فرآیندهای استخراج مستقیم آهن از سنگ معدن. تولید فولاد.

فرآیندهای استخراج مستقیم آهن از سنگ معدن

منظور از فرآیندهای تولید مستقیم آهن، فرآیندهای شیمیایی، الکتروشیمیایی یا شیمیایی-حرارتی است که با دور زدن کوره بلند، آهن فلزی را به شکل اسفنج، پوسته یا فلز مایع به‌طور مستقیم از سنگ معدن ممکن می‌سازد.

چنین فرآیندهایی بدون مصرف کک متالورژیکی، شار یا الکتریسیته (برای تهیه هوای فشرده) انجام می شود و همچنین امکان به دست آوردن فلز بسیار خالص را فراهم می کند.

روش های تولید مستقیم آهن از دیرباز شناخته شده است. بیش از 70 روش مختلف آزمایش شده است، اما تنها تعداد کمی از آنها و علاوه بر این، در مقیاس صنعتی کوچک اجرا شده اند.

در سال‌های اخیر، علاقه به این مشکل افزایش یافته است، که علاوه بر جایگزینی کک با سایر سوخت‌ها، با توسعه روش‌هایی برای غنی‌سازی عمیق سنگ معدن همراه است، که نه تنها از محتوای بالای آهن در کنسانتره‌ها تضمین می‌کند (70.. 72/0 درصد، بلکه آزادسازی تقریباً کامل آن از گوگرد و فسفر.

تولید آهن اسفنجی در کوره های شفتی.

نمودار فرآیند در شکل نشان داده شده است. 2.1.

برنج. 2.1. نمودار نصب برای احیای مستقیم آهن از سنگ معدن و تولید گلوله متالایز

هنگامی که آهن اسفنجی به دست می آید، سنگ معدن استخراج شده غنی شده و گلوله به دست می آید. گلوله ها از پناهگاه 1 تا صفحه 2 وارد جعبه 10 دستگاه پرکن شارژ شده و از آنجا به کوره شفت می روند. 9 ، بر اساس اصل جریان مخالف عمل می کند. نشت گلوله ها با پرس بریکت وارد قیف 3 می شود و دوباره به صورت گلوله وارد صفحه 2 می شود. . برای بازیابی آهن از گلوله ها، مخلوطی از گازهای طبیعی و کوره بلند از طریق خط لوله 8 به کوره عرضه می شود که در نصب 7 تحت تبدیل قرار می گیرد، در نتیجه مخلوط به هیدروژن و مونوکسید کربن تجزیه می شود. در ناحیه احیاء کوره دمای 1000...1100 0 C ایجاد می شود که در آن سنگ آهن موجود در گلوله ها به آهن اسفنجی جامد تبدیل می شود. محتوای آهن در گلوله ها به 90 ... 95٪ می رسد. برای خنک کردن گلوله های آهن از طریق خط لوله 6 به منطقه خنک کننده 0 کوره ها هوا را تامین می کنند. گلوله های خنک شده 5 به نوار نقاله 4 تحویل داده می شوند و به ذوب فولاد در کوره های الکتریکی ارسال می شوند.

کاهش آهن در بستر سیال.

سنگ معدن یا کنسانتره دانه ریز روی شبکه ای قرار می گیرد که از طریق آن هیدروژن یا سایر گازهای کاهنده با فشار 1.5 مگاپاسکال تامین می شود. ذرات سنگ معدن تحت فشار هیدروژن معلق می شوند و تحت حرکت مداوم قرار می گیرند و یک لایه "جوش" و "سیال" تشکیل می دهند. در بستر سیال، تماس خوب گاز کاهنده با ذرات اکسید آهن تضمین می شود. برای یک تن پودر بازیافت شده، مصرف هیدروژن 600 ... 650 متر مکعب است.

تهیه آهن اسفنجی در کپسول های بوته.

از کپسول های سیلیکون کاربید با قطر 500 میلی متر و ارتفاع 1500 میلی متر استفاده می شود. بار در لایه های متحدالمرکز بارگیری می شود. داخل کپسول با یک عامل کاهنده پر شده است - سوخت جامد خرد شده و سنگ آهک (10...15٪) برای حذف گوگرد. لایه دوم سنگ معدن خرد شده یا کنسانتره، رسوب، سپس یک لایه متحدالمرکز دیگر از عامل احیاء و سنگ آهک است. کپسول های نصب شده روی چرخ دستی ها به آرامی در یک کوره تونلی به طول 140 متر حرکت می کنند، در آنجا گرم می شوند، در دمای 1200 درجه سانتیگراد نگهداری می شوند و به مدت 100 ساعت سرد می شوند.

آهن کاهش یافته به شکل لوله های دیواره ضخیم به دست می آید، آنها تمیز، خرد و آسیاب می شوند و پودر آهن با محتوای آهن تا 99٪، کربن - 0.1 ... 0.2٪ به دست می آید.

تولید فولاد

اصل فرآیند

تبدیل شود- آلیاژهای آهن-کربن حاوی تقریباً 1.5 درصد کربن با محتوای بالاتر، سختی و شکنندگی فولادها به طور قابل توجهی افزایش می یابد و به طور گسترده مورد استفاده قرار نمی گیرند.

مواد اصلی برای تولید فولاد، آهن خام و ضایعات فولادی (ضایعات) است.

آهن عمدتاً زمانی اکسید می شود که چدن با اکسیژن در کوره های فولادسازی واکنش می دهد:

همزمان با آهن، سیلیکون، فسفر، منگنز و کربن اکسید می شوند. اکسید آهن حاصل در دماهای بالا اکسیژن خود را به ناخالصی های فعال تر در چدن می دهد و آنها را اکسید می کند.

فرآیندهای ذوب فولاد در سه مرحله انجام می شود.

مرحله اول ذوب شارژ و گرم کردن حمام فلزی مایع است.

دمای فلز نسبتا پایین است، اکسیداسیون آهن به شدت اتفاق می افتد، تشکیل اکسید آهن و اکسیداسیون ناخالصی ها: سیلیکون، منگنز و فسفر.

مهمترین وظیفه مرحله حذف فسفر است. برای انجام این کار، ذوب در کوره اصلی، جایی که سرباره در آن وجود دارد، مطلوب است. انیدرید فسفریک یک ترکیب ناپایدار با اکسید آهن تشکیل می دهد. اکسید کلسیم پایه قوی تری نسبت به اکسید آهن است، بنابراین در دماهای پایین می چسبد و به سرباره تبدیل می کند:

برای حذف فسفر، دمای پایین حمام فلز و سرباره و محتوای کافی در سرباره مورد نیاز است. برای افزایش محتوای سرباره و تسریع اکسیداسیون ناخالصی ها، سنگ آهن و رسوب را به کوره اضافه می کنند و سرباره آهن دار را معرفی می کنند. با حذف فسفر از فلز به سرباره، میزان فسفر در سرباره افزایش می یابد. بنابراین لازم است این سرباره را از سطح فلز جدا کرده و سرباره ای جدید با افزودنی های تازه جایگزین آن شود.

مرحله دوم - جوشاندن حمام فلزی - با گرم شدن آن تا دمای بالاتر آغاز می شود.

با افزایش دما، واکنش اکسیداسیون کربن شدیدتر رخ می دهد و با جذب گرما رخ می دهد:

برای اکسید کردن کربن، مقدار کمی سنگ معدن، رسوب یا اکسیژن به فلز تزریق می شود.

هنگامی که اکسید آهن با کربن واکنش می دهد، حباب های مونوکسید کربن از فلز مایع آزاد می شود و باعث "جوش حمام" می شود. در طول "جوش"، محتوای کربن در فلز به سطح مورد نیاز کاهش می یابد، دما در کل حجم حمام یکسان می شود، و اجزای غیر فلزی چسبیده به حباب های شناور، و همچنین گازهایی که به داخل حباب ها نفوذ می کنند، تا حدی حذف می شوند. . همه اینها به بهبود کیفیت فلز کمک می کند. در نتیجه، این مرحله اصلی ترین مرحله در فرآیند ذوب فولاد است.

