Вакуумное плавление

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

As→S→Sn→Sb→Cu→Mn→Ag→Pb.

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

Очистка железа дистилляцией в вакууме с конденсацией на нагретой поверхности

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

Электролитическое рафинирование железа

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

Электролитическое получение чистого железа

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

Карбонильный метод очистки железа

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

Очистка железа зонной перекристаллизацией

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

Железные руды довольно широко распространены на Земле. Названия гор на Урале говорят сами за себя: Высокая, Магнитная, Железная. Агрохимики в почвах находят соединения железа.

Железо входит в состав большинства горных пород. Для получения железа используют железные руды с содержанием железа 30-70% и более.

Основными железными рудами являются:

Магнетит (магнитный железняк) - Fe3O4 содержит 72% железа, месторождения встречаются на Южном Урале, Курской магнитной аномалии.

Гематит (железный блеск, кровавик) - Fe2O3 содержит до 65% железа, такие месторождения встречаются в Криворожском районе.

Лимонит (бурый железняк) - Fe2O3*nH2O содержит до 60% железа, месторождения встречаются в Крыму.

Пирит (серный колчедан, железный колчедан, кошачье золото) - FeS2 содержит примерно 47% железа, месторождения встречаются на Урале.

Способы получения железа

В настоящее время основным промышленным способом переработки железных руд является производство чугуна доменным процессом. Чугун - это сплав железа, содержащий 2,2-4% углерода, кремний, марганец, фосфор, серу. В дальнейшем большая часть чугуна подвергается переделу на сталь. Сталь отличается от чугуна главным образом меньшим содержанием углерода (до 2%), фосфора и серы.

В последнее время большое внимание уделяется разработке методов прямого получения железа из руд без осуществления доменного процесса. Еще в 1899 г. Д. И. Менделеев писал: "Я полагаю, что придет со временем опять пора искать способов прямого получения железа и стали из руд, минуя чугун". Слова великого химика оказались пророческими: такие способы найдены и реализованы в промышленности.

Первоначально прямое восстановление железа проводили в слегка наклонных вращающихся печах, похожих на печи, в которых получают цемент. В печь непрерывно загружают руду и уголь, которые постепенно перемещаются к выходу, противотоком идет нагретый воздух. За время нахождения в печи руда постепенно подогревается (до температур ниже температуры давления железа) и восстанавливается. Продуктом такого производства является смесь кусков железа и шлака, которую легко разделить, так как железо до плавления не доводится.

Интерес к прямому восстановлению железа из руд возрос и последнее время в связи с тем, что, кроме экономии кокса, оно дает возможность получать железо высокой чистоты. Получение чистых металлов - одна из важнейших задач современной металлургии. Такие металлы необходимы многим отраслям промышленности.

Получить технически чистое железо прямым восстановлением можно, если руду подвергнуть обогащению: существенно повысить массовую долю железа, отделив пустую породу, и снизить содержание вредных примесей (таких, как сера и фосфор).

Упрощенно процесс подготовки железной руды к восстановлению можно представить так. Руду измельчают в дробильных устройствах и подают на магнитный сепаратор. Он представляет собой барабан с электромагнитами, на который при помощи транспортера подается измельченная руда. Пустая порода свободно проходит через магнитное поле и падает. Зерна руды, содержащие магнитные минералы железа, намагничиваются, притягиваются и отделяются от барабана позднее пустой породы. Такую магнитную сепарацию можно повторить несколько раз.

Лучше всего подвергаются магнитному обогащению руды, содержащие магнетит Fе3О4, который обладает сильными магнитными свойствами. Для слабомагнитных руд иногда перед обогащением применяют магнетизирующий обжиг - восстановление оксидов железа в руде до магнетита:

3Fe2O2 + H2 = 2Fe3O4 + H2O

ЗFе2О3 + CO = 2Fе3О4 + CO2

После магнитной сепарации руду обогащают методом флотации. Для этого руда помещается в емкость с водой, где растворяют флотационные реагенты - вещества, которые избирательно адсорбируются на поверхности полезного минерала и не адсорбируются на пустой породе. В результате адсорбции флотореагента частицы минерала не смачиваются водой и не тонут.

