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

Сталь

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

Ржавчина

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

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

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

От булавки до самолёта

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

Производство железа на территории Руси было известно с незапамятных времен. В результате археологических раскопок в районах, прилегающих к Новгороду, Владимиру, Ярославлю, Пскову, Смоленску, Рязани, Мурому, Туле, Киеву, Вышгороду, Переяславлю, Вжищу, а также в районе Ладожского озера и в других местах обнаружены сотни мест с остатками плавильных горшков, сыродутных горнов, так называемых «волчьих ям» и соответствующие орудия производства древней металлургии. В одной из волчьих ям, выкопанной применявшей для выплавки железа, близ села Подмоклого в южной части Подмосковного угольного бассейна, была найдена монета, датированная 189 годом Мусульманской эры, что соответствует началу IX века современного летоисчисления. Это значит, что железо на Руси умели выплавлять еще в те далёкие, глубоко дохристианские времена.

Фамилии русского народа буквально кричат нам о распространённости металлургии повсеместно по территории древней Руси: Кузнецов, Ковалёв, Коваль, Коваленко, Ковальчук. По распространённости русские "металлургические" фамилии, пожалуй, соперничают даже с архетипическим английским Джоном Смитом (который, по факту blacksmith , то есть тот же кузнец).

Однако путь любого меча или ствола пушки всегда начинался гораздо раньше металлургического горна и, тем более, кузницы. Любой металл — это в первую очередь топливо (уголь или кокс для его выплавки), а во вторую очередь — сырьё для его производства.

Здесь я сразу должен расставить акценты. Почему топливо — это первоочередное условие, а сама железная руда так смело отодвинута мной на второй план? Всё дело в логистике процессов перевозки руды и топлива, необходимых для производства железа в средние века.

Ведь основным, причём наиболее качественным топливом для выплавки средневекового, кричного железа, служил древесный уголь .
Даже сейчас, в современный просвещённый век, задача получения качественного древесного угля является отнюдь не такой простой, как это кажется на первый взгляд.
Наиболее качественный древесный уголь получается только из очень ограниченного количества пород дерева — из всех достаточно редких и медленно растущих твёрдолиственных пород (дуб, граб, бук) и из архетипической русской берёзы .
Уже из хвойных — сосны или ели древесный уголь получается гораздо более хрупким и с большим выходом мелочи и угольной пыли, а пытаться получить хороший древесный уголь из мягколиственных осины или ольхи практически нереально — выход годного падает по сравнению с дубом почти в два раза.

В случае же, если достаточного количества лесов на территории, где водились месторождения железа, не было, или же леса в данной местности были уничтожены предыдущими поколениями металлургов, приходилось выдумывать различные эрзац-заменители.
Например, в Средней Азии, несмотря на качественные рудные месторождения железа, с лесом было туго, в силу чего вместо древесного угля приходилось использовать вот такое инновационное топливо:

Если кто не понял — это коровий кизяк. Можно конский, бараний, козлиный или ослиный — особой роли не играет. Кизяк месили руками в плоские лепёшки (как-то вот так), а потом раскладывали сушиться на солнце.
Понятное дело, в такой ситуации говорить о "постоянстве состава" топлива не приходилось, да и температура пламени от сгорания такого "композитного топлива" была гораздо ниже, чем у качественного древесного угля.

Другая, гораздо более технологичная замена древесного угля возникла в мире гораздо позже. Речь, конечно же, идёт о коксе , на котором сейчас зиждется вся современная чёрная металлургия.
История «изобретения» кокса насчитывает всего лишь две сотни лет. Ведь именно коксовая батарея в которой "уголь выжигал сам себя" была первым, мощнейшим залпом индустриальной революции. Именно она, коксовая батарея, а не нефтяная вышка создала тот "мир угля и пара", который мы любим теперь вспоминать в книгах, фильмах и аниме о стимпанке.

Задолго до промышленной революции в Англии уже разрабатывались богатые залежи каменного угля, который, однако, использовался почти исключительно для отопления домов. Плавка же руды в Англии производилась, как и во многих местах мира, только на древесном угле. Связано было это с неприятным фактом, характерным для большинства каменных углей — они содержат в своём составе немалые количества фосфора и серы, которые очень вредны для получаемого в горне железа.

Однако, Великобритания — это остров. И, в конечном счёте, растущие потребности английской металлургии, основанной на древесном угле, превзошли все возможности английских лесов. Английским Робин Гудам оказалось просто негде прятаться — увеличение выплавки железа свело на нет почти все леса туманного Альбиона. В конечном счёте это стало тормозом для производства железа, так как плавка требовала огромного количества дров : на переработку одной тонны руды — почти 40 кубометров дровяного сырья.
В связи с возраставшим производством железа возникла угроза полного уничтожения лесов. Страна вынуждена была ввозить металл из-за границы, главным образом из России и Швеции. Попытки применить для выплавки железа ископаемый каменный уголь долгое время были безуспешны, по причине, указанной выше.
Только в 1735 году заводчик Абрагам Дерби после многолетних опытов нашёл способ выплавлять чугун, используя коксующийся каменный уголь. Это была победа. Но до этой победы в начале IX века нашей эры оставалось ещё больше 900 лет.

