Дамасская сталь. Железная руда: что из нее делают в современной промышленности

Дата: 29.09.2019

Одним из наиболее распространенных металлов в земной коре после алюминия считается железо. Физические и химические свойства его таковы, что оно обладает отличной электропроводностью, теплопроводностью и ковкостью, имеет серебристо-белый цвет и высокую химическую реакционную способность быстро коррозировать при высокой влажности воздуха или больших температурах. Находясь в мелкодисперсном состоянии, оно в чистом кислороде горит и самовоспламеняется на воздухе.

Начало истории железа

В третьем тысячелетии до н. э. люди стали добывать и научились обрабатывать бронзу и медь. Широкого применения из-за дороговизны они не получили. Продолжались поиски нового металла. История железа началась в первом веке до н. э. В природе его можно встретить только в виде соединений с кислородом. Для получения чистого металла необходимо отделить последний элемент. Расплавить железо долго не удавалось, так как его надо было нагреть до 1539 градусов. И только с появлением сыродутных печей в первом тысячелетии до новой эры стали получать этот металл. На первых порах он был хрупким, содержал много шлаков.

С появлением горнов качество железа значительно улучшилось. Дальнейшую обработку оно проходило в кузнеце, где ударами молота отделялся шлак. Ковка стала одним из главных видов обработки металла, а кузнечное дело незаменимой отраслью производства. Железо в чистом виде - это очень мягкий металл. В основном его используют в сплаве с углеродом. Эта добавка усиливает такое физическое свойство железа, как твердость. Дешевый материал вскоре широко проник во все сферы деятельности человека и сделал переворот в развитии общества. Ведь еще в древние времена железные изделия покрывались толстым слоем золота. Оно имело высокую цену по сравнению с благородным металлом.

Железо в природе

Одного алюминия в литосфере содержится больше, чем железа. В природе его можно встретить только в виде соединений. Трехвалентное железо, вступая в реакцию, окрашивает почву в бурый цвет и придает песку желтоватый оттенок. Оксиды и сульфиды железа разбросаны в земной коре, иногда наблюдаются скопления минералов, из которых впоследствии и добывают металл. Содержание двухвалентного железа в некоторых минеральных источниках придает воде особый привкус.

Ржавая вода, текущая из старых водопроводных труб, окрашивается за счет трехвалентного металла. Его атомы находятся и в организме человека. Они содержатся в гемоглобине (железосодержащем белке) крови, который снабжает организм кислородом и выводит углекислый газ. В составе некоторых метеоритов содержится чистое железо, иногда встречаются целые слитки.

Какими физическими свойствами железо обладает?

Это пластичный серебристо-белого цвета металл с сероватым оттенком, имеющий металлический блеск. Он является хорошим проводником электрического тока и теплоты. Благодаря пластичности он прекрасно поддается ковке и прокатке. Железо не растворяется в воде, но разжижается в ртути, плавится при температуре 1539 и кипит при 2862 градусов по Цельсию, имеет плотность 7,9 г/см³. Особенностью физических свойств железа является то, что металл притягивается магнитом и после аннулирования внешнего магнитного поля хранит намагниченность. Используя эти свойства его можно применять для изготовления магнитов.

Химические свойства

Железо обладает следующими свойствами:

на воздухе и в воде легко окисляется, покрываясь ржавчиной;
в кислороде накаленная проволока горит (при этом образуется окалина в виде оксида железа);
при температуре 700-900 градусов по Цельсию вступает в реакцию с парами воды;
при нагревании реагирует с неметаллами (хлором, серой, бромом);
вступает в реакции с разбавленными кислотами, в результате получаются соли железа и водород;
не растворяется в щелочах;
способно вытеснить металлы из растворов их солей (железный гвоздь, в растворе медного купороса, покрывается красным налетом, - это выделяется медь);
в концентрированных щелочах при кипячении проявляется амфотерность железа.

Особенность свойств

Одним из физических свойств железа является ферромагнитность. На практике с магнитными свойствами этого материала приходится встречаться часто. Это - единственный металл, который обладает такой редкостной чертой.

Под действием магнитного поля происходит намагничивание железа. Сформировавшиеся магнитные свойства металл еще долго сохраняет и сам остается магнитом. Такое исключительное явление объясняется тем, что структура железа содержит большое количество свободных электронов, способных передвигаться.

Запасы и добыча

Одним из самых распространенных элементов на земле является железо. По содержанию в земной коре занимает четвертое место. Известно множество руд, которые содержат его, например, магнитный и бурый железняк. Металл в промышленности получают в основном из руд гематита и магнетита при помощи доменного процесса. Вначале происходит его восстановление углеродом в печи при высокой температуре 2000 градусов по Цельсию.

