Сімейство заліза

На частку заліза припадає близько 1,5% від загального числа атомів земної кори. Зміст в останній кобальту (0,001 %) і нікелю (0,003 %) вже незрівнянно менше.

Велика частина заліза верхніх шарів землі знаходиться у вигляді кисневих сполук, з яких найбільш важливі промислові руди цього металу – бурий залізняк [Fe2 O3 • 2Fe (ОН) 3], червоний залізняк (Fe2 O3) і магнітний залізняк (FeO • Fe2 O3). Значні кількості заліза зустрічаються у вигляді мінералу сидериту (FeCO3), а також у з’єднаннях з сіркою і миш’яком. Для кобальту і нікелю найбільш характерно спільне знаходження з останніми двома елементами. Прикладами їх мінералів можуть служити пентландіт (FeS • NiS) і кобальтин (CoAsS). Найбагатші залізорудні родовища є в ряді районів Росії (Урал, Кривий Ріг, Керч, Курськ та ін.)

З елементів сімейства Fe абсолютно виняткове значення має саме залізо, яке є основою всієї сучасної техніки. Для характеристики його особливої ролі достатньо вказати на те, що щорічне світове споживання заліза складає більше 200 млн. т.

Набагато менше споживання нікелю і ще менше – кобальту. Обидва останніх елемент використовуються головним чином у складі різних сплавів з іншими металами.

1) При видобутку нікелю і кобальту з їх природних руд великі труднощі представляє відділення цих елементів як від інших одночасно містяться в руді металів, так і один від одного. Тому весь процес дуже складний і, крім того, змінюється в залежності від характеру руди. Щорічна світова виплавка нікелю становить близько 250 тис. т, кобальту – близько 15 тис. м.

Виплавка заліза з руд здійснюється в спеціальних вертикальних печах висотою 25 і більше метрів, зі сталевою зовнішньою оболонкою і внутрішньої обкладкою з вогнетривкої цегли. Печі ці носять назву доменних («домни»). Продуктивність їх досягає 2 тис. т металу за добу. За характером своєї роботи домна (рис. 202) є піччю безперервної дії. Будучи раз введена в експлуатацію («задута»), вона потім безупинно функціонує протягом декількох років, Для підтримки процесу, що зводиться, в основному, до відновлення заліза з його оксидів, зверху через колошник вводиться «шихта», тобто послідовні шари залізної руди, коксу і т. н. флюсів – спеціальних добавок (найчастіше СаСО3), необхідних для додання легкоплавкості утворюють шлак. Знизу через фурми в домну весь час вдувається повітря, попередньо нагрітий до 600-800 °С. За рахунок згоряння коксу температура в нижній частині домни підтримується на рівні приблизно 1800 °С. У напрямку догори вона поступово знижується і у колошника дорівнює близько 400 °С. Накопичуються на дні печі розплавлений метал і рідкий шлак періодично випускаються через спеціальні отвори. Послідовний хід доменного процесу видно з рис. 202.

2) На кожну тисячу тонн виплавленого металу при доменному процесі витрачається близько 2 тис. т. залізної руди, 1 тис. т. коксу, 400 т вапняку і 3 тис. т повітря. Крім 1 тис. т металу, виходить близько 500 г шлаку л 5 тис. т доменного газу.

3) Вихідні з домни гази містять приблизно 30% окису вуглецю і мають теплотворну здатність близько 1000 ккал/м3. Вони використовуються головним чином шляхом спалювання в кауперах для підігріву надходить в Фурми повітря. Перед цим їх зазвичай звільняють від пилу (у спеціальних камерах) і домішок органічних речовин (промиванням водою в скруберах).

4) До складу доменних шлаків входять головним чином CaO, SiO2 і Аl2 О3. Шлаки ці часто використовуються для виготовлення цементу (т. зв. Шлаковий цемент), бетону і штучних каменів. Іноді вони хімічно пов’язують містяться у вихідній залізній руді цінні домішки. Наприклад, шлаки від виплазкі керченських руд служать хорошим сировиною для отримання ванадію та його сполук.

5) Схема доменного цеху металургійного заводу показана на рис. 203. За допомогою механізованого завантажувального пристрою (Л) домна (Б) періодично забезпечується свіжими порціями шихти. Утворені при процесі гази, пройшовши через пилову камеру (В) і скрубер (Г), згорають в Каупер (Е), накалівая внутрішню обкладку останнього. Паралельно через предварітельнонакаленний подібним же чином інший Каупер (Д) повітрядувка (Ж) гони ? повітря в фурми доменної печі. Через деякий час ролі кауперів Е і Д міняють: перший стає охолоджувати, другий нагрівається. Кожну домну зазвичай обслуговує декілька кауперів.