Итак, возить дрова (или даже готовый древесный уголь) к железу не получается просто из-за логистики процесса — топлива надо по массе в 4-5 раз больше массы руды, а по объёму и того больше — раз в десять минимум. Легче привести железо к топливу.

Топливо в Древней Руси есть, и с избытком. А что на Русской платформе с железом?
А вот с железом есть вопросы.
Качественной железной руды на Русской равнине нет .

Сразу ловлю крики: «Как, а Курская магнитная аномалия? Самые качественные магнитные железняки в мире!».
Да, одни из самых качественных в мире. Открыты в 1931 году. Глубина залегания — от 200 до 600 метров. Задача явно не для технологий, бывших в распоряжении древних славян в IX веке нашей эры. Это сейчас всё выглядит красиво, а для того времени картинка современного железнорудного карьера — это как для современного человечества путешествия к Альфе Центавра. В теории можно, а вот на практике — нет:

В итоге, в IX веке на Руси надо делать выбор из чего-то, входящего в этот список всех используемых сейчас человечеством железных руд:

Магнитный железняк — более 70% Fe в виде магнетита Fe3О4 (пример: как раз описанная нами Курская магнитная аномалия)
- красный железняк— 55-60% Fe в виде гематита Fe2О3 (пример: опять таки Курская магнитная аномалия или Криворожский бассейн)
- бурый железняк (лимонит) — 35-55% Fe в виде смеси гидроксидов трехвалентного железа Fe2O3—3H2O и Fe2O3—H2O (пример: загубленое Украиной Керченское месторождение).
- шпатовый железняк — до 40% Fe в виде карбоната FeCO3 (пример: Бакальское месторождение)

Магнетит и гематит на Русской платформе лежат глубоко, шпатового железняка на ней вообще нет.
Остаётся бурый железняк (лимонит).
Сырьё, мягко говоря, хреновое — достаточно посмотреть на концентрации железа в нём, но прикол в том, что оно есть на территории тогдашней Руси почти что везде . Кроме того, это "почти что везде" чудесным образом оказывется в непосредственной близости от тогдашнего источника качественного угольного топлива — могучих лесов Русской равнины.

Речь, конечно же, о торфяных болотах и о лимоните, который ещё часто называют болотным железом .
Кроме болотного железа похожий генезис имеют луговое и озёрное железо . Однако, как вы увидите дальше, копать такое железо выгоднее всего было на болоте.

Для понимания широты распространённости фактической добычи этого местного ресурса на Руси достаточно, как и в случае с "металлургическими фамилиями" просто открыть любую географическую карту и посмотреть на названия русских, украинских, белорусских или литовских деревень.
И сразу же вам в глаза бросится громадное количество топонимов со словами Гута, Буда, Руда. Вот их значения:

Гута: стеклоплавильный завод
Руда: добыча болотного железа
Буда: добыча поташа из растительной золы.

Вы найдёте такие деревни повсюду - широким поясом в Полесских болотах - от Бреста до Сум. Источников "болотной руды" на Руси было полно. "Болотное железо" образуется вообще практически везде, где происходит переход от кислородосодержащих почв к бескислородному слою (в аккурат на стыке этих двух слоёв).
В болотах просто эта граница расположена, в отличии от других типов местности, очень близко к поверхности , поэтому там конкреции железа можно копать буквально лопатой, лишь снимая тонкий слой болотной растительности.

Вот так непритязательно выглядит болотное железо (bog iron) .
Но именно оно спасло Русь.

Сами по себе залежи болотного железа представляют из себя классические россыпи .
Россыпи обычно гораздо менее масштабные месторождения, нежели рудные тела, их общий объём редко превышает десятки тысяч тонн (в то время, как рудные месторождения могут содержать миллионы и миллиарды тонн руды), но отработка россыпей обычно гораздо проще выработки рудного тела.
Россыпь обычно можно разработать чуть ли не голыми руками и при минимальном дроблении породы, поскольку россыпи залегают обычно в уже разрушенных, осадочных породах.
Это вообще повсеместная практика: сначала отрабатываются россыпи — потом уже руды.
Причём - по всем металлам, минералам или соединениям.

Кстати, "деревянное олово" (о котором я писал в цикле о Катастрофе Бронзового века) — это тоже россыпь.

Однако, нельзя сказать, что отработка россыпей болотного железа была простым занятием.

Болотное железо добывалось тремя основными способами.

