В каких печах выплавляют чугун и сталь

Обновлено: 02.05.2024

Чугун — широко используемый в разных отраслях промышленности металл, отличающийся замечательными эксплуатационными характеристиками. Процесс его получения относительно несложен и слишком много шагов в себя не включает. Выплавляют этот материал в домнах - особых печах, представляющих собой нечто вроде увеличенной копии пробирки. О том, как получают чугун, и поговорим далее во всех подробностях.

Горно-обогатительные комбинаты

Основным сырьем, используемым при производстве чугуна, является железная руда. Добывают ее в карьерах в разных местах нашей страны. Как известно, добытая руда содержит большое количество разного рода примесей. Использовать ее для плавки чугуна в таком "сыром" виде, конечно же, нельзя. Поэтому на первом этапе она поступает на специальные предприятия — горно-обогатительные комбинаты. Здесь из нее удаляют пустые породы и дробят. Затем уже чистую руду грузят в вагоны составов и отправляют на металлургические комбинаты.

Процесс агломерации

Собственно, как получают чугун, рассмотрим чуть ниже. Сейчас же поговорим о том, как подготавливается руда для его выплавки непосредственно на металлургических производствах.

Если для переплавки будет использован обычный дробленый материал, производительность доменной печи резко упадет. Дело в том, что такая шихта имеет низкую степень газопроницаемости. Поэтому перед загрузкой в домну руда в обязательном порядке проходит процесс агломерации.

Выполняется эта процедура в специализированных цехах металлургических комбинатов и представляет собой процесс спекания породы в куски определенного, наиболее подходящего для выплавки чугуна размера. Происходит слипание при высокой температуре, достаточной для легкого расплавления поверхности частиц шихты. В результате последние просто-напросто склеиваются друг с другом, образуя куски. При этом предварительно руда смешивается с углем. В результате горения последнего и достигается необходимая для получения кусков температура. Стимулируется процесс агломерации путем пропускания через слой руды с углем потоков воздуха (сверху вниз).

Для получения агломерата может использоваться не только руда. Иногда его делают также из небольших кусков железа. Его сплав с каким веществом позволяет получить чугун, будет рассмотрено ниже. Конечно же, для производства этого металла используется не железо в чушках. Переплавляют на чугун обычный металлолом.

Что происходит в печи

Итак, давайте посмотрим, как получают чугун в домне. Изнутри печь такой конструкции облицована кирпичом. Принцип ее работы относительно прост. При производстве чугуна, помимо агломерата, используются кокс, известь и флюс. Смесь из этих материалов готовится в определенной пропорции. Она то и называется доменной шихтой. Ее насыпают в специальные подъемники и поднимают на самый верх печи.

Для того чтобы кокс загорелся, необходимо большое количество воздуха, обогащенного кислородом. Он подается в доменную печь снизу, через специальные отверстия, называемые фурменными. Вдувается он в печь под очень большим давлением. Это необходимо для того, чтобы воздух проник через пласт подаваемой сверху шихты. При этом предварительно поток подогревается до 600-800 градусов, иначе температура внутри печи снизится.

Полученный при расправлении шихты чугун стекает вниз и с периодичностью примерно один раз в 40 мин выпускается наружу через специальное отверстие, называемое леткой. Далее он переливается в чаши большой емкости и перевозится в сталеплавильные цеха.

Восстановление и науглероживание железа в печи

Все домны работают по принципу противотока. При этом в них поочередно происходят следующие химические процессы:

Восстановление железа. Происходит этот процесс последовательно и выглядит так: Fe₂O₃ - Fe₃O₄ - FeO - Fe. В качестве восстановителя в данном случае выступает оксид углерода (CO), образующийся при взаимодействии CO₂ с раскаленным коксом, а также твердый углерод последнего.
Науглероживание железа. Реакция в данном случае выглядит так: 3Fe + 2CO = Fe₃C + CO₂ + Q. Карбид Fe₃C легко смешивается с твердым железом, в результате чего и образуется сплав последнего с углеродом. Стекая вниз, он омывает куски кокса и науглероживается еще больше. Помимо этого, в нем растворяются такие вещества, как марганец, сера, кремний и т. д.

Таким образом, становится понятно, доменный металл — это сплав железа с каким веществом. Получить чугун можно просто путем науглероживания расплава шихты.

Восстановление других элементов

Mn, кремний, сера и фосфор попадают в доменную печь вместе с шихтой в виде различных химических соединений. Высшие оксиды марганца восстанавливаются до MnO примерно по тому же принципу, что и железо: MnO₂ - Mn₂O₃ - Mn₃O₄ - MnO. Чистый марганец выделяется так: MnO + C = Mn + CO - Q. Кремний попадает в печь в виде кремнезема SiO₂. Восстановление его происходит по реакции SiO₂ + 2C = Si + 2CO - Q.

Фосфор восстанавливается водородом, твердым углеродом и CO и, к сожалению, переходит в чугун практически полностью. Этот элемент ухудшает доменный сплав железа. Позволяет получить чугун хорошего качества присутствующий в шихте кремнезем, а также высшие оксиды марганца. Mn в некоторых случаях добавляется в домну специально. При этом получается особый вид чугуна — марганцевый.

Удаление серы

Вопрос о том, как получить чугун хорошего качества, сводится в том числе и к очистке его от этого нежелательного элемента. Сера является основной вредной примесью, значительно ухудшающей свойства конечного продукта выплавки. Основное ее количество содержится в коксе. Удаляют серу путем повышения содержания в шихте извести (CaO) и увеличения температуры в горне. Реакция в данном случае выглядит так: FeS + CaO = FeO + CaO + Q. Для снижения процента содержания серы в чугуне могут использоваться и другие способы. К примеру, иногда уже выплавленный материал обрабатывается в выпускном желобе или чаше с содой. При этом удаление серы происходит в результате реакции FeS + NaCO₃ = FeO + Na₂S + CO₂.

