2O3·Fe(OH)3 и содержат до 62 процентов железа. В месторождениях встречается также сидерит FeCO3, в котором 48 процентов железа. Конечно, всякая руда содержит более или менее значительные количества пустой породы и примесей других минералов, иногда представляющих большую ценность. Это обстоятельство вносит существенные поправки в металлургические процессы.
Наша страна занимает первое место в мире по запасам железных руд. Многие из них отличаются высоким качеством. Так, если в мировой добыче магнетиты составляют лишь 9,5 процента, то в СССР на их долю приходится до 40 процентов при содержании железа около 65 процентов (горы Высокая, Магнитная и Благодать на Урале, Соколовско-Сарбайское месторождение в Зауралье). Керченское месторождение содержит бурый железняк. Хотя железа в нем не так уж много (40 процентов), в керченском железняке высокий процент ванадия. Бурые железняки, в которых содержатся еще и никель, хром, ванадий, составляют Халиловское месторождение. Крупнейшее месторождение гематитов — Криворожское — состоит из богатых руд (50–70 процентов железа) при малом содержании серы (меньше 0,1 процента) и фосфора (0,01–0,1 процента).
К числу замечательных кладов природы принадлежит уникальное месторождение железных руд — Курская магнитная аномалия (КМА). Железа здесь по крайней мере вдвое больше, чем во всех месторождениях мира, вместе взятых. Выявленные до сих пор запасы КМА составляют около 10 триллионов тонн, в том числе до 40 миллиардов тонн богатых руд, использование которых уже начато. Чтобы подчеркнуть грандиозность этих цифр, скажем, что даже при условии непрерывного роста выплавки чугуна и стали в нашей стране запасов КМА может хватить на тысячелетие! Правда, многие месторождения КМА расположены глубоко, значительные количества руды нуждаются в обогащении. Много еще предстоит сделать для освоения КМА. У нее большое будущее.
Итак, железо в рудах находится в соединении с кислородом. Значит, чтобы выделить свободное железо, нужно отнять кислород у окисла, восстановить его. В этом и заключается суть, смысл доменного процесса. Процесс этот, в общих чертах знакомый каждому школьнику, ведется в огромных стальных доменных печах, выложенных изнутри огнеупорным кирпичом. В такую печь сверху слоями загружают шихту (по-немецки слово «Schicht» как раз и означает «слой»), состоящую из специально приготовленного угля — кокса, руды и специальных добавок — флюсов (от немецкого «fliessen» — «течь»), или плавней. Флюсы — это известняк CaCO3, или доломит, содержащий до 10 процентов магния. Иногда — в зависимости от состава руды и угля — применяют кремнекислые флюсы, состоящие из кварцита или песка SiO2. Флюсы нужны, чтобы связать примеси в легкоплавкие силикаты, которые легко отделяются от металла.
Когда домна загружена, ее «задувают», пускают в ход, после чего она действует в течение нескольких лет. Ведь шихту можно загружать в домну много раз по мере выпуска чугуна и шлаков через специальные отверстия в нижней части печи — горне.
А откуда такое выражение — «задуть домну»? Очень просто: процесс восстановления руды протекает так: в домну все время внизу, через специальные отверстия — фурмы — вдувается горячий (600–800 градусов) воздух. Находящийся в печи кокс сгорает, давая в конечном счете окись углерода СО. В горне домны поддерживается высокая температура, около 1800 градусов. Это больше, чем нужно для плавления не только чугуна (около 1200 градусов), но и чистого железа, которое плавится при 1536 градусах. Вверх по оси домны температура постепенно снижается до 300 градусов у колошника, где производится загрузка очередной порции шихты (колошей и называют одну порцию шихты, состоящую из слоев руды, кокса и флюсов). То, что в разных областях домны поддерживается разная температура, очень важно, так как та или иная реакция протекает при своей температуре. Каковы же они?
В области температур около 600–700 градусов начинается восстановление окислов железа окисью углерода:
3Fe2О3 + СО = 2Fe3O4 + CO2;
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2;
FeO + CO = Fe + CO2;
FeO + C = Fe + CO.
Последняя реакция — восстановление окиси железа коксом — происходит уже при температуре около 1000 градусов, в более низких областях домны. Здесь же флюсы образуют с примесями шлаки:
CaCO3→900°→CaO + CO2;
CaO + SiO2→1200°→CaSiO3
Легкие шлаки всплывают на поверхность расплавленного металла. Их время от времени сливают, а расплавленный металл остается ниже слоя шлаков. Очень существенно, что слой шлаков защищает металл от обратного окисления тем воздухом, который вдувают в домну для поддержания процесса. Таким образом, шлаки не просто отходы производства; они активно участвуют в процессе.
Примеси, содержащиеся в руде в виде окислов, также частично восстанавливаются:
MnO + С = Mn + СО;
SiO2 + 2C = Si + 2CO;
Р2O5 + 5С = 2P + 5CO.
