Путешествие в Страну элементов

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.

Справедливо было бы поставить вопрос: а нельзя ли из руды получать прямо железо и сталь, а не чугун? Это не новый и очень интересный вопрос. Еще в 1899 году Менделеев писал, что придет время «опять искать способов получения железа и стали из руд, минуя чугун». «А почему „опять“?» — спросите вы. Когда-то первые металлурги получали железо из смеси руды с древесным углем. Воздух подавали с помощью обычных мехов. Полученное железо дополнительно обрабатывали на наковальне.

В этих условиях восстановление руды шло медленно, металл не плавился и потому не насыщался углеродом. Однако этот процесс проводили лишь с небольшими количествами руды, причем он был периодическим: готовый металл нужно было извлечь, снова загрузить шихту и только после этого начинать нагревание.

Для больших масштабов производства этот способ не годился и был вытеснен доменным, при котором восстановление руды идет непрерывно, а получаемый металл жидок и потому легко удаляется из печи без остановки ее работы.

В наше время принцип прямого получения железа из руды возрождается, но на более высоком техническом уровне. Вспомним, что железо становится чугуном потому, что в печи имеется избыток углерода сверх того количества, которое нужно для восстановления руды. Кроме того, в печи металл плавится, что способствует науглероживанию железа. Если брать кокса ровно столько, сколько нужно для восстановления руды, а нагревать шихту до нужной температуры электрическим током, проходящим через вмонтированные в печь электроды, то и получится так называемая электродомна. Отходящие горячие газы возвращаются снова в электродомну, что позволяет экономить тепло. Такая печь дает не чугун, а чистое железо. Но стоит оно пока что дорого из-за высокой стоимости электроэнергии. Для прямого получения железа из руд разработаны и другие методы.

Сам доменный процесс в его нынешнем виде и весь металлургический цикл непрерывно совершенствуются. Их внутренние резервы далеко не исчерпаны. В будущем работу домны не только механизируют, но и автоматизируют, включая автоматизацию расчета состава шихты на основе анализа сырья и заданных заранее условий процесса. Полная автоматизация — вот будущее доменного процесса и обработки металла на всем его пути от руды до готового изделия.

Небольшая экскурсия в заводскую лабораторию

Мы часто приводим цифровые данные о составе стали или чугуна. Они позволяют оценить механические свойства будущих изделий. Точный и быстрый анализ металла необходим и в мартеновском цехе, так как от состава металла и от количества в нем тех или иных примесей зависит ход процесса и количество необходимых присадок (добавок).

Как же анализируют сталь?

Для определения углерода в стали навеску ее подвергают своеобразному «бессемерованию» — сжигают в специальном приборе в атмосфере кислорода при 1000–1100 градусах. При этом углерод полностью окисляется, превращаясь в углекислый газ. Углекислый газ улавливают специальным поглотителем, например аскаритом, то есть асбестом, пропитанным едким натром: 2NaOH + CO₂ = Na₂CO₃ + H₂O.

Увеличение веса поглотителя при этом показывает, сколько CO₂ выделилось при сжигании известной навески стали, и позволяет вычислить процент углерода в стали.

Для определения марганца есть несколько методов. Например, можно растворить навеску стали в кислотах и, добавляя окислители, превратить находящийся в растворе двухвалентный марганец в ион перманганата: Mn²⁺→MnO₄^–. Как известно, растворы перманганата окрашены. Поэтому исследуемый раствор в специальном приборе колориметре сравнивают по окраске с таким раствором, в котором количество MnO₄^– известно заранее. Так можно определить содержание Mn в навеске.

Для определения серы навеску стали растворяют в концентрированной азотной кислоте. При этом сера окисляется и переходит в раствор в виде ионов SO₄^2–. При добавлении хлорида бария вся сера осаждается в виде нерастворимой соли BaSO₄, взвешиванием которой и определяют количество серы во взятой навеске и процент серы в металле.

Существуют достаточно точные и быстрые методы, позволяющие узнать содержание в стали фосфора и кремния, а также всех других примесей.