Путешествие в Страну элементов - Л. Бобров

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 SO42–. 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.

Сведений о составе стали недостаточно для оценки ее свойств; нужно знать также структуру металла. В металлургии широко применяется так называемый физико-химический анализ, сущность которого в определении зависимости свойств металла от его состава. Полученные данные наносят на бумагу в виде графиков, называемых диаграммами состояния. Например, можно составить диаграмму плавкости сплавов железа с углеродом, которая покажет, как меняется температура плавления металла в зависимости от содержания в нем углерода. На такой диаграмме на основании опытных данных можно выделить области температур и состава, в которых могут существовать те или иные вещества или их модификации, например Fe3C, альфа- или гамма-железо и т. д.

Когда такая диаграмма составлена, по ней легко можно проследить, какие изменения происходят в металле при его охлаждении и какими взаимными переходами связаны различные вещества, входящие в структуру металла. Физико-химический анализ, создателем которого был знаменитый русский ученый Н. С. Курнаков, широко используется для изучения свойств сплавов.

Мы уже говорили, что чем меньше и компактнее зерна внутренней структуры металла, тем выше его прочность. Внутреннюю кристаллическую структуру металла изучают, например, под микроскопом. Для этого поверхность образца полируют и на полученный шлиф действуют различными химическими веществами (так называемое травление).

Если металл неоднороден, то разные его составные части по-разному будут разрушаться при травлении, а это обнаружится при микроскопическом исследовании. Понятно, для таких металлографических исследований нужен специальный микроскоп, работающий в отраженном свете, так как металл непрозрачен. Ценные данные позволяет получить и рентгенографический метод исследования.

Без точных научных методов исследования металлов, сплавов и их свойств было бы немыслимо получение материалов с нужными, заранее заданными свойствами.

От мартена к готовой продукции

Вернемся снова в мартеновский цех. Плавка закончена, в мартене ослепительно сияет расплавленный металл. Лабораторный анализ показал, что сталь заданного состава готова. Кажется, можно облегченно вздохнуть: долгий и трудный путь железа от руды до готового металла закончен. Но не тут-то было! Готовую сталь разливают в изложницы и оставляют для охлаждения.

Что происходит при этом?

Сталь при охлаждении уменьшается в объеме, «усаживается». В результате в верхней части слитка образуется усадочная раковина. Ясно, что металл с такой раковиной «работать» не может, поэтому верхнюю часть слитка срезают и отправляют в переплавку.

При охлаждении стали в изложнице кристаллизация металла происходит неравномерно, слиток получается неоднородным: возле стенок изложницы кристаллы получаются мелкие, а в более глубоких слоях, где охлаждение происходит медленнее, зерна металла бывают более крупными. Чтобы устранить неоднородность и улучшить механические свойства металла, слитки приходится дополнительно обрабатывать, обжимать.

Нагретые до 1100–1200 градусов слитки поступают на блюминги и слябинги. Здесь раскаленный слиток обжимается между валками, расстояние между