Znany ludzkości był pochodzenia kosmicznego, a dokładniej meteorytu. Zaczęto go używać jako materiału instrumentalnego około 4 tysięcy lat przed naszą erą. Technologia wytapiania metali pojawiła się kilkakrotnie i została utracona w wyniku wojen i niepokojów, ale według historyków Hetyci jako pierwsi opanowali hutnictwo.

Warto to zauważyć mówimy o o stopach żelaza z niewielką ilością zanieczyszczeń. Uzyskanie chemicznie czystego metalu stało się możliwe dopiero wraz z pojawieniem się nowoczesne technologie. W tym artykule szczegółowo opowiemy o cechach produkcji metalu metodą bezpośredniej redukcji, wypływki, gąbki, surowca, brykietowanego żelaza na gorąco, a my zajmiemy się produkcją chloru i czystych substancji.

Na początek warto zastanowić się nad metodą produkcji żelaza z rudy żelaza. Żelazo jest bardzo powszechnym pierwiastkiem. Pod względem zawartości w skorupie ziemskiej metal zajmuje 4. miejsce wśród wszystkich pierwiastków i 2. wśród metali. W litosferze żelazo występuje zwykle w postaci krzemianów. Najwyższą jego zawartość stwierdza się w skałach zasadowych i ultrazasadowych.

Prawie wszystkie rudy wydobywcze zawierają pewną ilość żelaza. Jednakże rozwijają się tylko te skały, w których występuje proporcja pierwiastka wartość przemysłowa. Ale nawet w tym przypadku ilość minerałów odpowiednich do rozwoju jest więcej niż duża.

  • Przede wszystkim to Ruda żelaza– czerwony (hematyt), magnetyczny (magnetyt) i brązowy (limonit). Są to złożone tlenki żelaza o zawartości pierwiastków 70–74%. Ruda żelaza brunatnego częściej występuje w skorupach zwietrzałych, gdzie tworzy tzw. „czapki żelazne” o miąższości do kilkuset metrów. Pozostałe mają głównie pochodzenie osadowe.
  • Bardzo częste siarczek żelaza– piryt lub piryt siarkowy, ale nie jest uważany za rudę żelaza i służy do produkcji kwasu siarkowego.
  • Syderyt– węglan żelaza, zawiera do 35%, jest to ruda o średniej zawartości pierwiastków.
  • Markozyt– obejmuje aż 46,6%.
  • Mispickel– związek z arsenem i siarką, zawiera aż 34,3% żelaza.
  • Lellingita– zawiera jedynie 27,2% pierwiastka i zaliczany jest do rud niskogatunkowych.

Skały mineralne klasyfikuje się według zawartości żelaza w następujący sposób:

  • bogaty– o zawartości metalu powyżej 57%, o zawartości krzemionki poniżej 8–10% i domieszce siarki i fosforu poniżej 0,15%. Takie rudy nie są wzbogacane i są natychmiast kierowane do produkcji;
  • ruda średniej jakości zawiera co najmniej 35% substancji i wymaga wzbogacenia;
  • słaby rudy żelaza muszą zawierać co najmniej 26%, a przed wysłaniem do warsztatu są również wzbogacane.

Ogólny cykl technologiczny produkcji żelaza w postaci żeliwa, stali i wyrobów walcowanych omówiono w tym filmie:

Górnictwo

Istnieje kilka metod wydobywania rudy. Stosowany jest ten, który uzna się za najbardziej ekonomicznie wykonalny.

  • Otwarta metoda rozwoju- lub kariera. Przeznaczony do płytkich skał mineralnych. W celu wydobycia kamieniołom kopany jest na głębokość do 500 m i szerokość zależną od miąższości złoża. Z kamieniołomu wydobywa się rudę żelaza i transportuje ją pojazdami przeznaczonymi do przewożenia ciężkich ładunków. Z reguły w ten sposób wydobywa się rudę wysokiej jakości, więc nie ma potrzeby jej wzbogacania.
  • Szachtny– gdy skała występuje na głębokości 600–900 m, wierci się miny. Zabudowa taka jest o wiele bardziej niebezpieczna, gdyż wiąże się z wysadzaniem podziemnym: odkryte warstwy są wysadzane w powietrze, a następnie zebrana ruda jest transportowana w górę. Pomimo zagrożeń, metoda ta jest uważana za bardziej skuteczną.
  • Produkcja wody– w tym przypadku studnie wierci się na określoną głębokość. Do kopalni opuszczane są rury, a woda dostarczana jest pod bardzo wysokim ciśnieniem. Strumień wody kruszy skałę, po czym ruda żelaza zostaje wyniesiona na powierzchnię. Produkcja hydrauliczna odwiertów nie jest powszechna, ponieważ wymaga wysokich kosztów.

Technologie produkcji żelaza

Wszystkie metale i stopy dzielą się na nieżelazne (jak itp.) i żelazne. Do tych ostatnich zalicza się żeliwo i stal. 95% wszystkich procesów metalurgicznych zachodzi w hutnictwie żelaza.

Pomimo niesamowitej różnorodności produkowanych stali, nie ma zbyt wielu technologii produkcyjnych. Ponadto żeliwo i stal nie są dokładnie 2 różnymi produktami, żeliwo jest obowiązkowym etapem wstępnym w produkcji stali.

Klasyfikacja produktu

Zarówno żeliwo, jak i stal zaliczane są do stopów żelaza, w których składnikiem stopowym jest węgiel. Jego udział jest niewielki, ale nadaje metalowi bardzo dużą twardość i pewną kruchość. Żeliwo, ponieważ zawiera więcej węgla, jest bardziej kruche niż stal. Mniej plastiku, ale ma lepszą pojemność cieplną i odporność na ciśnienie wewnętrzne.

Żeliwo produkowane jest w procesie wytapiania w wielkim piecu. Istnieją 3 typy:

  • szary lub odlewany– otrzymywany metodą powolnego chłodzenia. Stop zawiera od 1,7 do 4,2% węgla. Żeliwo szare daje się łatwo obrabiać narzędziami mechanicznymi i dobrze wypełnia formy, dlatego wykorzystuje się je do produkcji odlewów;
  • biały– lub konwersja, uzyskana przez szybkie chłodzenie. Udział węgla dochodzi do 4,5%. Może zawierać dodatkowe zanieczyszczenia, grafit, mangan. Żeliwo białe jest twarde i kruche i wykorzystywane jest głównie do produkcji stali;
  • ciągliwy– zawiera od 2 do 2,2% węgla. Produkowany z żeliwa białego poprzez długotrwałe nagrzewanie odlewów i powolne, długotrwałe chłodzenie.

Stal może zawierać nie więcej niż 2% węgla, jest wytwarzana na 3 główne sposoby. Ale w każdym razie istota produkcji stali sprowadza się do wyżarzania niepożądanych zanieczyszczeń, takich jak krzem, mangan, siarka i tak dalej. Ponadto, jeśli wytwarzana jest stal stopowa, w procesie produkcyjnym wprowadzane są dodatkowe składniki.

Zgodnie z przeznaczeniem stal dzieli się na 4 grupy:

  • budowa– stosowane w postaci wyrobów walcowanych bez obróbki cieplnej. Jest to materiał do budowy mostów, ram, produkcji wagonów i tak dalej;
  • Inżynieria mechaniczna– konstrukcyjna, należy do kategorii stali węglowych, zawiera nie więcej niż 0,75% węgla i nie więcej niż 1,1% manganu. Używany do produkcji różnych części maszyn;
  • instrumentalny– także węgiel, ale o niskiej zawartości manganu – nie więcej niż 0,4%. Wykorzystuje się go do produkcji różnorodnych narzędzi, w szczególności do obróbki metalu;
  • stal specjalnego przeznaczenia– do tej grupy zaliczają się wszystkie stopy o specjalnych właściwościach: stal żaroodporna, stal nierdzewna, kwasoodporna i tak dalej.

Wstępny etap

Nawet bogata ruda musi zostać przygotowana przed wytopem żeliwa - wolna od skał płonnych.

  • Metoda aglomeracji– ruda jest kruszona, mielona i wysypywana wraz z koksem na taśmę spiekarki. Taśma przechodzi przez palniki, gdzie temperatura powoduje zapalenie koksu. W tym przypadku ruda jest spiekana, a siarka i inne zanieczyszczenia wypalają się. Powstały aglomerat podawany jest do mis bunkrowych, gdzie jest chłodzony wodą i przedmuchiwany strumieniem powietrza.
  • Metoda separacji magnetycznej– ruda jest rozdrabniana i kierowana do separatora magnetycznego, gdyż żelazo ma zdolność magnesowania, minerały po przemyciu wodą pozostają w separatorze, a skała płonna zostaje wypłukana. Następnie powstały koncentrat wykorzystuje się do produkcji pelletu i gorącego brykietowanego żelaza. Z tego ostatniego można przygotować stal z pominięciem etapu produkcji żeliwa.

W tym filmie szczegółowo opisano produkcję żelaza:

Wytapianie żelaza

Surówkę wytapia się z rudy w wielkim piecu:

  • przygotować wsad - spiek, pellet, koks, wapień, dolomit itp. Skład zależy od rodzaju żeliwa;
  • Wsad ładowany jest do wielkiego pieca za pomocą podnośnika kontenerowego. Temperatura w piekarniku wynosi 1600 C, gorące powietrze doprowadzane jest od dołu;
  • W tej temperaturze żelazo zaczyna się topić, a koks zaczyna się palić. W tym przypadku żelazo ulega redukcji: najpierw podczas spalania węgla powstaje tlenek węgla. Tlenek węgla reaguje z tlenkiem żelaza, tworząc czysty metal i dwutlenek węgla;
  • topnik - wapień, dolomit dodawany jest do wsadu w celu przekształcenia niepożądanych zanieczyszczeń w formę łatwiejszą do wyeliminowania. Przykładowo tlenki krzemu nie topią się w tak niskich temperaturach i nie da się ich oddzielić od żelaza. Ale podczas interakcji z tlenkiem wapnia uzyskanym przez rozkład wapienia kwarc zamienia się w krzemian wapnia. Ten ostatni topi się w tej temperaturze. Jest lżejszy od żeliwa i pozostaje unoszący się na powierzchni. Oddzielenie go jest dość proste - żużel jest okresowo uwalniany przez otwory spustowe;
  • Ciekłe żelazo i żużel przepływają różnymi kanałami do kadzi.

