Практическое занятие № Х

«Производство тигельной стали из железных руд»

1.1. Историческая справка

Способы производства железа (стали) из руд в «волчьих ямах» и в тиглях, помещённых в специальные горны (подобные горнам, применявшимся для изготовления керамических изделий), стали первыми в истории человеческой цивилизации. По-видимому, оба способа являются металлургическими приёмами, унаследованными от освоенного ранее производства меди и бронзы с существенными усовершенствованиями, связанными с природными отличиями руд металлов и их поведением в ходе плавки.

Наиболее важными из вышеупомянутых усовершенствований стали:

• создание восстановительной атмосферы в металлургическом агрегате с помощью помещения в него избыточного количества древесного угля;

• совершенствование конструкции горна, использование высокоогнеупорных материалов, применение воздуходувных средств или создание естественного притока воздуха, что в совокупности позволило достигнуть температурного уровня, более высокого, чем при производстве меди и бронзы (не менее 1200°С против 600–1000°С при производстве меди и бронзы).

Судьба способов оказалась различной: примитивная «волчья яма» относительно быстро уступила место «сыродутному» горну, тигельный же процесс выплавки железа из руд получил дальнейшее развитие, прежде всего в странах азиатского континента, поскольку позволял, хотя и в небольших количествах, получать сталь высочайшего (даже по современным стандартам) качества.

В некоторых регионах Азии тигельный способ производства железа (стали) из руд просуществовал до конца XIX в., а в кустарном металлургическом производстве применяется до сих пор. Расцвет производства тигельной стали высочайшего качества – так называемых вуца (вутца), дамаска или булата, приходится на V–XIII в.

В данном практическом занятии будет разобран процесс тигельной плавки железной руды, воспроизведённый методами «практической археологии» для условий Северной Ферганы IX–XII вв.

1.2. Археологические исследования

При раскопках городища Ахсикет в Северной Фергане были обнаружены предметы и материалы, применявшиеся в производстве стали в IX–XIII вв. Найдены остатки горна, фрагменты тиглей с остатками шлака и невосстановленными спёками, склады древесного угля и доломита, свалка шлаков и полуобгоревших растений. Исследования археологических материалов, в том числе методами металлографии и «практической археологии», позволили установить детали древнего способа производства стали.

Конструкция тиглей и технология плавки подробно рассмотрены в разделе 1.1.

Напомним, что диаметр тигля d_тигля = 0,1 м = 1 дм, а высота H_тигля = 1,2 м = 12 дм.

1.3. Исходные данные и допущения

В состав шихты входят железная руда, древесный уголь и доломит.

Железная руда представляет собой минерал гематит и состоит из Fe₂O₃, SiO₂, MnO и V₂O₅. Насыпная масса руды ρ_руды = 1,75 т/м³ (или кг/дм³). Древесный уголь имеет насыпную массу ρ_угля = 0,2 т/м³. Наличием в нём золы пренебрегаем (т.е. считаем, что он полностью состоит из углерода). Отношение объёмов железной руды и древесного угля составляет 1:2,5. В состав доломита входят CaO, MgO, Al₂O₃ и CO₂ (в составе карбонатов). Содержание CO₂ в доломите составляет 45 %.

Химические составы спёка, сформировавшегося на начальном этапе процесса, и конечного шлака плавки представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Химический состав спёка и конечного шлака

(данные археологических исследований, % (масс.))

Насыпная масса спёка ρ_спёка = 2,55 т/м³. Спёк занимал примерно 90 % объёма тигля.

В состав стали помимо железа, ванадия, кремния входят также, % (масс.):

C – 1,4;

S – 0,05 и

P – 0,05;

присутствие которых в шихтовых материалах мы не учитываем.

1.4. Задача расчёта

Определить массу компонентов исходной шихты, т.е. железной руды, древесного угля и доломита; массу шлака; массу и химический состав стали.

1.5. Решение

Объём тигля, если считать его цилиндром, составляет

Массу шлака определяем исходя из баланса одного из оксидов, полностью переходящих в него в ходе плавки (СаО, MgO или Al2O3). В этом случае массовое количество оксида в спёке и в шлаке будет одинаковым, что позволит определить массу шлака:

Массы элементов, входящих в состав тигельной стали, также определяются на основе их балансов.

Баланс железа:

Баланс кремния:

Баланс ванадия:

Суммарное содержание железа, кремния и ванадия в стали составляет

а их суммарная масса – 2,26 + 0,02 + 0,06 = 2,34 кг.

Тогда полная масса стали:

Химический состав крицы представлен в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Состав крицы

Из руды в спёк переходят оксиды FeO, MnO, SiO₂, V₂O₅. Кроме того, оксид железа Fe₂O₃, переходя в спёк, восстанавливается по реакции Fe₂O₃ + C = 2FeO + CO↑. С учётом этого можно определить расход железной руды:

Расход древесного угля определяется исходя из соотношения его объёма с объёмом руды:

Тогда

Откуда

Поскольку по условию единственным источником оксидов CaO, MgO и Al₂O₃ в спёке является доломит, можно определить его расход:

Общий расход шихты, таким образом, составит:

М_шихты = 3,30 + 17,32 + 4,95 = 25,57 кг

1.6. Проверка

Проверка правильности расчёта производится определением количества углерода, затраченного на реакцию Fe₂O₃ + C = 2FeO + CO↑, и кислорода, отнятого у оксида железа в ходе протекания этой реакции. В том случае, если расчёт проведён верно, количества углерода и кислорода должны быть равны:

• затрачено углерода:

отнято кислорода: 87,75 моль

Завышенное, по сравнению с кислородом, количество затраченного углерода объясняется тем, что помимо оксида железа в небольших количествах восстанавливаются оксиды других элементов, находящиеся в составе руды.

Индивидуальные задания по вариантам

· * до 100% изменять содержание Fe или FeO

• 12