Про железо - простым и доступным языком. Процессы прямого получения железа из руд

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.

Редко бывает так, что я посещаю одно и то же производство дважды. Но когда меня опять позвали на Лебединский ГОК и ОЭМК, то я решил, что нужно пользоваться моментом. Интересно было посмотреть, что изменилось за 4 года с прошлой поездки, к тому же в этот раз я был больше экипирован и помимо фотоаппарата, захватил с собой еще и 4К камеру для того, чтобы передать вам в действительности всю атмосферу, обжигающие и завораживающие глаза кадры с ГОКа и сталелитейных цехов Оскольского электрометаллургического комбината.

Сегодня специально для репортаж о добыче железной руды, ее переработке, переплавке и получении стальных изделий.

Лебединский ГОК является крупнейшим российским предприятием по добыче и обогащению железной руды и имеет самый крупный в мире карьер по добыче железной руды. Комбинат и карьер расположены в Белгородской области, недалеко от г. Губкин. Предприятие входит в компанию "Металлоинвест" и является лидирующим производителем железорудной продукции в России.

Вид со смотровой площадки при въезде на карьер завораживает.

Он действительно огромный и разрастается с каждым днем. Глубина карьера Лебединского ГОКа - 250 м от уровня моря или 450 м - от поверхности земли (а диаметр - 4 на 5 километров), в него постоянно просачиваются подземные воды, и если бы не работа насосов, то он заполнился до самого верха за месяц. Он дважды занесен в книгу рекордов Гиннесса как крупнейший карьер по добыче негорючих полезных ископаемых.

Так он выглядит с высоты полета шпионского спутника.

Помимо Лебединского ГОКа, в состав Металлоинвест также входит Михайловский ГОК, что расположен в Курской области. Вместе два крупнейших комбината выводят компанию в мировые лидеры по добыче и переработке железной руды в России, и в 5-ку в мире по производству товарной железной руды. Совокупные разведанные запасы этих комбинатов оцениваются в 14,2 млрд тонн по международной классификации JORС, что гарантирует около 150 лет эксплуатационного периода при текущем уровне добычи. Так что горняки и их дети будут надолго обеспечены работой.

Погода в этот раз также не была солнечной, местами даже моросил дождь, чего не было в планах, но от того фотографии вышли еще контрастнее).

Примечательно, что прямо “в сердце” карьера расположен участок с пустой породой, вокруг которого уже добыли всю руду содержащую железо. За 4 года он заметно уменьшился, поскольку сие мешает дальнейшему развитию карьера и его планомерно вырабатывают тоже.

Железную руду загружают тут же в жд составы, в специальные усиленные вагоны, которые вывозят руду из карьера, они называются думпкары, их грузоподъемность - 120 тонн.

Геологические пласты, по которым можно изучать историю развития Земли.

Кстати, верхние слои карьера, состоящие из каменных пород, не содержащих железо, не уходят в отвал, а перерабатываются в щебень, который потом используется как стройматериал.

Гигантские машины с высоты обзорной площадки кажутся не больше муравья.

По этой железной дороге, которая связывает карьер с заводами, руду транспортируют на дальнейшую переработку. Об этом рассказ будет дальше.

В карьере работает много всевозможной техники, но самая заметная, конечно же, - это многотонные самосвалы "Белаз" и "Caterpillar".

Кстати, у этих гигантов есть такие же автомобильные номера, как и обычных легковых авто и они зарегистрированы в ГИБДД.

В год оба горно обогатительных комбината входящих в Металлоинвест (Лебединский и Михайловский ГОК) производят около 40 млн. тонн железной руды в виде концентрата и аглоруды (это не объем добычи, а обогащенная уже руда, то есть отделенная от пустой породы). Таким образом выходит, что в день на двух ГОКах производится в среднем около 110 тысяч тонн обогащенной железной руды.

Этот Белаз за один раз перевозит до 220 тонн железной руды.

Экскаватор дает сигнал и он аккуратно дает задний ход. Всего несколько ковшов и кузов гиганта заполнен. Экскаватор еще раз дает сигнал и самосвал отъезжает.
У этого экскаватора "Хитачи", который является самым крупным в карьере емкость ковша 23 куб.м.