Powstałe żeliwo transportowane jest w kadziach do stalowni lub do maszyny odlewniczej, gdzie otrzymuje się wlewki żeliwne.

Produkcja stali

Zamiana żeliwa w stal odbywa się na 3 sposoby. Podczas procesu wytapiania spalany jest nadmiar węgla i niepożądane zanieczyszczenia, a także dodawane są niezbędne komponenty – np. przy spawaniu stali specjalnych.

  • Palenisko otwarte jest najpopularniejszą metodą produkcji, ponieważ pozwala uzyskać stal wysokiej jakości. Roztopione lub stałe żeliwo z dodatkiem rudy lub złomu wprowadza się do pieca martenowskiego i topi. Temperatura wynosi około 2000 C, utrzymywana jest poprzez spalanie paliwa gazowego. Istota procesu sprowadza się do spalania węgla i innych zanieczyszczeń z żelaza. Niezbędne dodatki, jeśli chodzi o stal stopową, dodaje się pod koniec wytapiania. Ukończony produkt rozlewany do kadzi lub we wlewki do form.
  • Metoda otoczki tlenowej – czyli Bessemera. Charakteryzuje się wyższą wydajnością. Technologia polega na przedmuchaniu sprężonego powietrza przez grubość żeliwa pod ciśnieniem 26 kg/m2. cm W tym przypadku węgiel pali się, a żeliwo staje się stalą. Reakcja jest egzotermiczna, więc temperatura wzrasta do 1600 C. Aby poprawić jakość produktu, przez żeliwo przedmuchuje się mieszaninę powietrza i tlenu lub nawet czysty tlen.
  • Metoda topienia elektrycznego jest uważana za najbardziej skuteczną. Najczęściej stosuje się go do produkcji stali wielostopowych, ponieważ technologia wytapiania w tym przypadku eliminuje przedostawanie się niepotrzebnych zanieczyszczeń z powietrza lub gazu. Maksymalna temperatura w piecu do produkcji żelaza wynosi około 2200 C ze względu na łuk elektryczny.

Bezpośredni odbiór

Od 1970 roku stosuje się także metodę bezpośredniej redukcji żelaza. Metoda pozwala ominąć kosztowny etap produkcji żeliwa w obecności koksu. Pierwsze tego typu instalacje nie były zbyt produktywne, ale dziś metoda stała się dość znana: okazało się, że jako reduktor można zastosować gaz ziemny.

Surowcem do odzysku jest pellet. Ładuje się je do pieca szybowego, podgrzewa i oczyszcza produktem konwersji gazu – tlenkiem węgla, amoniakiem, ale głównie wodorem. Reakcja zachodzi w temperaturze 1000 C, przy czym wodór redukuje żelazo z tlenku.

O producentach tradycyjnego (nie chlorowego itp.) żelaza na świecie porozmawiamy poniżej.

Znani producenci

Największy udział złóż rud żelaza występuje w Rosji i Brazylii – 18%, Australii – 14% i Ukrainie – 11%. Najwięksi eksporterzy są Australia, Brazylia i Indie. Szczyt ceny żelaza odnotowano w 2011 roku, kiedy tonę metalu oszacowano na 180 dolarów. Do 2016 roku cena spadła do 35 dolarów za tonę.

Do największych producentów żelaza zaliczają się następujące firmy:

  • Vale S.A. to brazylijska firma wydobywcza, największy producent żelaza i;
  • BHP Billiton to australijska firma. Jej głównym kierunkiem jest wydobycie ropy i gazu. Ale jednocześnie nią jest największy dostawca miedź i żelazo;
  • Grupa Rio Tinto to australijsko-brytyjski koncern. Grupa Rio Tinto wydobywa i produkuje złoto, żelazo, diamenty i uran;
  • Fortescue Metals Group to kolejna australijska firma specjalizująca się w wydobyciu rud i produkcji żelaza;
  • W Rosji największym producentem jest Evrazholding, firma metalurgiczno-górnicza. Na rynku światowym znane są także firmy Metallinvest i MMK;
  • Metinvest Holding LLC to ukraińska firma górniczo-hutnicza.

Występowanie żelaza jest duże, metoda ekstrakcji jest dość prosta, a ostatecznie wytapianie jest procesem opłacalnym ekonomicznie. Wraz z właściwościami fizycznymi, produkcja zapewnia, że ​​żelazo pełni rolę głównego materiału konstrukcyjnego.

Produkcję chlorku żelaza pokazano na tym filmie:

Technologia produkcji żelaza w czasach starożytnych

Aby uzyskać żelazo z rudy, musisz najpierw zdobyć kritsę. W tym celu najpierw wykorzystano utlenioną rudę żelaza, która najczęściej występuje przy powierzchni. Po odkryciu jego właściwości złoża te uległy szybkiemu wyczerpaniu w wyniku intensywnej zabudowy.

Rudy bagienne są znacznie bardziej rozpowszechnione. Powstały w okresie subatlantyckim, kiedy w procesie zalewania rudy żelaza osiadały na dnie zbiorników. Przez całe średniowiecze hutnictwo żelaza wykorzystywało rudy bagienne. Nawet płacili nimi cła. Produkcja żelaza z rudy w stosunkowo dużych ilościach stała się możliwa po wynalezieniu pieca serowarskiego. Nazwa ta pojawiła się po wynalezieniu podmuchu ogrzanego powietrza w wielkich piecach. W starożytności hutnicy dostarczali do kuźni surowe (zimne) powietrze. W temperaturze 900 o, za pomocą dwutlenku węgla, który usuwa tlen z tlenku żelaza, żelazo jest redukowane z rudy i otrzymuje się ciasto lub bezkształtną, porowatą bryłę nasączoną żużlem – kritsa. Aby przeprowadzić ten proces, potrzebny był węgiel drzewny jako źródło dwutlenku węgla. Następnie kritsa została wykuta w celu usunięcia z niej żużla. Metoda serowarstwa, zwana czasem wytopem żelaza, jest nieekonomiczna, lecz przez długi czas pozostaje jedyną i niezmienną metodą otrzymywania metalu żelaznego.

Początkowo żelazo wytapiano w zwykłych kopalniach, zamykanych od góry, później zaczęto budować piece gliniane. Do przestrzeni roboczej kuźni ładowano warstwami pokruszoną rudę i węgiel, wszystko to podpalano, a przez otwory dyszowe za pomocą specjalnych (skórzanych) miechów wtłaczano powietrze. Skała osadza się w żużel w temperaturze 1300-1400 o, przy której otrzymuje się stal - żelazo zawierające od 0,3 do 1,2%. węgiel. Gdy ostygnie, staje się bardzo twardy. Aby uzyskać żeliwo - topliwe żelazo o zawartości węgla 1,5-5% - potrzebujesz bardziej złożonej konstrukcji kuźni z dużą przestrzenią roboczą. W tym przypadku żelazo miało niższą temperaturę topnienia i częściowo wypływało z pieca wraz z żużlem. Kiedy ostygł, stał się kruchy i początkowo został wyrzucony, ale potem nauczyli się go używać. Aby wytworzyć żeliwo ciągliwe z żeliwa, należy usunąć z niego węgiel.

Technologia wytwarzania stopów żelaza

Pierwszym urządzeniem do pozyskiwania żelaza z rudy był jednorazowy piec serowarski. Przy ogromnej liczbie wad, przez długi czas był to jedyny sposób na uzyskanie metalu z rudy.

Starożytni ludzie żyli długo i szczęśliwie - z jaspisu wyrabiano kamienne topory, a w celu uzyskania miedzi wypalano malachit, jednak wszystko, co dobre, szybko się kończy. Jedną z przyczyn upadku starożytnej cywilizacji Morza Śródziemnego było wyczerpywanie się zasobów mineralnych. Złota zabrakło nie w skarbcu, lecz w głębinach, cyny zabrakło nawet na „Wyspach Cynowych”. Chociaż na Synaju i Cyprze nadal wydobywa się miedź, obecnie eksploatowane złoża nie były dostępne dla Rzymian. Skończyła się między innymi ruda nadająca się do przerobu serów. Wciąż było dużo ołowiu.

Jednak plemiona barbarzyńskie zasiedlające Europę, która została pozbawiona właścicieli, długo nie wiedziały, że jej zasoby mineralne zostały wyczerpane przez ich poprzedników. Biorąc pod uwagę ogromny spadek produkcji metalu, zasoby, którymi pogardzali Rzymianie, wystarczały na długi czas. Później hutnictwo zaczęło się odradzać przede wszystkim w Niemczech i Czechach – czyli tam, gdzie Rzymianie nie sięgali kilofami i taczkami.

Wyższy etap rozwoju hutnictwa żelaza reprezentowały w Europie stałe piece wysokie, zwane piecami sztukatorskimi. To naprawdę był wysoki piec – z czterometrową rurą poprawiającą przyczepność. Miechami maszyny sztukatorskiej kołysało się już kilka osób, a czasem także silnik wodny. Stukofen miał drzwi, przez które raz dziennie wyjmowano kritsę.

Stukofeny wynaleziono w Indiach na początku pierwszego tysiąclecia p.n.e. Na początku naszej ery przybyli do Chin, a w VII wieku wraz z cyframi „arabskimi” Arabowie zapożyczyli tę technologię z Indii. Pod koniec XIII wieku stuktofeny zaczęły pojawiać się w Niemczech i Czechach (a jeszcze wcześniej w południowej Hiszpanii), a przez kolejne stulecie rozprzestrzeniły się po całej Europie.

