире получают с помощью этого процесса.

Электросталеплавильный процесс. Электрические печи используют главным образом для превращения стального и чугунного металлолома в высококачественные легированные стали, например в нержавеющую сталь. Электропечь представляет собой круглый глубокий резервуар, выложенный огнеупорным кирпичем. Через открытую крышку печь загружают металлоломом, затем крышку закрывают и через имеющиеся в ней отверстия опускают в печь электроды, пока они не придут в соприкосновение с металлоломом. После этого включают ток. Между электродами возникает дуга, в которой развивается температура выше 3000 "С. При такой температуре металл плавится и образуется новая сталь. Каждая загрузка печи позволяет получить 25-50 т стали.

История металлургии железа

Железо... Недра нашей планеты богаты этим металлом, который по праву называют «фундаментом цивилизации». Словно для того чтобы не расставаться со своими сокровищами, природа, прочно связав железо с другими элементами (главным образом с кислородом), спрятала его в разнообразных рудных минералах. Но уже в глубокой древности - во втором тысячелетии до нашей эры - человек научился извлекать нужный ему металл.

В историческом плане производство черных металлов развивалось по следующим этапам:

Сыродутный процесс (1500 лет до н. э.). Производительность процесса очень низкая, получали за 1 час всего до 0,5… 0,6 кг железа. В кузнечных горнах железо восстанавливалось из руды углём при продувке воздухом с помощью кузнечных мехов. Сначала при горении древесного угля образовывалась окись углерода, которая и восстанавливала чистое железо из руды.

В результате длительной продувки воздухом из кусочков руды получались практически без примесей кусочки чистого железа, которые сваривались между собой кузнечным способом в полосу, которые далее использовались для производства необходимых человеку изделий. Это технически чистое железо содержало очень мало углерода и мало примесей (чистый древесный уголь и хорошая руда), поэтому оно хорошо ковалось и сваривалось и практически не корродировало. Процесс шел при относительно невысокой температуре (до 1100…1350 o С), металл не плавился, т. е. восстановление металла шло в твердой фазе. В результате получалось ковкое (кричное) железо. Просуществовал этот способ до XIV века, а в несколько усовершенствованном виде до начала XX века, но был постепенно вытеснен кричным переделом.

Отсюда следует, что исторически самым первым сварщиком металлов был кузнец, а самый первый способ сварки - это кузнечная сварка.

С увеличением размеров сыродутных горнов и интенсификацией процесса возрастало содержание углерода в железе, температура плавления этого сплава (чугуна) оказывалась ниже, чем у более чистого железа и получалась часть металла в виде расплавленного чугуна, который как отход производства вытекал из горна вместе со шлаком. В XIV век в Европе был разработан двухступенчатый способ получения железа (маленькая домна, далее кричной процесс). Производительность увеличилась до 40 …50 кг/час железа. Использовалось водяное колесо для подачи воздуха. Кричный передел - это процесс рафинирования чугуна (снижение количества C, Si, Mn) с целью получения из чугуна кричного (сварочного) железа.

В конце XVIII века в Европе начали использовать минеральное топливо в доменном процессе и в пудлинговом процессе . При пудлинговом процессе каменный уголь сгорает в топке, газ проходит через ванну, расплавляет и очищает металл. В Китае даже раньше, в X-ом веке, выплавляли чугун, а далее получали сталь процессом пудлингования. Пудлингование- это очистка чугуна в пламенной печи. При очистке железные зерна собираются в комья. Пудлиновщик ломом много раз переворачивает массу и делит ее на 3…5 частей – криц. В кузнице или прокатной машине свариваются зерна и получают полосы и другие заготовки. Используются уже паровые машины вместо водяного колеса. Производительность возрастает до 140 кг сварочного железа в час.

В конце XIX века - почти одновременно внедряются три новых процесса получения стали: бессемеровский, мартеновский и томасовский. Производительность плавки стали возрастает резко (до 6 тн/час).

В середине XX века: внедряются кислородное дутье, автоматизация процесса и непрерывная разливка стали.

При сыродутном, кричном и пудлинговом процессах железо не плавилось (технический уровень того времени не давал возможность обеспечить температуру его плавления). Продувка кислородом расплавленного металла в бессемеровском конверторе из-за резкого увеличения поверхности соприкосновения металла с окислителем (кислородом) в тысячу раз ускоряет химические реакции по сравнению с пудлинговой печью.

