Cum se obține fierul (oțelul) și din ce se face? Despre fier - într-un limbaj simplu și accesibil Cum se obține oțel din minereu.

Tehnologia producerii fierului în antichitate

Pentru a obține fier din minereu, trebuie mai întâi să obțineți kritsa. Pentru aceasta, a fost folosit pentru prima dată minereul de fier oxidat, care apare cel mai adesea în apropierea suprafeței. După descoperirea proprietăților sale, astfel de depozite s-au epuizat rapid ca urmare a dezvoltării lor intensive.

Minereurile de mlaștină sunt mult mai răspândite. S-au format în perioada subatlantică, când, în timpul procesului de mlaștină, minereul de fier s-a depus pe fundul rezervoarelor. De-a lungul Evului Mediu, metalurgia feroasă a folosit minereuri de mlaștină. Au plătit chiar și taxe cu ei. Producerea fierului din minereu în cantități relativ mari a devenit posibilă după inventarea cuptorului pentru brânză. Acest nume a apărut după inventarea suflarii cu aer încălzit în furnalele înalte. În cele mai vechi timpuri, metalurgiștii introduceau aer brut (rece) în forjă. La o temperatură de 900 o folosind dioxid de carbon, care ia oxigenul din oxidul de fier, se reduce fierul din minereu și se obține un aluat sau o bucată poroasă, informată, înmuiată în zgură - kritsa. Pentru a realiza acest proces, a fost nevoie de cărbune ca sursă de dioxid de carbon. Kritsa a fost apoi forjată pentru a îndepărta zgura din ea. Metoda de fabricare a brânzei, numită uneori topirea fierului, este neeconomică, dar multă vreme a rămas singura și neschimbată metodă de obținere a metalului feros.

La început, fierul a fost topit în gropi obișnuite, închise în partea de sus; mai târziu, au început să fie construite cuptoare de lut. Minereu zdrobit și cărbune au fost încărcate în spațiul de lucru al forjei în straturi, toate acestea au fost incendiate, iar aerul a fost forțat prin orificiile duzei cu burdufuri speciale (de piele). Roca se depune în zgură la o temperatură de 1300-1400 o, la care se obține oțel - fier care conține de la 0,3 la 1,2%. carbon. Pe măsură ce se răcește, devine foarte tare. Pentru a obține fontă - fier fuzibil cu un conținut de carbon de 1,5-5% - aveți nevoie de un design de forjă mai complex, cu un spațiu de lucru mare. În acest caz, punctul de topire al fierului a fost mai scăzut și a curjat parțial din cuptor împreună cu zgura. Când s-a răcit, a devenit fragil și la început a fost aruncat, dar apoi au învățat să-l folosească. Pentru a face fier maleabil din fontă, trebuie să îndepărtați carbonul din acesta.

Tehnologie pentru crearea aliajelor de fier

Primul dispozitiv pentru obținerea fierului din minereu a fost un cuptor pentru brânză de unică folosință. Cu un număr mare de dezavantaje, pentru o lungă perioadă de timp aceasta a fost singura modalitate de a obține metal din minereu.

Oamenii antici au trăit bogat și fericiți pentru o lungă perioadă de timp - topoarele de piatră erau făcute din jasp, iar malachitul era ars pentru a obține cupru, dar toate lucrurile bune tind să se încheie. Unul dintre motivele prăbușirii civilizației antice a Mediteranei a fost epuizarea resurselor minerale. Aurul s-a terminat nu în trezorerie, ci în adâncuri; staniul s-a terminat chiar și în „Insulele Tin”. Deși cuprul este încă exploatat în Sinai și Cipru, zăcămintele care sunt în curs de dezvoltare acum nu erau disponibile romanilor. Printre altele, s-a epuizat și minereul potrivit pentru prelucrarea brânzei. Mai era mult plumb.

Cu toate acestea, triburile barbare care au așezat Europa, devenită fără stăpân, nu au știut de multă vreme că resursele sale minerale au fost epuizate de predecesorii lor. Având în vedere scăderea uriașă a producției de metal, resursele pe care romanii le disprețuiau au fost suficiente pentru o lungă perioadă de timp. Mai târziu, metalurgia a început să revină în primul rând în Germania și Republica Cehă - adică acolo unde romanii nu ajungeau cu târnăcobi și roabe.

O etapă superioară în dezvoltarea metalurgiei feroase a fost reprezentată de cuptoarele înalte permanente numite cuptoare cu stuc în Europa. Era într-adevăr o sobă înaltă - cu o țeavă de patru metri pentru a spori tracțiunea. Burduful mașinii de stucat se legăna deja de mai multe persoane și, uneori, de un motor cu apă. Stukofen avea uși prin care kritsa era îndepărtat o dată pe zi.

Stukofens au fost inventați în India la începutul primului mileniu î.Hr. La începutul erei noastre, au venit în China, iar în secolul al VII-lea, împreună cu cifrele „arabe”, arabii au împrumutat această tehnologie din India. La sfârșitul secolului al XIII-lea, Stuktofens au început să apară în Germania și Republica Cehă (și chiar înainte se aflau în sudul Spaniei) și în secolul următor s-au răspândit în toată Europa.

Productivitatea stukofenului a fost incomparabil mai mare decât cea a unui cuptor de suflat brânzeturi - producea până la 250 kg de fier pe zi, iar temperatura de topire în acesta era suficientă pentru a carbura o parte din fier la starea de fontă. Cu toate acestea, când cuptorul a fost oprit, fonta de ipsos a înghețat la fundul ei, amestecându-se cu zgură, iar în acel moment puteau curăța metalul de zgură doar prin forjare, dar fonta nu s-a predat la acest lucru. A trebuit să fie aruncat.

Uneori, însă, au încercat să găsească o anumită utilizare pentru fonta ipsos. De exemplu, vechii hinduși au turnat sicrie din fontă murdară, iar turcii, la începutul secolului al XIX-lea, au aruncat ghiulele. Este greu să judeci cum sunt sicriele, dar ghiulele care au ieșit din el au fost atât de așa.

Gurile de tun pentru tunuri au fost turnate din zgura feroasă în Europa la sfârșitul secolului al XVI-lea. Drumurile au fost făcute din pavaj turnate. În Nizhny Tagil se mai păstrează clădirile cu fundații din blocuri de zgură turnate.