"Белаз" и "Caterpillar" чередуются. Импортный самосвал перевозит кстати всего 180 тонн.

Скоро и этой грудой заинтересуется водитель "Хитачи".

Интересная фактура у железной руды.

Ежесуточно в карьере Лебединского ГОКа работает 133 единицы основной горной техники (30 большегрузных самосвалов, 38 экскаваторов, 20 бурстанков, 45 тяговых агрегатов).

Белазы помельче

Взрывы увидеть не удалось, да и редко когда сми или блогеров пускают на них из-за норм безопасности, Такой взрыв делают один раз в три недели. Вся техника и работники по нормам безопасности перед этим выводится из карьера.

Ну а потом самосвалы выгружают руду ближе к железной дороге тут же в карьере, откуда другие экскаваторы перегружают ее в думпкары, о которых я писал выше.

Затем руду везут на обогатительную фабрику, где железистые кварциты подвергаются дроблению и происходит процесс отделения пустой породы методом магнитной сепарации: руду измельчают, потом отправляют на магнитный барабан (сепаратор), к которому в соответствии с законами физики все железное прилипает, а не железное - смывается водой. После этого из полученного железорудного концентрата делают окатыши и ГБЖ, которое затем используется для выплавки стали.

На фото мельница, перемалывающая руду.

В цехах стоят такие поильники, все-таки тут жарко, а без воды никак.

Масштабы цеха, где в барабанах дробится руда впечатляют. Руда перемалывается естественным образом, когда камни бьются друг о друга в процессе вращения. В барабан с семиметровым диаметром помещается около 150 тонн руды. Существуют и 9-метровые барабаны, их производительность больше чуть ли не вдвое!

Зашли на минуту в пульт управления цехом. Здесь довольно скромно, но напряжение чувствуется сразу: работают диспетчеры и контролируют рабочий процесс на пультах управления. Все процессы автоматизированы, поэтому любое вмешательство - будь то остановка или запуск какого либо из узлов проходит через них и с их непосредственным участием.

Следующей точкой маршрута стал комплекс третьей очереди цеха по производству горячебрикетированного железа - ЦГБЖ-3, на котором как вы уже догадались, производится горячебрикетированное железо.

Производственная мощность ЦГБЖ-3 составляет 1,8 млн тонн продукции в год, общий объем производственных мощностей компании с учетом 1 и 2 очереди по производству ГБЖ вырос совокупно до 4,5 млн тонн в год.

Комплекс ЦГБЖ-3 занимает территорию в 19 гектаров, и в него входит около 130 объектов: станции грохочения шихты и продукта, тракты и транспортировки окисленных окатышей и готовой продукции, системы обеспыливания нижнего уплотнительного газа и ГБЖ, эстакады трубопроводов, редукционная станция природного газа, станция уплотнительного газа, электрические подстанции, реформер, компрессор технологического газа и другие объекты. Сама шахтная печь высотой 35,4 м, размещается в восьмиярусной металлоконструкции высотой 126 метров.

Также в рамках проекта также была проведена и модернизация сопутствующих производств - обогатительной фабрики и фабрики окомкования, обеспечивших выпуск дополнительных объемов железорудного концентрата (содержанием железа более 70%) и высокоосновных окатышей повышенного качества.

Производство ГБЖ сегодня является самым экологичным способ получения железа. При его производстве не образуются вредные выбросы, связанные с производством кокса, агломерата и чугуна, кроме того нет и твёрдых отходов в виде шлака. По сравнении с производством чугуна энергозатраты на производство ГБЖ ниже на 35%, выбросы парниковых газов - ниже на 60%.
Производится ГБЖ из окатышей при температуре около 900 градусов.

В последующем через пресс-форму или как ее еще называют “брикет-пресс” образуются железные брикеты.

Вот так выглядит товарная продукция:

Ну теперь немного позагораем в горячих цехах! Это Оскольский электрометаллургический комбинат, проще говоря ОЭМК, где плавится сталь.

