Prosessit raudan suoraan uuttamiseksi malmeista. Teräksen tuotanto

Rauta muodostaa yli 5 % maankuoresta. Raudan uuttamiseen käytetään pääasiassa malmeja, kuten hematiitti Fe2O3 ja magnetiitti Fe3O4. Nämä malmit sisältävät 20-70 % rautaa. Näiden malmien tärkeimmät rautaepäpuhtaudet ovat hiekka (pii(IV)oksidi SiO2) ja alumiinioksidi (alumiinioksidi Al2O3).

Raudan uuttaminen rautamalmista tapahtuu kahdessa vaiheessa. Se alkaa malmin valmistamisella - jauhamalla ja kuumentamalla. Malmi murskataan halkaisijaltaan enintään 10 cm:n paloiksi, minkä jälkeen murskattu malmi kalsinoidaan veden ja haihtuvien epäpuhtauksien poistamiseksi.

Toisessa vaiheessa rautamalmi pelkistetään raudaksi hiilimonoksidilla masuunissa (kuva 2.1), jossa: 1 - rautamalmi, kalkkikivi, koksi, 2 - täyttökartio (ylhäällä), 3 - yläkaasu, 4 - uuni muuraus, 5 - rautaoksidin pelkistysvyöhyke, 6 - kuonanmuodostusvyöhyke, 7 - koksin polttovyöhyke, 8 - lämmitetyn ilman ruiskutus hormien läpi, 9 - sula rauta, 10 - sula kuona.

Pelkistys suoritetaan noin 700 °C:n lämpötiloissa:

Fe2O3(kiinteä) + 3CO(g) = 2Fe(neste) + 3CO2(g)

Raudan saannon lisäämiseksi tämä prosessi suoritetaan olosuhteissa, joissa on liikaa hiilidioksidia CO2.

Hiilimonoksidia CO muodostuu masuunissa koksista ja ilmasta (2.12). Ilma lämmitetään ensin noin 600 °C:seen ja pakotetaan uuniin erityistä putkea - hormi - läpi. Koksi palaa kuumana paineilma muodostaen hiilidioksidia. Tämä reaktio on eksoterminen ja aiheuttaa lämpötilan nousun yli 1700 °C:n:

C(g.) + O2(g.) > CO2(g.), ?H0m = -406 kJ/mol

Hiilidioksidi nousee uunissa ja reagoi suuremman koksin kanssa muodostaen hiilimonoksidia (2.13). Tämä reaktio on endoterminen:

CO2(g.) +С(kiinteä.) > 2CO(g.), ?H0m = +173 kJ/mol

Malmin pelkistyksen aikana muodostunut rauta on saastunut hiekan ja alumiinioksidin epäpuhtauksilla. Niiden poistamiseksi uuniin lisätään kalkkikiveä. Uunissa vallitsevissa lämpötiloissa (800 0C) kalkkikivessä tapahtuu termistä hajoamista, jolloin muodostuu kalsiumoksidia ja hiilidioksidia:

CaCO3 (kiinteä) >CaO (kiinteä) + CO2 (g)

Kalsiumoksidi yhdistyy epäpuhtauksien kanssa muodostaen kuonaa. Kuona sisältää kalsiumsilikaattia ja kalsiumaluminaattia:

CaO (kiinteä) + SiO2 (kiinteä) >CaSiO3 (neste)

CaO (kiinteä) +Al2O3 (kiinteä) > CaAl2O4 (neste)

Rauta sulaa 1540°C:ssa. Sula rauta virtaa sulan kuonan mukana uunin alaosaan. Sula kuona kelluu sulan raudan pinnalla. Jokainen näistä kerroksista vapautetaan ajoittain uunista sopivalla tasolla.

Masuuni toimii kellon ympäri jatkuvassa tilassa. Masuuniprosessin raaka-aineita ovat rautamalmi, koksi ja kalkkikivi. Ne syötetään jatkuvasti uuniin yläosan kautta. Rautaa vapautuu uunista neljä kertaa päivässä säännöllisin väliajoin. Se valuu ulos uunista tulisena virtana noin 1500 °C:n lämpötilassa. Masuunit ovat erikokoisia ja -tehoisia (1000-3000 tonnia päivässä). USA:ssa on joitakin uudempia uunimalleja, joissa on neljä ulostuloa ja jatkuva sulan raudan poisto. Tällaisten uunien kapasiteetti on jopa 10 000 tonnia päivässä.

Masuunissa sulatettu rauta kaadetaan hiekkamuotteihin. Tällaista rautaa kutsutaan valuraudaksi. Valuraudan rautapitoisuus on noin 95 %. Valurauta on kova, mutta hauras aine, jonka sulamispiste on noin 1200 °C.

Valurautaa valmistetaan sulattamalla harkkorautaa, metalliromua ja terästä koksin kanssa. Sula rauta kaadetaan muotteihin ja jäähdytetään.

Takorautalla on suuri lujuus, muokattavuus ja sitkeys. Monissa sovelluksissa se kuitenkin korvataan miedolla teräksellä.

Teräksen valmistus: Harkkoraudan muuntaminen teräkseksi sisältää ylimääräisen hiilen, rikin, fosforin, piin, mangaanin ja muiden alkuaineiden poistamisen harkkoraudasta. Epäpuhtaudet poistetaan muuntamalla ne oksideiksi, jotka joko haihtuvat (CO ja CO2) tai muuttuvat kuonaksi. Valuraudan jalostus teräkseksi suoritetaan kolmella tavalla: Bessemer, Thomas ja avotakka, jotka valitaan valuraudan koostumuksen ja hankittavan terästyypin mukaan. Alla käsitellään yksityiskohtaisesti Erilaisia tyyppejä teräkset, niiden ominaisuudet ja sovellukset.

Avotakkamenetelmä eroaa myöhemmistä siinä, että siinä käytetään kiinteitä hapettavia aineita rautaoksidien muodossa, jotka sisältyvät malmiin, hilseen ja romuun (romu). Avouuniprosessi suoritetaan erityisissä uuneissa, joita kutsutaan tulisijauuneiksi. Avotakkauunit (Kuva 2.2), jossa: 1 - holvi, 2 - täyttöikkunat, 3 - sulatuskylpy, 4 - päät, 5 - regeneraattorit, 6 - vaihtoventtiilit.

Avotakkauunit ovat polttouunien tyyppi - niitä lämmitetään liekillä, joka syntyy polttamalla palavia kaasuja kuumennetun massan pinnan yläpuolella. Harkkorauta, malmi ja romu ladataan tulisijauuniin sellaisessa suhteessa, että rautaoksideissa on riittävästi happea hapettamaan tietyn määrän epäpuhtauksia. Suutteet valitaan siten, että kuona on hapanta tai emäksistä riippuen poistettujen epäpuhtauksien luonteesta. Sulamisprosessi kestää 5-6 tuntia. Tänä aikana sulasta teräksestä otetaan ajoittain näytteitä, sen koostumus määritetään ja tarvittavat komponentit lisätään ferroseosten muodossa (raudan seokset erilaisia metalleja ja ei-metallit, kuten nikkeli, mangaani, titaani, molybdeeni, volframi, kromi, pii ja muut). Pitkä sulamisaika mahdollistaa tietyn koostumuksen teräksen valmistamisen. Hapella rikastetun ilman käyttö mahdollistaa korkeamman lämpötilan saavuttamisen ja antaa sinun tehostaa sulatusprosessia ja lyhentää sen aikaa 4 tuntiin.

Hapenmuuntimen prosessi. SISÄÄN viime vuosikymmeninä Terästuotannon mullisti happiperusprosessin (tunnetaan myös nimellä Linz-Donawitz-prosessi) kehittäminen. Tätä prosessia alettiin käyttää vuonna 1953 terästehtaalla kahdessa Itävallan metallurgisessa keskuksessa - Linzissä ja Donawitzissa.

Happikonvertteriprosessissa käytetään päävuorauksella (muurauksella) varustettua happikonvertteria (kuva 2.3), jossa: 1 on happi ja CaO, 2 on vesijäähdytteinen putki happipuhallusta varten, 3 on kuona. 4-akselinen, 5-sulaa terästä, 6-teräsrunko.

Konvertteri ladataan kaltevassa asennossa sulatusuunista tulevalla sulalla harkkorautalla ja metalliromulla, minkä jälkeen se palautetaan pystyasentoon. Tämän jälkeen konvertteriin työnnetään ylhäältä vesijäähdytteinen kupariputki, jonka kautta sulan raudan pinnalle johdetaan happivirta, joka on sekoitettu jauhemaiseen kalkkiin CaO. Tämä 20 minuuttia kestävä "happihuuhtelu" johtaa raudan epäpuhtauksien voimakkaaseen hapettumiseen, ja muuntimen sisältö pysyy nestemäisenä johtuen hapetusreaktion aikana vapautuvasta energiasta. Tuloksena olevat oksidit yhdistyvät kalkkiin ja muuttuvat kuonaksi. Sitten kupariputki vedetään ulos ja muuntajaa kallistetaan kuonan tyhjentämiseksi. Toistuvan puhalluksen jälkeen sula teräs kaadetaan konvertterista (kaltevassa asennossa) kauhaan.

