Без чавуну не буде сталі

В народі 6-ту річницю весілля називають чавунною. Це означає, що молода сім’я вже зуміла стати міцною, але ще може тріснути від сильного удару. Насправді чавун – це такий сплав, який міцніший за камінь, але слабший проти сталі.

Чавун, в уявленні багатьох з нас, це велика важка чавунна сковорода, яка вироблена з якогось темно-сірого матеріалу. На підприємстві «АрселорМіттал Кривий Ріг» теж виробляють чавун, але сковорідок там немає

Річ у тім, що на металургійному виробництві виплавляють спеціальний чавун, з якого потім виготовляють сталь.

Чекайте, хіба сталь роблять не з заліза, запитаєте ви?

Звичайно, із заліза. Тобто із залізної руди, яку видобувають у глибинах землі. Але «чисте» залізо в металургії майже не використовується. Основну його масу ми споживаємо у сплавах – сталі та чавуну, які називаються чорними металами.

У кар’єрах «АрселорМіттал Кривий Ріг» видобувають справжні магічні кристали. Це такі корисні копалини, як гематит (Fe₂О₃) та магнетит (Fe₃О₄ ), що мають кристалічну форму. Обидва ці мінерали є природними оксидами заліза. Тобто містять в собі елементи заліза і кисень, останній перебуває у твердому стані.

Щоб перетворити ці кристали на залізо, необхідно позбутися кисню. Для цього нам потрібна доменна піч, де ця гірнича порода буде плавитись разом з іншими інгредієнтами.

З доменної печі вже ллється сталь?

Ще ні, доменні печі виплавляють чавун. Cотні років тому люди намагались отримати сталь напряму за схемою «залізна руда – сталь». Кінцевим продуктом було просякнуте шлаком та іншими домішками губчасте залізо пористої будови, так звана криця.

Позбавлятися домішок тоді не вміли. Ковалям шляхом багаторазового виковування виробів не завжди вдавалося досягти повного видалення шлаків. В результаті вони отримували «в’язке залізо», яке було крихким і мало низькі показниками міцності та корозійної стійкості.

Крицю намагалися переплавляти ще раз. Ці спроби продемонстрували значні переваги у якості залізної зброї, а потім таке виробництво почало розвиватися. Згодом почали будувати доменні печі й започаткували доменне виробництво. Виплавляти сталь почали з використанням напівпродукту (чавуну). Весь подальший розвиток металургії відбувався, як вдосконалення цього способу виробництва сталі.

Отже, чавун сприяв найбільшому технічному прогресу у розвитку металургії. Сталь і досі виготовляють за технологією, якій вже близько 1000 років. Але і в цій галузі останні роки відбуваються технологічні прориви.

Як виробляють чавун сьогодні?

Для приготування цієї металургійної «страви» необхідно підготувати особливі продукти – шихту – суміш сировинних матеріалів.

• Основним інгредієнтом «страви» є залізорудна сировина. Видобуті у кар’єрі «кристали» спочатку подрібнюють, а на спеціальних рудозбагачувальних фабриках до них додають корисні речовини. В результаті отримуємо концентрат.

Його піддають огрудкуванню — тобто виготовляють агломерат або окатиші, які потім відправляються у доменний цех.

• Другий інгредієнт – кам’яновугільний кокс та природний газ. Паливо відіграє не менш важливу роль хімічному процесі під час виплавляння чавуну.

• Третій інгредієнт — це флюси, тобто спеціальні добавки, які вводяться для зниження температури плавлення пустої породи шихтових матеріалів. У якості флюсів використовують вапняк.

Усі шихтові «інгредієнти» надходять у доменний цех і зсипаються у спеціальні бункери. Далі агломерат (окатиші), вапняк і кокс порціями (колошами) завантажують за допомогою підйомних кошиків (скіпів) або стрічкового конвеєру зверху на колошник печі та переплавляються на чавун.

Час перебування матеріалів всередині печі, тобто від моменту завантаження на колошник і до моменту випуску їх у вигляді готової продукції, становить 5-8 годин. За добу доменна піч проплавляє приблизно такий об’єм матеріалів, що дорівнює 3,5 об’ємам печі.

Доменна піч – це основний агрегат на металургійній кухні. Саме у ній при температурі 1900 °C із залізної руди, палива та флюсів народжується чавун.

Цей хімічний процес називається відновленням оксидів заліза, що відбувається шляхом витіснення кисню з породи, або зменшенням його ступеню.

Здійснити це можна тільки за високої температури нагрівання і з допомогою спеціального відновника, який має велику спорідненість з киснем. Це завдання під силу чадному газу (СО2), що утворюється в процесі згоряння коксу та розкладу флюсу (вапняку).

Щоб кокс почав горіти, треба добре розігріти доменну піч. Тому в неї вдувають знизу через фурми гаряче (до 600-800º С), збагачене киснем повітря.

