Страница 49 из 83
CaCO3→900°→CaO + CO2;
CaO + SiO2→1200°→CaSiO3
Легкие шлаки всплывают на поверхность расплавленного металла. Их время от времени сливают, а расплавленный металл остается ниже слоя шлаков. Очень существенно, что слой шлаков защищает металл от обратного окисления тем воздухом, который вдувают в домну для поддержания процесса. Таким образом, шлаки не просто отходы производства; они активно участвуют в процессе.
Примеси, содержащиеся в руде в виде окислов, также частично восстанавливаются:
MnO + С = Mn + СО;
SiO2 + 2C = Si + 2CO;
Р2O5 + 5С = 2P + 5CO.
Первые две реакции требуют очень большого количества тепла, поэтому чем больше сгорает кокса, тем полнее восстанавливаются марганец и кремний.
Что происходит после восстановления железа? Железо начинает опускаться в нижнюю часть домны. При этом оно не остается неизменным. Температура растет, изменяются кристаллическая структура и свойства железа. Ниже 760 градусов существует так называемое альфа-железо, характеризующееся, в частности, своими магнитными свойствами. При 760–906 градусах существует другая модификация — бета-железо, у которого магнитные свойства отсутствуют (именно поэтому намагниченный предмет перестает быть таковым при нагревании). Выше 906 градусов железо превращается в свою третью модификацию — гамма. Здесь уже и кристаллическая решетка другая, а главное — гамма-железо способно растворять углерод.
Вот при этих-то условиях железо, едва успев родиться… перестает быть железом. Находясь в тесном контакте с коксом, железо науглероживается и превращается в чугун — продукт доменного производства. Кремний, марганец, фосфор и сера, частично восстановленные одновременно с железом, также растворяются в железе и потому входят в состав чугуна.
В общих чертах этот процесс известен людям давно, но до сих пор не исчерпаны еще все возможности его совершенствования. В частности, как известно, в домну вдувают воздух, необходимый для сгорания кокса. Необходимый? Но ведь для горения нужен только кислород, составляющий 21 процент всего объема воздуха. А 78 процентов составляет азот, являющийся, таким образом, «бесплатным приложением».
Впрочем, далеко не бесплатным. Воздух приходится предварительно нагревать до 600–800 градусов. Для этого строят специальные нагреватели — кауперы. Иначе нельзя: если воздух не нагреть, азот унесет с собой большую часть тепла, выделившуюся при сжигании кокса. Без кауперов можно обойтись, если вдувать в домну не обычный воздух, а газовую смесь, обогащенную кислородом. Тогда процесс идет более интенсивно.
Часть выплавленного чугуна используется для отливки различных тяжелых частей машин — маховиков, станин — и для других целей. Но основная масса чугуна перерабатывается на сталь. Для этого известны два основных метода — конверторный, или бессемеровский, и мартеновский.
При бессемеровании чугун заливают в специальные гигантские «реторты» — конверторы, выложенные огнеупорными силикатными плитками, и снизу продувают сильной струей воздуха. Что при этом происходит? Прежде всего окисляется само железо: 2Fe + O2 = 2FeO. Образовавшаяся закись может отдавать свой кислород примесям, окисляя их и выделяя снова чистое железо. Но часть FeO теряется за счет образования шлака: FeO + SiO2 = FeSiO3. Кроме того, если FeO образовалась в больших количествах, то, растворяясь в жидком металле, из которого примеси выгорели и потому не могут восстановить, «раскислить» FeO, — эта примесь может резко ухудшить свойства стали.
Процесс выгорания примесей можно представить в виде уравнений:
2Mn + O2 = 2MnO или Mn+FeO = MnO + Fe;
Si + O2 = SiO2;
C + O2 = CO2.
Все эти реакции сопровождаются выделением тепла, поэтому при продувании конвертора металл не только не охлаждается, но еще более разогревается. Образовавшиеся окислы ошлаковываются. При этом, конечно, частично разрушается обкладка (футеровка) конвертора, состоящая из кремнезема SiO2: MnO + SiO2 = MnSiO3. В конце процесса для удаления остатков FeO в конвертор добавляют раскислитель — ферромарганец или ферросилиций.
Процесс проходит очень быстро, за 15–20 минут. Однако это не только преимущество, но и недостаток, так как процесс трудно регулировать. Кроме того, как ясно из приведенных реакций, часть железа выгорает (до 10 процентов).
Сначала конверторный способ имел еще один существенный недостаток: кислая обкладка конвертора связывала лишь основные окислы и потому не способствовала удалению из металла фосфора, окисленного до P2O5, — ведь пятиокись фосфора тоже кислотный окисел. Поэтому полученная из фосфористых чугунов сталь была ломкой. Позже для переработки на сталь таких чугунов стали использовать конверторы с обкладкой из основных окислов, а также добавлять в конвертор до 12–15 процентов извести. Основные окислы CaO и MgO связывают P2O5 в виде фосфатов Ca и Mg. Такой вариант конверторного процесса назван по имени его автора томасовским. Томасшлак, состоящий из фосфатов, — ценное удобрение.
При мартеновском методе примеси выжигаются не только за счет кислорода, который проходит над расплавленным металлом, но и за счет кислорода, содержащегося в окислах железа, добавляемых к чугуну в виде чистой железной руды или так называемого скрапа — железного лома. Необходимое тепло получают сжиганием в мартене горючего газа в смеси с воздухом. Процесс идет несколько часов и поддается точному регулированию, позволяет вносить необходимые добавки в получаемую сталь.
Химические процессы в мартеновской печи похожи на происходящие в конверторах. В конце плавки в металл добавляют рассчитанное количество раскислителя — ферромарганца для восстановления железа из его закиси.
Мартеновский процесс позволяет получать металл с содержанием чистого железа до 99,95 процента.
И в мартеновский процесс применение кислородного дутья внесло существенные изменения. Печь стала работать интенсивнее, быстрее. Как подсчитали ученые, внедрение кислорода в мартеновский процесс позволит в течение семилетки только на существующих мартеновских печах получить дополнительно 8 миллионов тонн стали.
И, наконец, еще одно обстоятельство. Вдумайтесь в цифры семилетнего плана: в 1965 году у нас в стране будет выплавляться 67–70 миллионов тонн чугуна и 86–91 миллион тонн стали. Мы знаем, что весь чугун, за исключением той части, которая используется непосредственно для отливки необходимых изделий из чугуна, перерабатывается в сталь. Но ведь тогда выплавка стали в лучшем случае должна быть равна выплавке чугуна. А стали намечено выплавить на 10 миллионов тонн больше. В чем же тут дело? В том, что мартеновский процесс позволяет возвратить к жизни миллионы тонн ржавого, старого железа, которое называется «железный лом». Вот и выходит, что сбор железного лома — очень серьезное и важное государственное дело.
Какой же способ получения стали лучше? Мы уже видели, что каждый из них имеет свои сильные и слабые стороны. Главным недостатком конверторного способа было то, что он давал менее качественную сталь. Ведь чугун продували воздухом, и значительные количества азота растворялись в металле, резко ухудшая его качество.
Сейчас в нашей стране работают несколько конверторных цехов, использующих для выжигания углерода и кремния из чугуна не воздух, а кислород. Теперь конверторная сталь по качеству приближается к мартеновской. Стоимость ее значительно ниже. По производительности же один конвертор на 35 тонн стали равен мартеновской печи, рассчитанной на 800 тонн: ведь он дает до 50 плавок в сутки, а мартен — только две.