Близко подходит нельзя, жар чувствуется ощутимо.

На верхних этажах горячий, богатый железом суп помешивают половником.

Занимаются этим жаростойкие сталевары.

Слегка пропустил момент выливания железа в специальную емкость.

А это уже готовый железный суп, пожалуйте к столу, пока не остыл.

И еще один такой же.

А мы идем дальше по цеху. На рисунке можно заметить образцы стальных изделий, которые производит завод.

Производство здесь очень фактурное.

В одном из цехов комбината производят вот такие стальные заготовки. Их длина может достигать от 4 до 12 метров, в зависимости от желания заказчиков. На фото 6-ручьевая машина непрерывного литья заготовок.

Здесь видно, как заготовки режутся на куски.

В следующем цеху горячие заготовки охлаждаются водой до нужной температуры.

А так выглядят уже остывшие, но еще не обработанные изделия.

Это склад, куда помещаются такие полуфабрикаты.

А это многотонные, тяжелые валы для проката железа.

В соседнем цехе ОЭМК обтачивают и полируют стальные пруты разного диаметра, прошедшие прокат в предыдущих цехах. Кстати, этот комбинат - седьмое по величине предприятие в России по производству стали и стальной продукции.

После полировки продукция в соседнем цехе.

Еще один цех, здесь происходит обточка и полировка изделий.

Так они выглядят в необработанном виде.

Складывание полированных прутов воедино.

И складирование с помощью крана.

Основными потребителями металлопродукции ОЭМК на российском рынке являются предприятия автомобильной, машиностроительной, трубной, метизной и подшипниковой промышленности.

Нравятся сложенные аккуратно стальные пруты).

ОЭМК применяет передовые технологии, включая технологию прямого восстановления железа и электродуговой плавки, что обеспечивает производство металла высокого качества, с уменьшенным содержанием примесей.

Металлопродукция ОЭМК экспортируется в Германию, Францию, США, Италию, Норвегию, Турцию, Египет и многие другие страны.

Комбинат производит изделия, используемые ведущими мировыми автомобилестроителями, такими как Peugeot, Mercedes, Ford, Renault, Volkswagen. Из них делают подшипники для этих самых иномарок.

По требованию заказчика на каждое изделие клеится стикер. На стикере проштамповывается номер плавки и код марки стали.

Противоположный конец может маркироваться краской, а к каждому пакету к готовыми изделиями крепятся бирки с номером контракта, страны назначения, марки стали, номера плавки, размера в миллиметрах, наименования поставщика и веса пакета.

Спасибо, что дочитали до конца, надеюсь вам было интересно.
Отдельное спасибо кампании "Металлоинвест" за приглашение!

Жми на кнопку, чтобы подписаться на "Как это сделано"!

Технология получения железа в древности

Для получения железа из руды, сначала нужно получить крицу. Для этого сначала использовалась окисленная железная руда, которая чаще всего залегает у поверхности. После открытия ее свойств такие залежи быстро истощились в результате их интенсивной разработки.

Болотные руды распространены гораздо шире. Они образовались в субатлантическом периоде, когда в процессе заболачивания железная руда оседала на дно водоемов. Все средневековье черная металлургия использовала болотные руды. Ими даже платили повинности. Получение железа из руды в относительно большом количестве стало возможным после изобретения сыродутного горна. Это название появилось после изобретения дутья подогретым воздухом в доменных печах. В древности же металлурги подавали в горн сырой (холодный) воздух. При температуре 900 o с помощью углекислого газа, отнимающего у окиси железа кислород, происходит восстановление железа из руды и получается тесто или бесформенный, пропитанный шлаком пористый кусок – крица. Для осуществления этого процесса был необходим древесный уголь как источник углекислого газа. Крица после этого проковывалась, для того чтобы удалить из нее шлак. Сыродутный способ, иногда называемый варкой железа, неэкономичен, но он долгое время оставался единственным и неизменным способом получения черного металла.