В сыродутном и кричном процессах получали одностадийным методом ковкое, сварочное железо (малоуглеродистую сталь), причём имеющее небольшое количество примесей, поэтому весьма стойкое к коррозии. Сейчас в стадии развития находится одностадийный процесс производства стали: обогащение руд (получение окатышей, содержащих 90… 95 % железа) и выплавка стали в электропечи.

Вся история металлургии железа, со времени появления первых плавильных, ям вплоть до наших дней,-это непрекращающееся совершенствование способов его получения. Несколько столетий назад появилась доменная печь - высокопроизводительный агрегат, в котором железная руда превращается в чугун - исходный продукт для выплавки стали. С. той пори доменный процесс стал основным звеном технологии производства стали.

Процесс извлечения железа из руды в горне вошел в историю металлургии под названием «сыродутный», поскольку в горн вдувался неподогретый - сырой - воздух (горячее дутье появилось на металлургических заводах лишь в XIX веке). Получавшееся в сыродутном горне железо порой оказывалось недостаточно прочным и твердым, а изделия из него - ножи, топоры, копья - недолго оставались острыми, гнулись, быстро выходили из строя.

На дне горна наряду со сравнительно мягкими комками железа попадались и более твердые - те, что вплотную соприкасались с древесным углем. Подметив эту закономерность, человек начал сознательно увеличивать зону контакта с углем и тем самым науглероживать железо. Теперь металл уже мог удовлетворить самого взыскательного мастера. Это была сталь - важнейший сплав железа, который и по сей день служит основным конструкционным материалом.

Спрос на сталь всегда и почти повсеместно опережал ее производство, а примитивная металлургическая техника долго отставала от требований жизни. Как ни удивительно, но на протяжении почти трех тысячелетий металлургия железа никаких принципиальных изменений не претерпела - в основе получения железа и стали лежал все тот же сыродутный процесс. Правда, постепенно увеличивались размеры горнов, совершенствовалась их форма, повышалась мощность дутья, но технология оставалась малопроизводительной.

В средние века сыродутный горн обрел вид шахтной печи, достигавшей в высоту нескольких метров. В России эти печи называли домницами - от древнерусского слова «дмение», означавшего «дутье». В них загружалось уже солидное количество шихтовых материалов - железной руды и древесного угля, да и воздуха требовалось во много раз больше, чем для примитивных сыродутных горнов. Теперь печи «дышали» с помощью энергии воды: воздуходувные мехи приводились в движение сначала специальными водяными трубами, а позже огромными водяными колесами.

В шахтной печи в единицу времени сгорало больше топлива, чем в горне и, естественно, больше выделялось тепла. Именно высокие температуры в печи и привели к тому, что часть восстановленного железа, освободившегося от кислорода, но зато сильно насыщенного углеродом, расплавлялась и вытекала из печи. Застывая, такой железоуглеродистый сплав, содержащий в несколько раз больше углерода, чем сталь, становился очень твердым, но и очень хрупким. Это был чугун .

Роль его в развитии металлургии очень важна, но несколько столетий назад мастера железных дел придерживались совсем иного мнения; ведь под ударами молота такой металл разлетался на куски, и сделать из него оружие или инструмент было просто невозможно. В то же время из-за этого ни на что не пригодного сплава количество добротного продукта - железной крицы - резко сокращалось.

Каких только прозвищ не давали средневековые металлурги новому сплаву. В странах Центральной Европы его называли диким камнем, гусем, в Англии - свинским железом (по-английски чугун так называется и сейчас), да и русское слово чушка, то есть чугунный слиток, имеет то же происхождение.

Поскольку никакого применения чугун не находил, его обычно выбрасывали на свалку. Но вот в Х1У веке кому-то пришла счастливая мысль загрузить чугун снова в печь и переплавить вместе с рудой. Эта попытка знаменовала собой настоящий переворот в металлургии железа. Оказалось, что такой способ позволяет сравнительно легко получать нужную сталь, притом в больших количествах. Увы, история не сохранила для нас имя этого средневекового изобретателя.

