Часть 2. металлургия железа

Железо (Fe) химический элемент V111 группы периодической системы Д.И. Менделеева. Серебристо - белый металл, плотностью 7,88 г/см³, температура плавления 1539⁰С, температура кипения 3200⁰С, пластичный, твердость по Бринелю 35 – 45 кг/мм².Легко подвергается ковке, прокатке и другой обработке в горячем и холодном состояниях. Физические свойства зависят от его чистоты. Существует в двух модификациях Обладает магнитными свойствами вплоть до температуры 768⁰С, вышн не магнитен Имеет относительно высокую теплопроводность 0,177 кал/см*град*сек ( у меди 0,941 кал/см*град*сек) и удельное электросопротивление 9,7*10^-6 ом*см ( у меди 1,68*10^-6 ом*см). Редко встречается в чистом виде.

Рис. 2.1. Железо

По химическим свойствам железо относится к переходным металлам, средней активности. В сухом воздухе при нагревании до 150 - 200⁰ на поверхности компактного железа образуется тонкая защитная окисная пленка, предохраняющая его от дальнейшего окисления. Во влажном воздухе железо легко окисляется и покрывается ржавчиной.

В разбавленных кислотах железо легко растворяется, в концентрированных азотной и серной кислотах пассивируется благодаря образованию тончайшей окисной пленки. В щелочах, за исключением их концентрированных горячих растворах, не растворяется.

Железные руды

Железо является распространенным элементом в природе и занимает четвертое место (4,2 %) после кислорода (49,7 %), кремния (26 %) и алюминия (8,05 %). Железо как составная часть входит почти во все горные породы, однако многие из них нельзя считать рудами.

Железные руды - основной исходный материал для выплавки чугуна и стали. Рудный минерал чаще всего представляет собой окислы железа. Пустая порода обычно состоит из кварца и песчаников с примесью глин.

Наиболее богатые руды содер­жат 60 % железа и больше, наиболее бедные 30 - 40 %.

Красный железняк. Рудный минерал – гематит, безводная окись железа Fe₂O₃ (70 % Fe) обычно содержит 50 – 60 % Fe, твердость 5,5-6,5, плотность 4,9 – 5,3 г/см³. Это наиболее распространенный вид руды во всем мире.

Рис. 2.2. Гематит

Магнитный железняк. Рудный минерал - маг­нетит, магнитная окись железа Fe ₃O ₄ (72,4 % Fe) или FeO* Fe₂O₃, содержание, %: 31,04 - FeO и 68,96 - Fe₂O₃. Он обычно содержит,%: 55 – 60 Fe; 0,02 – 2,5 S; 0,02 – 0,7 P и чаще всего кислую пустую породу (SiO₂, Al₂O₃), плотность 4,9 - 5,2 г / см³, твердость 5,5 - 6.

Рис. 2.3. Магнетит

Бурый железняк. Рудный минерал - водные окислы железа – FeOOH*Fe₂O₃ *H₂O, (Fe₂O₃- 86 -89 %, 52 – 66 % Fe), в руде обычно содержится 30 - 50 % Fe, плотность 3,3 - 5,2 г/см³, твердость 1,5 – 5,5.

Рис. 2.4. Бурый железняк (лимонит)

Шпатовый железняк. Рудный минерал - сиде­рит, карбонат железа FeCO₃ (48,3 % Fe), в руде обычно 30 – 40 % Fe, не содержит серы и фосфора, твердость 3,5; плотность 3,96 г/ см³.

Рис. 2.5. Сидерит

Железистые кварциты. Рудный минерал - магнетит или гематит. Эти руды содержат 35 – 40 % Fe с кремнистой пустой породой.

Рис. 5.12. Кварцит железистый

Титаномагнетиты. Комплексная руда, содержа­щая 15 – 20 % Fe, рудными минералами которой являют­ся магнетит и ильменит FeO*TiO₂.

Марганцевая руда входит в состав шихты доменных печей при выплавке некоторых марок чугуна, а также ферромарганца (до 82% Мn). В ней марганец находит­ся в виде пиролюзита МnО₂ и других соединений. Содержание марганца в руде обычно составляет 25 – 50 %.

Манганит Mn(OH)₂ с примесями SiO₂, Fe₂O₃ и др. Твердость по шкале Мооса 4, плотность 4,3 г/см³.

Рис.2.6. Манганит

Пиролюзит MnO₂*x H₂O, твердость по шкале Мооса 2 – 2,5, плотность 4,4 – 5 г/см³, цвет стальной серый, голубоватосерый.

Рис. 2.7. Пиролюзит

В рудах железа присутствуют различные примеси, которые в зависимости от вида плавки могут быть полезными и вред­ными.

К вредным примесям относят серу, цинк и мышьяк. Сера вызывает красноломкость стали, а процесс ее удаления в доменном и сталеплавильном производствах связан с ухудше­нием технико-экономических показателей. В принципе серу мож­но в значительной степени удалить из руд окислительным обжигом и агломерацией.

Цинк, хотя и не переходит в чугун, но возгоняется и, проникая в швы кладки, приводит к ее росту и разрыву металлического кожуха доменной печи.

Небольшое количество мышьяка можно удалить из руды при агломерации или лучше при специальном обжиге руды, а при доменной и сталеплавильной плавках он переходит в металл. Мышьяк придает стали хладноломкость и ухудшает ее свари­ваемость.

Такие примеси, как фосфор, никель, хром и медь, явля­ются полезными при выплавке чугуна некоторых марок, в остальных же случаях их, особенно фосфор и медь, относят к вредным примесям. Фосфор вызывает хладноломкость стали, его необходимо удалять при переработке чугуна в сталепла­вильных печах.

Ванадий и титан - полезные примеси.

Пустая порода руд в основном состоит из Si0₂, А1₂О_э , СаО и MgO, которые обычно находятся в виде различных соединений. Для доменной плавки желательно, чтобы отно­шение (СаО + MgO)/(Si0₂ + А1₂0₃) ≈ 1. В этом случае не требуются флюсы. Такую руду называют самоплавкой, однако встречается она очень редко. Чаще всего указанное отноше­ние значительно менее 1, т.е. пустая порода руд является кислой, а на плавку необходимо добавлять известь.

Украина располагает крупными месторождениями. Кри­ворожский железорудный бассейн с промышленными запасами в 18,7 млрд. т занимает площадь около 300 км². Основная мас­са руд - бедные (~ 35 % Fe) железистые кварциты (80 % магнетитовых и 20 % гематитовых); имеется также около 1,5 млрд. т промышленных запасов богатых (~ 56 % Fe) гема­титовых и магнетитовых руд. Большинство руд очень чисты по сере и фосфору. Месторождение разрабатывается более 100 лет.

Керченское месторождение бурых железняков (балансовые запасы около 2 млрд. т) с содержанием 30 - 40 % Fe отличает­ся повышенным содержанием марганца, фосфора (0,6 -1,1 %) и наличием мышьяка (0,07 - 0,13 %).

Более полно о месторождениях железных и марганцевых руд см. в последующих разделах (указать какие)