Производство чугуна – основа черной металлургии

Есть в истории человечества период под названием железный век. В те времена на смену каменным орудиям труда пришли аналогичные изделия, сделанные из железа. Хотя этот металл в малых количествах выплавляли и намного раньше. В основном это было железо, добытое из метеоритов. Так, например, на памятниках Ирака и Сирии были найдены железные предметы. А «дата рождения» этих памятников – 27 век до нашей эры. Но настоящий технологический переворот случился уже тогда, когда люди научились выплавлять железо из железной руды. Сначала это научились делать в Западной Азии, потом данная технология попала в Грецию, Италию и постепенно распространилась по всей Европе. Этот процесс совершенствовался на протяжении многих веков, и постепенно производство чугуна и стали стало основой для других отраслей народного хозяйства.

А главным процессом в литейном производстве является доменный процесс. И происходит он в доменной печи. Современная доменная печь – это мощный и высокопроизводительный агрегат и в ней из огромного количества шихты и дутья происходит выплавка чугуна. Шихтой металлурги называют смесь сырых материалов, которую заправляют в печь для дальнейшей переплавки. Это железная руда в сочетании с топливом. А топливом, без которого доменное производство чугуна становится невозможным, обычно служит кокс, который иногда заменяют угольной пылью или природным газом. А кокс – этот тот же каменный уголь, который прокалили без доступа воздуха. Он имеет высокую температуру горения и является хорошим топливом для доменных процессов.

Доменная печь устроена так, что производство чугуна в ней является непрерывным процессом. Оксид железа и углерод непрерывно движутся по шахте печи сверху вниз, а им навстречу движется воздух. Углерод содержится в коксе, который в этом процессе играет двойную роль. При сгорании он нагревает саму печь до нужной температуры и заодно образует газ CO. И с помощью этого газа оксид железа превращается в металл. В результате этой реакции получается диоксид углерода, который отводится в верхней части печи и жидкий металл, который выпускается в нижней ее части. И процесс этот останавливают только тогда, когда требуется сделать ремонт домны. Обычно при таком ремонте меняют внутреннюю кирпичную кладку (футеровку), которая со временем выгорает.

А само производство чугуна в такой печи можно описать с помощью простых уравнений. Воздух, который вдувают в печь, вступает в контакт с коксом и «заставляет» его гореть. Последний сгорая, образует моноксид углерода, который находится в газообразном состоянии. Этот газ играет главную роль в восстановлении оксида железа. А восстановление это происходит, когда температура смеси руды и кокса достигает 600-700 градусов. В результате этого образуется твердое, но губчатое и пористое железо. Потом оно опускается в нижнюю, более горячую часть печи (горн), где плавится и выпускается наружу.

Но эти уравнения можно применять только для идеальной системы. То есть оксид железа должен быть чистым, без примесей, то же самое касается и углерода. А воздух для продувания должен состоять из одного кислорода. Тогда производство чугуна пойдет гладко и согласно описанной выше схеме. Но на самом деле в железной руде содержится много (более 50%) пустой породы, которая в основном состоит из силикатов. А воздух, как всем известно, в основном состоит из азота, который просто проходит через печь, не вступая в реакцию. Но главная проблема состоит именно в силикатах. И чтобы они отделялись от железа и выводились из печи, эти силикаты нужно довести до жидкого состояния. А расплавляются силикаты только после взаимодействия с известью CaO. И для этого в печь совместно с рудой загружают некое количество известняка (флюса). Его располагают в верхней части домны, и он после соответственной реакции превращается в известь. И силикатные примеси железной руды, вступая в реакцию с этой известью, расплавляются до жидкого состояния и выводятся из доменной печи в виде шлака. И шлака этого получается чуть меньше, чем самого чугуна.

А после затвердевания такой шлак превращается в стекловидный материал темного цвета. И еще в недавнем прошлом возле металлургических предприятий можно было увидеть целые горы этого материала. Но сейчас производство чугуна стало в некотором роде безотходным, потому как шлак в наше время нашел широкое применение. Его используют как наполнитель для бетона и как железнодорожный балласт. Из него изготовляют шлаковату, и с его помощью делается противоюзовое покрытие автодорог. А передельный чугун, полученный из доменной печи, является уже основой для производства стали, да и основой всей черной металлургии.