Образование шлака

Таким образом, мы с вами выяснили, как получают чугун. Однако при выплавке этого материала получается и еще один, широко используемый в народном хозяйстве продукт. При плавке 1 т чугуна выходит 0,6 т шлака. Дело в том, что даже в очищенной железной руде содержится довольно-таки большое количество глины. В состав кокса же входит зола. Для удаления этих ненужных элементов к шихте, помимо всего прочего, примешивают флюсы (карбонаты кальция и магния). В процессе плавки они вступают в химическую реакцию с разного рода примесями, в результате чего и образуется шлак. Представляет он собой алюмосиликатный или силикатный расплав.

Плотность шлака меньше, чем жидкого чугуна. Поэтому в процессе плавки он располагается под ним. Удаляют его периодически через отдельную летку, называемую шлаковой. Используется этот побочный продукт чугунолитейного производства в основном для изготовления цемента и строительных блоков в качестве наполнителя.

Виды чугуна

Как видите, вопрос о том, как получить чугун в домне, относительно несложен. В конечном итоге, однако, из печи может выходить материал, немного отличающийся по химическому составу и физическим свойствам. Все чугуны в основном подразделяются на две разновидности: передельные (белые) и литейные (серые). Первый тип используется как сырье при производстве сталей. Литейный применяют для получения разного рода чугунных изделий, пользующихся на рынке неплохим спросом.

Белый чугун

Доля этой разновидности выплавляемого в доменных печах металла составляет 75-80%. Основными свойствами такого чугуна являются: большая твердость, хрупкость и износоустойчивость. Марганца и серы в нем содержится обычно больше, чем в литейном. Обработке белый чугун поддается с большим трудом. Использовать для изготовления из него каких-либо изделий обычные режущие инструменты современных станков нельзя. Зато сталь получают из чугуна этой разновидности довольно-таки просто. Подразделяется передельный доменный металл в зависимости от способа дальнейшей переплавки на три класса: мартеновский (М), бессемеровский (Б) и томасовский (Т).

Литейный чугун

Углерод в этом материале в основном содержится в виде свободного графита, имеющего в своем составе кремний. Поставляется он для изготовления чугунных изделий в виде чушек. Маркируется этот материал буквой "Л" и цифрами от "1" до "6", в зависимости от назначения. Существует также рафинированный магнием литейный чугун, помечаемый буквами "ЛР".

Ну что ж, надеемся, мы в достаточно полной мере ответили на вопрос о том, сплав железа с каким веществом позволяет получить чугун. Это обычный углерод, замещающий в доменной печи входящий в состав руды кислород. Основные же свойства чугуна зависят от количества входящих в его состав примесей: марганца, фосфора, кремния и серы.

Выплавка стали: технология, способы, сырье

Железную руду получают привычным способом: открытой или подземной добычей и последующей транспортировкой для первоначальной подготовки, где материал измельчается, промывается и перерабатывается.

Руду засыпают в доменную печь и подвергают струйной обработке горячим воздухом и теплом, который превращает ее в расплавленное железо. Далее оно извлекается из нижней части печи в формы, известные как свиньи, где происходит остывание для получения чугуна. Он превращается в кованое железо или перерабатывается в сталь несколькими способами.

Что такое сталь?

Вначале было железо. Оно является одним из наиболее распространенных металлов в земной коре. Его можно встретить почти везде, в сочетании со многими другими элементами, в виде руды. В Европе начало работы с железом датируется 1700 г. до н.э.

В 1786 году французские ученые Бертолле, Мондж и Вандермонде точно определили, что разница между железом, чугуном и сталью обусловлена различным содержанием углерода. Тем не менее сталь, изготовленная из железа, быстро стала самым важным металлом промышленной революции. В начале XX века мировое производство стали составило 28 миллионов тонн - это в шесть раз больше, чем в 1880 году. К началу Первой мировой войны ее производство составляло 85 миллионов тонн. В течение нескольких десятилетий она практически заменила железо.

Содержание углерода влияет на характеристики металла. Существует два основных вида стали: легированная и нелегированная. Сплав стали относится к химическим элементам, отличным от углерода, добавленного к железу. Таким образом, для создания нержавеющей стали используется сплав 17 % хрома и 8 % никеля.

В настоящее время существует более 3000 каталогизированных марок (химических составов), не считая тех, которые созданы для удовлетворения индивидуальных потребностей. Все они способствуют превращению стали в наиболее подходящий материал для решения задач будущего.

Сырье для выплавки стали: первичное и вторичное

Выплавка данного металла с использованием многих компонентов – самый распространенный способ добычи. Шихтовые материалы могут быть как первично используемые, так и вторично. Основной состав шихты, как правило, составляет 55 % чугуна и 45 % оставшегося металлолома. Ферросплавы, переделанный чугун и технически чистые металлы используются как основной элемент сплава, ко вторичным, как правило, относят все виды черного металла.

Железная руда является самым важным и основным сырьем в черной металлургии. Для производства тонны чугуна требуется около 1,5 тонны этого материала. Для производства одной тонны чугуна используется около 450 тонн кокса. Многие металлургические заводы применяют даже древесный уголь.

Вода - важное сырье для черной металлургии. Она в основном используется для закалки кокса, охлаждения доменных печей, производства пара в дверях угольной печи, работы гидравлического оборудования и удаления сточных вод. Для производства тонны стали требуется около 4 тонн воздуха. Флюс используется в доменной печи для извлечения загрязнений из плавильной руды. Известняк и доломит объединяются с экстрагированными примесями с образованием шлака.

Как дутьевые, так и стальные печи, облицованы огнеупорами. Они используются для облицовочных печей, предназначенных для плавки железной руды. Диоксид кремния или песок используется для формования. Для производства стали различных марок применяют цветные металлы: алюминий, хром, кобальт, медь, свинец, марганец, молибден, никель, олово, вольфрам, цинк, ванадий и др. Среди всех этих ферросплавов марганец широко используется в выплавке стали.