Для этого сверху в доменную печь подают железную руду, кокс и флюс, а снизу нагнетается поток горячего воздуха. Также применяют и прямой процесс получения железа. Измельченную руду перемешивают со специальной глиной, получая окатыши. Далее их обжигают и с помощью водорода обрабатывают в шахтной печи, где оно легко восстанавливается. Получают твердое железо, а потом переплавляют его в электрических печах. Чистый металл восстанавливают из оксидов при помощи электролиза водных растворов солей.

Преимущества железа

Основные физические свойства вещества железа дают ему и сплавам следующие преимущества перед другими металлами:

Недостатки

Кроме большого числа положительных качеств, есть и ряд отрицательных свойств металла:

Изделия подвержены коррозии. Для устранения этого нежелательного эффекта с помощью легирования получают нержавеющие стали, а в остальных случаях делают специальную антикоррозийную обработку конструкций и деталей.
Железо накапливает статическое электричество, поэтому изделия, содержащие его, подвергаются электрохимической коррозии и также требуют дополнительной обработки.
Удельный вес металла составляет 7,13 г/см³. Это физическое свойство железа придает конструкциям и деталям повышенный вес.

Состав и структура

У железа по кристаллическому признаку есть четыре модификации, которые отличаются структурой и параметрами решетки. Для выплавки сплавов именно наличие фазовых переходов и легирующих добавок имеет существенное значение. Различают следующие состояния:

Альфа-фаза. Она сохраняется до 769 градусов по Цельсию. В этом состоянии железо сохраняет свойства ферромагнетика и обладает объемно-центрированной решеткой кубического типа.
Бета-фаза. Существует при температуре от 769 до 917 градусов по Цельсию. Имеет немного другие параметры решетки, чем в первом случае. Все физические свойства железа остаются прежними за исключением магнитных, их оно утрачивает.
Гамма-фаза. Строение решетки становится гранецентрированным. Такая фаза проявляется в диапазоне 917-1394 градусов Цельсия.
Омега-фаза. Такое состояние металла появляется при температуре выше 1394 градусов Цельсия. От прежней отличается только параметрами решетки.

Железо - самый востребованный металл в мире. Больше 90 процентов всего металлургического производства приходится именно на него.

Применение

Люди начали использовать сначала метеоритное железо, которое ценили выше золота. С тех пор область применения этого металла только расширялась. Ниже представлено применение железа, на основе его физических свойств:

ферромагнитные оксиды используют для производства магнитных материалов: промышленных установок, холодильников, сувениров;
оксиды железа применяют как минеральные краски;
хлорид железа незаменим в радиолюбительской практике;
сульфаты железа используют в текстильной промышленности;
магнитная окись железа - один из важных материалов для производства устройств долговременной компьютерной памяти;
ультрадисперсный порошок железа находит применение в черно-белых лазерных принтерах;
прочность металла позволяет изготовлять оружие и броню;
износостойкий чугун можно использовать для производства тормозов, дисков сцепления, а также деталей для насосов;
жаростойкий - для доменных, термических, мартеновских печей;
жаропрочный - для компрессорного оборудования, дизельных двигателей;
высококачественная сталь используется для газопроводов, корпуса отопительных котлов, сушилок, стиральных и посудомоечных машин.

Заключение

Под железом часто подразумевают не сам метал, а его сплав - низкоуглеродистую электротехническую сталь. Получение чистого железа довольно сложный процесс, и поэтому его используют только для производства магнитных материалов. Как уже отмечалось, что исключительное физическое свойство простого вещества железа - это ферромагнетизм, т. е. способность намагничиваться в присутствии магнитного поля.

Магнитные свойства чистого металла до 200 раз превышают такие же показатели технической стали. На это свойство влияет и зернистость металла. Чем крупнее зерно, тем выше магнитные свойства. В некоторой степени оказывает влияние и механическая обработка. Такое чистое железо, удовлетворяющее этим требованиям, используют для получения магнитных материалов.

Известное человечеству носило космическое происхождение, а, точнее говоря, метеоритное. Как инструментальный материал оно стало использоваться примерно 4 тыс. лет до нашей эры. Технология выплавки металла несколько раз появилась на свет и терялась в результате войн и смут, но, как считают историки, первыми освоили выплавку хетты.

Стоит отметить, что речь идет о сплавах железа с небольшим количеством примесей. Химически чистый металл стало возможным получить лишь с появлением современных технологий. Данная статья расскажет вам в подробностях об особенностях производства металла методом прямого восстановления, кричном, губчатого, сыродутного, горячебрикетированного железа, коснемся изготовления хлорного и чистого вещества.

Для начала стоит рассмотреть способ производство железа из железной руды. Железо – элемент весьма распространенный. По содержанию в земной коре металл занимает 4 место среди всех элементов и 2 среди металлов. В литосфере железо представлено обычно в виде силикатов. Наибольшее его содержание отмечено в основных и ультраосновных породах.