Happikonvertteriprosessia käytetään pääasiassa hiiliterästen valmistukseen. Sille on ominaista korkea tuottavuus. Yhdellä konvertterilla voidaan valmistaa 300-350 tonnia terästä 40-45 minuutissa.

Tällä hetkellä kaikki teräs Isossa-Britanniassa ja suurin osa Tällä prosessilla valmistetaan terästä kaikkialla maailmassa.

Uunin vuorausmateriaalista riippuen muuntajamenetelmä on jaettu kahteen tyyppiin: Bessemer ja Thomas.

Bessemer-menetelmällä käsitellään valuraudat, jotka sisältävät vähän fosforia ja rikkiä ja ovat runsaasti piitä (vähintään 2 %). Kun happea puhalletaan läpi, pii ensin hapettuu, jolloin vapautuu huomattava määrä lämpöä. Tämän seurauksena valuraudan alkulämpötila noin 1300°C:sta nousee nopeasti 1500-1600°C:een. 1 % Si:n palaminen aiheuttaa lämpötilan nousun 200°C (2.17). Noin 1500°C:ssa alkaa voimakas hiilen palaminen. Sen mukana myös rauta hapettuu intensiivisesti, erityisesti piin ja hiilen palamisen loppua kohti:

Si (kiinteä) + O2 (g) = SiO2 (kiinteä)

2C(s) + O2(g) = 2CO(g)
2Fe (kiinteä) + O2 (g) = 2FeO (kiinteä)

Syntynyt rautamonoksidi, FeO, liukenee hyvin sulaan valurautaan ja menee osittain teräkseksi ja reagoi osittain SiO2:n kanssa ja rautasilikaatin muodossa FeSiO3 menee kuonaksi:

FeO (kiinteä) + SiO2 (kiinteä) = FeSiO3 (kiinteä)

Fosfori siirtyy kokonaan valuraudasta teräkseen. SiO2 ylimääräinen P2O5 ei siis voi reagoida emäksisten oksidien kanssa, koska SiO2 reagoi voimakkaammin jälkimmäisten kanssa. Siksi fosforivalurautaa ei voida jalostaa teräkseksi tällä menetelmällä.

Kaikki prosessit konvertterissa etenevät nopeasti - 10-20 minuutissa, koska valuraudan läpi puhallettu ilman happi reagoi vastaavien aineiden kanssa välittömästi koko metallitilavuudessa. Kun puhalletaan hapella rikastettua ilmaa, prosessit kiihtyvät. Hiilimonoksidi CO, joka muodostuu hiilen palaessa, riehuu ylöspäin ja palaa siellä muodostaen kevyen liekin soihdun muuntimen kaulan yläpuolelle, joka vähenee hiilen palaessa ja katoaa sitten kokonaan, mikä on merkkinä toiminnan päättymisestä. prosessi. Tuloksena oleva teräs sisältää merkittäviä määriä liuennutta rautamonoksidia FeO, mikä heikentää teräksen laatua suuresti. Siksi ennen valua teräs on hapettunut erilaisilla hapettumisenestoaineilla - ferropiin, feromangaanilla tai alumiinilla:

2FeO (kiinteä) + Si (kiinteä) = 2Fe (kiinteä) + SiO2 (kiinteä)

FeO (kiinteä) + Mn (kiinteä) = Fe (kiinteä) + MnO (kiinteä)

3FeO (kiinteä) + 2Al (kiinteä) = 3Fe (kiinteä) + Al2O3 (kiinteä)

Mangaanimonoksidi MnO pääoksidina reagoi SiO2:n kanssa ja muodostaa mangaanisilikaattia MnSiO3, joka menee kuonaksi. Alumiinioksidi näissä olosuhteissa liukenemattomana aineena myös kelluu huipulle ja muuttuu kuonaksi. Yksinkertaisuudestaan ja korkeasta tuottavuudestaan huolimatta Bessemer-menetelmä ei ole nyt kovin yleinen, koska sillä on useita merkittäviä haittoja. Joten Bessemer-menetelmän valuraudan on oltava mukana alhaisin sisältö fosforia ja rikkiä, mikä ei aina ole mahdollista. Tällä menetelmällä tapahtuu erittäin suuri metallin palaminen, ja teräksen saanto on vain 90% valuraudan massasta, ja myös hapettumisenestoaineita kuluu paljon. Vakava haittapuoli on säätelykyvyttömyys kemiallinen koostumus tulla.

Bessemer-teräs sisältää yleensä alle 0,2 % hiiltä, ja sitä käytetään teollisuusraudana lankojen, pulttien ja kattoraudan valmistukseen.

Thomas-menetelmällä käsitellään valurautaa, jossa on korkea fosforipitoisuus (jopa 2 % tai enemmän). Suurin ero tämän menetelmän ja Bessemer-menetelmän välillä on, että muuntimen vuoraus on valmistettu magnesium- ja kalsiumoksideista. Lisäksi valurautaan lisätään jopa 15 % CaO:ta. Tämän seurauksena kuonaa muodostavat aineet sisältävät huomattavan ylimäärän oksideja, joilla on emäksisiä ominaisuuksia.

Näissä olosuhteissa fosfaattianhydridi P2O5, joka syntyy fosforin palamisen aikana, reagoi ylimääräisen CaO:n kanssa muodostaen kalsiumfosfaattia ja menee kuonaksi:

4P(s) + 5O2(g) = 2P2O5(s)

P2O5 (kiinteä) + 3CaO (kiinteä) = Ca3 (PO4) 2 (kiinteä)

Fosforin palamisreaktio on yksi tärkeimmistä lämmönlähteistä tässä menetelmässä. Kun 1 % fosforia poltetaan, muuntimen lämpötila nousee 150 °C. Rikki vapautuu kuonaan sulaan teräkseen liukenemattoman kalsiumsulfidin CaS:n muodossa, joka muodostuu liukoisen FeS:n ja CaO:n vuorovaikutuksen seurauksena reaktion mukaisesti:

FeS (neste) + CaO (kiinteä) = FeO (neste) + CaS (kiinteä)

Kaikki jälkimmäiset prosessit tapahtuvat samalla tavalla kuin Bessemer-menetelmässä. Thomasin menetelmän haitat ovat samat kuin Bessemerin menetelmän. Thomas-teräs on myös vähähiilinen ja sitä käytetään teknisenä raudana metallilangan ja kattoraudan valmistuksessa.

Sähköinen teräksen valmistusprosessi. Sähköuuneja käytetään ensisijaisesti romuteräksen ja valuraudan muuntamiseen korkealaatuisiksi seosteräksiksi, kuten ruostumattomaksi teräkseksi. Sähköuuni on pyöreä syvä säiliö, joka on vuorattu tulenkestävällä tiilellä. Uuniin ladataan metalliromu avoimen kannen kautta, sitten kansi suljetaan ja elektrodit lasketaan uuniin siinä olevien reikien kautta, kunnes ne joutuvat kosketuksiin metalliromun kanssa. Tämän jälkeen virta kytketään päälle. Elektrodien väliin syntyy kaari, jossa yli 3000 0C lämpötila kehittyy. Tässä lämpötilassa metalli sulaa ja uutta terästä muodostuu. Jokainen uunikuorma tuottaa 25-50 tonnia terästä.

Terästuotteiden laatua voidaan parantaa lisäkäsittelyllä. Tätä tarkoitusta varten he käyttävät lämpökäsittely, hiiletys, atsolointi, alitiaatio ja erilaiset korroosionestopinnoitteet.

Siten teollinen menetelmä raudan saamiseksi on tärkein ja se on paljon tehokkaampi kuin laboratoriomenetelmä. On olemassa monia teollisia menetelmiä raudan tuotannossa, ne perustuvat raudan tuotantoon valuraudan sulatuksen tuloksena rautamalmit, valurautateräksen sulatusastiat. Teollisia raudanottomenetelmiä uudistetaan jatkuvasti ja yksi menetelmä korvataan uudella.

Prosessit raudan suoraan uuttamiseksi malmeista. Teräksen tuotanto.

Prosessit raudan suoraan uuttamiseksi malmeista

Suorilla raudanvalmistusprosesseilla tarkoitetaan sellaisia kemiallisia, sähkökemiallisia tai kemiallis-termisiä prosesseja, joiden avulla on mahdollista saada metallista rautaa sienen, kuoren tai kuoren muodossa. nestemäinen metalli.

Tällaiset prosessit suoritetaan kuluttamatta metallurgista koksia, sulatteita tai sähköä (paineilman valmistukseen), ja ne mahdollistavat myös erittäin puhtaan metallin saamisen.

Menetelmät raudan suoraa tuotantoa varten ovat olleet tunnettuja jo kauan. Yli 70 testattua eri tavoin, mutta vain muutama on toteutettu ja lisäksi pienessä teollisessa mittakaavassa.