Железные отходы, полученные из демонтированных конструкций заводов, механизмов, старых транспортных средств и т. д., перерабатываются и широко используются в этой отрасли.

Чугун для стали

Выплавку стали с использованием чугуна производят гораздо чаще, чем с другими материалами. Чугун - это термин, который обычно относится к серому железу, однако он также идентифицирован с большой группой ферросплавов. Углерод составляет примерно от 2,1 до 4 мас.%, тогда как кремний составляет обычно от 1 до 3 мас.% в сплаве.

Выплавка чугуна и стали проходит при температуре плавления между 1150 и 1200 градусов, что примерно на 300 градусов ниже, чем температура плавления чистого железа. Чугун также демонстрирует хорошую текучесть, отличную обрабатываемость, устойчивость к деформации, окислению и отливке.

Сталь также является сплавом железа с переменным содержанием углерода. Содержание углерода в стали составляет от 0,2 до 2,1 мас.%, И это наиболее экономичный легирующий материал для железа. Выплавка стали из чугуна полезна для различных инженерных и конструкционных целей.

Железная руда для стали

Процесс выплавки стали начинается с переработки железной руды. Породу, содержащую железную руду, измельчают. Руду добывают с использованием магнитных роликов. Мелкозернистая железная руда перерабатывается в крупнозернистые комки для использования в доменной печи. Уголь очищается от примесей в коксовой печи, что дает почти чистую форму углерода. Затем смесь железной руды и угля нагревают для получения расплавленного железа или чугуна, из которого производится сталь.

В основной кислородной печи расплавленная железная руда является основным сырьем и смешивается с различными количествами стального лома и сплавов для производства различных марок стали. В электродуговой печи переработанный стальной лом расплавляется непосредственно в новую сталь. Около 12% стали изготовлено из переработанного материала.

Технология выплавки

Плавление - процесс, посредством которого металл получают либо в виде элемента, либо как простое соединение из его руды путем нагревания выше температуры плавления обычно в присутствии окислителей, таких как воздух, или восстановителей, таких как кокс.

В технологии выплавки стали металл, который сочетается с кислородом, например оксидом железа, нагревается до высокой температуры, и оксид образуется в сочетании с углеродом в топливе, выходящим как монооксид углерода или диоксид углерода.
Другие примеси, все вместе называемые жилами, удаляются добавлением потока, с которым они объединяются, образуя шлак.

В современных плавках стали используется отражательная печь. Концентрированная руда и поток (обычно известняк) загружаются в верхнюю часть, а расплавленный штейн (соединение меди, железа, серы и шлака) вытягивается снизу. Вторая термообработка в конвертерной печи необходима для удаления железа из матовой поверхности.

Кислородно-конвекторный способ

Кислородно-конвертерный процесс является ведущим процессом сталеплавильного производства в мире. Мировое производство конвертерной стали в 2003 году составило 964,8 млн тонн или 63,3 % от общего производства. Производство конвертера является источником загрязнения окружающей природной среды. Основными проблемами этого являются снижение выбросов, сбросов и уменьшение отходов. Суть их заключается в использовании вторичных энергетических и материальных ресурсов.

Экзотермическое тепло генерируется реакциями окисления во время продувки.

Основной процесс выплавки стали с использованием собственных запасов:

Расплавленный чугун (иногда называемый горячим металлом) из доменной печи выливается в большой огнеупорный футерованный контейнер, называемый ковшом.
Металл в ковше направляется непосредственно для основного производства стали или стадии предварительной обработки.
Высокочистый кислород под давлением 700-1000 килопаскалей вводится со сверхзвуковой скоростью на поверхность ванны железа через охлаждаемую водой фурму, которая подвешена в сосуде и удерживается в нескольких футах над ванной.

Решение о предварительной обработке зависит от качества горячего металла и требуемого конечного качества стали. Самые первые конвертеры со съемным дном, которые могут быть отсоединены и отремонтированы, все еще используются. Были изменены копья, используемые для дутья. Для предотвращения заклинивания фурмы во время продувки применялись щелевые манжеты с длинным сужающимся медным наконечником. Кончики наконечника после сгорания сжигают CO, образующийся при выдувании в CO₂, и обеспечивают дополнительное тепло. Для отвода шлака используются дротики, огнеупорные шарики и шлаковые детекторы.

Кислородно-конвекторный способ: достоинства и недостатки

Не требует затрат на оборудование по очищению от газа, так как пылеобразование, т. е. испарение железа, снижено в 3 раза. За счет снижения выхода железа наблюдается рост выхода жидкой стали в 1,5 - 2,5 %. Преимуществом стало и то, что интенсивность продувки в таком способе увеличивается, что дает возможность повысить производительности конвертера на 18 %. Качество стали выше, потому что температура в зоне продувки снижена, что приводит к уменьшению образования азота.

Недостатки данного способа выплавки стали привели к снижению спроса на потребление, так как повышается уровень потребления кислорода на 7 % из-за большого расхода на сжигание топлива. Наблюдается повышенное содержание водорода в переработанном металле, из-за чего приходится некоторое время после окончания процесса вести продувку при помощи кислорода. Среди всех способов кислородно-конвертерный обладает самым повышенным шлакообразованием, причиной является невозможность следить за процессом окисления внутри оборудования.

Мартеновский способ

Мартеновский способ на протяжении большей части 20-го века составлял основную часть обработки всей стали, изготовленной в мире. Уильям Сименс в 1860-х годах искал средства повышения температуры в металлургической печи, воскресив старое предложение об использовании отработанного тепла, выделяемого печью. Он нагревал кирпич до высокой температуры, затем использовал тот же путь для ввода воздуха в печь. Предварительно нагретый воздух значительно увеличивал температуру пламени.

Природный газ или распыленные тяжелые масла используются в качестве топлива; воздух и топливо нагреваются до сгорания. Печь загружается жидким доменным чугуном и стальным ломом вместе с железной рудой, известняком, доломитом и флюсами.