Практически все горные руды содержат какую-то толику железа. Однако разрабатываются лишь те породы, в которых доля элемента имеет промышленное значение. Но и в этом случае количество пригодных для разработки минералов более чем велико.

Прежде всего, это железняк – красный (гематит), магнитный (магнитит) и бурый (лимонит). Это сложные оксиды железа с содержанием элемента в 70–74%. Бурый железняк чаще встречается в корах выветривания, где формирует так называемые «железные шляпы» толщиной до нескольких сот метров. Остальные имеют в основном осадочное происхождение.
Очень распространен сульфид железа – пирит или серный колчедан, однако железной рудой он не считается и идет на производство серной кислоты.
Сидерит – карбонат железа, включает до 35%, это руда средняя по содержанию элемента.
Марказит – включает до 46,6%.
Миспикель – соединение с мышьяком и серой, содержит до 34,3% железа.
Леллингит – включает всего 27,2% элемента и считается рудой бедной.

Минеральные породы классифицируют по доле железа таким образом:

богатые – с содержанием металла более, чем 57%, с долей кремнезема менее 8–10%, и примесью серы и фосфора менее 0,15%. Такие руды не обогащаются, сразу отправляются на производство;
руда со средним содержанием включает не менее 35% вещества и нуждается в обогащении;
бедные железные руды должны содержать не менее 26%, и тоже обогащаются перед отправкой в цех.

Общий технологический цикл производства железа в виде чугуна, стали и проката рассмотрен в этом видео:

Разработка месторождений

Существует несколько методов добычи руды. Применяют тот, который находят наиболее экономически целесообразным.

Открытый способ разработки – или карьерный. Рассчитан на неглубокое залегание минеральной породы. Для добычи выкапывают карьер глубиной до 500 м и шириной, зависящей от мощности месторождения. Железную руду извлекают из карьера и транспортируют машинами, рассчитанными на перевозку тяжелых грузов. Как правило, так добывают именно богатую руду, так что необходимости в ее обогащении не возникает.
Шахтный – при залегании породы на глубине 600–900 м, бурят шахты. Такая разработка куда более опасна, поскольку связана со взрывными подземными работами: обнаруженные пласты взрывают, а затем собранную руду транспортируют наверх. При всей своей опасности этот метод считается более эффективным.
Гидродобыча – в этом случае бурят скважины на определенную глубину. В шахту спускают трубы и подают воду под очень большим давлением. Водная струя дробит породу, а затем железную руду поднимают на поверхность. Скважинная гидродобыча мало распространена, так как требует больших затрат.

Технологии производства железа

Все металлы и сплавы разделяют на цветные (вроде , и т.п.) и черные. К последним относятся чугун и сталь. 95% всех металлургических процессов приходится на черную металлургию, .

Несмотря на невероятное разнообразие получаемых сталей технологий изготовления не так уж много. Кроме того, чугун и сталь – это не совсем 2 разных продукта, чугун – обязательная предварительная стадия получения стали.

Классификация продукции

И чугун, и сталь относят к сплавам железа, где легирующим компонентом выступает углерод. Доля его невелика, но он придает металлу очень высокую твердость и некоторую хрупкость. Чугун, поскольку содержит больше углерода, более хрупкий, чем сталь. Менее пластичен, но отличается лучшей теплоемкостью и стойкостью к внутреннему давлению.

Чугун получают при доменной плавке. Различают 3 вида:

серый или литейный – получают методом медленного остывания. Сплав содержит от 1,7 до 4,2% углерода. Серый чугун хорошо обрабатывается механическими инструментами, прекрасно заполняет формы, поэтому его используют для производства литьевых изделий;
белый – или передельный, получают при быстром остывании. Доля углерода – до 4,5%. Может включать дополнительные примеси , графита, марганца. Белый чугун отличается твердостью и хрупкостью и в основном применяется для выплавки стали;
ковкий – включает от 2 до 2,2% углерода. Производится из белого чугуна путем длительного прогревания отливок и медленного длительного охлаждения.

Сталь может включать не более 2% углерода, получают ее 3 основными способами. Но в любом случае суть сталеварения сводится к отжигу нежелательных примесей кремния, марганца, серы и так далее. Кроме того, если получают легированную сталь, то в процессе изготовления вводят дополнительные ингредиенты.

По назначению сталь разделяют на 4 группы:

строительная – применяют в виде проката без термической обработки. Это материал для сооружения мостов, каркасов, изготовления вагонов и так далее;
машиностроительная – конструкционная, относится к категории углеродистой стали, включает не более 0,75% углерода и не более 1,1% марганца. Используется для производства разнообразных машинных деталей;
инструментальная – также углеродистая, но с низким содержанием марганца – не более 0,4%. Из нее производят разнообразный инструмент, в частности, металлорежущий;
сталь специального назначения – к этой группе относят все сплавы с особыми свойствами: жаропрочная сталь, нержавеющая, кислотоупорная и так далее.