Первый — летом с плотов вычерпывался придонный ил на болотных озерах и на реках, вытекающих из болот. Плот удерживался на одном месте шестом (один человек) и еще один человек черпаком доставал ил со дна. Достоинства данного способа - простота, и малые физические нагрузки на работников.
Недостатки - большое количество бесполезного труда, так как мало того что с болотным железом черпалась пустая порода, но кроме того, приходилось ещё и поднимать наверх большие количества воды вместе с илом. Кроме того, черпаком сложно выбирать грунт на большую глубину.

Второй способ. Зимой в местах где протоки промерзали до дна сначала вырубался лед, а затем так же вырубалось донное отложение, содержащее болотное железо. Достоинства данного способа: возможность выбрать большой слой,содержащий болотное железо. Недостатки: физически трудно долбить лед и мерзлую землю. Добыча возможна только на глубину промерзания.

Третий способ был наиболее распространён. На берегу у проток или болотных озер собирался сруб, как для колодца, только больших размеров, например, 4 на 4 метра. Затем внутри сруба начинали выкапывать сначала накрывающий слой пустой породы, постепенно заглубляя сруб. Затем так же выбиралась порода, содержащая болотное железо. Накаты бревен добавлялись по мере заглубления сруба.
Постоянно поступающая вода периодически вычерпывалась. Можно, безусловно, было и просто копать без укрепления стен бревнами, но в случае очень вероятного осыпания подмываемого грунта, и засыпания работников в яме - спасти вряд ли кого бы получалось - люди быстро захлебывались и тонули. Достоинства данного способа: возможность выбрать весь слой, содержащий болотное железо, и меньшие трудозатраты, по сравнению со вторым способом. Кроме того, возможно было ещё до начала добычи приблизительно определить качество добываемого сырья ("тамошнии жители судят также о доброте руды по роду дерев, на оной растущих; таким образом отыскиваемую под березником и осинником почитают лучшею, потому, что из оной железо бывает мягче, а в таких местах, где растет ельник, жестче и крепче").
Недостатки: приходится всё время работать в воде.

В общем — древнерусским рудокопам приходилось нелегко. Сейчас, конечно же, реконструкторы по всему миру делают выезды на природу и даже раскапывают ямки в местах посуше и подоступнее, где можно легко добыть немного болотной руды:

Дети реконструкторов счастливы. В IX веке всё было, я думаю, иначе.

Однако, для осознания ситуации на Руси в IX-XII веках надо понимать масштабы того промысла, который был организован нашими предками на столь завалящем ресурсе, как болотные россыпи.

Ведь, если сам по себе процесс выкапывания ила на болотах не оставлял за собой никаких следов, прослеживаемых сквозь столетия, то вот последующая обработка болотного железа оставила следы в культурном слое, да ещё и какие!

Ведь для сыродутного процесса, который в то время использовался в древнерусской металлургии и давал сильножелезистый шлак, была нужна очень богатая железом руда. А лимонит, как мы помним — руда бедная.
Для получения хорошего концентрата лимонита необходимо было предварительное обогащение добываемых руд — как болотных, так и луговых. Поэтому древнерусские металлурги обязательно обогащали болотные железные руды, идущие в плавку.

Операция обогащения была очень важным технологическим условием для производства железа в сыродутных печах.
Позднейшие исследования, путём анализа исторических памятников, выявили следующие приемы обогащения руд:

1) просушка (выветривание, в течении месяца);
2) обжиг;
3) размельчение;
4) промывка;
5) просеивание.

Получение высококонцентрироваиной руды не могло ограничиться только одной или двумя операциями, а требовало планомерной обработки всеми указанными приемами. Археологически известной операцией является обжиг руды.
Как понимаете, обжиг тоже требовал качественного топлива (древесного угля) причём тоже в немалых количествах.

При археологических разведках у деревни Ласуны на побережье Финского залива в одном из шурфов была обнаружена куча обожженной руды. Для всех операций обогащения руды требуется очень простой инвентарь: для размельчения руды — деревянная колода и ступа, а для просеивания и промывания — деревянное решето (сетка из прутков).
Недостатком обжига болотной руды в кострах и ямах, являлось неполное удаление из нее воды при обжиге больших кусков и большие потери при обжиге маленьких кусков.

В современном производстве, конечно же, обогащение происходит гораздо проще — мелко дробленая руда смешивается с таким же молотым коксом и подается в аппарат похожий на большую мясорубку. Шнек подает смесь руды и кокса на решетку с отверстиями не более 8 мм. Выдавливаясь через отверстия такая однородная смесь попадает в факел пламени, при этом кокс сгорает, оплавляя руду, а кроме того из руды выжигается сера, таким образом одновременно происходит и сероочистка сырья.

Ведь в болотном железе, как и в каменном угле, содержаться вредные примеси — сера и фосфор. Можно, конечно, было найти сырье содержащее мало фосфора (ну, относительно мало - в рудном железе его всё же всегда меньше, чем в болотном). Но найти болотное железо содержащее мало и фосфора и серы было практически невозможно. Поэтому, вдобавок к целой индустрии добычи болотного железа возникла и не менее масштабная индустрия его обогащения.