Сама печь изготовлена из высокоогнеупорных материалов, таких как магнезитовый кирпич для очагов. Вес мартеновских печей достигает 600 тонн, и их обычно устанавливают группами, так что массивное вспомогательное оборудование, необходимое для зарядки печей и обработки жидкой стали, может быть эффективно использовано.

Хотя мартеновский процесс практически полностью заменен в большинстве промышленно развитых стран основным кислородным процессом и электродуговой печью, им изготавливают около 1/6 всей стали, произведенной во всем мире.

Достоинства и недостатки данного способа

К преимуществам относят простоту использования и легкость в получении легированной стали с примесью различных добавок, которые придают материалу различные специализированные свойства. Необходимые добавки и сплавы добавляют непосредственно перед окончанием выплавки.

К недостаткам можно отнести сниженную экономичность, по сравнению с кислородно-конверторным способом. Также качество стали более низкое, по сравнению с остальными методами выплавки металла.

Электросталеплавильный способ

Современный способ выплавки стали с использованием собственных запасов представляет собой печь, которая нагревает заряженный материал с помощью электрической дуги. Промышленные дуговые печи имеют размеры от небольших единиц грузоподъемностью около одной тонны (используются в литейных цехах для производства чугунных изделий) до 400 тонн единиц, применяемых для вторичной металлургии.

Дуговые печи, используемые в исследовательских лабораториях, могут иметь емкость всего несколько десятков граммов. Промышленные температуры электрической дуговой печи могут составлять до 1800 °C (3,272 °F), в то время как лабораторные установки могут превышать 3000 °C (5432 °F).

Дуговые печи отличаются от индукционных тем, что зарядный материал непосредственно подвергается воздействию электрической дуги, а ток в выводах проходит через заряженный материал. Электрическая дуговая печь используется для производства стали, состоит из огнеупорной футеровки, обычно водоохлаждаемой, больших размеров, покрыта раздвижной крышей.

Печь в основном разделена на три секции:

Оболочка, состоящая из боковых стенок и нижней стальной чаши.
Очаг состоит из огнеупора, который вытягивает нижнюю чашу.
Крыша с огнеупорной футеровкой или водяным охлаждением может быть выполнена в виде секции шара или в виде усеченного конуса (коническая секция).

Достоинства и недостатки способа

Данный способ занимает лидирующие позиции в области производства стали. Метод выплавки стали применяется для создания высококачественного металла, который либо совсем лишен, либо содержит незначительное количество нежелательных примесей, таких как сера, фосфор и кислород.

Главным плюсом метода является использование электроэнергии для нагревания, благодаря чему можно легко контролировать температуру плавления и достичь невероятной скорости нагревания металла. Автоматизированная работа станет приятным дополнением к прекрасной возможности качественной переработки различного металлического лома.

В каких печах выплавляют чугун и сталь

Ключевые слова конспекта: производство чугуна, производство стали, железная руда, чугун, сталь, руда, кокс, силикат кальция, пирит, доменная печь.

ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА. ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ

По объёму производства и потребления железо является важнейшим металлом. Обычно железо используется в виде сплавов. Отрасль промышленности, производящая железо и его сплавы, – чёрная металлургия.

Источником получения железа является железная руда. В руде основными компонентами являются соединения железа:

Fe₃O₄ – магнетит (магнитный железняк),
Fe₂O₃ – гематит (красный железняк),
Fe₂O₃nH₂O – лимонит (бурый железняк),
FeS₂ – пирит (железный колчедан, серный колчедан).

Пирит сначала обжигают (в ходе производства серной кислоты), а огарок (Fe₂O₃) используют в производстве чугуна.

Продуктами производства являются чугун и сталь.

Чугун – сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода составляет более 2%, а также имеются примеси кремния, фосфора, серы и марганца.

Производство чугуна осуществляют в доменных печах (см. рис). Сырьём для производства являются железная руда, кокс, известняк и горячий воздух.

Руда последовательно претерпевает превращения:

В руде присутствует также пустая порода, которую образует главным образом кремнезём – SiO₂. Это тугоплавкое вещество. Для превращения его в легкоплавкие соединения к руде добавляется флюс. Обычно это известняк. При взаимодействии его с кремнезёмом (SiO₂) образуется силикат кальция:

СаСO₃ + SiO₂ = CaSiO₃ + CO₂↑ (800 °С)

Образующийся силикат легко отделяется в виде шлака.

При восстановлении руды железо получается в твёрдом состоянии. Постепенно оно опускается в более горячую часть печи – распар – и растворяет в себе углерод. Образуется чугун. Последний плавится и стекает в нижнюю часть домны, а жидкие шлаки собираются на поверхности чугуна, предохраняя его от окисления. Чугун и шлаки периодически выпускают через особые отверстия.

Когда металлическое железо выделяется в жидком состоянии, в нём сравнительно хорошо растворяется углерод. При кристаллизации такого раствора образуется чугун – сплав железа с углеродом. Он обладает высокой хрупкостью из-за большого содержания в нём карбида железа Fe₃C (цементита), который образуется в результате побочных реакций:

3Fe + С = Fe₃C
3Fe + 2СО = Fe₃C + СO₂

В чугуне содержатся примеси фосфора, серы. Сера ухудшает текучесть чугуна и вызывает красноломкость стали – хрупкость при нагревании до температуры красного каления. Фосфор вызывает хладноломкость стали – хрупкость при обычной температуре.

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

Сталь – сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода составляет менее 2%.

Сущность получения стали из чугуна заключается в уменьшении содержания углерода в металле и возможно более полном удалении примесей – серы и фосфора, а также в доведении содержания кремния, марганца и других элементов до требуемых пределов.

Существует несколько способов переработки чугуна в сталь : мартеновский, бессемеровский и томасовский. Они различаются методами окисления.