SISÄÄN viime vuodet kiinnostus tätä ongelmaa kohtaan on kasvanut, mikä liittyy koksin korvaamisen muilla polttoaineilla lisäksi malmien syvärikastusmenetelmien kehittämiseen, joilla varmistetaan paitsi korkea rautapitoisuus rikasteissa (70...72%) , mutta myös sen lähes täydellinen vapautuminen rikistä ja fosforista.

Sieniraudan valmistus kuiluuuneissa.

Prosessikaavio on esitetty kuvassa. 2.1.

Riisi. 2.1. Asennuskaavio raudan suoraan pelkistämiseen malmeista ja metalloitujen pellettien valmistukseen

Kun sienirautaa saadaan, louhittu malmi rikastuu ja saadaan pellettejä. Bunkkerista 1 seulan 2 kautta pelletit tulevat panoksen täyttökoneen laatikkoon 10 ja sieltä kuiluuuniin 9 , joka toimii vastavirtaperiaatteella. Pelleteistä roiskeet tulevat suppiloon 3 briketointipuristimella ja pellettien muodossa taas seulalle 2 . Raudan palauttamiseksi pelleteistä uuniin johdetaan putkilinjan 8 kautta luonnon- ja masuunikaasujen seos, joka muunnetaan laitoksessa 7, minkä seurauksena seos hajoaa vedyksi ja hiilimonoksidiksi. Uunin pelkistysvyöhykkeelle syntyy 1000...1100 0 C lämpötila, jossa pelleteissä oleva rautamalmi pelkistetään kiinteäksi sieniraudaksi. Pellettien rautapitoisuus on 90...95 %. Rautapellettien jäähdyttämiseen putken 6 kautta jäähdytysvyöhykkeelle 0 uunit tuloilmaa. Jäähtyneet pelletit 5 toimitetaan kuljettimelle 4 ja lähetetään terässulatukseen sähköuuneissa.

Raudan pelkistys leijukerroksessa.

Hienorakeinen malmi tai rikaste asetetaan ristikolle, jonka kautta syötetään vetyä tai muuta pelkistävää kaasua 1,5 MPa:n paineella. Vedyn paineessa malmihiukkaset suspendoituvat, liikkuvat jatkuvasti ja muodostavat "kiehuvan", "nestetyn" kerroksen. Leijupedissä se tarjotaan hyvä yhteydenpito pelkistävä kaasu rautaoksidihiukkasilla. Yhdelle talteenotetun jauhetonnille vedyn kulutus on 600...650 m3.

Sieniraudan valmistus upokaskapseleissa.

Käytetään piikarbidikapseleita, joiden halkaisija on 500 mm ja korkeus 1500 mm. Varaus ladataan samankeskisinä kerroksina. Sisustus Kapselit täytetään pelkistimellä - murskatulla kiinteällä polttoaineella ja kalkkikivellä (10...15%) rikin poistamiseksi. Toinen kerros on pelkistetty murskattu malmi tai rikaste, kattila, sitten toinen samankeskinen pelkistysainekerros ja kalkkikiveä. Vaunuihin asennetut kapselit liikkuvat hitaasti jopa 140 m pituisessa tunneliuunissa, jossa niitä lämmitetään, pidetään 1200 0 C:ssa ja jäähdytetään 100 tuntia.

Pelkistetty rauta saadaan paksuseinäisten putkien muodossa, ne puhdistetaan, murskataan ja jauhetaan, jolloin saadaan rautajauhetta, jonka rautapitoisuus on jopa 99 %, hiiltä - 0,1...0,2 %.

Teräksen tuotanto

Prosessin ydin

Tulla– lähes 1,5 % hiiltä sisältävät rauta-hiili-seokset, joiden korkeampi pitoisuus lisää terästen kovuutta ja haurautta merkittävästi eikä niitä käytetä laajasti.

Terästuotannon pääasialliset lähdemateriaalit ovat harkkorauta ja teräsromu (romu).

Rauta hapettuu ensisijaisesti, kun valurauta reagoi hapen kanssa teräksenvalmistusuuneissa:

Samanaikaisesti raudan kanssa hapettuu pii, fosfori, mangaani ja hiili. Rautaoksidi muodostui, kun korkeita lämpötiloja luovuttaa hapensa valuraudan aktiivisemmille epäpuhtauksille hapettaen niitä.

Terässulatusprosessit suoritetaan kolmessa vaiheessa.

Ensimmäinen vaihe on panoksen sulattaminen ja nestemäisen metallikylvyn lämmitys.

Metallin lämpötila on suhteellisen alhainen, raudan hapettuminen tapahtuu intensiivisesti, rautaoksidin muodostuminen ja epäpuhtauksien: piin, mangaanin ja fosforin hapettuminen.

Suurin osa tärkeä tehtävä vaihe – fosforinpoisto. Tätä varten on toivottavaa suorittaa sulatus pääuunissa, jossa kuona sisältää. Fosforihappoanhydridi muodostaa epästabiilin yhdisteen rautaoksidin kanssa. Kalsiumoksidi on vahvempi emäs kuin rautaoksidi, joten alhaisissa lämpötiloissa se sitoutuu ja muuttaa sen kuonaksi:

Fosforin poistamiseksi vaaditaan metalli- ja kuonakylvyn alhaisia lämpötiloja ja riittävää pitoisuutta kuonassa. Kuonan pitoisuuden lisäämiseksi ja epäpuhtauksien hapettumisen nopeuttamiseksi uuniin lisätään rautamalmia ja kalkkia, mikä tuo mukanaan rautakuonaa. Kun fosforia poistuu metallista kuonaan, kuonan fosforipitoisuus kasvaa. Siksi tämä kuona on poistettava metallipinnalta ja korvattava uudella tuoreilla lisäaineilla.

Toinen vaihe - metallikylvyn kiehuminen - alkaa, kun se lämpenee korkeampiin lämpötiloihin.

Lämpötilan noustessa hiilen hapetusreaktio tapahtuu voimakkaammin, mikä tapahtuu lämmön absorption myötä:

Hiilen hapettamiseksi metalliin ruiskutetaan pieni määrä malmia, kalkkia tai happea.

Kun rautaoksidi reagoi hiilen kanssa, nestemäisestä metallista vapautuu hiilimonoksidikuplia aiheuttaen "kylvyn kiehumisen". Kiehumisen aikana metallin hiilipitoisuus laskee vaaditulle tasolle, lämpötila tasaantuu koko kylvyn tilavuuteen ja kelluviin kupliin kiinnittyneet ei-metalliset sulkeumat sekä kuplien sisään tunkeutuvat kaasut poistetaan osittain. . Kaikki tämä auttaa parantamaan metallin laatua. Näin ollen tämä vaihe on tärkein terässulatusprosessissa.

Myös rikin poistamiselle luodaan olosuhteet. Teräksessä oleva rikki on sulfidin muodossa (), joka myös liukenee pääkuonaan. Mitä korkeampi lämpötila, sitä suurempi määrä rautasulfidia liukenee kuonaan ja reagoi kalsiumoksidin kanssa:

Syntynyt yhdiste liukenee kuonaan, mutta ei liukene rautaan, joten rikki poistuu kuonasta.

Kolmas vaihe, teräksen deoksidaatio, sisältää nestemäiseen metalliin liuenneen rautaoksidin pelkistyksen.

Sulamisen aikana metallin happipitoisuuden lisääminen on välttämätöntä epäpuhtauksien hapettumiselle, mutta valmiissa teräksessä happi on haitallinen epäpuhtaus, koska se heikentää teräksen mekaanisia ominaisuuksia erityisesti korkeissa lämpötiloissa.

Teräksen hapetus poistetaan kahdella tavalla: saostuksella ja diffuusiolla.

Saostusdeoksidaatio suoritetaan lisäämällä nestemäiseen teräkseen liukoisia hapettumisenestoaineita (ferromangaani, ferrosilikoni, alumiini), jotka sisältävät alkuaineita, joilla on suurempi affiniteetti happea kohtaan kuin rautaa.

Hapettumisen seurauksena rauta pelkistyy ja muodostuu oksideja: joiden tiheys on pienempi kuin teräksessä ja jotka poistetaan kuonaksi.

Diffuusiodeoksidaatio suoritetaan kuonan deoksidaatiolla. Ferromangaani, ferrosilikon ja alumiini murskatussa muodossa ladataan kuonan pinnalle. Hapettumisenestoaineet vähentävät rautaoksidia vähentämällä sen pitoisuutta kuonassa. Tämän seurauksena teräkseen liuennut rautaoksidi muuttuu kuonaksi. Tämän prosessin aikana muodostuneet oksidit jäävät kuonaan, ja pelkistynyt rauta siirtyy teräkseen, kun taas ei-metallisten sulkeumien pitoisuus teräksessä vähenee ja sen laatu paranee.

Hapettumisasteesta riippuen teräkset sulatetaan:

a) rauhallinen

b) kiehuva,

c) puolirauhallinen.

Rauhallista terästä saadaan täydellisellä deoksidaatiolla uunissa ja kauhassa.