Для понимания размаха это действа приведу один пример: при раскопках в Старой Рязани в 16 из 19 жилищ горожан обнаружены следы «домашней» варки железа в горшках в обыкновенной печи.
Западноевропейский путешественник Яков Рейтенфельс, побывав в Московии в 1670 году писал, что «страна московитов — это живой источник хлеба и металла».

Вот так, на голом месте, не имея под собой ничего, кроме бедных лесных почв с чахлыми берёзками и торфяных болот, внезапно наши предки обнаружили буквально у себя под ногами «золотую жилу». И пусть это была не жила, а россыпь и не золотая, а железная — ситуация от этого не поменялась.

Только ещё формирующаяся страна получила своё место в мире и цивилизационный путь, который приведёт её к пушкам Балаклавы, к танку Т-З4 и к МБР "Тополь-М".
Ресурсы. Работа. Производство. Оружие.

Потому что имея ресурсы — ты неизбежно приходишь к оружию. Или — кто-то чужой приходит за твоими ресурсами.
На Руси наступил Железный век.
Век — а точнее — тысячелетие русского оружия.

Тысячелетие, в котором меч будет подниматься — и опускаться снова, после того, как очередной враг будет разбит и выброшен прочь из берёзовых лесов и торфяных болот.

И враги не заставили себя ждать.
Ведь в Х веке уже набирала силу гонка вооружений Железного Века.

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. Восстановление проводится при температурах порядка 700 °С:

Для повышения выхода железа этот процесс проводится в условиях избытка диоксида углерода СО 2 .

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:

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. 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).

Химические реакции при выплавке чугуна из железной руды

В основе производства чугуна лежит процесс восстановления железа из его окислов окисью углерода.

Известно, что окись углерода можно получить, действуя кислородом воздуха на раскалённый кокс. При этом сначала образуется двуокись углерода, которая при высокой температуре восстанавливается углеродом кокса в окись углерода:

Восстановление железа из окиси железа происходит постепенно. Сначала окись железа восстанавливается до закиси-окиси железа:

и, наконец, из закиси железа восстанавливается железо:

Скорость этих реакций растёт с повышением температуры, с увеличением в руде содержания железа и с уменьшением размеров кусков руды. Поэтому процесс ведут при высоких температурах, а руду предварительно обогащают, измельчают, и куски сортируют по крупности: в кусках одинаковой величины восстановление железа происходит за одно и то же время. Оптимальные размеры кусков руды и кокса от 4 до 8-10 см. Мелкую руду предварительно спекают (агломерируют) путём нагревания до высокой температуры. При этом из руды удаляется большая часть серы.

Железо восстанавливается окисью углерода практически полностью. Одновременно частично восстанавливаются кремний и марганец. Восстановленное железо образует сплав с углеродом кокса. кремнием, марганцем, и соединениями, серы и фосфора. Этот сплав-жидкий чугун. Температура плавления чугуна значительно ниже температуры плавления чистого железа.

Пустая порода и зола топлива также должны быть расплавлены. Для понижения температуры плавления в состав “плавильных” материалов вводят, кроме руды и кокса, флюсы (плавни) - большей частью известняк СаСО 3 и доломит CaCO 3× МgСО 3 . Продукты разложения флюсов при нагревании образуют с веществами, входящими в состав пустой породы и золы кокса, соединения с более низкими температурами плавления, преимущественно силикаты и алюмосиликаты кальция и магния, например, 2CaO×Al 2 O 3× SiO 2 , 2CaO×Mg0×2Si0 2 .

Химический состав сырья, поступающего на переработку, иногда колеблется в широких пределах. Чтобы вести процесс при постоянных и наилучших условиях, сырьё “усредняют” по химическому составу, т. е. смешивают руды различного химического состава в определённых весовых отношениях и получают смеси постоянного состава. Мелкие руды спекают вместе с флюсами, получая “офлюсованный агломерат”. Применение офлюсованного агломерата даёт возможность значительно ускорить процесс.

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). Конвертер загружают в наклонном положении 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 (СаО). 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 кирпичом. 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.

Сталь получается из чугуна при удалении из него большей части углерода, кремния, марганца, фосфора и серы. Для этого чугун подвергают окислительной плавке. Продукты окисления выделяются в газообразном состоянии и в виде шлака.

Так как концентрация железа в чугуне значительно выше, чем других веществ, то сначала интенсивно окисляется железо. Часть железа переходит в закись железа:

Реакция идёт с выделением тепла.

Закись железа, перемешиваясь с расплавом, окисляет кремний марганец и углерод:

Si+2FeO=SiO 2 +2Fe

Первые две реакции экзотермичны. Особенно много тепла выделяется при окислении кремния.