В бессемеровском и томасовском способах окисление осуществляется кислородом воздуха, продуваемого через расплавленный металл. Во всех процессах углерод, содержащийся в металле, окисляется до СО и СO₂, удаляемых из реакционной зоны. Кремний Si, марганец Мn, хром Сг и другие металлы, окисляясь, переходят в шлак в виде SiO₂, МnО и т. д.

Механизм процесса окисления может быть представлен следующим образом. В первую очередь окисляется часть железа. Часть образующихся оксидов растворяется в металле и взаимодействует с примесями:

С + FeO ⇆ Fe + СО
Si + 2FeO ⇆ 2Fe + SiO₂
2P + 5FeO ⇆ 5Fe + P₂O₅

Для максимального удаления примесей серы и фосфора необходимо, чтобы в процессе передела чугуна получались основные шлаки; это достигается путём добавления известняка или извести. Сера, содержащаяся в чугуне в виде FeS, реагирует с оксидом кальция СаО:

FeS + СаО = CaS + FeO

Образующийся сульфид кальция переходит в шлак. Образовавшийся P₂O₅ также взаимодействует с известью, образуя фосфат кальция, переходящий в шлак:

3СаО + P₂O₅ = Са₃(РO₄)₂

Бессемеровский и томасовский способы осуществляют в конвертерах. Конвертеры – аппараты грушевидной формы, изготовленные из специальной котельной стали (кожух) и футерованные изнутри огнеупорными материалами.

Конспект урока по химии «Производство чугуна и стали. Доменная печь». Выберите дальнейшее действие:

Производство чугуна в России, история развития

На протяжении нескольких сотен лет Российская Федерация находится в числе мировых лидеров по производству чугуна. Данный сплав применяется в самых разных сферах промышленности, используется для создания художественных и декоративных изделий. Эксперты говорят: чугун – это неотъемлемая часть жизни человека, он заслуженно считается одним из самых востребованных материалов. Сегодня мы предлагаем поговорить о черной металлургии, производстве чугуна и стали, их влиянии на человека. Обратимся и к хронике развития литейного дела в целом: вас ждут исторические факты и интересная информация!

История: медно-каменный век

Чугун – это металл, история которого насчитывает тысячи лет, ее корни уходят в эпохи до нашей эры. Вообще, историки датируют первые свидетельства возникновения металлургии VI-V тысячелетием до нашей эры. Тогда человек еще использовал камень для создания орудий, но ему уже попадались медные самородки. Принимая самородки за обычные камни и обрабатывая их тем способом, что применялся к любым камням, – просто ударяя друг от друга – человек понимал: данные камни не откалываются, а лишь деформируется, а потому им можно придать практически любую форму. Такой метод историки позднее назовут холодной ковкой. Так медь стала заменой камню, изготавливать рыболовные крючки, наконечники копий и кинжалы стало гораздо проще, к тому же качество таких изделий значительно превышало качество аналогов из камня и кости. В то же время усовершенствовалась обработка дерева, появилась возможность изготавливать мелкие детали. Кстати, ученые доказали: на тех территориях, где активно использовалась медь, появление колеса произошло существенно раньше. Это доказывает тот факт, что развитие человечества неразрывно и тесно связано с развитием металлургии.

Бронзовый век

Когда люди научились создавать бронзу – сплав, состоящий из меди и олова, человечество вступило в Бронзовый век. Сегодня историки не могут ответить на вопрос о том, как именно человек изобрел такой сплав. Большая часть исследователей считает: произошло это по чистой случайности, когда в емкость с расплавленной медью попало олово. Факт остается фактом: на протяжении целой тысячи лет люди воевали бронзовыми мечами и готовили еду в бронзовых котелках.

Железный век

Историки утверждают: добыть железо было куда проще, чем медь или олово. Все дело в том, что она встречается в виде окиси и закиси повсеместно. Так почему люди не начали применять железо раньше? Ответ прост: производство этого металла – процесс невероятно сложный и трудоемкий, проходящий в несколько этапов. На изучение данного процесса потребовалось не одно столетие развития. Потому неудивительно, что металлурги тех времен в народе считались настоящими колдунами, горящими магические вещи.

Первые упоминания о чугуне

Страной, в которой началось производство чугуна, сегодня считается Китай. Историки говорят, что произошло это примерно в пятом веке до нашей эры. В Поднебесной были крайне популярны монеты, предметы домашней утвари и разнообразное оружие, производимые из чугуна. До наших времен дошло множество чугунных отливок, к примеру, великолепный чугунный лев, высота которого составляет 6 метров, а длина – 5. Ученые доказали: эта статуя была отлита за один раз, что, несомненно, свидетельствует о большом мастерстве первых китайских металлургов.

Интересный факт: во всем мире началом производства ковкого чугуна считается XIX век нашей эры, хотя достоверно известно, что в Китае из него делали мечи еще до Рождества Христова!

Зарождение производства в России

Когда же началось производство чугуна в России? Археологические раскопки, проводимые на территории крупных городов Золотой Орды, доказывают: появление и развитие данного производства в России началось еще во времена татаро-монгольского ига! Определенную роль в этом сыграла близость монгольского царства к Китаю.

Практически во всех татаро-монгольских городах проживали русичи, которые имели здесь и собственные мастерские, и торговые ряды. Они не только перенимали знания местных мастеров, но и делились своими. После того как Орда пала, технологии продолжили развиваться и совершенствоваться. Уже в XVI веке, при Василии Третьем и Иване Грозном, производство литейного чугуна стало активно применяться в артиллерии, в основном из него изготавливались ядра и небольшие пушки. Тогда же, говорят историки, чугун применялся и в отливке колоколов. Основное производство проходило в таких городах, как Москва и Тула. Стоит отметить, что вплоть до XVII века подобных технологий Европа не знала, а потому заводы России могли активно экспортировать различные орудия и ядра из чугуна в европейские страны.