Через раствор пропускают воздух, пузырьки которого прикрепляются к кусочкам минерала и поднимают их на поверхность. Частицы пустой породы хорошо смачиваются водой и падают на дно. Обогащенную руду собирают с поверхности раствора вместе с пеной.

В результате полного процесса обогащения содержание железа в руде может быть повышено до 70-72%. Для сравнения отметим, что содержание железа в чистом оксиде Fе3О4 составляет 72,4%. Так что содержание примесей в обогащенной руде весьма незначительно. К настоящему времени предложено более семидесяти методов прямого получения железа из руд с использованием твердых и газообразных восстановителей. Рассмотрим принципиальную схему одного из них, который используется в нашей стране.

Процесс проводят в вертикальной печи, в которую сверху подают обогащенную руду, а снизу - газ, служащий восстановителем. Этот газ получают конверсией природного газа (т.е. сжиганием природного газа в недостатке кислорода). "Восстановительный" газ содержит 30% СО, 55% Н2 и 13% воды и углекислого газа. Следовательно, восстановителями оксидов железа служат оксид углерода (II) и водород:

Fe2O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O

Fe3O4 + 4CO = 3Fe + 4CO2

Восстановление ведется при температуре 850 - 900°С, что ниже температуры плавления железа (1539°). СО и Н2, которые не прореагировали с оксидами железа, вновь возвращаются в печь после удаления из них пыли, воды и углекислого газа. Эти "оборотные газы" служат и для охлаждения получаемого продукта. В результате процесса прямого восстановления руды получается железо в виде металлических "окатышей" или "губки", содержание металла в которых может достигать 98 - 99%. Если прямым восстановлением получают сырье для дальнейшей выплавки стали, то оно обычно содержит 90 - 93% железа.

Для многих современных отраслей техники требуется железо еще, более высокой степени чистоты. Очистку технического железа проводят карбонильным методом. Карбонилы - это соединения металлов с оксидом углерода (II) СО. Железо взаимодействует с СО при повышенном давлении и температуре 100-200°, образуя пентакарбонил:

Fе + 5СО = Fе(СО)5

Пентакарбонил железа - жидкость, которую можно легко отделить от примесей перегонкой. При температуре около 250° карбонил разлагается, образуя порошок железа:

Fе(СО)5 = Fе + 5СО

Если полученный порошок подвергнуть спеканию в вакууме или атмосфере водорода, то получится металл, содержащий 99,98- 99,999% железа. Еще более глубокой степени очистки железа (до 99,9999%) можно достичь методом зонной плавки.

Железо высокой чистоты нужно прежде всего для изучения его свойств, т.е. для научных целей. Если не удалось бы получить чистое железо, то не узнали бы, что железо - мягкий, легко обрабатываемый металл. Химически чистое железо намного более инертно, чем железо техническое.

Важной отраслью использования чистого железа является производство специальных ферросплавов, свойства которых ухудшаются в присутствии примесей

Физические свойства простого вещества железа

Железо -- типичный металл, в свободном состоянии -- серебристо-белого цвета с сероватым оттенком. Чистый металл пластичен, различные примеси (в частности -- углерод) повышают его твёрдость и хрупкость. Обладает ярко выраженными магнитными свойствами. Часто выделяют так называемую «триаду железа» -- группу трёх металлов (железо Fe, кобальт Co, никель Ni), обладающих схожими физическими свойствами, атомными радиусами и значениями электроотрицательности.

Для железа характерен полиморфизм, оно имеет четыре кристаллические модификации:

· до 769 °C существует?-Fe (феррит) с объёмноцентрированной кубической решёткой и свойствами ферромагнетика (769 °C ? 1043 K -- точка Кюри для железа);

· в температурном интервале 769--917 °C существует?-Fe, который отличается от?-Fe только параметрами объёмноцентрированной кубической решётки и магнитными свойствами парамагнетика;

· в температурном интервале 917--1394 °C существует?-Fe (аустенит) с гранецентрированной кубической решёткой;

· выше 1394 °C устойчиво?-Fe с объёмноцентрированной кубической решёткой.

