Способ промышленного производства железа

Производство железа: особенности выплавки и добычи сырья

Первое железо известное человечеству носило космическое происхождение, а, точнее говоря, метеоритное. Как инструментальный материал оно стало использоваться примерно 4 тыс. лет до нашей эры. Технология выплавки металла несколько раз появилась на свет и терялась в результате войн и смут, но, как считают историки, первыми освоили выплавку хетты.

Стоит отметить, что речь идет о сплавах железа с небольшим количеством примесей. Химически чистый металл стало возможным получить лишь с появлением современных технологий. Данная статья расскажет вам в подробностях об особенностях производства металла методом прямого восстановления, кричном, губчатого, сыродутного, горячебрикетированного железа, коснемся изготовления хлорного и чистого вещества.

Железная руда

Для начала стоит рассмотреть способ производство железа из железной руды. Железо – элемент весьма распространенный. По содержанию в земной коре металл занимает 4 место среди всех элементов и 2 среди металлов. В литосфере железо представлено обычно в виде силикатов. Наибольшее его содержание отмечено в основных и ультраосновных породах.

Практически все горные руды содержат какую-то толику железа. Однако разрабатываются лишь те породы, в которых доля элемента имеет промышленное значение. Но и в этом случае количество пригодных для разработки минералов более чем велико.

• Прежде всего, это железняк – красный (гематит), магнитный (магнитит) и бурый (лимонит). Это сложные оксиды железа с содержанием элемента в 70–74%. Бурый железняк чаще встречается в корах выветривания, где формирует так называемые «железные шляпы» толщиной до нескольких сот метров. Остальные имеют в основном осадочное происхождение.
• Очень распространен сульфид железа – пирит или серный колчедан, однако железной рудой он не считается и идет на производство серной кислоты.
• Сидерит – карбонат железа, включает до 35%, это руда средняя по содержанию элемента.
• Марказит – включает до 46,6%.
• Миспикель – соединение с мышьяком и серой, содержит до 34,3% железа.
• Леллингит – включает всего 27,2% элемента и считается рудой бедной.

Минеральные породы классифицируют по доле железа таким образом:

• богатые – с содержанием металла более, чем 57%, с долей кремнезема менее 8–10%, и примесью серы и фосфора менее 0,15%. Такие руды не обогащаются, сразу отправляются на производство;
• руда со средним содержанием включает не менее 35% вещества и нуждается в обогащении;
• бедные железные руды должны содержать не менее 26%, и тоже обогащаются перед отправкой в цех.

Общий технологический цикл производства железа в виде чугуна, стали и проката рассмотрен в этом видео:

Разработка месторождений

Существует несколько методов добычи руды. Применяют тот, который находят наиболее экономически целесообразным.

• Открытый способ разработки – или карьерный. Рассчитан на неглубокое залегание минеральной породы. Для добычи выкапывают карьер глубиной до 500 м и шириной, зависящей от мощности месторождения. Железную руду извлекают из карьера и транспортируют машинами, рассчитанными на перевозку тяжелых грузов. Как правило, так добывают именно богатую руду, так что необходимости в ее обогащении не возникает.
• Шахтный – при залегании породы на глубине 600–900 м, бурят шахты. Такая разработка куда более опасна, поскольку связана со взрывными подземными работами: обнаруженные пласты взрывают, а затем собранную руду транспортируют наверх. При всей своей опасности этот метод считается более эффективным.
• Гидродобыча – в этом случае бурят скважины на определенную глубину. В шахту спускают трубы и подают воду под очень большим давлением. Водная струя дробит породу, а затем железную руду поднимают на поверхность. Скважинная гидродобыча мало распространена, так как требует больших затрат.

Далее рассмотрены технология, процессы изготовления железа.

Технологии производства железа

Все металлы и сплавы разделяют на цветные (вроде никеля, олова, цинка, меди и т.п.) и черные. К последним относятся чугун и сталь. 95% всех металлургических процессов приходится на черную металлургию, железо используется повсеместно.

Несмотря на невероятное разнообразие получаемых сталей технологий изготовления не так уж много. Кроме того, чугун и сталь – это не совсем 2 разных продукта, чугун – обязательная предварительная стадия получения стали.

Классификация продукции

И чугун, и сталь относят к сплавам железа, где легирующим компонентом выступает углерод. Доля его невелика, но он придает металлу очень высокую твердость и некоторую хрупкость. Чугун, поскольку содержит больше углерода, более хрупкий, чем сталь. Менее пластичен, но отличается лучшей теплоемкостью и стойкостью к внутреннему давлению.

