Получить железо в домашних условиях. Эксперименты по выплавке железа из болотной руды

Редко бывает так, что я посещаю одно и то же производство дважды. Но когда меня опять позвали на Лебединский ГОК и ОЭМК, то я решил, что нужно пользоваться моментом. Интересно было посмотреть, что изменилось за 4 года с прошлой поездки, к тому же в этот раз я был больше экипирован и помимо фотоаппарата, захватил с собой еще и 4К камеру для того, чтобы передать вам в действительности всю атмосферу, обжигающие и завораживающие глаза кадры с ГОКа и сталелитейных цехов Оскольского электрометаллургического комбината.

Сегодня специально для репортаж о добыче железной руды, ее переработке, переплавке и получении стальных изделий.

Лебединский ГОК является крупнейшим российским предприятием по добыче и обогащению железной руды и имеет самый крупный в мире карьер по добыче железной руды. Комбинат и карьер расположены в Белгородской области, недалеко от г. Губкин. Предприятие входит в компанию "Металлоинвест" и является лидирующим производителем железорудной продукции в России.

Вид со смотровой площадки при въезде на карьер завораживает.

Он действительно огромный и разрастается с каждым днем. Глубина карьера Лебединского ГОКа - 250 м от уровня моря или 450 м - от поверхности земли (а диаметр - 4 на 5 километров), в него постоянно просачиваются подземные воды, и если бы не работа насосов, то он заполнился до самого верха за месяц. Он дважды занесен в книгу рекордов Гиннесса как крупнейший карьер по добыче негорючих полезных ископаемых.

Так он выглядит с высоты полета шпионского спутника.

Помимо Лебединского ГОКа, в состав Металлоинвест также входит Михайловский ГОК, что расположен в Курской области. Вместе два крупнейших комбината выводят компанию в мировые лидеры по добыче и переработке железной руды в России, и в 5-ку в мире по производству товарной железной руды. Совокупные разведанные запасы этих комбинатов оцениваются в 14,2 млрд тонн по международной классификации JORС, что гарантирует около 150 лет эксплуатационного периода при текущем уровне добычи. Так что горняки и их дети будут надолго обеспечены работой.

Погода в этот раз также не была солнечной, местами даже моросил дождь, чего не было в планах, но от того фотографии вышли еще контрастнее).

Примечательно, что прямо “в сердце” карьера расположен участок с пустой породой, вокруг которого уже добыли всю руду содержащую железо. За 4 года он заметно уменьшился, поскольку сие мешает дальнейшему развитию карьера и его планомерно вырабатывают тоже.

Железную руду загружают тут же в жд составы, в специальные усиленные вагоны, которые вывозят руду из карьера, они называются думпкары, их грузоподъемность - 120 тонн.

Геологические пласты, по которым можно изучать историю развития Земли.

Кстати, верхние слои карьера, состоящие из каменных пород, не содержащих железо, не уходят в отвал, а перерабатываются в щебень, который потом используется как стройматериал.

Гигантские машины с высоты обзорной площадки кажутся не больше муравья.

По этой железной дороге, которая связывает карьер с заводами, руду транспортируют на дальнейшую переработку. Об этом рассказ будет дальше.

В карьере работает много всевозможной техники, но самая заметная, конечно же, - это многотонные самосвалы "Белаз" и "Caterpillar".

Кстати, у этих гигантов есть такие же автомобильные номера, как и обычных легковых авто и они зарегистрированы в ГИБДД.

В год оба горно обогатительных комбината входящих в Металлоинвест (Лебединский и Михайловский ГОК) производят около 40 млн. тонн железной руды в виде концентрата и аглоруды (это не объем добычи, а обогащенная уже руда, то есть отделенная от пустой породы). Таким образом выходит, что в день на двух ГОКах производится в среднем около 110 тысяч тонн обогащенной железной руды.

Этот Белаз за один раз перевозит до 220 тонн железной руды.

Экскаватор дает сигнал и он аккуратно дает задний ход. Всего несколько ковшов и кузов гиганта заполнен. Экскаватор еще раз дает сигнал и самосвал отъезжает.
У этого экскаватора "Хитачи", который является самым крупным в карьере емкость ковша 23 куб.м.