Металловедение не выделяет?-Fe как отдельную фазу и рассматривает её как разновидность?-Fe. При нагреве железа или стали выше точки Кюри (769 °C ? 1043 K) тепловое движение ионов расстраивает ориентацию спиновых магнитных моментов электронов, ферромагнетик становится парамагнетиком -- происходит фазовый переход второго рода, но фазового перехода первого рода с изменением основных физических параметров кристаллов не происходит.

Для чистого железа при нормальном давлении, с точки зрения металловедения, существуют следующие устойчивые модификации:

· от абсолютного нуля до 910 °C устойчива?-модификация с объёмноцентрированной кубической (ОЦК) кристаллической решёткой;

· от 910 до 1400 °C устойчива?-модификация с гранецентрированной кубической (ГЦК) кристаллической решёткой;

· от 1400 до 1539 °C устойчива?-модификация с объёмноцентрированной кубической (ОЦК) кристаллической решёткой.

Явление полиморфизма чрезвычайно важно для металлургии стали. Именно благодаря?--? переходам кристаллической решётки происходит термообработка стали. Без этого явления железо как основа стали не получило бы такого широкого применения.

Железо относится к умеренно тугоплавким металлам. В ряду стандартных электродных потенциалов железо стоит до водорода и легко реагирует с разбавленными кислотами. Таким образом, железо относится к металлам средней активности.

Температура плавления химически чистого железа равна 1539о С. Технически чистое железо, полученное путем окислительного рафинирования, плавится при температуре около 1530о С.

Теплота плавления железа составляет 15,2 кДж/моль или 271,7 кДж/кг. Кипение железа происходит при температуре 2735о С, хотя авторами некоторых исследований установлены значительно более высокие значения температуры кипения железа (3227 - 3230о С). Теплота испарения железа составляет 352,5 кДж/моль или 6300 кДж/кг.

Под процессами прямого получения железа понимают такие химические, электрохимические или химико-термические процессы, которые дают возможность получать непосредственно из руды, минуя , металлическое железо в виде губки, крицы или жидкого металла. Такие процессы ведутся, не расходуя металлургический кокс, флюсы, электроэнергию (на подготовку ), а также позволяют получить очень чистый металл.

Методы прямого получения железа известны давно. Опробовано более 70 различных способов, но лишь немногие осуществлены и притом в небольшом промышленном масштабе.

В последние годы интерес к этой проблеме вырос, что связано, помимо замены кокса другим топливом, с развитием способов глубокого обогащения руд, обеспечивающих не только высокого содержания железа в концентратах (70…72%), но и почти полное освобождение его от серы и фосфора.

Получение губчатого железа в шахтных печах

При получении губчатого железа добытую руду обогащают и получают окатыши. Окатыши из бункера 1 по грохоту 2 поступают в короб 10 шихтозавалочной машины и оттуда в шахтную печь 9 , работающую по принципу противотока. Просыпь от окатышей попадает в бункер 3 с брикетировочным прессом и в виде окатышей вновь поступает на грохот 2. Для восстановления железа из окатышей в печь по трубопроводу 8 подают смесь природного и доменного газов, подвергнутую в установке 7 конверсии, в результате которой смесь разлагается на водород H 2 и оксид углерода CO.

Установка для прямого восстановления железа из руд и получения металлизованных окатышей

В восстановительной зоне печи В создается температура 1000…1100 0 C, при которой H 2 и CO восстанавливают железную руду в окатышах до твёрдого губчатого железа. Содержание железа в окатышах достигает 90…95%. Для охлаждения железных окатышей по трубопроводу 6 в зону охлаждения 0 печи подают воздух. Охлаждённые окатыши 5 выдаются на 4 и поступают на .

Восстановление железа в кипящем слое

Мелкозернистую руду или концентрат помещают на решётку, через которую подают водород или другой восстановительный газ под давлением 1,5 МПа. Под давлением водорода частицы руды находятся во взвешенном состоянии, совершая непрерывное движение и образуя «кипящий», «псевдосжиженый» слой. В кипящем слое обеспечивается хороший контакт газа-восстановителя с частицами оксидов железа. На одну тонну восстановленного порошка расход водорода составляет 600…650 м 3 .