Активное развитие

Во времена Петровской эпохи началось активное развитие производства чугуна и стали. Царь понимал: увеличение металлургических мощностей приведет Россию к развитию. Для реализации невероятных планов у Петра I было все необходимое: и материалы, и технологии производства. Именно при этом царе началось активное строительство заводов в Сибири, на Урале. За все время правления Петра Великого объемы производства чугуна и стали были увеличены в 770 раз, в России появилось 16 крупных металлургических заводов. Развитие продолжалось и после смерти императора, в конце XVIII века на территории Российской империи находилось более сотни заводов, страна стала мировым лидером в данной сфере. Одновременно с развитием отрасли развивались и отрасли применения металла. Из чугуна теперь изготавливали не только оружие, но и посуду, памятники, ворота и ограды.

Стоит отметить, что отечественные доменные печи, применяемые для производства чугуна, были признаны лучшими в мире. Для них была характерна наибольшая производительность даже при минимальных затратах. В XIX веке литейные были отделены от доменных, что позволило не только специализировать процесс, но и механизировать его. Именно в этот период появились труболитейные предприятия, цеха, производящие отливки ковкого чугуна.

Россия – мировой лидер

В XX веке Россия оборотов не сбавила и осталась лидером по отливке чугуна. В СССР от общего количества литья металлов объемы чугуна составляли порядка 75%.Он был сырьем номер один, его основными потребителями являлись оборонная промышленность и сельское хозяйство. Именно из чугуна специалисты изготавливали детали и различные агрегаты для техники. Стоит отметить, что и сегодня Россия сохраняет лидирующие позиции по объему производства и применения чугуна. Из него делают не только крупногабаритную продукцию, но и такую тонкую работу, как элементы ворот, украшения, печное литье и сувениры!

Производство чугуна: необходимое оборудование

Начнем с определения. Чугуном принято называть сплав железа с углеродом, причем углерода здесь должно быть не менее 2%. Так как же происходит процесс производства чугуна? В первую очередь для этого необходима огромная доменная печь. Ее габариты поражают: высота такой печи составляет 30 м, а внутренний диаметр равен 12 м. Самая широкая часть печи называется распаром, нижняя, через которую в печь попадает горячий воздух, - горн, верхняя – шахта. Кстати, на верхней части находится специальное отверстие – колошник, который закрывается специальным затвором. Принцип работы доменной печи заключается в противотоке: снизу в нее подается воздух, а сверху – материалы. Необходимые для производства чугуна материалы включают в себя флюс (без него не может образоваться шлак), кокс (он необходим для нагрева воды, ее расплавления и восстановления) и руду (которая, собственно, и является основным сырьем).

Для производства также потребуются:

вагонетки;
транспортеры;
бункеры;
специальный кран и др.

Сырье

Знакомство со сплавами, производством чугуна и стали начинается еще в школе – эта тема предусмотрена в рабочей программе по химии. В учебниках рассматриваются состав железной руды: это само рудное вещество, то есть карбонаты железа, силикаты и окислы, и пустая порода, состоящее из доломита, песчаника, известняка и кварцита. Следует отметить, что в разной руде может присутствовать разное количество рудного вещества. Именно по этому критерию руду разделяют на бедную и богатую. Первая отправляется на обогащение, а вторая может сразу использоваться в производстве.

Для того чтобы произвести тонну чугуна, потребуются: три тонны руды, тонна кокса, двадцать тонн воды. Количество флюса зависит от того, к какому типу относится руда.

Виды железных руд

Прежде чем мы перейдем к знакомству с процессом производства чугуна, предлагаем информацию о видах железных руд. Это может быть:

Бурый железняк. Для него характерно содержание 25-50% железа в форме так называемых водных окислов. Пустая порода отличается глинистостью.
Гематит (его еще называют красным железняком). Это безводная окись, содержание вредных примесей здесь минимально. Железа здесь около 45-55%.
Магнитный железняк. Содержание железа составляет здесь около 30-37%. Пустая порода – кремнеземистая масса.
Сидерит (второе его название – шпатовый железняк) крайне легко окисляется, переходя при этом в форму бурого известняка.

Технология производства

Технология производства чугуна состоит из нескольких этапов. Начинается все с подготовки руды: ее сортируют по химическому составу и, конечно, размеру. Крупное сырье дробят, а мелкие частицы или рудную пыль окусковывают. На этом же этапе происходит и обогащение бедных руд. Кроме того, в процессе подготовки удаляется значительная часть пустой породы, соответственно, содержание железа при этом увеличивается. Следующий этап технологии производства чугуна – подготовка топлива. Начинается все с кокса. В ходе данного этапа кокс подвергается грохочению – из него удаляют всю ненужную мелочь, которая может привести к потере топлива. Следующий этап доменного производства чугуна подготовка флюсов. Плюсы измельчается, из него отсеивают мелочь. После проведения этой процедуры все материалы загружаются в печь. Затем начинается непосредственно доменное производство чугуна: печь заправляют коксом, добавляют агломератор (так называется спеченная с флюсом руда), и снова вносят кокс.

Температуру, необходимую для выплавки, поддерживают с помощью вдувания подогретого воздуха. В процессе сгорания кокса в горне образуется углекислый газ. CO₂, проходя через кокс, становится CO. Далее окись углерода восстанавливает основную часть руды. При этом процессе железо становится твердым, переходя в ту часть печи, воздух в которой очень горячий. Здесь железо растворяется углерод внутри себя. Собственно, так и выглядит производство чугуна в доменной печи. Жидкий чугун из печи попадает в специальные ковши, из которых его выливают в предварительно подготовленные формы. Возможно выливание в специальные сборники-смесители, в которых сплав на протяжении некоторого времени будет сохраняться в жидком виде. Одновременно с доменным производством чугуна восстанавливается кремний, марганец и ряд других примесей.