Wydajność stukofenu była nieporównywalnie wyższa niż pieca serowego - wytwarzał do 250 kg żelaza dziennie, a temperatura w nim topnienia wystarczała do nawęglenia części żelaza do stanu żeliwa. Jednak gdy piec został zatrzymany, żeliwo gipsowe zamarzło na dnie, mieszając się z żużlem, i w tym czasie metal z żużla można było oczyścić jedynie przez kucie, ale żeliwo się do tego nie nadawało. Trzeba go było wyrzucić.

Czasami jednak próbowano znaleźć zastosowanie dla żeliwa gipsowego. Na przykład starożytni Hindusi odlewali trumny z brudnego żeliwa, a Turcy na początku XIX wieku odlewali kule armatnie. Trudno ocenić, jak wyglądają trumny, ale kule armatnie, które z nich wyleciały, były po prostu takie sobie.

Kule armatnie do armat odlano z żużla żelaznego w Europie pod koniec XVI wieku. Drogi budowano z odlewanej kostki brukowej. W Niżnym Tagile do dziś zachowały się budynki z fundamentami z lanych bloków żużlowych.

Metalurdzy od dawna zauważają związek pomiędzy temperaturą topnienia a wydajnością produktu – im była ona wyższa, tym większą część żelaza zawartego w rudzie można było odzyskać. Dlatego prędzej czy później przyszedł im do głowy pomysł, aby przyspieszyć stukofen poprzez wstępne podgrzanie powietrza i zwiększenie wysokości rury. W połowie XV wieku w Europie pojawił się nowy typ pieca – blauofen, który od razu sprawił hutnikom niemiłą niespodziankę.

Wyższa temperatura topnienia istotnie zwiększyła znacząco uzysk żelaza z rudy, ale jednocześnie zwiększyła udział żelaza nawęglonego w stosunku do stanu żeliwa. Teraz nie 10%, jak w sztukaterii, ale 30% produkcji stanowiło żeliwo - „żeliwo wieprzowe”, nie nadające się do żadnego celu. W rezultacie zdobycze często nie opłacały się za modernizację.

Żeliwo Blauofen, podobnie jak żeliwo sztukatorskie, krzepnie na dnie pieca, mieszając się z żużlem. Okazał się nieco lepszy, bo było go więcej, zatem względna zawartość żużla była mniejsza, ale nadal nie nadawał się do odlewania. Żeliwo uzyskane z blauofenu okazało się dość mocne, ale nadal pozostało bardzo niejednorodne - wychodziły z niego tylko proste i szorstkie przedmioty - młoty kowalskie, kowadła. Wyleciało już sporo kul armatnich.

Ponadto, jeśli w piecach serowych można było uzyskać tylko żelazo, które następnie nawęglano, to w stukofen i blauofen zewnętrzne warstwy kritsy okazały się wykonane ze stali. W blauofen krit było jeszcze więcej stali niż żelaza. Z jednej strony wydawało się to dobre, ale oddzielenie stali od żelaza okazało się bardzo trudne. Zawartość węgla stawała się coraz trudniejsza do kontrolowania. Tylko długie kucie mogło zapewnić równomierność jego rozkładu.

W pewnym momencie, w obliczu tych trudności, Indianie nie posunęli się dalej, ale zaczęli udoskonalać technologię i zaczęli produkować stal damasceńską. Ale Hindusów w tamtych czasach nie interesowała ilość, ale jakość produktu. Europejczycy eksperymentując z żeliwem, wkrótce odkryli proces konwersji, który podniósł metalurgię żelaza na jakościowo nowy poziom.

Kolejnym etapem rozwoju hutnictwa było pojawienie się wielkich pieców. W wyniku wzrostu wielkości, wstępnego podgrzania powietrza i podmuchu mechanicznego, w takim piecu całe żelazo z rudy zostało przetworzone na żeliwo, które zostało przetopione i okresowo wypuszczone na zewnątrz. Produkcja stała się ciągła – piec pracował całą dobę i nie wystygał. Produkowała do półtora tony żeliwa dziennie. Destylowanie żeliwa w żelazo w kuźniach było znacznie łatwiejsze niż wybijanie go z kritsy, chociaż kucie nadal było wymagane - ale teraz wybijano żużel z żelaza, a nie żelazo z żużla.

Pierwsze wielkie piece zaczęto stosować w Europie na przełomie XV i XVI wieku. Na Bliskim Wschodzie i w Indiach technologia ta pojawiła się dopiero w XIX wieku (w dużej mierze prawdopodobnie dlatego, że nie stosowano silnika wodnego ze względu na charakterystyczny na Bliskim Wschodzie niedobór wody). Obecność wielkich pieców w Europie pozwoliła im w XVI wieku wyprzedzić Turcję, jeśli nie pod względem jakości metalu, to w szybie. Miało to niewątpliwy wpływ na wynik zmagań, zwłaszcza gdy okazało się, że armaty można było odlewać z żeliwa.

Od początku XVII wieku europejską kuźnią stała się Szwecja, produkująca połowę żelaza w Europie. W połowie XVIII wieku jego rola w tym zakresie zaczęła gwałtownie spadać za sprawą innego wynalazku – wykorzystania węgla w hutnictwie.

Przede wszystkim trzeba stwierdzić, że do XVIII wieku włącznie węgiel praktycznie nie był wykorzystywany w hutnictwie – ze względu na dużą zawartość szkodliwych dla jakości produktu zanieczyszczeń, przede wszystkim siarki. Od XVII wieku w Anglii zaczęto wykorzystywać węgiel w piecach kałużowych do wyżarzania żeliwa, ale pozwoliło to osiągnąć jedynie niewielkie oszczędności na węglu drzewnym - większość paliwa wydano na hutnictwo, gdzie nie można było wykluczyć kontaktu węgiel z rudą.

Spośród wielu zawodów metalurgicznych tamtych czasów chyba najtrudniejszym zawodem był zawód kałuża. Budyń był główną metodą pozyskiwania żelaza przez niemal cały XIX wiek. Był to bardzo trudny i czasochłonny proces. Praca pod jego rządami przebiegała następująco: ładowano surówkę na dno rozpalonego pieca; zostały stopione. Gdy węgiel i inne zanieczyszczenia wypaliły się z metalu, temperatura topnienia metalu wzrosła, a kryształy dość czystego żelaza zaczęły „zamarzać” z ciekłego stopu. Na dnie piekarnika zebrała się grudka lepkiej masy przypominającej ciasto. Kałużnicy rozpoczęli operację wałkowania ciasta za pomocą złomu żelaznego. Mieszając masę metalu łomem, próbowali zebrać bryłę, czyli kritsę, żelaza wokół łomu. Taka bryła ważyła do 50 - 80 kg lub więcej. Kritsę wyciągano z pieca i podawano bezpośrednio pod młotek – do kucia w celu usunięcia cząstek żużla i zagęszczenia metalu.

Nauczyli się eliminować siarkę poprzez koksowanie w Anglii w 1735 roku, po czym stało się możliwe wykorzystanie dużych zasobów węgla do wytapiania żelaza. Ale poza Anglią technologia ta rozprzestrzeniła się dopiero w XIX wieku.

Już wtedy zużycie paliwa w hutnictwie było ogromne – wielki piec pochłaniał ładunek węgla na godzinę. Węgiel stał się zasobem strategicznym. To właśnie obfitość drewna w samej Szwecji i jej Finlandii pozwoliła Szwedom rozwinąć produkcję na taką skalę. Anglicy, którzy mieli mniej lasów (a nawet te były zarezerwowane na potrzeby floty), zmuszeni byli kupować żelazo w Szwecji, dopóki nie nauczyli się wykorzystywać węgla.

Elektryczne i indukcyjne metody wytapiania żelaza

Różnorodność składów stali sprawia, że ​​ich wytapianie jest bardzo trudne. Przecież w piecu martenowskim i konwerterze atmosfera utlenia się, a pierwiastki takie jak chrom łatwo utleniają się i zamieniają w żużel, tj. są zgubieni. Oznacza to, że aby otrzymać stal o zawartości chromu wynoszącej 18%, do pieca trzeba wrzucić znacznie więcej chromu niż 180 kg na tonę stali. A chrom jest drogim metalem. Jak znaleźć wyjście z tej sytuacji?

Rozwiązanie znaleziono na początku XX wieku. Zaproponowano wykorzystanie ciepła łuku elektrycznego do wytapiania metalu. Złom ładowano do pieca kołowego, wlewano żeliwo i opuszczano elektrody węglowe lub grafitowe. Pomiędzy nimi a metalem w piecu („kąpiel”) powstał łuk elektryczny o temperaturze około 4000°C. Metal topi się łatwo i szybko. A w tak zamkniętym piecu elektrycznym można stworzyć dowolną atmosferę – utleniającą, redukującą lub całkowicie neutralną. Innymi słowy, można zapobiec wypaleniu się cennych elementów. Tak powstała hutnictwo stali wysokiej jakości.

Później zaproponowano inną metodę topienia elektrycznego - indukcję. Z fizyki wiadomo, że jeśli w cewce, przez którą przepływa prąd o wysokiej częstotliwości, umieszczono metalowy przewodnik, indukuje się w nim prąd i przewodnik nagrzewa się. Ciepło to wystarczy, aby stopić metal w określonym czasie. Piec indukcyjny składa się z tygla ze spiralą osadzoną w jego wyłożeniu. Przez spiralę przepływa prąd o wysokiej częstotliwości, a metal w tyglu topi się. W takim piecu możesz również stworzyć dowolną atmosferę.

W elektrycznych piecach łukowych proces wytapiania przebiega zwykle w kilku etapach. Najpierw z metalu wypalane są niepotrzebne zanieczyszczenia, utleniając je (okres utleniania). Następnie usuwa się (ściąga) z pieca żużel zawierający tlenki tych pierwiastków i ładuje żelazostopy – stopy żelaza z pierwiastkami, które należy wprowadzić do metalu. Piec jest zamknięty i topienie trwa bez dostępu powietrza (okres rekonwalescencji). Dzięki temu stal nasyca się wymaganymi pierwiastkami w zadanej ilości. Gotowy metal wlewa się do kadzi i wylewa.