Нововведение привело к четкому разделению «труда»: в домницах, ставших уже к тому времени более совершенными доменными печами, из руды выплавлялся чугун, а в кричных горнах из него удалялся лишний углерод, то есть осуществлялся процесс превращения чугуна в сталь - «кричный передел». Так возник двухстадийный способ получения стали из железной руды: руда - чугун, чугун - сталь.

Теперь спрос на чугун, прежде всего как на полупродукт, превращаемый затем в сталь, резко увеличился. И доменные печи вырастали повсюду, как грибы после дождя. Но поскольку для доменной плавки требовалось много древесного угля, вскоре в тех странах, которые не были богаты лесами, начал остро ощущаться его недостаток, и металлургия, лишившись топлива, пошла здесь на убыль. Такое произошло, например, в Англии, долгое время занимавшей главенствующие позиции в железоделательном производстве.

Тяжелое положение, в котором оказалась в связи с этим английская промышленность, вынудила металлургов искать замену древесному углю. Прежде всего их внимание привлек каменный уголь, которым природа, не скупясь, одарила Британские острова. Однако все попытки выплавить на нем чугун кончались неудачей: уголь в процессе нагрева измельчался, а это сильно затрудняло дутье. Но вот наконец в 1735 году англичанину Абрахаму Дерби удалось осуществить доменный процесс на коксе - топливе, полученном из коксующегося каменного угля при его нагревании без доступа воздуха до высоких температур (950-1050°С), при этом уголь не измельчался, а спекался в куски. Сегодня без кокса немыслимы ни доменная плавка, ни ряд других металлургических процессов.

XVIII и XIX века внесли немало нового в конструкцию доменной печи: были изобретены первые воздуходувные машины, а рядом с домной вырос «почетный караул» - огромные тупоносые сигары воздухонагревателей, благодаря которым в печь теперь подается горячий воздух.

Древний горн для получения железной крицы. Горн с воздушным дутьем (XVI век). Доменная печь (конец XVIII века)

Большие перемены произошли и на второй стадии металлургического производства. Сначала кричный горн уступил место более совершенной печи - пудлинговой. Здесь расплавленный чугун перемешивали (отсюда и название печи - от английского слова puddle - перемешивать) вместе с железистыми шлаками и в результате получали крицы малоуглеродистого железа. А во второй половине прошлого века были созданы более производительные сталеплавильные агрегаты - конвертер и мартеновская печь. В них чугун превращался уже не в тестообразную массу - крицу, а в жидкую сталь.

Затем в историю металлургии была вписана еще одна важная страница: сконструирована дуговая сталеплавильная печь, позволявшая получать металл высокого качества. У пламени, тысячелетиями монопольно владевшего всеми правами на плавку металлов, появился серьезный конкурент - электрический ток.

В последние десятилетия в металлургии наблюдается своеобразная «акселерация»: размеры всевозможных печей растут из года в год. Давно ли домны объемом в две тысячи кубометров считались чуть ли не чудом света, а сегодня в мире действуют значительно более внушительные колоссы - «четырехтысячники» и даже «пятитысячники».

В течение еще длительного периода домны, несомненно, сохранят свое значение. Тем не менее судьбу их вряд ли можно считать безоблачной. В отличие от примитивного древнего горна, в котором наши предки получали железо непосредственно из руды, современное исполинское сооружение - доменная печь - производит в основном не тот металл, который непосредственно требуется технике, а лишь передельный продукт, превращаемый затем на следующем этапе в нужную нам сталь (исключение составляет литейный чугун, идущий на производство отливок; его доля в общем объеме выплавляемого чугуна не превышает 15 процентов). Иными словами, в стремлении достичь высоких количественных показателей металлурги вынуждены идти как бы окольными путями.

Вопрос об изменении технологического маршрута в производстве стали давно занимает ученых. И дело здесь не в праздном желании выпрямить пути-дороги черной металлургии. Причина в другом.

У доменной печи есть серьезный недостаток. Суть его в том, хотя это и может показаться на первый взгляд странным, что непременное «блюдо» в ее рационе - кокс. Тот самый кокс, изобретение которого стало заметной вехой в развитии металлургии железа. Ведь именно благодаря коксу вот уже два с половиной столетия домна получает отличное высококалорийное «питание». Но постепенно на доменном небосклоне начали появляться тучи, которые с полным основанием можно назвать коксовыми.

