Нові методи виробництва й обробки сталі.
Залізо мало промислове застосування вже до нашої ери. У стародавні часи його одержували в пластичному стані в горнах. Шлак відокремлювали, видавлюючи його з губчатого заліза, ударами молота.
Пізніше навчилися переробляти чавун; зародився двоступінчастий спосіб виробництва заліза з руди. В принципі він зберігається до теперішнього часу: сучасна схема одержання сталі складається з доменного процесу, в ході якого з руди виходить чавун, і сталеплавильного переділу, що приводить до зменшення в металі кількості вуглецю та інших домішок.
Сучасний високий рівень металургійного виробництва заснований на теоретичних дослідженнях і відкриттях, зроблених в різних країнах, і на багатому практичному досвіді. Чимала частка в цьому процесі належить російським ученим. Наприклад, російські вчені першими широко застосували природний газ для доменної плавки.
Залізні руди. Головний вихідний матеріал для виробництва чавуну в доменних печах - залізні руди. До них відносять гірські породи, що містять залізо в такій кількості, при якому виплавка стає економічно вигідною.
Залізна руда складається з рудного речовини і порожньої породи. Рудним речовиною найчастіше є окисли, силікати і карбонати заліза. А порожня порода звичайно складається з кварциту піщанику з домішкою глинистих речовин і рідше - з чи доломіту вапняку.
Залежно від рудної речовини залізні руди бувають багатими, яких використовують безпосередньо, і бідними, яких піддають збагаченню.
У доменному виробництві застосовують різні залізні руди.
Червоний залізняк (гематит) містить залізо у виді безводного окису заліза. Вона має різне забарвлення (від темно-червоної до темно-сірої). Руда містить багато заліза (45-65%) і мало шкідливих домішок. Відновимо ость заліза з руди гарна.
Бурий залізняк містить залізо у вигляді водних оксидів. У ньому міститься 25- 50% заліза. Забарвлення змінюється від жовтої до буро-жовтої. Порожня порода залізняку глиниста іноді кременисто-глиноземиста.
Магнітний залізняк містить 40-70% заліза у вигляді закису-окису заліза.
руда має добре виражені магнітні властивості, має темно-сірий або чорний з різними відтінками колір. Порожня порода руди кремнеземиста з домішками інших окислів. Залізо з магнітного залізняку відновлюється сутужніше, ніж з інших руд.
Шпатовий залізняк (сидерит) містить залізо у виді вуглекислої солі. У цьому залізняку міститься 30-37% заліза. Сидерит має жовтувато-білий і брудно-сірий колір. Він легко окислюється і переходить в бурий залізняк. З усіх залізних руд він володіє найбільш високою відновлюваністю.
Марганцеві руди містять 25-45% марганцю у вигляді різних окислів марганцю. Їх додають в шихту для підвищення в чавуні кількості марганцю.
Виробництво чавуну в доменній печі.
Виплавка чавуну виробляється у величезних доменних печах, викладених з вогнетривких цеглин досягають 30 м висоти при внутрішньому діаметрі близько 12 м.
Розріз доменної печі схематично зображений на малюнку.
Верхня її половина зветься шахти і закінчується нагорі отвором - калашником, яка закриваетсяподвіжной колонкою -кколашніковим затвором. Найширша частина печі називається распаром, а нижня частина - горном. Через спеціальні отвори в горні (фурми) до друку вдувається гаряче повітря або кисень.
Доменну піч завантажують спочатку коксом, а потім пошарово агломератом і коксом. Агломерат - це певним чином підготовлена руда, спечена з флюсом. Горіння і необхідна для виплавки чавуну температура підтримуються вдуванием в горн підігрітого повітря або кисню. Останній надходить в кільцеву трубу, розташовану навколо нижньої частини печі, а з її по вигнутих трубках через фурми в горн. У горні кокс згоряє, утворюючи СО2, який, піднімаючись вгору і проходячи крізь шари наколенного коксу, взаємодіє з ним і утворить З.. Оксид вуглецю, і відновлює велику частину руди, переходячи знову в З2.
Процес відновлення руди відбувається головним чином у верхній частині шахти. Його можна виразити сумарним рівнянням:
Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2
Порожню породу в руді утворять, головним чином діоксид кремнію SiO2.
Це - тугоплавка речовина. Для перетворення тугоплавких домішок у більш легкоплавкі з'єднання до руди додаються флюс. Зазвичай в якості флюсу використовують CaCo3. При взаємодії його з SiO2 утворюється CaSiO2, легко відокремлюється у виді шлаку.
При відновленні руди залізо виходить у твердому стані. Поступово воно опускається в більш гарячу частину печі - распар - і розчиняє в собі вуглець; утворюється чавун. Останній плавиться і стікає в нижню частину горна, а рідкі шлаки збираються на поверхні чавуна, охороняючи його від окислення. Чавун і шлаки випускають у міру накопичення через особливі отвори, забиті в інший час глиною.
Вихідні з отвору печі гази містять до 25% СО. Їх спалюють в особливих апаратах-кауперах, призначених для попереднього нагрівання вдуваемого в піч повітря. Доменна піч працює безперервно. У міру того як верхні шари руди і коксу опускаються, у піч додають нові їхні порції. Суміш руди і коксу доставляється підйомниками на верхню площадку печі і завантажується в чавунну лійку, закриту знизу колошниковим затвором. При опусканні затвора суміш попадає в піч. Робота печі продовжується протягом декількох років, поки пекти не зажадає капітального ремонту.
Процес виплавки може бути прискорений шляхом застосування в доменних печах кисню. При вдувании в доменну піч збагаченого киснем повітря попередній підігрів його стає зайвим, а значить, відпадає необхідність у громіздких і складних кауперах і весь процес спрощується. Разом з тим продуктивність печі підвищується і зменшується витрата палива. Така доменна піч дає в 1,5 рази більше заліза і вимагає коксу на ¼ менше ніж звичайна.
У сталі в порівнянні з чавуном міститься менше вуглецю, кремнію, сірки і фосфору. Для отримання сталі з чавуну необхідно знизити концентрацію речовин шляхом окисної плавки.