Reakcje chemiczne podczas produkcji żelaza

W nowoczesny przemysłżelazo otrzymuje się z rud żelaza, głównie hematytu (Fe 2 O 3) i magnetytu (Fe 3 O 4).

Istnieć różne drogi ekstrakcja żelaza z rud. Najbardziej powszechnym jest proces domenowy.

Pierwszym etapem produkcji jest redukcja żelaza węglem w wielkim piecu w temperaturze 2000°C. W wielkim piecu węgiel w postaci koksu, ruda żelaza w postaci aglomeratu lub peletek oraz topnik (taki jak wapień) podawane są z góry i spotykane są ze strumieniem wymuszonego gorącego powietrza z dołu.

W piecu węgiel zawarty w koksie jest utleniany do tlenku atmosferycznego do tlenku węgla (tlenku węgla):

2C + O2 → 2CO.

Z kolei tlenek węgla redukuje żelazo z rudy:

3CO + Fe 2 O 3 → 2Fe + 3CO 2.

Topnik dodaje się w celu ekstrakcji niepożądanych zanieczyszczeń z rudy, głównie krzemianów, takich jak kwarc (dwutlenek krzemu). Typowy topnik zawiera wapień (węglan wapnia) i dolomit (węglan magnezu). Inne topniki stosuje się wobec innych zanieczyszczeń.

Działanie topnika: węglan wapnia pod wpływem ciepła rozkłada się na tlenek wapnia (wapno palone):

CaCO 3 → CaO + CO 2 .

Tlenek wapnia łączy się z dwutlenkiem krzemu, tworząc żużel:

CaO + SiO 2 → CaSiO 3.

Żużel, w przeciwieństwie do dwutlenku krzemu, topi się w piecu. Żużel, lżejszy od żelaza, unosi się na powierzchni i można go odprowadzić oddzielnie od metalu. Żużel jest następnie wykorzystywany w budownictwie i rolnictwo. Roztopione żelazo produkowane w wielkim piecu zawiera dość dużo węgla (żeliwa). Z wyjątkiem przypadków, w których żeliwo jest wykorzystywane bezpośrednio, wymaga ono dalszej obróbki.

Nadmiar węgla i inne zanieczyszczenia (siarka, fosfor) są usuwane z żeliwa poprzez utlenianie w piecach martenowskich lub konwertorach. Do wytapiania stali stopowych wykorzystuje się także piece elektryczne.

Oprócz procesu wielkopiecowego powszechny jest proces bezpośredniej produkcji żelaza. W tym przypadku wstępnie pokruszoną rudę miesza się ze specjalną gliną, tworząc pelety. Pelety są wypalane i poddawane obróbce w piecu szybowym gorącymi produktami konwersji metanu zawierającymi wodór. Wodór łatwo redukuje żelazo bez zanieczyszczania żelaza zanieczyszczeniami, takimi jak siarka i fosfor – powszechnymi zanieczyszczeniami w węglu. Żelazo otrzymuje się w postaci stałej, a następnie topi się w piecach elektrycznych.

Chemicznie czyste żelazo otrzymuje się przez elektrolizę roztworów jego soli.

Historia hutnictwa żelaza

Żelazo... Głębiny naszej planety są bogate w ten metal, który słusznie nazywany jest „podstawą cywilizacji”. Jakby nie rozstając się ze swoimi skarbami, przyroda, mocno związawszy żelazo z innymi pierwiastkami (głównie tlenem), ukryła je w rozmaitych rudach mineralnych. Ale już w starożytności – w drugim tysiącleciu p.n.e. – człowiek nauczył się wydobywać potrzebny mu metal.

Historycznie rzecz biorąc, produkcja metali żelaznych rozwijała się w następujących etapach:

    Proces produkcji sera (1500 p.n.e.). Wydajność procesu jest bardzo niska, w ciągu 1 godziny uzyskano jedynie do 0,5...0,6 kg żelaza. W kuźniach żelazo redukowane było z rudy węglem podczas przedmuchiwania powietrzem za pomocą miechów kuźniczych. Najpierw podczas spalania węgla drzewnego wydzielał się tlenek węgla, który z rudy usuwał czyste żelazo.

W wyniku długotrwałego nadmuchu powietrza z kawałków rudy uzyskano kawałki czystego żelaza, praktycznie wolne od zanieczyszczeń, które za pomocą kuźni zespawano w paski, z których następnie wytwarzano produkty niezbędne dla człowieka. To technicznie czyste żelazo zawierało bardzo mało węgla i niewiele zanieczyszczeń (czysty węgiel drzewny i dobra ruda), dzięki czemu dobrze się kuło i spawało oraz praktycznie nie korodowało. Proces odbywał się w stosunkowo niskiej temperaturze (do 1100...1350 o C), metal nie topił się, czyli redukcja metalu zachodziła w fazie stałej. Rezultatem było ciągliwe żelazo. Metoda ta istniała do XIV w., a w nieco udoskonalonej formie aż do początków XX w., lecz stopniowo została zastąpiona redystrybucją krytyczną.

Wynika z tego, że historycznie pierwszym spawaczem metali był kowal, a pierwszą metodą spawania było spawanie kuźnicze.

    Wraz ze wzrostem wielkości pieców serowarskich i intensyfikacją procesu, wzrosła zawartość węgla w żelazie, temperatura topnienia tego stopu (żeliwa) okazała się niższa niż czystszego żelaza, a część metalu otrzymywano w postaci roztopionego żeliwa, które jako odpad produkcyjny wypływało z pieca wraz z żużlem. W XIV w. w Europie opracowano dwuetapową metodę produkcji żelaza (mały wielki piec, następnie proces piecowy). Wydajność wzrosła do 40...50 kg żelaza na godzinę. Do dostarczania powietrza służyło koło wodne. Redystrybucja Krichny'ego- jest to proces rafinacji żeliwa (zmniejszenie zawartości C, Si, Mn) w celu uzyskania żeliwa spawalniczego z żeliwa.

    Pod koniec XVIII wieku w Europie zaczęto stosować paliwa mineralne w procesie wielkopiecowym i w proces kałuży. W procesie kałużowania węgiel spala się w piecu, gaz przechodzi przez kąpiel, topi i oczyszcza metal. W Chinach już wcześniej, bo w X wieku, wytapiano żeliwo, a następnie w procesie kałużowania uzyskiwano stal. Budyń to czyszczenie żeliwa w ognistym piecu. Podczas czyszczenia ziarna żelaza zbierają się w grudki. Pudliner obraca masę łomem i dzieli ją na 3...5 części - krits. W kuźni lub walcarce ziarna są spawane w celu wytworzenia pasków i innych półfabrykatów. Zamiast koła wodnego stosuje się już silniki parowe. Wydajność wzrasta do 140 kg kutego żelaza na godzinę.

    Pod koniec XIX wieku niemal jednocześnie wprowadzono trzy nowe procesy produkcji stali: Bessemer, martenowski i Thomas. Wydajność topienia stali gwałtownie wzrasta (do 6 ton/godz.).

    W połowie XX wieku wprowadzono tlenowanie, automatyzację procesów i ciągłe odlewanie stali.

    Podczas procesów rozdmuchiwania sera, krichny i ​​puddingu żelazo nie topiło się (ówczesny poziom techniczny nie pozwalał na zapewnienie jego temperatury topnienia). Wdmuchiwanie tlenu przez roztopiony metal w konwertorze Bessemera, dzięki gwałtownemu zwiększeniu powierzchni styku metalu z utleniaczem (tlenem), przyspiesza reakcje chemiczne tysiąckrotnie w porównaniu z piecem kałużowym.

    W procesach serowarstwa i odlewania w procesie jednoetapowym otrzymywano ciągliwe, kute żelazo (stal niskowęglową), które charakteryzowało się niewielką ilością zanieczyszczeń i dzięki temu było bardzo odporne na korozję. Obecnie opracowywany jest jednoetapowy proces produkcji stali: wzbogacanie rudy (produkcja pelletu zawierającego 90...95% żelaza) i wytapianie stali w piecu elektrycznym.

Cała historia hutnictwa żelaza, od czasu pojawienia się pierwszych hut do czasów współczesnych, to ciągłe doskonalenie metod jego wytwarzania. Kilka wieków temu pojawił się wielki piec – wysokowydajna jednostka, w której ruda żelaza przekształcana jest w żeliwo – wyjściowy produkt do wytopu stali. Od tego czasu proces wielkopiecowy stał się głównym elementem technologii produkcji stali.

Proces wydobywania żelaza z rudy w kuźni przeszedł do historii hutnictwa pod nazwą „podmuchu sera”, gdyż do kuźni wdmuchiwano nieogrzewane – surowe – powietrze (gorący podmuch pojawił się w zakładach hutniczych dopiero w XIX wieku). Żelazo produkowane w piecu serowym okazywało się czasem niewystarczająco mocne i twarde, a wyroby z niego wykonane – noże, topory, włócznie – nie pozostawały długo ostre, wyginały się i szybko psuły.

Na dnie kuźni, obok stosunkowo miękkich brył żelaza, znajdowały się także te twardsze – takie, które miały bliski kontakt z węgiel drzewny. Zauważając ten wzór, człowiek zaczął świadomie zwiększać powierzchnię kontaktu z węglem i w ten sposób zwęglać żelazo. Teraz metal mógł zadowolić najbardziej wymagającego rzemieślnika. Była to stal – najważniejszy stop żelaza, który do dziś służy jako główny materiał konstrukcyjny.

Zapotrzebowanie na stal zawsze i prawie wszędzie przewyższało jej produkcję, a prymitywna technologia metalurgiczna od dawna pozostaje w tyle za wymaganiami życia. Co zaskakujące, przez prawie trzy tysiące lat hutnictwo żelaza nie uległo zasadniczym zmianom - produkcja żelaza i stali opierała się na tym samym procesie dmuchania sera. To prawda, że ​​​​rozmiar kuźni stopniowo się zwiększał, poprawiał się ich kształt i zwiększała się moc nadmuchu, ale technologia pozostała nieskuteczna.