Предварительный этап

Даже богатую руду перед выплавкой чугуна необходимо подготовить – освободить от пустой породы.

Агломерационный метод – руда дробится, размалывается и засыпается вместе с коксом на ленту агломерационной машины. Лента проходит через горелки, где под действием температуры загорается кокс. При этом руда спекается, а сера и другие примеси выгорают. Полученный агломерат подается в бункерные чаши, где охлаждается водой и продувается потоком воздуха.
Метод магнитной сепарации – руду дробят и подают на магнитный сепаратор, поскольку железо обладает способностью намагничиваться, минералы при промывании водой остаются в сепараторе, а пустая порода вымывается. Затем из полученного концентрата делает окатыши и горячебрикетированное железо. Последние допускается использовать для приготовления стали, минуя стадию получения чугуна.

Данное видео расскажет во всех подробностях о производстве железа:

Выплавка чугуна

Чугун выплавляют из руды в доменной печи:

приготавливают шихту – агломерат, окатыши, кокс, известняк, доломит и прочее. Состав зависит от вида чугуна;
шихту скиповым подъемником загружают в доменную печь. Температура в печи – 1600 С, снизу подается горячий воздух;
при такой температуре железо начинает плавиться, а кокс гореть. При этом происходит восстановление железа: сначала при сгорании угля получают угарный газ. Угарный газ реагирует с оксидом железа с получением чистого металла и углекислого газа;
флюс – известняк, доломит, добавляется в шихту для перевода нежелательных примесей в форму, которую легче устранить. Например, оксиды кремния не плавятся при такой низкой температуре и отделить их от железа невозможно. Но при взаимодействии с оксидом кальция, получаемым разложением известняка, кварц превращается в силикат кальция. Последний плавится при такой температуре. Он легче, чем чугун и остается плавать на поверхности. Отделить его достаточно просто – шлак периодически выпускают через летки;
жидкий чугун и шлак по разным каналам стекают в ковши.

Полученный чугун в ковшах транспортируют в сталеплавильный цех или к разливочной машине, где получают чугунные слитки.

Выплавка стали

Превращение чугуна в сталь производится 3 способами. В процессе выплавки выжигается лишний углерод, нежелательные примеси, а также добавляются необходимые компоненты – при варке специальных сталей, например.

Мартеновский – самый популярный метод получения, поскольку обеспечивает высокое качество стали. Расплавленный или твердый чугун с добавкой руды или скрапа подают в мартеновскую печь и плавят. Температура – около 2000 С, поддерживается за счет горения газообразного топлива. Суть процесса сводится к выжиганию углерода и других примесей из железа. Необходимые добавки, если речь идет о легированной стали, добавляют в конце выплавки. Готовый продукт разливают в ковши или на слитки в изложницы.

Кислородно-конвертный метод – или бессемеровский. Отличается более высокой производительностью. Технология включает продувку сквозь толщу чугуна сжатого воздуха под давлением в 26 кг/кв. см. При этом углерод сгорает, и чугун становится сталью. Реакция экзотермическая, так что температура при этом повышается до 1600 С. Чтобы повысить качество продукции, сквозь чугун продувают смесь воздуха с кислородом или даже чистый кислород.
Электроплавильный метод считается самым эффективным. Чаще всего его используют для получения многократно легированных сталей, так как технология выплавки в этом случае исключает попадание ненужных примесей из воздуха или газа. Температура в печидля производства железа достигается максимальная – около 2200 С за счет электродуги.

Прямое получение

С 1970 года стал использоваться и способ прямого восстановления железа. Метод позволяет миновать затратную стадию получения чугуна в присутствии кокса. Первые установки такого рода не отличались производительностью, но на сегодня способ стал довольно известен: оказалось, что в качестве восстановителя можно применять природный газ.

Сырьем для восстановления служат окатыши. Их загружают в шахтную печь, прогревают и продувают продуктом конверсии газа – угарный газ, аммиак, но в основном водород. Реакция происходит при температуре в 1000 С, при этом водород восстанавливает железо из оксида.

О производителях традиционного (не хлорного и т.п.) железа в мире поговорим ниже.

Известные производители

Самая большая доля месторождений железной руды приходится на Россию и Бразилию – 18%, Австралию – 14%, а также Украину – 11%. Крупнейшими экспортерами являются Австралия, Бразилия и Индия. Пик стоимости железа наблюдался в 2011 году, когда тонна металла оценивалась в 180 $. К 2016 цена упала до 35 $ за тонну.