شرایط برای حذف گوگرد نیز ایجاد شده است. گوگرد در فولاد به شکل سولفید () است که در سرباره اصلی نیز حل می شود. هر چه دما بیشتر باشد، مقدار سولفید آهن بیشتر در سرباره حل می شود و با اکسید کلسیم واکنش می دهد:

ترکیب حاصل در سرباره حل می شود، اما در آهن حل نمی شود، بنابراین گوگرد به سرباره خارج می شود.

مرحله سوم، اکسید زدایی فولاد، شامل کاهش اکسید آهن محلول در فلز مایع است.

در طول ذوب، افزایش محتوای اکسیژن در فلز برای اکسیداسیون ناخالصی ها ضروری است، اما در فولاد تمام شده اکسیژن ناخالصی مضر است، زیرا خواص مکانیکی فولاد را به ویژه در دماهای بالا کاهش می دهد.

فولاد به دو روش رسوبی و انتشاری اکسیدزدایی می شود.

اکسید زدایی رسوبی با وارد کردن اکسیدزدای محلول در فولاد مایع (فرومنگنز، فروسیلیسیم، آلومینیوم) حاوی عناصری که تمایل بیشتری به اکسیژن نسبت به آهن دارند، انجام می شود.

در نتیجه اکسید زدایی، آهن کاهش می یابد و اکسیدهایی تشکیل می شود: که چگالی کمتری نسبت به فولاد دارند و به سرباره خارج می شوند.

دی اکسید زدایی با اکسید زدایی سرباره انجام می شود. فرومنگنز، فروسیلیس و آلومینیوم به صورت خرد شده بر روی سطح سرباره بارگذاری می شوند. اکسید کننده ها با کاهش اکسید آهن، محتوای آن را در سرباره کاهش می دهند. در نتیجه اکسید آهن حل شده در فولاد به سرباره تبدیل می شود. اکسیدهای تشکیل شده در طی این فرآیند در سرباره باقی می مانند و آهن احیا شده به فولاد منتقل می شود، در حالی که محتوای آخال های غیرفلزی در فولاد کاهش می یابد و کیفیت آن افزایش می یابد.

بسته به درجه اکسیداسیون، فولادها ذوب می شوند:

الف) آرام

ب) جوشیدن،

ج) نیمه آرام.

فولاد آرام با اکسید زدایی کامل در کوره و ملاقه به دست می آید.

فولاد در حال جوش به طور کامل در کوره اکسیده نمی شود. اکسید زدایی آن در قالب در طول انجماد شمش، به دلیل برهمکنش اکسید آهن و کربن ادامه می یابد:

مونوکسید کربن حاصل از فولاد آزاد می شود و به حذف نیتروژن و هیدروژن از فولاد کمک می کند، گازها به شکل حباب آزاد می شوند و باعث جوشیدن آن می شوند. فولاد جوشان حاوی اجزای غیر فلزی نیست، بنابراین شکل پذیری خوبی دارد.

فولاد نیمه آرام دارای اکسید زدایی متوسط ​​بین آرام و جوش است. به دلیل برهم کنش اکسید آهن و کربن موجود در فولاد، تا حدی در کوره و ملاقه و تا حدی در قالب اکسیدزدایی می شود.

آلیاژسازی فولاد با وارد کردن فروآلیاژها یا فلزات خالص به مقدار لازم در مذاب انجام می شود. عناصر آلیاژی که میل ترکیبی کمتری نسبت به آهن () برای اکسیژن دارند، در حین ذوب و ریخته‌گری اکسید نمی‌شوند، بنابراین در هر زمانی در حین ذوب وارد می‌شوند. عناصر آلیاژی که تمایل بیشتری به اکسیژن نسبت به آهن دارند () پس از اکسید زدایی یا همزمان با آن در انتهای مذاب به فلز وارد می شوند و گاهی اوقات به داخل ملاقه وارد می شوند.

روش های ذوب فولاد

چدن در واحدهای متالورژیکی با اصول عملیاتی مختلف به فولاد تبدیل می شود: کوره های باز، مبدل های اکسیژن، کوره های الکتریکی.

تولید فولاد در کوره های اجاق باز

فرآیند مارتین (1864-1865، فرانسه). تا دهه هفتاد روش اصلی تولید فولاد بود. این روش با بهره وری نسبتا پایین و امکان استفاده از ضایعات فلزی ثانویه مشخص می شود. ظرفیت کوره 200…900 تن است.

کوره اجاق باز (شکل 2.2.) با توجه به طراحی و اصل کار خود یک کوره احیا کننده طنین شعله است. گاز گازی در فضای ذوب سوزانده می شود

سوخت یا نفت کوره دمای بالا برای بدست آوردن فولاد در حالت مذاب با بازیافت حرارت از گازهای کوره تامین می شود.

یک کوره اجاق باز مدرن یک محفظه دراز افقی است که از آجر نسوز ساخته شده است. فضای ذوب کاری از پایین توسط کوره 12 و از بالا توسط طاق 11 محدود می شود , و در طرفین 5 دیوار جلو و 10 دیوار عقب وجود دارد. این اجاق به شکل وان با شیب هایی به سمت دیواره های کوره است. در دیوار جلویی پنجره های بارگیری 4 برای تامین شارژ و شار و در دیوار عقب سوراخ 9 برای آزادسازی فولاد تمام شده وجود دارد.

شکل 2.2. طرح یک کوره اجاق باز

مشخصه فضای کار مساحت کف کوره است که در سطح آستانه پنجره های بارگیری محاسبه می شود. در هر دو انتهای فضای ذوب سر کوره 2 وجود دارد که برای مخلوط کردن سوخت با هوا و تامین این مخلوط به فضای ذوب عمل می کند. از گاز طبیعی و نفت کوره به عنوان سوخت استفاده می شود.

برای گرم کردن هوا و گاز هنگام کار بر روی گاز کم کالری، کوره دارای دو احیا کننده است 1.

احیا کننده - محفظه ای که یک نازل در آن قرار می گیرد - یک آجر نسوز که در یک قفس گذاشته شده است که برای گرم کردن هوا و گازها طراحی شده است.

گازهای خروجی از کوره دارای دمای 1500...1600 0 درجه سانتیگراد هستند. گازها با ورود به احیا کننده، نازل را تا دمای 1250 درجه سانتیگراد گرم می کنند. هوا از طریق یکی از احیاگرها تامین می شود که با عبور از نازل، تا دمای 1200 درجه سانتیگراد گرم می شود و وارد سر کوره می شود، جایی که با سوخت مخلوط می شود، یک مشعل 7 در خروجی از سر تشکیل می شود که به سمت شارژ 6 هدایت می شود.

گازهای خروجی از سر مخالف (سمت چپ)، دستگاه های تمیز کننده (مخازن سرباره) عبور می کنند، که برای جدا کردن ذرات سرباره و گرد و غبار از گاز عمل می کنند و به بازسازی کننده دوم ارسال می شوند.

گازهای خنک شده از طریق دودکش 8 از کوره خارج می شوند.

پس از خنک شدن، نازل های احیاء کننده سمت راست سوپاپ ها را تغییر می دهند و جریان گازها در کوره تغییر جهت می دهد.

دمای شعله به 1800 0 C می رسد. مشعل فضای کار کوره و شارژ را گرم می کند. مشعل باعث اکسیداسیون ناخالصی های بار در هنگام ذوب می شود.

مدت زمان ذوب 3 ... 6 ساعت است، برای کوره های بزرگ - تا 12 ساعت. مذاب تمام شده از طریق سوراخی که در دیواره عقبی در سطح پایینی اجاق قرار دارد آزاد می شود. سوراخ با مواد نسوز کم چسبندگی محکم بسته شده است که با آزاد شدن مذاب از بین می روند. کوره ها به طور مداوم کار می کنند تا زمانی که برای تعمیرات اساسی متوقف شوند - 400 ... 600 گرما.