Чугун получают при доменной плавке. Различают 3 вида:

• серый или литейный – получают методом медленного остывания. Сплав содержит от 1,7 до 4,2% углерода. Серый чугун хорошо обрабатывается механическими инструментами, прекрасно заполняет формы, поэтому его используют для производства литьевых изделий;
• белый – или передельный, получают при быстром остывании. Доля углерода – до 4,5%. Может включать дополнительные примеси кремния, графита, марганца. Белый чугун отличается твердостью и хрупкостью и в основном применяется для выплавки стали;
• ковкий – включает от 2 до 2,2% углерода. Производится из белого чугуна путем длительного прогревания отливок и медленного длительного охлаждения.

Сталь может включать не более 2% углерода, получают ее 3 основными способами. Но в любом случае суть сталеварения сводится к отжигу нежелательных примесей кремния, марганца, серы и так далее. Кроме того, если получают легированную сталь, то в процессе изготовления вводят дополнительные ингредиенты.

По назначению сталь разделяют на 4 группы:

• строительная – применяют в виде проката без термической обработки. Это материал для сооружения мостов, каркасов, изготовления вагонов и так далее;
• машиностроительная – конструкционная, относится к категории углеродистой стали, включает не более 0,75% углерода и не более 1,1% марганца. Используется для производства разнообразных машинных деталей;
• инструментальная – также углеродистая, но с низким содержанием марганца – не более 0,4%. Из нее производят разнообразный инструмент, в частности, металлорежущий;
• сталь специального назначения – к этой группе относят все сплавы с особыми свойствами: жаропрочная сталь, нержавеющая, кислотоупорная и так далее.

Предварительный этап

Даже богатую руду перед выплавкой чугуна необходимо подготовить – освободить от пустой породы.

Источник

Конспект по химии по теме «Промышленные методы получения и применение железа и продуктов на его основе»

Конспект на тему «Промышленные методы получения и применение железа и продуктов на его основе»

Наиболее важные в промышленном отношении руды железа содержат в своем составе значительный процент Fe ₂ O ₃ в смеси главным образом с кремнеземом и силикатами. В отличие от более активных металлов, таких как алюминий, данные примеси могут быть удалены либо в ходе процесса восстановления; либо при последующей обработке продукта восстановления железа — чугуна.

Первичный процесс извлечения железа из его руды проводят в доменной печи ; сырьем для него служит руда, содержащая оксид железа, а также кокс и известняк. Кокс являет c я источником восстановителя – монооксида углерода, а известняк представляет собой флюс , который реагирует с кремнеземом. Изучение процесса выплавки железа показало, что количество железа, получаемого в доменном процессе, может быть определено обратимыми реакциями

Поскольку указанные выше обратимые реакции весьма чувствительны к изменениям температуры, для проведения доменного процесса существует определенная оптимальная температура. Наиболее высокая температура в доменной печи приходится на область фурмы (трубы, через которую в печь вдувается горячий воздух). В верхней части температура снижается до 200° C , в этом месте в печь через колошник подаются сырые материалы. Доменная печь расширяется в том месте, где загруженные в нее твердые вещества превращаются в жидкость. Продукты удаляются из печи через ее нижнюю часть.

Основные реакции, протекающие в доменной печи, включают восстановление оксида железа монооксидом углерода в несколько стадий

FeO + CO = Fe + CO ₂ .

Кремнезем превращается в силикат кальция (шлак), вступая в реакцию с известняком, который предварительно разлагается на негашеную известь и углекислый газ

На уровне фурмы в печи почти отсутствует углекислый газ , однако в ее верхней части количества углекислого газа и монооксида углерода почти одинаковы. Эти газы отводятся к находящимся по соседству калориферам, где монооксид углерода сгорает, нагревая свежий воздух, который вдувается через фурму в доменную печь. Для технологического усовершенствования доменного процесса применяется кислородное дутье или дутье обогащенным кислородом воздухом. В любом случае кислород или воздух в этом отношении следует рассматривать как один из сырых материалов доменного процесса. Для получения тонны чугуна необходимо использовать свыше четырех тонн воздуха.

Чугун, полученный из доменной печи, может быть использован непосредственно для литья (литейный чугун), однако большая его часть идет для дальнейшей переработки в сталь (передельный чугун). В составе чугуна содержится значительное количество серы, попадающей в него из кокса, а также фосфора и кремнезема из руды. Для удаления этих примесей могут быть применены такие процессы как выплавка стали в бессемеровском конвертере, пудлингование или получение тигельной стали. Все эти способы производства стали предназначены для удаления из чугуна примесей в форме шлаков или газов (в бессемеровском конвертере сера выгорает, превращаясь в диоксид серы), а добавление строго ограниченных количеств углерода, марганца, хрома, ванадия и других веществ позволяет получать различные сплавы, называемые сталями.