Kiehuva teräs ei täysin hapettu uunissa. Sen hapettuminen jatkuu muotissa harkon jähmettymisen aikana rautaoksidin ja hiilen vuorovaikutuksen vuoksi:

Syntynyt hiilimonoksidi vapautuu teräksestä, mikä auttaa poistamaan typpeä ja vetyä teräksestä, kaasut vapautuvat kuplien muodossa, jolloin se kiehuu. Kiehuva teräs ei sisällä ei-metallisia sulkeumia, joten sillä on hyvä sitkeys.

Puolihiljaisella teräksellä on väliaikainen hapettumisenesto tyyntyn ja kiehuvan välillä. Se hapettuu osittain uunissa ja senkassa ja osittain muotissa johtuen teräksen sisältämän rautaoksidin ja hiilen vuorovaikutuksesta.

Teräksen seostus suoritetaan lisäämällä sulatteeseen tarvittava määrä ferroseoksia tai puhtaita metalleja. Seoselementit, joilla on alhaisempi affiniteetti happea kohtaan kuin rauta (), eivät hapetu sulatuksen ja valun aikana, joten niitä lisätään milloin tahansa sulatuksen aikana. Seosalkuaineet, joilla on suurempi affiniteetti happea kohtaan kuin rauta (), viedään metalliin hapettumisen jälkeen tai samanaikaisesti sen kanssa sulatteen lopussa ja joskus kauhaan.

Teräksen sulatusmenetelmät

Valurautaa muutetaan teräkseksi eri toimintaperiaatteiden mukaisissa metallurgisissa yksiköissä: tulisijauuneissa, happimuuntimissa, sähköuuneissa.

Teräksen tuotanto avotakkauuneissa

Martin-prosessi (1864-1865, Ranska). Se oli 1970-luvulle asti pääasiallinen teräksen tuotantomenetelmä. Menetelmälle on ominaista suhteellisen alhainen tuottavuus ja mahdollisuus käyttää sekundäärimetallia – teräsromua. Uunin kapasiteetti on 200…900 t. Menetelmä mahdollistaa korkealaatuisen teräksen valmistuksen.

Avotakkauuni (kuva 2.2.) on rakenteeltaan ja toimintaperiaatteeltaan liekkireverberatiivinen regeneratiivinen uuni. Kaasumaista kaasua poltetaan sulatustilassa

polttoainetta tai polttoöljyä. Korkea lämpötila sulassa tilassa olevan teräksen saamiseksi saadaan talteen uunikaasuista.

Moderni avouuni on vaakasuoraan pitkänomainen kammio, joka on valmistettu tulenkestävästä tiilestä. Työsulatustilaa rajoittaa alhaalta tulisija 12, ylhäältä kaari 11 , ja sivuilla on 5 etu- ja 10 takaseinää. Tulisija on kylpyammeen muotoinen, jossa on kaltevuus kohti uunin seiniä. Etuseinässä on latausikkunat 4 latauksen ja sulatuksen syöttämiseksi ja takaseinässä reikä 9 valmiin teräksen vapauttamista varten.

Kuva 2.2. Kaavio avotakkauunista

Työtilan ominaisuus on uunin pohjan pinta-ala, joka lasketaan latausikkunoiden kynnysten tasolla. Sulatustilan molemmissa päissä on uunipäät 2, joiden tehtävänä on sekoittaa polttoainetta ilmaan ja syöttää tätä seosta sulatustilaan. Käytetty polttoaineena maakaasu, polttoöljy

Ilman ja kaasun lämmittämiseksi vähäkalorisella kaasulla käytettäessä uunissa on kaksi regeneraattoria 1.

Regeneraattori - kammio, johon on sijoitettu suutin - häkkiin asetettu tulenkestävä tiili, joka on suunniteltu lämmittämään ilmaa ja kaasuja.

Uunista lähtevien kaasujen lämpötila on 1500...1600 0 C. Regeneraattoriin saapuvat kaasut lämmittävät suuttimen lämpötilaan 1250 0 C. Toisen regeneraattorin kautta syötetään ilmaa, joka suuttimen läpi kulkiessaan lämpenee 1200 0 C:een ja menee uunin päähän, jossa se sekoittuu polttoaineeseen, kannesta ulostuloon muodostuu poltin 7, joka on suunnattu panosta 6 kohti.

Pakokaasut kulkevat vastakkaisen pään (vasemmalla), puhdistuslaitteiden (kuonasäiliöiden) läpi, jotka erottavat kuona- ja pölyhiukkaset kaasusta ja lähetetään toiseen regeneraattoriin.

Jäähtyneet kaasut poistuvat uunista savupiipun 8 kautta.

Jäähtymisen jälkeen oikean regeneraattorin suuttimet vaihtavat venttiilejä ja kaasujen virtaus uunissa muuttaa suuntaa.

Liekin lämpötila saavuttaa 1800 0 C. Poltin lämmittää uunin työtilan ja panoksen. Poltin edistää varauksen epäpuhtauksien hapettumista sulatuksen aikana.

Sulatusaika on 3...6 tuntia, suurissa uuneissa jopa 12 tuntia. Valmiit sulatteet vapautetaan takaseinässä tulisijan alemmalla tasolla olevan reiän kautta. Reikä on tiivistetty tiiviisti vähän paakkuuntuvilla tulenkestävällä materiaalilla, joka kolhiutuu ulos sulan vapautuessa. Uunit toimivat jatkuvasti, kunnes ne pysäytetään suuria korjauksia varten - 400...600 lämpöä.

Sulatuksessa käytetyn panoksen koostumuksesta riippuen on olemassa erilaisia avotakkaprosessityyppejä:

– romuprosessi, jossa panos koostuu teräsromusta (romusta) ja 25...45 % harkkorautasta, prosessia käytetään tehtaissa, joissa ei ole masuuneja, mutta metalliromua on paljon.

– romumalmiprosessi, jossa panos koostuu nestemäisestä valuraudasta (55...75%), romusta ja rautamalmista, prosessia käytetään metallurgisissa laitoksissa, joissa on masuuneja.

Uunin vuoraus voi olla emäksistä tai hapanta. Jos teräksen sulatusprosessin aikana kuona on hallitseva emäksiset oksidit, prosessia kutsutaan pää avotakkaprosessi, ja jos se on hapan - hapan.

Suurin määrä Teräs valmistetaan romumalmiprosessilla avoimissa tulisijauuneissa, joissa on päävuoraus.

Rautamalmi ja kalkkikivi ladataan uuniin ja lämmityksen jälkeen syötetään romu. Romun kuumentamisen jälkeen uuniin kaadetaan nestemäinen valurauta. Sulamisjakson aikana malmioksidien ja romun vuoksi valuraudan epäpuhtaudet hapetetaan voimakkaasti: pii, fosfori, mangaani ja osittain hiili. Oksidit muodostavat kuonan, jossa on korkea rauta- ja mangaanioksidipitoisuus (rautakuona). Tämän jälkeen suoritetaan kylvyn "kiehumisjakso": rautamalmi ladataan uuniin ja kylpy huuhdellaan hapella, joka syötetään putkien 3 kautta. Tällä hetkellä polttoaineen ja ilman syöttö uuniin suljetaan ja kuona poistetaan.

Rikin poistamiseksi syntyy uutta kuonaa levittämällä metallipinnalle kalkkia, johon on lisätty bauksiittia kuonan viskositeetin vähentämiseksi. Kuonan pitoisuus kasvaa ja vähenee.

Kiehumisjakson aikana hiili hapettuu voimakkaasti, joten panoksen tulee sisältää ylimääräistä hiiltä. Tässä vaiheessa metalli saatetaan tiettyyn kemialliseen koostumukseen, kaasut ja ei-metalliset sulkeumat poistetaan siitä.

Sitten metalli deoksitetaan kahdessa vaiheessa. Ensinnäkin hapettumisenesto tapahtuu hapettamalla metallin hiiltä ja syöttämällä hauteen samanaikaisesti hapettumisenestoaineita - ferromangaania, ferropiitä, alumiinia. Lopullinen hapettumisenesto alumiinilla ja ferrosipillä suoritetaan kauhassa, kun teräs vapautetaan uunista. Kontrollinäytteiden ottamisen jälkeen teräs vapautetaan kauhaan.

Pääuunissa sulatetaan hiilirakenne-, niukka- ja keskiseosteisia teräksiä (mangaani, kromi) sekä runsasseosteisia teräksiä ja metalliseoksia, joita valmistetaan sähkösulatusuuneissa.

Laadukkaat teräkset sulatetaan happamissa tulisijauuneissa. Käytetään seosta, jossa on alhainen rikki- ja fosforipitoisuus.

Terästuotannon tärkeimmät tekniset ja taloudelliset indikaattorit avotakkauuneissa ovat:

· uunin tuottavuus – teräksen poisto 1 m2 tulisijapinta-alasta vuorokaudessa (t/m2 per päivä), keskimäärin 10 t/m2; R

· polttoaineenkulutus 1 tuotettua terästonnia kohden on keskimäärin 80 kg/t.

Uunien kasvaessa niiden taloudellinen tehokkuus kasvaa.

Teräksen tuotanto happimuuntimissa.

Happikonvertteriprosessi on teräksen sulattaminen nestemäisestä valuraudasta päävuorauksella varustetussa konvertterissa ja puhaltamalla happea vesijäähdytetyn lanssin läpi.