Сначала железо выплавляли в обычных, закрытых сверху ямах, позднее стали строить глиняные печи-горны. В рабочее пространство горна слоями загружали измельченную руду и уголь, все это поджигалось, и через отверстия-сопла специальными (кожаными) мехами нагнетался воздух. Каменная порода оседает в шлак при температуре 1300-1400 o , при которой получается сталь – железо, содержащее от 0.3 до 1.2%. углерода. При остывании оно становится очень твердым. Чтобы получить чугун – плавкое железо с содержанием углерода 1.5-5%, – нужна более сложная конструкция горна с большим рабочим пространством. При этом температура плавления железа оказывалась ниже, и оно частично вытекало из горна вместе со шлаком. При остывании оно становилось хрупким, и его поначалу выбрасывали, но потом научились использовать. Чтобы получить из чугуна ковкое железо, нужно удалить из него углерод.

Технология создания железных сплавов

Первым устройством для получения железа из руды была одноразовая сыродутная печь. При огромном количестве недостатков, долгое время это был единственный способ получить металл из руды.

Древние люди долгое время жили богато и счастливо - каменные топоры делали из яшмы, а для получения меди пережигали малахит, но все хорошее имеет тенденцию кончаться. Одной из причин краха античной цивилизации Средиземноморья стало истощение минеральных ресурсов. Золото кончилось не в казне, а в недрах, олово иссякло даже на «Оловянных островах». Хотя медь и добывается на Синае и Кипре до сих пор, но те месторождения, которые разрабатываются сейчас, римлянам доступны не были. Среди прочего, кончилась и пригодная для сыродутной обработки руда. Только свинца ещё было много.

Впрочем, варварские племена, заселившие ставшую бесхозной Европу, долгое время не знали, что недра её истощены предшественниками. Учитывая громадное падение объёма производства металлов, тех ресурсов, которыми римляне побрезговали, долгое время хватало. Позже, металлургия стала возрождаться в первую очередь в Германии и Чехии - то есть, там, куда римляне не добрались с кирками и тачками.

Более высокую ступень в развитии чёрной металлургии представляли собой постоянные высокие печи называемые в Европе штукофенами. Это действительно была высокая печь - с четырёхметровой трубой для усиления тяги. Мехи штукофена качались уже несколькими людьми, а иногда и водяным двигателем. Штукофен имел дверцы, через которые раз в сутки извлекалась крица.

Изобретены штукофены были в Индии в начале первого тысячелетия до новой эры. В начале нашей эры они попали в Китай, а в VII веке вместе с «арабскими» цифрами арабы заимствовали из Индии и эту технологию. В конце XIII века штукофены стали появляться в Германии и Чехии (а ещё до того были на юге Испании) и в течение следующего века распространились по всей Европе.

Производительность штукофена была несравненно выше, чем сыродутной печи - в день он давал до 250 кг железа, а температура плавления в нем оказывалась достаточна для науглероживания части железа до состояния чугуна. Однако штукофенный чугун при остановке печи застывал на её дне, смешиваясь со шлаками, а очищать металл от шлаков умели тогда только ковкой, но как раз ей-то чугун и не поддавался. Его приходилось выбрасывать.

Иногда, впрочем, штукофенному чугуну пытались найти какое-то применение. Например, древние индусы отливали из грязного чугуна гробы, а турки в начале XIX века - пушечные ядра. Трудно судить, как гробы, но ядра из него получались - так себе.

Ядра для пушек из железистых шлаков в Европе отливали еще в конце XVI в. Из литой брусчатки делались дороги. В Нижнем Тагиле до сих пор сохранились здания с фундаментами из литых шлаковых блоков.

Металлурги давно заметили связь между температурой плавления и выходом продукта - чем выше она была, тем большую часть содержащегося в руде железа удавалось восстановить. Потому рано или поздно им приходила мысль форсировать штукофен предварительным подогревом воздуха и увеличением высоты трубы. В середине XV века в Европе появились печи нового типа - блауофены, которые сразу преподнесли сталеварам неприятный сюрприз.