Получение губчатого железа в капсулах-тиглях

Используют карбидокремниевые капсулы диаметром 500 мм и высотой 1500 мм. Шихта загружается концентрическими слоями. Внутренняя часть капсулы заполнена восстановителем – измельченным твердым топливом и известняком (10…15%) для удаления серы. Второй слой – восстанавливаемая измельченная руда или концентрат, окалина, затем еще один концентрический слой – восстановителя и известняка. Установленные на вагонетки капсулы медленно перемещаются в туннельной печи длиной до 140 м, где происходит нагрев, выдержка при 1200 0 C и охлаждение в течение 100 часов.

Восстановленное железо получают в виде толстостенных труб, их чистят, дробят и измельчают, получая железный порошок с содержанием железа до 99 %, углерода – 0,1…0,2%.

Получение железа из железной руды производится в две стадии. Оно начинается с подготовки руды-измельчения и нагревания. Руду измельчают на куски диаметром не более 10 см. Затем измельченную руду прокаливают для удаления воды и летучих примесей.

На второй стадии железную руду восстанавливают до железа с помощью оксида углерода в доменной печи. Восстановление проводится при температурах порядка 700 °С:

Для повышения выхода железа этот процесс проводится в условиях избытка диоксида углерода СО 2 .

Моноксид углерода СО образуется в доменной печи из кокса и воздуха. Воздух сначала нагревают приблизительно до 600 °С и нагнетают в печь через особую трубу- фурму. Кокс сгорает в горячем сжатом воздухе, образуя диоксид углерода. Эта реакция экзотермична и вызывает повышение температуры выше 1700°С:

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

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

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

Железо плавится при 1540 °С. Расплавленное железо вместе с расплавленным шлаком стекают в нижнюю часть печи. Расплавленный шлак плавает на поверхности расплавленного железа. Периодически из печи выпускают на соответствующем уровне каждый из этих слоев.

Доменная печь работает круглосуточно, в непрерывном режиме. Сырьем для доменного процесса служат железная руда, кокс и известняк. Их постоянно загружают в печь через верхнюю часть. Железо выпускают из печи четыре раза в сутки, через равные промежутки времени. Оно выливается из печи огненным потоком при температуре порядка 1500°С. Доменные печи бывают разной величины и производительности (1000-3000 т в сутки). В США существуют некоторые печи новой конструкции с четырьмя выпускными отверстиями и непрерывным выпуском расплавленного железа. Такие печи имеют производительность до 10000 т в сутки.

Железо, выплавленное в доменной печи, разливают в песочные изложницы. Такое железо называется чугун. Содержание железа в чугуне составляет около 95%. Чугун представляет собой твердое, но хрупкое вещество с температурой плавления около 1200°С.

Литое железо получают, сплавляя смесь чугуна, металлолома и стали с коксом. Расплавленное железо разливают в формы и охлаждают.

Сварочное железо представляет собой наиболее чистую форму технического железа. Его получают, нагревая неочищенное железо с гематитом и известняком в плавильной печи. Это повышает чистоту железа приблизительно до 99,5%. Его температура плавления повышается до 1400 °С. Сварочное железо имеет большую прочность, ковкость и тягучесть. Однако для многих применений его заменяют низкоуглеродистой сталью (см. ниже).

Химические реакции при выплавке чугуна из железной руды

В основе производства чугуна лежит процесс восстановления железа из его окислов окисью углерода.

Известно, что окись углерода можно получить, действуя кислородом воздуха на раскалённый кокс. При этом сначала образуется двуокись углерода, которая при высокой температуре восстанавливается углеродом кокса в окись углерода:

Восстановление железа из окиси железа происходит постепенно. Сначала окись железа восстанавливается до закиси-окиси железа:

и, наконец, из закиси железа восстанавливается железо:

Скорость этих реакций растёт с повышением температуры, с увеличением в руде содержания железа и с уменьшением размеров кусков руды. Поэтому процесс ведут при высоких температурах, а руду предварительно обогащают, измельчают, и куски сортируют по крупности: в кусках одинаковой величины восстановление железа происходит за одно и то же время. Оптимальные размеры кусков руды и кокса от 4 до 8-10 см. Мелкую руду предварительно спекают (агломерируют) путём нагревания до высокой температуры. При этом из руды удаляется большая часть серы.