Ensimmäiset kokeet vuosina 1933-1934 - Mozgovoy.

Teollisessa mittakaavassa - vuosina 1952-1953 Linzin ja Donawitzin (Itävalta) tehtaissa - sitä kutsuttiin LD-prosessiksi. Tällä hetkellä menetelmä on tärkein teräksen massatuotannossa.

Happimuunnin on päärynän muotoinen teräslevystä valmistettu astia, joka on vuorattu pohjatiilellä.

Muuntimen kapasiteetti on 130...350 tonnia nestemäistä valurautaa. Käytön aikana muuntajaa voidaan kääntää 360° romun, valuraudan kaatamiseen, teräksen ja kuonan tyhjentämiseksi.

Happikonvertteriprosessin panosmateriaaleja ovat nestemäinen harkkorauta, teräsromu (enintään 30 %), kalkki kuonanpoistoon, rautamalmi sekä bauksiitti ja fluorisälpä kuonan nesteyttämiseen.

Teknisten toimintojen järjestys sulatettaessa terästä happimuuntimissa on esitetty kuvassa. 2.3.

Kuva 2.3. Teknisten toimintojen järjestys sulatettaessa terästä happimuuntimissa

Seuraavan teräksen sulatuksen jälkeen ulostuloaukko tiivistetään tulenkestävällä massalla ja vuoraus tarkastetaan ja korjataan.

Ennen sulatusta konvertteria kallistetaan ja romuriisi ladataan latauskoneilla. (2.3.a), valurautaa kaadetaan lämpötilassa 1250...1400 0 C (kuva 2.3.b).

Tämän jälkeen muunnin käännetään työasentoon (kuva 2.3.c), sisään työnnetään jäähdytetty lansetti ja sen läpi syötetään happea 0,9...1,4 MPa paineella. Samaan aikaan puhalluksen alkamisen kanssa ladataan kalkkia, bauksiittia ja rautamalmia. Happi tunkeutuu metalliin, jolloin se kiertää muuntimessa ja sekoittuu kuonan kanssa. Hormin alle kehittyy lämpötila 2400 0 C. Rauta hapettuu happisuihkun kosketusvyöhykkeellä metallin kanssa. Rautaoksidi liukenee kuonaan ja metalliin rikastaen metallia hapella. Liuennut happi hapettaa metallissa olevaa piitä, mangaania ja hiiltä ja niiden pitoisuus pienenee. Metalli kuumenee hapettumisen aikana vapautuvan lämmön vaikutuksesta.

Fosfori poistetaan kylvyn hapella huuhtelun alussa, kun sen lämpötila on alhainen (valuraudan fosforipitoisuus ei saa ylittää 0,15 %). Jos fosforipitoisuus on korkea, sen poistamiseksi on tarpeen tyhjentää kuona ja lisätä uusi, mikä vähentää muuntimen tuottavuutta.

Rikki poistetaan koko sulatusprosessin ajan (valuraudan rikkipitoisuuden tulee olla enintään 0,07 %).

Hapen syöttö pysähtyy, kun metallin hiilipitoisuus vastaa määritettyä arvoa. Tämän jälkeen konvertteri käännetään ja teräs vapautetaan valusankoon (kuva 2.3.d), jossa se deoksidoidaan saostusmenetelmällä ferromangaanilla, ferrosipillä ja alumiinilla, minkä jälkeen kuona valutetaan pois (kuva 2.3.e). .

Happimuuntimissa sulatetaan eri hiilipitoisia, kiehuvia ja tyyni teräksiä sekä niukkaseosteisia teräksiä. Seoselementit sulassa muodossa syötetään senkkaan ennen kuin teräs vapautuu siihen.

Sulatus 130...300 tonnin kapasiteetiltaan konverttereissa päättyy 25...30 minuutissa.

Rauta muodostaa yli 5 % maankuoresta. Tärkeimmät raudan uuttamiseen käytetyt malmit ovat hematiitti ja magnetiitti. Nämä malmit sisältävät 20-70 % rautaa. Näiden malmien tärkeimmät rautaepäpuhtaudet ovat hiekka ja alumiinioksidi (alumiinioksidi).

Maan ydin

Epäsuorien todisteiden perusteella voimme päätellä, että maapallon ydin on pääasiassa rautaseosta. Sen säde on noin 3470 km, kun taas Maan säde on 6370 km. Maan sisäydin näyttää olevan kiinteä ja sen säde on noin 1200 km. Sitä ympäröi nestemäinen ulkosydän. Turbulenttinen nestevirtaus tässä ytimen osassa luo Maan magneettikentän. Paine ytimen sisällä vaihtelee välillä 1,3-3,5 miljoonaa ilmakehää ja lämpötila vaihtelee välillä

Vaikka on todettu, että maapallon ydin koostuu pääosin raudasta, sen tarkkaa koostumusta ei tunneta. On arvioitu, että 8-10 % maan ytimen massasta koostuu alkuaineista, kuten nikkelistä, rikistä (rautasulfidin muodossa), hapesta (rautaoksidin muodossa) ja piistä (rautaoksidin muodossa). rautasilisidi).

Ainakin 12 maassa maailmassa on todistetusti yli miljardin tonnin rautamalmivarat. Näitä maita ovat Australia, Kanada, Yhdysvallat, Etelä-Afrikka, Intia, Neuvostoliitto ja Ranska. Maailmanlaajuinen terästuotannon taso on tällä hetkellä 700 miljoonaa tonnia.Tärkeimmät teräksen tuottajat ovat Neuvostoliitto, USA ja Japani, joista kukin maa tuottaa yli 100 miljoonaa tonnia terästä vuodessa. Iso-Britanniassa terästuotannon taso on 20 miljoonaa tonnia vuodessa.

Raudan tuotanto

Toisessa vaiheessa rautamalmi pelkistetään raudaksi hiilimonoksidilla masuunissa (kuva 14.12). Pelkistys suoritetaan noin 700 °C:n lämpötiloissa:

Raudan saannon lisäämiseksi tämä prosessi suoritetaan olosuhteissa, joissa on ylimääräistä hiilidioksidia

Hiilimonoksidia CO muodostuu masuunissa koksista ja ilmasta. Ilma lämmitetään ensin noin 600 °C:seen ja pakotetaan uuniin erityistä putkea - hormi - läpi. Koksi palaa kuumassa paineilmassa muodostaen hiilidioksidia. Tämä reaktio on eksoterminen ja aiheuttaa lämpötilan nousun yli 1700 °C:n:

Hiilidioksidi nousee uunissa ja reagoi suuremman koksin kanssa muodostaen hiilimonoksidia. Tämä reaktio on endoterminen:

Riisi. 14.12. Masuuni, 1 - rautamalmi, kalkkikivi, koksi, 2 täyttökartio (ylhäällä), 3 - yläkaasu, 4 - uunin muuraus, 5 - rautaoksidin pelkistysvyöhyke, 6 - kuonanmuodostusvyöhyke, 7 - koksin polttovyöhyke, 8 - lämmitetyn ilman ruiskutus hormien läpi, 9 - sulaa rautaa, 10 - sulaa kuonaa.

Malmin pelkistyksen aikana muodostunut rauta on saastunut hiekan ja alumiinioksidin epäpuhtauksilla (katso edellä). Niiden poistamiseksi uuniin lisätään kalkkikiveä. Uunissa vallitsevissa lämpötiloissa kalkkikivessä tapahtuu termistä hajoamista, jolloin muodostuu kalsiumoksidia ja hiilidioksidia:

Kalsiumoksidi yhdistyy epäpuhtauksien kanssa muodostaen kuonaa. Kuona sisältää kalsiumsilikaattia ja kalsiumaluminaattia:

Rauta sulaa 1540 °C:ssa (katso taulukko 14.2). Sula rauta virtaa sulan kuonan mukana uunin alaosaan. Sula kuona kelluu sulan raudan pinnalla. Jokainen näistä kerroksista vapautetaan ajoittain uunista sopivalla tasolla.

neljä ulostuloa ja jatkuva sulan raudan vapautuminen. Tällaisten uunien kapasiteetti on jopa 10 000 tonnia päivässä.

Valurautaa valmistetaan sulattamalla harkkorautaa, metalliromua ja terästä koksin kanssa. Sula rauta kaadetaan muotteihin ja jäähdytetään.

Takorauta on teollisuusraudan puhtain muoto. Sitä valmistetaan kuumentamalla raakarautaa hematiitin ja kalkkikiven kanssa sulatusuunissa. Tämä nostaa raudan puhtauden noin 99,5 %:iin. Sen sulamispiste kohoaa 1400 °C:seen. Takorautalla on suuri lujuus, muokattavuus ja sitkeys. Monissa sovelluksissa se kuitenkin korvataan miedolla teräksellä (katso alla).

Teräksen tuotanto

Teräkset jaetaan kahteen tyyppiin. Hiiliteräkset sisältävät jopa 1,5 % hiiltä. Seosteräkset eivät sisällä vain pieniä määriä hiiltä, vaan myös muiden metallien erityisiä epäpuhtauksia (lisäaineita). Eri terästyyppejä, niiden ominaisuuksia ja sovelluksia käsitellään yksityiskohtaisesti alla.

