Получение стали из руды

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.

В основу этого метода положено восстановление железа при низких температурах (порядка 700-900 0 С), при которых отсутствует восстановление других примесей и продукт получается в виде губчатой массы (железа).

Прямое восстановление железа дает возможность перерабатывать руды с низким содержанием железа и руды с большим содержанием вредных примесей, переработка которых неэкономична в доменных печах.

Железо, полученное прямым восстановлением из руд, находит широкое применение в электродной промышленности; губчатое железо, которое получается этим способом, является ценнейшим шихтовым материалом при выплавке качественных сталей.

Производство стали

Сталью называются сплавы железа с углеродом и другими элементами. Такие сплавы обладают пластическими свойствами как в нагретом, так и в холодном состоянии, и могут подвергаться прокатке, волочению, ковке, штамповке.

Сталь содержит до 2% углерода и некоторое количество марганца, кремния, а также вредные примеси (фосфор и серу). Кроме этих примесей, в стали могут содержаться и легирующие элементы: хром, никель, ванадий, титан и др.

В настоящее время сталь производят преимущественно путем передела чугуна, при котором из чугуна удаляется избыток углерода, кремния, марганца, а также вредных примесей для придания ей необходимых свойств. Углерод и другие примеси при высокой температуре соединяются с кислородом гораздо энергичнее, чем железо, и их можно удалять при незначительных потерях железа.

Другие примеси превращаются в окислы SiO_2, MnO, P₂O₅, которые вследствие меньшего по сравнению с металлом удельного веса всплывают и образуют шлак.

В настоящее время в промышленности в основном применяют конверторный и мартеновский методы получения стали; кроме того, сталь получают в электрических дуговых и индукционных печах.

Конвертированный способ получения стали

Сущность конвертируемого способа получения стали заключается в том, что через жидкий чугун, залитый в конвектор, продувается воздух, кислород которого окисляет углерод и другие примеси.

Конвертор: 1 – механизм для поворота конвертора; 2 – огнеупорная кладка; 3 – шлак; 4 – металл; 5 – каналы для подачи воздуха.

На рис. приведен общий вид обычного конвертора грушевидной формы, сваренного из толстой листовой стали и футерованного внутри огнеупорными материалами. Снаружи в средней части конверто­ров имеются два цилиндрических выступа, называемых цапфами, которые служат для опоры и поворота конвертора. Одна из цапф делается полой и соединяется с воздуховодом; от цапфы к днищу через трубу и воздушную коробку подводится воздух. В днище конвертора имеются отверстия —фурмы, через которые под давлением 2,0— 2,5 am воздух подается в конвертор.

Для заливки жидкого чугуна конвертор поворачивают из вертикального положения в горизонтальное. После заливки чугуна пускают дутье и конвертор поворачивают днищем вниз. Слой металла составляет 1/5 до 1/3 высоты цилиндрической части конвертора. Емкость современных конверторов, работающих на воздушном дутье, достигает до 40 m.

В конверторах применяют кислую и основную футеровки. Тепло, необходимое для нагрева жидкой стали до высоких температур, в этих процессах получается за счет химических реакций окисления примесей чугуна.

При этом примеси могут окислятся элементарным кислородом и кислородом закиси железа, которая растворяется в металле. При окислении примесей кислородом выделяется значительное количество тепла.

Примеси окисляются элементарным кислородом по следующей реакции:

Окисление примесей чугуна кислородом закиси железа FeO происходит по следующей реакции:

При окислении элементов наибольшее количество тепла выделяют кремний, фосфор и марганец. Недостаточное количество тепла от реакций компенсируется температурой жидкого чугуна.

Для получения стали методом продувки применяют два сорта чугунов: марки Б1 и Б2 – для кислого и Т1 – для основного процессов.

Чугун марки Б1 и Б2 содержат минимальное количество фосфора (0,07%) и серы (0,06%), чугун марки Т1 содержит фосфора 1,6 – 2,0%, а иногда до 2,5%.

В последнее время для продувки чугуна вместо воздуха применяют технический кислород, который позволяет повысить скорость плавки, выход годной стали за счет увеличения добавки твердой шихты и уменьшения химических примесей в чугуне, подвергающихся окислению.

Конвертор, работающий на кислородном дутье, по конструкции отличается от обычных тем, что имеет сплошное днище и кислород в него во время процесса плавки подается сверху, так как подача кислорода через донные фурмы приводит к быстрому их разрушению.

Конвертор на кислородной дутье: 1 – железный кожух; 2 – футеровка; 3 – металлическая трубка, по которой подается кислород; 4 – расплавленный металл.