Существует всего два вида чугунов: белые и серые. Разница между ними заключается в химическом составе и процессе термической обработки. Так, белые чугуны – результат очень быстрого охлаждения, тогда как серые получаются в результате медленного охлаждения. Для белых характерны такие качества, как хрупкость и твердость. Они крайне тяжело поддаются резке, в ее процессе от них откалываются куски. Потому белые чугуны используются только в качестве заготовок для производства других марок чугуна. Например, в результате обжига данного вида получаются ковкие чугуны. Обратите внимание: название «ковкий» не имеет ничего общего с процессом ковки. По мнению историков, появилось оно из-за того, что прежде из чугуна с такими характеристиками делали подковы. Такой вид активно применяется в сельскохозяйственном машиностроении и в автопромышленности. Главное отличие серых чугунов – пластичность, сочетающаяся с высокой прочностью. Это позволяет использовать их в таких сферах, как станкостроение, сельское хозяйство и автомобильная промышленность, бытовое использование.

Кстати, существуют так называемые половинчатые чугуны. Они имеют промежуточные свойства белых и серых видов. К тому же, регулируя интенсивность охлаждения данного сплава, можно получить разнообразные отливки, которые будут отличаться прочностью, пластичностью и другими свойствами. К чугунам со специальными свойствами относятся:

антифрикционные, применяемые для изготовления втулок, валов, подшипников;
износостойкие, необходимые для создания насосного оборудования, различных деталей для азотной промышленности, печного литья;
жароскойкие, которые используются при изготовлении печного литья, трубокомплексов и газотурбинных двигателей;
жаропрочные, подходящие для того, чтобы изготовить из них обжиговые печи детали арматуры и котлов;
стойкие к коррозии, незаменимые для изготовления различных деталей в химической и авиационной промышленности, которые используются в агрессивных средах.

Характеристики чугуна

Для качественного чугуна характерны следующие качества:

отличная теплоемкость;
неплохая устойчивость к появлению коррозии;
повышенная жаростойкость.

Эти и другие характеристики позволяют применять чугун и в быту, и в тяжелой промышленности. Особой популярностью пользуется посуда из чугуна российского производства. Из этого материала изготавливают не только сковороды и кастрюли, встречаются фондю, жаровни, формы для запекания, сотейники и грили.

Стоит отметить, что посуда из данного материала одинаково хорошо подходит для жарки блинов, приготовление тушеного мяса, каш, для томления плова. Дело в том, что чугун достаточно медленно нагревается, однако превосходно аккумулирует тепло и равномерно его распределяет. Эксперты говорят: производство посуды из чугуна занимаются разные компании. Все они выпускают изделия примерно одинакового качества. Из всего этого многообразия особо выделяется продукции петербургского завода «Нева». Именно этот завод является одним из крупнейших производителей чугунной посуды на территории Российской Федерации.

Производство чугуна и стали

Общая схема производства изделий из чугуна и стали
Строительные изделия из черных сплавов получают путем восстановительной плавки железных руд и производства чугуна, содержащего более 2 % углерода с последующим переделом в сталь путем снижения содержания углерода в сплаве в металлургических агрегатах (конвертерах, мартеновских печах). Строительные материалы из чугуна и стали получают либо способом литья, либо путем механической обработки заготовок (прокатка, прессование и др.). Строительные конструкции изготавливаются путем сварки или клепки заготовок, применяются соединения на болтах.
Производство чугуна (доменный процесс)
Основано на восстановительной плавке железных руд в доменных печах. Чугун получают из смеси сырьевых компонентов (шихты), состоящей из железных и марганцевых руд, флюсов и топлива (рис. 13.8).

Железные руды
Красный железняк (гематит) содержит 55-70 % Fe в виде Fe2O3.
Бурый железняк содержит 35-55 % Fe в виде Fe2O3*nH2O (гидрооксида железа).
Магнитный железняк (магнетит) содержит 50-69 % Fe в форме Fe3O4.
Шпатовый железняк (сидерит) содержит 30-40 % Fe в виде FeCO3.
Флюсы
В состав руд входят пустая порода и вредные примеси (сера, фосфор и др.), которые необходимо удалить. С этой целью в шихту вводятся флюсы, образующие с примесями легкоплавкие вещества. Химический состав флюса определяется составом пустой породы. Если пустая порода состоит преимущественно из SiO2, то в качестве флюса используется известняк (CaCO3) или доломит (MgCO3*CaCO3).
Если пустая порода состоит из CaCO3, то вводят кислые флюсы, содержащие SiO2 и Al2O3 (кварц, глинистый сланец).
При выборе флюса учитывается также необходимость удаления вредных примесей (серы, фосфора и других), которые переходят в шлак.
Топливо
Топливо должно иметь сравнительно высокую прочность и состоять преимущественно из углерода. Этим требованиям соответствует кокс, который получают нагреванием каменного угля без доступа воздуха при максимальной температуре 950-1050 °С. При этом образуется попутный продукт - сырая каменноугольная смола. В доменном процессе кокс используется как топливо и восстановитель.
Подготовка шихты к плавке
Флюсы и железную руду дробят и разделяют на фракции, бедные руды обогащают.
Мелкие фракции брикетируют (прессование, спекание и другое). Соотношение компонентов в шихте устанавливается расчетом так, чтобы получить чугун необходимого состава.
Доменная печь - это высокая шахтная печь (рис. 13.9 и рис. А.85).

Имеет металлический кожух из листовой стали и внутри - футеровку из огнеупорного кирпича. По высоте условно разделяется на пять зон, имеющих собственное название.
Шихта подается наверх скиповым подъемником, попадает в засыпной аппарат и далее в колошник. Шихта загружается порциями (подачами или колошами).
Воздух для горения подается в печь в верхнюю часть горна под давлением 0,5-1,0 атм (0,05-0,10 МПа) через стальные коробки (фурмы), предварительно воздух нагревается до 650-900 °C в воздухонагревателях.
Сырьевая смесь постепенно и непрерывно опускается вниз вследствие сгорания кокса в верхней части горна (в области фурм). В этой зоне температура достигает 1700-1800 °C и идут реакции:

Газообразные продукты поднимаются вверх и являются восстановителями (CO, H2 и углерод топлива). Восстановительные процессы начинаются в верхней части печи, ускоряются с повышением температуры и при 950 °C и выше проходят за счет углерода кокса. Восстановление газами идет выше распара, а углеродом - в распаре, заплечиках и горне:

3Fe2O3 + CO(H2) = 2Fe3O4 + CO2(H2O);
2Fe3O4 + 2СО(2Н2) = 6FeO + 2СO2(2Н2O);
6FeO + 6СО(6Н2) = 6Fe + 6СO2(6Н2O).

