Что же происходит в "чреве" доменной печи, в чем заключается процесс производства чугуна? Давайте "заглянем" в домну и проследим за удивительными превращениями в ней. Загрузочный аппарат бережно ссыпает в доменную печь в определенной пропорции рудные материалы, кокс, флюсы. Загружают отдельные виды сырья слоями, что значительно увеличивает поверхность их соприкосновения, поверхность, на которой протекают химические реакции. Очень важно правильно уложить шихту в домне и измерить ее уровень в печи. Об этом "заботятся" уже знакомые нам два конуса загрузочного, или, как его называют еще, засыпного аппарата, которые не только поочередно опускаются, но и вращаются, равномерно распределяя материалы по окружности печи, а также зонды - щупы, замеряющие уровень шихты в домне. Попадая в доменную печь на колошник, сырье подсушивается и медленно опускается все ниже и ниже. В нижнюю часть домны, в ее горн, вдувают горячий воздух. Кислород вдуваемого воздуха взаимодействует с углеродом кокса, в результате чего образуется углекислый газ С02. Газ этот поднимается все выше, встречается с новыми порциями кокса, вступает с ним в реакцию, продуктом которой является окись углерода СО. В домне все устроено так, что сверху опускаются сырые материалы, а навстречу им, как бы пронизывая их, движутся газы-восстановители, т.е. два потока устремляются навстречу один другому.
Доменный процесс с точки зрения химиков - процесс восстановительный. Задачей доменщиков является освобождение железа от связанного с ним кислорода - восстановление его. Начинается оно в верхних горизонтах доменной печи и по мере продвижения вниз, где температура выше, заметно ускоряется. Железо в руде в основном связано с кислородом (находится в виде окислов). Поднимающаяся от горизонта фурм окись углерода отнимает у окислов кислород, связывает его и тем самым освобождает железо. Но железо, как мы знаем, очень активно и тотчас же вступает во взаимодействие с углеродом - науглероживается. Образуется сплав, у которого температура плавления ниже, чем у чистого металла (1250-1300°С, а не 1539°С). И вот уже ручейки сплава железа с углеродом текут, пробиваются между кусками шихты, все более науглероживаются, подхватывают по дороге и другие образовавшиеся (восстановившиеся) в доменной печи элементы - кремний, марганец, серу, фосфор и другие. Наконец, в виде такого комплексного сплава они оседают в горне доменной печи. Восстановление в домне происходит не только в результате взаимодействия окислов железа с окисью углерода (этот процесс называют косвенным восстановлением), но и под влиянием твердого углерода кокса (так называемое прямое восстановление). Но прямое восстановление - реакции, сопровождающиеся поглощением тепла, т.е. реакции эндотермические, и поэтому они протекают в нижней части домны при высоких температурах, косвенное же восстановление (реакции экзотермические, сопровождающиеся выделением тепла) проходит главным образом в верхних горизонтах печи. Вот почему металлурги так много внимания уделяют газопроницаемости доменного сырья (газы должны иметь доступ к частицам руды, должны пронизывать весь объем загруженных материалов). Восстановление железа в доменной печи проходит в несколько стадий, приблизительно вот по такой схеме (от высшего окисла к низшему).
Но во время Великой Отечественной войны, демонтируя и вывозя на Восток оборудование металлургических заводов Украины, металлурги при помощи вот этих самых козлов выводили из строя доменные печи и не давали тем самым фашистским оккупантам плавить металл на нашей земле. Частично и поэтому металлургические мощности районов, оккупированных врагом, на которые рассчитывали гитлеровцы, так и не были ими использованы. Домны простояли "закозленными" до возвращения на эту территорию Советской Армии. И те же самые горновые, которые перед приходом оккупантов с полным знанием дела "посадили козлов", сумели в кратчайший срок выбить их из печей и восстановить домны. Этот факт славной страницей вошел в летопись Великой Отечественной войны.
Его вывозят из цеха. Часть направляют в хранилище жидкого чугуна - миксерное отделение, где установлены огромные сосуды - миксеры, вместимость которых достигает 2500 кубических метров, а часть - на разливочную машину, представляющую собой двухрядный конвейер, состоящий из чугунных же форм. Здесь чугун разливают в 45-килограммовые слитки - чушки (странное название, не правда ли?). Говорят, что, как ни старались люди, металл, который они выплавляли, был хрупким. Его ругали, англичане, например, называли его свинским железом (pig iron). Так, это прозвище сохранилось и до наших дней. Сейчас в доменном цехе все чаще встречаются странные на первый взгляд устройства, напоминающие гигантские сигары на колесах (длина их достигает 23 метров, наружный диаметр цилиндрической части 3,7 метра). Это передвижные миксеры.