Подача извести в струе кислорода обеспечивает исключительно высокую степень соединения и удаления фосфора и серы из металла в шлак.

Кислород применяется обычного качества (технический) при давлении до 6-8 am. При продувке томассовского чугуна, содержащего 3,6% С; 0,8% Mn; 0,4% Si; 1,7% P и 0,04% S, после промежуточного скачивания шлака содержание углерода в металле понижается до 0,6%, а фосфора – до 0,1%. Полученный шлак является хорошим удобрением для сельского хозяйства. После второго вдувания извести получают металл с содержанием 0,8% С; 0,31% Mn; 0,017% P; 1,014% S; 0,001% Ni и следы Si, т.е. получают сталь, по своему качеству подобную мартеновской. Расход кислорода составляет 60-65 м 3 , а извести 130-145 кг на 1 m чугуна. Длительность продувки в тридцатитонном конверторе составляет от 20 до 30 мин; расход футеровки до 10 кг на 1 m чугуна.

На современном этапе развития металлургического производства конверторный способ не разрешает еще полностью задачу получения стали с разнообразными свойствами. Для успешного ведения конверторного способа требуется чугун строго органического химического состава. Значительная часть железных руд позволяет получать чугун, который по своему химическому составу не подходит для конверторного производства. Большое количество лома (скрапа) черных металлов, имеющихся в промышленности, при конверторном производстве использовать полностью не возможно. Рациональное использование чугуна и более полное использование стального скрапа (металлическая стружка и лом) достигается при производстве стали в мартеновских и электрических печах.

Большинство металлов представляют собой химические соединения. Такая форма не позволяет получить полноценный материал для дальнейшего производства конечных изделий. Добываемая на месторождениях руда не подходит для данных целей. Чтобы получить из сырья металл, сырье должно подвергаться определенному технологическому процессу.

В какой форме металл встречается в природе?

Всего существует две разновидности, в которой добываются металлы:

1. Самородная форма. Платина, ртуть, золото, медь, серебро и некоторые другие металлы в природе находятся уже в свободном состоянии. Они не требуют длительной обработки. Чтобы получить сырье для изготовления конечного изделия, такие металлы очищают от примесей механически либо с задействованием реагентов.
2. В виде руды. Представляют собой соединения, которое находится в горных породах/минералах. Извлечение металла производится исключительно промышленным способам. В руде обычно встречаются либо оксид, либо соли металлов. К последним относятся сульфиды и карбонаты. Одна руда может содержать несколько металлов, то есть являются полиметаллическими, к примеру, медно-цинковые, свинцово-серебряные и другие.

Вторая форма встречается в природе гораздо чаще. Исключение составляют только драгоценные металлы, добыча которых связана с очисткой от посторонних примесей.

Какие способы получения металла существуют?

Руда, в которой содержатся разнообразные соединения металла, бывает разной. Конкретный состав влияет на технологию получения материала:

• Восстановление из оксидов с задействованием углерода. Относится к основному способу получения многих металлов. Из оловянного камня выплавляют — олово, из железной руды получают чугун. Из других металлов выплавку проводят из оксидов.
• Обжиг в специальной промышленной печи. Данная технология применяется к сернистой руде. Этот способ предполагает то, что в результате обжига в специальной печи получают сернистое соединение.

Состав руды напрямую влияет на конкретную технологию обработки руды.

Металлургическая промышленность

Представляет собой отрасль производства по получению разнообразных металлов из руды. Металлургией называют не только промышленное производство. Этот термин применяется и к науке, изучающей различные промышленные методы получения металла. Металлургический процесс представляет собой восстановление катионов металла с задействованием самых различных восстановителей.
Металл из руды получают при задействовании определенных восстановителей. Последние подбирают с учетом активной составляющей металла, затратах, соблюдения экологических правил. Обязательно рассматривают и целесообразность выполнения металлургического процесса. Применяют три основных технологии получения металла из различной руды:

• электрометаллургическую;
• пирометаллургическую;
• гидрометаллургическую.

Каждый метод обработки руды имеет свои особенности.

Гидрометаллургия

Заключается в восстановлении металла из солевых водяных растворов. Этот технологический процесс проводится в два этапа:

1. в правильно подобранном реагенте растворяют рудное соединение, которое позволяет получить раствор соли металла;
2. из раствора, полученного в первом шаге, вытесняют либо активные металлы, либо проводят электролитическое восстановление.