بسته به ترکیب بار مورد استفاده در ذوب، انواع مختلفی از فرآیند اجاق باز وجود دارد:

– فرآیند ضایعات که در آن شارژ شامل ضایعات فولادی (ضایعات) و 25...45% آهن خام است، این فرآیند در کارخانه هایی که کوره بلند وجود ندارد، اما ضایعات فلزی زیادی وجود دارد، استفاده می شود.

– فرآیند سنگ ضایعات که در آن شارژ شامل چدن مایع (55...75%)، قراضه و سنگ آهن است، این فرآیند در کارخانه های متالورژی با کوره بلند استفاده می شود.

پوشش کوره می تواند بازی یا اسیدی باشد. اگر در طی فرآیند ذوب فولاد، اکسیدهای اساسی در سرباره غالب باشد، این فرآیند نامیده می شود. اصلیفرآیند اجاق باز، و اگر اسیدی باشد - ترش.

بیشترین مقدار فولاد از طریق فرآیند سنگ معدن قراضه در کوره های اجاق باز با روکش اصلی تولید می شود.

سنگ آهن و سنگ آهک در کوره بارگذاری شده و پس از گرم شدن، قراضه تغذیه می شود. پس از گرم شدن ضایعات، چدن مایع داخل کوره ریخته می شود. در طول دوره ذوب، به دلیل اکسیدهای سنگ معدن و قراضه، ناخالصی های چدن به شدت اکسید می شوند: سیلیکون، فسفر، منگنز و تا حدی کربن. اکسیدها سرباره ای با محتوای بالای اکسید آهن و منگنز (سرباره آهن) تشکیل می دهند. پس از این، یک دوره "جوش" حمام انجام می شود: سنگ آهن در کوره بارگیری می شود و حمام با اکسیژن از طریق لوله های 3 پاک می شود. در این زمان منبع سوخت و هوا به کوره قطع شده و سرباره آن خارج می شود.

برای حذف گوگرد، سرباره جدیدی با استفاده از آهک با افزودن بوکسیت به سطح فلز برای کاهش ویسکوزیته سرباره ایجاد می شود. محتوای سرباره افزایش و کاهش می یابد.

در طول دوره "جوش"، کربن به شدت اکسید می شود، بنابراین شارژ باید حاوی کربن اضافی باشد. در این مرحله، فلز به یک ترکیب شیمیایی داده می شود، گازها و اجزای غیرفلزی از آن حذف می شوند.

سپس فلز در دو مرحله اکسیدزدایی می شود. اول، اکسید زدایی با اکسید کردن کربن فلز، با عرضه همزمان عوامل اکسید زدا - فرومنگنز، فروسیلیسیم، آلومینیوم - به حمام رخ می دهد. اکسید زدایی نهایی با آلومینیوم و فروسیلیس در ملاقه زمانی که فولاد از کوره آزاد می شود انجام می شود. پس از گرفتن نمونه های کنترل، فولاد به داخل ملاقه رها می شود.

در کوره های اصلی اجاق گاز، فولادهای ساختاری کربنی، کم آلیاژی و متوسط ​​(منگنز، کروم) علاوه بر فولادها و آلیاژهای پر آلیاژ که در کوره های ذوب الکتریکی تولید می شوند، ذوب می شوند.

فولادهای باکیفیت در کوره های اسیدی اجاق باز ذوب می شوند. مخلوطی با محتوای گوگرد و فسفر کم استفاده می شود.

عمده ترین شاخص های فنی و اقتصادی تولید فولاد در کوره های اجاق باز عبارتند از:

بهره وری کوره - حذف فولاد از 1 متر مربع از سطح آتشگاه در روز (t/m2 در روز)، به طور متوسط ​​10 تن در متر مربع. آر

· مصرف سوخت به ازای هر 1 تن فولاد تولیدی به طور متوسط ​​80 کیلوگرم بر تن است.

با بزرگتر شدن کوره ها، بازده اقتصادی آنها افزایش می یابد.

تولید فولاد در مبدل های اکسیژن.

فرآیند تبدیل اکسیژن، ذوب فولاد از چدن مایع در یک مبدل با پوشش اصلی و دمیدن اکسیژن از طریق لنس خنک‌شده با آب است.

اولین آزمایشات در 1933-1934 - Mozgovoy.

در مقیاس صنعتی - در سالهای 1952-1953 در کارخانه های لینز و دوناویتس (اتریش) - فرآیند LD نامیده شد. در حال حاضر، روش اصلی در تولید انبوه فولاد است.

مبدل اکسیژن یک ظرف گلابی شکل ساخته شده از ورق فولادی است که با آجر پایه پوشانده شده است.

ظرفیت مبدل 130...350 تن چدن مایع می باشد. در حین کار، مبدل را می توان 360 درجه چرخاند تا ضایعات، ریختن چدن، تخلیه فولاد و سرباره را بارگیری کند.

مواد شارژ فرآیند مبدل اکسیژن عبارتند از چدن مایع، ضایعات فولاد (بیش از 30٪)، آهک برای حذف سرباره، سنگ آهن، و همچنین بوکسیت و فلورسپار برای مایع سازی سرباره.

توالی عملیات تکنولوژیکی هنگام ذوب فولاد در مبدل های اکسیژن در شکل 1 ارائه شده است. 2.3.

شکل 2.3. توالی عملیات تکنولوژیکی هنگام ذوب فولاد در مبدل های اکسیژن

پس از ذوب بعدی فولاد، سوراخ خروجی با یک جرم نسوز آب بندی شده و آستر بررسی و تعمیر می شود.

قبل از ذوب، مبدل کج می شود و قراضه برنج با استفاده از ماشین های شارژ بارگیری می شود. (2.3.a)، چدن در دمای 1250 ... 1400 0 C ریخته می شود (شکل 2.3.b).

پس از این، مبدل به موقعیت کاری تبدیل می شود (شکل 2.3.c)، لنس خنک شده در داخل قرار می گیرد و اکسیژن با فشار 0.9 ... 1.4 MPa از طریق آن تامین می شود. همزمان با شروع دمیدن، آهک، بوکسیت و سنگ آهن بارگیری می شود. اکسیژن به فلز نفوذ می کند و باعث می شود که در مبدل گردش کند و با سرباره مخلوط شود. دمای 2400 درجه سانتیگراد در زیر تویر ایجاد می شود. آهن در منطقه تماس جت اکسیژن با فلز اکسید می شود. اکسید آهن در سرباره و فلز حل می شود و فلز را با اکسیژن غنی می کند. اکسیژن محلول سیلیکون، منگنز و کربن موجود در فلز را اکسید می کند و محتوای آنها کاهش می یابد. فلز با گرمای آزاد شده در طی اکسیداسیون گرم می شود.

فسفر در ابتدای پاکسازی حمام با اکسیژن، زمانی که دمای آن پایین است (میزان فسفر در چدن نباید از 0.15٪ تجاوز کند) حذف می شود. اگر مقدار فسفر زیاد باشد، برای حذف آن، باید سرباره را تخلیه و فسفر جدید معرفی کرد که باعث کاهش بهره وری مبدل می شود.

گوگرد در کل فرآیند ذوب حذف می شود (محتوای گوگرد در چدن باید تا 0.07٪ باشد).

هنگامی که محتوای کربن در فلز با مقدار مشخص شده مطابقت داشته باشد، تامین اکسیژن متوقف می شود. پس از این، مبدل چرخانده شده و فولاد به داخل ملاقه رها می شود (شکل 2.3.d)، در آنجا با استفاده از روش رسوب با فرومنگنز، فروسیلیس و آلومینیوم اکسیده می شود، سپس سرباره تخلیه می شود (شکل 2.3.e). .

در مبدل های اکسیژن، فولادهایی با محتوای کربن متفاوت، در حال جوش و آرام و همچنین فولادهای کم آلیاژ ذوب می شوند. عناصر آلیاژی به شکل مذاب قبل از رها شدن فولاد در ملاقه وارد ملاقه می شوند.

ذوب در مبدل های با ظرفیت 130 ... 300 تن در 25 ... 30 دقیقه به پایان می رسد.

