Путешествие в Страну элементов

Итак, железо в рудах находится в соединении с кислородом. Значит, чтобы выделить свободное железо, нужно отнять кислород у окисла, восстановить его. В этом и заключается суть, смысл доменного процесса. Процесс этот, в общих чертах знакомый каждому школьнику, ведется в огромных стальных доменных печах, выложенных изнутри огнеупорным кирпичом. В такую печь сверху слоями загружают шихту (по-немецки слово «Schicht» как раз и означает «слой»), состоящую из специально приготовленного угля — кокса, руды и специальных добавок — флюсов (от немецкого «fliessen» — «течь»), или плавней. Флюсы — это известняк CaCO₃, или доломит, содержащий до 10 процентов магния. Иногда — в зависимости от состава руды и угля — применяют кремнекислые флюсы, состоящие из кварцита или песка SiO₂. Флюсы нужны, чтобы связать примеси в легкоплавкие силикаты, которые легко отделяются от металла.

Когда домна загружена, ее «задувают», пускают в ход, после чего она действует в течение нескольких лет. Ведь шихту можно загружать в домну много раз по мере выпуска чугуна и шлаков через специальные отверстия в нижней части печи — горне.

А откуда такое выражение — «задуть домну»? Очень просто: процесс восстановления руды протекает так: в домну все время внизу, через специальные отверстия — фурмы — вдувается горячий (600–800 градусов) воздух. Находящийся в печи кокс сгорает, давая в конечном счете окись углерода СО. В горне домны поддерживается высокая температура, около 1800 градусов. Это больше, чем нужно для плавления не только чугуна (около 1200 градусов), но и чистого железа, которое плавится при 1536 градусах. Вверх по оси домны температура постепенно снижается до 300 градусов у колошника, где производится загрузка очередной порции шихты (колошей и называют одну порцию шихты, состоящую из слоев руды, кокса и флюсов). То, что в разных областях домны поддерживается разная температура, очень важно, так как та или иная реакция протекает при своей температуре. Каковы же они?

В области температур около 600–700 градусов начинается восстановление окислов железа окисью углерода:

3Fe₂О₃ + СО = 2Fe₃O₄ + CO₂;

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂;

FeO + CO = Fe + CO₂;

FeO + C = Fe + CO.

Последняя реакция — восстановление окиси железа коксом — происходит уже при температуре около 1000 градусов, в более низких областях домны. Здесь же флюсы образуют с примесями шлаки:

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».