Фосфор окисляется в фосфорный ангидрид, который образует с окислами металлов соединения, растворимые в шлаке. Но содержание серы снижается незначительно, и поэтому важно чтобы в исходных материалах было мало серы.

После завершения окислительных реакций в жидком сплаве содержится ещё закись железа, от которой его необходимо освободить. Кроме того, необходимо довести до установленных норм содержание в стали углерода, кремния и марганца. Поэтому к концу плавки добавляют восстановители, например ферромарганец (сплав железа с марганцем) и другие так называемые “раскислители”. Марганец реагирует с закисью железа и “сраскисляет” сталь:

Мп+FеО=МnО+Fe

Передел чугуна в сталь осуществляется в настоящее время различными способами. Более старым, применённым впервые в середине XIX в. является способ Бессемера.

Способ Бессемера . По этому способу передел чугуна в сталь проводится путём продувания воздуха через расплавленный горячий чугун. Процесс протекает без затраты топлива за счёт тепла, выделяющегося при экзотермических реакциях окисления кремния, марганца и других элементов.

Процесс проводится в аппарате, который называется по фамилии изобретателя конвертером Бессемера . Он представляет собой грушевидный стальной сосуд, футерованный внутри огнеупорным материалом. В дне конвертера имеются отверстия, через которые подаётся в аппарат воздух. Аппарат работает периодически. Повернув аппарат в горизонтальное положение, заливают чугун и подают воздух. Затем поворачивают аппарат в вертикальное положение. В начале процесса окисляются железо, кремний и марганец, затем углерод. Образующаяся окись углерода сгорает над конвертером ослепительно ярким пламенем длиной до 8 л. Пламя постепенно сменяется бурым дымом. Начинается горение железа. Это указывает, что период интенсивного окисления углерода заканчивается. Тогда подачу воздуха прекращают, переводят конвертер в горизонтальное положение и вносят раскислители.

Процесс Бессемера обладает рядом достоинств. Он протекает очень быстро (в течение 15 минут), поэтому производительность аппарата велика. Для проведения процесса не требуется расходовать топливо или электрическую энергию. Но этим способом можно переделывать в сталь не все, а только отдельные сорта чугуна. К тому же значительное количество железа в бессемеровском процессе окисляется и теряется (велик “угар” железа).

Значительным усовершенствованием в производстве стали в конвертерах Бессемера является применение для продувкя вместо воздуха смеси его с чистым кислородом (“обогащённого воздуха”), что позволяет получать стали более высокого качества.

Мартеновский способ. Основным способом передела чугуна в сталь является в настоящее время мартеновский. Тепло, необходимое для проведения процесса, получается посредством сжигания газообразного или жидкого топлива. Процесс получения стали осуществляется в пламенной печи – мартеновской печи.

Плавильное пространство мартеновской печи представляет собой ванну, перекрытую сводом из огнеупорного кирпича. В передней стенке печи находятся загрузочные окна, через которые завалочные машины загружают в печь шихту. В задней стенке находится отверстие для выпуска стали. С обеих сторон ванны расположены головки с каналами для подвода топлива и воздуха и отвода продуктов горения. Печь ёмкостью 350 т имеет длину 25 м и ширину 7 м.

Мартеновская печь работает периодически. После выпуска стали в горячую печь загружают в установленной последовательности лом, железную руду, чугун, а в качестве флюса - известняк или известь. Шихта плавится. При этом интенсивно окисляются: часть железа, кремний и марганец. Затем начинается период быстрого окисления углерода, называемый периодом “кипения”, - движение пузырьков окиси углерода через слой расплавленного металла создаёт впечатление, что он кипит.

В конце процесса добавляют раскислители. За изменением состава сплава тщательно следят, руководствуясь данными экспресс-анализа, позволяющего дать ответ о составе стали в течение нескольких минут. Готовую сталь выливают в ковши. Для повышения температуры пламени газообразное топливо и воздух предварительно подогревают в регенераторах. Принцип действия регенераторов тот же, что и воздухонагревателей доменного производства. Насадка регенератора нагревается отходящими из печи газами, и когда она достаточно нагреется, через регенератор начинают подавать в печь воздух. В это время нагревается другой регенератор. Для регулирования теплового режима печь снабжается автоматическими приспособлениями.

В мартеновской печи, в отличие от конвертера Бессемера, можно перерабатывать не только жидкий чугун, но и твёрдый, а также отходы металлообрабатывающей промышленности и стальной лом. В шихту вводят также и железную руду. Состав шихты можно изменять в широких пределах и выплавлять стали разнообразного состава, как углеродистые, так и легированные.

Российскими учёными и сталеварами разработаны методы скоростного сталеварения, повышающие производительность печей. Производительность печей выражается количеством стали, получаемым с одного квадратного метра площади пода печи в единицу времени.