ذوب خلاء

گریدهای صنعتی آهن فنی (نوع آرمکو) که به روش پیرومتالورژیکی به دست می‌آیند، با خلوص 99.75-99.85 درصد آهن مطابقت دارد. حذف فلزات فرار و ناخالصی های غیر فلزی (C, O, S, P, N) با ذوب آهن در خلاء زیاد یا بازپخت در فضایی از هیدروژن خشک امکان پذیر است. هنگام ذوب القایی آهن در خلاء، ناخالصی های بسیار فرار از فلز خارج می شود که سرعت تبخیر آن از آرسنیک به سرب به ترتیب زیر افزایش می یابد:

به عنوان →S→Sn→Sb→Cu→Mn→Ag→Pb.

پس از یک ساعت ذوب در خلاء 10V-3mmHg. هنر در دمای 1580 درجه سانتی گراد، بیشتر ناخالصی های آنتیموان، مس، منگنز، نقره و سرب از آهن حذف شد. ناخالصی های کروم، آرسنیک، گوگرد و فسفر بدتر حذف می شوند و ناخالصی های تنگستن، نیکل و کبالت عملاً حذف نمی شوند.
در دمای 1600 درجه سانتیگراد، فشار بخار مس 10 برابر بیشتر از آهن است. هنگام ذوب آهن در خلاء (10v-3 میلی متر جیوه)، محتوای مس به 1 * 10v-3٪ و منگنز 80٪ در یک ساعت کاهش می یابد. محتوای ناخالصی های بیسموت، آلومینیوم، قلع و سایر ناخالصی های بسیار فرار به طور قابل توجهی کاهش می یابد. در این حالت، افزایش دما بر کاهش محتوای ناخالصی مؤثرتر از افزایش مدت زمان ذوب تأثیر می گذارد.
در حضور آخال های اکسیژن، اکسیدهای فرار تنگستن، مولیبدن، تیتانیوم، فسفر و کربن می توانند تشکیل شوند که منجر به کاهش غلظت این ناخالصی ها می شود. خالص سازی آهن از گوگرد در حضور سیلیکون و کربن به میزان قابل توجهی افزایش می یابد. بنابراین، به عنوان مثال، هنگامی که چدن حاوی 4.5٪ C و 0.25٪ S است، پس از ذوب فلز در خلاء، محتوای گوگرد به 7 * 10v-3٪ کاهش می یابد.
محتوای ناخالصی های گاز در هنگام ذوب آهن تقریباً 30-80٪ کاهش می یابد. مقدار نیتروژن و هیدروژن در آهن مذاب با فشار گازهای باقیمانده تعیین می شود. اگر در فشار اتمسفر، حلالیت نیتروژن در آهن ~ 0.4٪ باشد، در دمای 1600 درجه سانتیگراد و فشار باقیمانده 1 * 10v-3 میلی متر جیوه باشد. هنر 4*10v-5% و برای هیدروژن 3*10v-6% است. حذف نیتروژن و هیدروژن از آهن مذاب عمدتاً در اولین ساعت ذوب کامل می شود. در این حالت، مقدار گازهای باقیمانده تقریباً دو مرتبه بزرگتر از مقدار تعادل آنها در فشار 10-3 میلی متر جیوه است. هنر کاهش محتوای اکسیژن موجود به شکل اکسیدها می تواند در نتیجه برهمکنش اکسیدها با عوامل کاهنده - کربن، هیدروژن و برخی فلزات رخ دهد.

خالص سازی آهن با تقطیر در خلاء همراه با تراکم روی سطح گرم شده

در سال 1952، آموننکو و همکارانش از روش تقطیر خلاء آهن با متراکم شدن آن بر روی سطح گرم شده استفاده کردند.
تمام ناخالصی های بسیار فرار در ناحیه سردتر کندانسور متراکم می شوند و آهن که فشار بخار پایینی دارد در منطقه با دمای بالاتر باقی می ماند.
برای ذوب از بوته های ساخته شده از اکسید آلومینیوم و بریلیم با ظرفیت حداکثر 3 لیتر استفاده شد. بخارها بر روی ورقه های نازک آهن آرمکو متراکم می شوند، زیرا هنگام متراکم شدن روی سرامیک، آهن در دمای میعان با مواد کندانسور متخلخل می شود و با حذف میعانات از بین می رود.
حالت تقطیر بهینه به شرح زیر بود: دمای تبخیر 1580 درجه سانتیگراد، دمای میعان از 1300 (در پایین کندانسور) تا 1100 درجه سانتیگراد (در بالا). سرعت تبخیر آهن 1 گرم بر سانتی متر مربع * ساعت است. بازده فلز خالص 80% کل میعانات و بیش از 60% جرم بار است. پس از تقطیر مضاعف آهن، محتوای ناخالصی ها به طور قابل توجهی کاهش یافت: منگنز، منیزیم، مس و سرب، نیتروژن و اکسیژن. هنگامی که آهن در یک بوته آلوندوم ذوب شد، به آلومینیوم آلوده شد. محتوای کربن پس از تقطیر اول به 3*10v-3% کاهش یافت و در طی تقطیر بعدی کاهش پیدا نکرد.
در دمای تراکم 1200 درجه سانتیگراد، بلورهای آهنی سوزنی شکل تشکیل شد. مقاومت باقیمانده چنین کریستال هایی که به صورت نسبت Rt/R0°C بیان می شود، در 77 درجه کلوین 7.34 * 10v-2 و در 4.2 ° K 4.37 * 10v-3 بود. این مقدار مربوط به خلوص آهن 99.996٪ است.

تصفیه آهن الکترولیتی

پالایش الکترولیتی آهن را می توان در الکترولیت های کلرید و سولفات انجام داد.
طبق یکی از روش ها، آهن از یک الکترولیت با ترکیب زیر رسوب داده شد: 60-45 گرم در لیتر Fe2+ (به شکل FeCl2)، 10-5 گرم در لیتر BaCl2 و 15 گرم در لیتر NaHCO3. صفحات آهنی آرمکو به عنوان آند و آلومینیوم خالص به عنوان کاتد عمل می کردند. در چگالی جریان کاتدی 0.1 A/dm2 و دمای اتاق، یک رسوب کریستالی درشت حاوی حدود 1 * 10-2٪ کربن، "اثر" فسفر و گوگرد بدون ناخالصی به دست آمد. با این حال، فلز حاوی مقدار قابل توجهی اکسیژن (1-2 * 10v-1٪) بود.
هنگام استفاده از یک الکترولیت سولفات، میزان گوگرد در آهن به 15*10v-3-5*10v-2% می رسد. برای حذف اکسیژن، آهن را با هیدروژن تصفیه می کردند یا فلز را در خلاء در حضور کربن ذوب می کردند. در این حالت میزان اکسیژن به 2*10v-3% کاهش یافت. نتایج مشابهی برای محتوای اکسیژن (3*10v-3%) با بازپخت آهن در جریانی از هیدروژن خشک در دمای 900-1400 درجه سانتیگراد بدست می‌آید. گوگردزدایی فلزات در خلاء بالا با استفاده از افزودنی‌های قلع، آنتیموان و بیسموت انجام می‌شود. سولفیدهای فرار

تولید الکترولیتی آهن خالص

یکی از روش های الکترولیتی به دست آوردن آهن بسیار خالص (30-60 قسمت در میلیون ناخالصی) استخراج کلرید آهن با اتر از محلول (HCl 6-N) و سپس کاهش کلرید آهن با آهن بسیار خالص به کلرید آهن است.
پس از خالص سازی اضافی کلرید آهن از مس با استفاده از معرف گوگرد و اتر، محلول خالصی از کلرید آهن به دست می آید که تحت الکترولیز قرار می گیرد. رسوبات آهن بسیار خالص به دست آمده در هیدروژن برای حذف اکسیژن و کربن بازپخت می شوند. آهن فشرده توسط متالورژی پودر - با فشار دادن به میله ها و تف جوشی در اتمسفر هیدروژنی تولید می شود.