Hapenmuuntimen prosessi. Viime vuosikymmeninä teräksen tuotanto on mullistanut happiperusprosessin (tunnetaan myös nimellä Linz-Donawitz -prosessi) kehittäminen. Tätä prosessia alettiin käyttää vuonna 1953 terästehtaalla kahdessa Itävallan metallurgisessa keskuksessa - Linzissä ja Donawitzissa.

Happikonvertteriprosessissa käytetään happimuunninta, jossa on päävuoraus (vuori) (kuva 14.13). Muuntaja on kuormitettu kaltevassa asennossa

Riisi. 14.13. Muunnin teräksen sulatukseen, 1 - happi ja 2 - vesijäähdytteinen putki happipuhallukseen, 3 - kuona. 4-akselinen, 5-sulaa terästä, 6-teräsrunko.

sulatettua harkkorautaa sulatusuunista ja metalliromua ja palautettu sitten pystyasentoon. Tämän jälkeen konvertteriin työnnetään ylhäältä vesijäähdytteinen kupariputki, jonka kautta sulan raudan pinnalle johdetaan jauhemaiseen kalkkiin sekoitettu happivirta. Tämä 20 minuuttia kestävä "happihuuhtelu" johtaa raudan epäpuhtauksien voimakkaaseen hapettumiseen, ja muuntimen sisältö pysyy nestemäisenä johtuen hapetusreaktion aikana vapautuvasta energiasta. Tuloksena olevat oksidit yhdistyvät kalkkiin ja muuttuvat kuonaksi. Sitten kupariputki vedetään ulos ja muuntajaa kallistetaan kuonan tyhjentämiseksi. Toistuvan puhalluksen jälkeen sula teräs kaadetaan konvertterista (kaltevassa asennossa) kauhaan.

Tällä prosessilla valmistetaan tällä hetkellä kaikki teräs Isossa-Britanniassa ja suurin osa teräksestä maailmanlaajuisesti.

Sähköinen teräksen valmistusprosessi. Sähköuuneja käytetään ensisijaisesti romuteräksen ja valuraudan muuntamiseen korkealaatuisiksi seosteräksiksi, kuten ruostumattomaksi teräkseksi. Sähköuuni on pyöreä syvä säiliö, joka on vuorattu tulenkestävällä tiilellä. Uuniin ladataan metalliromu avoimen kannen kautta, sitten kansi suljetaan ja elektrodit lasketaan uuniin siinä olevien reikien kautta, kunnes ne joutuvat kosketuksiin metalliromun kanssa. Tämän jälkeen virta kytketään päälle. Elektrodien väliin syntyy kaari, jossa kehittyy yli 3000 °C lämpötila. Tässä lämpötilassa metalli sulaa ja syntyy uutta terästä.Jokaisella uunikuormalla voidaan valmistaa 25-50 tonnia terästä.

Elämässä kohtaamme jatkuvasti metalliseoksia, joista yleisin on teräs. Siksi ei ole yllättävää, että jollain olisi kysyttävää teräksen valmistustavasta?

Teräs on yksi raudan ja hiilen seoksista, jota käytetään laajasti Jokapäiväinen elämä. Teräksen tuotantoprosessi on monivaiheinen ja koostuu useista vaiheista: malmin louhinta ja rikastus, sintraus, raudan tuotanto ja teräksen sulatus.

Malmi ja sintraus

Malmiesiintymät mahdollistavat sekä rikkaiden että köyhien kivien louhinnan. rikas malmi voidaan heti käyttää teollisuuden raaka-aineena. Jotta heikkolaatuista malmia voitaisiin sulattaa, sitä on rikastettava, eli sen puhtaan metallin pitoisuutta on lisättävä. Tätä varten malmi murskataan ja eri teknologioiden avulla erotetaan metalliyhdisteitä sisältävät hiukkaset. Esimerkiksi rautamalmeissa käytetään magneettierotusta - magneettikentän vaikutusta raaka-aineeseen rautapitoisten hiukkasten erottamiseksi.

Tuloksena on mataladispersioinen tiiviste, joka sintrataan isommiksi paloiksi. Rautamalmien paahtamisen tulos on agglomeraatti. Agglomeraattityypit on nimetty niiden koostumukseen sisältyvien tärkeimpien raaka-aineiden mukaan. Meidän tapauksessamme tämä on rautamalmin sintraus. Nyt teräksen valmistustavan ymmärtämiseksi on tarpeen jäljittää tekninen prosessi.

Raudan tuotanto.

Harkkorautaa sulatetaan masuuneissa, jotka toimivat vastavirtaperiaatteella. Sintrauksen, koksin ja muun panosmateriaalin lastaus suoritetaan ylhäältä. Alhaalta ylöspäin näitä materiaaleja kohti nousevat kuumat kaasuvirrat koksin palamisesta. Alkaa sarja kemiallisia prosesseja, jotka johtavat raudan pelkistymiseen ja sen kyllästymiseen hiilellä. Lämpötila samalla se pysyy 400-500 celsiusasteen alueella. Uunin alaosissa, joissa pelkistetty rauta lasketaan asteittain, lämpötila nousee 900-950 asteeseen. Muodostuu nestemäinen raudan ja hiilen seos - valurauta. Pääasiaan kemialliset ominaisuudet Valurauta sisältää: hiilipitoisuus yli 2,14%, pakollinen rikki, pii, fosfori ja mangaani. Valurautalle on ominaista lisääntynyt hauraus.

Teräksen sulatus.

Olemme nyt saavuttaneet viimeisen vaiheen teräksen valmistuksen oppimisessa. Kemiallisesti teräs eroaa valuraudasta alhaisemman hiilipitoisuuden suhteen; vastaavasti päätehtävä tuotantoprosessi– vähentää hiilen ja muiden epäpuhtauksien pitoisuutta päärautaseoksessa. Teräksen valmistukseen käytetään avotakkauuneja, happimuuntimia tai sähköuuneja.

Eri teknologioiden avulla sula valurauta puhdistetaan hapella erittäin korkeissa lämpötiloissa. Tapahtuu käänteinen prosessi - raudan hapettuminen seokseen sisältyvien epäpuhtauksien tasolla. Tuloksena oleva kuona poistetaan myöhemmin. Happipuhdistuksen seurauksena hiilipitoisuus vähenee ja valurauta muuttuu teräkseksi.

Teräkseen voidaan lisätä seosaineita materiaalin ominaisuuksien muuttamiseksi. Siksi terästä pidetään rauta-hiiliseoksena, jonka rautapitoisuus on vähintään 45 %.

Yllä olevat prosessit selittivät kuinka terästä valmistetaan, mistä materiaaleista ja millä tekniikoilla.

Rauta on hyvin tunnettu kemiallinen alkuaine. Se kuuluu metalleihin, joilla on keskimääräinen kemiallinen aktiivisuus. Tässä artikkelissa tarkastellaan raudan ominaisuuksia ja käyttötarkoituksia.

Esiintyminen luonnossa

Siellä on melko suuri määrä ferrumia sisältävät mineraalit. Ensinnäkin se on magnetiittia. Se on seitsemänkymmentäkaksi prosenttia rautaa. Sen kemiallinen kaava on Fe3O4. Tätä mineraalia kutsutaan myös magneettiseksi rautamalmiksi. Sillä on vaaleanharmaa väri, joskus tummanharmaa, jopa musta, metallinen kiilto. Sen suurin esiintymä IVY-maiden joukossa sijaitsee Uralilla.

Seuraava mineraali, jolla on korkea rautapitoisuus, on hematiitti - se koostuu 70 prosentista tästä elementistä. Sen kemiallinen kaava on Fe2O3. Sitä kutsutaan myös punaiseksi rautamalmiksi. Sen väri vaihtelee punaruskeasta punaharmaaseen. IVY-maiden suurin talletus sijaitsee Krivoy Rogissa.

Kolmas ferrumia sisältävä mineraali on limoniitti. Tässä rautaa on kuusikymmentä prosenttia kokonaismassasta. Tämä on kiteinen hydraatti, eli sen sisällä kristallihila vesimolekyylit ovat kietoutuneet toisiinsa, sen kemiallinen kaava on Fe 2 O 3 .H 2 O. Kuten nimestä voi päätellä, tämä mineraali on kelta-ruskehtava väri, joskus ruskea. Se on yksi luonnollisen okran pääkomponenteista ja sitä käytetään pigmenttinä. Sitä kutsutaan myös ruskeaksi rautamalmiksi. Suurimmat kohteet ovat Krim ja Ural.

Sideriitti, niin kutsuttu rautamalmi, sisältää 48 prosenttia ferrumia. Sen kemiallinen kaava on FeCO 3. Sen rakenne on heterogeeninen ja koostuu erivärisistä kiteistä, jotka on yhdistetty toisiinsa: harmaa, vaaleanvihreä, harmaankeltainen, ruskeankeltainen jne.