Производство стали в электропечах. Применение электрической энергии в производстве стали даёт возможность достигать более высокой температуры и точнее её регулировать. Поэтому в электропечах выплавляют любые марки сталей, в том числе содержащие тугоплавкие металлы - вольфрам, молибден и др. Потери легирующих элементов в электропечах меньше, чем в других печах. При плавке с кислородом ускоряется плавление шихты и особенно окисление углерода в жидкой шихте, Применение кислорода позволяет ещё более повысить качество электростали, так как в ней остаётся меньше растворённых газов и неметаллических включений.

В промышленности применяют два типа электропечей: дуговые и индукционные. В дуговых печах тепло получается вследствие образования электрической дуги между электродами и шихтой. В индукционных печах тепло получается за счёт индуцируемого в металле электрического тока.

Сталеплавильные печи всех типов - бессемеровские конвертеры, мартеновские и электрические - представляют собой аппараты периодического действия. К недостаткам периодических процессов относятся, как известно, затрата времени на загрузку и разгрузку аппаратов, необходимость изменять условия по мере течения процесса, трудность регулирования и др. Поэтому перед металлургами стоит задача создания нового непрерывного процесса.

Применения в качестве конструкционных материалов сплавов железа.

Некоторые d-элементы широко используются для изготовления конструкционных материалов, главным образом в виде сплавов. Сплав-это смесь (или раствор) какого-либо металла с одним или несколькими другими элементами.

Сплавы, главной составной частью которых служит железо, называются сталями. Выше мы уже говорили, что все стали подразделяются на два типа: углеродистые и легированные.

Углеродистые стали. По содержанию углерода эти стали в свою очередь подразделяются на низкоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую стали. Твердость углеродистых сталей возрастает с повышением содержания углерода. Например, низкоуглеродистая сталь является тягучей и ковкой. Ее используют в тех случаях, когда механическая нагрузка не имеет решающего значения. Различные применения углеродистых сталей указаны в таблице. На долю углеродистых сталей приходится до 90% всего объема производства стали.

Легированные стали. Такие стали содержат до 50% примеси одного или нескольких металлов, чаще всего алюминия, хрома, кобальта, молибдена, никеля, титана, вольфрама и ванадия.

Нержавеющие стали содержат в качестве примесей к железу хром и никель. Эти примеси повышают твердость стали и делают ее устойчивой к коррозии. Последнее свойство обусловлено образованием тонкого слоя оксида хрома (III) на поверхности стали.

Инструментальные стали подразделяются на вольфрамовые и марганцовистые. Добавление этих металлов повышает твердость, прочность и устойчивость при высоких температурах (жаропрочность) стали. Такие стали используются для бурения скважин, изготовления режущих кромок металлообрабатывающих инструментов и тех деталей машин, которые подвергаются большой механической нагрузке.

Кремнистые стали используются для изготовления различного электрооборудования: моторов, электрогенераторов и трансформаторов.

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.

Железную руду получают привычным способом: открытой или подземной добычей и последующей транспортировкой для первоначальной подготовки, где материал измельчается, промывается и перерабатывается.

Руду засыпают в доменную печь и подвергают струйной обработке горячим воздухом и теплом, который превращает ее в расплавленное железо. Далее оно извлекается из нижней части печи в формы, известные как свиньи, где происходит остывание для получения чугуна. Он превращается в кованое железо или перерабатывается в сталь несколькими способами.

Что такое сталь?

Вначале было железо. Оно является одним из Его можно встретить почти везде, в сочетании со многими другими элементами, в виде руды. В Европе начало работы с железом датируется 1700 г. до н.э.

В 1786 году французские ученые Бертолле, Мондж и Вандермонде точно определили, что разница между железом, чугуном и сталью обусловлена различным содержанием углерода. Тем не менее сталь, изготовленная из железа, быстро стала самым важным металлом промышленной революции. В начале XX века мировое производство стали составило 28 миллионов тонн - это в шесть раз больше, чем в 1880 году. К началу Первой мировой войны ее производство составляло 85 миллионов тонн. В течение нескольких десятилетий она практически заменила железо.

В настоящее время существует более 3000 каталогизированных марок (химических составов), не считая тех, которые созданы для удовлетворения индивидуальных потребностей. Все они способствуют превращению стали в наиболее подходящий материал для решения задач будущего.

Сырье для выплавки стали: первичное и вторичное

Выплавка данного металла с использованием многих компонентов - самый распространенный способ добычи. Шихтовые материалы могут быть как первично используемые, так и вторично. Основной состав шихты, как правило, составляет 55 % чугуна и 45 % оставшегося металлолома. Ферросплавы, переделанный чугун и технически чистые металлы используются как основной элемент сплава, ко вторичным, как правило, относят все виды черного металла.