Меры интенсификации доменного процесса

В ходе рассмотрения вопроса доменного производства необходимо уделить особое внимание, мерам интенсификации и рационализации этого процесса

Для увеличения поверхности соприкосновения реагирующих веществ необходимо, чтобы плавильные материалы были измельчены и имели примерно одинаковый размер частиц . Поэтому крупные куски дробят, а мелкие и пылевидные спекают, для этого их смешивают с углем, при сгорании которого образуются необходимые температурные условия. Этот процесс носит название агломерации .

К смеси, которую спекают добавляют известняк . При высокой температуре он разлагается до оксида кальция с выделением углекислого газа, и пустая порода частично превращается в шлак. Образовывается офлюсованный агломерат . Благодаря его использованию уменьшаются затраты дорогого металлургического кокса и повышается производительность доменной печи.

Для повышения концентрации монооксида углерода воздух, который подается в печь, обогащается кислородом . В результате этого концентрация азота в образующейся газовой смеси уменьшается и увеличивается скорость сгорания кокса и образования монооксида углерода.

Концентрация реагирующих веществ увеличивается подачей в доменную печь природного газа, основной компонент которого – метан. Метан горит:

Диоксид углерода и водяной пар реагируют с раскаленным коксом:

CO ₂ + C = 2CO – Q

В результате этого доменный газ обогащается восстановителями.

Благодаря использованию кислорода и природного газа увеличивается скорость реакций и производительность доменной печи, уменьшаются затраты кокса .

Чугун, идущий на переработку в сталь, называют передельным . Максимальная массовая доля углерода в нем 4,5 %, кремния 1,75%, марганца 1,75%, фосфора 0,30%, серы 0,03%.

Передельный чугун и металлический лом являются сырьем для производства стали.

Чтобы получить сталь из чугуна, необходимо уменьшить в нем содержание углерода, кремния, марганца до десятой доли процента. В стали должно содержаться как можно меньше фосфора и серы , как как фосфор обуславливает холодноломкость (хрупкость стали при обычной температуре), а сера – красноломкость (образование трещин при высокой температуре во время механической обработки).

В основе переработки чугуна лежат окислительные процессы, идущие при высоких температурах. Источником кислорода при этом является воздух и оксиды железа , входящие в состав металлолома и железной руды, добавляемых к чугуну.

Железо, концентрация которого в чугуне значительно выше, чем других веществ, частично окисляется:

2 Fe + O ₂ = 2 FeO + Q

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

Si + 2FeO = SiO ₂ + 2Fe

Mn + FeO = MnO + Fe

При этом все представленные выше реакции, корме последней, идут с выделением энергии.

После завершения окислительных реакций в жидком чугуне остается закись железа, от которой сплав необходимо освободить. Кроме того, необходимо довести до установленных норм содержание в стали углерода, кремния и марганца. Эта задача реализуется добавлением раскислителей (например ферромарганца – сплава железа с марганцем), ферросилиция, феррохрома. При этом марганец, например, реагирует с закисью железа:

Mn + FeO = MnO + Fe

Большое значение для увеличения скорости переработки чугуна имеет замена воздуха кислородом , благодаря чему повышается концентрация реагирующих веществ и одновременно достигается более высокая температура. При использовании кислорода качество получаемой стали значительно выше, так как уменьшается содержание в ней растворенного азота.

Процесс целесообразно проводить при высоких температурах, чтобы ускорить расплавление твердых исходных материалов и увеличить скорость всех реакций.

Мартеновская печь – агрегат в виде ванны, перекрытой сводом из огнеупорного кирпича. Передняя стенка печи имеет засыпные окна, через которые завалочные машины засыпают шихту, а в задней стенке имеется отверстие для выпуска стали. По специальным каналам подводится топливо и воздух, обогащенный кислородом, или чистый кислород и отводятся продукты горения. Для повышения температуры пламени газообразное топливо и воздух заранее подогревают в регенераторах.

В мартеновской печи процесс выплавки длится примерно 6 – 8 часов. Объем применяемых печей позволяет выплавлять 600 – 900 тонн стали. При этом капиталовложения, необходимые для сооружения мартеновской печи, больше, чем для строительства других печей. Качество стали, выплавленной с помощью мартеновской печи, ниже, чем стали, выплавленной, например, конверторным способом.

В мощном современном кислородном конвертере за 30 – 35 минут получают 350 – 400 тонн жидкой высококачественной стали. Конвертор представляет собой реактор, изготовленный из прочных стальных листов, сваренных между собой и выложенных изнутри огнеупорным кирпичом.

Конвертор работает периодически . В него загружают металлический лом, заливают жидкий чугун, после чего опускают фурму, через которую вдувают кислород под давлением в 1 МПа. Кислородные конверторы бывают с донным и комбинированным продуванием.

Температура повышается за счет теплоты экзотермических реакций . Благодаря большой поверхности соприкосновения кислорода с жидким чугуном и высокой температуре кремний, марганец, углерод и другие элементы быстро окисляются. Известняк добавляется в ходе процесса, после окончания которого конвертор наклоняют и через отверстие в верхней части выпускают готовую сталь, а через горловину – шлак.

Конвертор – высокопроизводительный реактор, дающий сталь высокого качества.

Производство стали в электропечах

Использование электричества в производстве стали дает возможность поддерживать в печах значительно более высокую температуру , чем при других способах, создавать условия для регулирования восстановительной среды. В электропечах можно выплавлять любую сталь. Этот способ стал широко применяться для получения легированных сталей, так как в электропечах можно плавить стали, содержащие добавки тугоплавких металлов — вольфрама, молибдена.

В промышленности используются преимущественно дуговые печи , в которых необходимая энергия образуется вследствие возникновения электрической дуги между электродами и шихтой. Дуговая сталеплавильная печь за один раз (одна садка) выплавляет от 200 до 400 т, затрачивая на это 50 — 70 мин. Это в 10 раз быстрее, чем выплавка стали в мартене. Современная дуговая сталеплавильная печь сверхвысокой мощности имеет удельный расход энергии значительно более низкий, чем мартеновская печь.

В сталеплавильной промышленности также применяется процесс, в котором используется кислород, — получение стали распылением . После восстановление железа в доменной печи расплавленный чугун вместе с определенны количеством негашеной извести распыляют с помощью кислорода подобно тому, как с помощью сжатого воздуха распыляю краску из пульверизатора. Капли железа оседают, проходя реакционную зону, в которой большая часть неметаллических примесей – углерод, сера и фосфор – превращается в газообразные оксиды, а кремнезем соединяется с негашеной известью, образуя шлак. Распыленное вещество, состоящее теперь уже из капель жидкой стали и шлака, собирают в приемник, где сталь и шлак образуют два раздельных слоя. Распыление стали, заменяющее конверторный процесс, во много раз быстрее его. Но самое главное то, что метод распыления стали делает процесс ее получения непрерывным, а это создает большие преимущества перед обычными методами, заставляющими эксплуатировать доменную печь в обычном режиме.

Применение железа, продуктов на его основе и его соединений

Применение чистого железа весьма ограничено . Однако, при этом в некоторых областях техники чистое железо является незаменимым материалом. Так, его используют при изготовлении сердечников электромагнитов , как катализатор химических процессов , для некоторых других целей.

Сплавы железа — чугун и сталь – лежат в основе всей современной техники . Из сплавов железа с углеродом изготавливаются почти все конструкции в машиностроении и тяжелой промышленности.

Основные области применения чугуна

Чугун применяется для изготовления деталей и предметов тяжелой промышленности. Его использовали в металлургии и станкостроении.

В машиностроении нашел свое применение серый чугун с графитной составляющей.

В автомобильной промышленности из чугуна изготавливают блоки цилиндров. Это важные ответственные детали, которые должны характеризоваться высокой прочностью и стойкостью к износу. Добавки позволяют улучшить качество чугуна, так что появляется возможность использовать его при изготовлении коленчатый валов дизелей.

Из чугуна делают тормозные колодки. Кроме этого, из чугуна делают валки мукомольный и бумагоделательных машин.

Чугунные изделия хорошо работают при достаточно низких температурах. Для этой целей используют ковкий вид чугуна. Из него делают узлы тракторов и сложных механизмов, которые будут в дальнейшем работать в жестких условиях.

Чугун широко применяется для изготовления предметов быта

Чугун очень часто используют как материал для изготовления художественных предметов.

Основные области применения стали с легированными добавками

Производство хирургического оборудования;

Изготовление различных видов труб;

Строительство мостов и дорог различного назначения;

Судостроение и авиастроение;

Производство сверл, фрез, коллекторов, метчиков, плашек;

Изготовление крупных деталей сложных форм;

Изготовление деталей, которые предназначены для работы в условиях трения и повышенных нагрузок;

Производство ножей различного предназначения;

Находят широкое применение и многие соединения железа

Сульфат железа (III) используют при водоподготовке,

Оксиды и цианид железа служат пигментами при изготовлении красителей

FeSO ₄ • 7H ₂ O (железный купорос) используют для борьбы с вредителями растений, приготовления минеральных красок, в фотографии, как консервант древесины, как электролит в гальванотехнике.

FeCl ₃ используют как протраву во время окрашивания тканей, для пищеварения печатных плат, как коагулянт при очистке воды.

Fe (NO ₃ ) ₃ • 9H ₂ O как протрава при крашении хлопчатобумажных тканей и утяжелитель шелка.

Источник