روش کربونیل تصفیه آهن

آهن خالص از تجزیه آهن پنتا کربونیل Fe (CO)5 در دمای 300-200 درجه سانتیگراد به دست می آید. آهن کربونیل معمولاً حاوی ناخالصی های همراه با آهن (S, P, Cu, Mn, Ni, Co, Cr, Mo, Zn و) نیست. سی). با این حال، حاوی اکسیژن و کربن است. محتوای کربن به 1% می رسد، اما می توان آن را با افزودن مقدار کمی آمونیاک به بخار کربونیل آهن یا تصفیه پودر آهن با هیدروژن به 3*10-2% کاهش داد. در مورد دوم، محتوای کربن به 1 * 10v-2٪ کاهش می یابد، و ناخالصی اکسیژن به "ردیابی" کاهش می یابد.
آهن کربونیل دارای نفوذپذیری مغناطیسی بالا 20000 Oe و هیسترزیس کم (6000) است. برای ساخت تعدادی از قطعات الکتریکی استفاده می شود. آهن کربونیل تف جوشی شده آنقدر انعطاف پذیر است که می توان آن را عمیق کشید. با تجزیه حرارتی بخار کربونیل آهن، پوشش های آهنی بر روی سطوح مختلف که تا دمای بالاتر از نقطه تجزیه بخار پنتا کربونیل گرم شده اند، به دست می آید.

خالص سازی آهن با تبلور مجدد ناحیه ای

استفاده از ذوب زون برای تصفیه آهن نتایج خوبی به همراه داشته است. در طی تصفیه منطقه ای آهن، محتوای ناخالصی های زیر کاهش می یابد: آلومینیوم، مس، کبالت، تیتانیوم، کلسیم، سیلیکون، منیزیم و غیره.
آهن حاوی 0.3% C با استفاده از روش منطقه شناور خالص سازی شد. هشت گذر از منطقه با سرعت 0.425 میلی متر در دقیقه پس از ذوب خلاء منجر به یک ریزساختار آهن عاری از آخال های کاربید شد. طی شش گذر از منطقه، میزان فسفر 30 برابر کاهش یافت.
شمش‌ها پس از ذوب ناحیه‌ای، انعطاف‌پذیری کششی بالایی حتی در منطقه دمای هلیوم داشتند. با افزایش خلوص آهن، میزان اکسیژن کاهش یافت. در طی پالایش چند ناحیه ای، محتوای اکسیژن 6 پی پی ام بود.
با توجه به کار، ذوب منطقه ای آهن الکترولیتی در فضایی از آرگون خالص انجام شد. این فلز در یک قایق ساخته شده از اکسید کلسیم بود. این منطقه با سرعت 6 میلی متر در ساعت حرکت می کرد. پس از 9 عبور از منطقه، محتوای اکسیژن از 4 * 10v-3٪ به 3 * 10v-4٪ در ابتدای شمش کاهش یافت. گوگرد - از 15 * 10 v-4 تا 5 * 10v-4٪، و فسفر - از 1-2 * 10v-4 تا 5 * 10v-6٪. توانایی آهن برای جذب هیدروژن کاتدی در نتیجه ذوب ناحیه از (10-40) * 10v-4٪ به (3-5) * 10v-4٪ کاهش یافت.
میله‌های ساخته شده از آهن کربونیل که با ذوب منطقه‌ای خالص شده بودند، اجبار بسیار پایینی داشتند. پس از یک بار عبور از منطقه با سرعت 0.3 میلی متر در دقیقه، حداقل مقدار نیروی اجباری در میله ها 19 من و پس از عبور پنج بار 16 من بود.
رفتار کربن، فسفر، گوگرد و ناخالصی های اکسیژن در حین ذوب منطقه ای آهن مورد مطالعه قرار گرفت. آزمایش ها در یک محیط آرگون در یک کوره افقی، گرم شده توسط یک سلف، بر روی یک شمش به طول 300 میلی متر انجام شد. مقدار تجربی ضریب تقسیم کربن تعادل 0.29 بود. فسفر 0.18; گوگرد 0.05 و اکسیژن 0.022.
ضریب انتشار این ناخالصی ها برای کربن 6*10v-4cm21 sec، فسفر 1*10v4cm2/sec، گوگرد 1*10v-4cm2/sec و برای اکسیژن 3*10v-4cm2) ثانیه تعیین شد. ضخامت لایه انتشار بر این اساس برابر با 0.3 است. 0.11; 0.12 و 0.12 سانتی متر.

آهن بیش از 5 درصد از پوسته زمین را تشکیل می دهد. برای استخراج آهن عمدتاً از سنگ هایی مانند هماتیت Fe2O3 و مگنتیت Fe3O4 استفاده می شود. این سنگ معدنی حاوی 20 تا 70 درصد آهن است. مهم‌ترین ناخالصی‌های آهن موجود در این سنگ‌ها عبارتند از: شن و ماسه (سیلیکون (IV) اکسید SiO2) و آلومینا (اکسید آلومینیوم Al2O3).

استخراج آهن از سنگ آهن در دو مرحله انجام می شود. این کار با آماده سازی سنگ معدن - آسیاب و حرارت دادن آغاز می شود. سنگ معدن به قطعاتی با قطر بیش از 10 سانتی متر خرد می شود. سپس سنگ خرد شده برای حذف آب و ناخالصی های فرار کلسینه می شود.

در مرحله دوم، سنگ آهن با استفاده از مونوکسید کربن در کوره بلند به آهن تبدیل می شود (شکل 2.1)، که در آن: 1 - سنگ آهن، سنگ آهک، کک، 2 - مخروط بارگیری (بالا)، 3 - گاز بالا، 4 - کوره. سنگ تراشی، 5 - منطقه احیای اکسید آهن، 6 - منطقه تشکیل سرباره، 7 - منطقه احتراق کک، 8 - تزریق هوای گرم از طریق لوله ها، 9 - آهن مذاب، 10 - سرباره مذاب.

کاهش در دمای حدود 700 درجه سانتیگراد انجام می شود:

Fe2O3(جامد) + 3CO(g) = 2Fe(مایع) + 3CO2(g)

برای افزایش بازده آهن، این فرآیند تحت شرایط دی اکسید کربن اضافی CO2 انجام می شود.

مونوکسید کربن CO در یک کوره بلند از کک و هوا تشکیل می شود (2.12). ابتدا هوا تا حدود 600 درجه سانتیگراد گرم می شود و از طریق یک لوله مخصوص - یک tuyere به داخل کوره پمپ می شود. کک در هوای داغ فشرده می سوزد و دی اکسید کربن تشکیل می دهد. این واکنش گرمازا است و باعث افزایش دما بالای 1700 درجه سانتیگراد می شود:

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

دی اکسید کربن در کوره بالا می رود و با کک بیشتری واکنش می دهد و مونوکسید کربن را تشکیل می دهد (2.13). این واکنش گرماگیر است:

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

آهن تشکیل شده در حین احیای سنگ معدنی به ناخالصی های ماسه و آلومینا آلوده می شود. برای حذف آنها سنگ آهک به کوره اضافه می کنند. در دمای موجود در کوره (800 درجه سانتیگراد)، سنگ آهک با تشکیل اکسید کلسیم و دی اکسید کربن دچار تجزیه حرارتی می شود:

CaCO3 (جامد) > CaO (جامد) + CO2 (گرم)

اکسید کلسیم با ناخالصی ها ترکیب می شود و سرباره ایجاد می کند. سرباره حاوی سیلیکات کلسیم و آلومینات کلسیم است:

CaO (جامد) + SiO2 (جامد) > CaSiO3 (مایع)

CaO (جامد) + Al2O3 (جامد) > CaAl2O4 (مایع)

آهن در دمای 1540 درجه سانتیگراد ذوب می شود. آهن مذاب همراه با سرباره مذاب به قسمت پایینی کوره می ریزد. سرباره مذاب روی سطح آهن مذاب شناور است. هر یک از این لایه ها به صورت دوره ای در سطح مناسب از فر خارج می شوند.