Железо восстанавливается окисью углерода практически полностью. Одновременно частично восстанавливаются кремний и марганец. Восстановленное железо образует сплав с углеродом кокса. кремнием, марганцем, и соединениями, серы и фосфора. Этот сплав-жидкий чугун. Температура плавления чугуна значительно ниже температуры плавления чистого железа.

Пустая порода и зола топлива также должны быть расплавлены. Для понижения температуры плавления в состав “плавильных” материалов вводят, кроме руды и кокса, флюсы (плавни) - большей частью известняк СаСО 3 и доломит CaCO 3× МgСО 3 . Продукты разложения флюсов при нагревании образуют с веществами, входящими в состав пустой породы и золы кокса, соединения с более низкими температурами плавления, преимущественно силикаты и алюмосиликаты кальция и магния, например, 2CaO×Al 2 O 3× SiO 2 , 2CaO×Mg0×2Si0 2 .

Химический состав сырья, поступающего на переработку, иногда колеблется в широких пределах. Чтобы вести процесс при постоянных и наилучших условиях, сырьё “усредняют” по химическому составу, т. е. смешивают руды различного химического состава в определённых весовых отношениях и получают смеси постоянного состава. Мелкие руды спекают вместе с флюсами, получая “офлюсованный агломерат”. Применение офлюсованного агломерата даёт возможность значительно ускорить процесс.

Производство стали

Стали подразделяются на два типа. Углеродистые стали содержат до 1,5% углерода. Легированные стали содержат не только небольшие количества углерода, но также специально вводимые примеси (добавки) других металлов. Ниже подробно рассматриваются различные типы сталей, их свойства и применения.

Кислородно-конвертерный процесс. В последние десятилетия производство стали революционизировалось в результате разработки кислородно-конвертерного процесса (известного также под названием процесса Линца-Донавица). Этот процесс начал применяться в 1953 г. на сталеплавильных заводах в двух австрийских металлургических центрах-Линце и Донавице.

В кислородно-конвертерном процессе используется кислородный конвертер с основной футеровкой (кладкой). Конвертер загружают в наклонном положении расплавленным чугуном из плавильной печи и металлоломом, затем возвращают в вертикальное положение. После этого в конвертер сверху вводят медную трубку с водяным охлаждением и через нее направляют на поверхность расплавленного железа струю кислорода с примесью порошкообразной извести (СаО). Эта “кислородная продувка”, которая длится 20 мин, приводит к интенсивному окислению примесей железа, причем содержимое конвертера сохраняет жидкое состояние благодаря выделению энергии при реакции окисления. Образующиеся оксиды соединяются с известью и превращаются в шлак. Затем медную трубку выдвигают и конвертер наклоняют, чтобы слить из него шлак. После повторной продувки расплавленную сталь выливают из конвертера (в наклонном положении) в ковш.

Кислородно-конвертерный процесс используется главным образом для получения углеродистых сталей. Он характеризуется большой производительностью. За 40-45 мин в одном конвертере может быть получено 300-350 т стали.

В настоящее время всю сталь в Великобритании и большую часть стали во всем мире получают с помощью этого процесса.

Электросталеплавильный процесс. Электрические печи используют главным образом для превращения стального и чугунного металлолома в высококачественные легированные стали, например в нержавеющую сталь. Электропечь представляет собой круглый глубокий резервуар, выложенный огнеупорным кирпичом. Через открытую крышку печь загружают металлоломом, затем крышку закрывают и через имеющиеся в ней отверстия опускают в печь электроды, пока они не придут в соприкосновение с металлоломом. После этого включают ток. Между электродами возникает дуга, в которой развивается температура выше 3000 °С. При такой температуре металл плавится и образуется новая сталь. Каждая загрузка печи позволяет получить 25-50 т стали.

Сталь получается из чугуна при удалении из него большей части углерода, кремния, марганца, фосфора и серы. Для этого чугун подвергают окислительной плавке. Продукты окисления выделяются в газообразном состоянии и в виде шлака.

Так как концентрация железа в чугуне значительно выше, чем других веществ, то сначала интенсивно окисляется железо. Часть железа переходит в закись железа:

Реакция идёт с выделением тепла.

