Stålsmältning: teknik, metoder, råvaror. Hur bryts järn? Hur man får järn från malm

Låt mig först berätta om själva stenbrottet. Lebedinsky GOK är Rysslands största gruv- och bearbetningsföretag för järnmalm och har det största dagbrottet för järnmalm i världen. Anläggningen och stenbrottet ligger i Belgorod-regionen, mellan städerna Stary Oskol och Gubkin.

Vy över stenbrottet från ovan. Den är verkligen enorm och växer för varje dag. Djupet på Lebedinsky GOK-brottet är 250 m från havsytan eller 450 m från jordens yta (och diametern är 4 gånger 5 kilometer), grundvatten sipprar ständigt in i det, och om det inte vore för driften av pumpar, skulle den vara fylld till toppen på en månad. Det är två gånger listat i Guinness Book of Records som det största stenbrottet för utvinning av obrännbara mineraler.

Lite officiell information: Lebedinsky GOK är en del av Metalloinvest-koncernen och är den ledande järnmalmsproducenten i Ryssland. År 2011 uppgick anläggningens andel av koncentratproduktionen av den totala årsproduktionen av järnmalmskoncentrat och sintermalm i Ryssland till 21 %.

En hel del all sorts utrustning fungerar i stenbrottet, men det mest uppmärksammade är förstås de flertonniga Belaz- och Caterpillar-dumprarna.

På ett år producerar båda anläggningarna som ingår i företaget (Lebedinsky och Mikhailovsky GOK) cirka 40 miljoner ton järnmalm i form av koncentrat och sintermalm (detta är inte produktionsvolymen, utan redan anrikad malm, det vill säga separerad från gråberg). Således visar det sig att i genomsnitt produceras cirka 110 tusen ton anrikad järnmalm per dag vid två gruv- och bearbetningsanläggningar.

Denna unge transporterar upp till 220 ton (!) järnmalm åt gången.

Grävmaskinen ger en signal och han backar försiktigt. Bara några hinkar och jättens kropp är fylld. Grävmaskinen ger återigen en signal och dumpern kör iväg.

Belazs med en lastkapacitet på 160 och 220 ton köptes nyligen (tills nu var lastkapaciteten för dumper i stenbrott inte mer än 136 ton), och Hitachi-grävmaskiner med en skopkapacitet på 23 kubikmeter förväntas komma. (För närvarande är den maximala skopkapaciteten för gruvskopor 12 kubikmeter).

"Belaz" och "Caterpillar" alternerar. En importerad dumper transporterar förresten bara 180 ton. Dumper med så stor bärkraft är ny utrustning som för närvarande levereras till gruv- och processanläggningar som en del av Metalloinvests investeringsprogram för att effektivisera gruv- och transportkomplexet.

Intressant textur av stenarna, var uppmärksam. Om jag inte har fel så står kvartsit till vänster, järn bryts ur sådan malm. Stenbrottet är fullt av inte bara järnmalm, utan också av olika mineraler. De är i allmänhet inte av intresse för vidare bearbetning i industriell skala. I dag utvinns krita från gråberg och även för byggändamål tillverkas krossad sten.

Vackra småsten, jag kan inte säga säkert vilken typ av mineral, kan någon berätta för mig?

Varje dag arbetar 133 enheter av den huvudsakliga gruvutrustningen (30 tunga dumper, 38 grävmaskiner, 20 burstanks, 45 traktionsenheter) i dagbrottet i Lebedinsky GOK.

Jag hoppades verkligen att få se spektakulära explosioner, men även om de ägde rum den här dagen skulle jag fortfarande inte ha kunnat tränga in i stenbrottet. En sådan explosion görs en gång var tredje vecka. All utrustning, enligt säkerhetsstandarder (och det finns en hel del av dem), tas bort från stenbrottet innan dess.

Lebedinsky GOK och Mikhailovsky GOK är de två största järnmalmsgruvorna och bearbetningsanläggningarna i Ryssland sett till produktion. Metalloinvest har världens näst största prospekterade järnmalmsreserver - cirka 14,6 miljarder ton enligt JORCs internationella klassificering, vilket garanterar cirka 150 års drifttid på nuvarande produktionsnivå. Så invånarna i Stary Oskol och Gubkin kommer att förses med jobb under lång tid.

Du har säkert märkt från de tidigare bilderna att vädret inte var bra, det regnade och det var dimma i stenbrottet. Närmare avfärd skingrade han lite, men ändå inte mycket. Tog fram bilden så mycket som möjligt. Storleken på stenbrottet är verkligen imponerande.

Mitt i stenbrottet ligger ett berg med gråberg, runt vilket all järnhaltig malm bröts. Snart planerar man att spränga den i delar och ta ut den ur stenbrottet.

Järnmalm lastas just där i tåg, i speciella förstärkta vagnar som tar ut malm ur stenbrottet, de kallas dumpbilar, deras bärkraft är 105 ton.

Geologiska lager genom vilka man kan studera historien om jordens utveckling.

Jättemaskiner från observationsdäckets höjd verkar inte mer än en myra.

Därefter transporteras malmen till anläggningen, där gråberget separeras genom magnetisk separation: malmen krossas fint och skickas sedan till en magnetisk trumma (separator), till vilken allt järn i enlighet med fysikens lagar fastnar, och inte järn tvättas bort med vatten. Därefter tillverkas pellets och varmt brikettjärn (HBI) av det erhållna järnmalmskoncentratet, som sedan används för stålsmältning.
Varmbrikettjärn (HBI) är en av typerna av direktreducerat järn (DRI). Ett material med en hög (>90%) järnhalt som erhålls med annan teknik än masugn. Används som råvara för ståltillverkning. Högkvalitativ (med en liten mängd skadliga föroreningar) ersättning för gjutjärn, metallskrot.

Till skillnad från tackjärn används ingen kolkoks i produktionen av HBI. Tillverkningsprocessen av brikettjärn bygger på bearbetning av järnmalmsråvaror (pellets) vid höga temperaturer, oftast med hjälp av naturgas.

Du kan inte bara gå in i HBI-anläggningen, eftersom processen att baka varmbriketterade pajer sker vid en temperatur på cirka 900 grader, och jag hade inte planerat att sola i Stary Oskol).

Lebedinsky GOK är den enda HBI-producenten i Ryssland och OSS. Fabriken startade produktionen av denna typ av produkter 2001 genom att lansera en HBI-produktionsanläggning (CHBI-1) med HYL-III-teknik med en kapacitet på 1,0 miljoner ton per år. 2007 slutförde LGOK konstruktionen av den andra etappen av HBI-produktionsanläggningen (HBI-2) med hjälp av MIDREX-teknik med en produktionskapacitet på 1,4 miljoner ton per år. För närvarande är LGOK:s produktionskapacitet 2,4 miljoner ton HBI per år.

Efter stenbrottet besökte vi Oskol Electrometallurgical Plant (OEMK), som är en del av företagets metallurgiska segment. I en av anläggningens verkstäder tillverkas sådana stålämnen. Deras längd kan nå från 4 till 12 meter, beroende på kundernas önskemål.

Ser du en bunt gnistor? På den platsen skärs en stång av stål av.

En intressant maskin med en hink, kallad en hinkvagn, slagg hälls i den under produktionsprocessen.

I OEMKs intilliggande verkstad svarvas och poleras stålstänger med olika diametrar, som har rullats i en annan verkstad. Förresten, denna anläggning är det sjunde största företaget i Ryssland för produktion av stål och stålprodukter. År 2011 uppgick andelen stålproduktion vid OEMK till 5% av det totala stål som produceras i Ryssland, andelen valsade produkter också uppgick till 5 %.

OEMK använder avancerad teknologi, inklusive direkt reduktion av järn och ljusbågssmältning, vilket säkerställer produktion av högkvalitativ metall med minskat innehåll av föroreningar.

De största konsumenterna av OEMK-stålprodukter på den ryska marknaden är företag inom fordons-, maskinbyggnads-, rör-, hårdvaru- och lagerindustrin.

OEMK stålprodukter exporteras till Tyskland, Frankrike, USA, Italien, Norge, Turkiet, Egypten och många andra länder.

Fabriken har bemästrat produktionen av långa produkter för tillverkning av produkter som används av världens ledande biltillverkare, såsom Peugeot, Mercedes, Ford, Renault, Volkswagen. Lager för samma utländska bilar är gjorda av vissa produkter.

Det är förresten inte första gången jag lägger märke till kvinnor - kranförare i sådana branscher.

På denna anläggning, nästan steril renlighet, inte typiskt för sådana industrier.

Som prydligt vikta stålstänger.

På kundens begäran limmas ett klistermärke på varje produkt.

Värmenumret och stålklasskoden är stämplade på klistermärket.

Den motsatta änden kan märkas med färg och etiketter med kontraktsnummer, destinationsland, stålsort, värmenummer, storlek i millimeter, leverantörsnamn och paketvikt fästs på varje förpackning för färdiga produkter.

Dessa produkter är de standarder som utrustningen för precisionsvalsning anpassas efter.

Och den här maskinen kan skanna produkten och identifiera mikrosprickor och defekter innan metallen når kunden.

Företaget tar säkerheten på största allvar.

Allt vatten som används i produktionen renas av den senast installerade toppmoderna utrustningen.

Detta är verkets reningsverk för avloppsvatten. Efter bearbetning är den renare än i floden där den dumpas.

Tekniskt vatten, nästan destillerat. Som alla industrivatten kan du inte dricka det, men du kan prova det en gång, det är inte farligt för hälsan.

Dagen efter åkte vi till Zheleznogorsk, som ligger i Kursk-regionen. Det är där som Mikhailovsky GOK ligger. Bilden visar komplexet av stekmaskin nr 3 under uppbyggnad. Här kommer pellets att tillverkas.

450 miljoner dollar kommer att investeras i dess konstruktion. Företaget kommer att byggas och tas i drift 2014.

Detta är anläggningens layout.

Sedan gick vi till stenbrottet i Mikhailovsky GOK. Djupet av MGOK-brottet är mer än 350 meter från jordens yta och dess storlek är 3 gånger 7 kilometer. Det finns faktiskt tre stenbrott på dess territorium, detta kan ses på satellitbilden. En stor och två mindre. Om cirka 3-5 år kommer stenbrottet att växa så mycket att det kommer att bli en enda stor singel, och eventuellt komma ikapp storleken på Lebedinsky-brottet.

Stenbrottet sysselsätter 49 dumprar, 54 dragbilar, 21 diesellok, 72 grävmaskiner, 17 borriggar, 28 bulldozers och 7 väghyvlar.

I övrigt skiljer sig inte malmbrytningen vid MGOK från LGOK.

Den här gången lyckades vi ändå ta oss till anläggningen, där järnmalmskoncentrat omvandlas till slutprodukten - pellets..
Pellets är klumpar av krossat malmkoncentrat. Halvfabrikat av metallurgisk tillverkning av järn. Det är en produkt av anrikning av järnhaltiga malmer genom speciella koncentreringsmetoder. Det används i masugnsproduktion för att producera tackjärn.

För framställning av pellets används järnmalmskoncentrat. För att ta bort mineralföroreningar finkrossas den ursprungliga (rå) malmen och berikas på olika sätt.

Processen att tillverka pellets kallas ofta för "pelletisering". Laddningen, det vill säga en blandning av finfördelade koncentrat av järnhaltiga mineraler, flussmedel (tillsatser som reglerar produktens sammansättning), och härdande tillsatser (vanligen bentonitlera), fuktas och pelletiseras i roterande skålar (granulatorer) resp. pelletiseringsfat. De är mest på bilden.

Låt oss komma närmare.

Som ett resultat av pelletisering erhålls nära sfäriska partiklar med en diameter på 5÷30 mm.

Ganska intressant att se processen.

Pelletsen leds sedan längs med bandet in i eldningskammaren.

De torkas och bränns vid temperaturer på 1200 ÷ 1300 ° C på speciella installationer - brännmaskiner. Stekmaskiner (vanligtvis av transportörstyp) är en transportör av eldningsvagnar (pallar) som rör sig längs räls.

Men på bilden - ett koncentrat, som snart faller ner i trummorna.

I den övre delen av förbränningsmaskinen ovanför förbränningsvagnarna finns en värmeugn, i vilken gasformigt, fast eller flytande bränsle förbränns och en värmebärare bildas för torkning, uppvärmning och förbränning av pelletsen. Det finns stekmaskiner med pelletskylning direkt på maskinen och med extern kylare. Tyvärr såg vi inte denna process.

Rostade pellets får hög mekanisk styrka. Rostning tar bort en betydande del av de svavelhaltiga föroreningarna. Så här ser den färdiga produkten ut.

Trots att utrustningen har varit i drift sedan sovjettiden är processen automatiserad och kräver inte ett stort antal personal för att kontrollera den.

Järnmalm började brytas av människan för många århundraden sedan. Redan då blev fördelarna med att använda järn uppenbara.

Att hitta mineralformationer som innehåller järn är ganska lätt, eftersom detta element utgör cirka fem procent av jordskorpan. Sammantaget är järn det fjärde vanligaste grundämnet i naturen.

Det är omöjligt att hitta det i sin rena form, järn finns i en viss mängd i många typer av stenar. Järnmalm har den högsta järnhalten, vars utvinning av metall är den mest ekonomiskt lönsamma. Mängden järn som finns i det beror på dess ursprung, vars normala andel är cirka 15%.

Kemisk sammansättning

Järnmalmens egenskaper, dess värde och egenskaper beror direkt på dess kemiska sammansättning. Järnmalm kan innehålla olika mängder järn och andra föroreningar. Beroende på detta finns det flera typer av det:

mycket rik när järnhalten i malmer överstiger 65 %;
rik, andelen järn i vilken varierar från 60 % till 65 %;
medium, från 45 % och över;
dålig, där andelen användbara element inte överstiger 45%.

Ju fler sidoföroreningar i sammansättningen av järnmalm, desto mer energi behövs för dess bearbetning, och desto mindre effektiv är produktionen av färdiga produkter.

Bergartens sammansättning kan vara en kombination av olika mineraler, gråberg och andra föroreningar, vars förhållande beror på dess avlagring.

Magnetiska malmer kännetecknas av att de är baserade på en oxid som har magnetiska egenskaper, men vid stark uppvärmning går de förlorade. Mängden av denna typ av sten i naturen är begränsad, men järnhalten i den kanske inte är sämre än röd järnmalm. Utåt ser det ut som solida kristaller av svart och blått.

Sparjärnmalm är en malmbergart baserad på siderit. Mycket ofta innehåller den en betydande mängd lera. Denna typ av sten är relativt svår att hitta i naturen, vilket med tanke på den låga mängden järn gör att den sällan används. Därför är det omöjligt att hänföra dem till industriella typer av malmer.

Förutom oxider finns andra malmer baserade på silikater och karbonater i naturen. Mängden järnhalt i berget är mycket viktig för dess industriella användning, men närvaron av användbara biprodukter som nickel, magnesium och molybden är också viktig.

Applikationsindustrier

Omfattningen av järnmalm är nästan helt begränsad till metallurgi. Det används främst för smältning av tackjärn, som bryts med öppen spis eller konverterugnar. Idag används gjutjärn inom olika sfärer av mänsklig aktivitet, inklusive i de flesta typer av industriell produktion.

Olika järnbaserade legeringar används i ingen mindre utsträckning - stål har funnit den bredaste tillämpningen på grund av sin styrka och anti-korrosionsegenskaper.

Gjutjärn, stål och olika andra järnlegeringar används i:

Maskinteknik, för tillverkning av olika verktygsmaskiner och apparater.
Bilindustri, för tillverkning av motorer, hus, ramar, samt andra komponenter och delar.
Militär- och missilindustrier, vid tillverkning av specialutrustning, vapen och missiler.
Konstruktion, som ett förstärkningselement eller uppförande av bärande konstruktioner.
Lätt- och livsmedelsindustri, som containrar, produktionslinjer, olika enheter och enheter.
Gruvindustrin, som speciella maskiner och utrustning.

Järnmalmsfyndigheter

Världens järnmalmsreserver är begränsade i kvantitet och läge. Områdena för ackumulering av malmreserver kallas fyndigheter. Idag är järnmalmsfyndigheter indelade i:

Endogen. De kännetecknas av en speciell placering i jordskorpan, vanligtvis i form av titanomagnetitmalmer. Formerna och placeringen av sådana inneslutningar varierar, de kan vara i form av linser, lager belägna i jordskorpan i form av avlagringar, vulkanliknande avlagringar, i form av olika ådror och andra oregelbundna former.
Exogen. Denna typ inkluderar avlagringar av brun järnmalm och andra sedimentära bergarter.
Metamorfogena. Som inkluderar kvartsitavlagringar.

Avlagringar av sådana malmer kan hittas över hela vår planet. Det största antalet fyndigheter är koncentrerat till de postsovjetiska republikernas territorium. Särskilt Ukraina, Ryssland och Kazakstan.

Länder som Brasilien, Kanada, Australien, USA, Indien och Sydafrika har stora järnreserver. Samtidigt har nästan varje land på jorden sina egna utvecklade fyndigheter, i händelse av brist på dessa importeras rasen från andra länder.

Anrikning av järnmalm

Det finns som sagt flera typer av malmer. De rika kan bearbetas direkt efter att ha utvunnits ur jordskorpan, andra måste berikas. Utöver förädlingsprocessen omfattar malmförädlingen flera steg, såsom sortering, krossning, separering och agglomerering.

Hittills finns det flera huvudsakliga sätt att berika:

Spolning.

Den används för att rengöra malmer från sidoföroreningar i form av lera eller sand, som tvättas ut med högtrycksvattenstrålar. Denna operation låter dig öka mängden järnhalt i dålig malm med cirka 5%. Därför används den endast i kombination med andra typer av berikning.

Gravity rengöring.

Det utförs med hjälp av speciella typer av suspensioner, vars densitet överstiger densiteten av gråberget, men är sämre än järnets densitet. Under påverkan av gravitationskrafter stiger sidokomponenterna till toppen och järnet sjunker till botten av suspensionen.

magnetisk separation.

Den vanligaste anrikningsmetoden, som är baserad på en annan nivå av uppfattning av malmkomponenterna av påverkan av magnetiska krafter. Sådan separation kan utföras med torrt berg, vått berg eller i en alternativ kombination av dess två tillstånd.

För bearbetning av torra och våta blandningar används speciella trummor med elektromagneter.

Flotation.

För denna metod sänks krossad malm i form av damm i vatten med tillsats av ett speciellt ämne (flotationsmedel) och luft. Under inverkan av reagenset förenas järn med luftbubblorna och stiger till vattenytan, och gråberget sjunker till botten. Komponenter som innehåller järn samlas upp från ytan i form av skum.

Järnmetallurgins historia

Järn... Vår planets tarm är rik på denna metall, som med rätta kallas "civilisationens grund". Som om för att inte skiljas från sina skatter, gömde naturen, som hade fast bundet järn med andra element (främst syre), det i en mängd olika malmmineraler. Men redan i antiken - under det andra årtusendet f.Kr. - lärde sig en person att utvinna den metall han behövde.

Historiskt har produktionen av järnmetaller utvecklats i följande steg:

Ostblåsningsprocess (1500 f.Kr.). Produktiviteten i processen är mycket låg, endast upp till 0,5 ... 0,6 kg järn erhölls på 1 timme. I smedjorna utvanns järn ur malmen med kol genom att blåsa luft med hjälp av bälg. Till en början, vid förbränning av träkol, bildades kolmonoxid, som återställde rent järn från malm.

Som ett resultat av långvarig blåsning med luft erhölls bitar av rent järn från malmbitar praktiskt taget utan föroreningar, som svetsades samman med en smidesmetod till en remsa, som sedan användes för att producera produkter som var nödvändiga för en person. Detta tekniskt rena järn innehöll väldigt lite kol och få föroreningar (rent träkol och bra malm), så det var välsmidet och svetsat och korroderade praktiskt taget inte. Processen fortskred vid en relativt låg temperatur (upp till 1100...1350 o C), metallen smälte inte, d.v.s. reduktionen av metallen fortsatte i den fasta fasen. Resultatet blev formbart (ljust) järn. Denna metod existerade fram till 1300-talet, och i något förbättrad form fram till början av 1900-talet, men ersattes gradvis av den kritiska omfördelningen.

Härav följer att den allra första metallsvetsaren historiskt sett var en smed, och den allra första svetsmetoden är smidsvetsning.

Med ökningen av storleken på råhärdarna och intensifieringen av processen ökade kolhalten i järn, smältpunkten för denna legering (gjutjärn) visade sig vara lägre än för renare järn, och en del av metallen erhölls i form av smält gjutjärn, som som produktionsavfall rann ut ur härden tillsammans med slagg. På 1300-talet utvecklades en tvåstegsmetod för framställning av järn i Europa (liten masugn, ytterligare blomningsprocess). Produktiviteten ökade upp till 40…50 kg/h järn. Ett vattenhjul användes för att tillföra luft. Crimson omfördelning- detta är processen att förädla gjutjärn (minska mängden C, Si, Mn) för att erhålla blomstrande (svetsnings)järn från gjutjärn.

I slutet av 1700-talet började mineralbränslen användas i Europa i masugnsprocessen och i pölprocess. I pölprocessen bränns kol i en ugn, gasen passerar genom badet, smälter och renar metallen. I Kina, ännu tidigare, på 900-talet, smältes gjutjärn, och sedan erhölls stål genom pölprocessen. Puddling är rengöring av gjutjärn i en eldig ugn. Vid rengöring samlas järnkorn i klumpar. Pölen vänder massan med en kofot många gånger och delar upp den i 3 ... 5 delar - gråt. I en smedja eller en valsmaskin svetsas korn och remsor och andra ämnen erhålls. Ångmaskiner används redan i stället för vattenhjulet. Produktiviteten ökar till 140 kg smide per timme.

I slutet av 1800-talet introducerades tre nya stålproduktionsprocesser nästan samtidigt: Bessemer, open-hearth och Thomas. Produktiviteten vid stålsmältning ökar kraftigt (upp till 6 ton/timme).

I mitten av 1900-talet: syrgasblästring, processautomation och stränggjutning av stål introduceras.

Järn smälte inte under råblomnings-, blomnings- och pölprocesserna (den tekniska nivån på den tiden gjorde det inte möjligt att säkerställa dess smälttemperatur). Syreblåsning av smält metall i en Bessemer-omvandlare, på grund av en kraftig ökning av metallens kontaktyta med oxidationsmedlet (syre), accelererar kemiska reaktioner tusen gånger jämfört med en pölugn.

I råblomnings- och blomprocesserna erhölls formbart smidesjärn (stål med låg kolhalt) med en enstegsmetod, dessutom hade det en liten mängd föroreningar, därför var det mycket motståndskraftigt mot korrosion. Nu är en stålproduktionsprocess i ett steg under utveckling: malmbehandling (att erhålla pellets som innehåller 90 ... 95 % järn) och stålsmältning i en elektrisk ugn.

Järnmetallurgins hela historia, från tiden för uppkomsten av de första smältgroparna fram till idag, är en ständig förbättring av metoderna för dess produktion. För några århundraden sedan dök en masugn upp - en högpresterande enhet där järnmalm omvandlas till tackjärn - startprodukten för stålsmältning. Sedan dess har masugnsprocessen blivit huvudlänken i stålproduktionstekniken.

Processen att utvinna järn från malm i en ugn gick in i metallurgins historia under namnet "råblästring", eftersom ouppvärmd - rå - luft blåstes in i ugnen (varm blästring uppträdde vid metallurgiska anläggningar först på 1800-talet). Järnet som producerades i råhärdssmedjan visade sig ibland vara otillräckligt starkt och hårt, och dess produkter - knivar, yxor, spjut - förblev inte vassa länge, böjdes och misslyckades snabbt.

Längst ner i smedjan, tillsammans med relativt mjuka järnklumpar, fanns det också hårdare - de som var i nära kontakt med kol. Efter att ha märkt denna regelbundenhet började en person medvetet öka kontaktzonen med kol och därigenom förkola järn. Nu kunde metallen redan tillfredsställa den mest krävande hantverkaren. Det var stål - den viktigaste legeringen av järn, som till denna dag fungerar som det huvudsakliga konstruktionsmaterialet.

Efterfrågan på stål har alltid och nästan överallt överträffat dess produktion, och primitiv metallurgisk teknik har länge släpat efter livets krav. Överraskande nog har järnmetallurgin inte genomgått några grundläggande förändringar på nästan tre årtusenden – tillverkningen av järn och stål baserades på samma osttillverkningsprocess. Visserligen ökade storleken på ugnarna gradvis, deras form förbättrades, blåskraften ökade, men tekniken förblev ineffektiv.

På medeltiden tog ostsmedjan formen av en schaktugn som nådde en höjd av flera meter. I Ryssland kallades dessa ugnar domnitsa - från det gamla ryska ordet "dmenie", som betyder "blåsning". De var redan laddade med en betydande mängd laddningsmaterial - järnmalm och träkol, och många gånger mer luft krävdes än för primitiva råugnar. Nu "andades" kaminerna med hjälp av vattenenergi: bälgen drevs först av speciella vattenrör, och senare av enorma vattenhjul.

I en schaktugn förbrändes mer bränsle per tidsenhet än i en ugn, och naturligtvis frigjordes mer värme. Det var de höga temperaturerna i ugnen som ledde till att en del av det reducerade järnet, fritt från syre, men starkt mättat med kol, smälte och rann ut ur ugnen. När den stelnat blev en sådan järn-kol-legering, innehållande flera gånger mer kol än stål, mycket hård, men också mycket spröd. Detta var gjutjärn.

Dess roll i utvecklingen av metallurgin är mycket viktig, men för några århundraden sedan hade järnsmeder en helt annan åsikt; trots allt, under hammarslagen, krossades sådan metall i bitar, och det var helt enkelt omöjligt att göra ett vapen eller verktyg av den. Samtidigt, på grund av denna värdelösa legering, minskade mängden av en bra produkt - järnblomning - kraftigt.

Det som bara smeknamn gavs inte av medeltida metallurger till en ny legering. I länderna i Centraleuropa kallades det en vildsten, en gås, i England - tackjärn (på engelska kallas gjutjärn fortfarande så nu), och det ryska ordet tacka, det vill säga ett gjutjärnsgöt, har samma ursprung.

Eftersom gjutjärn inte fick någon användning kastades det oftast på en soptipp. Men på 1000-talet fick någon den glada idén att ladda tackjärn tillbaka i ugnen och smälta ihop det med malm. Detta försök markerade en verklig revolution inom järnmetallurgin. Det visade sig att denna metod gör det relativt enkelt att få fram det önskade stålet, dessutom i stora mängder. Tyvärr har historien inte bevarat namnet på denna medeltida uppfinnare för oss.

Innovationen ledde till en tydlig "arbetsfördelning": i masugnarna, som redan vid den tiden hade blivit mer avancerade masugnar, smältes gjutjärn ur malm, och överskott av kol avlägsnades från det i blomugnar, dvs. processen att förvandla gjutjärn till stål genomfördes - "bloom redistribution" . Således uppstod en tvåstegsmetod för att erhålla stål från järnmalm: malm - gjutjärn, gjutjärn - stål.

Nu har efterfrågan på tackjärn, främst som halvprodukt, som sedan förvandlas till stål, ökat dramatiskt. Och masugnar grodde överallt som svampar efter regn. Men eftersom masugnssmältning krävde mycket träkol, i de länder som inte var rika på skog, började dess brist bli akut märkbar, och metallurgin, efter att ha förlorat bränsle, började minska här. Detta hände till exempel i England, som under lång tid intog en ledande ställning inom järnindustrin.

Den svåra situation som engelsk industri befann sig i i samband med detta tvingade metallurgerna att leta efter en ersättare för träkol. Först och främst lockades deras uppmärksamhet av kol, som naturen generöst försåg de brittiska öarna med. Men alla försök att smälta gjutjärn på den slutade i misslyckande: kol krossades under uppvärmningsprocessen, vilket gjorde det mycket svårt att blåsa. Men äntligen, 1735, lyckades engelsmannen Abraham Derby genomföra en masugnsprocess på koks - ett bränsle som erhölls från kokskol när det värmdes utan lufttillgång till höga temperaturer (950-1050 ° C), medan kolet var inte krossad, utan sintrad i bitar. Idag är varken masugnssmältning eller en rad andra metallurgiska processer otänkbara utan koks.

1700- och 1800-talen förde med sig många nya saker till designen av masugnen: de första fläktarna uppfanns och en "hedersvakt" växte upp bredvid masugnen - enorma trubbiga cigarrer av luftvärmare, tack till vilken varmluft nu tillförs ugnen.

Ett gammalt horn för järnskrik. Horn med luftblåsning (XVI-talet). Masugn (sent 1700-tal)

Stora förändringar skedde också i den andra etappen av metallurgisk produktion. Först gav det blommande hornet plats för en mer avancerad ugn - pöl. Här blandades smält tackjärn (därav namnet på ugnen - från det engelska ordet puddle - för att röra om) tillsammans med järnhaltiga slagg och som ett resultat erhölls lågkolhaltiga järnkex. Och under andra hälften av förra seklet skapades mer produktiva stålsmältningsenheter - en omvandlare och en öppen spis. I dem förvandlades gjutjärn inte längre till en degig massa - kritsu, utan till flytande stål.

Sedan skrevs en annan viktig sida in i metallurgins historia: en bågsmältugn designades, vilket gjorde det möjligt att erhålla metall av hög kvalitet. Lågan, som i tusentals år haft monopol på alla rättigheter att smälta metaller, har en allvarlig konkurrent - elektrisk ström.

Under de senaste decennierna har en sorts "acceleration" observerats inom metallurgin: storlekarna på alla typer av ugnar växer från år till år. Under lång tid ansågs masugnar med en volym på två tusen kubikmeter nästan vara ett underverk i världen, och idag verkar mycket mer imponerande kolosser i världen - "fyra tusen" och till och med "fem tusentals".

Under lång tid framöver kommer masugnar utan tvekan att behålla sin betydelse. Ändå kan deras öde knappast anses molnfritt. Till skillnad från den primitiva antika ugnen, där våra förfäder fick järn direkt från malm, producerar den moderna gigantiska strukturen - masugnen - huvudsakligen inte den metall som direkt krävs av tekniken, utan bara en omvandlingsprodukt, som sedan omvandlas vid nästa steg in i det stål vi behöver (Undantaget är gjuterijärn, som används för tillverkning av gjutgods; dess andel av den totala volymen av smält järn överstiger inte 15 procent). Med andra ord, i ett försök att uppnå höga kvantitativa indikatorer, tvingas metallurger att ta, så att säga, omvägar.

Frågan om att ändra den tekniska vägen inom stålproduktion har länge sysselsatt forskare. Och poängen här är inte en tom önskan att räta ut järnmetallurgins stigar och vägar. Anledningen är en annan.

Masugnen har en allvarlig nackdel. Dess kärna är, även om det kan verka konstigt vid första anblicken, att den oumbärliga "rätten" i hennes kost är koks. Samma koks, vars uppfinning blev en betydande milstolpe i utvecklingen av järnmetallurgin. Det är faktiskt tack vare koks som masugnen har fått utmärkt "näring" med högt kaloriinnehåll i två och ett halvt århundrade. Men så småningom började det dyka upp moln på masugnshimlen, som med goda skäl kan kallas koksmoln.

Vad är problemet?

Som ni vet finns det ingen koks i naturen. Det erhålls från kol. Men inte från någon. Och bara av de som har en tendens att koka (sintring). Det finns inte särskilt många sådana kol i världen, så från år till år blir de mer knappa och dyrare. Ja, och kol måste fortfarande förvandlas till koks. Denna process är ganska komplex och tidskrävande, åtföljd av frigörandet av skadliga biprodukter utan på något sätt parfymeromat. För att så långt som möjligt befria atmosfären, vattnet och jorden från dem är det nödvändigt att bygga dyra reningsanordningar.

Prisstegringen på koks ledde till att det visade sig vara den viktigaste posten i kostnaden för tackjärn: den står för ungefär hälften av alla kostnader. Det är därför som masugnsoperatörer ständigt strävar efter att minska förbrukningen av koks, delvis ersätta den med naturgas, pulveriserat kol, eldningsolja, och betydande framgångar har redan uppnåtts här. Så kanske, genom att utveckla en attack mot koks, kommer masugnsoperatörerna gradvis att helt kunna bli av med den? Men då måste du bli av med själva masugnen: trots allt, utan koks, är det som en kamin utan ved.

D.K. Chernov, grundaren av modern metallurgi, tog itu med problemen med koksfri metallurgi. I slutet av förra seklet föreslog han den ursprungliga designen av en schaktugn, som inte skulle smälta järn utan järn och stål. Tyvärr var hans idé inte avsedd att gå i uppfyllelse. Ungefär ett och ett halvt decennium efter att Chernov presenterade sitt projekt skrev han bittert: "På grund av den vanliga trögheten i våra privata fabriker vände jag mig till handels- och industriministeriet i hopp om att få möjlighet att implementera den föreslagna metoden i en förenklad form vid något av de statliga gruvverken. Men trots önskan att hjälpa till med framställningen av ett sådant experiment, som uttryckts två gånger av dåvarande ministern, mötte denna fråga oöverstigliga hinder bland ministeriets skåp och korridorer.

D. I. Mendeleev var också en anhängare av produktion av hemlösa. "Jag tror", skrev han vid sekelskiftet, "att tiden kommer igen att leta efter sätt att direkt få järn och stål från malmer, förbi gjutjärn."

I decennier har forskare och ingenjörer från olika länder strävat efter att hitta en acceptabel teknik för direkt reduktion av järn. Hundratals patent utfärdades, olika enheter, installationer, ugnar föreslogs och skapades. Men även de mest till synes lovande idéerna kunde inte förverkligas på länge.

Den första relativt framgångsrika industrianläggningen för direktframställning av järn byggdes 1911 i Sverige efter konstruktion av ingenjör E. Sjörin. Fördelen med denna teknik var att att reduktionsmedlet, som tog bort syre från järn, var slöseri med kol- och koksproduktion (koldamm och fina fraktioner av koks), och själva ugnen värmdes upp av billiga kolsorter. Dessutom var kvaliteten på den smälta metallen mycket hög, vilket Sverige alltid varit känt för. Denna teknik användes dock inte i stor utsträckning, eftersom processen varade i flera dagar. Den svenska installationen kunde inte konkurrera med de väletablerade "duetterna" av masugns - öppen härd eller masugns - omvandlare vid den tiden.

Ett viktigt steg i utvecklingen av den direkta järnframställningstekniken togs 1918, då den svenske ingenjören M. Wiberg föreslog att för detta ändamål genomföra reduktionsprocessen i en schaktugn med en brännbar gas innehållande kolmonoxid och väte. Metoden gjorde det möjligt att förvandla malmen till 95 procent järn. Men (och här fanns det ett "men") denna metod hade en betydande nackdel: samma koks fungerade som råvara för att erhålla reducerande gas, och komplexa och dyra enheter behövdes för dess förgasning - elektriska gasgeneratorer.

I vårt land var V. P. Remin, docent vid Siberian Metallurgical Institute, en stor entusiast av masugnsteknik. Redan i slutet av 30-talet utvecklade han designen av en elektrisk ugn där malmen skulle smältas, glida nerför en lutande botten, som is i bergen (därför kallades ugnen en glaciär), och då var det tänkt att för att återställa järn från smältan. Hitlertysklands förrädiska attack mot vårt land innebar många svåra uppgifter för metallurgerna, och dessa experiment fick skjutas upp till bättre tider.

Masugn: 1 - hoppa över; 2 - mottagningstratt: 3 - laddningsfördelare: 4 - luftmunstycke; 5 - tapphål i gjutjärn: 6 - slagghål.

Men även när de kom visade det sig att experterna inte hade en enda synpunkt. Vissa stod villkorslöst upp för masugnen, testade i århundraden, medan andra såg hemlösa och koksfria utsikter. År 1958 noterade akademikern IP Bardin, som talade om den direkta produktionen av järn från malm, att "den berömda amerikanske metallurgen Smith, som kallade masugnen för en kvarnsten, hängde runt metallurgins hals som straff för dess synder inom den vetenskapliga forskningen. , tvingades överväga specifika processer för att återgå till masugnen som den enda enheten för närvarande som metallurgin kan baseras på.

Under de åren hade metallurgin verkligen inget anmärkningsvärt alternativ till masugnen. Trots många försök att utveckla metoder för att få järn direkt från malm, var det inte möjligt att hitta en lösning som villkorslöst skulle tillfredsställa metallurger under lång tid. Antingen var det tekniska systemet ofullkomligt, eller så visade sig utrustningen vara opålitlig eller ineffektiv, eller så lämnade kvaliteten på den resulterande metallen mycket att önska. Dessutom motiverade de föreslagna alternativen sig ofta inte ekonomiskt: metallen visade sig vara mycket dyr. Valet av reduktionsmedel förblev också en svår uppgift. Sökandet stannade fast i Sverige, Sovjetunionen, USA. Mexiko, Venezuela, Tyskland och Japan drev flera små anläggningar för direkt produktion av järn från malmer.

Det var inget överraskande i det faktum att dessa länder var först med att introducera ny teknik. Svensk metallurgi har till exempel länge specialiserat sig på tillverkning av högkvalitativt stål, och som praxis har visat är vägen för direkt reduktion också vägen för direkt förbättring av metallens kvalitet. När det gäller Mexiko och Venezuela blev de ledare ofrivilligt - i dessa länder finns det inga kokskol, men det finns stora reserver av naturgas, så de kunde inte utveckla järnmetallurgi på traditionell basis, det vill säga genom att bygga masugnar.

I slutet av 1950-talet kom metallurger till den fasta övertygelsen att gas skulle fungera som ett reduktionsmedel i processerna för direkt produktion av järn. Detta innebar att ytterligare sökningar borde göras i den riktning som Wiberg föreslagit. Framgångsrika lösningar hittades snart i ett antal länder. Således var fördelen med en av de föreslagna teknikerna att reduktionsmedlet visade sig vara praktiskt taget gratis: uppfinnarna föreslog att använda avgaserna från elektriska stålsmältverk, som tidigare hade släppts ut i atmosfären. En annan lösning var också original. Från schaktugnen, där reduktionen av järn ägde rum, leddes den heta gasen inte till himlen, utan till rekuperatorn och avgav sin värme till den reducerande gasen som kom in där.

Det händer sällan att jag besöker samma produktion två gånger. Men när jag återigen kallades till Lebedinsky GOK och OEMK, bestämde jag mig för att jag behövde ta tillfället i akt. Det var intressant att se vad som har förändrats på 4 år sedan förra resan, dessutom var jag mer utrustad den här gången och förutom kameran tog jag också med mig en 4K-kamera för att verkligen förmedla hela atmosfären till dig , brinnande och iögonfallande bilder från de sydkoreanska myndigheterna och stålaffärerna i Oskol Electrometallurgical Plant.

Idag, särskilt för en rapport om utvinning av järnmalm, dess bearbetning, omsmältning och framställning av stålprodukter.

Lebedinsky GOK är Rysslands största gruv- och bearbetningsföretag för järnmalm och har det största dagbrottet för järnmalm i världen. Anläggningen och stenbrottet ligger i Belgorod-regionen, inte långt från staden Gubkin. Företaget är en del av företaget Metalloinvest och är den ledande järnmalmsproducenten i Ryssland.

Utsikten från observationsdäcket vid ingången till stenbrottet är fascinerande.

Den är verkligen enorm och växer för varje dag. Djupet på Lebedinsky GOK-brottet är 250 m från havsytan eller 450 m från jordens yta (och diametern är 4 gånger 5 kilometer), grundvatten sipprar ständigt in i det, och om det inte vore för driften av pumpar, skulle den vara fylld till toppen på en månad. Det är två gånger listat i Guinness Book of Records som det största stenbrottet för utvinning av obrännbara mineraler.

Så här ser det ut från en spionsatellit.

Förutom Lebedinsky GOK inkluderar Metalloinvest även Mikhailovsky GOK, som ligger i Kursk-regionen. Tillsammans gör de två största anläggningarna företaget till ett av de världsledande inom utvinning och bearbetning av järnmalm i Ryssland, och bland de fem bästa i världen inom produktion av säljbar järnmalm. De totala undersökta reserverna för dessa anläggningar uppskattas till 14,2 miljarder ton enligt den internationella JORС-klassificeringen, vilket garanterar cirka 150 års driftsperiod på nuvarande produktionsnivå. Så gruvarbetarna och deras barn kommer att få jobb under lång tid.

Vädret den här gången var inte heller soligt, på vissa ställen regnade det till och med, vilket inte stod i planerna, men av det blev bilderna ännu mer kontrasterande).

Det är anmärkningsvärt att mitt i "hjärtat" av stenbrottet finns ett område med gråberg, runt vilket all malm som innehåller järn redan har brutits. Under 4 år har det minskat märkbart, eftersom detta hindrar stenbrottet vidareutveckling och det utvecklas också systematiskt.

Järnmalm lastas just där i tåg, i speciella förstärkta vagnar som tar ut malmen ur stenbrottet, de kallas dumpbilar, deras bärkraft är 120 ton.

Geologiska lager genom vilka man kan studera historien om jordens utveckling.

Förresten, de övre lagren av stenbrottet, som består av stenar som inte innehåller järn, går inte till soptippen, utan bearbetas till krossad sten, som sedan används som byggmaterial.

Jättemaskiner från observationsdäckets höjd verkar inte mer än en myra.

Denna järnväg, som förbinder stenbrottet med växterna, transporterar malmen för vidare bearbetning. Den här historien kommer att vara längre.

En hel del olika utrustningar fungerar i stenbrottet, men de mest iögonfallande är förstås de flertonniga Belaz- och Caterpillar-dumparna.

Dessa jättar har för övrigt samma registreringsskyltar som vanliga personbilar och de är registrerade hos trafikpolisen.

På ett år producerar både gruv- och bearbetningsanläggningar som ingår i Metalloinvest (Lebedinsky och Mikhailovsky GOK) cirka 40 miljoner ton järnmalm i form av koncentrat och sintermalm (detta är inte produktionsvolymen, utan redan anrikad malm, dvs. , separerat från gråberg). Således visar det sig att i genomsnitt produceras cirka 110 tusen ton anrikad järnmalm per dag vid två gruv- och bearbetningsanläggningar.

Denna Belaz transporterar upp till 220 ton järnmalm åt gången.

Grävmaskinen ger en signal och han backar försiktigt. Bara några hinkar och jättens kropp är fylld. Grävmaskinen ger återigen en signal och dumpern kör iväg.
Denna Hitachi-grävmaskin, som är den största i stenbrottet, har en skopkapacitet på 23 kubikmeter.

"Belaz" och "Caterpillar" alternerar. En importerad dumper transporterar förresten bara 180 ton.

Snart kommer Hitachi-föraren att bli intresserad av denna hög.

Intressant textur i järnmalm.

Varje dag arbetar 133 enheter av den huvudsakliga gruvutrustningen (30 tunga dumper, 38 grävmaskiner, 20 burstanks, 45 traktionsenheter) i dagbrottet i Lebedinsky GOK.

Belaz är mindre

Explosioner kunde inte ses, och det är sällsynt när media eller bloggare tillåts se dem på grund av säkerhetsstandarder.En sådan explosion görs en gång var tredje vecka. All utrustning och arbetare, enligt säkerhetsstandarder, avlägsnas från stenbrottet innan detta.

Jo, då lossar dumper malmen närmare järnvägen precis där i stenbrottet, varifrån andra grävmaskiner lastar in den i tippbilar, vilket jag skrev om ovan.

Därefter transporteras malmen till bearbetningsanläggningen, där järnhaltiga kvartsiter krossas och gråberget separeras genom magnetisk separering: malmen krossas och skickas sedan till en magnetisk trumma (separator), som, i enlighet med fysikens lagar, , alla järn pinnar, och inte järn tvättas av vatten. Därefter tillverkas pellets och HBI av det erhållna järnmalmskoncentratet, som sedan används för stålsmältning.

På bilden är en kvarn som maler malm.

Det finns sådana drinkare i verkstäderna, trots allt är det varmt här, men det går inte utan vatten.

Omfattningen av verkstaden där malm krossas i fat är imponerande. Malmen maler naturligt när stenarna träffar varandra när de snurrar. Cirka 150 ton malm läggs i en trumma med en diameter på sju meter. Det finns också 9-meters trummor, deras prestanda är nästan dubbelt!

Vi gick en minut till kontrollpanelen i butiken. Det är ganska blygsamt här, men spänningen märks omedelbart: trafikledare arbetar och styr arbetsprocessen på kontrollpanelerna. Alla processer är automatiserade, så alla ingrepp, vare sig det är att stoppa eller starta någon av noderna, passerar genom dem och med deras direkta deltagande.

Nästa punkt på rutten var komplexet av den tredje etappen av butiken för tillverkning av varmt brikettjärn - TsGBZH-3, som, som du kanske har gissat, producerar varmt brikettjärn.

Produktionskapaciteten för HBI-3 är 1,8 miljoner ton produkter per år, företagets totala produktionskapacitet, med hänsyn till steg 1 och 2 för produktion av HBI, har ökat till totalt 4,5 miljoner ton per år.

TsGBZH-3-komplexet upptar en yta på 19 hektar och inkluderar cirka 130 anläggningar: batch- och produktscreeningsstationer, oxiderade pellets och färdiga produkters transport- och transportvägar, lägre tätningsgas och HBI-avdammningssystem, rörledningsställ, naturgasreduktion station, stationstätningsgas, elektrisk transformatorstation, reformator, processgaskompressor och andra anläggningar. Själva schaktugnen, 35,4 m hög, är belägen i en metallkonstruktion med åtta våningar 126 meter hög.

Inom ramen för projektet moderniserades också de tillhörande produktionsanläggningarna - en anrikningsanläggning och en pelletsanläggning, vilket säkerställde produktion av ytterligare volymer järnmalmskoncentrat (med en järnhalt på mer än 70%) och hög- högkvalitativa baspellets.

HBI-tillverkning är idag det mest miljövänliga sättet att få fram järn. Under dess produktion bildas inte skadliga utsläpp i samband med tillverkning av koks, sinter och gjutjärn, dessutom finns det inget fast avfall i form av slagg. Jämfört med produktionen av tackjärn är energiförbrukningen för produktion av HBI 35 % lägre, växthusgasutsläppen 60 % lägre.
HBI tillverkas av pellets vid en temperatur på cirka 900 grader.

Därefter formas järnbriketter genom formen eller som det också kallas "brikettpress".

Så här ser produkten ut:

Nåväl, nu ska vi sola lite i de heta butikerna! Det här är Oskol Electrometallurgical Plant, med andra ord OEMK, där stål smälts.

Du kan inte komma nära, värmen känns påtagligt.

På de övre våningarna rörs het, järnrik soppa med en slev.

Värmebeständiga stålarbetare är engagerade i detta.

Missade lite ögonblicket att hälla järn i en speciell behållare.

Och det här är färdig järnsoppa, kom gärna till bordet innan det blir kallt.

Och en annan gillar det.

Och vi går vidare längs linjen. På bilden kan du se prover på stålprodukter som verket producerar.

Produktionen här är mycket imponerande.

I en av anläggningens verkstäder tillverkas sådana stålämnen. Deras längd kan nå från 4 till 12 meter, beroende på kundernas önskemål. Bilden visar en 6-strängs stränggjutningsmaskin.

Här kan du se hur ämnena skärs i bitar.

I nästa verkstad kyls varma ämnen med vatten till önskad temperatur.

Och så här ser redan kylda, men ännu inte bearbetade produkter ut.

Detta är ett lager där sådana halvfabrikat placeras.

Och det här är tunga axlar i flera ton för rullande järn.

I OEMKs intilliggande verkstad svarvas och poleras stålstänger med olika diametrar, som har rullats i tidigare verkstäder. Förresten, denna anläggning är det sjunde största företaget i Ryssland för produktion av stål- och stålprodukter.

Efter polering finns produkterna i en närliggande verkstad.

Ytterligare en verkstad, där svarvning och polering av produkter sker.

Så här ser de råa ut.

Vik ihop polerade stavar.

Och lagerhållning med kran.

De största konsumenterna av OEMK-stålprodukter på den ryska marknaden är företag inom fordons-, maskinbyggnads-, rör-, hårdvaru- och lagerindustrin.

Som prydligt vikta stålstänger).

OEMK använder avancerad teknologi, inklusive direkt reduktion av järn och ljusbågssmältning, vilket säkerställer produktion av högkvalitativ metall med minskat innehåll av föroreningar.

OEMK stålprodukter exporteras till Tyskland, Frankrike, USA, Italien, Norge, Turkiet, Egypten och många andra länder.

Fabriken producerar produkter som används av världens ledande biltillverkare som Peugeot, Mercedes, Ford, Renault, Volkswagen. De gör lager för samma utländska bilar.

På kundens begäran limmas ett klistermärke på varje produkt. Värmenumret och stålklasskoden är stämplade på klistermärket.

Tack för att du läste till slutet, jag hoppas att du tyckte om det.
Särskilt tack till Metalloinvest-kampanjen för inbjudan!

Klicka på knappen för att prenumerera på How It's Made!

Att få järn från järnmalm sker i två steg. Det börjar med beredningen av malmen - malning och uppvärmning. Malmen krossas i bitar med en diameter på högst 10 cm. Därefter kalcineras den krossade malmen för att avlägsna vatten och flyktiga föroreningar.

I det andra steget reduceras järnmalm till järn med kolmonoxid i en masugn. Återhämtning utförs vid temperaturer på cirka 700 ° C:

För att öka utbytet av järn utförs denna process under förhållanden med överskott av koldioxid CO 2 .

Kolmonoxid CO bildas i en masugn av koks och luft. Luften värms först upp till cirka 600 °C och pressas in i ugnen genom en speciell munstyck. Koks brinner i varm tryckluft och bildar koldioxid. Denna reaktion är exoterm och får temperaturen att stiga över 1700°C:

Koldioxiden stiger upp i ugnen och reagerar med mer koks och bildar kolmonoxid. Denna reaktion är endoterm:

Järnet som bildas under reduktionen av malmen är förorenat med sand och aluminiumoxidföroreningar (se ovan). Kalksten läggs till ugnen för att ta bort dem. Vid temperaturer som finns i ugnen genomgår kalksten termisk nedbrytning med bildning av kalciumoxid och koldioxid:

Kalciumoxid kombineras med föroreningar och bildar slagg. Slaggen innehåller kalciumsilikat och kalciumaluminat:

Järn smälter vid 1540°C. Det smälta järnet rinner tillsammans med den smälta slaggen ner till ugnens botten. Smält slagg flyter på ytan av smält järn. Periodiskt frigörs vart och ett av dessa lager från ugnen på lämplig nivå.

Masugnen är igång dygnet runt, kontinuerligt. Råvarorna för masugnsprocessen är järnmalm, koks och kalksten. De laddas hela tiden in i ugnen genom toppen. Järn frigörs från ugnen fyra gånger om dagen, med jämna mellanrum. Det strömmar ut ur ugnen i en eldig ström vid en temperatur på cirka 1500 ° C. Masugnar finns i olika storlekar och kapaciteter (1000-3000 ton per dag). I USA finns det några nydesignade ugnar med fyra utlopp och kontinuerligt utsläpp av smält järn. Sådana ugnar har en kapacitet på upp till 10 000 ton per dag.

Järn som smälts i en masugn hälls i sandformar. Sådant järn kallas gjutjärn. Järnhalten i gjutjärn är ca 95%. Gjutjärn är ett hårt men sprött ämne med en smältpunkt på cirka 1200°C.

Gjutjärn erhålls genom att smälta en blandning av gjutjärn, metallskrot och stål med koks. Smält järn hälls i formar och kyls.

Smide är den renaste formen av tekniskt järn. Det erhålls genom att värma upp råjärn med hematit och kalksten i ett smältverk. Detta höjer järnets renhet till cirka 99,5 %. Dess smältpunkt stiger till 1400°C. Smidesjärn har stor styrka, formbarhet och formbarhet. Men för många applikationer ersätts det av mjukt stål (se nedan).

Kemiska reaktioner vid smältning av tackjärn från järnmalm

Framställningen av järn är baserad på processen att reducera järn från dess oxider med kolmonoxid.

Det är känt att kolmonoxid kan erhållas genom att verka med atmosfäriskt syre på glödhet koks. I detta fall bildas först koldioxid, som vid hög temperatur reduceras av kokskol till kolmonoxid:

Återvinning av järn från järnoxid sker gradvis. Först reduceras järnoxid till järnoxid:

och slutligen reduceras järn från järnoxid:

Hastigheten för dessa reaktioner ökar med en ökning av temperaturen, med en ökning av järnhalten i malmen och med en minskning av storleken på malmbitarna. Därför utförs processen vid höga temperaturer, och malmen förberikas, krossas och bitarna sorteras efter storlek: i bitar av samma storlek sker reduktionen av järn samtidigt. Optimala storlekar på malm- och koksbitar är från 4 till 8-10 centimeter. Fin malm försintras (agglomereras) genom upphettning till hög temperatur. Detta tar bort det mesta av svavlet från malmen.

Järn reduceras nästan helt av kolmonoxid. Samtidigt reduceras kisel och mangan delvis. Det reducerade järnet bildar en legering med kolet i koksen. kisel, mangan och föreningar av svavel och fosfor. Denna legering är flytande järn. Smältpunkten för gjutjärn är mycket lägre än smältpunkten för rent järn.

Även gråberg och bränsleaska ska smältas ner. För att sänka smälttemperaturen, förutom malm och koks, införs flussmedel (flussmedel) i sammansättningen av "smältande" material - mestadels kalksten CaCO 3 och dolomit CaCO 3 × MgCO 3. Vid upphettning bildar flussnedbrytningsprodukter föreningar med lägre smältpunkter, främst silikater och aluminiumsilikater av kalcium och magnesium, till exempel 2CaO × Al 2 O 3 × SiO 2, 2CaO × Mg0 × 2Si0 2.

Den kemiska sammansättningen av råvaror som levereras för bearbetning varierar ibland kraftigt. För att genomföra processen under konstanta och bästa förhållanden ”medelvärdes” råvarorna efter kemisk sammansättning, det vill säga malmer med olika kemisk sammansättning blandas i vissa viktförhållanden och blandningar med konstant sammansättning erhålls. Fina malmer sintras tillsammans med flussmedel och erhåller "fluxed sinter". Användningen av flussad sinter gör det möjligt att avsevärt påskynda processen.

Stålproduktion

Stål delas in i två typer. kolstål innehålla upp till 1,5 % kol. Legerade stål innehåller inte bara små mängder kol, utan även speciellt införda föroreningar (tillsatser) av andra metaller. Följande beskriver de olika typerna av stål, deras egenskaper och tillämpningar.

Syre-omvandlarprocess. Under de senaste decennierna har stålproduktionen revolutionerats av utvecklingen av BOF-processen (även känd som Linz-Donawitz-processen). Denna process började tillämpas 1953 vid stålverk i två österrikiska metallurgiska centra - Linz och Donawitz.

BOF-processen använder en BOF med en huvudbeklädnad (murverk). Omvandlaren laddas i lutande läge med smält järn från smältverket och metallskrot och återförs sedan till vertikalt läge. Därefter införs ett vattenkylt kopparrör i omvandlaren från ovan, och en syrestråle med en blandning av pulveriserad kalk (CaO) riktas genom den till ytan av det smälta järnet. Denna "syrerensning", som varar i 20 minuter, leder till intensiv oxidation av järnföroreningar, medan innehållet i omvandlaren förblir i flytande tillstånd på grund av frigörandet av energi under oxidationsreaktionen. De resulterande oxiderna kombineras med kalk och förvandlas till slagg. Därefter dras kopparröret ut och omvandlaren lutas för att dränera slaggen från den. Efter återspolning hälls det smälta stålet från omvandlaren (i lutande läge) i skänken.

BOF-processen används främst för att producera kolstål. Det kännetecknas av bra prestanda. På 40-45 minuter kan 300-350 ton stål fås i en omvandlare.

För närvarande produceras allt stål i Storbritannien och det mesta av stålet över hela världen genom denna process.

Elektrisk ståltillverkningsprocess. Elektriska ugnar används främst för att omvandla stål och järnskrot till högkvalitativa legerade stål såsom rostfritt stål. Den elektriska ugnen är en rund djup tank fodrad med eldfast tegel. Ugnen laddas med metallskrot genom det öppna locket, sedan stängs locket och elektroderna sänks ner i ugnen genom hålen i den tills de kommer i kontakt med metallskrotet. Slå sedan på strömmen. En båge uppstår mellan elektroderna, där temperaturen stiger över 3000 °C. Vid denna temperatur smälter metallen och nytt stål bildas. Varje last av ugnen gör att du kan få 25-50 ton stål.

Stål erhålls från gjutjärn genom att ta bort det mesta av kol, kisel, mangan, fosfor och svavel från det. För detta utsätts gjutjärn för oxidativ smältning. Oxidationsprodukter frigörs i gasform och i form av slagg.

Eftersom koncentrationen av järn i gjutjärn är mycket högre än i andra ämnen, oxideras järn först snabbt. En del av järnet går till järnoxid:

Reaktionen fortskrider med frigöring av värme.

Järnoxid, blandad med smältan, oxiderar kiselmangan och kol:

Si+2FeO=Si02+2Fe

De två första reaktionerna är exotermiska. Särskilt mycket värme frigörs vid oxidation av kisel.

Fosfor oxideras till fosforsyraanhydrid som bildar föreningar med metalloxider som är lösliga i slagg. Men svavelhalten minskar endast något, och därför är det viktigt att utgångsmaterialen innehåller lite svavel.

Efter slutförandet av oxidativa reaktioner innehåller den flytande legeringen fortfarande järnoxid, från vilken den måste befrias. Dessutom är det nödvändigt att bringa innehållet av kol, kisel och mangan i stålet till de etablerade standarderna. Därför tillsätts reduktionsmedel i slutet av smältan, till exempel ferromangan (en legering av järn med mangan) och andra så kallade "deoxidationsmedel". Mangan reagerar med järnoxid och "avoxiderar" stålet:

Mn+FeO=MnO+Fe

Omvandlingen av gjutjärn till stål sker idag på olika sätt. Äldre, användes för första gången i mitten av XIX-talet. är Bessemermetoden.

Bessemer metod . Enligt denna metod utförs omvandlingen av järn till stål genom att blåsa luft genom smält varmt järn. Processen fortsätter utan bränsleförbrukning på grund av värmen som frigörs under de exoterma oxidationsreaktionerna av kisel, mangan och andra element.

Processen utförs i apparaten, som kallas av uppfinnarens namn Bessemer omvandlare. Det är ett päronformat stålkärl, fodrat inuti med eldfast material. I botten av omvandlaren finns hål genom vilka luft tillförs apparaten. Enheten fungerar intermittent. Vrid apparaten till ett horisontellt läge, gjutjärn hälls och luft tillförs. Vrid sedan enheten till ett vertikalt läge. I början av processen oxideras järn, kisel och mangan, sedan kol. Den resulterande kolmonoxiden brinner ovanför omvandlaren med en bländande ljus låga upp till 8 liter lång. Lågan ersätts gradvis av brun rök. Förbränningen av järn börjar. Detta indikerar att perioden med intensiv koloxidation är över. Därefter stoppas lufttillförseln, omvandlaren överförs till ett horisontellt läge och desoxidationsmedel införs.

Bessemer-processen har ett antal fördelar. Det flyter mycket snabbt (inom 15 minuter), så enhetens prestanda är hög. Processen kräver inte bränsle eller elektricitet. Men på så sätt kan inte allt omvandlas till stål, utan bara vissa kvaliteter av gjutjärn. Dessutom oxideras en betydande mängd järn i Bessemerprocessen och går förlorad (stort "slöseri" av järn).

En betydande förbättring i produktionen av stål i Bessemer-omvandlare är användningen för blåsning istället för luft av en blandning av det med rent syre ("berikad luft"), vilket gör det möjligt att erhålla stål av högre kvalitet.

Martins metod. Den huvudsakliga metoden för att omvandla tackjärn till stål är för närvarande öppen härd. Värmen som krävs för processen erhålls genom förbränning av gasformiga eller flytande bränslen. Processen för att erhålla stål utförs i en flammugn - en öppen ugn.

Smältutrymmet i en öppen spisugn är ett bad täckt med ett valv av eldfast tegel. I ugnens främre vägg finns lastfönster genom vilka fyllningsmaskinerna laddar laddningen i ugnen. I bakväggen finns ett hål för frigöring av stål. På båda sidor om badet finns huvuden med kanaler för tillförsel av bränsle och luft och borttagning av förbränningsprodukter. Ugnen med en kapacitet på 350 ton har en längd på 25 m och en bredd på 7 m.

Ugnen med öppen härd arbetar intermittent. Efter frigörandet av stål, skrot, järnmalm, laddas gjutjärn i en varm ugn i föreskriven ordning, och kalksten eller kalk används som flussmedel. Blandningen smälter. Samtidigt oxideras en del av järn, kisel och mangan intensivt. Sedan börjar en period av snabb oxidation av kol, kallad "kokperioden" - rörelsen av bubblor av kolmonoxid genom ett lager av smält metall ger intrycket av att det kokar.

Desoxidationsmedel tillsätts i slutet av processen. Förändringen i legeringens sammansättning övervakas noggrant, styrd av data från uttrycklig analys, vilket gör att du kan ge ett svar om stålets sammansättning inom några minuter. Färdigt stål hälls i skänkar. För att öka flamtemperaturen förvärms gasformigt bränsle och luft i regeneratorer. Funktionsprincipen för regeneratorer är densamma som för masugnsluftvärmare. Regeneratorhuvudet värms upp av avgaserna från ugnen och när det är tillräckligt uppvärmt matas luft in i ugnen genom regeneratorn. Vid denna tidpunkt värms en annan regenerator upp. För att reglera den termiska regimen är ugnen utrustad med automatiska enheter.

I en ugn med öppen spis, till skillnad från Bessemer-omvandlaren, är det möjligt att bearbeta inte bara flytande järn, utan även fast järn, samt avfall från metallbearbetningsindustrin och stålskrot. Järnmalm införs också i laddningen. Laddningens sammansättning kan varieras över ett brett område och stål av olika sammansättning, både kol och legerade, kan smältas.

Ryska forskare och ståltillverkare har utvecklat metoder för höghastighetståltillverkning som ökar ugnarnas produktivitet. Ugnarnas produktivitet uttrycks av mängden stål som erhålls från en kvadratmeter av ugnens härdarea per tidsenhet.

Stålproduktion i elektriska ugnar. Användningen av elektrisk energi vid tillverkning av stål gör det möjligt att nå en högre temperatur och reglera den mer exakt. Därför smälts alla stålsorter i elektriska ugnar, inklusive de som innehåller eldfasta metaller - volfram, molybden, etc. Förlusten av legeringselement i elektriska ugnar är mindre än i andra ugnar. Vid smältning med syre accelereras smältningen av laddningen och speciellt oxidationen av kol i vätskeladdningen.Användningen av syre gör det möjligt att ytterligare förbättra kvaliteten på elstål, eftersom det innehåller färre lösta gaser och icke-metalliska inneslutningar .

Inom industrin används två typer av elektriska ugnar: ljusbåge och induktion. I ljusbågsugnar erhålls värme på grund av bildandet av en elektrisk ljusbåge mellan elektroderna och laddningen. I induktionsugnar erhålls värme på grund av den elektriska ström som induceras i metallen.

Stålsmältugnar av alla slag - Bessemer-omvandlare, öppen spis och elektriska - är anordningar med periodisk verkan. Nackdelarna med periodiska processer inkluderar som bekant den tid som läggs på lastning och lossning av apparater, behovet av att ändra förhållanden allt eftersom processen fortskrider, svårigheten att reglera etc. Därför ställs metallurger inför uppgiften att skapa en ny kontinuerlig bearbeta.

Tillämpningar av järnlegeringar som konstruktionsmaterial.

Vissa d-element används i stor utsträckning för tillverkning av konstruktionsmaterial, främst i form av legeringar. En legering är en blandning (eller lösning) av en metall med ett eller flera andra element.

Legeringar, vars huvudkomponent är järn, kallas stål. Vi har redan sagt ovan att alla stål är indelade i två typer: kol och legerat.

Kolstål. Beroende på kolhalten delas dessa stål i sin tur in i lågkolhaltiga, medelkolhaltiga och högkolhaltiga stål. Hårdheten hos kolstål ökar med ökande kolhalt. Till exempel är mjukt stål formbart och formbart. Den används i fall där den mekaniska belastningen inte är kritisk. Olika tillämpningar av kolstål listas i tabellen. Kolstål står för upp till 90 % av den totala stålproduktionen.

Legerade stål. Sådana stål innehåller upp till 50 % föroreningar av en eller flera metaller, oftast aluminium, krom, kobolt, molybden, nickel, titan, volfram och vanadin.

Rostfria stål innehåller krom och nickel som föroreningar till järn. Dessa föroreningar ökar stålets hårdhet och gör det motståndskraftigt mot korrosion. Den senare egenskapen beror på bildandet av ett tunt lager av krom(III)oxid på stålytan.

Verktygsstål delas in i volfram- och manganstål. Tillsatsen av dessa metaller ökar stålets hårdhet, hållfasthet och hög temperaturbeständighet (värmebeständighet). Sådana stål används för att borra brunnar, tillverka skäreggar av metallbearbetningsverktyg och de maskindelar som utsätts för kraftig mekanisk påfrestning.

Kiselstål används för tillverkning av olika elektrisk utrustning: motorer, generatorer och transformatorer.