В чем же дело?

В природе кокса, как известно, нет. Его получают из каменных углей. Но не из любых. А лишь из тех, что имеют склонность к коксованию (спеканию). Таких углей в мире не очень много, поэтому год от года они становятся все дефицитнее и дороже. Да и уголь еще нужно превратить в кокс. Процесс этот довольно сложный и трудоемкий, сопровождающийся выделением вредных побочных продуктов с отнюдь не парфюмерными ароматами. Чтобы по возможности избавить от них атмосферу, воду, почву, приходится сооружать дорогостоящие очистные устройства.

Удорожание кокса привело к тому, что он оказался самой солидной статьей в себестоимости чугуна: на его долю приходится примерно половина всех затрат. Вот почему доменщики постоянно стремятся сократить расход кокса, частично заменяя его природным газом, пылевидным углем, мазутом, и здесь уже достигнуты немалые успехи. Так, может быть, развивая наступление на кокс, доменщикам постепенно удастся полностью от него избавиться? Но тогда придется избавляться и от самой домны: ведь без кокса она, что печка без дров.

Проблемами бескоксовой металлургии занимался еще основоположник современного металловедения Д. К, Чернов. В конце прошлого века он предложил оригинальную конструкцию шахтной печи, которая выплавляла бы не чугун, а железо и сталь. К сожалению, его идее не суждено было воплотиться в жизнь. Спустя примерно полтора десятилетия после того, как Чернов представил свой проект, он с горечью писал: «Вследствие обычной косности наших частных заводов я обратился в министерство торговли и промышленности в надежде получить возможность осуществить предлагаемый способ в упрощенном виде на одном из казенных горных заводов. Однако несмотря на двукратно выраженное тогдашним министром желание помочь производству такого опыта, вопрос этот встретил неодолимые препятствия среди шкафов и коридоров министерства».

Сторонником бездоменного производства был и Д. И. Менделеев. «Я полагаю,- писал он на рубеже столетий,- что придет со временем опять пора искать способы прямого получения железа и стали из руд, минуя чугун».

Десятки лет ученые и инженеры разных стран стремились найти приемлемую технологию прямого восстановления железа. Были выданы сотни патентов, предложены и созданы разнообразные агрегаты, установки, печи. Однако даже самые, казалось бы, многообещающие идеи долгое время не удавалось воплотить в жизнь.

Первая сравнительно удачная промышленная установка для прямого получения железа была сооружена в 1911 году в Швеции по проекту инженера Э. Сьерина. Достоинством этой технологии было то. что восстановителем, отбирающим у железа кислород, служили отходы угольного и коксового производства (каменноугольная пыль и мелкие фракции кокса), а сама печь отапливалась дешевыми сортами угля. К тому же весьма высоким было качество выплавляемого металла, чем всегда славилась Швеция. Тем не менее эта технология не получила широкого распространения, поскольку процесс длился несколько суток. Конкурировать с хорошо к тому времени сработавшимися «дуэтами» домна - мартен или домна - конвертер шведская установка не могла.

Важный шаг в развитии технологии прямого получения железа был сделан в 1918 году, когда шведский инженер М. Виберг предложил вести процесс восстановления в шахтной печи используя для этой цели горючий газ содержащий окись углерода и водород. Способ позволял превращать руду в 95-процентное железо. Но (и здесь не обошлось без «но») у этого способа был существенный недостаток: исходным сырьем для получения восстановительного газа служил все тот же кокс, а для его газификации нужны были сложные и дорогие устройства - электрогазогенераторы.

В нашей стране большим энтузиастом бездоменной технологии был доцент Сибирского металлургического института В. П. Ремин. Еще в конце 30-х годов он разработал конструкцию электропечи, в которой руда должна была расплавляться, сползая по наклонной подине, как лед в горах (поэтому печь назвали глетчерной), а затем из расплава предполагалось восстанавливать железо. Вероломное нападение на нашу страну гитлеровской Германии поставило перед металлургами много трудных задач, и эти эксперименты пришлось отложить до лучших времен.

Доменная печь: 1 - скип; 2 - приемная воронка: 3 - распределитель шихты: 4 - воздушная фурма; 5 - чугунная лётка: 6 - шлаковая лётка.

