Реферат: Железо и его роль

Железо и егороль

Герою знаменитогоромана Даниэля Дефо повезло. Корабль, с которого он спасся, сидел на мелисовсем недалеко от острова. Робинзон сумел погрузить на плот все необходимое иблагополучно переправился на остров. Ему повезло еще раз – цитируем роман: «Последолгих поисков я нашел ящик нашего плотника, и это была для меня поистине драгоценнаянаходка, которой я не отдал бы тогда за целый корабль с золотом».

Что было в плотницкомящике? Обыкновенный железный инструмент: топор, пила, молоток, гвозди.

Через два столетия надругой необитаемый остров попали герои другого французского романа – пятероамериканцев. Они сумели не только выжить на острове, но и создать себе болееили менее нормальные условия жизни, что определенно не удалось бы, если бывсеведущий инженер Сайрес Смит (заметим, что по-английски «смит»означает «кузнец») не сумел найти на таинственном острове железнуюруду и сделать железные инструменты. Иначе опять пришлись бы Жюлю Вернувыручать своих героев с помощью знаменитого капитана Немо.

Как видим, без железане может обойтись даже приключенческая литература. Чрезвычайно важное местозанимает этот металл в жизни человека.

Цифры, отражающиегодовой уровень выплавки стали, в значительной степени определяют экономическуюмощь страны. Мировое производство стали уже превысило 600 млн. т, и пределовэтому росту пока не видно. Среди важнейших строек десятой пятилетки наряду сБАМом и КамАЗом во всех документах неизменно фигурирует Оскольскийэлектрометаллургический комбинат.

Точно так же важнейшимистройками первых наших пятилеток были Магнитогорский и Кузнецкийметаллургические комбинаты.

Развитию чернойметаллургии – металлургии железа – придавал первостепенное значение ВладимирИльич Ленин. Еще до Октябрьской революции, в 1913г., в статье «Железо вкрестьянском хозяйство» он писал:

«Относительножелеза – одного из фундаментов, можно сказать, цивилизации – отсталость идикость России особенно велики». Действительно, в тот год, а 1913 годсчитался в царской России годом промышленного подъема, в огромной стране со150-миллионным населением было выплавлено лишь 3,6млнт стали. Сейчас это средняягодовая производительность среднего металлургического завода. Сегодня СоветскийСоюз по выплавке чугуна и стали уверенно держит первое место в мире. В 1975г. встране выплавлены 141млнт стали и 103млнт чугуна (в США, соответственно, длясравнения: 110 и 75млнт).

Начало железного века

Было время, когдажелезо на земле ценилось значительно дороже золота. Советский историк Г.Арешянизучал влияние железа на древнюю культуру стран Средиземноморья. Он приводиттакую пропорцию: 1:160:1280:6400. Это соотношение стоимостей меди, серебра,золота и железа у древних хеттов. Как свидетельствует в «Одиссее»Гомер, победителя игр, устроенных Ахиллесом, награждали куском золота и кускомжелеза.

Железо было в равнойстепени необходимо и воину, и пахарю, а практическая потребность, как известно,– лучший двигатель производства и технического прогресса.

Термин «железныйвек» введен в науку в середине XIXв. датским археологом К.Ю. Томсеном. «Официальные»границы этого периода человеческой истории: от IX...VIIвв. дон.э. когда умногих народов и племен Европы и Азии начала развиваться металлургия железа, идо времени возникновения у этих племен классового общества и государства. Ноесли эпохи называть по главному материалу орудий труда, то, очевидно, железныйвек продолжается и сегодня.

Как получали железонаши далекие предки? Сначала так называемым сыродутным методом. Сыродутные печиустраивали прямо на земле, обычно на склонах оврагов и канав. Они имели видтрубы. Эту трубу заполняли древесным углем и железной рудой. Уголь зажигали, иветер, дувший в склон оврага, поддерживал горение угля. Железная рудавосстанавливалась, и получалась мягкая крица – железо с включениями шлака.Такое железо называлось сварочным; в нем содержалось немного углерода ипримесей, перешедших из руды. Крицу ковали. Куски шлака отваливались, и подмолотом оставалось железо, пронизанное шлаковыми нитями. Из него отковывалиразличные орудия.

Век сварочного железабыл долгим, однако людям древности и раннего средневековья было знакомо идругое железо. Знаменитую дамасскую сталь (или булат) делали на Востоке еще вовремена Аристотеля (IVв.дон.э.). Но технология ее производства, так же какпроцесс изготовления булатных клинков, держалась в секрете.

Что такое булат

И булат, и дамасскаясталь по химическому составу не отличаются от обычной нелегированной стали. Этосплавы железа с углеродом. Но в отличие от обычной углеродистой стали булатобладает очень большой твердостью и упругостью, а также способностью даватьлезвие исключительной остроты.