К наиболее крупным производителям железа относят следующие компании:

Vale S. A. – бразильская горнодобывающая компания, крупнейший производитель железа и ;
BHP Billiton – австралийская компания. Основное ее направление – добыча нефти и газа. Но при этом она же является крупнейшим поставщиком меди и железа;
Rio Tinto Group – австралийско-британский концерн. Rio Tinto Group добывает и производит золото, железо, алмазы и уран;
Fortescue Metals Group – еще одна австралийская компания, специализирующаяся по добыче руды и производству железа;
В России крупнейшим производителем выступает Евразхолдинг – металлургическая и горнодобывающая компания. Также известны на мировом рынке Металлинвест и ММК;
ООО «Метинивест холдинг» – украинская горно-металлургическая компания.

Распространенность железа велика, способ добычи достаточно прост, да и выплавка в конечном счете – процесс экономически выгодный. Вместе с физическими характеристиками производство и обеспечивает железу роль главного конструкционного материала.

Изготовление хлорного железа показано в этом видеоролике:

Вакуумное плавление

Промышленные сорта технического железа (типа армко), получаемые пирометаллургическим способом, отвечают чистоте 99,75-99,85% Fe. Удаление летучих металлических, а также неметаллических примесей (С, О, S, Р, N) возможно переплавкой железа в глубоком вакууме или отжигом в атмосфере сухого водорода. При индукционной плавке железа в вакууме из металла удаляются легколетучие примеси, скорость испарения которых возрастает от мышьяка к свинцу в следующей последовательности:

As→S→Sn→Sb→Cu→Mn→Ag→Pb.

После часовой плавки в вакууме 10в-3 мм рт. ст. при 1580° С из железа удалилась большая часть примесей сурьмы, меди, марганца, серебра и свинца. Хуже удаляются примеси хрома, мышьяка, серы и фосфора, а примеси вольфрама, никеля и кобальта практически не удаляются.
При 1600° С упругость пара меди в 10 раз выше, чем железа; при плавлении железа в вакууме (10в-3 мм рт. ст.) содержание меди понижается до 1*10в-3 % а марганца уменьшается за час на 80%. Значительно снижается содержание примесей висмута, алюминия, олова и других легколетучих примесей; при этом повышение температуры влияет на снижение содержания примесей более эффективно, чем увеличение продолжительности плавки.
В присутствии кислородных включений могут образовываться летучие окислы вольфрама, молибдена, титана, фосфора и углерода, что приводит к снижению концентрации этих примесей. Существенно возрастает очистка железа от серы в присутствии кремния и углерода. Так, например, при содержании в чугуне 4,5% С и 0,25% S после плавления металла в вакууме содержание серы понижается до 7*10в-3 %.
Содержание газовых примесей при плавке железа уменьшается примерно на 30-80%. Содержание азота и водорода в расплавленном железе определяется давлением остаточных газов. Если при атмосферном давлении растворимость азота в железе равна ~0,4%, то при 1600° С и остаточном давлении 1*10в-3 мм рт. ст. она составляет 4*10в-5 %, а для водорода 3*10в-6 %. Удаление азота и водорода из расплавленного железа заканчивается в основном в течение первого часа плавки; при этом количество оставшихся газов приблизительно на два порядка выше их равновесного содержания при давлении 10в-3 мм рт. ст. Понижение содержания кислорода, присутствующего в форме окислов, может происходить в результате взаимодействия окислов с восстановителями - углеродом, водородом и некоторыми металлами.

Очистка железа дистилляцией в вакууме с конденсацией на нагретой поверхности

Амоненко с соавторами в 1952 г. применили способ вакуумной дистилляции железа с конденсацией его на нагретой поверхности.
Все легколетучие примеси конденсируются в более холодной зоне конденсатора, а железо, имеющее низкую упругость паров, остается в зоне с более высокой температурой.
Для плавки применялись тигли из окиси алюминия и бериллия емкостью до 3 л. Пары конденсировались на тонких листах из армко-железа, так как при конденсации на керамике железо при температуре конденсации спекалось с материалом конденсатора и при извлечении конденсата разрушалось.
Оптимальный режим дистилляции был следующим: температура испарения 1580° С, температура конденсации от 1300 (внизу конденсатора) до 1100° C (вверху). Скорость испарения железа 1 г/см2*ч; выход чистого металла ~ 80% от общего количества конденсата и более 60% от массы загрузки. После двухкратной перегонки железа значительно понизилось содержание примесей: марганца, магния, меди и свинца, азота и кислорода. При плавлении железа в алундовом тигле оно загрязнялось алюминием. Содержание углерода после первой дистилляции понизилось до 3*10в-3% и не уменьшалось при последующей дистилляции.
При температуре конденсации, равной 1200° С, образовывались игольчатые кристаллы железа. Остаточное сопротивление таких кристаллов, выраженное как отношение Rт/R0°C, при 77° К составляло 7,34*10в-2 и при 4,2° К 4,37*10в-3. Этому значению соответствует чистота железа 99,996%.