Первые две реакции требуют очень большого количества тепла, поэтому чем больше сгорает кокса, тем полнее восстанавливаются марганец и кремний.
Что происходит после восстановления железа? Железо начинает опускаться в нижнюю часть домны. При этом оно не остается неизменным. Температура растет, изменяются кристаллическая структура и свойства железа. Ниже 760 градусов существует так называемое альфа-железо, характеризующееся, в частности, своими магнитными свойствами. При 760–906 градусах существует другая модификация — бета-железо, у которого магнитные свойства отсутствуют (именно поэтому намагниченный предмет перестает быть таковым при нагревании). Выше 906 градусов железо превращается в свою третью модификацию — гамма. Здесь уже и кристаллическая решетка другая, а главное — гамма-железо способно растворять углерод.
Вот при этих-то условиях железо, едва успев родиться… перестает быть железом. Находясь в тесном контакте с коксом, железо науглероживается и превращается в чугун — продукт доменного производства. Кремний, марганец, фосфор и сера, частично восстановленные одновременно с железом, также растворяются в железе и потому входят в состав чугуна.
В общих чертах этот процесс известен людям давно, но до сих пор не исчерпаны еще все возможности его совершенствования. В частности, как известно, в домну вдувают воздух, необходимый для сгорания кокса. Необходимый? Но ведь для горения нужен только кислород, составляющий 21 процент всего объема воздуха. А 78 процентов составляет азот, являющийся, таким образом, «бесплатным приложением».
Впрочем, далеко не бесплатным. Воздух приходится предварительно нагревать до 600–800 градусов. Для этого строят специальные нагреватели — кауперы. Иначе нельзя: если воздух не нагреть, азот унесет с собой большую часть тепла, выделившуюся при сжигании кокса. Без кауперов можно обойтись, если вдувать в домну не обычный воздух, а газовую смесь, обогащенную кислородом. Тогда процесс идет более интенсивно.
Часть выплавленного чугуна используется для отливки различных тяжелых частей машин — маховиков, станин — и для других целей. Но основная масса чугуна перерабатывается на сталь. Для этого известны два основных метода — конверторный, или бессемеровский, и мартеновский.
При бессемеровании чугун заливают в специальные гигантские «реторты» — конверторы, выложенные огнеупорными силикатными плитками, и снизу продувают сильной струей воздуха. Что при этом происходит? Прежде всего окисляется само железо: 2Fe + O2 = 2FeO. Образовавшаяся закись может отдавать свой кислород примесям, окисляя их и выделяя снова чистое железо. Но часть FeO теряется за счет образования шлака: FeO + SiO2 = FeSiO3. Кроме того, если FeO образовалась в больших количествах, то, растворяясь в жидком металле, из которого примеси выгорели и потому не могут восстановить, «раскислить» FeO, — эта примесь может резко ухудшить свойства стали.
Процесс выгорания примесей можно представить в виде уравнений:
2Mn + O2 = 2MnO или Mn+FeO = MnO + Fe;
Si + O2 = SiO2;
C + O2 = CO2.
Все эти реакции сопровождаются выделением тепла, поэтому при продувании конвертора металл не только не охлаждается, но еще более разогревается. Образовавшиеся окислы ошлаковываются. При этом, конечно, частично разрушается обкладка (футеровка) конвертора, состоящая из кремнезема SiO2: MnO + SiO2 = MnSiO3. В конце процесса для удаления остатков FeO в конвертор добавляют раскислитель — ферромарганец или ферросилиций.
Процесс проходит очень быстро, за 15–20 минут. Однако это не только преимущество, но и недостаток, так как процесс трудно регулировать. Кроме того, как ясно из приведенных реакций, часть железа выгорает (до 10 процентов).
Сначала конверторный способ имел еще один существенный недостаток: кислая обкладка конвертора связывала лишь основные окислы и потому не способствовала удалению из металла фосфора, окисленного до P2O5, — ведь пятиокись фосфора тоже кислотный окисел. Поэтому полученная из фосфористых чугунов сталь была ломкой. Позже для переработки на сталь таких чугунов стали использовать конверторы с обкладкой из основных окислов, а также добавлять в конвертор до 12–15 процентов извести. Основные окислы CaO и MgO связывают P2O5 в виде фосфатов Ca и Mg. Такой вариант конверторного процесса назван по имени его автора томасовским. Томасшлак, состоящий из фосфатов, — ценное удобрение.
При мартеновском методе примеси выжигаются не только за счет кислорода, который проходит над расплавленным металлом, но и за счет кислорода, содержащегося в окислах железа, добавляемых к чугуну в виде чистой железной руды или так называемого скрапа — железного лома. Необходимое тепло получают сжиганием в мартене горючего газа в смеси с воздухом. Процесс идет несколько часов и поддается точному регулированию, позволяет вносить необходимые добавки в получаемую сталь.