W średniowieczu piec serowy przybierał formę pieca szybowego, osiągając wysokość kilku metrów. W Rosji piece te nazywano domnitsa - od starożytnego rosyjskiego słowa „dmenie”, oznaczającego „dmuchanie”. Były już załadowane znaczną ilością materiałów wsadowych - rudą żelaza i węglem drzewnym, a zapotrzebowanie na powietrze było wielokrotnie większe niż w prymitywnych kuźniach do dmuchania sera. Teraz piece „oddychały” energią wody: miechy napędzane były najpierw specjalnymi rurami wodnymi, a później ogromnymi kołami wodnymi.

W piecu szybowym spalano więcej paliwa w jednostce czasu niż w kuźni i naturalnie wydzielało się więcej ciepła. To właśnie wysokie temperatury panujące w piecu spowodowały, że część zredukowanego żelaza, uwolniona od tlenu, ale silnie nasycona węglem, stopiła się i odpłynęła z pieca. Po zestaleniu taki stop żelaza z węglem, zawierający kilkukrotnie więcej węgla niż stal, stawał się bardzo twardy, ale i bardzo kruchy. To było żeliwo.

Jego rola w rozwoju hutnictwa jest bardzo ważna, jednak kilka wieków temu mistrzowie żelaza mieli zupełnie odmienne zdanie; w końcu pod uderzeniami młotka taki metal rozbił się na kawałki i po prostu nie dało się z niego zrobić broni ani narzędzia. Jednocześnie z powodu tego bezużytecznego stopu ilość dobrego produktu - ziarna żelaza - została znacznie zmniejszona.

Jakie przezwiska nadali średniowiecznym metalurgom nowemu stopowi? W krajach Europy Środkowej nazywano go dzikim kamieniem, gęsią, w Anglii - surówką (w języku angielskim nadal tak nazywa się żeliwo), a rosyjskie słowo świnia, czyli wlewek żeliwny, ma to samo pochodzenie.

Ponieważ żeliwo nie nadawało się do użytku, zwykle wyrzucano je na wysypisko śmieci. Ale w XIX wieku ktoś wpadł na szczęśliwy pomysł załadunku żeliwa z powrotem do pieca i wytapiania go wraz z rudą. Próba ta oznaczała prawdziwą rewolucję w metalurgii żelaza. Okazało się, że dzięki tej metodzie stosunkowo łatwo jest pozyskać potrzebną stal i to w dużych ilościach. Niestety, historia nie zachowała dla nas imienia tego średniowiecznego wynalazcy.

Innowacja doprowadziła do jasnego podziału „pracy”: w wielkich piecach, które w tym czasie stały się już bardziej zaawansowanymi wielkimi piecami, wytapiano żeliwo z rudy, a w piecach usuwano z niego nadmiar węgla, czyli przeprowadzono proces przeróbki żeliwa w stal – „przetwarzanie krytyczne”. W ten sposób powstała dwuetapowa metoda produkcji stali z rudy żelaza: ruda – żeliwo, żeliwo – stal.

Obecnie gwałtownie wzrosło zapotrzebowanie na żeliwo, przede wszystkim jako półprodukt, który następnie przetwarzany jest na stal. A wielkie piece rosły wszędzie jak grzyby po deszczu. Ale ponieważ wytapianie wielkiego pieca wymagało dużej ilości węgla drzewnego, wkrótce w krajach, które nie były bogate w lasy, jego niedobór zaczął być dotkliwie odczuwalny, a pozbawiona paliwa hutnictwo zaczęło tu podupadać. Stało się tak na przykład w Anglii, która przez długi czas zajmowała dominującą pozycję w produkcji żelaza.

W związku z tym trudna sytuacja, w jakiej znalazł się angielski przemysł, zmusiła hutników do poszukiwania zamiennika węgla drzewnego. Przede wszystkim ich uwagę przykuł węgiel, którym natura hojnie obdarzyła Wyspy Brytyjskie. Wszelkie próby wytapiania na nim żeliwa kończyły się jednak niepowodzeniem: węgiel w procesie nagrzewania ulegał kruszeniu, co bardzo utrudniało wdmuchiwanie. Ostatecznie jednak w 1735 roku Anglik Abraham Derby zdołał przeprowadzić proces wielkopiecowy z wykorzystaniem koksu – paliwa otrzymywanego z węgla koksującego poprzez ogrzewanie go bez dostępu powietrza do wysokich temperatur (950-1050°C), przy czym węgiel nie był kruszony, ale spiekany na kawałki. Obecnie ani wytapianie w wielkim piecu, ani wiele innych procesów metalurgicznych nie jest możliwe bez koksu.

Wiek XVIII i XIX wniósł wiele nowych rzeczy do projektu wielkiego pieca: wynaleziono pierwsze maszyny do dmuchania, a obok wielkiego pieca wyrosła „straż honorowa” - ogromne cygara z tępymi nosami nagrzewnic powietrza, dzięki czemu do paleniska dostarczane jest teraz gorące powietrze.

Starożytna kuźnia, w której można uzyskać żelazny krzyk. Róg z podmuchem powietrza (XVI wiek). Wielki piec (koniec XVIII wieku)

Duże zmiany zaszły także na drugim etapie produkcji hutniczej. Początkowo krzycząca kuźnia ustąpiła miejsca bardziej zaawansowanemu piecowi - piecowi kałużowemu. Tutaj mieszano roztopione żeliwo (stąd nazwa pieca – od angielskiego słowa puddle – mieszać) wraz z żużlem żelaznym i w efekcie otrzymywano żelazo niskowęglowe. A w drugiej połowie ubiegłego wieku powstały bardziej wydajne jednostki hutnicze - konwertor i piec martenowski. W nich żeliwo nie zamieniało się już w masę przypominającą ciasto - kritsa, ale w płynną stal.

Następnie zapisano kolejną ważną kartę w historii hutnictwa: zaprojektowano łukowy piec do wytapiania stali, który umożliwił produkcję wysokiej jakości metalu. Płomień, który przez tysiące lat miał monopol na wszelkie prawa do topienia metali, ma teraz poważnego konkurenta – prąd elektryczny.

W ostatnich dziesięcioleciach metalurgia doświadczyła swego rodzaju „przyspieszenia”: rozmiary wszelkiego rodzaju pieców rosną z roku na rok. Dawno wielkie piece o pojemności dwóch tysięcy metrów sześciennych uważano za niemal cud świata, ale dziś na świecie jest znacznie więcej imponujących kolosów - „cztery tysiące metrów”, a nawet „pięć tysięcy metrów”.

Wielkie piece niewątpliwie pozostaną ważne jeszcze przez długi czas. Niemniej jednak ich los trudno uznać za bezchmurny. W przeciwieństwie do prymitywnej starożytnej kuźni, w której nasi przodkowie pozyskiwali żelazo bezpośrednio z rudy, współczesna gigantyczna konstrukcja – wielki piec – produkuje głównie nie metal, którego bezpośrednio wymaga technologia, a jedynie produkt konwersji, który następnie w kolejnym etapie przekształca się w potrzebnej nam stali (wyjątek stanowi żeliwo odlewnicze wykorzystywane do produkcji odlewów; jego udział w ogólnej wielkości produkowanego żeliwa nie przekracza 15 proc.). Innymi słowy, chcąc osiągnąć wysokie wskaźniki ilościowe, hutnicy zmuszeni są obrać coś w rodzaju okrężnej drogi.

Kwestia zmiany ścieżki technologicznej w produkcji stali zajmuje naukowców od dawna. I nie chodzi tu o próżną chęć wyprostowania ścieżek hutnictwa żelaza. Powód jest inny.

Wielki piec ma poważną wadę. Jego istotą jest, choć na pierwszy rzut oka może się to wydawać dziwne, że niezbędnym „daniem” w jej diecie jest cola. Ten sam koks, którego wynalezienie stało się znaczącym kamieniem milowym w rozwoju hutnictwa żelaza. Przecież to dzięki koksowi wielki piec od dwóch i pół wieku otrzymuje doskonałe, wysokokaloryczne „odżywianie”. Stopniowo jednak na horyzoncie wielkopiecowym zaczęły pojawiać się chmury, które słusznie można nazwać chmurami koksu.

O co chodzi?

Jak wiadomo, koks nie występuje w przyrodzie. Otrzymuje się go z węgla. Ale nie żaden z nich. Ale tylko takie, które mają tendencję do koksowania (spiekania). Takich węgli na świecie jest niewiele, dlatego z roku na rok jest ich coraz mniej i są coraz droższe. A węgiel nadal trzeba przekształcać w koks. Proces ten jest dość skomplikowany i pracochłonny, towarzyszy mu wydzielanie szkodliwych produktów ubocznych, które w żadnym wypadku nie zawierają aromatów perfumeryjnych. Aby w jak największym stopniu pozbyć się ich z atmosfery, wody i gleby, konieczna jest budowa kosztownych urządzeń oczyszczających.

Wzrost cen koksu spowodował, że okazuje się on najważniejszą pozycją w kosztach żeliwa: stanowi około połowę wszystkich kosztów. Dlatego operatorzy wielkich pieców nieustannie dążą do ograniczania zużycia koksu, częściowo zastępując go gazem ziemnym, pyłem węglowym i olejem opałowym, i tutaj osiągnięto już znaczny sukces. Być może więc, rozwijając ofensywę przeciwko koksowi, pracownicy wielkiego pieca będą mogli stopniowo całkowicie się go pozbyć? Ale wtedy będziesz musiał pozbyć się samego wielkiego pieca: w końcu bez koksu jest jak piec bez drewna.