Электролитическое рафинирование железа

Электролитическое рафинирование железа можно осуществлять в хлоридном и сульфатном электролитах.
По одному из способов железо осаждали из электролита следующего состава: 45-60 г/л Fe2+ (в виде FeCl2), 5-10 г/л BaCl2 и 15 г/л NaHCO3. Анодами служили пластины из армко-железа, а катодами - чистый алюминий. При катодной плотности тока 0,1 а/дм2 и комнатной температуре был получен крупнокристаллический осадок, содержащий около 1*10в-2 % углерода, «следы» фосфора и свободной от примеси серы. Однако в металле содержалось значительное количество кислорода (1-2*10в-1%).
При использовании сульфатного электролита содержание серы в железе достигает 15*10в-3-5*10в-2 %. Для удаления кислорода железо обрабатывали водородом или плавили металл в вакууме в присутствии углерода. В этом случае содержание кислорода понижалось до 2*10в-3 %. Близкие результаты по содержанию кислорода (3*10в-3%) получаются при отжиге железа в токе сухого водорода при 900-1400° С. Десульфуризацию металла проводят в высоком вакууме, используя добавки олова, сурьмы и висмута, которые образуют летучие сульфиды.

Электролитическое получение чистого железа

Один из методов электролитического получения особо чистого железа (30-60 частей примесей на миллион) состоит в извлечении хлорного железа эфиром из раствора (6-н. HCl) и последующего восстановления хлорного железа весьма чистым железом до хлористого железа.
После дополнительной очистки хлористого железа от меди обработкой сернистым реактивом и эфиром получают чистый раствор хлористого железа, который подвергают электролизу. Полученные весьма чистые осадки железа для удаления кислорода и углерода подвергают отжигу в водороде. Компактное железо получают методом порошковой металлургии - прессованием в прутки и спеканием в атмосфере водорода.

Карбонильный метод очистки железа

Чистое железо получают разложением пентакарбонила железа Fe (CO)5 при 200-300° С. Карбонильное железо не содержит обычно сопутствующих железу примесей (S, Р, Cu, Mn, Ni, Co, Cr, Mo, Zn и Si). Однако в нем присутствуют кислород и углерод. Содержание углерода достигает 1%, однако его можно понизить до 3*10в-2%, добавляя к парам карбонила железа небольшое количество аммиака или обрабатывая железистый порошок водородом. В последнем случае содержание углерода понижается до 1*10в-2%, а примеси кислорода - до «следов».
Карбонильное железо имеет высокую магнитную проницаемость 20000 э и низкий гистерезис (6000). Оно применяется для изготовления ряда электротехнических деталей. Спеченное карбонильное железо настолько пластично, что его можно подвергать глубокой вытяжке. Термическим разложением паров карбонила железа получают покрытия из железа на различных поверхностях, нагретых до температуры выше точки разложения паров пентакарбонила.

Очистка железа зонной перекристаллизацией

Применение зонной плавки для очистки железа дало хорошие результаты. При зонном рафинировании железа снижается содержание следующих примесей: алюминия, меди, кобальта, титана, кальция, кремния, магния и др.
Железо, содержащее 0,3% С, очищали методом плавающей зоны. За восемь проходов зоны со скоростью 0,425 мм/мин после вакуумной плавки была получена микроструктура железа, свободная от включений карбидов. За шесть проходов зоны содержание фосфора уменьшалось в 30 раз.
Слитки после зонной плавки обладали высокой пластичностью при растяжении даже в области гелиевых температур. С повышением чистоты железа уменьшалось содержание кислорода. При многократном зонном рафинировании содержание кислорода составляло 6 ч. на миллион.
Согласно данным работы, зонную плавку электролитического железа проводили в атмосфере очищенного аргона. Металл находился в лодочке, приготовленной из окиси кальция. Зона перемещалась со скоростью 6 мм/ч. После девяти проходов зоны содержание кислорода понизилось с 4*10в-3% до 3*10в-4% в начале слитка; серы - с 15*10в-4 до 5*10в-4 %, а фосфора - с 1-2*10в-4 до 5*10в-6%. Способность железа к абсорбции катодного водорода снизилась в результате зонной плавки с (10-40)*10в-4 % до (3-5)*10в-4 %.
Стержни, изготовленные из карбонильного железа, очищенного зонной плавкой, обладали чрезвычайно низкой коэрцитивной силой. После одного прохода зоны со скоростью 0,3 мм/мин минимальное значение коэрцитивной силы в стержнях составило 19 мэ и после пятикратного прохода 16 мэ.
Было исследовано поведение примесей углерода, фосфора, серы и кислорода в процессе зонной плавки железа. Опыты проводили в среде аргона в горизонтальной печи, обогреваемой индуктором, на слитке длиной 300 мм. Экспериментальное значение равновесного коэффициента распределения углерода было равно 0,29; фосфора 0,18; серы 0,05 и кислорода 0,022.
Коэффициент диффузии этих примесей был определен равным для углерода 6*10в-4 см21 сек, фосфора 1*10в4 см2/сек, серы 1*10в-4 см2/сек и для кислорода 3*10в-4 см2)сек, толщина диффузионного слоя соответственно равнялась 0,3; 0,11; 0,12 и 0,12 см.