Viimeinen yleisesti esiintyvä mineraali, jolla on korkea ferrumipitoisuus luonnossa, on rikkikiisu. Hänellä on sellainen kemiallinen kaava FeS2. Se sisältää rautaa neljäkymmentäkuusi prosenttia kokonaismassasta. Rikkiatomien ansiosta tällä mineraalilla on kullankeltainen väri.

Monia käsitellyistä mineraaleista käytetään saamiseen puhdasta rautaa. Lisäksi hematiittia käytetään korujen valmistuksessa luonnonkivistä. Lapis lazuli -koruissa voi olla pyriittisulkeuksia. Lisäksi rautaa löytyy luonnosta elävissä organismeissa - se on yksi solujen tärkeimmistä komponenteista. Tämä mikroelementti on toimitettava ihmiskehoon riittävinä määrinä. Lääkeominaisuudet rauta johtuu suurelta osin siitä, että tämä kemiallinen alkuaine on hemoglobiinin perusta. Siksi ferrumin käytöllä on hyvä vaikutus veren ja siten koko kehon tilaan.

Rauta: fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet

Katsotaanpa näitä kahta suurta osaa järjestyksessä. rauta on hänen ulkomuoto, tiheys, sulamispiste jne. Toisin sanoen kaikki aineen ominaispiirteet, jotka liittyvät fysiikkaan. Raudan kemialliset ominaisuudet ovat sen kyky reagoida muiden yhdisteiden kanssa. Aloitetaan ensimmäisistä.

Raudan fysikaaliset ominaisuudet

SISÄÄN puhdas muoto klo normaaleissa olosuhteissa se on kiinteä. Siinä on hopeanharmaa väri ja voimakas metallinen kiilto. Raudan mekaanisiin ominaisuuksiin kuuluu kovuusaste neljä (keski). Raudalla on hyvä sähkön- ja lämmönjohtavuus. Viimeisen piirteen voi tuntea koskettamalla rautaesinettä kylmässä huoneessa. Koska tämä materiaali johtaa lämpöä nopeasti, se poistaa suurimman osan siitä iholtasi lyhyessä ajassa, minkä vuoksi tunnet olosi kylmäksi.

Jos kosketat esimerkiksi puuta, huomaat sen lämmönjohtavuuden olevan paljon alhaisempi. Raudan fysikaalisiin ominaisuuksiin kuuluvat sen sulamis- ja kiehumispisteet. Ensimmäinen on 1539 celsiusastetta, toinen on 2860 celsiusastetta. Siitä voidaan päätellä tyypillisiä ominaisuuksia rauta - hyvä sitkeys ja sulavuus. Mutta siinä ei vielä kaikki.

Raudan fysikaalisiin ominaisuuksiin kuuluu myös sen ferromagnetismi. Mikä se on? Rauta, jonka magneettisia ominaisuuksia voimme havaita käytännön esimerkeissä päivittäin, on ainoa metalli, jolla on näin ainutlaatuinen erottuva piirre. Tämä selittyy sillä, että tämä materiaali pystyy magnetisoitumaan vaikutuksen alaisena magneettikenttä. Ja jälkimmäisen toiminnan päätyttyä rauta, jonka magneettiset ominaisuudet ovat juuri muodostuneet, pysyy magneettina pitkään. Tämä ilmiö voidaan selittää sillä, että tämän metallin rakenteessa on monia vapaita elektroneja, jotka voivat liikkua.

Kemian näkökulmasta

Tämä alkuaine kuuluu keskiaktiivisiin metalleihin. Mutta raudan kemialliset ominaisuudet ovat tyypillisiä kaikille muille metalleille (paitsi niille, jotka ovat vedyn oikealla puolella sähkökemiallinen sarja). Se pystyy reagoimaan monien aineluokkien kanssa.

Aloitetaan yksinkertaisista

Ferrum on vuorovaikutuksessa hapen, typen, halogeenien (jodi, bromi, kloori, fluori), fosforin ja hiilen kanssa. Ensimmäinen huomioitava asia on reaktiot hapen kanssa. Kun ferrumia poltetaan, muodostuu sen oksideja. Reaktio-olosuhteista ja kahden osallistujan välisistä suhteista riippuen niitä voidaan vaihdella. Esimerkkinä tällaisesta vuorovaikutuksesta voidaan antaa seuraavat reaktioyhtälöt: 2Fe + O 2 = 2FeO; 4Fe + 302 = 2Fe203; 3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4. Ja rautaoksidin ominaisuudet (sekä fysikaaliset että kemialliset) voivat vaihdella sen tyypistä riippuen. Tämän tyyppiset reaktiot tapahtuvat korkeissa lämpötiloissa.

Seuraava asia on vuorovaikutus typen kanssa. Se voi tapahtua myös vain lämmityksen aikana. Jos otamme kuusi moolia rautaa ja yksi mooli typpeä, saamme kaksi moolia rautanitridiä. Reaktioyhtälö näyttää tältä: 6Fe + N 2 = 2Fe 3 N.

Fosforin kanssa vuorovaikutuksessa muodostuu fosfidia. Reaktion suorittamiseksi tarvitaan seuraavat komponentit: kolme moolia ferrumia - yksi mooli fosforia, seurauksena muodostuu yksi mooli fosfidia. Yhtälö voidaan kirjoittaa seuraavasti: 3Fe + P = Fe 3 P.

Lisäksi reaktioista yksinkertaisten aineiden kanssa voidaan erottaa myös vuorovaikutus rikin kanssa. Tässä tapauksessa voidaan saada sulfidia. Periaate, jolla koulutusprosessi tapahtuu tästä aineesta, samanlainen kuin yllä kuvatut. Nimittäin tapahtuu additioreaktio. Kaikki tällaiset kemialliset vuorovaikutukset vaativat erityisolosuhteet, enimmäkseen nämä ovat korkeita lämpötiloja, harvemmin - katalyyttejä.

Yleistä myös sisällä kemianteollisuus raudan ja halogeenien väliset reaktiot. Näitä ovat klooraus, bromaus, jodaus, fluoraus. Kuten itse reaktioiden nimistä käy ilmi, tämä on prosessi, jossa kloori/bromi/jodi/fluori-atomeja lisätään ferrum-atomeihin, jolloin muodostuu vastaavasti kloridi/bromidi/jodidi/fluori. Näitä aineita käytetään laajasti eri teollisuudenaloilla. Lisäksi ferrum pystyy yhdistymään piin kanssa korkeissa lämpötiloissa. Kiitokset Kemialliset ominaisuudet Rautaa on monipuolista ja sitä käytetään usein kemianteollisuudessa.

Ferrum ja monimutkaiset aineet

From yksinkertaiset aineet Siirrytään niihin, joiden molekyylit koostuvat kahdesta tai useammasta erilaisesta kemiallisesta alkuaineesta. Ensimmäisenä mainittava asia on ferrumin reaktio veden kanssa. Tässä näkyvät raudan perusominaisuudet. Kun vettä kuumennetaan, se muodostuu yhdessä raudan kanssa (se on niin kutsuttu, koska se muodostaa vuorovaikutuksessa saman veden kanssa hydroksidin, toisin sanoen emäksen). Joten jos otat yhden moolin molempia komponentteja, aineita, kuten ferrumoksidia ja vetyä, muodostuu pistävä hajuisen kaasun muodossa - myös molaarisissa suhteissa yhdestä yhteen. Tämän tyyppisen reaktion yhtälö voidaan kirjoittaa seuraavasti: Fe + H 2 O = FeO + H 2. Riippuen suhteista, joissa nämä kaksi komponenttia sekoitetaan, voidaan saada rautadi- tai -trioksidia. Molemmat aineet ovat hyvin yleisiä kemianteollisuudessa ja niitä käytetään myös monilla muilla teollisuudenaloilla.

Hapoilla ja suoloilla

Koska ferrum sijaitsee vedyn vasemmalla puolella metallien sähkökemiallisen aktiivisuuden sarjassa, se pystyy syrjäyttämään tämän alkuaineen yhdisteistä. Esimerkki tästä on syrjäytysreaktio, joka voidaan havaita, kun rautaa lisätään happoon. Jos esimerkiksi sekoitat rautaa ja sulfaattihappoa (tunnetaan myös rikkihappona), joiden pitoisuus on sama, moolisuhde on sama, tuloksena on rauta(II)sulfaattia ja vetyä yhtä suuressa moolisuhteessa. Tällaisen reaktion yhtälö näyttää tältä: Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2.

Vuorovaikutuksessa suolojen kanssa ilmenee raudan pelkistäviä ominaisuuksia. Toisin sanoen sitä voidaan käyttää vähemmän aktiivisen metallin eristämiseen suolasta. Esimerkiksi jos otat yhden moolin ja saman määrän ferrumia, voit saada rauta(II)sulfaattia ja puhdasta kuparia samoissa moolisuhteissa.