Более высокая температура плавления действительно значительно повысила выход железа из руды, но она же повысила и долю железа науглероживающегося до состояния чугуна. Теперь уже не 10 %, как в штукофене, а 30 % выхода составлял чугун - «свиное железо», ни к какому делу не годное. В итоге, выигрыш часто не окупал модернизации.

Блауофенный чугун, как и штукофенный, застывал на дне печи, смешиваясь со шлаками. Он выходил несколько лучшим, так как его самого было больше, следовательно, относительное содержание шлаков выходило меньше, но продолжал оставаться малопригодным для литья. Чугун получаемый из блауофенов оказывался уже достаточно прочен, но оставался ещё очень неоднородным - из него выходили только предметы простые и грубые - кувалды, наковальни. Уже прилично выходили пушечные ядра.

Кроме того, если в сыродутных печах могло быть получено только железо, которое потом науглероживалось, то в штукофенах и блауофенах внешние слои крицы оказывались состоящими из стали. В блауофенных крицах стали было даже больше, чем железа. С одной стороны, это казалось хорошо, но, вот, разделить-то сталь и железо оказывалось весьма затруднительно. Содержание углерода становилось трудно контролировать. Только долгой ковкой можно было добиться однородности его распределения.

В своё время, столкнувшись с этими затруднениями, индусы не стали двигаться дальше, а занялись тонким усовершенствованием технологии и пришли к получению булата. Но, индусов в ту пору интересовало не количество, а качество продукта. Европейцы, экспериментируя с чугуном, скоро открыли передельный процесс, поднимающий металлургию железа на качественно новый уровень.

Следующим этапом в развитии металлургии стало появление доменных печей. За счёт увеличения размера, предварительного подогрева воздуха и механического дутья, в такой печи все железо из руды превращалось в чугун, который расплавлялся и периодически выпускался наружу. Производство стало непрерывным - печь работала круглосуточно и не остывала. За день она выдавала до полутора тонн чугуна. Перегнать же чугун в железо в горнах было значительно проще, чем выколачивать его из крицы, хотя ковка все равно требовалась - но теперь уже выколачивали шлаки из железа, а не железо из шлаков.

Доменные печи впервые были применены на рубеже XV-XVI веков в Европе. На Ближнем Востоке и в Индии эта технология появилась только в XIX веке (в значительной степени, вероятно, потому, что водяной двигатель из-за характерного дефицита воды на Ближнем Востоке не употреблялся). Наличие в Европе доменных печей позволило ей обогнать в XVI веке Турцию если не по качеству металла, то по валу. Это оказало несомненное влияние на исход борьбы, особенно когда оказалось, что из чугуна можно лить пушки.

С начала XVII века европейской кузницей стала Швеция, производившая половину железа в Европе. В середине XVIII века её роль в этом отношении стала стремительно падать в связи с очередным изобретением - применением в металлургии каменного угля.

Прежде всего надо сказать, что до XVIII века включительно каменный уголь в металлургии практически не использовался - из-за высокого содержания вредных для качества продукта примесей, в первую очередь - серы. С XVII века в Англии каменный уголь, правда, начали применять в пудлинговочных печах для отжига чугуна, но это позволяло достичь лишь небольшой экономии древесного угля - большая часть топлива расходовалась на плавку, где исключить контакт угля с рудой было невозможно.

Среди многих металлургических профессий того времени, пожалуй, самой тяжелой была профессия пудлинговщика. Пудлингование было основным способом получения железа почти на протяжении всего XIX в. Это был очень тяжелый и трудоемкий процесс. Работа при нем шла так: На подину пламенной печи загружались чушки чугуна; их расплавляли. По мере выгорания из металла углерода и других примесей температура плавления металла повышалась и из жидкого расплава начинали «вымораживаться» кристаллы довольно чистого железа. На подине печи собирался комок слипшейся тестообразной массы. Рабочие-пудлинговщики приступали к операции накатывания крицы при помощи железного лома. Перемешивая ломом массу металла, они старались собрать вокруг лома комок, или крицу, железа. Такой комок весил до 50 - 80 кг и более. Крицу вытаскивали из печи и подавали сразу под молот - для проковки с целью удаления частиц шлака и уплотнения металла.

