Железо стало одним из ключевых материалов в развитии человеческой цивилизации. Его использование началось еще в I тысячелетии до нашей эры, и по сей день оно остается самым распространенным металлом в мире.
Природные особенности и получение железа
В отличие от таких металлов, как золото, серебро и медь, которые встречаются в природе в самородном виде, железо почти не существует в чистой форме. Оно легко окисляется, соединяясь с кислородом воздуха, и поэтому в основном содержится в составе железных руд. Широкое распространение железа стало возможным только после того, как люди научились извлекать его из руды в промышленных масштабах. Руда — это природное минеральное образование, содержащее один или несколько металлов в концентрациях, пригодных для экономически выгодной добычи.
Сплавы на основе железа: от чистого металла до чугуна
Чистое железо — это мягкий и пластичный металл светлого цвета. Однако в практическом применении оно почти всегда используется в виде сплавов с другими химическими элементами. Некоторые из этих элементов попадают в металл непосредственно из руды в процессе выплавки, другие добавляются целенаправленно для придания материалу определенных свойств — этот процесс называется легированием. Даже незначительные примеси могут кардинально менять характеристики железа, повышая его прочность, твердость, стойкость к высоким температурам или коррозии.
Углерод является обязательным компонентом железных сплавов, и именно его содержание определяет тип материала:
- Технически чистое железо содержит всего 0,02–0,04% углерода. Оно сохраняет природную мягкость и пластичность, легко поддается обработке давлением.
- Сталь — это сплав, в котором содержание углерода не превышает 2%. Она сочетает в себе твердость и способность к ковке, штамповке и другим видам обработки. Подавляющее большинство изделий, которые мы называем «железными», на самом деле сделаны из стали.
- Чугун содержит от 2 до 4% углерода, что делает его очень твердым, но и хрупким материалом. Его нельзя ковать, так как он раскалывается под ударами, поэтому чугунные детали производят методом литья. Существует так называемый ковкий чугун, который обладает повышенной пластичностью по сравнению с другими видами, но и он не подвергается ковке в традиционном понимании, а широко используется для изготовления литых деталей в промышленности.
Примеси, переходящие в сплав из руды, также по-разному влияют на его свойства. Такие элементы, как кремний и марганец, считаются полезными, так как повышают прочность и пластичность. А вот сера, фосфор и мышьяк относятся к вредным примесям, поскольку делают металл хрупким и ломким.
Мировое значение стали и современное производство
Производство стали в мире неуклонно растет. Несмотря на активное использование алюминия, титана, магния и сплавов на их основе (см. металлы и сплавы), доля железа в общем объеме производимых металлов по-прежнему колоссальна и составляет около 95%. Стальной прокат служит основным сырьем для машиностроения и многих других отраслей, поэтому на его производство направляется 80–85% всей выплавленной стали.
Историческая динамика впечатляет: если в дореволюционной России на душу населения производилось менее 30 кг стали в год, то к 1984 году этот показатель вырос до 600 кг. Объемы производства стали продолжают увеличиваться, что является одним из важнейших индикаторов промышленного развития государства.
Эволюция металлургии: возврат к прямому получению железа
К середине XIX века в черной металлургии прочно утвердилась двухэтапная схема, или «двойной передел»: сначала из руды в доменных печах получали чугун, а затем в мартеновских печах или конвертерах перерабатывали чугун в сталь. Однако именно в этот период ученые и инженеры в Европе и Америке начали активный поиск альтернативных путей — способов прямого получения железа из руды, минуя энергоемкую доменную стадию.
Двойной передел требовал двойных затрат топлива, электроэнергии, оборудования и человеческих ресурсов. Это заставило исследователей обратиться к опыту древних металлургов, которые восстанавливали железо из руды прямо в небольших горнах с помощью древесного угля. Помимо экономической эффективности, большой плюс прямого метода заключался в том, что он позволял избежать загрязнения металла серой и другими вредными элементами, содержащимися в коксе, который используется в доменном процессе. Задача состояла в том, чтобы адаптировать этот древний принцип к условиям современного высокопроизводительного производства.
От лабораторий к промышленным гигантам
Первая промышленная установка прямого получения железа была запущена в 1911 году в Швеции. Она, по сути, повторяла старинную технологию: железную руду восстанавливали мелкодробленым древесным углем в глиняных тиглях, но масштаб был иной — в печь загружали сразу 3500 тиглей. Впоследствии в разных странах появились новые установки, где в качестве восстановителя вместо угля все чаще стал использоваться водород, что обеспечивало более высокую химическую чистоту конечного продукта.
В СССР, а затем и в России, прорывом в этой области стало строительство Оскольского электрометаллургического комбината (ОЭМК) в городе Старый Оскол. Это крупнейшее в Европе предприятие, производящее высококачественную сталь методом прямого восстановления. Сырьем служит руда Лебединского горно-обогатительного комбината. Технологический процесс включает несколько этапов:
- Измельчение руды на шаровых мельницах и приготовление водной пульпы.
- Транспортировка пульпы по трубопроводу на расстояние 26 км в цех окомкования, где ее превращают в окатыши с высоким (67%) содержанием железа.
- Подача окатышей в шахтные печи высотой 64 метра для прямого восстановления. Навстречу окатышам снизу вверх подается поток горячего (850–900°C) природного газа, богатого оксидом углерода, и водорода. Под их воздействием, без расплавления, руда восстанавливается до металла.
- К концу пути в печи окатыши более чем на 90% состоят из железа. Далее они поступают в электропечи для окончательной очистки от примесей.
Получаемая таким способом сталь не уступает по качеству металлу, выплавленному в вакуумных электропечах (см. электрометаллургия), но при этом является более дешевой и может производиться в огромных количествах, что открывает новые перспективы для металлургической промышленности.