32.6 Как выплавляют металл

metall3Если кому-то удавалось побывать на сталелитейном предприятии, то, несомненно, произведенное впечатление останется в памяти навсегда. Огромные, цеха, постоянное движение неимоверного размера ковшей с жидким металлом, реки чугуна и стали, шум, жара, дым и ощущение прикосновения к чему-то необычному. Действительно, есть чему удивляться на таком производстве. Ведь процессы плавки металла, а тем более, придания ему специальных свойств требуют основательных знаний множества процессов, протекающих в определенной последовательности. Данная статья посвящена краткому обзору технологии получения стали – самого распространенного сплава, применяемого в промышленности, на транспорте, в строительстве и быту.

Руда, кокс и домна = чугун

Всем нам хорошо известно со школьной скамьи, что любой металл добывают из руды. Руда есть не что иное, как горная порода с высоким содержанием необходимого нам металла. Впрочем, в природе в чистом виде встречаются только золото и редкоземельные металлы, которые не окисляются и могут сохраняться в виде чистых металлов неограниченные промежутки времени. Все остальные металлы находятся в руде в виде различных соединений. Чаще всего это оксиды.

Железная руда – не исключение. Она состоит практически целиком из оксида железа Fe2O3 с добавлением посторонних примесей и пустой породы. По сути – это есть грязная ржавчина. И в чистом виде руду в доменную печь отправлять нельзя. Полученный металл будет очень низкого качества, а основным продуктом печи станет шлак.

Для того чтобы руда стала пригодной для загрузки в плавильную печь, её обогащают на горно-обогатительном комбинате. В старые времена руда была с высоким содержанием железа. На сегодняшний день мы практически вынуждены перерабатывать старые отвалы и перерабатывать руду с малым содержанием железа, что, безусловно, сказывается на стоимости стали.

При обогащении руда проходит множество стадий очистки от посторонних примесей. На выходе из цехов ГОК получаются окатыши с высоким содержанием оксида железа, готовые к загрузке в печь. Как правило, ГОК и сталелитейный комбинат находятся в одном месте, чтобы снизить затраты на транспортировку окатышей.

Второй компонент, необходимый для плавки металла – кокс, который является твердым топливом и источником моноксида углерода, посредством которого и восстанавливается железо из оксида в два этапа. Кокс – это каменный уголь, прошедший пиролиз. Изначально в качестве топлива и источника угарного газа применяли древесный уголь. Он получается путем пиролиза древесины, но древесный уголь слишком дорог и непригоден для промышленного производства металла. Хотя древесный уголь лишен посторонних примесей, которыми насыщен обычный каменный уголь. Чтобы очистить каменный уголь от газов и примесей его тоже стали подвергать пиролизу – то есть, нагреву без доступа воздуха с отводом образующихся газов. В результате получается кокс – чистое топливо, пригодное для плавки металлов. Для получения кокса подходят не все марки угля, а только так называемые коксующиеся угли. Кокс на сталелитейный завод может поступать за тысячи километров, так как практически никогда не бывает того, чтобы уголь и руда залегали в одном месте.

Третий элемент, необходимый для получения металла – доменная печь. Это грандиозное сооружение было придумано еще в 14 веке, но тогда она не имела таких размеров как сейчас. Однако принцип действия древней печи и современной одинаков – восстановление железа из оксида под действием монооксида углерода при высокой температуре.

Доменная печь может работать непрерывно сколь угодно долго. Во всяком случае, пока в неё загружают шихту и кокс, а её футеровка не нарушена настолько, что требует ремонта. Это сооружение представляет собой шахтовую печь с минимальной высотой около 35 метров, в которой имеется несколько зон. Самая нижняя зона – это горн, в котором собирается жидкий чугун, над ним расположены заплечики. Это высокотемпературная часть печи. Выше расположен распар – зона восстановления FeO, где из окиси железа под действием высокой температуры и угарного газа выделяется в виде капель жидкого металла железо и стекает в горн, где окончательно расплавляется. Ещё выше расположена зона восстановления Fe2O3– это так называемая шахта, в которой температура ниже, но под действием угарного газа происходит первый этап восстановления железа из оксида в окись. В самой верхней части доменной печи расположен колошник – устройство, в котором разделяются доменные газы и через которое загружают шихту. Загрузка шихты – смеси в определенных пропорциях руды, кокса и различных вспомогательных добавок в современных печах происходит автоматически, а раньше для этого использовался ручной труд. Важно понимать, что даже самая маленькая доменная печь вмещает не менее 300 тонн шихты. И загрузить их вручную достаточно проблематично, а ведь эту массу нужно постоянно поддерживать, чтобы печь не остывала. Современные доменные печи имеют объемы загрузки более 12 тысяч тонн. Естественно, что вручную такую массу загрузить невозможно.