کوره بلند به صورت شبانه روزی و در حالت پیوسته کار می کند. مواد خام برای فرآیند کوره بلند عبارتند از سنگ آهن، کک و سنگ آهک. آنها به طور مداوم از طریق بالا وارد فر می شوند. آهن چهار بار در روز و در فواصل زمانی معین از کوره خارج می شود. در یک جریان آتشین در دمای حدود 1500 درجه سانتیگراد از کوره می ریزد. کوره های بلند در اندازه ها و بهره وری متفاوت (1000-3000 تن در روز) هستند. در ایالات متحده آمریکا طرح های جدیدتر کوره با چهار خروجی و تخلیه مداوم آهن مذاب وجود دارد. چنین کوره هایی تا 10000 تن در روز ظرفیت دارند.

آهن ذوب شده در کوره بلند در قالب های شنی ریخته می شود. به این نوع آهن چدن می گویند. میزان آهن موجود در چدن حدود 95 درصد است. چدن ماده ای سخت اما شکننده با نقطه ذوب حدود 1200 درجه سانتیگراد است.

چدن از ذوب مخلوطی از آهن خام، ضایعات فلزی و فولاد با کک ساخته می شود. آهن مذاب را در قالب ریخته و سرد می کنند.

آهن فرفورژه خالص ترین نوع آهن صنعتی است. از حرارت دادن آهن خام با هماتیت و سنگ آهک در کوره ذوب تولید می شود. این امر خلوص آهن را تا حدود 99.5 درصد افزایش می دهد. نقطه ذوب آن به 1400 درجه سانتیگراد می رسد.

فرفورژه استحکام، چکش خواری و شکل پذیری بالایی دارد. با این حال، برای بسیاری از کاربردها با فولاد نرم جایگزین می شود.

فولادسازی: فرآیند تبدیل آهن خام به فولاد شامل حذف کربن، گوگرد، فسفر، سیلیکون، منگنز و سایر عناصر اضافی از آهن خام است. حذف ناخالصی ها با تبدیل آنها به اکسیدها انجام می شود که یا تبخیر می شوند (CO و CO2) یا تبدیل به سرباره می شوند. فرآوری چدن به فولاد به سه روش بسمر، توماس و اجاق باز انجام می شود که بسته به ترکیب چدن و ​​نوع فولادی که باید تهیه شود، انتخاب می شوند. انواع مختلف فولادها، خواص و کاربردهای آنها در زیر به تفصیل مورد بحث قرار گرفته است.

روش اجاق باز با روش های بعدی متفاوت است زیرا در آن از مواد اکسید کننده جامد به شکل اکسیدهای آهن موجود در سنگ معدن، رسوب و قراضه (فلز قراضه) استفاده می شود. فرآیند اجاق باز در کوره های مخصوصی به نام کوره های باز انجام می شود. کوره های اجاق باز (شکل 2.2)، که در آن: 1 - طاق، 2 - پنجره های پر، 3 - حمام مذاب، 4 - سر، 5 - احیاگر، 6 - شیرهای تعویض.

کوره های اجاق باز نوعی از کوره های احتراق هستند - آنها توسط شعله ای گرم می شوند که از سوزاندن گازهای قابل اشتعال بالای سطح جرم گرم شده ایجاد می شود. آهن خام، سنگ معدن و ضایعات در یک کوره اجاق باز به نسبتی بارگذاری می شوند که اکسیژن کافی در اکسیدهای آهن برای اکسید شدن مقدار معینی از ناخالصی ها وجود داشته باشد. فلاکس ها به گونه ای انتخاب می شوند که سرباره، بسته به ماهیت ناخالصی های حذف شده، اسیدی یا بازی باشد. فرآیند ذوب 5-6 ساعت طول می کشد. در این مدت به صورت دوره ای از فولاد مذاب نمونه برداری می شود، ترکیب آن مشخص می شود و اجزای لازم به صورت فروآلیاژ (آلیاژهای آهن با فلزات و غیرفلزات مختلف مانند نیکل، منگنز، تیتانیوم، مولیبدن، تنگستن، کروم، سیلیکون و دیگران). زمان ذوب طولانی امکان تولید فولاد با ترکیب خاصی را فراهم می کند. استفاده از هوای غنی شده با اکسیژن، دستیابی به دمای بالاتر را ممکن می کند و به شما امکان می دهد فرآیند ذوب را تشدید کنید و زمان آن را به 4 ساعت کاهش دهید.

فرآیند تبدیل اکسیژن در دهه‌های اخیر، تولید فولاد با توسعه فرآیند اکسیژن پایه (همچنین به عنوان فرآیند Linz-Donawitz شناخته می‌شود) متحول شده است. این فرآیند در سال 1953 در کارخانه های فولادی در دو مرکز متالورژی اتریش - لینز و دوناویتز مورد استفاده قرار گرفت.

در فرآیند مبدل اکسیژن، یک مبدل اکسیژن با پوشش اصلی (سنگ تراشی) استفاده می شود (شکل 2.3)، که در آن: 1 اکسیژن و CaO، 2 یک لوله آب خنک برای انفجار اکسیژن، 3 سرباره است. 4 محور، 5 فولاد مذاب، بدنه 6 استیل.

مبدل در یک موقعیت شیبدار با آهن خام ذوب شده از کوره ذوب و ضایعات فلزی بارگیری می شود، سپس به حالت عمودی بازگردانده می شود. پس از این، یک لوله مسی خنک شده با آب از بالا وارد مبدل می شود و از طریق آن جریانی از اکسیژن مخلوط با پودر آهک CaO به سطح آهن مذاب هدایت می شود. این "پاکسازی اکسیژن" که 20 دقیقه طول می کشد منجر به اکسیداسیون شدید ناخالصی های آهن می شود و محتویات مبدل به دلیل آزاد شدن انرژی در طی واکنش اکسیداسیون مایع باقی می ماند. اکسیدهای حاصل با آهک ترکیب شده و به سرباره تبدیل می شوند. سپس لوله مسی بیرون کشیده می شود و مبدل برای تخلیه سرباره کج می شود. پس از دمیدن مکرر، فولاد مذاب از مبدل (در حالت مایل) به داخل ملاقه ریخته می شود.

فرآیند مبدل اکسیژن عمدتاً برای تولید فولادهای کربنی استفاده می شود. با بهره وری بالا مشخص می شود. در 40-45 دقیقه می توان 300-350 تن فولاد در یک مبدل تولید کرد.

در حال حاضر، تمام فولاد در انگلستان و بیشتر فولادها در سراسر جهان با استفاده از این فرآیند تولید می شود.

بسته به مواد پوشش کوره، روش مبدل به دو نوع Bessemer و Thomas تقسیم می شود.

روش Bessemer چدن‌هایی را پردازش می‌کند که حاوی فسفر و گوگرد کمی هستند و سرشار از سیلیکون هستند (حداقل 2%). هنگامی که اکسیژن از طریق دمیده می شود، سیلیکون ابتدا اکسید می شود و مقدار قابل توجهی گرما آزاد می شود. در نتیجه دمای اولیه چدن از حدود 1300 درجه سانتیگراد به سرعت به 1500-1600 درجه سانتیگراد افزایش می یابد. فرسودگی 1% Si باعث افزایش دمای 200 درجه سانتی گراد می شود (2.17). در حدود 1500 درجه سانتیگراد، احتراق شدید کربن آغاز می شود. همراه با آن، آهن نیز به شدت اکسید می شود، به ویژه در پایان فرسودگی سیلیکون و کربن:

Si (جامد) + O2 (g) = SiO2 (جامد)

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

مونوکسید آهن حاصله، FeO، به خوبی در چدن مذاب حل می شود و تا حدی به فولاد می رود و تا حدی با SiO2 واکنش می دهد و به شکل سیلیکات آهن FeSiO3 به سرباره می رود.

FeO(جامد) + SiO2(جامد) = FeSiO3(جامد)

فسفر به طور کامل از چدن به فولاد منتقل می شود. بنابراین، P2O5 با SiO2 اضافی نمی تواند با اکسیدهای پایه واکنش دهد، زیرا SiO2 شدیدتر با دومی واکنش می دهد. بنابراین، چدن فسفری را نمی توان با استفاده از این روش به فولاد تبدیل کرد.

