6.1.    Производство чугуна

Железо в чистом виде редко встречается в поверхностных слоях земной коры: из-за большой склонности к окислению обычно встречаются окислы железа в смеси с соединениями других элементов. Насчитывается около 200 различных минералов, содержащих железо. Ведущие ученые в области геологии академики В.И. Вернадский и А.П. Виноградов считали, что в земной коре (до глубины 16 км) содержится примерно 5 % железа в виде окислов, карбонатов, сульфидов и других соединений.

Наиболее крупные и богатые окисленными соединениями железа скопления минералов называют месторождениями железных руд. Рудами называют горные породы, которые технически и экономически целесообразно перерабатывать для извлечения содержащихся в них металлов.

К железным рудам относят красный, бурый, магнитный и шпатовый железняки. Эти руды содержат значительное количество рудного вещества или соединений железа, из которого оно извлекается, и пустую породу, легко отделяющуюся при переработке.

Пустая порода – это такие минералы, которые не вносят серьезных технологических осложнений в металлургическую переработку и легко отделяются от рудных минералов в процессе обогащения или переходят в шлаки при плавке. Пустой породой в железных рудах чаще всего являются кремнезем, каолин, реже доломит и магнезит. В рудах обычно содержатся и вредные примеси, которые осложняют металлургические переделы и, загрязняя основной металл, снижают его свойства. В железных рудах к вредным примесям обычно относят серу, мышьяк и фосфор.

Красный железняк (гематит) содержит железо главным образом в виде Fe2O3 – безводной окиси железа. Пустой породой в нем обычно бывает кремнезем. Содержание железа в красных железняках по массе составляет 45 – 65 %, при малом содержании вредных примесей. Красный железняк хорошо восстанавливается в доменных печах.

Бурый железняк (лимонит) содержит железо в форме водных окислов nFe2O3 mH2O. Собственно лимонитом обычно называют минерал желтого цвета, содержащий 57,14 % Fe2O3 и 25,3 %  Н2О. Его пустая порода обычно состоит из глины. Бурые железняки многих месторождений содержат значительные количества серы, фосфора и других вредных примесей.

Магнитный железняк (магнетит) содержит железо, главным образом, в виде Fe3O4, обладающего хорошо выраженными магнитными свойствами. Пустой породой, сопутствующей ему, бывают кремнеземистые минералы. Магнетиты содержат железа от 40 до 70 % и являются наиболее богатыми железными рудами, но восстанавливать их труднее, так как магнетиты являются плотными горными породами.

Шпатовый железняк (сидерит) содержит железо в виде карбоната FeCO3. Его пустая порода содержит алюмосиликаты и магнезит, а содержание железа колеблется от 30 до 37 %.



Для повышения содержания железа эти руды перед плавкой обжигают, удаляющийся при этом углекислый газ делает руду пористой и легко поддающейся восстановлению.

Для производства чугуна, кроме железных руд, требуются и другие материалы. К ним, в первую очередь, следует отнести марганцевую руду, флюсы и кокс.

Марганцевые руды загружаются вместе с железными рудами в доменную печь, если поступающая на плавку железная руда содержит недостаточное количество марганца.

Флюсы вводят в доменную печь для того, чтобы  не допустить «зарастания» рабочего пространства печи и обеспечить расплавление пустой породы руды и золы топлива при необходимой температуре.

Каменноугольный кокс в современном доменном производстве играет двоякую роль. Во-первых, служит топливом и обеспечивает нагрев печного пространства до необходимой температуры, во-вторых, обеспечивает восстановление окислов железа. Благодаря своей механической прочности, пористости и значительной теплотворной способности он применяется теперь повсеместно и почти вытеснил применявшийся ранее для этих целей древесный уголь. Каменноугольный кокс содержит 82 – 88 % твердого углерода, от 5 до 10 % золы, однако всегда содержит от 0,5 до 2 % серы.

Производство чугуна и многие другие процессы получения и термической обработки металлов проводят при высоких температурах. Для их осуществления необходимо изготавливать различные аппараты (печи, ковши, дымовые трубы и др.) из материалов, выдерживающих силовые и тепловые нагрузки и стойких против воздействия расплавленных масс, горячих паров и газов.

Материалы, применяемые для футеровки рабочего пространства этих аппаратов, называют огнеупорами. Их изготавливают, главным образом, из устойчивых природных минералов, придавая им форму кирпичей, порошков и различных фасонных изделий. По химическим свойствам огнеупорные материалы делятся на кислые, основные и нейтральные.

Богатые руды, содержащие 50 % и более какого-либо металла и подлежащие прямой плавке, встречаются редко, чаще используются более бедные руды, прямая плавка которых дорога, а иногда и невозможна. Такие руды предварительно подвергают обогащению.

Обогащением  называют обработку руды, не изменяющую химического состава основных минералов и их агрегатного состояния. С помощью обогащения из руды удаляют часть пустой породы, в результате, в оставшейся части (концентрате) процентное содержание рудной массы увеличивается. Обогащением иногда удается выделить из руды несколько концентратов с преобладанием того или иного металла. Однако не все минералы поддаются обогащению в равной степени, а некоторые из них пока еще не умеют обогащать. В зависимости от характера рудных минералов применяют в технике много различных способов обогащения. Наиболее известны и широко применяются: рудоразборка, магнитное, гравитационное и флотационное обогащение.