Устранять серу коксованием научились в Англии в 1735 году, после чего возможность использовать для выплавки железа большие запасы каменного угля. Но за пределами Англии эта технология распространилась только в XIX веке.

Потребление же топлива в металлургии уже тогда было огромно - домна пожирала воз угля в час. Древесный уголь превратился в стратегический ресурс. Именно изобилие дерева в самой Швеции и принадлежащей ей Финляндии позволило шведам развернуть производство таких масштабов. Англичане, имевшие меньше лесов (да и те были зарезервированы для нужд флота), вынуждены были покупать железо в Швеции до тех пор, пока не научились использовать каменный уголь.

Электрический и индукционный способы выплавки железа

Разнообразие составов сталей очень затрудняет их выплавку. Ведь в мартеновской печи и конвертере атмосфера окислительная, и такие элементы, как хром, легко окисляются и переходят в шлак, т.е. теряются. Значит, чтобы получить сталь с содержанием хрома 18%, в печь надо дать гораздо больше хрома, чем 180 кг на тонну стали. А хром – металл дорогой. Как найти выход из этого положения?

Выход был найден в начале XX в. Для выплавки металла было предложено использовать тепло электрической дуги. В печь круглого сечения загружали металлолом, заливали чугун и опускали угольные или графитовые электроды. Между ними и металлом в печи («ванне») возникала электрическая дуга с температурой около 4000°C. Металл легко и быстро расплавлялся. А в такой закрытой электропечи можно создавать любую атмосферу – окислительную, восстановительную или совершенно нейтральную. Иными словами, можно предотвратить выгорание ценных элементов. Так была создана металлургия качественных сталей.

Позднее был предложен еще один способ электроплавки – индукционный. Из физики известно, что если металлический проводник поместить в катушку, по которой проходит ток высокой частоты, то в нем индуцируется ток и проводник нагревается. Этого тепла хватает, чтобы за определенное время расплавить металл. Индукционная печь состоит из тигля, в футеровку которого вделана спираль. По спирали пропускают ток высокой частоты, и металл в тигле расплавляется. В такой печи тоже можно создать любую атмосферу.

В электрических дуговых печах процесс плавки идет обычно в несколько стадий. Сначала из металла выжигают ненужные примеси, окисляя их (окислительный период). Затем из печи убирают (скачивают) шлак, содержащий окислы этих элементов, и загружают ферросплавы – сплавы железа с элементами, которые нужно ввести в металл. Печь закрывают и продолжают плавку без доступа воздуха (восстановительный период). В результате сталь насыщается требуемыми элементами в заданном количестве. Готовый металл выпускают в ковш и разливают.

Химические реакции при получении железа

В современной промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe 2 O 3) и магнетита (Fe 3 O 4).

Существуют различные способы извлечения железа из руд. Наиболее распространённым является доменный процесс.

Первый этап производства - восстановление железа углеродом в доменной печи при температуре 2000 °C. В доменной печи углерод в виде кокса, железная руда в виде агломерата или окатышей и флюс (например, известняк) подаются сверху, а снизу их встречает поток нагнетаемого горячего воздуха.

В печи углерод кокса окисляется до монооксида углерода (угарного газа) кислородом воздуха:

2C + O 2 → 2CO.

В свою очередь, угарный газ восстанавливает железо из руды:

3CO + Fe 2 O 3 → 2Fe + 3CO 2 .

Флюс добавляется для извлечения нежелательных примесей из руды, в первую очередь силикатов, таких как кварц (диоксид кремния). Типичный флюс содержит известняк (карбонат кальция) и доломит (карбонат магния). Против других примесей используют другие флюсы.

Действие флюса: карбонат кальция под действием тепла разлагается до оксида кальция (негашёная известь):

CaCO 3 → CaO + CO 2 .

Оксид кальция соединяется с диоксидом кремния, образуя шлак:

CaO + SiO 2 → CaSiO 3 .