Tärkeää keholle

Yksi maankuoren yleisimmistä kemiallisista alkuaineista on rauta. Olemme jo katsoneet sitä, nyt lähestytään sitä biologisesta näkökulmasta. Ferrum suorittaa erittäin tärkeitä tehtäviä sekä solutasolla että koko organismin tasolla. Ensinnäkin rauta on sellaisen proteiinin kuin hemoglobiinin perusta. Se on välttämätön hapen kuljettamiseksi veren kautta keuhkoista kaikkiin kudoksiin, elimiin, jokaiseen kehon soluun, ensisijaisesti aivojen hermosoluihin. Siksi hyödyllisiä ominaisuuksia rautaa ei voi yliarvioida.

Sen lisäksi, että ferrum vaikuttaa verenmuodostukseen, se on tärkeä myös kilpirauhasen täydelliselle toiminnalle (tämä ei vaadi vain jodia, kuten jotkut uskovat). Rauta osallistuu myös solunsisäiseen aineenvaihduntaan ja säätelee vastustuskykyä. Ferrumia on myös erityisen suuria määriä maksasoluissa, koska se auttaa neutraloimaan haitallisia aineita. Se on myös yksi monien kehomme entsyymien pääkomponenteista. Ihmisen päivittäisen ruokavalion tulisi sisältää 10-20 milligrammaa tätä mikroelementtiä.

Ruoat, joissa on runsaasti rautaa

Niitä on paljon. Ne ovat sekä kasvi- että eläinperäisiä. Ensimmäiset ovat viljat, palkokasvit, viljat (erityisesti tattari), omenat, sienet (valkoiset), kuivatut hedelmät, ruusunmarjat, päärynät, persikat, avokadot, kurpitsa, mantelit, taatelit, tomaatit, parsakaali, kaali, mustikat, karhunvatukat, selleri, jne. Toiset ovat maksa ja liha. Runsaasti rautaa sisältävien elintarvikkeiden nauttiminen on erityisen tärkeää raskauden aikana, koska kehittyvän sikiön keho tarvitsee suuria määriä tätä hivenainepitoisuutta täyteen kasvuun ja kehitykseen.

Merkkejä raudan puutteesta kehossa

Liian vähäisen rautapitoisuuden oireita elimistöön pääsemisestä ovat väsymys, jatkuva käsien ja jalkojen jäätyminen, masennus, hauraat hiukset ja kynnet, heikentynyt älyllinen toiminta, ruoansulatushäiriöt, heikko suorituskyky ja kilpirauhasen toimintahäiriöt. Jos huomaat useita näistä oireista, saatat haluta lisätä rautaa sisältävien ruokien määrää ruokavaliossasi tai ostaa vitamiineja tai ravintolisät sisältää ferrumia. Sinun tulee myös kääntyä lääkärin puoleen, jos tunnet jonkin näistä oireista liian akuutisti.

Ferrumin käyttö teollisuudessa

Raudan käyttötarkoitukset ja ominaisuudet liittyvät läheisesti toisiinsa. Ferromagneettisuutensa vuoksi siitä valmistetaan magneetteja - sekä heikompia kotitalouskäyttöön (matkamuistojääkaappimagneetit jne.) että vahvempia teollisiin tarkoituksiin. Koska kyseessä olevalla metallilla on korkea lujuus ja kovuus, sitä on muinaisista ajoista lähtien käytetty aseiden, panssarien ja muiden sotilaallisten ja kotitaloustyökalujen valmistukseen. Muuten, takaisin sisään Muinainen Egypti tunnettiin meteoriittirauta, jonka ominaisuudet ylittävät tavallisen metallin. Tätä erikoisrautaa käytettiin myös Antiikin Rooma. Siitä tehtiin eliittiaseita. Meteoriittimetallista valmistetun kilven tai miekan voi omistaa vain hyvin rikas ja jalo henkilö.

Yleisesti ottaen metalli, jota tarkastelemme tässä artikkelissa, on monipuolisin kaikista tämän ryhmän aineista. Ensinnäkin siitä valmistetaan terästä ja valurautaa, joista valmistetaan kaikenlaisia sekä teollisuudessa että jokapäiväisessä elämässä tarvittavia tuotteita.

Valurauta on raudan ja hiilen seos, jossa jälkimmäistä on 1,7-4,5 prosenttia. Jos toinen on alle 1,7 prosenttia, tällaista metalliseosta kutsutaan teräkseksi. Jos koostumuksessa on noin 0,02 prosenttia hiiltä, tämä on jo tavallista teknistä rautaa. Hiilen läsnäolo lejeeringissä on välttämätöntä, jotta se lisää lujuutta, lämmönkestävyyttä ja ruosteenkestävyyttä.

Lisäksi teräs voi sisältää monia muita kemiallisia alkuaineita epäpuhtauksina. Tämä sisältää mangaanin, fosforin ja piin. Myös kromia, nikkeliä, molybdeeniä, volframia ja monia muita kemiallisia alkuaineita voidaan lisätä tällaiseen seokseen antaakseen sille tiettyjä ominaisuuksia. Muuntajateräksinä käytetään terästyyppejä, jotka sisältävät paljon piitä (noin neljä prosenttia). Ne, jotka sisältävät paljon mangaania (jopa 12-14 prosenttia), käyvät osien valmistuksessa rautatiet, myllyt, murskaimet ja muut työkalut, joiden osat ovat alttiina nopealle kulumiselle.

Seokseen lisätään molybdeenia, jotta se kestää paremmin lämpöä; tällaisia teräksiä käytetään työkaluteräksinä. Lisäksi ruostumattomien terästen saamiseksi, jotka ovat hyvin tunnettuja ja joita käytetään usein jokapäiväisessä elämässä veitsien ja muiden kotitaloustyökalujen muodossa, seokseen on lisättävä kromia, nikkeliä ja titaania. Ja iskunkestävän, erittäin lujan, sitkeän teräksen saamiseksi riittää, että siihen lisätään vanadiinia. Lisäämällä niobiumia koostumukseen voidaan saavuttaa korkea korroosionkestävyys ja kemiallisesti aggressiiviset aineet.

Mineraalimagnetiittia, joka mainittiin artikkelin alussa, tarvitaan kiintolevyjen, muistikorttien ja muiden tämäntyyppisten laitteiden valmistukseen. Magneettisten ominaisuuksiensa ansiosta rautaa löytyy muuntajista, moottoreista, elektroniikkatuotteista jne. Lisäksi ferrumia voidaan lisätä muiden metallien seoksiin lujuuden ja mekaanisen stabiilisuuden lisäämiseksi. Tämän alkuaineen sulfaattia käytetään puutarhanhoidossa tuholaisten torjuntaan (kuparisulfaatin kanssa).

Ne ovat välttämättömiä vedenpuhdistuksessa. Lisäksi magnetiittijauhetta käytetään mustavalkotulostimissa. Pyriitin pääasiallinen käyttötarkoitus on saada siitä rikkihappoa. Tämä prosessi tapahtuu laboratorio-olosuhteissa kolmessa vaiheessa. Ensimmäisessä vaiheessa ferrumpyriittiä poltetaan rautaoksidin ja rikkidioksidin tuottamiseksi. Toisessa vaiheessa rikkidioksidin muuntaminen trioksidikseen tapahtuu hapen mukana. Ja viimeisessä vaiheessa tuloksena oleva aine johdetaan läpi katalyyttien läsnä ollessa, jolloin syntyy rikkihappoa.

Saada rautaa

Tämä metalli louhitaan pääasiassa sen kahdesta päämineraalista: magnetiitista ja hematiitista. Tämä tehdään pelkistämällä rauta sen yhdisteistä hiilellä koksin muodossa. Tämä tehdään masuuneissa, joiden lämpötila saavuttaa kaksi tuhatta celsiusastetta. Lisäksi on olemassa menetelmä ferrumin pelkistämiseksi vedyllä. Tätä varten ei tarvitse olla masuunia. Toteuttaa tätä menetelmää He ottavat erikoissavi, sekoitetaan se murskattuun malmiin ja käsitellään vedyllä kuiluuunissa.

Johtopäätös

Raudan ominaisuudet ja käyttötarkoitukset vaihtelevat. Tämä on ehkä tärkein metalli elämässämme. Tulossa ihmiskunnan tiedossa, se korvasi pronssin, joka tuolloin oli tärkein materiaali kaikkien työkalujen sekä aseiden valmistuksessa. Teräs ja valurauta ovat monin tavoin parempia kuin kupari-tinaseos fyysiset ominaisuudet, kestää mekaanista rasitusta.

Lisäksi rautaa on planeetallamme runsaammin kuin monia muita metalleja. sitä on lähes viisi prosenttia maankuoressa. Se on neljänneksi yleisin kemiallinen alkuaine luonnossa. Myös tämä kemiallinen alkuaine on erittäin tärkeä eläinten ja kasvien kehon normaalille toiminnalle, pääasiassa siksi, että hemoglobiini on rakennettu sen pohjalle. Rauta on välttämätön hivenaine, jonka nauttiminen on tärkeää terveyden ylläpitämisen ja elinten normaalin toiminnan kannalta. Edellä mainittujen lisäksi tämä on ainoa metalli, jolla on ainutlaatuinen magneettiset ominaisuudet. On mahdotonta kuvitella elämäämme ilman ferrumia.