همه فرآیندها در مبدل به سرعت انجام می شود - در عرض 10-20 دقیقه، زیرا اکسیژن هوا که از طریق چدن دمیده می شود بلافاصله در کل حجم فلز با مواد مربوطه واکنش می دهد. هنگام دمیدن با هوای غنی شده با اکسیژن، فرآیندها تسریع می شوند. مونوکسید کربن CO که هنگام سوختن کربن تشکیل می شود، به سمت بالا غرغر می کند و در آنجا می سوزد و مشعل شعله نوری را در بالای گردن مبدل تشکیل می دهد که با سوختن کربن کاهش می یابد و سپس به طور کامل ناپدید می شود که به عنوان نشانه ای از پایان کار عمل می کند. فرآیند. فولاد به دست آمده حاوی مقادیر قابل توجهی مونوکسید آهن محلول FeO است که کیفیت فولاد را به شدت کاهش می دهد. بنابراین، قبل از ریخته گری، فولاد باید با استفاده از اکسید زداهای مختلف - فروسیلیس، فرومنگنز یا آلومینیوم، اکسیده شود:

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

FeO(جامد) + منگنز(جامد) = Fe(جامد) + MnO(جامد)

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

مونوکسید منگنز MnO به عنوان اکسید اصلی با SiO2 واکنش می دهد و سیلیکات منگنز MnSiO3 را تشکیل می دهد که به سرباره می رود. اکسید آلومینیوم نیز به عنوان ماده ای نامحلول در این شرایط به سمت بالا شناور شده و به سرباره تبدیل می شود. با وجود سادگی و بهره وری بالا، روش بسمر در حال حاضر بسیار گسترده نیست، زیرا دارای تعدادی معایب قابل توجه است. بنابراین، چدن برای روش بسمر باید کمترین مقدار فسفر و گوگرد را داشته باشد، که همیشه ممکن نیست. با این روش فرسودگی بسیار زیاد فلز رخ می دهد و بازده فولاد تنها 90 درصد جرم چدن است و همچنین مواد اکسید زدا زیادی مصرف می شود. یک عیب جدی عدم توانایی در تنظیم ترکیب شیمیایی فولاد است.

فولاد بسمر معمولاً حاوی کمتر از 0.2 درصد کربن است و به عنوان آهن صنعتی برای تولید سیم، پیچ و مهره و آهن سقف استفاده می شود.

روش توماس چدن با محتوای فسفر بالا (تا 2٪ یا بیشتر) را پردازش می کند. تفاوت اصلی این روش با روش بسمر این است که پوشش مبدل از اکسیدهای منیزیم و کلسیم ساخته شده است. علاوه بر این، تا 15٪ CaO به چدن اضافه می شود. در نتیجه، مواد تشکیل دهنده سرباره حاوی مقدار زیادی اکسید با خواص اساسی هستند.

تحت این شرایط، انیدرید فسفات P2O5، که در طی احتراق فسفر به وجود می آید، با CaO اضافی واکنش داده و فسفات کلسیم را تشکیل می دهد و به سرباره می رود:

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

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

واکنش احتراق فسفر یکی از منابع اصلی گرما در این روش است. هنگامی که 1% فسفر می سوزد، دمای مبدل تا 150 درجه سانتیگراد افزایش می یابد. گوگرد به شکل سولفید کلسیم CaS نامحلول در فولاد مذاب به سرباره آزاد می شود که در نتیجه برهمکنش FeS محلول با CaO مطابق واکنش ایجاد می شود:

FeS (مایع) + CaO (جامد) = FeO (مایع) + CaS (جامد)

تمام فرآیندهای اخیر به همان روشی که با روش بسمر انجام می شود. معایب روش توماس مانند روش بسمر است. فولاد توماس نیز کم کربن است و به عنوان آهن فنی برای تولید سیم و آهن سقف استفاده می شود.

فرآیند تولید فولاد الکتریکی کوره های برقی عمدتاً برای تبدیل ضایعات فولاد و چدن به فولادهای آلیاژی باکیفیت مانند فولاد ضد زنگ استفاده می شود. کوره الکتریکی یک مخزن گرد عمیق است که با آجرهای نسوز پوشیده شده است. کوره با ضایعات فلزی از طریق درب باز بارگیری می شود، سپس درب بسته می شود و الکترودها از طریق سوراخ های موجود در آن به داخل کوره فرو می روند تا زمانی که با آهن قراضه تماس پیدا کنند. پس از این، جریان روشن می شود. یک قوس بین الکترودها ایجاد می شود که در آن دمای بالای 3000 درجه سانتیگراد ایجاد می شود. در این دما، فلز ذوب می شود و فولاد جدید تشکیل می شود. هر بار کوره 25 تا 50 تن فولاد تولید می کند.

کیفیت محصولات فولادی را می توان با پردازش اضافی بهبود بخشید. برای این منظور از عملیات حرارتی، کربورسازی، آزولاسیون، آلیتیاسیون و انواع پوشش های ضد خوردگی استفاده می شود.

بنابراین، روش صنعتی تهیه آهن، روش اصلی است و بسیار مؤثرتر از روش آزمایشگاهی است. روش های صنعتی زیادی برای تولید آهن وجود دارد که بر اساس تولید آهن در نتیجه ذوب آهن خام از سنگ آهن و ذوب چدن از فولاد است. روش های صنعتی استخراج آهن به طور مداوم در حال نوسازی هستند و یک روش با روش جدید جایگزین می شود.

صنعت سنگ آهن شاخه ای از صنعت آهن و فولاد است که با استخراج و فرآوری سنگ آهن به آهن و فولاد تبدیل می شود. از آنجایی که آهن یک عنصر نسبتاً رایج است، تنها از سنگ هایی به دست می آید که حاوی مقدار بیشتری از آن هستند.

بشریت استخراج و پردازش این تشکیلات معدنی را دیرتر از هر چیز دیگری آموخت، ظاهراً به این دلیل که سنگ آهن شباهت کمی به فلز دارد. اکنون تصور دنیای مدرن بدون آهن و فولاد دشوار است: حمل و نقل، صنایع ساختمانی، کشاورزی و بسیاری از مناطق دیگر بدون فلز نمی توانند کار کنند. چگونگی و چگونگی تبدیل سنگ آهن در فرآیندهای شیمیایی ساده بیشتر مورد بحث قرار خواهد گرفت.

انواع سنگ آهن.

سنگ آهن از نظر میزان آهن موجود در آن متفاوت است. می تواند غنی باشد که در آن بیش از 57٪ است و فقیر - از 26٪. سنگ معدن کم عیار تنها پس از غنی سازی در صنعت استفاده می شود.

بر اساس منشاء، سنگ معدن به دو دسته تقسیم می شود:

• آذرین - سنگ معدنی که در نتیجه دماهای بالا به دست می آید.
• اگزوژن - رسوب در حوضه های دریایی.
• دگرگونی - در نتیجه فشار بالا ایجاد می شود.

سنگ آهن نیز به دو دسته تقسیم می شود:

• سنگ آهن قرمز که رایج ترین و در عین حال غنی ترین سنگ آهن است.
• سنگ آهن قهوه ای؛
• مغناطیسی؛
• سنگ آهن اسپار;
• تیتانومغناطیس؛
• کوارتزیت آهنی

مراحل تولید متالورژی.

پاسخ به سوال اصلی مقاله "سنگ آهن: چه چیزی از آن ساخته می شود" بسیار ساده است: فولاد، چدن، چدن فولادی و آهن از سنگ آهن استخراج می شود.

در این مورد، تولید متالورژی با استخراج اجزای اصلی برای تولید فلزات آغاز می شود: زغال سنگ، سنگ آهن، شار. سپس در کارخانه های استخراج و فرآوری، سنگ آهن استخراج شده غنی شده و از شر سنگ های زائد خلاص می شود. کارخانه های ویژه زغال سنگ کک را تهیه می کنند. در کوره بلند، سنگ معدن به آهن خام تبدیل می شود و سپس برای تولید فولاد استفاده می شود. و فولاد نیز به نوبه خود به محصول نهایی تبدیل می شود: لوله ها، ورق های فولادی، محصولات نورد و غیره.