Twórca nowoczesnej metalurgii D.K. Czernow zajmował się problematyką hutnictwa bezkoksowego. Pod koniec ubiegłego wieku zaproponował oryginalny projekt pieca szybowego, który zamiast żeliwa miałby wytapiać żelazo i stal. Niestety, jego pomysł nie miał zostać zrealizowany. Około półtorej dekady po przedstawieniu swojego projektu Czernow napisał z goryczą: „W związku z typową dla naszych prywatnych fabryk inercją zwróciłem się do Ministerstwa Handlu i Przemysłu w nadziei, że uda mi się wdrożyć proponowaną metodę w uproszczony sposób powstały w jednym z państwowych zakładów górniczych. Jednak pomimo dwukrotnie wyrażanej przez ówczesnego ministra chęci pomocy w przygotowaniu takiego doświadczenia, kwestia ta napotkała przeszkody nie do pokonania w gabinetach i na korytarzach ministerstwa.

DI Mendelejew był także zwolennikiem produkcji bezwybuchowej. „Wierzę – pisał na przełomie wieków – że znów nadejdzie czas, aby szukać sposobów bezpośredniego pozyskiwania żelaza i stali z rud, z pominięciem żeliwa”.

Przez dziesięciolecia naukowcy i inżynierowie z różnych krajów poszukiwali akceptowalnej technologii bezpośredniej redukcji żelaza. Wydano setki patentów, zaproponowano i wykonano różne urządzenia, instalacje, piece. Jednak nawet najbardziej pozornie obiecujących pomysłów długo nie można było wcielić w życie.

Pierwszą stosunkowo udaną instalację przemysłową do bezpośredniej produkcji żelaza zbudowano w 1911 roku w Szwecji według projektu inżyniera E. Sierina. Zaletą tej technologii było to. że czynnikiem redukującym odbierającym tlen z żelaza były odpady z produkcji węgla i koksu (miał węglowy i drobne frakcje koksu), a sam piec ogrzewany był tanim gatunkiem węgla. Ponadto jakość wytapianego metalu była bardzo wysoka, z czego Szwecja zawsze słynęła. Technologia ta nie znalazła jednak szerokiego zastosowania, gdyż proces trwał kilka dni. Szwedzka instalacja nie mogła już wówczas konkurować ze świetnie funkcjonującymi „duetami” wielkiego pieca – martenowskiego czy wielkiego pieca – konwertera.

Ważnym krokiem w rozwoju technologii bezpośredniej produkcji żelaza był rok 1918, kiedy szwedzki inżynier M. Wiberg zaproponował przeprowadzenie procesu redukcji w piecu szybowym przy użyciu w tym celu gazu palnego zawierającego tlenek węgla i wodór. Metoda ta umożliwiła przekształcenie rudy w 95% żelaza. Ale (i tu są „ale”) metoda ta miała znaczną wadę: początkowym surowcem do produkcji gazu redukującego był ten sam koks, a do jego zgazowania potrzebne były skomplikowane i drogie urządzenia - elektryczne generatory gazu.

W naszym kraju wielkim entuzjastą technologii wielkopiecowej był wiceprezes Remin, profesor nadzwyczajny Syberyjskiego Instytutu Metalurgicznego. Już pod koniec lat 30. opracował projekt pieca elektrycznego, w którym miała się topić ruda, zsuwając się po pochyłym dnie niczym lód w górach (dlatego piec nazwano piecem lodowcowym), a następnie żelazo powinien zostać odzyskany ze stopu. Zdradziecki atak hitlerowskich Niemiec na nasz kraj postawił przed metalurgami wiele trudnych zadań, a eksperymenty te trzeba było odłożyć na lepsze czasy.

Wielki piec: 1 - pomiń; 2 - lejek odbiorczy: 3 - rozdzielacz ładunku: 4 - lanca powietrzna; 5 - otwór spustowy żeliwny: 6 - otwór spustowy żużla.

Ale już po przybyciu na miejsce okazało się, że eksperci nie mają wspólnego punktu widzenia. Niektórzy bezwarunkowo opowiadali się za wielkim piecem, testowanym przez stulecia, inni natomiast widzieli perspektywy wolne od hutnictwa i koksu. W 1958 roku akademik I.P. Bardin, mówiąc o bezpośredniej produkcji żelaza z rudy, zauważył, że „słynny amerykański metalurg Smith, który nazwał wielki piec kamieniem młyńskim wiszącym na szyi hutnictwa jako kara za swoje grzechy w dziedzinie badań naukowych , został zmuszony do rozważenia specyficznych procesów, aby powrócić do wielkiego pieca, jako jedynej jednostki, na której obecnie można oprzeć hutnictwo.

W tamtych latach hutnictwo naprawdę nie miało godnej uwagi alternatywy dla wielkiego pieca. Pomimo licznych prób opracowania metod otrzymywania żelaza bezpośrednio z rudy, przez długi czas nie udało się znaleźć rozwiązania, które bezwarunkowo zadowoliłoby hutników. Albo schemat technologiczny był niedoskonały, albo sprzęt okazał się zawodny lub nieskuteczny, albo jakość powstałego metalu pozostawiała wiele do życzenia. Ponadto proponowane opcje często nie były uzasadnione ekonomicznie: metal okazał się bardzo drogi. Wybór środka redukującego również pozostał trudnym zadaniem. Poszukiwania utknęły w ślepym zaułku, choć w Szwecji, ZSRR i USA. W Meksyku, Wenezueli, Niemczech i Japonii funkcjonowało kilka małych instalacji do bezpośredniego wydobywania żelaza z rud.

Nie dziwi fakt, że te kraje jako pierwsze wprowadziły nową technologię. Na przykład hutnictwo w Szwecji od dawna specjalizuje się w produkcji stali wysokiej jakości i jak pokazała praktyka, droga bezpośredniej redukcji jest jednocześnie drogą do bezpośredniej poprawy jakości metalu. Jeśli chodzi o Meksyk i Wenezuelę, to one niechętnie stały się liderami – kraje te nie mają węgla koksowego, ale mają duże zasoby gazu ziemnego, więc nie mogłyby rozwijać hutnictwa żelaza w tradycyjny sposób, czyli budując wielkie piece, nawet gdyby oni chcieli.

Pod koniec lat 50. hutnicy doszli do zdecydowanego przekonania, że ​​gaz powinien pełnić rolę reduktora w procesach bezpośredniej produkcji żelaza. Oznaczało to, że dalsze poszukiwania należy prowadzić w kierunku zaproponowanym przez Wiberga. Wkrótce w wielu krajach znaleziono skuteczne rozwiązania. Zatem zaletą jednej z proponowanych technologii było to, że środek redukujący okazał się praktycznie darmowy: wynalazcy zaproponowali wykorzystanie gazów odlotowych z hut elektrycznych, które wcześniej były uwalniane do atmosfery. Było jeszcze jedno oryginalne rozwiązanie. Z pieca szybowego, w którym odbywała się redukcja żelaza, gorący gaz kierowany był nie do nieba, lecz do rekuperatora i oddawał swoje ciepło dochodzącemu tam gazowi redukującemu.

Rudę żelaza uzyskuje się w zwykły sposób: wydobycie odkrywkowe lub podziemne, a następnie transport do wstępnej przeróbki, gdzie materiał jest kruszony, myty i przetwarzany.

Rudę wlewa się do wielkiego pieca i poddaje działaniu gorącego powietrza i ciepła, co powoduje przekształcenie jej w stopione żelazo. Następnie jest usuwany z dna pieca do form zwanych tłokami, gdzie schładza się w celu wytworzenia żeliwa. Zamienia się go w kute żelazo lub przetwarza w stal na kilka sposobów.

Co to jest stal?

Na początku było żelazo. Jest to jeden z Można go znaleźć niemal wszędzie, w połączeniu z wieloma innymi pierwiastkami, w postaci rudy. W Europie początki obróbki żelaza datuje się na rok 1700 p.n.e.

W 1786 roku francuscy naukowcy Berthollet, Monge i Vandermonde dokładnie ustalili, że różnica między żelazem, żeliwem i stalą wynika z różnej zawartości węgla. Jednak stal wykonana z żelaza szybko stała się najważniejszym metalem rewolucji przemysłowej. Na początku XX wieku światowa produkcja stali wynosiła 28 milionów ton, sześć razy więcej niż w 1880 roku. Na początku pierwszej wojny światowej jego produkcja wynosiła 85 milionów ton. W ciągu kilku dekad praktycznie zastąpił żelazo.

Obecnie skatalogowanych jest ponad 3000 znaczków ( składy chemiczne), nie licząc tych stworzonych na indywidualne potrzeby. Wszystkie one przyczyniają się do tego, że stal jest najbardziej odpowiednim materiałem do rozwiązywania wyzwań przyszłości.

Surowce do hutnictwa: pierwotne i wtórne

Wytapianie tego metalu przy użyciu wielu składników jest najczęstszą metodą wydobycia. Materiały wsadowe mogą być pierwotne lub wtórne. Główny skład wsadu to zwykle 55% surówki i 45% pozostałego złomu. Jako główny pierwiastek stopu stosuje się żelazostopy, żeliwo przetworzone i metale technicznie czyste, do pierwiastków wtórnych zaliczają się z reguły wszystkie rodzaje metali żelaznych.

Ruda żelaza jest najważniejszym i podstawowym surowcem w przemyśle żelaza i stali. Do wyprodukowania tony żeliwa potrzeba około 1,5 tony tego materiału. Do wyprodukowania jednej tony surówki zużywa się około 450 ton koksu. Wiele zakładów metalurgicznych nawet korzysta

Woda jest ważnym surowcem dla przemysłu żelaza i stali. Stosowany jest głównie do gaszenia koksu, chłodzenia wielkiego pieca, wytwarzania pary w drzwiach roboczych sprzęt hydrauliczny i odprowadzanie ścieków. Do wyprodukowania tony stali potrzeba około 4 ton powietrza. Topnik stosowany jest w wielkim piecu do usuwania zanieczyszczeń z wytapianej rudy. Wapień i dolomit łączą się z wyekstrahowanymi zanieczyszczeniami, tworząc żużel.

Zarówno wielkie piece, jak i piece stalowe wyłożone są materiałami ogniotrwałymi. Stosowane są w piecach wykładzinowych przeznaczonych do wytopu rudy żelaza. Do formowania używa się krzemionki lub piasku. Do produkcji różnych gatunków stali wykorzystuje się aluminium, chrom, kobalt, miedź, ołów, mangan, molibden, nikiel, cynę, wolfram, cynk, wanad itp. Spośród wszystkich tych żelazostopów mangan jest szeroko stosowany w hutnictwie stali.