Закись железа, перемешиваясь с расплавом, окисляет кремний марганец и углерод:

Si+2FeO=SiO 2 +2Fe

Первые две реакции экзотермичны. Особенно много тепла выделяется при окислении кремния.

Фосфор окисляется в фосфорный ангидрид, который образует с окислами металлов соединения, растворимые в шлаке. Но содержание серы снижается незначительно, и поэтому важно чтобы в исходных материалах было мало серы.

После завершения окислительных реакций в жидком сплаве содержится ещё закись железа, от которой его необходимо освободить. Кроме того, необходимо довести до установленных норм содержание в стали углерода, кремния и марганца. Поэтому к концу плавки добавляют восстановители, например ферромарганец (сплав железа с марганцем) и другие так называемые “раскислители”. Марганец реагирует с закисью железа и “сраскисляет” сталь:

Мп+FеО=МnО+Fe

Передел чугуна в сталь осуществляется в настоящее время различными способами. Более старым, применённым впервые в середине XIX в. является способ Бессемера.

Способ Бессемера . По этому способу передел чугуна в сталь проводится путём продувания воздуха через расплавленный горячий чугун. Процесс протекает без затраты топлива за счёт тепла, выделяющегося при экзотермических реакциях окисления кремния, марганца и других элементов.

Процесс проводится в аппарате, который называется по фамилии изобретателя конвертером Бессемера . Он представляет собой грушевидный стальной сосуд, футерованный внутри огнеупорным материалом. В дне конвертера имеются отверстия, через которые подаётся в аппарат воздух. Аппарат работает периодически. Повернув аппарат в горизонтальное положение, заливают чугун и подают воздух. Затем поворачивают аппарат в вертикальное положение. В начале процесса окисляются железо, кремний и марганец, затем углерод. Образующаяся окись углерода сгорает над конвертером ослепительно ярким пламенем длиной до 8 л. Пламя постепенно сменяется бурым дымом. Начинается горение железа. Это указывает, что период интенсивного окисления углерода заканчивается. Тогда подачу воздуха прекращают, переводят конвертер в горизонтальное положение и вносят раскислители.

Процесс Бессемера обладает рядом достоинств. Он протекает очень быстро (в течение 15 минут), поэтому производительность аппарата велика. Для проведения процесса не требуется расходовать топливо или электрическую энергию. Но этим способом можно переделывать в сталь не все, а только отдельные сорта чугуна. К тому же значительное количество железа в бессемеровском процессе окисляется и теряется (велик “угар” железа).

Значительным усовершенствованием в производстве стали в конвертерах Бессемера является применение для продувкя вместо воздуха смеси его с чистым кислородом (“обогащённого воздуха”), что позволяет получать стали более высокого качества.

Мартеновский способ. Основным способом передела чугуна в сталь является в настоящее время мартеновский. Тепло, необходимое для проведения процесса, получается посредством сжигания газообразного или жидкого топлива. Процесс получения стали осуществляется в пламенной печи – мартеновской печи.

Плавильное пространство мартеновской печи представляет собой ванну, перекрытую сводом из огнеупорного кирпича. В передней стенке печи находятся загрузочные окна, через которые завалочные машины загружают в печь шихту. В задней стенке находится отверстие для выпуска стали. С обеих сторон ванны расположены головки с каналами для подвода топлива и воздуха и отвода продуктов горения. Печь ёмкостью 350 т имеет длину 25 м и ширину 7 м.

Мартеновская печь работает периодически. После выпуска стали в горячую печь загружают в установленной последовательности лом, железную руду, чугун, а в качестве флюса - известняк или известь. Шихта плавится. При этом интенсивно окисляются: часть железа, кремний и марганец. Затем начинается период быстрого окисления углерода, называемый периодом “кипения”, - движение пузырьков окиси углерода через слой расплавленного металла создаёт впечатление, что он кипит.