Железная руда является самым важным и основным сырьем в черной металлургии. Для производства тонны чугуна требуется около 1,5 тонны этого материала. Для производства одной тонны чугуна используется около 450 тонн кокса. Многие металлургические заводы применяют даже

Вода - важное сырье для черной металлургии. Она в основном используется для закалки кокса, охлаждения доменных печей, производства пара в дверях работы гидравлического оборудования и удаления сточных вод. Для производства тонны стали требуется около 4 тонн воздуха. Флюс используется в доменной печи для извлечения загрязнений из плавильной руды. Известняк и доломит объединяются с экстрагированными примесями с образованием шлака.

Как дутьевые, так и стальные печи, облицованы огнеупорами. Они используются для облицовочных печей, предназначенных для плавки железной руды. Диоксид кремния или песок используется для формования. Для производства стали различных марок применяют алюминий, хром, кобальт, медь, свинец, марганец, молибден, никель, олово, вольфрам, цинк, ванадий и др. Среди всех этих ферросплавов марганец широко используется в выплавке стали.

Железные отходы, полученные из демонтированных конструкций заводов, механизмов, старых транспортных средств и т. д., перерабатываются и широко используются в этой отрасли.

Чугун для стали

Выплавку стали с использованием чугуна производят гораздо чаще, чем с другими материалами. Чугун - это термин, который обычно относится к серому железу, однако он также идентифицирован с большой группой ферросплавов. Углерод составляет примерно от 2,1 до 4 мас.%, тогда как кремний составляет обычно от 1 до 3 мас.% в сплаве.

Выплавка чугуна и стали проходит при температуре плавления между 1150 и 1200 градусов, что примерно на 300 градусов ниже, чем температура плавления чистого железа. Чугун также демонстрирует хорошую текучесть, отличную обрабатываемость, устойчивость к деформации, окислению и отливке.

Сталь также является сплавом железа с переменным содержанием углерода. Содержание углерода в стали составляет от 0,2 до 2,1 мас.%, И это наиболее экономичный легирующий материал для железа. Выплавка стали из чугуна полезна для различных инженерных и конструкционных целей.

Железная руда для стали

Процесс выплавки стали начинается с переработки железной руды. Породу, содержащую железную руду, измельчают. Руду добывают с использованием магнитных роликов. Мелкозернистая железная руда перерабатывается в крупнозернистые комки для использования в доменной печи. Уголь очищается от примесей в что дает почти чистую форму углерода. Затем смесь железной руды и угля нагревают для получения расплавленного железа или чугуна, из которого производится сталь.

В основной кислородной печи расплавленная железная руда является основным сырьем и смешивается с различными количествами стального лома и сплавов для производства различных марок стали. В электродуговой печи переработанный стальной лом расплавляется непосредственно в новую сталь. Около 12% стали изготовлено из переработанного материала.

Технология выплавки

Плавление - процесс, посредством которого металл получают либо в виде элемента, либо как простое соединение из его руды путем нагревания выше температуры плавления обычно в присутствии окислителей, таких как воздух, или восстановителей, таких как кокс.

В технологии выплавки стали металл, который сочетается с кислородом, например оксидом железа, нагревается до высокой температуры, и оксид образуется в сочетании с углеродом в топливе, выходящим как монооксид углерода или диоксид углерода.
Другие примеси, все вместе называемые жилами, удаляются добавлением потока, с которым они объединяются, образуя шлак.

В современных плавках стали используется отражательная печь. Концентрированная руда и поток (обычно известняк) загружаются в верхнюю часть, а расплавленный штейн (соединение меди, железа, серы и шлака) вытягивается снизу. Вторая термообработка в конвертерной печи необходима для удаления железа из матовой поверхности.

Кислородно-конвекторный способ

Кислородно-конвертерный процесс является ведущим процессом сталеплавильного производства в мире. Мировое производство конвертерной стали в 2003 году составило 964,8 млн тонн или 63,3 % от общего производства. Производство конвертера является источником загрязнения окружающей природной среды. Основными проблемами этого являются снижение выбросов, сбросов и уменьшение отходов. Суть их заключается в использовании вторичных энергетических и материальных ресурсов.

Экзотермическое тепло генерируется реакциями окисления во время продувки.

Основной процесс выплавки стали с использованием собственных запасов:

• Расплавленный чугун (иногда называемый горячим металлом) из доменной печи выливается в большой огнеупорный футерованный контейнер, называемый ковшом.
• Металл в ковше направляется непосредственно для основного производства стали или стадии предварительной обработки.
• Высокочистый кислород под давлением 700-1000 килопаскалей вводится со сверхзвуковой скоростью на поверхность ванны железа через охлаждаемую водой фурму, которая подвешена в сосуде и удерживается в нескольких футах над ванной.