6) При користуванні для дуття повітрям, що містить підвищений (проти звичайного) відсоток кисню, попередній підігрів його стає зайвим і Каупер можуть бути скасовані. Разом з тим кисневе дуття значно підвищує продуктивність домни і покращує якість побічних продуктів виробництва – газу і шлаку. Зокрема, одержувані за цих умов гази, крім збільшення їх калорійності (за рахунок газифікації коксу), стають придатними для використання при різних каталітичних синтезах. Таким чином, сама домна перетворюється на комплексний агрегат, одночасно виробляє напівпродукти для металургійної (чавун), хімічної (газ) та будівельної (шлак) промисловості.

Виходить при доменному процесі метал являє собою сплав заліза з вуглецем, що містить і інші домішки, найчастіше Si, P, Мn і S. Присутність всіх цих елементів сильно впливає на механічні властивості металу. Особливо велика роль вуглецю. При вмісті останнього більше 1,7 % виходить чавун, який і є кінцевим продуктом доменного процесу. Виплавка чавуну за СРСР склала в 1962 р. 55,3 млн. г (проти 14,9 млн. т в 1940 р. і 4,2 млн. г в 1913 р.).

Інтервал 1,7-0,2 % С відповідає різним сортам стала, а метал з ще меншим вмістом вуглецю носить назву ковкого заліза. Чавун твердий, але крихкий і, як правило, не піддається куванні або прокатці. Він йде головним чином для виливків різних важких машинних частин (станин тощо). Сталь дуже тверда і разом з тим еластична. Тому вона застосовується для виготовлення всіх конструкцій і окремих деталей, від яких потрібна особлива міцність. Ковкий залізо відрізняється своєю м’якістю. З нього готують дахове залізо, дріт, цвяхи і т. д.

Для зниження змісту вуглецю в одержуваному при доменному процесі чавуні до останнього зазвичай додають оксиди заліза і витримують його при високій температурі в струмі повітря. При цьому відбувається вигоряння вуглецю (а також більшості інших домішок) і в результаті утворюється сталь або ковкий залізо. Вводячи в звичайну вуглецеву сталь домішки інших елементів, отримують різні сорти спеціальних сталей, що задовольняють найрізноманітнішим запитам машинобудування.

Зазвичай виплавка сталі перевищує вироблення чавуну, що обумовлено переплавкою на сталь великої кількості залізного брухту. Виплавка сталі за СРСР склала в 1962 р. 76,3 млн. т (проти 18,3 млн. г в 1940 р. і 4,2 млн. т в 1913 р.).

7) Температура затвердіння доменного чавуну зазвичай лежить близько 1200 °С (причому перехід з рідкого у твердий стан супроводжується збільшенням обсягу). Для переробки його на сталь (або ковкий залізо) основне значення має мартенівський процес, заснований на використанні так званої регенеративної печі. Принцип методу полягає в випалюванні з доменного чавуну домішок за рахунок кисню повітря, що проходить над розплавленим металом, і кисню додаються до нього оксидів заліза (у вигляді іржавого залізного брухту або чистою залізної руди). Необхідна для підтримки металу з рідкому стані висока температура досягається спалюванням над ним суміші горючого газу та повітря (у надлишку), попередньо сильно нагрітих за рахунок тепла відхідних газів. Конструктивно це попереднє нагрівання здійснюється в мартенівської печі шляхом періодичної зміни напрямку потоку газів на зворотний. Нехай, як показано на рис. 204 стрілками, горючий газ (А) і повітря (Б) входять спочатку зліва. Змішуючись біля початку простору над розплавленим металом (Г), вони згорають, причому відходять гази нагрівають камери А і Б правій частині печі. Після того як ці камери досить розжарюватись, струм газу та повітря міняють на зворотний. Тепер праві камери віддають їм своє тепло, а ліві розжарюються відходять газами і т. д. При користуванні для нагрівання мартенівської печі спалюванням нафти (вбризгіваемой прямо в простір над металом) камери А стають зайвими.

Досить велика тривалість мартенівського процесу (кілька годин) дозволяє легко управляти ним з метою одержання металу бажаного складу. Залежно від характеру вихідних чавунів, футеровка поду мартенівської печі (В, рис. 204) робиться «кислої» (із силікатних матеріалів) або «основний» (з паленого доломіту). Великі можливості інтенсифікації цього процесу відкриває використання повітря, попередньо збагаченого киснем.

Посилання на основну публікацію