ЧЕРНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ

Железо

Уже в глубокой древности люди знали железо и умели им пользоваться. Греческий философ Аристотель, живший в 384—322 гг. до н. э., описывает способ получения некоторых сортов железа и говорит о землях, из которых железо извлекали.
Земля, о которой он рассказы­вает,— это железная руда, химическое соеди­нение железа с кислородом (окислы железа) в смеси с различными минералами.
В самородном состоянии железо на Земле не встречается. Как только молекулы железа приходят в соприкосновение с вездесущим кислородом, они с ним соединяют­ся, т. е. окисляются. На заре своей истории люди использо­вали метеоритное железо, па­давшее на земную поверх­ность из космоса. Такого желе­за было, конечно, мало. Прак­тическое, хозяйственное значе­ние этот металл приобрел лишь тогда, когда человек научился получать его из руды.

Производство чугуна

Чугун – сплав железа и углерода с сопутствующими элементами (содержание углерода более 2,14 %).
Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топливо, флюсы.
К железным рудам относятся:
– магнитный железняк (Fe₃O₄) ( Курская магнитная аномалия (КМА);
– красный железняк (Fe₂O₃)   (Кривой Рог, КМА);
– бурый железняк (гидраты оксидов железа 2Fe₂O₃ * 3H₂O и Fe₂O₃ * H₂O)  ( Керчь).
Топливом для доменной плавки служит кокс, возможна частичная замена газом, мазутом.
Флюсом является известняк CaCO₃ или доломитизированный известняк, содержащий CaCO₃ и MgCO₃ необходимые для удаления серы.

Выплавка чугуна

Чугун выплавляют в печах шахтного типа – доменных печах.
Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды оксидом углерода (II), водородом и твёрдым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива.
Продукты сгорания взаимодействуют с раскаленным коксом по реакциям:

CO₂+C=2CO-Q

H₂O+C=CO+H₂-Q

Образуется смесь восстановительных газов, в которой окись углерода CO является главным восстановителем железа из его оксидов.

Восстановление железа в доменной печи.
Восстановление железа происходит по мере продвижения шихты вниз по шахте и повышения температуры от высшего оксида к низшему, в несколько стадий:

Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO→Fe

Температура определяет характер протекания химических реакций.
Восстановителями окcидов железа являются твердый углерод, оксид углерода и водород.
Восстановление твердым углеродом (коксом)называется прямым восстановлением, протекает в нижней части печи (зона распара), где более высокие температуры, по реакции:

FeO+C=Fe+CO-Q

Восстановление газами (CO и H₂) называется косвенным восстановлением, протекает в верхней части печи при сравнительно низких температурах, по реакциям:

3Fe₂O₃+CO=2Fe₃O₄+CO₂+Q

Fe₃O₄+CO=3FeO+CO₂-Q

FeO+CO=Fe+CO₂+Q

При температуре 1000…1100 ⁰C восстановленное из руды твёрдое железо, взаимодействуя с оксидом углерода, коксом и сажистым углеродом, интенсивно растворяет углерод.
В нижней части доменной печи образуется шлак в результате сплавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы топлива.

Шлаки содержат Al₂O₃, CaO, MgO, SiO₂, MnO, FeO, CaS . Шлак скапливается на поверхности жидкого чугуна, благодаря меньшей плотности. Состав шлака зависит от состава применяемых шихтовых материалов и выплавляемого чугуна.
Чугун выпускают из печи каждые 3…4 часа через чугунную летку 16, а шлак – каждые 1…1,5 часа через шлаковую летку 17 (летка – отверстие в кладке, расположенное выше лещади). В настоящее время чугун и шлак выпускают в одну ледку и разделяют.
Летку открывают бурильной машиной, затем закрывают огнеупорной массой. Сливают чугун и шлак в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши.
Чугун поступает в кислородно-конвертерные или мартеновские цехи, или разливается в изложницы разливочной машиной, где он затвердевает в виде чушек-слитков

массой 45 кг. 

Продукты доменной плавки

Основным продуктом доменной плавки является чугун.