В нижней части печи имеются летки для выпуска расплавленного металла и слива шлаков, а так же фурмы для подачи подогретого воздуха. Для обеспечения нормального режима работы печи воздух должен быть подогрет до температуры 1100 – 1200 градусов. При такой температуре важно, чтобы сопла фурм не повело. Для этого внутри них циркулирует охлаждающая жидкость.

Горновая часть доменной печи имеет многослойную футеровку, которая тоже охлаждается проложенным внутри контуром. А сама печь опирается на фундамент из железобетона толщиной 4 метра. Поддерживают печь в вертикальном положении стальные колонны.

По мере того как в горновой части скапливается достаточное количество жидкого металла, его сливают, выбивая пробку в летке горна. Металл отводится от печи по каналам и поступает в термостатированные емкости для дальнейшей транспортировки по технологической цепочке. Доменные шлаки могут спускать как через летку для металла, так и через специальные шлаковые летки. Шлаки в расплавленном виде вывозят на специально оборудованную площадку и там сливают. В дальнейшем шлаки перерабатывают в минеральную вату, так как они по большей части представляют собой минеральную основу.

Из доменной печи выходит чугун. Его свойства далеки от требуемых, так как он содержит слишком много углерода, вкрапления фосфора и серы. Чтобы получить из него сталь, требуется выжечь лишнее и ввести легирующие присадки. Тогда получится сталь с требуемыми характеристиками. Все это происходит в мартеновском или кислородно-конвертерном цехах.

Мартеновская печь и кислородный конвертер – места, где чугун превращается в сталь

ph05216До 19 века сталь получать не могли в принципе. Так как после выплавки чугуна его сразу разливали в изложницы. А далее кузнецы доводили его до требуемого состояния при многократном нагревании и охлаждении, уплотнении структуры ковкой. Естественно, что любое изделие из переделанного чугуна стоило слишком дорого. Проблема чугуна состоит в том, что он содержит кроме чистого железа ряд примесей, которые попадают в него, когда металл находится в жидком состоянии. В первую очередь – это углерод, который имеет свойство образовывать сплав с железом, растворяясь в нем. Углерод попадает в расплав в тот момент, когда капли железа протекают через раскаленный кокс. Чтобы снизить содержание углерода в чугуне, в шихту добавляют известняк, который нагреваясь, переходит в негашеную известь и ошлаковывает часть примесей, очищая чугун. Однако получить чистое железо в доменной печи нельзя. На выходе чугун все равно будет иметь до 8% углерода в своем составе.

Чтобы избавиться от углерода и вредных примесей в виде фосфора и серы, требуется окислить их и вывести из расплава. Для этого существует два способа – мартеновский и бессемеровский. Мартеновский способ состоит в том, что жидкий чугун загружают в специальную плоскую печь, куда добавляют стальной лом, известь, железную руду и начинают интенсивный нагрев. При этом в печь подают смесь топлива с обогащенным кислородом воздухом. Железо начинает окисляться. При этом, нагреваясь, окись железа реагирует с углеродом, фосфором и серой, связывая их в оксиды, которые тут же ошлаковываются введенным в состав шихты известняком. Чтобы увеличить скорость восстановления железа из окиси, в расплав добавляют марганец, который реагирует с окисью железа, переходя в состояние оксида марганца и тоже ошлаковывается известью.

Как только вся шихта расплавится, начинается процесс доводки стали. В этот период в расплав добавляют железную руду в виде окиси железа. При этом за счет окисления углерода происходит бурное восстановление железа из окиси. В течение некоторого времени ванна кипит, а затем успокаивается. В этот момент можно вводить легирующие присадки в зависимости от состава стали и сливать её для проката, для разливки в изложницы и т.п.

Мартеновский процесс не слишком производительный. За сутки в мартеновской печи можно провести 1,5-2,5 плавки. Что снижает объемы перерабатываемого металла. Чтобы ускорить процесс отжига примесей из чугуна, в 1856 году Бессемером было предложено продувать чугун кислородом с добавлением руды и известняка. Для продувки Бессемер предложил устройство, которое назвал конвертером. Это сосуд, в который наливается небольшая порция жидкого чугуна, вводится фурма, в которую подается кислород под большим давлением. Кислород выжигает примеси, известь их ошлаковывает. Готовую сталь сливают в ковш, переворачивая конвертер.

Этот способ получения стали при кажущейся простоте был реализовано впервые только в 1949 году на австрийском заводе в городе Линц. В Советском Союзе первый кислородно-конвертерный цех был введен в строй в 1957 году на заводе «Криворожсталь». Применение этого способа получения стали существенно увеличило объемы её производства. В настоящее время кислородно-конвертерную технологию массово применяют всего 8 стран в мире. Россия входит в их число.

 Современная-мартеновская-печь