Путешествие в Страну элементов - Л. Бобров

Например, при нагревании щавелевокислой соли двухвалентного железа выделяется чистый металл по реакции: FeC₂O₄ = Fe + 2CO₂, причем крупинки железа имеют размеры около пяти микрон. Вот эти-то маленькие крупинки и способны окисляться на воздухе так быстро, что даже загораются. Почему это происходит? Одна из причин в том, что такие мелкие крупинки имеют огромную общую поверхность соприкосновения с воздухом. Кроме того, малые размеры крупинок мешают образованию правильных устойчивых кристаллических структур. Такую внутреннюю неустойчивость и «использует» кислород.

Интересно, что получение правильно образованных кристаллов изменяет в невероятных масштабах и механические свойства металла. Так, проволока из обычного железа сечением в 1 квадратный миллиметр выдерживает груз в 20 килограммов. А если бы удалось получить совершенно правильный кристалл железа сечением в квадратный миллиметр, то он обладал бы фантастической прочностью и выдержал бы груз в 10 тысяч килограммов. И это в то время, когда специальные стали обладают прочностью около 400 кг/мм².

К сожалению, пока еще не научились получать большие кристаллы такого бездислокационного железа с совершенно правильной структурой.

Железо в природе

Железо — один из самых распространенных на Земле элементов: на его долю в земной коре приходится 4,2 процента. Это очень много. Железо земной коры весит 755 000 000 миллиардов тонн, но лишь неизмеримо меньшее его количество доступно человеку; большая часть металла находится в рассеянном состоянии. Запасы его, пригодные для использования, составляют, по некоторым оценкам, примерно 20 000 000 миллиардов тонн.

Человек использует железо, сконцентрированное в месторождениях. Благодаря своей значительной химической активности железо не встречается в свободном, самородном состоянии, как, например, золото. Месторождения железа — это скопления его химических соединений с другими элементами (чаще всего с кислородом). Вот главные рудные минералы железа: магнетит, имеющий состав FeO·Fe₂O₃ (содержит до 72,4 процента чистого железа), обладающий, как показывает его название, магнитными свойствами. Гематит, или красный железняк Fe₂O₃ (до 70 процентов железа). Название этого минерала произошло от греческого корня «гема» — кровь. Интересно, что русское слово «руда», по-видимому когда-то применявшееся лишь к месторождениям железа, родственно слову «рдеть» — быть ярко-красным — и украинскому слову «рудый» — рыжий. Бурые железняки имеют состав Fe₂O₃·Fe(OH)₃ и содержат до 62 процентов железа. В месторождениях встречается также сидерит FeCO₃, в котором 48 процентов железа. Конечно, всякая руда содержит более или менее значительные количества пустой породы и примесей других минералов, иногда представляющих большую ценность. Это обстоятельство вносит существенные поправки в металлургические процессы.

Наша страна занимает первое место в мире по запасам железных руд. Многие из них отличаются высоким качеством. Так, если в мировой добыче магнетиты составляют лишь 9,5 процента, то в СССР на их долю приходится до 40 процентов при содержании железа около 65 процентов (горы Высокая, Магнитная и Благодать на Урале, Соколовско-Сарбайское месторождение в Зауралье). Керченское месторождение содержит бурый железняк. Хотя железа в нем не так уж много (40 процентов), в керченском железняке высокий процент ванадия. Бурые железняки, в которых содержатся еще и никель, хром, ванадий, составляют Халиловское месторождение. Крупнейшее месторождение гематитов — Криворожское — состоит из богатых руд (50–70 процентов железа) при малом содержании серы (меньше 0,1 процента) и фосфора (0,01–0,1 процента).

К числу замечательных кладов природы принадлежит уникальное месторождение железных руд — Курская магнитная аномалия (КМА). Железа здесь по крайней мере вдвое больше, чем во всех месторождениях мира, вместе взятых. Выявленные до сих пор запасы КМА составляют около 10 триллионов тонн, в том числе до 40 миллиардов тонн богатых руд, использование которых уже начато. Чтобы подчеркнуть грандиозность этих цифр, скажем, что даже при условии непрерывного роста выплавки чугуна и стали в нашей стране запасов КМА может хватить на тысячелетие! Правда, многие месторождения КМА расположены глубоко, значительные количества руды нуждаются в обогащении. Много еще предстоит сделать для освоения КМА. У нее большое будущее.

Как руда становится железом

Итак, железо в рудах находится в соединении с кислородом. Значит, чтобы выделить свободное железо, нужно отнять кислород у окисла, восстановить его. В этом и заключается суть, смысл доменного процесса. Процесс этот, в общих чертах знакомый каждому школьнику, ведется в огромных стальных доменных печах, выложенных изнутри огнеупорным кирпичом. В такую печь сверху слоями загружают шихту (по-немецки слово «Schicht» как раз и означает «слой»), состоящую из специально приготовленного угля — кокса, руды и специальных добавок — флюсов (от немецкого «fliessen» — «течь»), или плавней. Флюсы — это известняк CaCO₃, или доломит, содержащий до 10 процентов магния. Иногда — в зависимости от состава руды и угля — применяют кремнекислые флюсы, состоящие из кварцита или песка SiO₂. Флюсы нужны, чтобы связать примеси в легкоплавкие силикаты, которые легко отделяются от металла.

Когда домна загружена, ее «задувают», пускают в ход, после чего она действует в течение нескольких лет. Ведь шихту можно загружать в домну много раз по мере выпуска чугуна и шлаков через специальные отверстия в нижней части печи — горне.

А откуда такое выражение — «задуть домну»? Очень просто: процесс восстановления руды протекает так: в домну все время внизу, через специальные отверстия — фурмы — вдувается горячий (600–800 градусов) воздух. Находящийся в печи кокс сгорает, давая в конечном счете окись углерода СО. В горне домны поддерживается высокая температура, около 1800 градусов. Это больше, чем нужно для плавления не только чугуна (около 1200 градусов), но и чистого железа, которое плавится при 1536 градусах. Вверх по оси домны температура постепенно снижается до 300 градусов у колошника, где производится загрузка очередной порции шихты (колошей и называют одну порцию шихты, состоящую из слоев руды, кокса и флюсов). То, что в разных областях домны поддерживается разная температура, очень важно, так как та или иная реакция протекает при своей температуре. Каковы же они?

В области температур около 600–700 градусов начинается восстановление окислов железа окисью углерода:

Последняя реакция — восстановление окиси железа коксом — происходит уже при температуре около 1000 градусов, в более низких областях домны. Здесь же флюсы образуют с примесями шлаки:

Легкие шлаки всплывают на поверхность расплавленного металла. Их время от времени сливают, а расплавленный металл остается ниже слоя шлаков. Очень существенно, что слой шлаков защищает металл от обратного