Metalurgiștii au observat de multă vreme o legătură între temperatura de topire și randamentul produsului - cu cât era mai mare, cu atât mai mare parte din fierul conținut în minereu putea fi recuperată. Prin urmare, mai devreme sau mai târziu le-a venit ideea să accelereze stukofenul prin preîncălzirea aerului și creșterea înălțimii țevii. La mijlocul secolului al XV-lea, în Europa a apărut un nou tip de cuptor - blauofen, care a oferit imediat producătorilor de oțel o surpriză neplăcută.

Temperatura de topire mai mare a crescut într-adevăr semnificativ randamentul de fier din minereu, dar a crescut și proporția de fier care a fost carburat la starea de fontă. Acum, nu 10%, ca în mașina de stucat, ci 30% din producție a fost fontă - „fier de porc”, nu este potrivit pentru niciun scop. Drept urmare, câștigurile de multe ori nu au plătit modernizarea.

Fonta Blauofen, ca fonta stucată, solidificată la fundul cuptorului, amestecându-se cu zgura. A ieșit ceva mai bine, deoarece era mai mult, prin urmare, conținutul relativ de zgură a fost mai mic, dar a continuat să rămână nepotrivit pentru turnare. Fonta obținută din blauofen s-a dovedit a fi destul de puternică, dar a rămas totuși foarte eterogenă - din ea au ieșit doar obiecte simple și aspre - baros, nicovale. Au fost deja destul de multe ghiulele care ieșeau.

În plus, dacă în cuptoarele de brânză se putea obține numai fier, care a fost apoi carburat, atunci în stukofen și blauofen straturile exterioare de kritsa s-au dovedit a fi din oțel. Era chiar mai mult oțel în blauofen krits decât fier. Pe de o parte, acest lucru părea bine, dar sa dovedit a fi foarte dificil să separați oțelul și fierul. Conținutul de carbon devenea greu de controlat. Numai forjarea lungă ar putea obține uniformitatea distribuției sale.

La un moment dat, confruntați cu aceste dificultăți, indienii nu au mers mai departe, ci au început să perfecționeze tehnologia și au ajuns la producția de oțel damasc. Dar indienii la acea vreme nu erau interesați de cantitate, ci de calitatea produsului. Europenii, experimentând cu fonta, au descoperit în curând un proces de conversie care a ridicat metalurgia fierului la un nivel calitativ nou.

Următoarea etapă în dezvoltarea metalurgiei a fost apariția furnalelor. Prin creșterea dimensiunii, preîncălzirea aerului și sablare mecanică, într-un astfel de cuptor tot fierul din minereu era transformat în fontă, care era topită și eliberată periodic în exterior. Producția a devenit continuă - cuptorul a funcționat non-stop și nu s-a răcit. A produs până la o tonă și jumătate de fontă pe zi. Distilarea fontei în fier în forje a fost mult mai ușoară decât a o scoate din kritsa, deși era încă necesară forjarea - dar acum bateau zgura din fier și nu fierul din zgură.

Furnalele au fost folosite pentru prima dată la începutul secolelor XV-XVI în Europa. În Orientul Mijlociu și India, această tehnologie a apărut abia în secolul al XIX-lea (în mare măsură, probabil pentru că motorul cu apă nu a fost folosit din cauza deficitului de apă caracteristic în Orientul Mijlociu). Prezența furnalelor în Europa i-a permis să depășească Turcia în secolul al XVI-lea, dacă nu în calitatea metalului, atunci în ax. Acest lucru a avut o influență fără îndoială asupra rezultatului luptei, mai ales când s-a dovedit că tunurile pot fi turnate din fontă.

CU începutul XVII secolului, Suedia a devenit forja europeană, producând jumătate din fierul din Europa. La mijlocul secolului al XVIII-lea, rolul său în acest sens a început să scadă rapid datorită unei alte invenții - utilizarea sa în metalurgie. cărbune.

În primul rând, trebuie spus că până în secolul al XVIII-lea inclusiv cărbunele nu a fost folosit practic în metalurgie - din cauza conținutului ridicat de impurități dăunătoare calității produsului, în primul rând sulf. Încă din secolul al XVII-lea în Anglia, cărbunele a început să fie folosit în cuptoarele de bălți pentru recoacere fontă, dar acest lucru a făcut posibilă realizarea doar a unei mici economii de cărbune - majoritatea combustibilul a fost cheltuit pentru topire, unde era imposibil să se excludă contactul cărbunelui cu minereul.

Dintre numeroasele meserii metalurgice ale vremii, poate cea mai dificilă meserie a fost cea de băltoacă. Budinca a fost principala metodă de obținere a fierului pe parcursul aproape întregului secol al XIX-lea. A fost un proces foarte dificil și care a consumat timp. Lucrarea sub el s-a desfășurat astfel: fierul a fost încărcat pe fundul cuptorului de foc; au fost topite. Pe măsură ce carbonul și alte impurități au ars din metal, temperatura de topire a metalului a crescut și cristalele de fier destul de pur au început să „înghețe” din topitura lichidă. Un bulgăre de masă lipicioasă asemănătoare unui aluat adunat în partea de jos a cuptorului. Lucrătorii băltoși au început operațiunea de rulare a aluatului cu ajutorul unui rest de fier. Amestecând masa de metal cu o rangă, ei au încercat să colecteze un bulgăre, sau kritsa, de fier în jurul rangei. Un astfel de bulgăre cântărea până la 50 - 80 kg sau mai mult. Kritsa a fost scoasă din cuptor și alimentată direct sub ciocan - pentru forjare, pentru a îndepărta particulele de zgură și a compacta metalul.

Ei au învățat să elimine sulful prin cocsificare în Anglia în 1735, după care a devenit posibilă utilizarea unor rezerve mari de cărbune pentru topirea fierului. Dar în afara Angliei, această tehnologie s-a răspândit abia în secolul al XIX-lea.

Consumul de combustibil în metalurgie era deja enorm chiar și atunci - furnalul devora o mașină de cărbune pe oră. Cărbunele a devenit o resursă strategică. Abundența lemnului din Suedia și Finlanda a fost cea care a permis suedezilor să dezvolte producția la o asemenea scară. Englezii, care aveau mai puține păduri (și chiar și acelea erau rezervate pentru nevoile flotei), au fost nevoiți să cumpere fier în Suedia până când au învățat să folosească cărbunele.

Metode electrice și de inducție de topire a fierului

Varietatea compozițiilor de oțel face ca topirea acestora să fie foarte dificilă. La urma urmei, într-un cuptor și convertor cu focar deschis, atmosfera se oxidează, iar elemente precum cromul se oxidează ușor și se transformă în zgură, de exemplu. sunt pierdute. Aceasta înseamnă că, pentru a obține oțel cu un conținut de crom de 18%, trebuie introdus în cuptor mult mai mult crom decât 180 kg per tonă de oțel. Și cromul este un metal scump. Cum să găsești o cale de ieșire din această situație?

O soluție a fost găsită la începutul secolului al XX-lea. S-a propus utilizarea căldurii unui arc electric pentru a topi metalul. Fierul vechi a fost încărcat într-un cuptor circular, a fost turnată fontă și electrozii de carbon sau grafit au fost coborâți. Între ele și metalul din cuptor („baie”) a apărut un arc electric cu o temperatură de aproximativ 4000°C. Metalul s-a topit ușor și rapid. Și într-un astfel de cuptor electric închis puteți crea orice atmosferă - oxidantă, reducătoare sau complet neutră. Cu alte cuvinte, elementele valoroase pot fi prevenite să ardă. Așa a fost creată metalurgia oțelurilor de înaltă calitate.

Ulterior, a fost propusă o altă metodă de topire electrică - inducția. Din fizică se știe că, dacă un conductor metalic este plasat într-o bobină prin care trece un curent de înaltă frecvență, în el este indus un curent și conductorul se încălzește. Această căldură este suficientă pentru anumit timp topește metalul. Un cuptor cu inducție este format dintr-un creuzet cu o spirală încorporată în căptușeală. Un curent de înaltă frecvență trece prin spirală, iar metalul din creuzet se topește. Într-o astfel de sobă poți crea și orice atmosferă.

În cuptoarele cu arc electric, procesul de topire are loc de obicei în mai multe etape. În primul rând, impuritățile inutile sunt arse din metal, oxidându-le (perioada de oxidare). Apoi, zgura care conține oxizii acestor elemente este îndepărtată (descărcată) din cuptor și feroaliaje - aliaje de fier cu elemente care trebuie introduse în metal - sunt încărcate. Cuptorul este închis și topirea continuă fără acces la aer (perioada de recuperare). Ca urmare, oțelul este saturat cu elementele necesare într-o cantitate dată. Metalul finit este eliberat într-un oală și turnat.

Reacții chimice în producerea fierului

În industria modernă, fierul este obținut din minereu de fier, în principal din hematită (Fe 2 O 3) și magnetită (Fe 3 O 4).

Exista diferite căi extragerea fierului din minereuri. Cel mai comun este procesul de domeniu.

Prima etapă de producție este reducerea fierului cu carbon într-un furnal la o temperatură de 2000 °C. Într-un furnal, carbonul sub formă de cocs, minereul de fier sub formă de aglomerat sau pelete și fluxul (cum ar fi calcarul) sunt alimentate de sus și sunt îndeplinite de un curent de aer cald forțat de jos.

În cuptor, carbonul din cocs este oxidat la monoxid de carbon (monoxid de carbon) de oxigenul atmosferic:

2C + O 2 → 2CO.

La rândul său, monoxidul de carbon reduce fierul din minereu:

3CO + Fe 2 O 3 → 2Fe + 3CO 2.

Fluxul este adăugat pentru a extrage impuritățile nedorite din minereu, în primul rând silicați, cum ar fi cuarțul (dioxid de siliciu). Un flux tipic conține calcar (carbonat de calciu) și dolomit (carbonat de magneziu). Alte fluxuri sunt utilizate împotriva altor impurități.

Efectul fluxului: carbonatul de calciu se descompune sub influența căldurii în oxid de calciu (var nestins):

CaCO3 → CaO + CO2.

Oxidul de calciu se combină cu dioxidul de siliciu pentru a forma zgură:

CaO + SiO 2 → CaSiO 3.

Zgura, spre deosebire de dioxidul de siliciu, este topită într-un cuptor. Zgura, mai ușoară decât fierul, plutește la suprafață și poate fi drenată separat de metal. Zgura este folosită apoi în construcţii şi agricultură. Fierul topit produs într-un furnal conține destul de mult carbon (fontă). Cu excepția cazurilor în care fonta este utilizată direct, aceasta necesită o prelucrare ulterioară.

Excesul de carbon și alte impurități (sulf, fosfor) sunt îndepărtate din fontă prin oxidare în cuptoare cu focar deschis sau convertoare. Cuptoarele electrice sunt folosite și pentru topirea oțelurilor aliate.

Pe lângă procesul de furnal, procesul de producție directă a fierului este comun. În acest caz, minereul pre-zdrobit este amestecat cu argilă specială, formând pelete. Peletele sunt arse și tratate într-un cuptor cu arbore cu produse fierbinți de conversie a metanului care conțin hidrogen. Hidrogenul reduce cu ușurință fierul fără a contamina fierul cu impurități precum sulful și fosforul - impurități comune în cărbune. Fierul se obține sub formă solidă și ulterior este topit în cuptoare electrice.

Fierul pur din punct de vedere chimic se obține prin electroliza soluțiilor sărurilor sale.

Partea 1. De ce sunt necesare toate acestea?

Dacă despre care vorbim despre crearea unei replici a unui artefact istoric (de exemplu, un cuțit sau un topor din secolul al X-lea), atunci maestrul se confruntă cu cel puțin 3 sarcini:

1. Repetați aspectul. Cu alte cuvinte, creați un model dimensional de masă. Un exemplu de replică a unui topor de la cimitirul Jakštaicai, Lituania. Toporul este realizat cu respectarea dimensiunilor originalului.

De aspect armele medievale au fost studiate de autori celebri precum Edward Oakeshott, Jan Petersen, Anatoly Kirpichnikov.

2. Structura produsului forjat. Majoritatea artefactelor medievale sunt realizate, în termeni moderni, din cel puțin două diferite mărci oteluri Aici vorbim despre tehnologia sudării forjate, tehnologia de fabricare a oțelului Damasc. Datorită costului ridicat otel carbonÎn Evul Mediu, tehnologia a fost utilizată pe scară largă atunci când numai partea de lucru a produsului (de exemplu, într-un cuțit, această lamă) era oțel, iar totul era din fier sau oțel de calitate scăzută.

Acest subiect este discutat mai detaliat în practică folosind un exemplu . Structura produselor forjate medievale poate fi judecată din cărți precum „Oțelul de Damasc în țările din bazin” Marea Baltica» Antain A.K. Și " Fierarie Pământul Polotsk. secolele IX-XIII.” Gurin, M.F.

3. De fapt, metal. Oțelul din secolul al X-lea și oțelul din secolul al XXI-lea sunt două metode fundamental diferite de obținere a materialului. Și, ca urmare, proprietățile acestor materiale diferă. Probabil din cauza acestor diferențe, această direcție a devenit larg răspândită în fierărie ca oțelul de Damasc. Topor din fier brut.

Principala metodă de obținere a fierului în Evul Mediu era topirea minereu de mlaștinăîn cuptoarele de brânză. Esența procesului de suflare a brânzei este că aerul pentru arderea combustibilului este furnizat neîncălzit, la parametrii atmosferici.

Proiectarea cuptoarelor medievale este descrisă în cartea lui Boris Kolchin „Metalurgia feroasă și prelucrarea metalelor în Rusia antică”.

Partea 2. Materii prime și pregătire pentru topire.

Minereul de mlaștină este minereu de fier brun sau limonit. Principalul lucru din care constă este Fe2O3. Așa arată în natură.

Minereul este redus la metal pur folosind cărbune. Înainte de topire, minereul este îmbogățit prin spălare pentru a îndepărta excesul de rocă.

Am făcut prima topire a minereului într-un creuzet de grafit-șamotă într-o cameră de cuptor cu gaz. Din 400 de grame de minereu s-au obținut 160 de grame de fier. Lingoul este poros, porii curați fără incluziuni nemetalice.

S-a făcut o analiză spectrală a acestui lingot pentru elemente de aliere și impurități.

Analiza a arătat un conținut de carbon de 0,14%. Carbonul a intrat probabil în fier din cărbune, datorită procesului de cimentare la suprafață. Probabil, prezența pe termen lung a unui lingou de fier în zonă temperaturi mari a asigurat o bună difuzie a carbonului și, ca urmare, o distribuție uniformă a acestuia pe întregul volum al probei. Astfel putem vorbi despre obținerea oțelului cu emisii scăzute de carbon. Conținutul ridicat de fosfor și sulf (1,49% și respectiv 0,075%) reduce semnificativ calitatea metalului atât din punct de vedere al prelucrării forjarii, cât și din punctul de vedere al funcționării produselor viitoare. Pentru a reduce conținutul de sulf și fosfor din compoziția încărcăturii (lotul este un amestec de materiale încărcate într-un cuptor de topire pentru a obține un metal cu o anumită compoziție), trebuie adăugat oxid de calciu CaO (var neted). De exemplu, adăugați cretă CaCO3. La temperaturi ridicate (1000-1100 °C), creta din interiorul forjei va deveni var nestins.

Partea 3. Topirea minereului în cuptoare autentice pentru brânză.

22-23.07.2017 or complex muzeal„Dudutki” la festivalul gloriei armelor din Belarus „Our Grunwald-2017” minereu a fost topit în cuptoare de brânză. Scopul acestui experiment este de a obține răspunsuri practice la următoarele întrebări:

1. Materiale și proiectare cuptoare de brânză.

2. Metoda de alimentare cu aer pentru arderea combustibilului. Moduri de suflare.

3. Compoziția sarcinii.

4. Formarea zgurii și efectul acesteia asupra procesului de topire.

5. Obținerea metalului pur.

6. Productia metalelor cea mai buna calitate decât în ​​timpul primei topiri într-un creuzet.

Privind în perspectivă, pot spune că toate sarcinile atribuite au fost rezolvate. S-au făcut 2 cuptoare pentru brânză materiale diferite, modele diferiteși dimensiune. Una dintre cele două forje era realizată din materii prime locale, aerul era furnizat prin burduf cu două camere.

Construirea de forje, uscarea lor, încălzirea lor și apoi topirea lor este o sarcină foarte intensă de muncă. Întregul proces a durat 2 zile, munca s-a desfășurat de dimineața devreme până noaptea târziu, ținând cont de faptul că m-a ajutat o întreagă echipă de asistenți. Experimentul a avut succes - metalul rezultat este de aproximativ 7 ori mai curat în ceea ce privește impuritățile dăunătoare, comparativ cu topirea creuzetului. Cu toate acestea, nu a mai rămas mult metal. Volumul principal sunt bile mici de metal în bucăți de zgură.

Probabil, dacă creați o temperatură mai mare în forjă și creșteți timpul de topire, atunci aceste bile vor fi sudate împreună și vor forma o kritsa potrivită pentru forjare. Analiza spectrală nu a determinat conținutul de carbon, probabil din cauza distribuției sale neuniforme în lingou. Acest lucru indică probabil și indirect necesitatea creșterii timpului de topire. Experimentul a arătat că parametrii principali au fost în general aleși corect, ceea ce înseamnă că optimizarea lor va duce la o îmbunătățire a rezultatului. Voi scrie despre asta mai târziu, pe măsură ce se dezvoltă evenimentele.

Cunoscut de omenire era de origine cosmică sau, mai exact, meteorit. A început să fie folosit ca material instrumental la aproximativ 4 mii de ani î.Hr. Tehnologia de topire a metalelor a apărut de mai multe ori și s-a pierdut ca urmare a războaielor și tulburărilor, dar, potrivit istoricilor, hitiții au fost primii care au stăpânit topirea.

Este de remarcat faptul că vorbim despre aliaje de fier cu o suma mica impurităţi. A devenit posibil să se obțină metal chimic pur abia odată cu apariția tehnologii moderne. Acest articol vă va spune în detaliu despre caracteristicile producției de metal prin reducere directă, flash, burete, materie primă, fier brichetat la cald și vom atinge producția de clor și substanțe pure.

În primul rând, merită luată în considerare metoda de producere a fierului din minereu de fier. Fierul este un element foarte comun. În ceea ce privește conținutul în scoarța terestră, metalul ocupă locul 4 între toate elementele și pe locul 2 între metale. În litosferă, fierul se prezintă de obicei sub formă de silicați. Conținutul său cel mai mare este observat în rocile bazice și ultrabazice.

Aproape toate minereurile miniere conțin o anumită cantitate de fier. Sunt dezvoltate însă doar acele roci în care proporția elementului este de importanță industrială. Dar chiar și în acest caz, cantitatea de minerale potrivite pentru dezvoltare este mai mult decât mare.

• În primul rând, asta minereu de fier– roșu (hematit), magnetic (magnetit) și maro (limonit). Aceștia sunt oxizi de fier complecși cu un conținut de elemente de 70–74%. Minereul de fier brun se găsește mai des în crustele de intemperii, unde formează așa-numitele „pălării de fier” cu o grosime de până la câteva sute de metri. Restul sunt în principal de origine sedimentară.
• Foarte comun sulfură de fier– pirită sau pirita de sulf, dar nu este considerată minereu de fier și este folosită pentru producerea acidului sulfuric.
• Siderite– carbonat de fier, include până la 35%, acest minereu are un conținut mediu de elemente.
• Marcasit– include până la 46,6%.
• Mispickel– un compus cu arsen și sulf, conține până la 34,3% fier.
• Lellingit– conține doar 27,2% din element și este considerat minereu cu grad scăzut.

Rocile minerale sunt clasificate în funcție de conținutul lor de fier, după cum urmează:

• bogat– cu un conținut de metal mai mare de 57%, cu un conținut de silice mai mic de 8–10% și un amestec de sulf și fosfor mai mic de 0,15%. Astfel de minereuri nu sunt îmbogățite și sunt trimise imediat în producție;
• minereu de calitate medie include cel puțin 35% din substanță și trebuie să fie îmbogățit;
• sărac minereurile de fier trebuie să conțină cel puțin 26% și sunt, de asemenea, îmbogățite înainte de a fi trimise la atelier.

Ciclul tehnologic general al producției de fier sub formă de fontă, oțel și produse laminate este discutat în acest videoclip:

Minerit

Există mai multe metode de extragere a minereului. Se folosește cel care se găsește cel mai fezabil din punct de vedere economic.

• Metoda de dezvoltare deschisă- sau cariera. Proiectat pentru roci minerale de mică adâncime. Pentru minerit, o carieră este săpată la o adâncime de până la 500 m și o lățime în funcție de grosimea zăcământului. Minereul de fier este extras din cariera si transportat cu vehicule concepute pentru a transporta sarcini grele. De regulă, așa este extras minereul de calitate superioară, deci nu este nevoie să-l îmbogățiți.
• Şahtnîi– când roca apare la o adâncime de 600–900 m, se forează mine. O astfel de dezvoltare este mult mai periculoasă deoarece implică explozii subterane: straturile descoperite sunt explodate, iar apoi minereul colectat este transportat în sus. În ciuda pericolelor sale, această metodă este considerată mai eficientă.
• Producția hidro– în acest caz, puțurile sunt forate la o anumită adâncime. Conductele sunt coborâte în mină și apa este furnizată la presiune foarte mare. Jetul de apă zdrobește roca, iar apoi minereul de fier este ridicat la suprafață. Producția hidraulică de foraj nu este larg răspândită, deoarece necesită costuri ridicate.

Tehnologii de producere a fierului

Toate metalele și aliajele sunt împărțite în neferoase (ca etc.) și feroase. Acestea din urmă includ fontă și oțel. 95% din toate procesele metalurgice au loc în metalurgia feroasă.

În ciuda varietății incredibile de oțeluri produse, nu există atât de multe tehnologii de fabricație. În plus, fonta și oțelul nu sunt exact 2 produse diferite; fonta este o etapă preliminară obligatorie în producția de oțel.

Clasificarea produselor

Atât fonta, cât și oțelul sunt clasificate ca aliaje de fier, unde componenta de aliere este carbonul. Cota sa este mică, dar dă metalului duritate foarte mare și o oarecare fragilitate. Fonta, deoarece conține mai mult carbon, este mai fragilă decât oțelul. Mai puțin plastic, dar are o capacitate termică mai bună și rezistență la presiunea internă.

Fonta este produsă prin topirea în furnal. Există 3 tipuri:

• gri sau turnat– obținut prin metoda de răcire lentă. Aliajul conține de la 1,7 la 4,2% carbon. Fonta cenușie poate fi prelucrată cu ușurință cu unelte mecanice și umple bine matrițele, motiv pentru care este folosită pentru producția de piese turnate;
• alb– sau conversie, obținută prin răcire rapidă. Ponderea carbonului este de până la 4,5%. Poate include impurități suplimentare, grafit, mangan. Fonta albă este dură și fragilă și este folosită în principal pentru fabricarea oțelului;
• maleabil– include de la 2 la 2,2% carbon. Produs din fontă albă prin încălzirea pe termen lung a pieselor turnate și răcirea lentă, pe termen lung.

Oțelul nu poate conține mai mult de 2% carbon; este produs în 3 moduri principale. Dar, în orice caz, esența producției de oțel se reduce la recoacere impurităților nedorite de siliciu, mangan, sulf și așa mai departe. În plus, dacă se produce oțel aliat, în timpul procesului de fabricație sunt introduse ingrediente suplimentare.

În funcție de scop, oțelul este împărțit în 4 grupuri:

• constructie– folosit sub formă de închiriere fără tratament termic. Acesta este un material pentru construcția de poduri, cadre, fabricarea cărucioarelor și așa mai departe;
• inginerie mecanică– structurale, aparține categoriei de oțel carbon, conține cel mult 0,75% carbon și cel mult 1,1% mangan. Folosit pentru a produce o varietate de piese de mașină;
• instrumental– tot carbon, dar cu un conținut scăzut de mangan – nu mai mult de 0,4%. Este folosit pentru a produce o varietate de unelte, în special cele de tăiat metal;
• oţel motiv special – această grupă include toate aliajele cu proprietăți speciale: oțel termorezistent, oțel inoxidabil, rezistent la acizi și așa mai departe.

Etapa preliminară

Chiar și minereul bogat trebuie pregătit înainte de topirea fierului - eliberat de roca sterilă.

• Metoda de aglomerare– minereul este zdrobit, măcinat și turnat împreună cu cocs pe banda mașinii de sinterizare. Banda trece prin arzătoare, unde temperatura aprinde cocsul. În acest caz, minereul este sinterizat, iar sulful și alte impurități se ard. Aglomeratul rezultat este alimentat în boluri de buncăr, unde este răcit cu apă și suflat cu un curent de aer.
• Metoda de separare magnetică– minereul este zdrobit și alimentat într-un separator magnetic, deoarece fierul are capacitatea de a fi magnetizat, mineralele, atunci când sunt spălate cu apă, rămân în separator, iar roca sterilă este spălată. Apoi, concentratul rezultat este folosit pentru a face peleți și fier brichetat fierbinte. Acesta din urmă poate fi folosit pentru prepararea oțelului, ocolind etapa de producere a fontei.

Acest videoclip vă va spune în detaliu despre producția de fier:

Topirea fierului

Fonta brută este topită din minereu într-un furnal:

• pregăti încărcătura - sinterizare, pelete, cocs, calcar, dolomit etc. Compoziția depinde de tipul de fontă;
• Încărcarea este încărcată în furnal cu ajutorul unui palan. Temperatura in cuptor este de 1600 C, aer cald este furnizat de jos;
• La această temperatură, fierul începe să se topească și cocsul începe să ardă. În acest caz, fierul este redus: în primul rând, monoxidul de carbon este produs atunci când este ars cărbunele. Monoxidul de carbon reacționează cu oxidul de fier pentru a produce metal pur și dioxid de carbon;
• flux - calcar, dolomit, este adăugat la încărcătură pentru a transforma impuritățile nedorite într-o formă care este mai ușor de eliminat. De exemplu, oxizii de siliciu nu se topesc la temperaturi atât de scăzute și este imposibil să-i separați de fier. Dar atunci când interacționează cu oxidul de calciu obținut prin descompunerea calcarului, cuarțul se transformă în silicat de calciu. Acesta din urmă se topește la această temperatură. Este mai ușor decât fonta și rămâne plutind la suprafață. Separarea este destul de simplă - zgura este eliberată periodic prin orificiile de robinet;
• Fierul lichid și zgura curg prin diferite canale în oale.

Fonta rezultată este transportată în oală la un atelier de oțel sau la o mașină de turnare, de unde se obțin lingouri de fontă.

Producția de oțel

Transformarea fontei în oțel se face în 3 moduri. În timpul procesului de topire, excesul de carbon și impuritățile nedorite sunt arse și se adaugă și componentele necesare - la sudarea oțelurilor speciale, de exemplu.

• Foarul deschis este cea mai populară metodă de producție, deoarece oferă oțel de înaltă calitate. Fonta topită sau solidă cu adăugarea de minereu sau resturi este introdusă într-un cuptor cu vatră deschisă și topită. Temperatura este de aproximativ 2000 C, menținută prin arderea combustibilului gazos. Esența procesului se rezumă la arderea carbonului și a altor impurități din fier. Aditivii necesari, când vine vorba de oțel aliat, se adaugă la sfârșitul topirii. Produsul finit se toarnă în oală sau în lingouri în forme.

• Metoda plicului cu oxigen - sau Bessemer. Diferă mai mult performanta ridicata. Tehnologia presupune suflarea aerului comprimat prin grosimea fontei la o presiune de 26 kg/mp. cm. În acest caz, carbonul arde, iar fonta devine oțel. Reacția este exotermă, astfel că temperatura crește la 1600 C. Pentru a îmbunătăți calitatea produsului, prin fontă este suflat un amestec de aer și oxigen sau chiar oxigen pur.
• Metoda de topire electrică este considerată cea mai eficientă. Cel mai adesea este utilizat pentru a produce oțeluri multialiate, deoarece tehnologia de topire în acest caz elimină pătrunderea impurităților inutile din aer sau gaz. Temperatura maximă în cuptorul de producție a fierului este de aproximativ 2200 C din cauza arcului electric.

Primire directa

Din 1970 se folosește și metoda reducerii directe a fierului. Metoda vă permite să ocoliți etapa costisitoare de producere a fontei în prezența cocsului. Primele instalații de acest fel nu au fost foarte productive, dar astăzi metoda a devenit destul de cunoscută: s-a dovedit că gazul natural poate fi folosit ca agent reducător.

Materiile prime pentru recuperare sunt peleții. Ele sunt încărcate într-un cuptor cu ax, încălzite și purjate cu un produs de conversie a gazului - monoxid de carbon, amoniac, dar în principal hidrogen. Reacția are loc la o temperatură de 1000 C, cu hidrogen reducător de fier din oxid.

Despre producătorii de fier tradițional (nu cu clor etc.) din lume vom vorbi mai jos.

Producători renumiți

Cea mai mare pondere a zăcămintelor de minereu de fier se află în Rusia și Brazilia – 18%, Australia – 14% și Ucraina – 11%. Cei mai mari exportatori sunt Australia, Brazilia și India. Prețul de vârf al fierului a fost observat în 2011, când o tonă de metal a fost estimată la 180 de dolari. Până în 2016 prețul a scăzut la 35 USD pe tonă.

Cei mai mari producători de fier includ următoarele companii:

• Vale S.A. este o companie minieră braziliană, cel mai mare producător de fier și;
• BHP Billiton este o companie australiană. Direcția sa principală este producția de petrol și gaze. Dar în același timp ea este cel mai mare furnizor cupru și fier;
• Rio Tinto Group este o preocupare australiano-britanica. Rio Tinto Group extrage și produce aur, fier, diamante și uraniu;
• Fortescue Metals Group este o altă companie australiană specializată în exploatarea minereului și producția de fier;
• In Rusia cel mai mare producător Evrazholding este o companie metalurgică și minieră. Pe piața mondială sunt cunoscute și Metallinvest și MMK;
• Metinvest Holding LLC este o companie minieră și metalurgică ucraineană.

Prevalența fierului este mare, metoda de extracție este destul de simplă și, în cele din urmă, topirea este un proces profitabil din punct de vedere economic. Impreuna cu caracteristici fizice producţie şi asigură fierului rolul principalului material structural.

Producția de clorură ferică este prezentată în acest videoclip:

Rar se întâmplă să vizitez de două ori aceeași producție. Dar când am fost chemat din nou la Lebedinsky GOK și OEMK, am decis că trebuie să profit de moment. A fost interesant de văzut ce s-a schimbat în 4 ani de la ultima călătorie, în plus, de data aceasta am fost mai echipat și pe lângă cameră, am luat cu mine și o cameră 4K pentru a vă transmite cu adevărat toată atmosfera, fotografii arzătoare și atrăgătoare de la fabrica de minerit și prelucrare și turnătorii de oțel ale Uzinei Electrometalurgice Oskol.

Astăzi, în special pentru raportarea despre extracția minereului de fier, prelucrarea acestuia, topirea și producția de produse din oțel.

Lebedinsky GOK este cel mai mare intreprindere ruseasca pentru extragerea si valorificarea minereului de fier si are cea mai mare mina de minereu de fier din lume. Fabrica și cariera sunt situate în regiunea Belgorod, lângă orașul Gubkin. Compania face parte din compania Metalloinvest și este un producător de top de produse din minereu de fier în Rusia.

Priveliștea de pe puntea de observație de la intrarea în carieră este fascinantă.

Este cu adevărat uriaș și crește în fiecare zi. Adâncimea gropii Lebedinsky GOK este de 250 m de nivelul mării sau 450 m de suprafața pământului (și diametrul este de 4 pe 5 kilometri), apa subterană se infiltrează constant în ea și dacă nu ar fi funcționarea pompelor. , s-ar umple până la vârf într-o lună. Este de două ori inclusă în Cartea Recordurilor Guinness drept cea mai mare carieră pentru extracția mineralelor necombustibile.

Așa arată de la înălțimea satelitului spion.

Pe lângă Lebedinsky GOK, Metalloinvest include și Mikhailovsky GOK, care este situat în regiunea Kursk. Împreună, cele mai mari două fabrici fac din companie unul dintre liderii mondiali în exploatarea și prelucrarea minereului de fier din Rusia și unul dintre primele 5 din lume în producția de minereu de fier comercial. Rezervele totale dovedite ale acestor instalații sunt estimate la 14,2 miliarde de tone conform clasificării internaționale JORС, care garantează aproximativ 150 de ani de viață operațională la nivelul actual de producție. Așa că minerii și copiii lor vor avea de lucru mult timp.

Vremea nici de data aceasta nu a fost însorită, ba chiar burnițea pe alocuri, ceea ce nu era în planuri, dar asta a făcut fotografiile și mai contrastante).

Este de remarcat faptul că chiar în „inima” carierei se află o zonă cu rocă sterilă, în jurul căreia s-a extras deja tot minereul care conține fier. În ultimii 4 ani, a scăzut considerabil, deoarece acest lucru interferează dezvoltare ulterioară carieră și este de asemenea dezvoltată sistematic.

Minereul de fier este încărcat imediat în trenuri de cale ferată, în vagoane speciale armate care transportă minereul din carieră, se numesc vagoane basculante, capacitatea lor de transport este de 120 de tone.

Straturi geologice din care se poate studia istoria dezvoltării Pământului.

Apropo, straturile superioare ale carierei, formate din roci care nu conțin fier, nu intră în groapă, ci sunt prelucrate în piatră zdrobită, care este apoi folosită ca material de construcție.

Din partea de sus a platformei de observație, mașinile uriașe nu par mai mari decât o furnică.

De aceasta calea ferata, care leagă cariera de plante, minereul este transportat pentru prelucrare ulterioară. Povestea va fi despre asta mai târziu.

Există o mulțime de tipuri diferite de echipamente la lucru în carieră, dar cele mai vizibile, desigur, sunt basculantele de mai multe tone Belaz și Caterpillar.

Apropo, acești giganți au aceleași numere de înmatriculare ca și mașinile obișnuite și sunt înmatriculați la poliția rutieră.

În fiecare an, atât instalațiile miniere, cât și cele de prelucrare incluse în Metalloinvest (Lebedinsky și Mikhailovsky GOK) produc aproximativ 40 de milioane de tone de minereu de fier sub formă de concentrat și minereu de sinter (acesta nu este volumul producției, ci minereu îmbogățit, adică separat din roca sterila). Astfel, rezultă că, în medie, se produc aproximativ 110 mii de tone de minereu de fier îmbogățit pe zi la cele două uzine miniere și de procesare.

Acest Belaz transportă până la 220 de tone de minereu de fier la un moment dat.

Excavatorul dă un semnal și dă înapoi cu grijă. Doar câteva găleți și corpul uriașului este umplut. Excavatorul dă din nou semnalul și autobasculanta pornește.
Acest excavator Hitachi, care este cel mai mare din carieră, are o capacitate de cupă de 23 de metri cubi.

„Belaz” și „Caterpillar” alternează. Apropo, un autobasculant de import transportă doar 180 de tone.

În curând șoferul Hitachi va deveni interesat și de această grămadă.

Minereul de fier are o textură interesantă.

În fiecare zi, în cariera Lebedinsky GOK funcționează 133 de unități de echipament minier de bază (30 de basculante grele, 38 de excavatoare, 20 de mașini de forat, 45 de unități de tracțiune).

Belaz mai mic

Nu a fost posibil să se vadă exploziile și este rar ca mass-media sau bloggerii să aibă voie să le asiste din cauza standardelor de siguranță.O astfel de explozie are loc o dată la trei săptămâni. Toate echipamentele și muncitorii sunt scoși din carieră conform standardelor de siguranță.

Ei bine, atunci basculantele descarcă minereul mai aproape de calea ferată chiar acolo în carieră, de unde alți excavatoare îl reîncarcă în basculante, despre care am scris mai sus.

Apoi minereul este dus la o uzină de prelucrare, unde cuarțitele feruginoase sunt zdrobite și are loc procesul de separare a rocii sterile prin metoda separării magnetice: minereul este zdrobit, apoi trimis într-un tambur magnetic (separator), la care, în în conformitate cu legile fizicii, toate bețișoarele de fier, și nu fierul este spălat cu apă. După aceasta, concentratul de minereu de fier rezultat este transformat în pelete și HBI, care este apoi folosit pentru topirea oțelului.

Fotografia arată o moară care măcina minereu.

Există astfel de boluri de băut în ateliere; la urma urmei, aici este cald, dar nu există nicio cale fără apă.

Amploarea atelierului în care minereul este zdrobit în butoaie este impresionantă. Minereul este măcinat în mod natural atunci când pietrele se lovesc între ele în timp ce se rotesc. Aproximativ 150 de tone de minereu sunt plasate într-un tambur cu un diametru de șapte metri. Există și tamburi de 9 metri, productivitatea lor este aproape dublă!

Am intrat un minut în panoul de control al atelierului. Este destul de modest aici, dar tensiunea se simte imediat: dispecerii lucrează și monitorizează procesul de lucru la panourile de control. Toate procesele sunt automatizate, astfel încât orice intervenție - fie că este oprirea sau pornirea oricăruia dintre noduri - trece prin ele și cu participarea lor directă.

Următorul punct de pe traseu a fost complexul celei de-a treia etape a atelierului de producție a fierului brichetat la cald - TsGBZh-3, unde, după cum probabil ați ghicit, este produs fierul brichetat la cald.

Capacitatea de producție a TsHBI-3 este de 1,8 milioane de tone de produse pe an, capacitatea totală de producție a companiei, luând în considerare etapele 1 și 2 pentru producția de HBI, a crescut în total la 4,5 milioane de tone pe an.

Complexul TsGBZh-3 ocupă o suprafață de 19 hectare și include aproximativ 130 de facilități: stații de încărcare și de filtrare a produselor, tracturi și transport de pelete oxidate și produse terminate, sisteme de îndepărtare a prafului pentru gaz de etanșare inferior și HBI, rafturi pentru conducte, stație de reducere a presiunii gaz natural, etanșare benzinărie, substații electrice, reformator, compresor de gaz de proces și alte facilități. Cuptorul în sine are o înălțime de 35,4 m și este găzduit într-o structură metalică cu opt niveluri, înaltă de 126 de metri.

De asemenea, în cadrul proiectului s-a realizat și modernizarea instalațiilor de producție aferente - uzina de procesare și instalația de peletizare, care au asigurat producerea unor volume suplimentare de concentrat de minereu de fier (conținut de fier mai mare de 70%) și bază mare. pelete de calitate imbunatatita.

Producția de HBI astăzi este cea mai ecologică modalitate de a obține fier. Producția sa nu generează emisii nocive asociate cu producția de cocs, sinter și fontă și, de asemenea, nu există deșeuri solide sub formă de zgură. În comparație cu producția de fontă, costurile energetice pentru producția de HBI sunt cu 35% mai mici, iar emisiile de gaze cu efect de seră sunt cu 60% mai mici.
HBI este produs din pelete la o temperatură de aproximativ 900 de grade.

Ulterior, brichetele de fier sunt formate printr-o matriță, sau așa cum se mai numește și „presa de brichete”.

Iată cum arată produsul:

Ei bine, acum hai să facem puțin plajă în magazinele fierbinți! Aceasta este Uzina Electrometalurgică Oskol, cu alte cuvinte OEMK, unde oțelul este topit.

Nu te poți apropia, poți simți căldura palpabil.

La etajele superioare, supa fierbinte, bogată în fier, se amestecă cu o oală.

Producătorii de oțel rezistent la căldură fac acest lucru.

Am ratat puțin momentul turnării fierului de călcat într-un recipient special.

Și aceasta este o supă de fier gata preparată, vă rog să veniți la masă înainte să se răcească.

Si inca una ca asta.

Și mergem mai departe prin atelier. În imagine puteți vedea mostre de produse din oțel pe care le produce fabrica.

Producția de aici este foarte texturată.

Într-unul dintre atelierele fabricii sunt produse aceste semifabricate din oțel. Lungimea acestora poate ajunge de la 4 la 12 metri, în funcție de dorințele clienților. Fotografia prezintă o mașină de turnare continuă cu 6 fire.

Aici puteți vedea modul în care semifabricatele sunt tăiate în bucăți.

În următorul atelier, piesele fierbinți sunt răcite cu apă la temperatura necesară.

Și așa arată produsele deja răcite, dar neprocesate încă.

Acesta este un depozit în care sunt depozitate astfel de semifabricate.

Și aceștia sunt arbori grei de mai multe tone pentru fierul de laminat.

În atelierul vecin, OEMK șlefuiește și lustruiește tije de oțel de diferite diametre, care au fost laminate în atelierele anterioare. Apropo, această fabrică este a șaptea cea mai mare întreprindere din Rusia pentru producția de oțel și produse din oțel.

După lustruire, produsele sunt într-un atelier vecin.

Un alt atelier unde are loc strunjirea și lustruirea produselor.

Așa arată ei în forma lor brută.

Punerea laolaltă a tijelor lustruite.

Și depozitare cu macaraua.

Principalii consumatori de produse metalice OEMK sunt piata ruseasca sunt întreprinderi din industria auto, inginerie, țevi, feronerie și rulmenți.

Îmi plac tijele de oțel pliate bine).

OEMK folosește tehnologii avansate, inclusiv reducerea directă a fierului și tehnologia de topire cu arc electric, care asigură producția de metal Calitate superioară, cu conținut redus de impurități.

Produsele metalice OEMK sunt exportate în Germania, Franța, SUA, Italia, Norvegia, Turcia, Egipt și multe alte țări.

Fabrica produce produse utilizate de cei mai mari producători auto din lume, precum Peugeot, Mercedes, Ford, Renault și Volkswagen. Sunt folosite pentru a face rulmenți pentru aceleași mașini străine.

La cererea clientului, pe fiecare produs este atașat un autocolant. Autocolantul este ștampilat cu numărul de căldură și codul gradului de oțel.

Capătul opus poate fi marcat cu vopsea, iar fiecare pungă poate fi marcată cu produse terminate Etichetele sunt atașate cu numărul contractului, țara de destinație, calitatea oțelului, numărul de căldură, dimensiunea în milimetri, numele furnizorului și greutatea pachetului.

Vă mulțumesc că ați citit până la sfârșit, sper că v-a părut interesant.
Mulțumiri speciale campaniei Metalloinvest pentru invitație!

Faceți clic pe butonul pentru a vă abona la „Cum se face”!