Чтобы получить чистую медь из руды с содержанием CuO, на сырье воздействуют серной разбавленной кислотой. Из раствора сульфата методом вытеснения железа либо электролизом получают чистую медь. По аналогичной (близкой к данной методике) вырабатывают золото, уран, цинк, молибден, серебро.

Электрометаллургия и пирометаллургия

Технология электрометаллургии представляет собой восстановление металла посредством метода электролиза расплава либо раствора из данных соединений. Подобным образом получают металлы из руды щелочных, щелочноземельных металлов или алюминия. Электролиз применяют для расплавов оксидов, хлоридов металлов, гидроксидов.
Пирометаллургия представляет собой технологию восстановления из руды при высокой температуре, а также с такими восстановителями, как магний, алюминий, двуокись углерода, водорода либо углерода. Олово получают из касситерита, а медь — из куприта путем прокаливания с коксом, то есть углеродом.

Получение металла из сульфидных и карбонатных руд

На первом этапе сульфидные руды подвергают обжигу, когда к сырью поступает воздух. В результате получают оксид, который восстанавливают с помощью угля. Аналогичным способом прокаливают карбонатные руды. Они распадаются под воздействием высоких температур и образуют оксиды, которые затем восстанавливают углем.

Данная процедура позволяет получить цинк, германий, свинец, железо, медь, кадмий и прочие металлы. Они отличаются тем, что не образуют прочные карбиды с углеродом. В качестве восстановителей могут выступать водород и активные металлы. Данный метод позволяет получать довольно чистые металлы. Чаще всего задействуют алюминий, который имеет высокую теплоту образования оксида.

Как получают щелочные металлы?

Массовое получение щелочных металлов считается одним из самых сложных процессов. Это обусловлено высокой активностью данного соединения, поскольку в природе оно встречается исключительно в связанном виде. Сильные восстановители требуют больших энергетических затрат. Они могут быть полученны четырьмя способами:

1. Литий производят из оксида в вакууме либо посредством электролиза хлорида этой руды, который получают путем переработки сподумена.
2. Натрий получают путем прокаливания соды и угля в закрытом плотно тигле. Еще одним способом получения данного металла является электролиз расплава хлорида натрия с задействованием кальция.
3. Рубидий и цезий получают восстановлением хлоридов, соединением с помощью кальция при температуре от 700 и до 800 градусов. Если задействуют цирконий, температура может опускаться до 650 градусов. Такая технология получения металла из руды является энергозатратной и дорогой.
4. Калий производят при выполнении электролиза расплава солей либо пропусканием паров натрия через хлорид данного соединения. Этот металл получают при вступлении в реакцию гидроксида калия и жидкого натрия при температуре 440 градусов.

В чем заключаются отличия сплавов от металлов?

Никакой принципиальной разницы между этими двумя понятиями не существует. Это обусловлено тем, что даже металлы, которые считаются чистейшими, содержат в себе даже небольшое количество примесей. Любые используемые в промышленности и других отраслях металлы являются сплавами по своей сути. Их получают в результате целенаправленного добавления к металлу соединений или элементов для улучшения физических свойств и достижения необходимых эксплуатационных показателей.

Почему используют именно сплавы?

Технику производят из металлических материалов с многочисленными свойствами. Чистейшие и полученные различные способами металлы содержат в себе небольшие следы примесей, но не обладают нужными характеристиками. Чтобы добиться необходимых эксплуатационных свойств, используют сплавы.
Они обладают необходимыми физическими свойствами и позволяют производить огромное количество разнообразных изделий. Сплавами называют однородные макроскопические материалы, которые являются двух- и многокомпонентными. Основная доля химических элементов приходится именно на металлы.

Сплавы отличаются собственной структурой. Все сплавы состоят из следующих компонентов:

• основы — один либо большее количество металлов;
• добавки — модифицирующие либо легирующие в небольшом количестве;
• примеси — остаточные вещества природного, случайного либо технологического характера.

Конкретный состав уже обусловлен сплавом и конкретным производимым конечным изделием.

Подведение итогов

Металлы, которые используются в производстве различных изделий, не являются чистыми. Большинство добывают в виде руды. Она изымается в карьеры чаще всего подрывным способом и доставляется на перерабатывающий металлургический комбинат. Конкретный метод обработки зависит от разновидности руды.
Получаемый в результате металл может быть условно чистейшим, поскольку содержит некоторое количество примесей. Это не делает его пригодным для производства конечных изделий, поскольку материал еще не обладает всеми необходимыми эксплуатационными свойствами. Для изготовления металлической продукции используют сплавы.