Но и когда они настали, оказалось, что у специалистов нет единой точки зрения. Одни безоговорочно ратовали за испытанную веками домну, другим же виделись бездоменные и бескоксовые перспективы. В 1958 году академик И. П. Бардин, высказываясь по поводу прямого получения железа из руды, заметил, что «известный американский металлург Смит, который называл доменную печь жерновом повешенным на шею металлургии в наказание за ее грехи в области научных исследований вынужден был при рассмотрении конкретных процессов вернуться к доменной печи как единственному в настоящее время агрегату, на котором может базироваться металлургия».

В те годы металлургия и впрямь не имела заслуживающей внимания альтернативы доменной печи. Несмотря на многочисленные попытки разработать способы получения железа непосредственно из руды, найти решение, которое бы безоговорочно удовлетворило металлургов, долго не удавалось. Либо несовершенной была технологическая схема, либо ненадежным или малопроизводительным оказывалось оборудование, либо оставляло желать лучшего качество получаемого металла. Кроме того, предлагавшиеся варианты часто не оправдывались экономически: металл получался очень дорогим. Трудной задачей оставался и выбор восстановителя. Поиски зашли в тупик, хотя в Швеции, СССР, США. Мексике, Венесуэле, ФРГ и Японии действовало несколько небольших установок для прямого получения железа из руд.

В том, что именно эти страны раньше других начали внедрять новую технологию, не было ничего удивительного. Например металлургия Швеции издавна специализируется на производстве высококачественной стали, а, как показала практика, путь прямого восстановления - это и путь прямого улучшения качества металла. Что же касается Мексики и Венесуэлы, то они стали лидерами поневоле - в этих странах нет коксующихся углей, зато есть большие запасы природного газа, поэтому развивать черную металлургию на традиционной основе, то есть сооружая доменные печи, они при всем желании не могли.

К концу 50-х годов металлурги пришли к твердому убеждению, что в роли восстановителя в процессах прямого получения железа должен выступать газ. Это означало, что дальнейшие поиски следовало вести в направлении, предложенном Вибергом. Вскоре в ряде стран были найдены удачные решения. Так, достоинством одной из предложенных технологий было то, что восстановитель оказывался практически бесплатным: изобретатели предложили использовать отходящий газ электросталеплавильных цехов, который прежде выбрасывался в атмосферу. Оригинальным было и другое решение. Из шахтной печи, где происходило восстановление железа, горячий газ направлялся не в небеса, а в рекуператор и отдавал свое тепло поступающему туда газ-восстановителю.

Как добывают железо?

Железо - важнейший химический элемент в таблице Менделеева; металл, который применяют в самых разных отраслях промышленности. Добывают его из железной руды, которая залегает в недрах земли.

Как добывают железо: способы

Существует несколько способов добычи железной руды. Выбор того или иного метода будет зависеть от месторасположения залежей, глубины залегания руды и некоторых других факторов.

Железо добывают как открытым, так и закрытым способом:

1. При выборе первого способа необходимо обеспечить подвоз всей необходимой техники непосредственно к самому месторождению. Здесь с ее помощью и будет строиться карьер. В зависимости от ширины залегания руды карьер может быть разного диаметра и до 500 метров в глубину. Этот способ добычи железной руды подходит, если полезное ископаемое находится неглубоко.
2. Более распространенным все же является закрытый способ добычи железной руды. В ходе него роются глубокие колодцы-шахты до 1000 м глубиной, в стороны от которых копаются разветвления (коридоры) - штреки. В них опускается специальное оборудование, посредством которого руда изымается из земли и поднимается на поверхность. По сравнению с открытым, закрытый способ добычи железной руды намного более опасный и затратный.

После изъятия руды из недр земли, ее грузят на специальные грузоподъемные машины, которые доставляют руду на перерабатывающие предприятия.

Переработка железной руды

Железная руда - это горная порода, в составе которой есть железо. Чтобы в дальнейшем направить железо в промышленность, его нужно добыть из породы. Для этого из каменных кусков породы выплавляют само железо, причем делают это при очень высоких температурах (до 1400-1500 градусов).

