Прямое получение железа из руд

В основу этого метода положено восстановление железа при низких температурах (порядка 700-900⁰С), при которых отсутствует восстановление других примесей и продукт получается в виде губчатой массы (железа).

Прямое восстановление железа дает возможность перерабатывать руды с низким содержанием железа и руды с большим содержанием вредных примесей, переработка которых неэкономична в доменных печах.

Железо, полученное прямым восстановлением из руд, находит широкое применение в электродной промышленности; губчатое железо, которое получается этим способом, является ценнейшим шихтовым материалом при выплавке качественных сталей.

 

Производство стали

Сталью называются сплавы железа с углеродом и другими элементами. Такие сплавы обладают пластическими свойствами как в нагретом, так и в холодном состоянии, и могут подвергаться прокатке, волочению, ковке, штамповке.

Сталь содержит до 2% углерода и некоторое количество марганца, кремния, а также вредные примеси (фосфор и серу). Кроме этих примесей, в стали могут содержаться и легирующие элементы: хром, никель, ванадий, титан и др.

В настоящее время сталь производят преимущественно путем передела чугуна, при котором из чугуна удаляется избыток углерода, кремния, марганца, а также вредных примесей для придания ей необходимых свойств. Углерод и другие примеси при высокой температуре соединяются с кислородом гораздо энергичнее, чем железо, и их можно удалять при незначительных потерях железа.

Другие примеси превращаются в окислы SiO_2, MnO, P₂O₅, которые вследствие меньшего по сравнению с металлом удельного веса всплывают и образуют шлак.

В настоящее время в промышленности в основном применяют конверторный и мартеновский методы получения стали; кроме того, сталь получают в электрических дуговых и индукционных печах.

Конвертированный способ получения стали

Сущность конвертируемого способа получения стали заключается в том, что через жидкий чугун, залитый в конвектор, продувается воздух, кислород которого окисляет углерод и другие примеси.

 

Конвертор: 1 – механизм для поворота конвертора; 2 – огнеупорная кладка; 3 – шлак; 4 – металл; 5 – каналы для подачи воздуха.

 

На рис. приведен общий вид обычного конвертора грушевидной формы, сваренного из толстой листовой стали и футерованного внутри огнеупорными материалами. Снаружи в средней части конверто­ров имеются два цилиндрических выступа, называемых цапфами, которые служат для опоры и поворота конвертора. Одна из цапф делается полой и соединяется с воздуховодом; от цапфы к днищу через трубу и воздушную коробку подводится воздух. В днище конвертора имеются отверстия —фурмы, через которые под давлением 2,0— 2,5 am воздух подается в конвертор.

Для заливки жидкого чугуна конвертор поворачивают из вертикального положения в горизонтальное. После заливки чугуна пускают дутье и конвертор поворачивают днищем вниз. Слой металла составляет 1/5 до 1/3 высоты цилиндрической части конвертора. Емкость современных конверторов, работающих на воздушном дутье, достигает до 40 m.

В конверторах применяют кислую и основную футеровки. Тепло, необходимое для нагрева жидкой стали до высоких температур, в этих процессах получается за счет химических реакций окисления примесей чугуна.

При этом примеси могут окислятся элементарным кислородом и кислородом закиси железа, которая растворяется в металле. При окислении примесей кислородом выделяется значительное количество тепла.

Примеси окисляются элементарным кислородом по следующей реакции:

Si+O₂→ SiO₂+Q

Окисление примесей чугуна кислородом закиси железа FeO происходит по следующей реакции:

Si+2FeO→ SiO₂+2Fe+Q

При окислении элементов наибольшее количество тепла выделяют кремний, фосфор и марганец. Недостаточное количество тепла от реакций компенсируется температурой жидкого чугуна.

Для получения стали методом продувки применяют два сорта чугунов: марки Б1 и Б2 – для кислого и Т1 – для основного процессов.

Чугун марки Б1 и Б2 содержат минимальное количество фосфора (0,07%) и серы (0,06%), чугун марки Т1 содержит фосфора 1,6 – 2,0%, а иногда до 2,5%.

В последнее время для продувки чугуна вместо воздуха применяют технический кислород, который позволяет повысить скорость плавки, выход годной стали за счет увеличения добавки твердой шихты и уменьшения химических примесей в чугуне, подвергающихся окислению.

Конвертор, работающий на кислородном дутье, по конструкции отличается от обычных тем, что имеет сплошное днище и кислород в него во время процесса плавки подается сверху, так как подача кислорода через донные фурмы приводит к быстрому их разрушению.

Конвертор на кислородной дутье: 1 – железный кожух; 2 – футеровка; 3 – металлическая трубка, по которой подается кислород; 4 - расплавленный металл.

Подача извести в струе кислорода обеспечивает исключительно высокую степень соединения и удаления фосфора и серы из металла в шлак.

Кислород применяется обычного качества (технический) при давлении до 6-8 am. При продувке томассовского чугуна, содержащего 3,6% С; 0,8% Mn; 0,4% Si; 1,7% P и 0,04% S, после промежуточного скачивания шлака содержание углерода в металле понижается до 0,6%, а фосфора – до 0,1%. Полученный шлак является хорошим удобрением для сельского хозяйства. После второго вдувания извести получают металл с содержанием 0,8% С; 0,31% Mn; 0,017% P; 1,014% S; 0,001% Ni и следы Si, т.е. получают сталь, по своему качеству подобную мартеновской. Расход кислорода составляет 60-65 м³, а извести 130-145 кг на 1 m чугуна. Длительность продувки в тридцатитонном конверторе составляет от 20 до 30 мин; расход футеровки до 10 кг на 1 m чугуна.

На современном этапе развития металлургического производства конверторный способ не разрешает еще полностью задачу получения стали с разнообразными свойствами. Для успешного ведения конверторного способа требуется чугун строго органического химического состава. Значительная часть железных руд позволяет получать чугун, который по своему химическому составу не подходит для конверторного производства. Большое количество лома (скрапа) черных металлов, имеющихся в промышленности, при конверторном производстве использовать полностью не возможно. Рациональное использование чугуна и более полное использование стального скрапа (металлическая стружка и лом) достигается при производстве стали в мартеновских и электрических печах.