Железо составляет более 5% земной коры. Для извлечения железа используются в основном такие руды, как гематит Fe2O3 и магнетит Fe3O4. В этих рудах содержится от 20 до 70% железа. Важнейшими примесями железа в этих рудах являются песок (оксид кремния(IV) SiO2) и глинозем (оксид алюминия Al2O3).

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 (рисунок 2.1), где: 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.

Восстановление проводится при температурах порядка 700°С:

Fe2O3(тв.) +3CO(г.) = 2Fe(ж.) + 3CO2(г.)

Для повышения выхода железа этот процесс проводится в условиях избытка диоксида углерода СO2.

Моноксид углерода СО образуется в доменной печи из кокса и воздуха (2.12). 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:

C(г.) + O2(г.) > CO2(г.) , ?H0m = -406 кДж/моль

Диоксид углерода поднимается вверх в печи и реагирует с новыми порциями кокса, образуя моноксид углерода (2.13). Эта реакция эндотермична:

CO2(г.) +С(тв.) > 2CO(г.) , ?H0m = +173 кДж/моль

Железо, образующееся при восстановлении руды, загрязнено примесями песка и глинозема. Для их удаления в печь добавляют известняк. При температурах, существующих в печи (800 0C), известняк подвергается термическому разложению с образованием оксида кальция и диоксида углерода:

СaCO3(тв.) >CaO(тв.) + CO2(г.)

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

CaO(тв.) + SiO2(тв.) >CaSiO3(ж.)

CaO(тв.) +Al2O3(тв.) >CaAl2O4(ж.)

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.

Производство стали: процесс переработки чугуна в сталь состоит в том, что из чугуна удаляется избыток углерода, серы, фосфора, кремния, марганца и других элементов. Удаление примесей осуществляется переведением их в оксиды, которые либо улетучиваются(CO и CO2), либо переходят в шлак. Переработка чугунов в сталь осуществляется тремя способами: бессемеровским, томасовским и мартеновским, которые выбирают в зависимости от состава чугуна и от сорта стали, которую нужно получить. Ниже подробно рассматриваются различные типы сталей, их свойства и применения.

Мартеновский способ отличается от последующих тем, что в нем используют твердые окислители в виде оксидов железа, содержащихся в руде, окалине и скрапе (металлоломе). Мартеновский процесс проводят в специальных печах, которые называются мартеновскими. Мартеновские печи (Рисунок 2.2), где: 1 -- свод, 2 -- завалочные окна, 3 -- ванна расплава, 4 -- головки, 5 -- регенераторы, 6 -- перекидные клапаны.

Мартеновские печи относятся к типу пламенных печей - они нагреваются пламенем, получаемым при сжигании горючих газов над поверхностью нагреваемой массы. В мартеновскую печь загружают чугун, руду и скрап в таком соотношении, чтобы кислорода оксидов железа было достаточно для окисления определенного количества примесей. Флюсы подбирают с таким расчетом, чтобы шлак был кислым или основным, в зависимости от характера выводимых примесей. Процесс плавки длится 5-6 часов. В течении этого времени периодически берут пробы расплавленной стали, определяют её состав и вносят необходимые компоненты в виде ферросплавов (сплавов железа с различными металлами и неметаллами, такими, как никель, марганец, титан, молибден, вольфрам, хром, кремний и другие). Большая длительность плавки позволяет изготовить сталь определенного состава. Применение воздуха, обогащенность кислородом, дает возможность достичь более высокой температуры и позволяет интенсифицировать процесс плавки и сократить её время до 4 часов.

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) (рисунок 2.3), где: 1-кислород и CaO, 2 -- трубка с водяным охлаждением для кислородного дутья, 3 - шлак. 4-ось, 5-расплавленная сталь, 6 - стальной корпус.

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 СaO. 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.

В зависимости от материала футеровки печи конверторный способ разделяют на два вида: бессемеровский и томасовский.

Бессемеровским способом перерабатывают чугуны, содержащие мало фосфора и серы и богатые кремнием (не менее 2%). При продувке кислорода сначала окисляется кремний с выделением значительного количества тепла. Вследствие этого начальная температура чугуна примерно с 1300°C быстро поднимается до 1500--1600°С. Выгорание 1% Si обусловливает повышение температуры на 200°C (2.17). Около 1500°C начинается интенсивное выгорание углерода. Вместе с ним интенсивно окисляется и железо, особенно к концу выгорания кремния и углерода:

Si(тв.) + O2(г.) = SiO2(тв.)