Обычно добываемая порода состоит из железа, угля и примесей. Ее загружают в доменные печи и нагревают, причем уголь сам поддерживает высокую температуру, а железо при этом приобретает жидкую консистенцию, после чего его разливают в различные формы. Шлаки при этом отделяются, а само железо остается чистым.

Железо и стали на его основе используются повсеместно в промышленности и обыденной жизни человека. Однако мало кто знает, из чего делают железо, вернее, как его добывают и преобразовывают в сплав стали.

Популярное заблуждение

Для начала определимся с понятиями, поскольку люди часто путаются и не совсем понимают, вообще. Это химический элемент и простое вещество, которое в чистом виде не встречается и не используется. А вот сталь - это сплав на основе железа. Она богата на различные химические элементы, а также содержит углерод в своем составе, который необходим для придания прочности и твердости.

Следовательно, не совсем правильно рассуждать о том, из чего делают железо, так как оно представляет собой химический элемент, который есть в природе. Человек из него делает сталь, которая в дальнейшем может использоваться для изготовления чего-либо: подшипников, кузовов автомобилей, дверей и т. д. Невозможно перечислить все предметы, которые из нее производятся. Итак, ниже мы не будем разбирать, из чего делают железо. Вместо этого поговорим о преобразовании этого элемента в сталь.

Добыча

В России и мире существует множество карьеров, где добывают железную руду. Это огромные и тяжелые камни, которые достаточно сложно достать из карьера, так как они являются частью одной большой горной породы. Непосредственно на карьерах в горную породу закладывают взрывчатку и взрывают ее, после чего огромные куски камней разлетаются в разные стороны. Затем их собирают, грузят на большие самосвалы (типа БелАЗ) и везут на перерабатывающий завод. Из этой горной породы и будет добываться железо.

Иногда, если руда находится на поверхности, то ее вовсе необязательно подрывать. Ее достаточно расколоть на куски любым другим способом, погрузить на самосвал и увезти.

Производство

Итак, теперь мы понимаем, из чего делают железо. Горная порода является сырьем для его добычи. Ее отвозят на перерабатывающее предприятие, загружают в доменную печь и нагревают до температуры 1400-1500 градусов. Эта температура должна держаться в течение определенного времени. Содержащееся в составе горной породы железо плавится и приобретает жидкую форму. Затем его остается разлить в специальные формы. Образовавшиеся шлаки при этом отделяют, а само железо получается чистым. Затем агломерат подают в бункерные чаши, где он продувается потоком воздуха и охлаждается водой.

Есть и другой способ получения железа: горную породу дробят и подают на специальный магнитный сепаратор. Так как железо имеет способность намагничиваться, то минералы остаются на сепараторе, а вся вымывается. Конечно, чтобы железо превратить в металл и придать ему твердую форму, его необходимо легировать с помощью другого компонента - углерода. Его доля в составе очень мала, однако именно благодаря нему металл становится высокопрочным.

Стоит отметить, что в зависимости от объема добавляемого в состав углерода сталь может получаться разной. В частности, она может быть более или менее мягкой. Есть, например, специальная машиностроительная сталь, при изготовлении которой к железу добавляют всего 0,75 % углерода и марганец.

Теперь вы знаете, из чего делают железо и как его преобразовывают в сталь. Конечно, способы описаны весьма поверхностно, но суть они передают. Нужно запомнить, что из горной породы делают железо, из чего далее могут получать сталь.

Производители

На сегодняшний день в разных странах есть крупные месторождения железной руды, которые являются базой для производства мировых запасов стали. В частности, на Россию и Бразилию приходится 18 % мирового на Австралию - 14 %, Украину - 11 %. Самыми крупными экспортерами является Индия, Бразилия, Австралия. Отметим, что цены на металл постоянно меняются. Так, в 2011 году стоимость одной тонны металла составляла 180 долларов США, а к 2016 году была зафиксирована цена в 35 долларов США за тонну.

Заключение

Теперь вы знаете, из чего состоит железо (имеется в и как его производят. Применение этого материала распространено во всем мире, и его значение практически невозможно переоценить, так как используется он в промышленных и бытовых отраслях. К тому же экономика некоторых стран построена на базе изготовления металла и его последующего экспорта.

Мы рассмотрели, из чего состоит сплав. Железо в его составе смешивается с углеродом, и подобная смесь является основной для изготовления большинства известных металлов.

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: