Tehnologii de producere a fierului. Experimente de topire a fierului din minereu de mlaștină Fabricarea fierului

Producția de fier în Rusia este cunoscută din timpuri imemoriale. Ca urmare a săpăturilor arheologice din zonele adiacente Novgorodului, Vladimir, Yaroslavl, Pskov, Smolensk, Ryazan, Murom, Tula, Kiev, Vyshgorod, Pereyaslavl, Vzhishch, precum și în zona Lacului Ladoga și în alte locuri, sute au fost descoperite locuri cu rămășițe de topitoare, cuptoare de brânză, așa-numitele „gropi de lup” și instrumente de producție corespunzătoare ale metalurgiei antice. Într-una dintre gropile lupilor, săpate pentru topirea fierului, lângă satul Podmokloye din partea de sud a regiunii Moscova bazin de cărbune, a fost găsită o monedă datată 189 din epoca musulmană, care corespunde începutului secolului al IX-lea al cronologiei moderne. Aceasta înseamnă că au știut să topească fierul în spatele Rusului în acele vremuri îndepărtate, profund precreștine.

Numele poporului rus ne strigă literalmente despre prevalența metalurgiei pe întreg teritoriul Rusiei antice: Kuznetsov, Kovalev, Koval, Kovalenko, Kovalchuk. În ceea ce privește prevalența, numele de familie „metalurgice” rusești pot rivaliza chiar și cu englezul arhetipal John Smith (care, de fapt, fierar, adică același fierar).

Cu toate acestea, calea oricărei săbii sau țevi de armă a început întotdeauna mult mai devreme forja metalurgicăși, mai ales, forje. Orice metal este, în primul rând, un combustibil (cărbune sau cocs pentru topirea lui) și, în al doilea rând, o materie primă pentru producerea lui.

Aici trebuie să pun imediat accent. De ce combustibilul este condiția principală, iar minereul de fier în sine este retrogradat cu atâta îndrăzneală pe fundal? Totul este despre logistica transportului minereului și combustibilului necesar pentru producerea fierului în Evul Mediu.

La urma urmei, combustibilul principal și de cea mai înaltă calitate pentru topirea fierului medieval de înaltă calitate a fost cărbune.
Chiar și acum, în epoca modernă iluminată, sarcina de a obține calitate cărbune nu este deloc atât de simplu pe cât pare la prima vedere.
Cărbunele de cea mai bună calitate se obține doar dintr-un număr foarte limitat de specii de lemn - din toate speciile de lemn de esență tare destul de rare și cu creștere lentă (stejar, carpen, fag) și din arhetipul mesteacăn rusesc.
Deja din conifere - pin sau molid, cărbunele se dovedește a fi mult mai fragil și cu un randament mai mare de fine și praf de carbune, iar încercarea de a obține cărbune bun din aspen sau arin cu frunze moi este aproape imposibilă - randamentul cărbunelui bun scade cu aproape jumătate în comparație cu stejarul.

Dacă în zona în care s-au găsit zăcăminte de fier nu erau suficiente păduri, sau dacă pădurile din zonă au fost distruse de generațiile anterioare de metalurgi, a fost necesar să se inventeze diverși înlocuitori de ersatz.
De exemplu, în Asia Centrală, în ciuda depozitelor de minereu de fier de înaltă calitate, lemnul era etanș, așa că în loc de cărbune era necesar să se folosească următorul combustibil inovator:

Dacă cineva nu înțelege, acesta este bălegar de vacă. Poate fi cal, miel, capră sau măgar - nu joacă un rol special. Balega a fost frământată cu mâna în prăjituri plate (ceva de genul acesta) și apoi așezat să se usuce la soare.
Este clar că într-o astfel de situație nu era nevoie să vorbim despre „constanța compoziției” combustibilului, iar temperatura flăcării de la arderea unui astfel de „combustibil compozit” a fost mult mai mică decât cea a cărbunelui de înaltă calitate.

Un alt înlocuitor, mult mai avansat din punct de vedere tehnologic, a cărbunelui a apărut în lume mult mai târziu. Desigur, vorbim despre Coca-Cola, pe care se bazează acum toată metalurgia feroasă modernă.
Istoria „inventării” cocsului datează de doar două sute de ani. La urma urmei, bateria cuptorului de cocs în care „cărbunele s-a ars singur” a fost prima și cea mai puternică salvă a revoluției industriale. Este ea, bateria cuptorului de cocs, și nu foră de petrol a creat acea „lume a cărbunelui și aburului” pe care acum ne place să ne amintim în cărți, filme și anime despre steampunk.

Cu mult înainte de Revoluția Industrială, Anglia dezvoltase deja zăcăminte bogate de cărbune, care, totuși, era folosit aproape exclusiv pentru încălzirea locuințelor. Topirea minereului în Anglia se făcea, ca în multe locuri din lume, numai cu cărbune. Acest lucru s-a datorat unui fapt neplăcut caracteristic majorității cărbunilor - conțin cantități considerabile de fosfor și sulf, care sunt foarte dăunătoare pentru fierul produs în forjă.

Cu toate acestea, Marea Britanie este o insulă. Și, în cele din urmă, nevoile tot mai mari ale metalurgiei engleze pe bază de cărbune, a depăşit toate capacităţile pădurilor engleze. Robin Hoods englezi pur și simplu nu aveau unde să se ascundă- o creștere a topirii fierului a redus aproape toate pădurile din Foggy Albion la nimic. În cele din urmă, aceasta a devenit o frână pentru producția de fier, deoarece a fost necesară topirea o cantitate imensă de lemne de foc: pentru prelucrarea unei tone de minereu - aproape 40 de metri cubi de lemn brut.
Datorită creșterii producției de fier, a existat amenințarea cu distrugerea completă a pădurilor. Țara a fost nevoită să importe metal din străinătate, în principal din Rusia și Suedia. Încercările de a folosi cărbunele fosil pentru topirea fierului au eșuat multă vreme, din motivul menționat mai sus.
Abia în 1735, producătorul Abraham Derby, după mulți ani de experiență, a găsit o modalitate de a topi fonta folosind cărbune de cocsificare. A fost o victorie. Dar înainte de această victorie de la începutul secolului al IX-lea d.Hr. mai erau încă mai bine de 900 de ani.

Așadar, transportați lemne de foc (sau chiar cărbune finit) la fier de călcat nu funcționează pur și simplu din cauza logisticii procesului - combustibilul necesar este de 4-5 ori masa minereului și chiar mai mult în volum - de cel puțin zece ori. Este mai ușor să aduceți fierul la combustibil.

Combustibil înăuntru Rusiei antice există și din belșug. Dar hardware-ul de pe platforma rusă?
Dar există întrebări cu hardware-ul.
Minereu de fier de înaltă calitate nu în Câmpia Rusă.

Aud imediat strigăte: „Ce zici de anomalia magnetică de la Kursk? Cele mai bune minereuri de fier magnetice din lume!”
Da, unele dintre cele mai de înaltă calitate din lume. Deschis în 1931. Adâncimea de apariție - de la 200 la 600 de metri. Sarcina în mod clar nu este pentru tehnologiile care au fost la dispoziția slavilor antici în secolul al IX-lea d.Hr. Acum totul pare frumos, dar pentru acea vreme imaginea unei mine moderne de minereu de fier era ca o călătorie la Alpha Centauri pentru umanitatea modernă. În teorie este posibil, dar în practică nu este:

Drept urmare, în secolul al IX-lea în Rus, este necesar să facem o alegere din ceva inclus în această listă a tuturor minereurilor de fier folosite în prezent de omenire:

Minereu de fier magnetic - mai mult de 70% Fe sub formă magnetit Fe3O4 (exemplu: anomalia magnetică Kursk pe care am descris-o)
- minereu de fier roșu—55-60% Fe sub formă hematită Fe2O3 (exemplu: din nou anomalia magnetică Kursk sau bazinul Krivoy Rog)
- minereu de fier brun (limonit) - 35-55% Fe sub formă amestecuri de hidroxid fier feric Fe2O3-3H2O și Fe2O3-H2O (exemplu: zăcământul Kerch ruinat de Ucraina).
- minereu de fier - până la 40% Fe sub formă carbonat FeCO3 (exemplu: depozit Bakal)

Magnetitul și hematitul se află adânc pe platforma rusă; nu există deloc minereu de fier pe ea.
Ceea ce rămâne este minereul de fier brun (limonitul).
Materia primă, ca să spunem ușor, este proastă - uitați-vă doar la concentrația de fier din ea, dar amuzant este că este disponibilă pe teritoriul a ceea ce era atunci Rus. aproape peste tot. În plus, acest „aproape peste tot” se dovedește în mod miraculos a fi în imediata apropiere a sursei de atunci de combustibil de cărbune de înaltă calitate - pădurile puternice din Câmpia Rusă.

Vorbim, bineînțeles, despre turbării și limonit, care este adesea numit fier de mlaștină.
Pe lângă fierul de mlaștină, au o geneză similară fier de luncă și lac. Cu toate acestea, după cum veți vedea mai târziu, săpatul pentru un astfel de fier era cel mai profitabil într-o mlaștină.

Pentru a înțelege amploarea prevalenței extragerii efective a acestei resurse locale în Rusia, este suficient, ca în cazul „numelor de familie metalurgice”, să deschideți pur și simplu orice hartă geografică și să priviți numele de rusă, ucraineană, belarusă sau sate lituaniene.
Și imediat un număr imens de toponime cu cuvintele Guta, Buda, Ruda vă vor face cu ochiul. Iată semnificațiile lor:

Guta: instalatie de topire a sticlei
Minereu: minerit de fier din mlaștină
Buda: extragerea potasiului din cenusa vegetala.

Veți găsi astfel de sate peste tot - într-o centură largă în mlaștinile Polesie - de la Brest la Sumy. În Rus' existau o mulțime de surse de „minereu de mlaștină”. „Fierul de mlaștină” se formează în general aproape peste tot unde există o tranziție de la solurile care conțin oxigen la un strat fără oxigen (exact la joncțiunea acestor două straturi).
În mlaștini, această graniță este situată pur și simplu, spre deosebire de alte tipuri de teren, foarte aproape de suprafata, prin urmare, noduli de fier acolo pot fi săpați literalmente cu o lopată, îndepărtând doar un strat subțire de vegetație de mlaștină.

Iată cum arată fierul de mlaștină: .
Dar tocmai aceasta a salvat-o pe Rus.

Depozitele de fier din mlaștină în sine sunt clasice plasători.
Placerii sunt, de obicei, zăcăminte mult mai mici decât corpurile de minereu, volumul lor total depășește rareori zeci de mii de tone (în timp ce zăcămintele de minereu pot conține milioane și miliarde de tone de minereu), dar exploatarea placerelor este de obicei mult mai simplă decât extragerea unui corp de minereu.
Placerii pot fi de obicei dezvoltați aproape cu mâinile goale și cu o zdrobire minimă a rocii, deoarece placerii apar de obicei în rocile sedimentare deja distruse.
Aceasta este, în general, o practică obișnuită: mai întâi se exploatează placerii, apoi minereurile.
Mai mult, pentru toate metalele, mineralele sau compușii.

Apropo, „tinichea de lemn” (despre care am scris în seria despre Catastrofa Epocii Bronzului) este și el un placer.

Cu toate acestea, nu se poate spune că exploatarea plăcilor de fier din mlaștină a fost o sarcină simplă.

Fierul de mlaștină a fost extras în trei moduri principale.

Primul - vara, nămolul de fund a fost scos din plute din lacurile și râurile care curgeau din mlaștini. Pluta era ținută într-un loc de un stâlp (o persoană), iar o altă persoană folosea un călător pentru a îndepărta nămolul de pe fund. Avantajele acestei metode sunt simplitatea și stresul fizic scăzut asupra lucrătorilor.
Dezavantaje - o cantitate mare de muncă inutilă, deoarece nu numai roca sterilă a fost strânsă cu fier de mlaștină, dar, în plus, au trebuit să fie ridicate cantități mari de apă împreună cu nămol. În plus, este dificil să folosiți o linguriță pentru a îndepărta pământul la adâncimi mari.

A doua cale. În timpul iernii, în locurile în care canalele au înghețat până la fund, gheața a fost mai întâi tăiată, iar apoi sedimentul de fund care conținea fier din mlaștină a fost de asemenea tăiat. Avantajele acestei metode: capacitatea de a selecta un strat mare care conține fier de mlaștină. Dezavantaje: este dificil din punct de vedere fizic să dăltuiți gheața și pământul înghețat. Extragerea este posibilă numai până la adâncimea de îngheț.

A treia metodă a fost cea mai comună. Pe mal, lângă canale sau lacuri de mlaștină, a fost asamblat un cadru, ca pentru o fântână, doar la dimensiuni mai mari, de exemplu, 4 pe 4 metri. Apoi au început să sape stratul de acoperire de rocă sterilă din interiorul casei din busteni, adâncind treptat casa din busteni. Apoi a fost selectată și roca care conține fier de mlaștină. S-au adăugat sulurile de bușteni pe măsură ce casa de bușteni se adâncea.
Apa care curgea constant a fost evacuată periodic. Desigur, era posibil să sapi pur și simplu fără a întări pereții cu bușteni, dar în cazul unei prăbușiri foarte probabile a solului spălat și a lucrătorilor care adorm în groapă - era puțin probabil ca cineva să poată fi salvat - oamenii rapid sufocat și înecat. Avantajele acestei metode: capacitatea de a selecta întregul strat care conține fier de mlaștină și costuri mai mici cu forța de muncă în comparație cu a doua metodă. În plus, chiar înainte de începerea exploatării a fost posibilă determinarea aproximativă a calității materiilor prime extrase („localnicii judecă bunătatea minereului și după tipul de arbori care cresc pe el; astfel, cel găsit sub mesteacănul și aspenul sunt considerați cei mai buni, deoarece fierul din acesta este mai moale, iar în locurile în care crește pădurea de molid, este mai dur și mai puternic").
Dezavantaje: trebuie să lucrezi în apă tot timpul.

În general, vechii mineri ruși au avut dificultăți. Acum, desigur, recreatorii din întreaga lume fac excursii și chiar fac gropi în locuri mai uscate și mai accesibile, unde pot extrage cu ușurință niște minereu de mlaștină:

Copiii reenactorilor sunt fericiți. În secolul al IX-lea, cred că totul era diferit.

Totuși, pentru a înțelege situația din Rus' în secolele IX-XII, trebuie să înțelegem scară pescuitul care a fost organizat de strămoșii noștri pe o resursă atât de risipitoare precum plasacii de mlaștină.

La urma urmei, dacă procesul de dezgropare a nămolului în mlaștini în sine nu a lăsat urme care să poată fi urmărite de-a lungul secolelor, atunci prelucrarea ulterioară a fierului de mlaștină a lăsat urme în stratul cultural și ce fel de ele!

Într-adevăr, pentru procesul de suflare a brânzei, care la acea vreme era folosit în metalurgia rusă antică și producea zgură foarte feroasă, era necesar foarte bogat minereu de fier. Și limonitul, după cum ne amintim, este un minereu sărac.
Pentru a obține un concentrat bun de limonit a fost necesară pre-îmbogățirea minereurilor exploatate - atât de mlaștină, cât și de luncă. Prin urmare, metalurgiștii ruși antici au îmbogățit în mod necesar minereurile de fier din mlaștină care intrau în topire.

Operația de îmbogățire a fost o condiție tehnologică foarte importantă pentru producerea fierului în cuptoarele de brânză.
Studiile ulterioare, prin analiza monumentelor istorice, au relevat următoarele metode de îmbogățire cu minereu:

1) uscare (intemperii, în decurs de o lună);
2) tragere;
3) măcinare;
4) spălare;
5) cernerea.

Producția de minereu foarte concentrat nu putea fi limitată la doar una sau două operațiuni, ci necesita o prelucrare sistematică prin toate metodele de mai sus. O operațiune binecunoscută din punct de vedere arheologic este prăjirea minereului.
După cum înțelegeți, prăjirea a necesitat și combustibil de înaltă calitate (cărbune) și, de asemenea, în cantități considerabile.

În timpul explorării arheologice din apropierea satului Lasuna de pe coasta Golfului Finlandei, într-una dintre gropi a fost descoperită o grămadă de minereu ars. Pentru toate operațiunile de îmbogățire a minereului este nevoie de un echipament foarte simplu: pentru zdrobirea minereului - un bloc de lemn și mortar, iar pentru cernere și spălare - o sită de lemn (plasă de tije).
Dezavantajul arderii minereului de mlaștină în foc și gropi a fost îndepărtarea incompletă a apei din acesta la prăjirea bucăților mari și pierderile mari la prăjirea bucăților mici.

ÎN producție modernă, desigur, îmbogățirea este mult mai simplă - minereul zdrobit fin este amestecat cu același cocs măcinat și introdus într-un dispozitiv similar cu o mașină de tocat carne mare. Snecul alimentează amestecul de minereu și cocs pe o rețea cu orificii nu mai mari de 8 mm. Strângând prin găuri, un astfel de amestec omogen intră în flacără, în timp ce cocsul arde, topind minereul și, în plus, sulful este ars din minereu, astfel apare simultan desulfurarea materiilor prime.

La urma urmei, fierul din mlaștină, ca și cărbunele, conține impurități dăunătoare - sulf și fosfor. Desigur, a fost posibil să se găsească materii prime care conțin puțin fosfor (ei bine, relativ puțin - există întotdeauna mai puțin în fierul din minereu decât în ​​fierul din mlaștină). Dar era aproape imposibil să găsești fier de mlaștină care conține puțin fosfor și sulf. Prin urmare, pe lângă întreaga industrie a extracției fierului din mlaștină, a apărut o industrie la fel de mare a îmbogățirii sale.

Pentru a înțelege scopul acestei acțiuni, voi da un exemplu: în timpul săpăturilor din Old Ryazan în 16 din 19 locuinţe ale cetăţenilor Au fost descoperite urme de gătit „acasă” a fierului în oale într-un cuptor obișnuit.
Călătorul vest-european Jacob Reitenfels, care a vizitat Moscovia în 1670, a scris că „țara moscoviților este o sursă vie de pâine și metal”.

Așadar, într-un loc gol, fără nimic sub ele, cu excepția solurilor sărace de pădure, cu mesteacăni pierniciți și turbării, strămoșii noștri au descoperit dintr-o dată o „mină de aur” literalmente sub picioarele lor. Și chiar dacă nu a fost un filon, ci un placer, și nu aur, ci fier, situația nu s-a schimbat.

Țara încă în curs de dezvoltare și-a primit locul în lume și o cale civilizațională care o va duce la tunurile Balaklava, la tancul T-Z4 și la ICBM Topol-M.
Resurse. Loc de munca. Productie. Armă.

Pentru că, având resurse, ajungi inevitabil la arme. Sau - altcineva vine pentru resursele tale.
Epoca fierului a început în Rus'.
Un secol – sau mai bine zis, un mileniu – de arme rusești.

Un mileniu în care sabia se va ridica - și va cădea din nou, după ce următorul inamic va fi înfrânt și aruncat din pădurile de mesteacăn și din mlaștinile de turbă.

Iar duşmanii nu au întârziat să vină.
Într-adevăr, în secolul al X-lea cursa înarmărilor din Epoca Fierului câștiga deja avânt.

Lideri:

A.M. Prost

V.F. Kuznetsova

Introducere

De multă vreme ne interesează istoria dezvoltării metalurgiei în regiunea noastră; această istorie este legată în principal de frații Batashov, care dețineau fabrici în raionul nostru. În anii precedenți, le-am cercetat fabricile din Ilev, Snoved, precum și din Ryazan și regiunile Vladimir. Se știe că la fabricile Batashov a existat un ciclu metalurgic complet: de la exploatarea minereului până la fabricarea produselor din fier. În procesul de studiu a istoriei fabricilor, am fost foarte interesați de dezvoltarea tehnologiei metalurgice și am dedicat această lucrare procesului antic de producere a fierului.

Dezvoltarea metalurgiei fierului

Primele obiecte de fier cunoscute de arheologi datează din secolul al X-lea î.Hr. Primul fier era foarte apreciat și nu a fost folosit imediat pentru fabricarea uneltelor. Cea mai veche metodă de obținere a fierului din minereu a fost așa-numita metodă de suflare a brânzei, în care minereul de fier și cărbunele sunt încărcate într-o forjă sau cuptor, în timpul arderii căreia fierul este redus parțial din minereu. Aerul „brut”, neîncălzit a fost pompat în forjă, de unde provine numele tehnicii în sine. Topirea minereului de fier zdrobit într-o forjă amestecată cu cărbune avea loc la temperaturi ridicate. Pe măsură ce cărbunele ardea, boabele solide de fier, recuperate din minereu, s-au scufundat pe fundul cuptorului și, atunci când au fost sudate, au format un cheag spongios numit kritsa. Pentru compactarea metalului, kritsa înghețată scoasă din forjă a fost forjată de mai multe ori, obținându-se o bucată monolitică de fier cu o greutate de până la 5-6 kg. Produsele din metalurgie au primit o formă rotundă, plată de tort.

Ulterior, în producția de fier, forjele primitive au fost înlocuite cu furnalele înalte: aceste cuptoare sunt mai mari ca dimensiuni, mai productive și ating și temperaturi mai ridicate. Produsul unui furnal este fonta brută (fier cu un conținut ridicat de carbon), care este apoi prelucrat în fier sau oțel.

Scopurile și obiectivele lucrării

Scopul lucrării: să reconstruiască metoda de fabricare a brânzei de obţinere a fierului în condiţii moderne.

Sarcini:

1) Găsiți minereul necesar pentru a topi fierul.

2) Construiți un cuptor care să se potrivească cât mai bine cu modelele antice.

3) Efectuați procesul de topire.

4) Analizați probele obținute.

Descrierea producției de fier în literatură

Una dintre sursele din care am restaurat metoda antică de obținere a fierului a fost cartea lui Jules Verne „Insula misterioasă”. Cartea descrie cum mai mulți oameni au ajuns pe o insulă pustie purtând aceleași haine și și-au creat treptat diverse facilități, inclusiv topirea fierului pentru propriile nevoi.

Metoda lor de topire a fost numită „catalană”. A fost după cum urmează. „Metoda catalană în sensul său cel mai adevărat necesită construirea de cuptoare și creuzete în care sunt așezate minereu și cărbune în straturi.” Dar eroul cărții, inginerul Cyrus Smith, a intenționat să se descurce fără aceste structuri. El a ridicat „o structură cubică de cărbune și minereu și a direcționat un curent de aer în centrul acesteia”. „Cărbunele, precum și minereul, au fost ușor adunate în apropiere, direct de pe suprafața pământului. În primul rând, minereul a fost zdrobit în bucăți mici și curățat manual de murdărie. Apoi cărbunele și minereul au fost îngrămădite strat cu strat, la fel cum face un miner de cărbune cu lemnul pe care vrea să-l ardă. Astfel, sub influența aerului pompat de burduf, cărbunele a trebuit să se transforme în dioxid de carbon și apoi în monoxid de carbon, care urma să restaureze minereul de fier magnetic, adică să ia oxigenul din acesta.” Suflarea de aer a fost organizată folosind burdufuri din piele de focă.

Fierul de călcat a fost obținut, dar „s-a dovedit dificil. A fost nevoie de toată răbdarea și toată ingeniozitatea coloniștilor pentru a o implementa cu succes. În cele din urmă, a avut succes, și s-a obținut un semifabricat de fier în stare spongioasă, care mai trebuia forjat pentru a elimina zgura lichidă din el. Astfel, s-a obținut un metal dur, dar utilizabil.”

Am încercat să aducem în realitate ceea ce a fost descris de Jules Verne. Principala diferență între metoda noastră a fost că am folosit o sobă.

Procesul de obținere a fierului

Exploatarea minereului

Pe 3 iunie 2010, am mers să explorăm împrejurimile satului Elizaryeva, unde, după cum știam, existau mine de minereu de fier. De la Sarov am ajuns la loc in aproximativ 20 de minute. Ajunși la locul, ne-am dus să căutăm minereu, care ar fi trebuit să fie situat în zona vechilor mine. Cele mai multe minereu l-am găsit acolo unde nu era iarbă și s-a îndepărtat un strat de pământ (șanț de foc) sau compactat (drum). În șanț am găsit majoritatea minereului de diferite dimensiuni, până la 15*10*10 cm (aproximativ). Minereul era în mare parte gri și maro. Minereul predominant este de culoare maro. Am adunat o găleată de minereu. Am văzut și aproximativ o duzină de rămășițe de țevi, care erau umplute și deja acoperite cu iarbă.

Țeavă veche lângă satul Elizaryeva

Minereu de fier

Măcinarea minereului

Am decis să zdrobim minereul la o dimensiune de cel mult 1 cm 3 pentru a fi mai ușor de topit. Am zdrobit tot minereul din găleată și am obținut aproximativ 3/5 din găleată de minereu zdrobit.

Așezarea cuptorului

Fragmente de cărămizi nisip-var au fost folosite pentru cuptor. Cuptorul a fost așezat folosind un amestec de ciment și nisip. Am amestecat mortarul și am stivuit cărămizile rând cu rând în cuptor, ținându-le împreună cu mortarul.

Prepararea soluției

Cuptorul nostru

Siguranță

Soba a fost preîncălzită prin arderea lemnelor în ea timp de o oră și jumătate.

Am turnat minereu în cuptorul încălzit, iar apoi cărbune, cumpărat de la magazin, în straturi. A trebuit să atingem o temperatură de 900 de grade Celsius, așa că pe lângă condițiile pe care ni le oferă natură, a trebuit să folosim aspiratoare pentru suflare (imitație de burduf). Erau două aspiratoare și s-au pornit unul câte unul, lucrând 30 de minute fără pauză. Dar după o oră de topire, cuptorul a început să crape, deoarece cărămida nisipo-var nu putea rezista la astfel de temperatura ridicata. Dar, în ciuda faptului că s-a crăpat, topitura nu s-a destrămat în 2 ore și 30 de minute. În timpul procesului de topire, am măsurat temperatura din interiorul cuptorului folosind un dispozitiv special. A variat între 800 și 1300 de grade Celsius. Întregul proces de pregătire a durat 4 ore.

Suflare de aer. În fotografie - Valentina Fedorovna Kuznetsova - proprietarul aspiratorului

Măsurătorile temperaturii folosind un pirometru sunt efectuate de Alexey Kovalev

Rezultat de topire

După ce a doua zi am demontat aragazul, am scos din ea bucăți de culoare gri cu un luciu metalic slab.

Demontarea aragazului

Mostre din metalul rezultat

Se pare că a avut loc o reacție metalurgică (înainte și după)

O încercare de a forja metalul rezultat

Urmând metoda descrisă de Jules Verne, probele din metalul rezultat au trebuit să fie forjate. Pentru aceasta, i-am dus la forjă, unde fierarul i-a încălzit într-o forjă, dar sub ciocanul lui metalul nostru s-a prăbușit. O examinare efectuată într-unul dintre laboratoarele VNIIEF a arătat că substanța rezultată este formată din 20% fier, iar restul oxizi de fier.

Concluzie

Am primit metalul, dar s-a dovedit a fi nepotrivit pentru realizarea oricăror produse.

Ce a fost al nostru posibilă eroare? Am postat experiența noastră online și am primit multe comentarii, dintre care unele au fost valoroase.

În special, un utilizator cu porecla 3meys ne-a spus:

„La topirea minereului, temperatura ar trebui să fie de ~900 de grade și ar trebui să existe cât mai puțin oxigen nears posibil, astfel încât să nu oxideze metalul înapoi.”

Din aceasta concluzionăm că am avut o temperatură puțin mai mare decât era necesar, iar fierul redus s-a oxidat, ceea ce explică fragilitatea și porozitatea probelor pe care le-am obținut.

Cu toate acestea, credem că ne-am atins obiectivele - am efectuat topirea, în urma căreia s-a realizat procesul metalurgic. Cu experimentul nostru, suntem mai aproape de înțelegerea producției metalurgice antice.

Mulțumiri

Autorul și managerii mulțumesc angajaților Institutului de fizică a exploziilor din Centrul nuclear federal rus-VNIIEF Alexey Evgenievich Kovalev pentru măsurarea temperaturii cu ajutorul unui pirometru și lui Mihail Igorevich Tkachenko pentru efectuarea analizei de difracție cu raze X a minereului și a metalului.

Bibliografie

1. Mihailov L. (supraveghetori A.M. Podurets, V.F. Kuznetsova). fabricile Unzhensky ale Batashevs. Raport la lecturile școlii Kharitonov, Sarov, 2010.
2. Voskoboynikov V.G., Kudrin V.A., Yakushev A.M. Metalurgie generală. Moscova, 2002.
3. http://erzya.ru/culture/57-krichniki.html
4. Vern J. Insula misterioasă. Minsk, 1984.
5. http://leprosorium.ru/comments/948169.

Aplicație

Comparația tehnologiei de astăzi, în secolele XVII - XVIII (ieri) și a noastră

Exploatarea minereului:

Măcinarea minereului:

Primirea cărbunelui:

Minereul de fier este obținut în mod obișnuit: exploatare în cariera sau subterană și transportul ulterioar până la pregătirea inițială, unde materialul este zdrobit, spălat și prelucrat.

Minereul este turnat într-un furnal și explodat cu aer cald și căldură, ceea ce îl transformă în fier topit. Apoi este scos din fundul cuptorului în forme cunoscute sub numele de porci, unde se răcește pentru a produce fontă. Este transformat în fier forjat sau prelucrat în oțel în mai multe moduri.

Ce este oțelul?

La început a existat fierul. Este unul dintre Se poate găsi aproape peste tot, combinat cu multe alte elemente, sub formă de minereu. În Europa, începutul lucrului cu fier datează din anul 1700 î.Hr.

În 1786, oamenii de știință francezi Berthollet, Monge și Vandermonde au determinat cu exactitate că diferența dintre fier, fontă și oțel se datorează conținutului diferit de carbon. Cu toate acestea, oțelul, fabricat din fier, a devenit rapid cel mai important metal al Revoluției Industriale. La începutul secolului al XX-lea, producția globală de oțel era de 28 de milioane de tone, de șase ori mai mult decât în ​​1880. Până la începutul Primului Război Mondial, producția sa a fost de 85 de milioane de tone. În câteva decenii, practic a înlocuit fierul.