В конце процесса добавляют раскислители. За изменением состава сплава тщательно следят, руководствуясь данными экспресс-анализа, позволяющего дать ответ о составе стали в течение нескольких минут. Готовую сталь выливают в ковши. Для повышения температуры пламени газообразное топливо и воздух предварительно подогревают в регенераторах. Принцип действия регенераторов тот же, что и воздухонагревателей доменного производства. Насадка регенератора нагревается отходящими из печи газами, и когда она достаточно нагреется, через регенератор начинают подавать в печь воздух. В это время нагревается другой регенератор. Для регулирования теплового режима печь снабжается автоматическими приспособлениями.

В мартеновской печи, в отличие от конвертера Бессемера, можно перерабатывать не только жидкий чугун, но и твёрдый, а также отходы металлообрабатывающей промышленности и стальной лом. В шихту вводят также и железную руду. Состав шихты можно изменять в широких пределах и выплавлять стали разнообразного состава, как углеродистые, так и легированные.

Российскими учёными и сталеварами разработаны методы скоростного сталеварения, повышающие производительность печей. Производительность печей выражается количеством стали, получаемым с одного квадратного метра площади пода печи в единицу времени.

Производство стали в электропечах. Применение электрической энергии в производстве стали даёт возможность достигать более высокой температуры и точнее её регулировать. Поэтому в электропечах выплавляют любые марки сталей, в том числе содержащие тугоплавкие металлы - вольфрам, молибден и др. Потери легирующих элементов в электропечах меньше, чем в других печах. При плавке с кислородом ускоряется плавление шихты и особенно окисление углерода в жидкой шихте, Применение кислорода позволяет ещё более повысить качество электростали, так как в ней остаётся меньше растворённых газов и неметаллических включений.

В промышленности применяют два типа электропечей: дуговые и индукционные. В дуговых печах тепло получается вследствие образования электрической дуги между электродами и шихтой. В индукционных печах тепло получается за счёт индуцируемого в металле электрического тока.

Сталеплавильные печи всех типов - бессемеровские конвертеры, мартеновские и электрические - представляют собой аппараты периодического действия. К недостаткам периодических процессов относятся, как известно, затрата времени на загрузку и разгрузку аппаратов, необходимость изменять условия по мере течения процесса, трудность регулирования и др. Поэтому перед металлургами стоит задача создания нового непрерывного процесса.

Применения в качестве конструкционных материалов сплавов железа.

Некоторые d-элементы широко используются для изготовления конструкционных материалов, главным образом в виде сплавов. Сплав-это смесь (или раствор) какого-либо металла с одним или несколькими другими элементами.

Сплавы, главной составной частью которых служит железо, называются сталями. Выше мы уже говорили, что все стали подразделяются на два типа: углеродистые и легированные.

Углеродистые стали. По содержанию углерода эти стали в свою очередь подразделяются на низкоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую стали. Твердость углеродистых сталей возрастает с повышением содержания углерода. Например, низкоуглеродистая сталь является тягучей и ковкой. Ее используют в тех случаях, когда механическая нагрузка не имеет решающего значения. Различные применения углеродистых сталей указаны в таблице. На долю углеродистых сталей приходится до 90% всего объема производства стали.

Легированные стали. Такие стали содержат до 50% примеси одного или нескольких металлов, чаще всего алюминия, хрома, кобальта, молибдена, никеля, титана, вольфрама и ванадия.

Нержавеющие стали содержат в качестве примесей к железу хром и никель. Эти примеси повышают твердость стали и делают ее устойчивой к коррозии. Последнее свойство обусловлено образованием тонкого слоя оксида хрома (III) на поверхности стали.

Инструментальные стали подразделяются на вольфрамовые и марганцовистые. Добавление этих металлов повышает твердость, прочность и устойчивость при высоких температурах (жаропрочность) стали. Такие стали используются для бурения скважин, изготовления режущих кромок металлообрабатывающих инструментов и тех деталей машин, которые подвергаются большой механической нагрузке.

Кремнистые стали используются для изготовления различного электрооборудования: моторов, электрогенераторов и трансформаторов.

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

Начало истории железа

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

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

Железо в природе

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

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

Какими физическими свойствами железо обладает?

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

Химические свойства

Железо обладает следующими свойствами:

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

Особенность свойств

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

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

Запасы и добыча

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

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

Преимущества железа

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

Недостатки

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

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

Состав и структура

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

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

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

Применение

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

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

Заключение

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

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