Odpady żelaza uzyskane ze zdemontowanych konstrukcji fabryk, mechanizmów, starych Pojazd itp. są przetwarzane i szeroko stosowane w tej branży.

Żeliwo do stali

Wytapianie stali przy użyciu żeliwa odbywa się znacznie częściej niż w przypadku innych materiałów. Żeliwo to termin, który zazwyczaj odnosi się do żeliwa szarego, jednak utożsamiany jest także z dużą grupą żelazostopów. Węgiel stanowi w stopie około 2,1 do 4% wagowych, podczas gdy krzem zazwyczaj stanowi 1 do 3% wagowych.

Żelazo i stal wytapia się w temperaturze topnienia pomiędzy 1150 a 1200 stopni, czyli o około 300 stopni niższej niż temperatura topnienia czystego żelaza. Żeliwo charakteryzuje się również dobrą płynnością, doskonałą obrabialnością i odpornością na odkształcenia, utlenianie i odlewanie.

Stal jest także stopem żelaza o zmiennej zawartości węgla. Zawartość węgla w stali waha się od 0,2 do 2,1% masowych i jest to najbardziej ekonomiczny materiał stopowy dla żelaza. Wytapianie stali z żeliwa jest przydatne do różnych celów inżynieryjnych i konstrukcyjnych.

Ruda żelaza na stal

Proces wytapiania stali rozpoczyna się od przerobu rudy żelaza. Skała zawierająca rudę żelaza jest kruszona. Rudę wydobywa się za pomocą walców magnetycznych. Drobnoziarnista ruda żelaza jest przetwarzana na gruboziarniste bryły przeznaczone do wykorzystania w wielkim piecu. Węgiel jest oczyszczany z zanieczyszczeń, w wyniku czego powstaje prawie czysta forma węgla. Mieszaninę rudy żelaza i węgla podgrzewa się następnie w celu wytworzenia stopionego żelaza lub surówki, która jest wykorzystywana do produkcji stali.

W głównym piecu tlenowym głównym surowcem jest stopiona ruda żelaza, która jest mieszana z różnymi ilościami złomu stalowego i stopów w celu wytworzenia różnych gatunków stali. Elektryczny piec łukowy topi złom stalowy z recyklingu bezpośrednio w nową stal. Około 12% stali wytwarza się z materiałów pochodzących z recyklingu.

Technologia wytapiania

Topienie to proces, w wyniku którego metal otrzymuje się jako pierwiastek lub jako prosty związek z rudy przez ogrzewanie powyżej jego temperatury topnienia, zwykle w obecności środków utleniających, takich jak powietrze, lub środków redukujących, takich jak koks.

W technologii produkcji stali metal łączący się z tlenem, np. tlenkiem żelaza, podgrzewa się do wysokiej temperatury, a tlenek tworzy się w połączeniu z węglem zawartym w paliwie, który wydziela się w postaci tlenku lub dwutlenku węgla.
Inne zanieczyszczenia, zwane łącznie żyłami, są usuwane przez dodanie strumienia, z którym łączą się, tworząc żużel.

W nowoczesnym topieniu stali wykorzystuje się piec pogłosowy. Stężona ruda i strumień (zwykle wapień) są ładowane od góry, a stopiony kamień (związek miedzi, żelaza, siarki i żużla) jest wyciągany z dołu. Aby usunąć żelazo z matowej powierzchni, konieczna jest druga obróbka cieplna w piecu konwertorowym.

Metoda konwekcji tlenowej

Proces BOF jest wiodącym procesem produkcji stali na świecie. Produkcja światowa stal konwertorowa w 2003 roku wyniosła 964,8 mln ton, co stanowiło 63,3% produkcja ogólna. Produkcja konwerterów jest źródłem zanieczyszczenia środowiska. Główne wyzwania w tym zakresie to redukcja emisji, zrzutów i redukcja odpadów. Ich istota polega na wykorzystaniu wtórnych zasobów energii i materiałów.

Ciepło egzotermiczne wytwarzane jest w wyniku reakcji utleniania podczas przedmuchu.

Główny proces produkcji stali z wykorzystaniem własnych złóż:

  • Stopioną surówkę (czasami nazywaną surówką) z wielkiego pieca wlewa się do dużego, wyłożonego ognioodpornie pojemnika zwanego kadzią.
  • Metal znajdujący się w kadzi kierowany jest bezpośrednio do głównego etapu produkcji stali lub wstępnej obróbki.
  • Tlen o wysokiej czystości pod ciśnieniem 700–1000 kilopaskali jest wtryskiwany z prędkością ponaddźwiękową na powierzchnię kąpieli żelaznej za pomocą lancy chłodzonej wodą, zawieszonej w naczyniu i utrzymywanej kilka stóp nad kąpielą.

Decyzja o obróbce wstępnej zależy od jakości surówki i pożądanej końcowej jakości stali. Pierwsze konwertery ze zdejmowanym spodem, które można było odłączyć i naprawić, są nadal w użyciu. Włócznie używane do dmuchania zostały zmienione. Aby zapobiec zakleszczaniu się dyszy podczas przepłukiwania, zastosowano szczelinowe mankiety z długą, zwężającą się miedzianą końcówką. Końcówki po spaleniu spalają CO powstający w wyniku wdmuchiwania CO 2 i zapewniają dodatkowe ciepło. Do usuwania żużla służą strzałki, kule ogniotrwałe i wykrywacze żużla.

Metoda konwekcji tlenowej: zalety i wady

Nie wymaga kosztów sprzętu do oczyszczania gazu, ponieważ powstawanie pyłu, tj. odparowanie żelaza, zmniejsza się 3-krotnie. Ze względu na spadek wydajności żelaza obserwuje się wzrost wydajności ciekłej stali o 1,5 - 2,5%. Kolejną zaletą jest zwiększenie intensywności oczyszczania w tej metodzie, co pozwala na zwiększenie wydajności konwertora o 18%. Jakość stali jest wyższa, ponieważ temperatura w strefie rozdmuchu jest obniżona, co prowadzi do zmniejszenia tworzenia się azotu.

Wady tej metody wytapiania stali doprowadziły do ​​​​zmniejszenia zapotrzebowania na zużycie, ponieważ poziom zużycia tlenu wzrasta o 7% z powodu wysokiego zużycia spalania paliwa. W obrabianym metalu występuje zwiększona zawartość wodoru, dlatego też po zakończeniu procesu konieczne jest przeprowadzenie przepłukiwania tlenem przez jakiś czas. Spośród wszystkich metod, metoda tlenowo-konwerterowa powoduje największe powstawanie żużla, powodem jest brak możliwości monitorowania procesu utleniania wewnątrz urządzenia.

Metoda otwartego paleniska

Proces martenowski obejmował większość obróbki całej stali produkowanej na świecie przez większą część XX wieku. William Siemens w latach sześćdziesiątych XIX wieku poszukiwał sposobu na podniesienie temperatury w piecu metalurgicznym, wskrzeszając starą propozycję wykorzystania ciepła odpadowego wytwarzanego przez piec. Podgrzał cegłę do wysokiej temperatury, a następnie tą samą drogą wprowadził powietrze do pieca. Podgrzane powietrze znacznie podniosło temperaturę płomienia.

Jako paliwo stosuje się gaz ziemny lub rozpylony olej ciężki; powietrze i paliwo są podgrzewane przed spalaniem. Piec jest ładowany ciekłym śrutem i stalowy złom wraz z rudą żelaza, wapieniem, dolomitem i topnikami.

Sam piec wykonany jest z materiałów wysoce ogniotrwałych, takich jak cegły magnezytowe na paleniska. Piece martenowskie ważą do 600 ton i są zazwyczaj instalowane w grupach, co umożliwia efektywne wykorzystanie masywnego sprzętu pomocniczego wymaganego do załadunku pieców i przetwarzania ciekłej stali.

Chociaż proces martenowski został prawie całkowicie zastąpiony w większości krajów uprzemysłowionych przez podstawowy proces tlenowy i elektryczny piec łukowy, wytwarza się w nim około 1/6 całej stali produkowanej na świecie.

Zalety i wady tej metody

Zaletami są łatwość użycia i łatwość produkcji stali stopowej z różnymi dodatkami, które nadają materiałowi różne specjalistyczne właściwości. Niezbędne dodatki i stopy dodaje się bezpośrednio przed zakończeniem wytapiania.

Wady obejmują zmniejszoną wydajność w porównaniu z metodą z konwerterem tlenu. Ponadto jakość stali jest niższa w porównaniu z innymi metodami wytapiania metali.

Elektryczna metoda wytwarzania stali

Nowoczesną metodą wytapiania stali z wykorzystaniem własnych zasobów jest piec, w którym nagrzewa się naładowany materiał za pomocą łuku elektrycznego. Przemysłowe piece łukowe mają wielkość od małych jednostek o nośności około jednej tony (stosowanych w odlewniach do produkcji wyrobów żeliwnych) do jednostek o masie 400 ton stosowanych w metalurgii wtórnej.

Piece łukowe stosowane w laboratoriach badawczych mogą mieć pojemność zaledwie kilkudziesięciu gramów. Temperatury w przemysłowych piecach łukowych mogą sięgać 1800°C (3,272°F), natomiast w instalacjach laboratoryjnych mogą przekraczać 3000°C (5432°F).

Piece łukowe różnią się od pieców indukcyjnych tym, że materiał wsadowy jest bezpośrednio wystawiony na działanie łuku elektrycznego, a prąd na zaciskach przepływa przez naładowany materiał. Elektryczny piec łukowy służy do produkcji stali, ma wyłożenie ogniotrwałe, zwykle chłodzone wodą, jest duży i pokryty rozsuwanym dachem.

Piekarnik jest podzielony głównie na trzy sekcje:

  • Skorupa składająca się ze ścian bocznych i dolnej stalowej misy.
  • Palenisko składa się z materiału ogniotrwałego, który stanowi przedłużenie dolnej misy.
  • Dach ognioodporny lub chłodzony wodą może mieć kształt kuli lub stożka ściętego (przekrój stożkowy).

Zalety i wady metody

Metoda ta zajmuje wiodącą pozycję w dziedzinie produkcji stali. Metodę wytapiania stali stosuje się w celu wytworzenia wysokiej jakości metalu, który jest całkowicie pozbawiony lub zawiera niewielkie ilości niepożądanych zanieczyszczeń, takich jak siarka, fosfor i tlen.

Główną zaletą tej metody jest nagrzewanie, dzięki któremu z łatwością można kontrolować temperaturę topnienia i osiągać niesamowite szybkości nagrzewania metalu. Zautomatyzowana praca będzie przyjemnym dodatkiem do doskonałej możliwości wysokiej jakości obróbki różnych złomu.

Wady obejmują wysokie zużycie energii.

Żelazo stanowi ponad 5% skorupy ziemskiej. Głównymi rudami używanymi do wydobywania żelaza są hematyt i magnetyt. Rudy te zawierają od 20 do 70% żelaza. Najważniejszymi zanieczyszczeniami żelaza w tych rudach są piasek i tlenek glinu (tlenek glinu).

Jądro Ziemi

Na podstawie dowodów pośrednich możemy stwierdzić, że jądro Ziemi składa się głównie ze stopu żelaza. Jego promień wynosi około 3470 km, a promień Ziemi wynosi 6370 km. Wewnętrzne jądro Ziemi wydaje się być stałe, a jego promień wynosi około 1200 km. Jest otoczony płynnym rdzeniem zewnętrznym. Burzliwy przepływ płynu w tej części jądra wytwarza ziemskie pole magnetyczne. Ciśnienie wewnątrz rdzenia waha się od 1,3 do 3,5 miliona atmosfer, a temperatura waha się od

Chociaż ustalono, że jądro Ziemi składa się głównie z żelaza, jego dokładny skład nie jest znany. Szacuje się, że od 8 do 10% masy jądra Ziemi stanowią pierwiastki takie jak nikiel, siarka (w postaci siarczku żelaza), tlen (w postaci tlenku żelaza) i krzem (w postaci krzemek żelaza).

Co najmniej 12 krajów na świecie posiada udokumentowane zasoby rudy żelaza przekraczające miliard ton. Kraje te obejmują Australię, Kanadę, USA, RPA, Indie, ZSRR i Francję. Światowy poziom produkcji stali sięga obecnie 700 mln ton.Głównymi producentami stali są ZSRR, USA i Japonia, każdy z tych krajów produkuje ponad 100 mln ton stali rocznie. W Wielkiej Brytanii poziom produkcji stali wynosi 20 milionów ton rocznie.

Produkcja żelaza

Ekstrakcja żelaza z rudy żelaza odbywa się w dwóch etapach. Rozpoczyna się od przygotowania rudy – mielenia i podgrzewania. Rudę rozdrabnia się na kawałki o średnicy nie większej niż 10 cm, po czym rozdrobnioną rudę poddaje się kalcynacji w celu usunięcia wody i lotnych zanieczyszczeń.

W drugim etapie rudę żelaza redukuje się do żelaza za pomocą tlenku węgla w wielkim piecu (ryc. 14.12). Redukcję prowadzi się w temperaturze około 700°C:

Aby zwiększyć uzysk żelaza, proces ten prowadzi się w warunkach nadmiaru dwutlenku węgla

Tlenek węgla CO powstaje w wielkim piecu z koksu i powietrza. Powietrze jest najpierw podgrzewane do temperatury około 600°C i wtłaczane do pieca przez specjalną rurę – dyszę. Koks spala się w gorącym sprężonym powietrzu, tworząc dwutlenek węgla. Reakcja ta jest egzotermiczna i powoduje wzrost temperatury powyżej 1700°C:

Dwutlenek węgla unosi się w piecu i reaguje z większą ilością koksu, tworząc tlenek węgla. Ta reakcja jest endotermiczna:

Ryż. 14.12. Wielki piec, 1 - ruda żelaza, wapień, koks, 2 stożek załadowczy (górny), 3 - gaz górny, 4 - mur pieca, 5 - strefa redukcji tlenku żelaza, 6 - strefa tworzenia się żużla, 7 - strefa spalania koksu, 8 - wtrysk ogrzanego powietrza przez dysze, 9 - stopione żelazo, 10 - stopiony żużel.

Żelazo powstające podczas redukcji rudy jest zanieczyszczone zanieczyszczeniami w postaci piasku i tlenku glinu (patrz wyżej). Aby je usunąć, do pieca dodaje się wapień. W temperaturach panujących w piecu wapień ulega rozkładowi termicznemu z utworzeniem tlenku wapnia i dwutlenku węgla:

Tlenek wapnia łączy się z zanieczyszczeniami, tworząc żużel. Żużel zawiera krzemian wapnia i glinian wapnia:

Żelazo topi się w temperaturze 1540°C (patrz tabela 14.2). Roztopione żelazo wraz ze stopionym żużlem spływa do dolnej części pieca. Roztopiony żużel unosi się na powierzchni roztopionego żelaza. Każda z tych warstw jest okresowo wypuszczana z pieca na odpowiednim poziomie.

Wielki piec pracuje całą dobę, w trybie ciągłym. Surowcami do procesu wielkopiecowego są ruda żelaza, koks i wapień. Są stale podawane do piekarnika od góry. Żelazo jest uwalniane z pieca cztery razy dziennie, w regularnych odstępach czasu. Wylewa się z pieca ognistym strumieniem o temperaturze około 1500°C. Wielkie piece są dostępne w różnych rozmiarach i wydajności (1000-3000 ton dziennie). W USA pojawiło się kilka nowych projektów piekarników

cztery wyloty i ciągłe uwalnianie stopionego żelaza. Piece tego typu mają wydajność do 10 000 ton na dobę.

Żelazo wytopione w wielkim piecu wlewa się do form piaskowych. Ten rodzaj żelaza nazywany jest żeliwem. Zawartość żelaza w żeliwie wynosi około 95%. Żeliwo jest twardą, ale kruchą substancją o temperaturze topnienia około 1200 °C.

Żeliwo wytwarza się przez stapianie mieszaniny surówki, złomu i stali z koksem. Roztopione żelazo wlewa się do form i chłodzi.

Kute żelazo jest najczystszą formą żelaza przemysłowego. Otrzymuje się go przez ogrzewanie surowego żelaza z hematytem i wapieniem w piecu do wytapiania. Zwiększa to czystość żelaza do około 99,5%. Jego temperatura topnienia wzrasta do 1400°C. Kute żelazo ma dużą wytrzymałość, plastyczność i plastyczność. Jednak w wielu zastosowaniach zastępuje się ją stalą miękką (patrz poniżej).

Produkcja stali

Stale dzielą się na dwa typy. Stale węglowe zawierają do 1,5% węgla. Stale stopowe zawierają nie tylko niewielkie ilości węgla, ale także specjalnie wprowadzone zanieczyszczenia (dodatki) innych metali. Poniżej szczegółowo omówiono różne rodzaje stali, ich właściwości i zastosowania.

Proces konwertera tlenu. W ostatnich dziesięcioleciach produkcja stali została zrewolucjonizowana poprzez rozwój zasadowego procesu tlenowego (znanego również jako proces Linza-Donawitza). Proces ten zaczęto stosować w 1953 roku w hutach stali w dwóch austriackich ośrodkach metalurgicznych – Linz i Donawitz.

W procesie konwertera tlenu wykorzystuje się konwerter tlenu z wyściółką główną (wyściółką) (ryc. 14.13). Konwerter ładowany jest w pozycji pochylonej

Ryż. 14.13. Konwerter do wytapiania stali, 1 - tlen i 2 - chłodzona wodą rura do podmuchu tlenowego, 3 - żużel. 4-osiowy, 5-stopiona stal, 6-stalowy korpus.

stopioną surówkę z pieca do wytapiania i złom, a następnie powrócił do pozycji pionowej. Następnie do konwertora wprowadza się od góry chłodzoną wodą rurkę miedzianą i przez nią strumień tlenu zmieszanego ze sproszkowanym wapnem kierowany jest na powierzchnię roztopionego żelaza. To „oczyszczanie tlenem”, które trwa 20 minut, prowadzi do intensywnego utleniania zanieczyszczeń żelaznych, a zawartość konwertora pozostaje płynna ze względu na uwolnienie energii podczas reakcji utleniania. Powstałe tlenki łączą się z wapnem i zamieniają się w żużel. Następnie wyciąga się rurę miedzianą i przechyla konwertor w celu spuszczenia żużla. Po wielokrotnym przedmuchaniu roztopioną stal wylewa się z konwertora (w pozycji pochylonej) do kadzi.

Proces konwertorowy tlenu jest stosowany głównie do produkcji stali węglowych. Charakteryzuje się wysoką produktywnością. W jednym konwertorze w ciągu 40-45 minut można wyprodukować 300-350 ton stali.

Obecnie cała stal w Wielkiej Brytanii i większość stali na świecie jest produkowana przy użyciu tego procesu.

Elektryczny proces wytwarzania stali. Piece elektryczne służą przede wszystkim do przetwarzania złomu stalowego i żeliwa na wysokiej jakości stale stopowe, takie jak stal nierdzewna. Piec elektryczny to okrągły, głęboki zbiornik wyłożony cegłami ogniotrwałymi. Piec jest ładowany złomem przez otwartą pokrywę, następnie pokrywa jest zamykana, a elektrody poprzez znajdujące się w nim otwory są opuszczane do pieca, aż zetkną się ze złomem. Następnie prąd jest włączany. Pomiędzy elektrodami powstaje łuk, w którym rozwija się temperatura powyżej 3000°C. W tej temperaturze metal topi się i powstaje nowa stal.Każdy załadunek pieca pozwala na wyprodukowanie 25-50 ton stali.