Секрет булата не давалпокоя металлургам многих веков и стран. Каких только способов и рецептов непредлагалось! В железо добавляли золото, серебро, драгоценные камни, слоновуюкость. Придумывались хитроумнейшие (и порой ужаснейшие) «технологии».Один из древнейших советов: для закалки погружать клинок не в воду, а в теломускулистого раба, – чтобы его сила перешла в сталь.

Раскрыть секрет булатаудалось в первой половине прошлого века замечательному русскому металлургу П.П.Аносову. Он брал самое чистое кричное железо и помещал его в открытом тигле вгорн с древесным углем. Железо, плавясь, насыщалось углеродом, покрывалосьшлаком из кристаллического доломита, иногда с добавкой чистой железной окалины.Под этим шлаком оно очень интенсивно освобождалось от кислорода, серы, фосфораи кремния. Но это было только полдела. Нужно было еще охладить сталь как можноспокойнее и медленнее, чтобы в процессе кристаллизации сначала моглиобразоваться крупные кристаллы разветвленной структуры – так называемыедендриты. Охлаждение шло прямо в горне, заполненном раскаленным углем. Затемследовала искусная ковка, которая ни должна была нарушить образовавшуюсяструктуру.

Другой русскийметаллург – Д.К. Чернов впоследствии объяснил происхождение уникальных свойствбулата, связав их со структурой. Дендриты состоят из тугоплавкой, ноотносительно мягкой стали, а пространство меж их «ветвями»заполняется в процессе застывания металла более насыщенной углеродом, аследовательно, и более твердой сталью. Отсюда большая твердость и большаявязкость одновременно. При ковке этот стальной «гибрид» неразрушается, сохраняется его древовидная структура, но только из прямолинейнойона превращается в зигзагообразную. Особенности рисунка в значительной мерезависят от силы и направления ударов, от мастерства кузнеца.

Дамасская стальдревности – это тот же булат, но позднее так называли сталь, полученную путемкузнечной сварки из многочисленных стальных проволочек или полос. Проволочкиделались из сталей с разным содержанием углерода, отсюда те же свойства, что иу булата. В средние века искусство приготовления такой стали достиглонаибольшего развития. Известен японский клинок, в структуре которого обнаруженооколо 4млн микроскопически тонких стальных нитей. Естественно, процессизготовления оружия из дамасской стали еще более трудоемок, чем процессизготовления булатных сабель.

Кстати, после смертиП.П. Аносова секрет булата был вновь утерян. В третий раз его открыли уже всередине XXв. Булатные пластинки были своеобразными сувенирами: металлургиЗлатоуста вручали их участникам Всесоюзного совещания прокатчиков, проходившегов этом городе в 1961г.

Вернемся, однако, в тевремена, когда булат был прекрасной и опасной диковиной.

От домницы к домне

Сыродутный процесс вомногом зависел от погоды: нужно было, чтобы ветер обязательно задувал в «трубу».Стремление избавиться от капризов погоды привело к созданию мехов, которымираздували огонь в сыродутном горне. С появлением мехов отпала надобностьустраивать сыродутные горны на склонах. Появились печи нового типа – такназываемые волчьи ямы, которые выкапывали в земле, и домницы, которыевозвышались над землей. Их делали из камней, скрепленных глиной. В отверстие уоснования домницы вставляли трубку мехов и начинали раздувать печь. Угольсгорал, а в горне печи оставалась уже знакомая нам крица. Обычно, чтобывытащить ее наружу, выламывали несколько камней в нижней части печи. Затем ихопять закладывали на место, заполняли печь углем и рудой, и все начиналосьсначала.

Само слово «домница»происходит от славянского слова «дмути», что означает «дуть».От этого же слова происходят слова «надменный» (надутый) и «дым».По-английски доменная печь называется, как и по-русски, дутьевой – blastfurnace. А во французском и немецком языках эти печи получили название высоких(Hochofen по-немецки и haut fourneau по-французски).

Домницы становились всебольше. Увеличивалась производительность мехов: уголь горел все жарче, и железонасыщалось углеродом.

При извлечении крицы изпечи выливался и расплавленный чугун – железо, содержащее более 2% углеродаплавящееся при более низких температурах. В твердом виде чугун нельзя ковать,он разлетается на куски от одного удара молотом. Поэтому чугун, как и шлак,считался вначале отходом производства. Англичане даже назвали его «свинскимжелезом» – pig iron. Только потом металлурги сообразили, что жидкий чугунможно заливать в формы и получать из него различные изделия, например пушечныеядра.

К XIV-XVвв. доменныепечи, производившие чугун, прочно вошли в промышленность. Высота их достигала3м более, они выплавляли литейный чугун, из которого лили уже не только ядра,но и сами пушки.

Подлинный поворот отдомницы к домне произошел лишь в 80-х годах XVIIIв., когда одному издемидовских приказчиков пришла в голову мысль подавать дутье в доменную печь нечерез одно сопло, а через два, расположив их по обеим сторонам горна. Лиха беданачало! Число сопел, или фурм (как их теперь называют), росло, дутьестановилось все более равномерным, увеличивался диаметр горна, повышаласьпроизводительность печей.

Еще два открытия сильноповлияли на развитие доменного производства. Долгие годы топливом доменныхпечей был древесный уголь. Существовала целая отрасль промышленности,занимавшаяся выжиганием угля из дерева. В результате леса в Англии вырубили дотакой степени, что был издан специальный указ королевы, запрещающий уничтожатьлес ради нужд черной металлургии. После этого английская металлургия сталабыстро хиреть. Британия была вынуждена ввозить чугун из-за границы, главнымобразом из России. Так продолжалось до середины XVIIIв., когда Абрагам Дербинашел способ получения кокса из каменного угля, запасы которого в Англии оченьвелики. Кокс стал основным топливом для доменных печей.

С изобретением коксасвязана легенда о Даде Дадли, который якобы изобрел коксование еще в XVIв.,задолго до Дерби. Но фабриканты древесного угля испугались за свои доходы и,сговорившись, убили изобретателя.

В 1829г. Дж.Нилсон назаводе Клейд (Шотландия) впервые применил вдувание в домны нагретого воздуха.Это нововведение повысило производительность печей и резко снизило расходтоплива.

Последнее значительноеусовершенствование доменного процесса произошло уже в наши дни. Суть его –замена части кокса дешевым природным газом.

Главный передел

Процесс производствастали сводится в сущности к выжиганию из чугуна примесей, к окислению ихкислородом воздуха. То, что делают металлурги, рядовому химику может показатьсябессмыслицей: сначала восстанавливают окисел железа, одновременно насыщаяметалл углеродом, кремнием, марганцем (производство чугуна), а потом стараютсявыжечь их. Обиднее всего, что химик совершенно прав: металлурги применяют явнонелепый метод. Но другого у них не было.

Главныйметаллургический передел – производство стали из чугуна – возник в XIVв. Стальтогда получали в кричных горнах. Чугун помещали на слой древесного угля,расположенный выше фурмы для подачи воздуха. При горении угля чугун плавился икаплями стекал вниз, проходя через зону, более богатую кислородом, – мимофурмы. Здесь железо частично освобождалось от углерода и почти полностью откремния и марганца. Затем оно оказывалось на дне горна, устланном слоемжелезистого шлака, оставшегося после предыдущей плавки. Шлак постепенно окислялуглерод, еще сохранившийся в металле, отчего температура плавления металлаповышалась, и он загустевал. Образовавшийся мягкий слиток ломом поднималивверх. В зоне над фурмой он еще раз переплавлялся, при этом окислялась ещекакая-то часть содержащегося в железе углерода. Когда после переплавки на днегорна образовывалась 50...100-килограммовая крица, ее извлекали из горна и тутже отправляли на проковку, цель которой была не только уплотнить металл, но ивыдавать из него жидкие шлаки.

Наиболее совершеннымжелезоделательным агрегатом прошлого была пудлинговая печь, изобретеннаяангличанином Генри Кортом в конце XVIIIв. (Кстати, он же изобрел и прокаткупрофильного железа на валках с нарезанными в них калибрами. Раскаленная полосаметалла, проходя через калибры, принимала их форму.).

Пудлинговая печь Кортазагружалась чугуном, а подина (дно) и стены ее были футерованы железной рудой.После каждой плавки их подновляли. Горячие газы из топки расплавляли чугун, апотом кислород воздуха и кислород, содержащийся в руде, окисляли примеси.Пудлинговщик, стоящий у печи, помешивал в ванне железной клюшкой, на которойосаждались кристаллы, образующие железную крицу.

После изобретенияпудлинговой печи в этой области черной металлургии долго не появлялось ничегонового, если не считать разработанного англичанином Гунстманом тигельногоспособа получения высококачественной стали. Но тигли были малопроизводительны,а развитие промышленности и транспорта требовало все большего, и большегоколичества стали.

Мартен и конвертер

Генри Бессемер былмехаником, вдобавок без систематического образования. Он изобретал, чтопридется: машинку для гашения марок, нарезную пушку, различные механическиеприспособления. Бывал он и на металлургических заводах, наблюдал за работойпудлинговщиков. У Бессемера появилась мысль переложить эту тяжелую «горячую»работу на сжатый воздух. После многих проб он в 1856г. запатентовал способпроизводства стали продуванием воздуха через жидкий чугун, находящийся вконвертере – грушевидном сосуде из листового железа, выложенном изнутрикварцевым огнеупором.

Для подвода дутьяслужит огнеупорное днище со многими отверстиями. Конвертер имеет устройство дляповорота в пределах 300°. Перед началом работы конвертер кладут «на спину»,заливают в него чугун, пускают дутье и только тогда ставят конвертервертикально. Кислород воздуха окисляет железо в закись FeO. Последняярастворяется в чугуне и окисляет углерод, кремний, марганец… Из окисловжелеза, марганца и кремния образуются шлаки. Такси процесс ведут до полноговыгорания углерода.

Затем конвертер сновакладут «на спину», отключают дутье, вводят в металл расчетноеколичество ферромарганца – для раскисления. Так получается высококачественнаясталь.

Способ конвертерногопередела чугуна стал первым способом массового производства литой стали.

Передел вбессемеровском конвертере, как выяснилось позже, имел и недостатки. Вчастности, из чугуна но удалялись вредные примеси – сера и фосфор. Поэтому дляпереработки в конвертере применяли главным образом чугун, свободный от серы ифосфора. От серы в последствии научились избавляться (частично, разумеется), добавляяв жидкую сталь богатый марганцем «зеркальный» чугун, а позже иферромарганец.

С фосфором, который неудалялся в доменном процессе и не связывался марганцем, дело обстояло сложнее.Некоторые руды, такие, как лотарингская, отличающиеся высоким содержаниемфосфора, оставались непригодными для производства стали. Выход был найденанглийским химиком С.Д.Томасом, который предложил связывать фосфор известью.Конвертер Томаса в отличие от бессемеровского был футерован обожженнымдоломитом, а не кремнеземом. В чугун во время продувки подавали известь.Образовывался известково-фосфористый шлак, который легко отделялся от стали.Впоследствии этот шлак даже стали использовать как удобрение.

Самая большая революцияв сталеплавильном производстве произошла в 1865г., когда отец и сын – Пьер иЭмиль Мартены использовали для получения стали регенеративную газовую печь,построенную по чертежам В.Сименса. В ней, благодаря подогреву газа и воздуха, вособых камерах с огнеупорной насадкой достигалась такая высокая температура,что сталь в ванне печи переходила уже не в тестообразное, как в пудлинговойпечи, а в жидкое состояние. Ее можно было заливать в ковши и формы, изготовлятьслитки и прокатывать их в рельсы, балки, строительные профили, листы… И всеэто в огромных масштабах! Кроме того, появилась возможность использоватьгромадные количества железного лома, скопившегося за долгие годы наметаллургических и машиностроительных заводах.

Последнееобстоятельство сыграло очень важную роль в становлении нового процесса. В началеXXв. мартеновские печи почти полностью вытеснили бессемеровские и томасовскиеконвертеры, которые хотя и потребляли лом, но в очень малых количествах.

Конвертерноепроизводство могло бы стать исторической редкостью, такой же, как ипудлинговое, если бы не кислородное дутье. Мысль о том, чтобы убрать из воздухаазот, не участвующий в процессе, и продувать чугун одним кислородом, приходилав голову многим видным металлургам прошлого; в частности, еще в XIXв. русскийметаллург Д.К.Чернов и швед Р.Окерман писали об этом. Но в то время кислородбыл слишком дорог. Только в 30...40-х годах нашего столетия, когда быливнедрены дешевые промышленные способы получения кислорода из воздуха,металлурги смогли использовать кислород в сталеплавильном производстве. Разумеется,в мартеновских печах. Попытки продувать кислородом чугун в конвертерах непривели к успеху; развивалась такая высокая температура, что прогорали днищааппаратов. В мартеновской печи все было проще: кислород давали и в факел, чтобыповысить температуру пламени, и в ванну (в жидкий металл), чтобы выжечьпримеси. Это позволило намного увеличить производительность мартеновских печей,но в то же время повысило температуру в них настолько, что начинали плавитьсяогнеупоры. Поэтому и здесь кислород применяли в умеренных количествах.

В 1952г. в австрийскомгороде Линце на заводе «Фест» впервые начали применять новый способпроизводства стали – кислородно-конвертерный. Чугун заливали в конвертор, днищекоторого не имело отверстий для дутья, было глухим. Кислород подавался наповерхность жидкого чугуна. Выгорание примесей создавало такую высокуютемпературу, что жидкий металл приходилось охлаждать, добавляя в конвертержелезную руду и лом. И в довольно больших количествах. Конвертеры сновапоявились на металлургических заводах. Новый способ производства стали началбыстро распространяться во всех промышленно развитых странах. Сейчас онсчитается одним из самых перспективных в сталеплавильном производстве.

Достоинства конвертерасостоят в том, что он занимает меньше места, чем мартеновская печь, сооружениеего гораздо дешевле, а производительность выше. Однако в конвертерах сначалавыплавляли только малоуглеродистые мягкие стали. В последующие годы былразработан процесс выплавки в конвертере высокоуглеродистых и легированныхсталей.

Электричество плавитметалл

Свойства сталейразнообразны. Есть стали, предназначенные для долгого пребывания в морскойводе, стали, выдерживающие высокую температуру и агрессивное действие горячихгазов, стали, из которых делают мягкую увязочную проволоку, и стали дляизготовления упругих и жестких пружин.

Такое разнообразиесвойств вытекает из разнообразия составов сталей. Так, из стали, содержащей 1%углерода и 1,5% хрома, делают шарикоподшипники высокой стойкости; сталь,содержащая 18% хрома и 8...9% никеля, – это всем известная «нержавейка»,а из стали, содержащей 18% вольфрама, 4% хрома и 1% ванадия, изготовляюттокарные резцы.

Это разнообразиесоставов сталей очень затрудняет их выплавку. Ведь в мартеновской печи иконвертере атмосфера окислительная, и такие элементы, как хром, легкоокисляются и переходят в шлак, т.е. теряются. Значит, чтобы получить сталь ссодержанием хрома 18%, в печь надо дать гораздо больше хрома, чем 180 кг на тонну стали. А хром – металл дорогой. Как найти выход из этого положения?

Выход был найден вначале XXв. Для выплавки металла было предложено использовать теплоэлектрической дуги. В печь круглого сечения загружали металлолом, заливаличугун и опускали угольные или графитовые электроды. Между ними и металлом впечи («ванне») возникала электрическая дуга с температурой около 4000°C. Металл легко и быстро расплавлялся. А в такой закрытой электропечи можно создавать любуюатмосферу – окислительную, восстановительную или совершенно нейтральную. Инымисловами, можно предотвратить выгорание ценных элементов. Так была созданаметаллургия качественных сталей.

Позднее был предложенеще один способ электроплавки – индукционный. Из физики известно, что еслиметаллический проводник поместить в катушку, по которой проходит ток высокойчастоты, то в нем индуцируется ток и проводник нагревается. Этого теплахватает, чтобы за определенное время расплавить металл. Индукционная печьсостоит из тигля, в футеровку которого вделана спираль. По спирали пропускаютток высокой частоты, и металл в тигле расплавляется. В такой печи тоже можносоздать любую атмосферу.

В электрических дуговыхпечах процесс плавки идет обычно в несколько стадий. Сначала из металлавыжигают ненужные примеси, окисляя их (окислительный период). Затем из печиубирают (скачивают) шлак, содержащий окислы этих элементов, и загружаютферросплавы – сплавы железа с элементами, которые нужно ввести в металл. Печьзакрывают и продолжают плавку без доступа воздуха (восстановительный период). Врезультате сталь насыщается требуемыми элементами в заданном количестве.Готовый металл выпускают в ковш и разливают.

Бочка меда и ложкадегтя

Стали, особеннокачественные, оказались очень чувствительными к содержанию примесей. Даженебольшие количества кислорода, азота, водорода, серы, фосфора сильно ухудшаютих свойства – прочность, вязкость, коррозионную стойкость. Эти примеси образуютс железом и другими содержащимися в стали элементами неметаллические соединения,которые вклиниваются между зернами металла, ухудшают его однородность и снижаюткачество. Так, при повышенном содержании кислорода и азота в сталях снижаетсяих прочность, водород вызывает появление флокенов – микротрещин в металле,которые приводят к неожиданному разрушению стальных деталей под нагрузкой,фосфор увеличивает хрупкость стали на холоде, сера вызывает красноломкость –разрушение стали под нагрузкой при высоких температурах.

Металлурги долго искалипути удаления этих примесей. После выплавки в мартеновских печах, конвертерах иэлектропечах металл раскисляют – прибавляют к нему алюминий, ферросилиций(сплав железа с кремнием) или ферромарганец. Эти элементы активно соединяются скислородом, всплывают в шлак и уменьшают содержание кислорода в стали. Нокислород все же остается в стали, а для высококачественных сталей и оставшиесяего количества оказываются слишком большими. Необходимо было найти другие,более эффективные способы.

В 50-х годах металлургиначали в промышленном масштабе вакуумировать сталь. Ковш с жидким металломпомещают в камеру, из которой откачивают воздух. Металл начинает бурно кипеть игазы из него выделяются.

Однако представьте себековш с 300т стали и прикиньте, сколько времени пройдет, пока он прокипитполностью, и насколько за это время охладится металл. Вам сразу станет ясно,что такой способ годится лишь для небольших количеств стали. Поэтому былиразработаны другие, более быстрые и эффективные способы вакуумирования. Сейчасони применяются во всех развитых странах, и это позволило улучшить качествостали. Но требования к ней все росли и росли.

В начале 60-х годов вКиеве, во Всесоюзном институте электросварки им. Е.О.Патона был разработанспособ электрошлакового переплава стали, который очень скоро начали применятьво многих странах. Этот способ очень прост. В водоохлаждаемый металлическийсосуд – кристаллизатор – помещают слиток металла, который надо очистить, изасыпают его шлаком особого состава. Затем слиток подключают к источнику тока.На конце слитка возникает электрическая дуга, и металл начинает оплавляться.Жидкая сталь реагирует со шлаком и очищается не только от окислов, но и отнитридов, фосфидов и сульфидов. В кристаллизаторе застывает новый, очищенный отвредных примесей слиток. В 1963г. за разработку и внедрение методаэлектрошлакового переплава группа работников Всесоюзного институтаэлектросварки во главе с Б.И. Медоваром и Ю.В.Латашом была удостоена Ленинскойпремии.

По несколько иному путипошли ученые-металлурги из Центрального научно-исследовательского институтачерной металлургии им. И.П.Бардина. В содружестве с работникамиметаллургических заводов они разработали еще более простой способ. Шлакиособого состава для очистки металла расплавляют и выливают в ковш, а затем вэтот жидкий шлак выпускают металл из печи. Шлак перемешивается с металлом ипоглощает примеси. Метод этот быстр, эффективен и не требует больших затратэлектроэнергии. Его авторы С.Г.Воинов, А.И.Осипов, А.Г.Шалимов и другие в1966г. также были удостоены Ленинской премии.

Однако у читателя уже,наверное, возник вопрос: а к чему все эти сложности? Ведь мы уже говорили, чтов обычной электрической печи можно создать любую атмосферу. Значит, можнопросто откачать из печи воздух и вести плавку в вакууме. Но не спешите впатентное бюро! Этот способ уже давно был использован в небольших индукционныхпечах, а в конце 60-х и начале 70-х годов его начали применять и в довольнобольших дуговых и индукционных электропечах. Сейчас способы вакуумного дуговогои вакуумного индукционного переплава получили довольно широкое распространение.

Здесь мы описали толькоосновные способы очистки стали от вредных примесей. Существуют десятки ихразновидностей. Они помогают металлургам удалить пресловутую ложку дегтя избочки меда и получить высококачественный металл.

Без домен?

Выше уже говорилось,что черная металлургия с точки зрения химика – занятие, мягко говоря,нелогичное. Сначала железо насыщают углеродом и другими элементами, а потомтратят много труда и энергии для выжигания этих элементов. Не проще ли сразу восстановитьжелезо из руды. Ведь именно так и поступали древние металлурги, которыеполучали размягченное горячее губчатое железо в сыродутных горнах.

В последние годы этаточка зрения уже вышла из стадии риторических вопросов и опирается насовершенно реальные, и даже осуществленные проекты. Получением железанепосредственно из руды, минуя доменный процесс, занимались еще в прошлом веке.Тогда этот процесс и получил название прямого восстановления. Однако допоследнего времени он не нашел большого распространения. Во-первых, всепредложенные способы прямого восстановления были малопроизводительными, аво-вторых, полученный продукт – губчатое железо – был низкокачественным изагрязненным примесями. И все же энтузиасты продолжали работать в этомнаправлении.

Положение кореннымобразом изменилось с тех пор, когда в промышленности начали широко использоватьприродный газ. Он оказался идеальным средством восстановления железной руды.Основной компонент природного газа – метан CH4 разлагают окислениемв присутствии катализатора в специальных аппаратах – реформерах по реакции 2CH4+О2→2CO+2Н2.

Получается смесьвосстановительных газов – окиси углерода и водорода. Эта смесь поступает вреактор, в который подается и железная руда. Оговоримся сразу – формы иконструкции реакторов очень разнообразны. Иногда реактором служит вращающаясятрубчатая печь, типа цементной, иногда – шахтная печь, иногда – закрытаяреторта. Этим и объясняется разнообразие названий способов прямоговосстановления: Мидрекс, Пурофер, Охалата-и-Ламина, СЛ-РН и т.д. Число способовуже перевалило за два десятка. Но суть их обычно одна и та же. Богатоежелезорудное сырье восстанавливается смесью окиси углерода и водорода.

Но что же делать сполученной продукцией? Из губчатого железа не только хорошего топора – хорошегогвоздя отковать нельзя. Как бы ни была богата исходная руда, чистого железа изнее все равно не получится. По законам химической термодинамики дажевосстановить все содержащееся в руде железо не удастся; часть его все равноостанется в продукте в виде окислов. И здесь на помощь нам приходит испытанныйдруг – электропечь. Губчатое железо оказывается почти идеальным сырьем дляэлектрометаллургии. Оно содержит мало вредных примесей и хорошо плавится.

Итак, опятьдвухступенчатый процесс! Но это уже другой способ. Выгода схемы прямоевосстановление – электропечь состоит в ее дешевизне. Установки прямоговосстановления значительно дешевле и потребляют меньше энергии, чем доменныепечи. А производительность современных установок уже достигла довольно высокогоуровня. Таким образом, новый, «бездоменный» способ производства сталиуже начинает приобретать права гражданства. В нашей стране вблизи СтарогоОскола сооружается большой металлургический комбинат, который будет работатьименно но такой схеме. Его первая очередь будет введена в эксплуатацию в 1980 г.

Заметим, что прямойпереплав – не единственный способ применения губчатого железа в чернойметаллургии. Его можно также использовать вместо металлолома в мартеновских печах,конвертерах и электросталеплавильных печах.

Способ переплавагубчатого железа в электропечах бурно распространяется и за рубежом, особенно встранах, располагающих большими запасами нефти и природного газа, т.е. встранах Латинской Америки и Ближнего Востока. Однако, уже исходя из этихсоображений (наличия природного газа), пока нет еще оснований считать, чтоновый способ когда-нибудь полностью вытеснит традиционный двухступенчатыйспособ доменная печь – сталеплавильный агрегат.

Будущее железа

Железный векпродолжается. Примерно 9/10 всех используемыхчеловечеством металлов и сплавов – это сплавы на основе железа. Железавыплавляется в мире примерно в 50 раз больше, чем алюминия, не говоря уже опрочих металлах. Пластмассы? Но они в наше время чаще всего выполняют вразличных конструкциях самостоятельную роль, а если уж их в соответствии страдицией пытаются ввести в ранг «незаменимых заменителей», то чащеони заменяют цветные металлы, а не черные. На замену стали идут лишь несколькопроцентов потребляемых нами пластиков.

Сплавы на основе железауниверсальны, технологичны, доступны и в массе – дешевы. Сырьевая база этогометалла тоже не вызывает опасений: уже разведанных запасов железных руд хватилобы по меньшей мере на два века вперед. Железу еще долго быть фундаментомцивилизации.

Как писал Плинийстарший

«Железные рудокопидоставляют человеку превосходнейшее и зловреднейшее орудие. Ибо сим орудиемпрорезываем мы землю, обрабатываем плодовитые сады и, обрезая дикие лозы свиноградом, понуждаем их каждый год юнеть. Сим орудием выстраиваем домы,разбиваем камни и употребляем железо на все подобные надобности. Но тем жежелезом производим брани, битвы и грабежи и употребляем оное не только вблизи,но мещем окрыленное вдаль то из бойниц, то из мощных рук, то в виде оперенныхстрел. Самое порочнейшее, по мнению моему, ухищрение ума человеческого. Ибо,чтобы смерть скорее постигла человека, соделали ее крылатою и железу придалиперья. Того ради да будет вина приписана человеку, а не природе».

Драгоценный металл

В «Географии»древнегреческого писателя Страбона упоминается о том, что африканские народы заодин фунт железа отдавали десять фунтов золота.

Извлеченное издревнескандинавских гробниц оружие также свидетельствует о драгоценности железав прошлом – из него сделаны только острия мечей, а все остальные части – избронзы.

Оружие из метеоритов

С давних промен людипытались использовать метеоритное железо, хотя сделать это было не просто.

Бухарский эмир приказалсвоим лучшим оружейникам отковать ему меч из куска «небесного железа».Но сколько они ни старались, ничего не получалось. Оружейников казнили. Онипогибли из-за того, что нагретый металл не поддавался ковке. Это характерно дляникелистого метеоритного железа: оно куется только холодным, а при нагревании становитсяхрупким.

Несмотря на это, увластителя индийского княжества Джехангира в XVIIв. были две сабли, кинжал инаконечник пики из метеоритного железа. Есть сведения, что из этого жематериала были изготовлены шпаги Александра I и Боливара – героя Южной Америки.

Самородный чугун

Металлическое железовстречается не только в метеоритах. Еще в 1789г. в «Словаре коммерческом»Василия Левшина о самородном железе писалось: «Так называется железо,совсем приготовленное природой в недрах земных и совсем очищенное от веществпосторонних настолько, что можно из него ковать без переплавки всякие вещи».

Крупное скоплениесамородного железа было найдено на южном берегу острова Диско у береговГренландии. Оно залегало здесь в извергнутом через пласты каменного угля базальтев виде блесток, зерен и иногда мощных глыб.

В отличие отметеоритного железа, всегда содержащего сравнительно много никеля, самородноежелезо содержит не более 2% никеля, иногда до 0,3% кобальта, около 0,4% меди идо 0,1% платины. Обычно оно исключительно бедно углеродом. Однако возможнообразование и самородного чугуна, например, в результате контакта раскаленногоуглерода с железной рудой. В 1905г. геолог А.А.Иностранцев обнаружил в районеострова Русского на Дальнем Востоке небольшие пластообразные скоплениясамородного чугуна, находящегося на глубине 30...40м под скальными породамиморского берега. В извлеченных образцах металла содержалось около 3,2%углерода.

Убит из-за железа

В 1735г. вогул СтепанЧумпин нашел у горы Благодать большой кусок магнитного железняка и показал егогорному технику И.Ярцеву. После осмотра месторождения Ярцев помчался с докладомв Екатеринбург. Эта поездка была самым настоящим бегством – по следу Ярцеваскакали вооруженные стражники некоронованного короля Урала Демидова, который недопускал и мысли, что новые богатства минуют его. Ярцеву удалось уйти отпогони. Первооткрыватели рудника получили вознаграждение от Горной канцелярии,но вскоре Степан Чумпин был убит. Убийца остался непойманным.

Кристалл чернова

Знаменитый русскийметаллург Д.К.Чернов (1839...1921) собрал коллекцию кристаллов железа.Некоторые кристаллы, найденные им в стальных слитках, достигали длины 5мм,большинство же не более 3мм.

Главной ценностьюколлекции был уникальный «кристалл Д.К.Чернова», описанный во многихучебниках по металловедению. Его нашел в груде стального лома шихтового двораподполковник морской артиллерии А.Г.Берсенев, служивший приемщиком наметаллургическом заводе. Как удалось выяснить, кристалл вырос в 100-тонномслитке стали. Берсенев подарил его своему учителю Чернову.

Чернов тщательноисследовал кристалл. Вес его оказался 3кг 450г, длина 39см, химический состав:0,78% углерода, 0,255% кремния, 1,055% марганца, 97,863% железа.

Стальное вино

В старинных журналахможно найти рецепты различных «железных» лекарств. Так, в «Экономическомжурнале» за 1783г. сообщалось: «В некоторых случаях и болезнях исамое железо составляет весьма хорошее лекарство, и принимаются с пользойнаимельчайшие оного опилки либо просто, либо обсахаренные». Там же перечисляютсядругие лекарства того времени: обсахаренное железо, железный снег, железнаявода, стальное вино («виноградное кислое вино, как, например, рейнвейн,настоять с железными опилками и получится железное или стальное вино и вкупевесьма хорошее лекарство»).

Магнитные лекарства

В 1835г. «Журналмануфактур и торговли», сообщая о товарах, присланных из Вены в Петербург,упоминает металлические намагниченные бруски как средство от зубной и головнойболи. Бруски рекомендовалось носить на шее. «Этот способ лечения ныне вмоде, – сообщалось в журнале, – и, по отзывам врачей, заслуживающим вероятия,помогает весьма многим».

В древности и всередине века магнит употребляли не только как наружное, но и как внутреннее.Гален считал магнит слабительным, Авиценна лечил им ипохондриков, Парацельсприготовлял «магнитную манну», Агрикола – магнитную соль, магнитноемасло и даже магнитную эссенцию.

Химия железа

Вероятно, вы обратиливнимание, что и статья, и заметки об элементе №26 посвящены главным образомжелезу металлу. Это и не удивительно: именно этим, прежде всего железоинтересно для нас. Но, отдавая должное главному металлу современной техники,нельзя забывать, что: элемент №26 обладает значительной химической активностью,он образует множество соединений, проявляя обычно валентности 2+ и 3+;существуют соли железной кислоты H2FeО4, но в свободномсостоянии эта кислота не получена, так же как и ее ангидрид – FeО3;природное железо состоит из четырех стабильных изотопов с массовыми числами 54,56, 57 и 58; железо – жизненно важный элемент; в крови человека 14,5% ее весаприходится на долю гемоглобина – красного пигмента эритроцитов, в центремолекулы которого находится атом железа.