В них можно передавать жидкий чугун не только из цеха в цех, но и перевозить его с одного завода на другой. Такой нагруженный миксер весит 355 тонн. Нелегким получается состав из 5-6 миксеров, движущийся со скоростью 35 километров в час. Дальнейшую судьбу чугуна определяют заранее. В домне получают чугуны разного состава и назначения. В зависимости от применяемого топлива (кокса или древесного угля) выплавляют коксовые или древесноугольные чугуны (правда, древесноугольные в России почти не производят, так как в условиях нашей страны это нерентабельно). По назначению чугуны разделяют на литейные (их используют для изготовления чугунного литья) и передельные, из которых затем выплавляют сталь. Кроме того, в некоторых доменных печах выплавляют так называемые доменные ферросплавы - ферросилиций и ферромарганец, которые также используют в сталеплавильных процессах. Но основным продуктом современных доменных печей является передельный чугун.
Металлургический завод - яркий пример предприятия с комплексным использованием всех продуктов и отходов производства. Так все, что мы получаем в доменном цехе, используется тут же на заводе (например, колошниковый газ) или на предприятиях смежных отраслей. Ценным отходом является и доменный шлак. Экономисты подсчитали, что только половина перерабатываемой руды превращается в чугун и сталь, вторая половина переходит в шлак - 4500 тонн шлака выдает в сутки мощная домна. Из этого шлака научились изготовлять строительные материалы (шлакобетон, щебенку, теплоизоляционный материал - шлаковую вату). Доменные шлаки помогают получать повышенные урожаи зерновых культур и овощей. Ведь в шлаках содержится много извести, и если из них приготовить удобрение, то можно значительно снизить кислотность почвы. Но предварительно перед употреблением шлаки подготавливают. Поэтому в ковшах-шлаковозах из доменного цеха их направляют к грануляционным установкам. Здесь ковши наклоняют, жидкий шлак выливают в бассейн на струю воды. При этом шлак быстро охлаждается, образуются шлаковые зерна - гранулы, которые собираются на дне бассейна. Вот этот гранулированный шлак и используют. Содержащиеся в шлаках серные соединения при грануляции растворяются в воде, которая по своему составу, температуре и воздействию приобретает целебные свойства, сходные со свойствами мацестинской и пятигорской вод. Так что металлурги у себя на заводе в водолечебницах могут принимать серные ванны. Такие водолечебницы уже построены на ряде металлургических заводов: им. Петровского в Днепропетровске, им. Дзержинского в Днепродзержинске, Криворожском, Липецком, "Запорожстали" и других предприятиях.
Все используемые при производстве цветных металлов процессы подразделяют на две группы: пирометаллургические и гидрометаллургические.
Пирометаллургические процессы проводят при высоких температурах чаще всего с полным и реже с частичным расплавлением материалов, гидрометаллургические процессы - в водных средах при температурах не выше 300ºС.
Пирометаллургические процессы по характеру протекающих физико-химических превращений, поведению участвующих в процессе компонентов и конечным результатам можно разделить на три группы: обжиг, плавка и дистилляция.
Обжиг - процесс, проводимый при высоких температурах (500º-1200ºС) с целью изменения минералогического и химического составов перерабатываемого сырья. Обжиговые процессы, за исключением обжига со спеканием, являются твердофазными.
В цветной металлургии применяют следующие виды обжиговых процессов:
Кальцинирующий обжиг.
Окислительный обжиг.
Восстановительный обжиг.
Хлорирующий обжиг.
Плавка - процесс, проводимый при температурах, обеспечивающих в большинстве случаев полное расплавление перерабатываемого материала. Различают две разновидности плавок - рудные и рафинировочные.
Рудные плавки бывают пяти видов:
Восстановительная плавка
Плавка на штейн
Электротермическая плавка
Металлотермическая плавка
Реакционная плавка
Рафинировочные плавки проводят с целью очистки металлов от примесей. В основе их лежат различия в некоторых физико-химических свойствах основного металла и его примесей. Существуют следующие разновидности этих плавок:
Окислительное (огневое) рафинирование.
Ликвационное рафинирование.
Сульфидирующее рафинирование.
Хлорное рафинирование.
Дистилляция - процесс испарения вещества при температуре несколько выше точки его кипения, позволяющий возгонкой разделить компоненты обрабатываемого материала в зависимости от их летучести. Дистилляционные процессы используют как для переработки рудного сырья, так и для удаления металлических сплавов. Дистилляцию с целью рафинирования называют ректификацией.