2C(тв.) + O2(г.) = 2CO(г.)
2Fe(тв.) + O2(г.) = 2FeO(тв.)

Образующийся монооксид железа, FeO, хорошо растворяется в расплавленном чугуне и частично переходит в сталь, а частично реагирует с SiO2 и в виде силиката железа FeSiO3 переходит в шлак:

FeO(тв.) + SiO2(тв.) = FeSiO3(тв.)

Фосфор полностью переходит из чугуна в сталь. Так P2O5 при избытке SiO2 не может реагировать с основными оксидами, поскольку SiO2 с последними реагирует более энергично. Поэтому фосфористые чугуны перерабатывать в сталь этим способом нельзя.

Все процессы в конверторе идут быстро -- в течение 10--20 минут, так как кислород воздуха, продуваемый через чугун, реагирует с соответствующими веществами сразу по всему объёму металла. При продувке воздухом, обогащенным кислородом, процессы ускоряются. Монооксид углерода CO, образующийся при выгорании углерода, пробулькивает вверх, сгорает там, образуя над горловиной конвертора факел светлого пламени, который по мере выгорания углерода уменьшается, а затем совсем исчезает, что и служит признаком окончания процесса. Получаемая при этом сталь содержит значительные количества растворенного монооксида железа FeO, который сильно снижает качество стали. Поэтому перед разливкой сталь надо обязательно раскислить с помощью различных раскислителей -- ферросилиция, фероманганца или алюминия:

2FeO(тв.) + Si(тв.) = 2Fe(тв.) + SiO2(тв.)

FeO(тв.) + Mn(тв.) = Fe(тв.) + MnO(тв.)

3FeO(тв.) + 2Al(тв.) = 3Fe(тв.) + Al2O3(тв.)

Монооксид марганца MnO как основной оксид реагирует с SiO2 и образует силикат марганца MnSiO3, который переходит в шлак. Оксид алюминия как нерастворимое при этих условиях вещество тоже всплывает наверх и переходит в шлак. Несмотря на простоту и высокую продуктивность, бессемеровский способ теперь не слишком распространен, поскольку он имеет ряд существенных недостатков. Так, чугун для бессемеровского способа должен быть с наименьшим содержанием фосфора и серы, что далеко не всегда возможно. При этом способе происходит очень большое выгорания металла, и выход стали составляет лишь 90% от массы чугуна, а также расходуется много раскислителей. Серьезным недостатком является невозможность регулирования химического состава стали.

Бессемеровская сталь содержит обычно менее 0,2% углерода и используется как техническое железо для производства проволоки, болтов, кровельного железа.

Томасовским способом перерабатывают чугун с большим содержанием фосфора (до 2 % и более). Основное отличие этого способа от бессемеровского заключается в том, что футеровку конвертера делают из оксидов магния и кальция. Кроме того, к чугуну добавляют ещё до 15 % CaO. Вследствие этого шлакообразующие вещества содержат значительный избыток оксидов с основными свойствами.

В этих условиях фосфатный ангидрид P2O5, который возникает при сгорании фосфора, взаимодействует с избытком CaO с образованием фосфата кальция и переходит в шлак:

4P(тв.) + 5O2(г.) = 2P2O5(тв.)

P2O5(тв.) + 3CaO(тв.) = Ca3(PO4)2(тв.)

Реакция горения фосфора является одним из главных источников тепла при этом способе. При сгорании 1 % фосфора температура конвертора поднимается на 150 °C. Сера выделяется в шлак в виде нерастворимого в расплавленной стали сульфида кальция CaS, который образуется в результате взаимодействия растворимого FeS с CaO по реакции:

FeS(ж.) + CaO(тв.) = FeO(ж.) + CaS(тв.)

Все последние процессы происходят так же, как и при бессемеровском способе. Недостатки Томасовского способа такие же, как и бессемеровского. Томасовская сталь также малоуглеродная и используется как техническое железо для производства проволоки, кровельного железа.

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 0С. При такой температуре металл плавится и образуется новая сталь. Каждая загрузка печи позволяет получить 25--50 т стали.

Качество стальных изделий можно улучшить дополнительной обработкой. Для этого применяют термическую обработку, цементацию, азолирование, алитиование и различные антикоррозионные покрытия.

Таким образом, промышленный метод получения железа является основным и он намного эффективнее лабораторного. Существует много промышленных методов получения железа, в их основу положено получение железа в следствии выплавки чугунка из железных руд, виплавки из чугунка стали. промыленные методы добывания железа постоянно модернизируются и на смену одной методике приходит новая.

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.

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.