تولید فلزات آهنی به طور معمول به دو مرحله تقسیم می شود که در مرحله اول چدن تولید می شود و در مرحله دوم چدن به فولاد تبدیل می شود.

فرآیند تولید چدن.

چدن آلیاژی از کربن و آهن است که شامل منگنز، گوگرد، سیلیکون و فسفر نیز می شود.

آهن خام در کوره های بلند تولید می شود که در آن سنگ آهن از اکسیدهای آهن در دمای بالا احیا می شود و سنگ های باطله را جدا می کند. برای کاهش نقطه ذوب سنگ های زائد از فلاکس ها استفاده می شود. سنگ معدن، شار و کک به صورت لایه ای در کوره بلند بارگذاری می شوند.

هوای گرم شده به قسمت پایینی کوره برای پشتیبانی از احتراق وارد می شود. به این ترتیب یک سری فرآیندهای شیمیایی رخ می دهد که در نتیجه آهن و سرباره مذاب ایجاد می شود.

چدن به دست آمده انواع مختلفی دارد:

• تبدیل، مورد استفاده در تولید فولاد؛
• فروآلیاژ که به عنوان افزودنی در تولید فولاد نیز استفاده می شود.
• ریخته گری

تولید فولاد.

تقریباً 90 درصد کل چدن استخراج شده، چدن خام است، یعنی در تولید فولادی که در کوره های اجاق گاز یا برقی تولید می شود، در کنوکتورها استفاده می شود. در همین زمان، روش های جدیدی برای تولید فولاد در حال ظهور است:

• ذوب پرتو الکترونی، که برای تولید فلزات بسیار خالص استفاده می شود.
• تخلیه فولاد؛
• ذوب مجدد الکتروسرباره؛
• پالایش فولاد

در فولاد، در مقایسه با چدن، سیلیکون، فسفر و گوگرد کمتری وجود دارد، یعنی در هنگام تولید فولاد، باید با استفاده از ذوب اکسیداتیو تولید شده در کوره‌های اجاق باز، مقدار آنها کاهش یابد.

کوره باز کوره ای است که در آن گاز بالای فضای ذوب می سوزد و دمای مورد نیاز 1700 تا 1800 درجه سانتی گراد را ایجاد می کند. اکسیداسیون با استفاده از فرومنگنز و فروسیلیس و سپس در مرحله نهایی - با استفاده از فروسیلیس و آلومینیوم در ملاقه ریختن فولاد انجام می شود.

فولاد با کیفیت بالاتر در کوره های القایی و قوس الکتریکی تولید می شود که در آنها دما بالاتر است، بنابراین خروجی آن فولاد نسوز است. در مرحله اول تولید فولاد، یک فرآیند اکسیداتیو با کمک هوا، اکسیژن و اکسید بار اتفاق می افتد، در مرحله دوم - فرآیند کاهش، که شامل اکسید زدایی فولاد و حذف گوگرد است.

محصولات متالورژی آهنی.

برای خلاصه کردن مبحث "سنگ آهن: آنچه از آن ساخته می شود"، لازم است چهار محصول اصلی صنعت آهن و فولاد را فهرست کنیم:

• آهن خام، که با فولاد فقط در افزایش محتوای کربن (بیش از 2٪) متفاوت است.
• چدن؛
• شمش های فولادی که برای بدست آوردن محصولات نورد تحت فشار قرار می گیرند، به عنوان مثال در سازه های بتن مسلح استفاده می شود، محصولات نورد شده به لوله و سایر محصولات تبدیل می شوند.
• فروآلیاژهایی که در تولید فولاد استفاده می شوند.

در زندگی ما دائماً با آلیاژهایی روبرو می شویم که رایج ترین آنها فولاد است. بنابراین، جای تعجب نیست که کسی در مورد چگونگی ساخت فولاد سوال داشته باشد؟

فولاد یکی از آلیاژهای آهن و کربن است که به طور گسترده در زندگی روزمره استفاده می شود. فرآیند تولید فولاد چند مرحله ای است و شامل چند مرحله است: استخراج و استخراج سنگ معدن، تولید زینتر، تولید آهن و ذوب فولاد.

سنگ معدن و زینتر

ذخایر سنگ معدن امکان استخراج سنگ های غنی و فقیر را فراهم می کند. سنگ معدن با عیار بالا می تواند بلافاصله به عنوان مواد خام صنعتی مورد استفاده قرار گیرد. برای اینکه بتوان سنگ معدن کم عیار را ذوب کرد، باید آن را غنی کرد، یعنی مقدار فلز خالص را در آن افزایش داد. برای این کار، سنگ معدن را خرد کرده و با استفاده از فناوری های مختلف، ذرات غنی از ترکیبات فلزی را جدا می کنند. به عنوان مثال، برای سنگ معدن آهن، از جداسازی مغناطیسی استفاده می شود - تاثیر میدان مغناطیسی بر روی مواد اولیه به منظور جداسازی ذرات غنی از آهن.

نتیجه یک کنسانتره با پراکندگی کم است که به قطعات بزرگتر پخته می شود. نتیجه برشته کردن سنگ آهن یک آگلومرا است. انواع آگلومراها به دلیل مواد اولیه اصلی موجود در ترکیب آنها نامگذاری می شوند. در مورد ما، این زینتر سنگ آهن است. اکنون، برای درک چگونگی ساخت فولاد، لازم است روند تکنولوژیکی بعدی را ردیابی کنیم.

تولید آهن.

آهن خام در کوره های بلند که بر اساس اصل جریان مخالف کار می کنند ذوب می شود. بارگیری زینتر، کک و سایر مواد باردار از بالا انجام می شود. از پایین به بالا، به سمت این مواد، جریان‌های گاز داغ ناشی از احتراق کک بالا می‌آیند. یک سری فرآیندهای شیمیایی شروع می شود که منجر به کاهش آهن و اشباع آن با کربن می شود. رژیم دما در منطقه 400-500 درجه سانتیگراد باقی می ماند. در قسمت های پایینی کوره که آهن احیا شده به تدریج کاهش می یابد، دما به 900-950 درجه افزایش می یابد. یک آلیاژ مایع از آهن و کربن تشکیل می شود - چدن. مشخصات شیمیایی اصلی چدن عبارتند از: محتوای کربن بیش از 2.14 درصد، وجود اجباری گوگرد، سیلیکون، فسفر و منگنز. چدن با افزایش شکنندگی مشخص می شود.

ذوب فولاد.

اکنون به مرحله نهایی یادگیری نحوه ساخت فولاد رسیده ایم. از نظر شیمیایی، فولاد با چدن تفاوت دارد زیرا محتوای کربن کمتری دارد. بر این اساس، هدف اصلی فرآیند تولید کاهش کربن و سایر ناخالصی‌ها در آلیاژ آهن پایه است. برای تولید فولاد از کوره های اجاق باز، مبدل های اکسیژن یا کوره های الکتریکی استفاده می شود.

با استفاده از فن آوری های مختلف، چدن مذاب با اکسیژن در دمای بسیار بالا پاک می شود. فرآیند معکوس رخ می دهد - اکسیداسیون آهن در سطح ناخالصی های موجود در آلیاژ. سرباره حاصل متعاقبا حذف می شود. در نتیجه تصفیه اکسیژن، محتوای کربن کاهش می یابد و چدن به فولاد تبدیل می شود.

عناصر آلیاژی را می توان به فولاد اضافه کرد تا خواص مواد را تغییر دهد. بنابراین فولاد یک آلیاژ آهن-کربن با میزان آهن حداقل 45 درصد در نظر گرفته می شود.

فرآیندهای فوق توضیح دادند که چگونه فولاد، از چه موادی و با استفاده از چه فناوری هایی ساخته می شود.