În prezent, există peste 3.000 de mărci catalogate (compuși chimici), fără a se număra pe cele create pentru a răspunde nevoilor individuale. Toate contribuie la transformarea oțelului în cel mai potrivit material pentru rezolvarea provocărilor viitorului.

Materii prime pentru fabricarea oțelului: primare și secundare

Topirea acestui metal folosind multe componente este cea mai comună metodă de exploatare. Materialele de încărcare pot fi primare sau secundare. Compoziția principală a încărcăturii este de obicei 55% fontă și 45% resturi de metal rămase. Feroaliajele, fonta transformată și metalele pure din punct de vedere tehnic sunt utilizate ca element principal al aliajului; elementele secundare, de regulă, includ toate tipurile de metal feros.

Minereul de fier este cea mai importantă și de bază materie primă în industria siderurgică. Pentru a produce o tonă de fontă, sunt necesare aproximativ 1,5 tone din acest material. Pentru a produce o tonă de fontă, se folosesc aproximativ 450 de tone de cocs. Multe fabrici metalurgice chiar folosesc

Apa este o materie primă importantă pentru industria siderurgică. Este folosit în principal pentru stingerea cocsului, răcirea furnalelor, generarea de abur în ușile de funcționare a echipamentelor hidraulice și îndepărtarea Ape uzate. Este nevoie de aproximativ 4 tone de aer pentru a produce o tonă de oțel. Fluxul este utilizat într-un furnal pentru a îndepărta impuritățile din minereu de topire. Calcarul și dolomita se combină cu impuritățile extrase pentru a forma zgură.

Atât furnalele, cât și cele din oțel sunt căptușite cu materiale refractare. Sunt utilizate pentru cuptoarele de căptușeală proiectate pentru topirea minereului de fier. Pentru turnare se folosește silice sau nisip. Aluminiul, crom, cobalt, cupru, plumb, mangan, molibden, nichel, staniu, wolfram, zinc, vanadiu, etc sunt folosite pentru a produce diferite grade de oțel.Din toate aceste feroaliaje, manganul este utilizat pe scară largă în topirea oțelului.

Deșeuri de fier obținute din structurile demontate ale fabricilor, mecanisme, vechi Vehicul etc sunt prelucrate și utilizate pe scară largă în această industrie.

Fontă pentru oțel

Topirea oțelului cu fontă se realizează mult mai des decât cu alte materiale. Fonta este un termen care se referă de obicei la fonta cenușie, dar este, de asemenea, identificat cu un grup mare de feroaliaje. Carbonul reprezintă aproximativ 2,1 până la 4% în greutate, în timp ce siliciul reprezintă de obicei 1 până la 3% în greutate în aliaj.

Fierul și oțelul sunt topite la un punct de topire între 1150 și 1200 de grade, care este cu aproximativ 300 de grade mai mic decât punctul de topire al fierului pur. Fonta prezintă, de asemenea, o fluiditate bună, prelucrabilitate excelentă și rezistență la deformare, oxidare și turnare.

Oțelul este, de asemenea, un aliaj de fier cu conținut variabil de carbon. Conținutul de carbon al oțelului variază de la 0,2 la 2,1% în masă și este cel mai economic material de aliere pentru fier. Topirea oțelului din fontă este utilă pentru o varietate de scopuri de inginerie și structurale.

Minereu de fier pentru oțel

Procesul de topire a oțelului începe cu prelucrarea minereului de fier. Roca care conține minereul de fier este zdrobită. Minereul este extras cu role magnetice. Minereul de fier cu granulație fină este procesat în bulgări cu granulație grosieră pentru a fi utilizat în furnal. Cărbunele este purificat de impurități, rezultând o formă aproape pură de carbon. Amestecul de minereu de fier și cărbune este apoi încălzit pentru a produce fier topit sau fontă brută, care este folosită la fabricarea oțelului.

În cuptorul principal cu oxigen, minereul de fier topit este principala materie primă și este amestecat cu cantități diferite de fier vechi și aliaje pentru a produce diferite grade de oțel. Un cuptor cu arc electric topește deșeurile de oțel reciclate direct în oțel nou. Aproximativ 12% din oțel este fabricat din material reciclat.

Tehnologia de topire

Topirea este procesul prin care un metal este obținut fie ca element, fie ca simplu compus din minereul său prin încălzire peste punctul său de topire, de obicei în prezența agenților oxidanți precum aerul sau a agenților reducători precum cocsul.

În tehnologia de fabricare a oțelului, un metal care se combină cu oxigenul, cum ar fi oxidul de fier, este încălzit la o temperatură ridicată, iar oxidul se formează în combinație cu carbonul din combustibil, care iese ca monoxid de carbon sau dioxid de carbon.
Alte impurități, numite colectiv vene, sunt îndepărtate prin adăugarea unui curent cu care se combină pentru a forma zgură.

Topirea modernă a oțelului folosește un cuptor cu reverberație. Minereu și flux concentrat (de obicei calcar) sunt încărcate în partea de sus, iar mata topită (un compus din cupru, fier, sulf și zgură) este trasă de jos. Un al doilea tratament termic într-un cuptor convertor este necesar pentru a îndepărta fierul de pe suprafața mată.

Metoda oxigen-convecție

Procesul BOF este cel mai important proces de fabricare a oțelului din lume. Producția mondială oțel de conversie în 2003 sa ridicat la 964,8 milioane de tone sau 63,3% din producția totală. Producția de convertizor este o sursă de poluare a mediului mediul natural. Principalele provocări ale acesteia sunt reducerea emisiilor, a deversărilor și reducerea deșeurilor. Esența lor constă în utilizarea energiei secundare și a resurselor materiale.

Căldura exotermă este generată de reacțiile de oxidare în timpul purgerii.

Principalul proces de fabricare a oțelului folosind propriile noastre rezerve:

• Fonta topită (numită uneori metal fierbinte) dintr-un furnal este turnată într-un recipient mare căptușit ignifug numit oală.
• Metalul din oală este trimis direct la etapa principală de producție a oțelului sau de preprocesare.
• Oxigenul de înaltă puritate la o presiune de 700-1000 kilopascali este injectat la viteze supersonice pe suprafața băii de fier printr-o lance răcită cu apă care este suspendată într-un vas și ținută la câțiva metri deasupra băii.

Decizia de pretratare depinde de calitatea metalului fierbinte și de necesar calitate finală deveni. Primele convertoare cu fund detașabil, care ar putea fi detașate și reparate, sunt încă în uz. S-au schimbat sulitele folosite la suflare. Pentru a preveni blocarea tubului în timpul purjării, s-au folosit manșete cu fante cu un vârf lung de cupru conic. Vârfurile vârfurilor, după ardere, ard CO produs prin suflarea în CO 2 și oferă căldură suplimentară. Pentru îndepărtarea zgurii se folosesc săgeți, bile refractare și detectoare de zgură.

Metoda oxigen-convecție: avantaje și dezavantaje

Nu necesită costuri pentru echipamentele de purificare a gazelor, deoarece formarea de praf, adică evaporarea fierului, este redusă de 3 ori. Datorită scăderii randamentului fierului, se observă o creștere a randamentului oțelului lichid cu 1,5 - 2,5%. Un alt avantaj este că intensitatea purjării în această metodă crește, ceea ce face posibilă creșterea productivității convertorului cu 18%. Calitatea oțelului este mai mare deoarece temperatura din zona de suflare este redusă, ceea ce duce la scăderea formării azotului.

Dezavantajele acestei metode de topire a oțelului au dus la o scădere a cererii de consum, deoarece nivelul consumului de oxigen crește cu 7% din cauza consumului ridicat de ardere a combustibilului. Există un conținut crescut de hidrogen în metalul prelucrat, motiv pentru care este necesar să se efectueze purjarea cu oxigen pentru ceva timp după terminarea procesului. Dintre toate metodele, metoda convertorului de oxigen are cea mai mare formare de zgură; motivul este incapacitatea de a monitoriza procesul de oxidare din interiorul echipamentului.

Metoda vatră deschisă

Procesul cu vatră deschisă a cuprins cea mai mare parte a prelucrării întregului oțel produs în lume în cea mai mare parte a secolului al XX-lea. William Siemens a căutat în anii 1860 un mijloc de creștere a temperaturii într-un cuptor metalurgic, reînviind o veche propunere de a folosi căldura reziduală generată de cuptor. A încălzit cărămida la o temperatură ridicată, apoi a folosit aceeași cale pentru a introduce aer în cuptor. Aerul preîncălzit a crescut semnificativ temperatura flăcării.

Ca combustibil se folosesc gaze naturale sau uleiuri grele atomizate; aerul și combustibilul sunt încălzite înainte de ardere. Furnalul este încărcat cu fier lichid și resturi de oțel împreună cu minereu de fier, calcar, dolomit și fluxuri.

Soba în sine este realizată din materiale foarte refractare, cum ar fi cărămizi de magnezit pentru vetre. Cuptoarele cu vatră deschisă cântăresc până la 600 de tone și sunt instalate de obicei în grupuri, astfel încât echipamentele auxiliare masive necesare pentru încărcarea cuptoarelor și procesarea oțelului lichid să poată fi utilizate eficient.

Deși procesul cu vatră deschisă a fost aproape complet înlocuit în majoritatea țărilor industrializate de procesul de bază cu oxigen și cuptorul cu arc electric, acesta produce aproximativ 1/6 din tot oțelul produs la nivel mondial.

Avantajele și dezavantajele acestei metode

Avantajele includ ușurința de utilizare și ușurința de producție a oțelului aliat cu diverși aditivi care conferă materialului diverse proprietăți specializate. Aditivii și aliajele necesare se adaugă imediat înainte de sfârșitul topirii.

Dezavantajele includ eficiența redusă în comparație cu metoda convertorului de oxigen. De asemenea, calitatea oțelului este mai scăzută în comparație cu alte metode de topire a metalelor.

Metoda electrică de fabricare a oțelului

Metoda modernă de topire a oțelului folosind propriile rezerve este un cuptor care încălzește materialul încărcat folosind un arc electric. Cuptoarele industriale cu arc variază ca dimensiuni de la unități mici cu o capacitate de încărcare de aproximativ o tonă (folosite în turnătorii pentru a produce produse din fontă) până la unități de 400 de tone utilizate în metalurgia secundară.

Cuptoarele cu arc folosite în laboratoarele de cercetare pot avea o capacitate de doar câteva zeci de grame. Temperaturile cuptorului cu arc electric industrial pot fi de până la 1800 °C (3,272 °F), în timp ce instalațiile de laborator pot depăși 3000 °C (5432 °F).

Cuptoarele cu arc diferă de cuptoarele cu inducție prin faptul că materialul de încărcare este expus direct arcului electric, iar curentul din terminale trece prin materialul încărcat. Cuptorul cu arc electric este utilizat pentru producția de oțel, constă dintr-o căptușeală refractară, de obicei răcită cu apă, are dimensiuni mari și acoperit cu un acoperiș retractabil.

Cuptorul este împărțit în principal în trei secțiuni:

• Carcasă formată din pereți laterali și un vas inferior din oțel.
• Vatra este formata dintr-un refractar care extinde vasul inferior.
• Acoperișul căptușit cu foc sau răcit cu apă poate fi proiectat ca o secțiune bilă sau ca un trunchi de con (secțiune conică).

Avantajele și dezavantajele metodei

Această metodă ocupă o poziție de lider în domeniul producției de oțel. Metoda de topire a oțelului este folosită pentru a crea un metal de înaltă calitate care este fie complet lipsit de impurități nedorite, fie care conține cantități mici de impurități nedorite, cum ar fi sulful, fosforul și oxigenul.

Principalul avantaj al metodei este încălzirea, datorită căreia puteți controla cu ușurință temperatura de topire și puteți obține rate de încălzire incredibile pentru metal. Munca automatizată va fi un plus plăcut la oportunitatea excelentă de prelucrare de înaltă calitate a diferitelor fier vechi.

Dezavantajele includ consumul ridicat de energie.

Procesul de obținere a fierului începe cu etapa de topire a fontei, care conține o cantitate semnificativă de carbon (care pătrunde în fontă din cocs sau cărbune folosit la topirea minereului). Fonta este foarte dură, dar este fragilă. Carbonul poate fi îndepărtat complet din fontă. Fierul forjat rezultat este un material maleabil, dar relativ moale. O anumită cantitate de carbon este reintrodusă în el și rezultatul este oțel care are suficientă duritate și, în același timp, suficientă duritate.

Calculați cantitatea de energie electrică necesară pentru a topi 1 tonă de fontă într-un cuptor electric, dacă presupunem a) reacția de reducere a fierului în cuptor decurge conform următoarei diagrame:

Toate procesele metalurgice pot fi împărțite în primare și secundare. Prin procese primare se intelege extragerea metalului din diverse materii prime naturale sau artificiale (procedeul furnalului, extragerea directa a fierului, topirea fierului).

În toate procesele de topire, oțelul lichid conține o cantitate mică de oxigen dizolvat (până la 0,1%). În timpul cristalizării oțelului, oxigenul reacționează cu carbonul dizolvat pentru a forma monoxid de carbon (C). Acest gaz (precum și alte gaze dizolvate în oțel lichid) este eliberat din oțel sub formă de bule. În plus, oxizii de fier și impuritățile metalice sunt eliberați de-a lungul granițelor oțelului. Toate acestea duc la deteriorare proprietăți mecanice deveni.

Manganul este extras sub formă de feromangan, care conține 85-88% mangan, până la 7% carbon, restul este fier. Ferromanganul este topit dintr-un amestec de mangan și minereuri de fier folosind cărbune ca agent reducător. Ecuația de reacție pentru reducerea MnOz

În timpul oxidării carbonului și impurităților, o parte din fierul metalic este oxidat la FeO oxid (deșeuri de metal). Pentru a reduce pierderile de metal, acesta este regenerat, adică redus la fier. În conformitate cu aceasta, în procesul de topire a oțelului, se disting două perioade secvențiale - oxidativă și de reducere, care pot fi reprezentate prin diagramă.

B. Perioada de recuperare a topirii în timpul topirii oțelului cu convertizor de oxigen este separată spațial de perioada de oxidare și are loc după ce oțelul este eliberat din convertor în oală. Concomitent cu reducerea oxidului de fier FeO în reducerea

Procesul tehnologic de prelucrare a minereului de fier, cărbunelui, calcarului și combustibililor hidrocarburi în produsul final poate fi împărțit în 3-4 etape principale, care se desfășoară separat pentru a obține un produs specific, care în etapa următoare este procesat într-un nou tip. de produs. Diferite etape ale procesului pot avea loc într-una singură instalatie tehnologica. Acest lucru nu numai că va economisi energia și costurile de transport, dar va simplifica și proces tehnologic. Principalele etape tehnologice ale producției de fontă și oțel sunt următoarele: pregătirea materiilor prime (cocsificarea cărbunelui, prăjirea calcarului, producerea de sinterizare a minereului de fier și peleți) producția de fontă (topirea prin explozie, producția de fontă burete). prin reducerea directă a fierului) oțel (în cuptoare cu focar deschis și cu arc electric, Bessemer și convertoare de oxigen de bază) produse laminate (turnare continuă de țagle, laminare oțel lung, producție de țevi, forjare).

Primele metale folosite au fost probabil aurul și argintul, deoarece puteau fi găsite în natură în stare liberă. Au fost folosite în principal în produse decorative. Cuprul a început să fie folosit în jurul anului 8000 î.Hr. pentru fabricarea de unelte, arme, ustensile de bucătărie și bijuterii. În jurul anului 3800 î.Hr., a fost inventat bronzul - un aliaj de cupru și staniu. Ca urmare, omenirea a trecut din epoca de piatră la epoca bronzului. Apoi a fost găsită o modalitate de a topi fierul și a început Epoca Fierului. Pe măsură ce oamenii și-au acumulat experiment chimic, cercul sa extins materiale utile, pe care omul a învățat să-l obțină prin prelucrarea unei mari varietati de minereuri.

Metodele pirometalurgice de topire a cuprului nu sunt recomandate pentru prelucrarea minereurilor de calitate scăzută care nu pot fi îmbogățite. Această categorie include minereurile oxidate, atât de calitate scăzută, cât și de calitate superioară, precum și haldele de minereuri sulfurate cu grad scăzut și de steril de la procesare. Pentru această materie primă se folosesc metode de levigare a cuprului din minereu și extragerea acestuia din soluții prin precipitare a fierului sau electroliză cu anozi insolubili.

Cel mai comun minereu din care se obține cromul este minereul de crom de fier PeCgaO. Calculați conținutul (în procente) de impurități din minereu dacă se știe că din 1 tonă din acesta în timpul topirii s-au obținut 240 kg de ferocrom (un aliaj de fier și crom) care conține 65% crom.

Care este conținutul relativ în greutate de fier din acest minereu (în procente) Cât carbon va fi necesar pentru a topi fierul din

Utilizarea complexă a minereurilor sulfurate polimetalice produce o varietate de metale neferoase, acid sulfuric și oxid de fier pentru topirea fontei. Exemple de utilizare integrată a materialelor naturale, care sunt amestecuri de substanțe organice, includ cocsificarea cărbunelui împreună cu acesta. producție chimică, prelucrarea petrolului, șisturilor, turbei și lemnului. Din fiecare tip de combustibil se obțin sute de produse. Anterior, atunci când cărbunele de cocsificare, singurul produs al procesului era cocsul, gazul era ars în cuptoare, iar gudronul era aruncat. În prezent, hidrocarburile benzenice, amoniacul, hidrogenul sulfurat și alte substanțe valoroase sunt izolate din gazul cuptorului de cocs.

Topirea sticlei. Sticla poate fi transparentă sau translucidă, incoloră sau colorată. Este un produs de topire la temperaturi ridicate a unui amestec de siliciu (cuarț sau nisip), sodă și calcar. Pentru a obține optice specifice sau neobișnuite și altele proprietăți fizice alte materiale (aluminiu, potasiu, borat de sodiu, silicat de plumb sau carbonat de bariu) sunt utilizate ca aditiv la topitură sau înlocuitor pentru o parte din soda și calcarul din încărcătură. Topiturile colorate se formează ca urmare a adăugării de oxizi de fier sau crom (galben sau verde), sulfură de cadmiu (portocaliu), oxizi de cobalt (albastru), mangan (violet) și nichel (violet). Temperaturile la care aceste ingrediente trebuie încălzite depășesc 1500 °C. Sticla nu are un punct de topire specific și se înmoaie la o stare lichidă la o temperatură de 1350-1600 ° C. Consumul de energie chiar și în cuptoarele bine proiectate este de aproximativ 4187 kJ/kg de sticlă produsă. Temperatura necesară a flăcării (1800-1950 °C) este atinsă prin arderea gazului amestecat cu aer, încălzit la 1000 °C într-un schimbător de căldură regenerativ, care este construit din cărămizi refractare și încălzit prin deșeuri de ardere. Gazul este suflat într-un curent de aer cald prin pereții laterali ai capului superior ai regeneratorului, care este camera de ardere principală, iar produsele de ardere, după ce au emis căldură topiturii de sticlă, părăsesc cuptorul și intră în regenerator. situat vizavi. Când temperatura aerului de încălzire furnizat arderii scade semnificativ, fluxurile de aer și produse de ardere sunt inversate și gazul începe să curgă în fluxul de aer încălzit în regeneratorul situat vizavi.

Electrozii corona din precipitatoarele electrostatice verticale sunt sârmă subțire rotundă, sârmă cu vârfuri mici sau sârmă cu o secțiune transversală pătrată sau în formă de stea. Deoarece electrozii corona au adesea peste 6 m lungime, fir rotund, deși suficient de subțire pentru a oferi o coroană stabilă, este posibil să nu fie suficient de puternici, mai ales că sunt supuși vibrațiilor în timpul tremurării. În acest sens, se folosește sârmă de ecartament mai mare cu o secțiune transversală pătrată sau în formă de stea, cu margini ascuțite, care asigură formarea unei coroane stabile. În unele precipitatoare electrostatice, electrozii de sârmă ghimpată sunt preferați, iar cel mai recent au fost utilizați pentru a depune ceață de oxid de fier în topirea oțelului cu oxigen.

Principiul utilizării deșeurilor industriale (utilizarea integrată a materiilor prime, tehnologie fără deșeuri). Transformarea deșeurilor în subproduse de producție permite o mai bună utilizare a materiilor prime, ceea ce la rândul său reduce costurile produselor și previne poluarea. mediu inconjurator. De exemplu, procesarea complexă a minereurilor sulfurate polimetalice produce metale neferoase, sulf, acid sulfuric și oxid de fier (III) pentru topirea fontei. Utilizarea integrată a materiilor prime servește drept bază pentru combinarea întreprinderilor. În același timp, apar noi industrii care procesează deșeurile de la întreprinderea principală, ceea ce dă un mare efect economic si este elementul cel mai important chimizarea economiei nationale.

Metalele pot fi extrase din minereurile lor direct prin reducere electrolitică sau chimică. Reducerea electrolitică, despre care a fost deja discutată în Sect. 19.6, este utilizat la scară industrială pentru a obține cele mai active metale sodiu, magneziu și aluminiu. Metalele mai puțin reactive - cuprul, fierul și zincul - sunt produse la scară industrială prin reducere chimică, majoritatea metalelor mai puțin reactive obținute prin reducerea topiturii la temperatură înaltă. Prin urmare, astfel de procese se numesc topire.

Dioxidul de carbon este produs prin reducerea oxidului de fier [Ecuația (22.20)] și, de asemenea, prin descompunerea calcarului. Dar calcarul joacă nu doar rolul de furnizor de dioxid de carbon în topirea fierului. De obicei, minereul recuperat conține

La topirea fierului, zgura plutește pe suprafața metalului topit, protejându-l de oxidarea de către aerul care intră. Fierul și zgura rezultate sunt îndepărtate periodic din cuptor. Fierul produs într-un furnal se numește fontă și conține până la 5% carbon și până la 2% alte impurități - siliciu, fosfor și sulf.

Când fonta este topită într-un furnal, au loc diferite procese chimice, în special reducerea oxidului de fier (III) cu oxidul de carbon (II), care poate fi exprimată prin ecuația Fe203 + 3C0 = Fe-(-3C02.

Reacțiile chimice în timpul topirii fierului și oțelului au loc în principal în soluții. Fierul lichid și oțelul sunt soluții ale diferitelor elemente din fier. În furnalele și cuptoarele de topire a oțelului, acestea interacționează cu zgura lichidă - o soluție de oxizi.

Seleniul și teluriul se găsesc în minerale atât de rare precum Cl33e, Pb5e, A25e, Cu2Te, PbTe, A2Te și AuTe, precum și ca impurități în minereurile sulfurate de cupru, fier, nichel și plumb. Din punct de vedere industrial, surse importante de extracție a acestor elemente sunt minereuri de cupru. În procesul de ardere a acestora la topirea metalului de cupru majoritatea seleniul și telurul rămân în cupru. În timpul epurării electrolitice a cuprului, descrisă în Sect. 19.6, impurități precum seleniul și telurul, împreună cu metale pretioase aurul și argintul se acumulează în așa-numitul nămol anodic. Când nămolul anodic este tratat cu acid sulfuric concentrat la aproximativ 400°C, seleniul este oxidat în dioxid de seleniu, care se sublimează din amestecul de reacție.

În unele cazuri (de exemplu, la topirea oțelului de transformare) este necesar să se obțină o concentrație foarte scăzută de carbon de 0,002-0,003%. Din ecuația de mai sus este clar că în acest scop este necesară reducerea pco.Utilizarea cuptoarelor cu vid în metalurgia modernă face posibilă topirea fierului și a oțelului cu un conținut minim de carbon.

La topirea fierului din minereul de fier magnetic, una dintre reacțiile care au loc într-un furnal este exprimată prin ecuația Res04 + CO = 3ReO + Oj Utilizând datele din tabel. 5 aplicații, determină efectul termic al reacției. În ce direcție se va deplasa echilibrul acestei reacții dacă temperatura crește?

Minereu de fier magnetic Oxid de minereu de fier Conținut de fier 50-70%, constă în principal din oxid de fier (11, bolnav) RbzO, materie primă pentru producția de fontă, aditiv în producția de oțel (topire)

U-88. Din 1 tonă de crom minereu de fier s-a format Fe(CrO2)a în timpul topirii a 240 kg dintr-un aliaj de fier și crom - ferocrom, care conține 65% crom. Calculați procentul de impurități din minereu.

La topirea oțelurilor cu conținut ridicat de crom de tip X18N10T, la lucru se formează un scoici special cu un conținut crescut de AlA TiO (până la 33%), oxizi de fier (până la 57%) și oxizi de crom (până la 33%). suprafața căptușelii refractare, ceea ce duce la o creștere a duratei de viață a căptușelii.

Ca rezultat, în cuptor se formează două straturi de lichid - zgură mai ușoară deasupra și o topitură constând din FeS și U2S (mat) dedesubt. Zgura este drenată, iar mata lichidă este turnată într-un convertor, în care se adaugă flux și este suflat aer. Convertorul pentru topirea cuprului este similar cu cel folosit pentru producerea oțelului, numai aer este introdus în el din lateral (atunci când aerul este furnizat de jos, cuprul este foarte răcit și se întărește). În convertor se formează cuprul topit, sulfura de fier se transformă în oxid, care se transformă în zgură

Conținutul final de sulf în cocsul calcinat din gudronul de ulei Arlan este același ca și în cocsul din reziduul cracat al uleiului Romashkin, adică mai puțin de 1%. Indicatorii rămași sunt practic aceiași, cu excepția conținutului de vanadiu (de 1,5 ori mai mare pentru cocsul Arlan), fier și alte metale. Conținutul crescut de vanadiu în cocsul desulfurat se explică prin conținutul său ridicat în uleiul de Arlan. Din această cauză, un astfel de cocs nu poate fi utilizat în industria aluminiului. La topirea aluminiului, vanadiul, ca și alte metale, este produs din cocs

Lucrarea descrie efectul manganului asupra fisurarii sulfurate a otelurilor. Manganul în cantitate de la 1 la 167o a fost introdus în timpul topirii fierului armat cu 0,04% C, în oțel 20 și în oțel U8. Rezultatele cercetării sunt prezentate în tabel. 1.2, din care se poate observa că aliarea oțelurilor cu mangan crește susceptibilitatea acestora la fisurare într-un mediu care conține hidrogen sulfurat, iar efectul negativ al manganului depinde de conținutul de carbon din oțel. Astfel, efectul negativ al manganului pentru fier armat, oțel 20 și oțel U8 începe să apară la conținutul său de 3 2 n 1%, respectiv. Autorii asociază efectul negativ al manganului asupra fisurării oțelurilor cu apariția

În metalurgie mare importanță are un aliaj de fier și siliciu - ferosiliciu. Este utilizat pentru dezoxidarea multor grade de oțel și pentru producerea de feroaliaje siliciu-carbon. Ferosiliciul cu un conținut de 9-17% 51 este topit în furnalele din cuarț, pilitură de fier și cocs. Ferosiliciul cu un conținut ridicat de siliciu este un material promițător pentru fabricarea de piese pentru echipamente chimice datorită rezistenței sale excepționale la acizi. Este utilizat pe scară largă ca agent reducător în topirea silicomanganului, ferotungstenului și feromolibdenului. Adăugarea de siliciu la oțel sub formă de ferosiliciu în timpul topirii acestuia îi conferă elasticitate și crește rezistența la coroziune.

Unele caracteristici ale unui proces tipic de topire pot fi ilustrate prin exemplul de reducere a fierului. Topirea continuă a fierului se realizează într-un reactor special numit furnal; reprezentarea sa schematică este prezentată în Fig. 22.16. Un amestec de cocs, calcar și minereu zdrobit, care de obicei conține FejOs, este încărcat în partea superioară a furnalului. (Cocsul este un reziduu solid obținut prin cocsificarea combustibililor naturali, în principal cărbunele, pentru a îndepărta componentele volatile din aceștia.) Aerul încălzit, uneori îmbogățit cu oxigen, este pompat în cuptor de jos. Pentru a obține 1 tonă de fier sunt necesare aproximativ 2 tone de minereu, 1 tonă de cocs și 0,3 tone de calcar. Un furnal poate produce până la 2000 de tone de fier pe zi. Aerul pompat în cuptor reacționează cu carbonul pentru a forma CO. În acest caz, se eliberează o astfel de cantitate de căldură încât în ​​partea inferioară a cuptorului se dezvoltă o temperatură de aproximativ 1500°C. Reducerea fierului metalic poate fi descrisă prin reacții

Câte tone de minereu de fier magnetic, constând din 90% FegOi, pot fi produse la topirea a 2 tone de fontă brută cu 93% conținut de fier, dacă randamentul produsului este de 92%

Introducerea siliciului în oțel și fontă este însoțită de formarea de siliciuri de fier (ferosiliciu FeSi). Fonta care conține 15-17% siliciu este rezistentă la acizi. Ferosiliciul este adăugat în oțel atunci când este topit pentru a elimina oxigenul pe care îl conține.

MATE este un produs intermediar în topirea unor metale neferoase (Cu, N1, Pv etc.) din minereurile lichide ale acestora. Sh. - un aliaj de sulfură de fier cu sulfuri ale metalelor rezultate (de exemplu, Cu, 8).

Fenomenul de scădere a punctului de topire al soluțiilor este important atât în ​​natură, cât și în tehnologie. De exemplu, topirea fontei din minereul de fier este mult facilitată de faptul că punctul de topire al fierului este scăzut cu aproximativ 400 ° C datorită faptului că carbonul și alte elemente solvenți sunt dizolvate în acesta. Același lucru este valabil și pentru oxizii refractari care alcătuiesc roca sterilă, care împreună cu fluxurile (CaO) formează o soluție (zgură) care se topește la o temperatură relativ scăzută. Acest lucru face posibilă desfășurarea unui proces discontinuu în furnalele înalte, eliberând fier lichid și zgură din acestea. ]