Жидкие шлак и чугун собираются в горне и не смешиваются, вследствие высокого различия плотности, образуя два слоя - жидкого чугуна (внизу) и шлака (вверху). В шлаковый расплав переходят вредные примеси. Одновременно происходит восстановление Mn, Si и Р, которые содержатся в шихте и переходят в чугун.
Расплавы чугуна и шлака периодически (4-6 раз в сутки) удаляются из доменной печи через верхнюю (шлаковую) и нижнюю лётки. Шлаковый расплав направляется в отвал или на грануляцию, а чугун разливается в формы (заготовки - чушки), либо направляется на передел в сталь.
Доменная печь работает непрерывно после пуска (задувки) в течение 3,5-4 лет с кратковременными остановками для устранения неполадок.
Производство стали
Сталь отличается от чугуна более низким содержанием углерода, кремния, марганца, серы и фосфора, что обеспечивается окислением кислородом воздуха в процессе плавки в различных металлургических агрегатах. Применяются агрегаты трех типов - конвертеры, мартеновские и электрические печи.
Конверторный способ производства стали
В зависимости от типа огнеупорной футеровки конвертера различают две разновидности процесса - бессемеровский и томасовский (рис. 13.10).
При бессемеровском (кислом) процессе футеровку выполняют из кислых огнеупоров (динасовый огнеупорный кирпич), при томасовском (основном) процессе применяют основной (доломитовый) огнеупорный кирпич.

При производстве стали преобладают окислительные процессы. Оксиды удаляются с отходящими газами или переходят в шлак.
Бессемеровский процесс применяют при производстве стали из чугуна с низким содержанием серы и фосфора, образуются кислые шлаки, в которых эти примеси не растворяются. Бессемеровский способ производства разделяют на три периода.
1. Период образования шлака (4-5 мин). Идут экзотермические процессы:

Угарный газ сгорает на воздухе, образуя факел.
3. Период бурого дыма (1-2 мин). Начинается окисление железа, поэтому вводят ферросилиций, ферромарганец и сталь выливают в ковш.
Томасовский процесс применяется при производстве стали из чугуна с высоким содержанием фосфора. В конвертер вводят известь (CaO) и затем заливают жидкий чугун, образуется основной шлак. Томасовский способ также разделяют на три периода. Первые два периода совпадают с бессемеровским процессом, в течение третьего периода (3-5 мин)

Образуется фосфат кальция, который переходит в шлак, шлак сливают, вводят раскислители и выливают сталь.
Если при производстве стали конвертерным способом воздух обогащают кислородом, то способ производства называется кислородноконвертерным. Конвертерный способ производства стали применяется сравнительно редко.
Мартеновский способ производства стали
Этот способ производства стали самый распространенный. Применяют печи, состоящие из рабочего пространства, двух примыкающих к нему головок печи и камер (регенераторов) для подогрева горючего газа и воздуха (рис. 13.11). Регенераторы выкладывают из огнеупорного кирпича, они используются для подогрева воздуха, необходимого для окислительных процессов и горения топлива. Регенераторы включаются попеременно через 15-20 мин. В то время, когда одна пара камер нагревает воздух и газ до 1100 °C, другая пара нагревается отходящим газом. Теплота, необходимая для расплавления стали, выделяется при сгорании природного газа.

В зависимости от состава руды и чугуна, под печи футеруется кислыми или основными огнеупорами, соответственно различают основной и кислый мартеновские процессы. В зависимости от применяемых исходных материалов возможны различные варианты мартеновского процесса.
1. Скрап-рудный процесс. Загружают жидкий чугун, металлический скрап, железную руду и флюсы.
2. Скрап процесс - загружается чушковый чугун, металлолом, железная руда (твердая шихта).
3. Рудный процесс - используется жидкий чугун из доменной печи и вводится железная руда для окисления примесей.
Преимуществом мартеновского процесса является возможность использования металлического лома и железной руды.
Шихта нагревается, плавится, выгорают примеси за счет взаимодействия с кислородом воздуха, при этом образуются два слоя - расплав стали (внизу) и жидкий шлак. Окисление углерода вызывает кипение расплава. Далее вводят ферросилиций и ферромарганец и выпускают сталь. При основном процессе часть шлака удаляют и вводят известь.
Производство стали в электрических печах
Электрические печи являются более совершенными, позволяют более точно определить химический состав стали, получать легированные стали, достигнуть более полного удаления вредных примесей.
Применяются электрические печи двух типов: дуговые и индукционные. В дуговых печах нагревание и плавление металла производится электрической дугой (разрядом), возникающим между графитовыми электродами. Индукционные печи имеют обмотку, по которой пропускается переменный электрический ток. Под действием управляемого переменного электромагнитного поля в металле, находящемся в печи и являющимся вторичной цепью, возникает переменный ток, обеспечивающий нагревание и расплавление.
Применяется также дуплекс-процесс, совмещающий выплавку стали в двух плавильных агрегатах - мартеновской и электрической печах, что позволяет получать высококачественную сталь.
До появления доменных печей применялось производство стали путем прямого восстановления железа из руды и науглероживания (кричный процесс). Железную руду смешивали с восстановителем (древесный уголь), нагревали и производили механическую обработку (ковку). В современных условиях восстановление железа производится во вращающихся печах, получают губчатое железо, которое используется при производстве стали.

Читайте также: