В истории человеческой цивилизации огромную роль сыграло железо.
Человек начал использовать изделия из железа еще в начале I тысячелетия
до н. э., и до сих пор оно является самым распространенным металлическим
материалом.
В отличие от золота, серебра и меди, которые встречаются в самородном
состоянии и поэтому первыми из металлов начали использоваться человеком,
железо в чистом виде почти не встречается. Оно соединяется с кислородом
воздуха, превращаясь в оксид, и содержится в составе железной руды. И
только когда человек научился извлекать железо в большом количестве из
руды, оно получило широкое распространение. (Руда - природное
минеральное образование, содержащее какой-либо металл или несколько
металлов.)
Чистое железо - светлый мягкий металл. Но используется оно не в чистом
виде, а только в виде сплавов, т. е. в соединении с другими химическими
элементами. Одни элементы присутствуют в железной руде и прямо при
выплавке железа переходят в него. Другие - вводятся в железо специально,
чтобы придать ему те или иные свойства (см. Легирование). Даже небольшие
примеси некоторых химических элементов меняют свойства железа: делают
его прочным, твердым, помогают успешно противостоять высоким
температурам и воздействию кислот.
Непременный компонент железных сплавов - углерод. Если углерода мало -
0,02-0,04%, то сплав сохраняет природные физические свойства железа - он
мягкий, пластичный, легко изменяет форму под давлением. Он называется
технически чистым железом. Чем больше углерода, тем металл делается
более твердым и менее пластичным. Однако пока количество углерода не
превышает 2%, сплав можно ковать, штамповать. Это сталь. Из нее сделано
большинство тех предметов, которые мы называем железными. А если
углерода от 2 до 4%, сплав называют чугуном. Он твердый и хрупкий. Его
нельзя ковать (он ломается под ударами), а можно только отливать в
форму. Хотя один из видов чугуна и называется ковким, он практически
ковке не подвергается. Зато обладает высокой, по сравнению с другими
видами чугуна, пластичностью. Отливки из ковкого чугуна широко
используют в различных отраслях промышленности.
Примеси, попадающие в железо из руды, по-разному изменяют его свойства.
Одни из них - кремний, марганец - полезны, поскольку увеличивают
прочность и пластичность сплава. Другие - сера, фосфор, мышьяк - вредны,
так как делают сплав ломким.
Производство стали в мире постоянно растет. Несмотря на то что многие
металлы продолжают находить широкое применение, и в первую очередь
алюминий, титан, магний и другие и сплавы на их основе, доля железа в
мировом производстве металлов по-прежнему очень высока - около 95%.
Стальной прокат является главным исходным материалом в машиностроении и
других отраслях промышленности, поэтому в прокат перерабатывается 80-85%
всей выплавленной стали.
В дореволюционной России на душу населения производилось меньше 30 кг
стали в год. А в СССР в 1984 г. количество выплавленной стали на душу
населения составляло 600 кг! И производство ее будет все увеличиваться.
Это один из важнейших показателей высокого промышленного развития
страны.
Прямое получение железа. К середине XIX в. в черной металлургии для
получения железа окончательно утвердился так называемый двойной передел:
из руды - чугун, из чугуна - сталь. Огромные доменные печи, конвертеры,
мартеновские печи удовлетворяли потребности промышленности. Однако
именно в это время ученые-металлурги Европы и Америки начали искать
способы прямого получения железа из руды, минуя доменный процесс.
Двойной передел, т. е. получение чугуна из руды в доменных печах, а из
чугуна стали в мартеновских печах, - это двойной расход топлива и
электроэнергии, двойное количество агрегатов, механизмов и инструментов,
наконец двойное количество рабочих. Поэтому ученые и обратились к
способу древних мастеров, которые прямо из руды получали железо,
восстанавливая его древесным углем в маленьких горнах или в тиглях.
Большое преимущество прямого получения железа помимо его высокой
экономичности в том, что этот процесс позволяет избежать <засорения>
железа серой и другими нежелательными элементами, содержащимися в коксе.
Необходимо было возродить древний способ на новой, промышленной,
высокопроизводительной основе.
Первая промышленная установка прямого получения железа заработала в 1911
г. в Швеции. Она полностью копировала древний способ: железо
восстанавливалось из руды с помощью мелкоистолченного древесного угля в
глиняных тиглях. Только в печь загружалось сразу 3500 тиглей. Позднее в
разных странах появились и другие установки, причем все чаще
восстановителем служил не уголь, а водород, обеспечивающий большую
химическую чистоту металла.
В нашей стране в городе Старый Оскол (Белгородская область) вступил в
эксплуатацию Оскольский электрометаллургический комбинат (ОЭМК),
крупнейший в Европе. Он дает высококачественную сталь методом прямого
получения. Сырьем для нее служит руда Лебединского горно-обогатительного
комбината. Сначала ее измельчают на шаровых мельницах и смешивают с
водой. Эта смесь - пульпа - идет по трубам за 26 км и поступает в цех
окомкования. Здесь ее превращают в окатыши с содержанием железа 67%.
Окатыши поступают в цех металлизации, где работают установки прямого
получения железа. Каждая установка - это шахтная вертикальная печь,
высотой 64 м и с внутренним диаметром 5 м. В их приемные устройства и
текут непрерывным потоком окатыши. А навстречу им снизу вверх идет
горящий природный газ, содержащий 90% оксида углерода, и водород,
предварительно нагретый до 850-900° С. Теплота этих газов и теплота
собственного горения и дают необходимую температуру для металлизации
окатышей. Как и в древних горнах, здесь руда (окатыши) не расплавляется,
а восстанавливается в твердом виде. К концу пути вдоль печи окатыши
более чем на 90% состоят из железа. Они поступают в другие электропечи,
где проходят дополнительный цикл очистки от примесей. Полученная сталь
не уступает по качеству той, которую производят в вакуумных электропечах
(см. Электрометаллургия). К тому же эта сталь более дешевая и ее можно
получать в большом количестве.