Шлак, в отличие от диоксида кремния, плавится в печи. Более лёгкий, чем железо, шлак плавает на поверхности, и его можно сливать отдельно от металла. Шлак затем употребляется в строительстве и сельском хозяйстве. Расплав железа, полученный в доменной печи, содержит довольно много углерода (чугун). Кроме случаев, когда чугун используется непосредственно, он требует дальнейшей переработки.

Излишний углерод и другие примеси (сера, фосфор) удаляют из чугуна окислением в мартеновских печах или в конвертерах. Электрические печи используют и для выплавки легированных сталей.

Кроме доменного процесса, распространён процесс прямого получения железа. В этом случае предварительно измельчённую руду смешивают с особой глиной, формируя окатыши. Окатыши обжигают, и обрабатывают в шахтной печи горячими продуктами конверсии метана, содержащими водород. Водород легко восстанавливает железо, при этом не происходит загрязнения железа такими примесями как сера и фосфор - обычными примесями в каменном угле. Железо получается в твёрдом виде, и в дальнейшем переплавляется в электрических печах.

Химически чистое железо получается электролизом растворов его солей.

Железные руды - природные минеральные образования, содержащие железо и его соединения в таком объёме, когда промышленное извлечение железа из этих образований целесообразно. Несмотря на то, что железо входит в большем или меньшем количестве в состав всех горных пород, под названием железных руд понимают только такие скопления железистых соединений, из которых с выгодой в экономическом отношении можно получить металлическое железо.

Железные руды представляют собой особые минеральные образования, в состав которых входит железо и его соединения. Данный тип руды считается железной, если доля этого элемента содержаться в таком объеме, чтобы в ее промышленное извлечение было экономически выгодным.

В черной металлургии используются три основных вида железорудной продукции:

— сепарированная железная руда (низкое содержание железа);

— аглоруда (среднее содержание железа);

— окатыши (сырая железосодержащая массы)

Залежи железной руды считаются богатыми, если доля железа в них составляет более 57%. Бедные железные руды могут содержать минимум 26% железа. Ученные выделяют два основных морфологических типа железной руды; линейные и плоскоподобные.

Линейные залежи железной руды представляют собой клиновидные рудные тела в зонах земных разломов, изгибов в процессе метаморфоза. Данный тип железных руд отличается особо высоким содержанием железа (54-69%) с низким содержанием серы и фосфора.

Плоскоподобные залежи можно найти на вершинах пластов железистых кварцитов. Они относятся к типовым корам выветривания.

Богатые железные руды, в основном, отправляют на выплавку в мартеновское и конверторное производство или же на прямое восстановление железа.

Основные промышленные типы месторождений железной руды:

— пластовые осадочные месторождения;
— комплексные титаномагнетитовые месторождения;
— месторождения железистых кварцитов и богатых руд;
— скарновые железорудные месторождения;

Второстепенные промышленные типы месторождений железной руды:

— железорудные сидеритовые месторождения;
— железорудные пластообразные латеритные месторождения;
— комплексные карбопатитовые апатит-магнетитовые месторождения;

Мировые запасы разведанных месторождений железной руды составляют 160 миллиардов тонн, в них содержится около 80 миллиардов тонн чистого железа. Крупнейшие месторождения железной руды найдены в Украине, а крупнейшие запасы чистого железа расположены на территории России и Бразилии.

Объем мировой добычи железной руды с каждым годом растет. В 2010 году было добыто более 2,4 млрд тонн железной руды, при этом, Китай, Австралия и Бразилия обеспечили две трети добычи. Если прибавить к ним Россию и Индию, то их суммарная доля на рынке составит более 80%.

Как добывают руду

Рассмотрим несколько основных вариантов добычи железной руды. В каждом конкретном случае выбор в пользу той или иной технологии делается с учетом расположения полезных ископаемых, экономической целесообразности использования того или иного оборудования и т.п.

В большинстве случаев, добыча руды происходит карьерным способом. То есть для организации добычи, сначала вырывается глубокий карьер приблизительно 200-300 метров в глубину. После этого прямо из его дна на больших машинах вывозится железная руда. Которая сразу же после добычи на тепловозах переправляется на различные комбинаты, где из нее изготавливается сталь. На сегодняшний день многие крупные предприятия производят добычу руды, в том случае если у них есть все необходимо оборудование для проведения таких работ.

Рыть карьер следует с использованием больших экскаваторов, однако следует учесть то, что данный процесс может отнять у вас достаточно много лет. После того как экскаваторы дороют до самого первого пласта железной руды, необходимо сдать ее на анализ экспертам, чтобы они смогли определить какой именно процент железа в ней содержится. Если этот процент будет не менее 57, то в таком случае будет экономически выгодным решение о добычи руды в этой местности. Такую руда можно смело перевозить на комбинаты, ведь после переработки из нее обязательно получится сталь высокого качества.

Однако это еще не все, следует очень тщательно проверять сталь, которая появляется в результате переработки железной руды. Если качество добываемой руды не будет соответствовать европейским стандартам, то следует понять, как улучшить качество производства.

Недостаток открытого метода состоит в том, что он позволяет добывать железную руду только на сравнительно небольшой глубине. Поскольку нередко она лежит гораздо глубже – на расстоянии в 600-900 м от поверхности земли – приходится строить шахты. Сначала делают ствол шахты, который напоминает очень глубокий колодец с надежно укрепленными стенками. От ствола в разные стороны отходят коридоры, которые называются штреками. Найденную в них железную руду взрывают, а затем ее куски с помощью специального оборудования поднимают на поверхность. Этот способ добычи железной руды эффективен, но в то же время связан с серьезной опасностью и затратен.

Есть и еще один способ, позволяющий добывать железную руду. Он называется СГД или скважинная гидродобыча. Руду извлекают из-под земли следующим образом: бурят глубокую скважину, опускают туда трубы с гидромонитором и с помощью очень сильной водной струи дробят породу, а затем поднимают ее на поверхность. Этот способ безопасен, однако, к сожалению, он пока неэффективен. Благодаря этому методу удается добыть только около 3% железной руды, в то время как с помощью шахт добывается примерно 70%. Тем не менее, разработкой метода скважинной гидродобычи занимаются специалисты, а потому есть надежда, что в будущем именно этот вариант станет основным, вытеснив карьеры и шахты.

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

Ядро Земли

На основании косвенных данных можно заключить, что ядро Земли представляет собой главным образом сплав железа. Его радиус приблизительно равен 3470 км, тогда как радиус Земли составляет 6370 км. Внутреннее ядро Земли, по всей видимости, находится в твердом состоянии и имеет радиус около 1200 км. Оно окружено жидким внешним ядром. Турбулентный поток жидкости в этой части ядра создает магнитное поле Земли. Давление внутри ядра находится в пределах от 1,3 до 3,5 миллиона атмосфер, а температура - в пределах

Хотя установлено, что ядро Земли состоит большей частью из железа, его точный состав неизвестен. Есть предположения, что от 8 до 10% массы земного ядра приходится на такие элементы, как никель, сера (в виде сульфида железа), кислород (в виде оксида железа) и кремний (в виде силицида железа).

По меньшей мере 12 стран в мире имеют разведанные запасы железных руд, которые превышают миллиард тонн. К числу этих стран относятся Австралия, Канада, США, ЮАР, Индия, СССР и Франция. Мировой уровень выплавки стали в настоящее время достигает 700 млн. т. Главными производителями стали являются СССР, США, Япония, в каждой из этих стран выплавляется более 100 млн. т. стали в год. В Великобритании уровень выплавки стали составляет 20 млн. т в год.

Производство железа

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 (рис. 14.12). Восстановление проводится при температурах порядка 700°С:

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

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:

Рис. 14.12. Доменная печь, 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.

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 (см. табл. 14.2). 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).

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) (рис. 14.13). Конвертер загружают в наклонном положении

Рис. 14.13. Конвертер для выплавки стали, 1-кислород и 2 - трубка с водяным охлаждением для кислородного дутья, 3 - шлак. 4-ось, 5-расплавленная сталь, 6 - стальной корпус.

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