Нагріті гази піднімаються у верхню частину печі, а в цей час назустріч їм поступово опускається донизу шихта. Чадний газ проходить крізь стовп шихти і поступово відновлює залізну руду.

Відновлене в доменній печі залізо поступово поринає у більш гарячу частину печі (розпар), частково реагує з вуглецем і чадним газом. Залізо розчиняє в собі до 4% вуглецю й інші домішки. Утворюється чавун — сплав заліза з вуглецем.

Цей процес виглядає дуже складним, але не для доменників «АрселорМіттал Кривий Ріг». Вони, як вправна хазяйка варить борщ, так само й «варять» свою фірмову страву і дуже пишаються, що вона виходить якісною.

У найбільшого металургійного підприємства є чотири доменні печі: ДП-6 та ДП-7 об’ємом 2 тис. кубометрів , ДП-8 об’ємом 2,7 тис. кубометрів і найбільша у в Європі ДП-9, яка має об’єм 5035 кубометрів. Всі працюють за одним «рецептом», всі виробляють свій чавун з вмістом вуглецю на рівні 2,5 -3%, щоб потім сталь виходила міцнішою.

Сталь – це сплав заліза (від 45%) та вуглецю (до 2,14%). Чим менше вуглецю, тим міцніша сталь.

Окрім чавуну в доменні печі утворюється ще один продукт. За високої температури вапняк, що додається до шихти як флюс, розкладається, і утворюються легкоплавкі речовини — шлаки. Оскільки шлак легший, ніж чавун, він збирається над розплавленим чавуном, як пінка молока над кавою, і захищає його від окиснення.

Рідкі продукти плавки видаляються через спеціальний отвір – чавунну льотку. Перший шлак з’являється приблизно через 15 годин після задувки (запуску в експлуатацію доменної печі після побудови або капремонту), а перший чавун — через 20-24 години після задувки. Через кілька діб доменна піч досягає своєї продуктивності.

Отриманий у доменній печі чавун зливають у чавуновозні ковші й транспортують у рідкому стані або до сталеплавильного (мартенівського, киснево-конверторного, електросталеплавильного) цеху, де переробляють на сталь, або до розливних машин, де його розливають у форми і отримують чушковий чавун. Чушки можна зберігати у твердому стані та використовувати у ливарному виробництві.

Нові способи виробництва сталі

Дуже довго чавун вважався у сталеплавильному виробництві єдиною сировиною для виготовлення сталі. До середини XIX ст. металурги були переконані, що виплавити міцну якісну сталь можна тільки двоступеневим способом за схемою «залізна руда – чавун – сталь». В останні роки в цій консервативній галузі відбувається новий прорив.

Вчені-металурги ніколи не полишали спроб знайти способи прямого відновлення заліза з руди, оминаючи доменне виробництво й уникаючи участі коксу у цьому процесі.

Одне з технологічних рішень – це використання гарячебрикетованого заліза, металізованих окатишів або губчастого заліза, в яких вміст заліза дуже високий – до 99%. Такий продукт може одразу використовуватися у сталеплавильних електродугових печах для отримання сталі.

Ефективність цієї технології вже доведена і розвивається понад 30 років, але вона вимагає первісної залізорудної сировини з високим вмістом заліза і низьким вмістом домішок, а ще потрібні великі газові ресурси. Тому цей напрямок розвивається в Бразилії та Австралії, де є в наявності дуже хороша руда, а також на Близькому Сході, де в надлишку – дешевий газ.

Ще одне рішення – відновлення залізної руди за допомогою водню замість викопного палива, яке було винайдено у другій половині XIX ст. Проте ефективність такого способу була доведена зовсім недавно. Європейські металурги ще тільки починають розробляти інноваційні технології у цьому напрямку. Зокрема ArcelorMittal також розглядає це питання: й у співпраці з Фрайберзькою гірничою академією компанія розпочала випробування відповідного обладнання на металургійному комбінаті компанії в Гамбурзі. Наприкінці пілотних випробувань ArcelorMittal розраховує отримати 100 000 тонн сталі, виробленої з використанням водню.

Пряме відновлення заліза дозволяє уникнути «засмічення» заліза сіркою та іншими небажаними елементами, що містяться в коксі, а також підвищити якість сталі. Таке виробництво надасть можливість зменшити вуглецевий слід, через який металургійна промисловість входить у трійку найбільших виробників вуглекислого газу в світі.

Основною проблемою цього способу на сьогодні є виробництво чистого водню у промислових масштабах. Процес вимагає величезного розширення потужностей відновлюваної енергетики й великих фінансових витрат.

Проте новітні технології не припинять виплавлення чавуну. Це виробництво протягом свого існування також активно розвивалось та удосконалювалось. На сьогодні є різні види чавуну, які добре зарекомендували себе в машинобудуванні, виготовленні побутових речей та інших галузях промисловості. І доменники нашого підприємства, які порівнюють свою працю з підкоренням вулканів, незважаючи на виклики часу, продовжують нести свою гарячу вахту біля доменних печей.