Решение о предварительной обработке зависит от качества горячего металла и требуемого конечного качества стали. Самые первые конвертеры со съемным дном, которые могут быть отсоединены и отремонтированы, все еще используются. Были изменены копья, используемые для дутья. Для предотвращения заклинивания фурмы во время продувки применялись щелевые манжеты с длинным сужающимся медным наконечником. Кончики наконечника после сгорания сжигают CO, образующийся при выдувании в CO 2 , и обеспечивают дополнительное тепло. Для отвода шлака используются дротики, огнеупорные шарики и шлаковые детекторы.

Кислородно-конвекторный способ: достоинства и недостатки

Не требует затрат на оборудование по очищению от газа, так как пылеобразование, т. е. испарение железа, снижено в 3 раза. За счет снижения выхода железа наблюдается рост выхода жидкой стали в 1,5 - 2,5 %. Преимуществом стало и то, что интенсивность продувки в таком способе увеличивается, что дает возможность повысить производительности конвертера на 18 %. Качество стали выше, потому что температура в зоне продувки снижена, что приводит к уменьшению образования азота.

Недостатки данного способа выплавки стали привели к снижению спроса на потребление, так как повышается уровень потребления кислорода на 7 % из-за большого расхода на сжигание топлива. Наблюдается повышенное содержание водорода в переработанном металле, из-за чего приходится некоторое время после окончания процесса вести продувку при помощи кислорода. Среди всех способов кислородно-конвертерный обладает самым повышенным шлакообразованием, причиной является невозможность следить за процессом окисления внутри оборудования.

Мартеновский способ

Мартеновский способ на протяжении большей части 20-го века составлял основную часть обработки всей стали, изготовленной в мире. Уильям Сименс в 1860-х годах искал средства повышения температуры в металлургической печи, воскресив старое предложение об использовании отработанного тепла, выделяемого печью. Он нагревал кирпич до высокой температуры, затем использовал тот же путь для ввода воздуха в печь. Предварительно нагретый воздух значительно увеличивал температуру пламени.

Природный газ или распыленные тяжелые масла используются в качестве топлива; воздух и топливо нагреваются до сгорания. Печь загружается жидким доменным чугуном и стальным ломом вместе с железной рудой, известняком, доломитом и флюсами.

Сама печь изготовлена из высокоогнеупорных материалов, таких как магнезитовый кирпич для очагов. Вес мартеновских печей достигает 600 тонн, и их обычно устанавливают группами, так что массивное вспомогательное оборудование, необходимое для зарядки печей и обработки жидкой стали, может быть эффективно использовано.

Хотя мартеновский процесс практически полностью заменен в большинстве промышленно развитых стран основным кислородным процессом и электродуговой печью, им изготавливают около 1/6 всей стали, произведенной во всем мире.

Достоинства и недостатки данного способа

К преимуществам относят простоту использования и легкость в получении легированной стали с примесью различных добавок, которые придают материалу различные специализированные свойства. Необходимые добавки и сплавы добавляют непосредственно перед окончанием выплавки.

К недостаткам можно отнести сниженную экономичность, по сравнению с кислородно-конверторным способом. Также качество стали более низкое, по сравнению с остальными методами выплавки металла.

Электросталеплавильный способ

Современный способ выплавки стали с использованием собственных запасов представляет собой печь, которая нагревает заряженный материал с помощью электрической дуги. Промышленные дуговые печи имеют размеры от небольших единиц грузоподъемностью около одной тонны (используются в литейных цехах для производства чугунных изделий) до 400 тонн единиц, применяемых для вторичной металлургии.

Дуговые печи, используемые в исследовательских лабораториях, могут иметь емкость всего несколько десятков граммов. Промышленные температуры электрической дуговой печи могут составлять до 1800 °C (3,272 °F), в то время как лабораторные установки могут превышать 3000 °C (5432 °F).

Дуговые печи отличаются от индукционных тем, что зарядный материал непосредственно подвергается воздействию электрической дуги, а ток в выводах проходит через заряженный материал. Электрическая дуговая печь используется для производства стали, состоит из огнеупорной футеровки, обычно водоохлаждаемой, больших размеров, покрыта раздвижной крышей.

Печь в основном разделена на три секции:

• Оболочка, состоящая из боковых стенок и нижней стальной чаши.
• Очаг состоит из огнеупора, который вытягивает нижнюю чашу.
• Крыша с огнеупорной футеровкой или водяным охлаждением может быть выполнена в виде секции шара или в виде усеченного конуса (коническая секция).

Достоинства и недостатки способа

Данный способ занимает лидирующие позиции в области производства стали. Метод выплавки стали применяется для создания высококачественного металла, который либо совсем лишен, либо содержит незначительное количество нежелательных примесей, таких как сера, фосфор и кислород.

Главным плюсом метода является для нагревания, благодаря чему можно легко контролировать температуру плавления и достичь невероятной скорости нагревания металла. Автоматизированная работа станет приятным дополнением к прекрасной возможности качественной переработки различного металлического лома.

К недостаткам можно отнести большое энергопотребление.