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, А12Оэ , 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)