"Белаз" и "Caterpillar" чередуются. Импортный самосвал перевозит кстати всего 180 тонн.

Скоро и этой грудой заинтересуется водитель "Хитачи".

Интересная фактура у железной руды.

Ежесуточно в карьере Лебединского ГОКа работает 133 единицы основной горной техники (30 большегрузных самосвалов, 38 экскаваторов, 20 бурстанков, 45 тяговых агрегатов).

Белазы помельче

Взрывы увидеть не удалось, да и редко когда сми или блогеров пускают на них из-за норм безопасности, Такой взрыв делают один раз в три недели. Вся техника и работники по нормам безопасности перед этим выводится из карьера.

Ну а потом самосвалы выгружают руду ближе к железной дороге тут же в карьере, откуда другие экскаваторы перегружают ее в думпкары, о которых я писал выше.

Затем руду везут на обогатительную фабрику, где железистые кварциты подвергаются дроблению и происходит процесс отделения пустой породы методом магнитной сепарации: руду измельчают, потом отправляют на магнитный барабан (сепаратор), к которому в соответствии с законами физики все железное прилипает, а не железное - смывается водой. После этого из полученного железорудного концентрата делают окатыши и ГБЖ, которое затем используется для выплавки стали.

На фото мельница, перемалывающая руду.

В цехах стоят такие поильники, все-таки тут жарко, а без воды никак.

Масштабы цеха, где в барабанах дробится руда впечатляют. Руда перемалывается естественным образом, когда камни бьются друг о друга в процессе вращения. В барабан с семиметровым диаметром помещается около 150 тонн руды. Существуют и 9-метровые барабаны, их производительность больше чуть ли не вдвое!

Зашли на минуту в пульт управления цехом. Здесь довольно скромно, но напряжение чувствуется сразу: работают диспетчеры и контролируют рабочий процесс на пультах управления. Все процессы автоматизированы, поэтому любое вмешательство - будь то остановка или запуск какого либо из узлов проходит через них и с их непосредственным участием.

Следующей точкой маршрута стал комплекс третьей очереди цеха по производству горячебрикетированного железа - ЦГБЖ-3, на котором как вы уже догадались, производится горячебрикетированное железо.

Производственная мощность ЦГБЖ-3 составляет 1,8 млн тонн продукции в год, общий объем производственных мощностей компании с учетом 1 и 2 очереди по производству ГБЖ вырос совокупно до 4,5 млн тонн в год.

Комплекс ЦГБЖ-3 занимает территорию в 19 гектаров, и в него входит около 130 объектов: станции грохочения шихты и продукта, тракты и транспортировки окисленных окатышей и готовой продукции, системы обеспыливания нижнего уплотнительного газа и ГБЖ, эстакады трубопроводов, редукционная станция природного газа, станция уплотнительного газа, электрические подстанции, реформер, компрессор технологического газа и другие объекты. Сама шахтная печь высотой 35,4 м, размещается в восьмиярусной металлоконструкции высотой 126 метров.

Также в рамках проекта также была проведена и модернизация сопутствующих производств - обогатительной фабрики и фабрики окомкования, обеспечивших выпуск дополнительных объемов железорудного концентрата (содержанием железа более 70%) и высокоосновных окатышей повышенного качества.

Производство ГБЖ сегодня является самым экологичным способ получения железа. При его производстве не образуются вредные выбросы, связанные с производством кокса, агломерата и чугуна, кроме того нет и твёрдых отходов в виде шлака. По сравнении с производством чугуна энергозатраты на производство ГБЖ ниже на 35%, выбросы парниковых газов - ниже на 60%.
Производится ГБЖ из окатышей при температуре около 900 градусов.

В последующем через пресс-форму или как ее еще называют “брикет-пресс” образуются железные брикеты.

Вот так выглядит товарная продукция:

Ну теперь немного позагораем в горячих цехах! Это Оскольский электрометаллургический комбинат, проще говоря ОЭМК, где плавится сталь.

Близко подходит нельзя, жар чувствуется ощутимо.

На верхних этажах горячий, богатый железом суп помешивают половником.

Занимаются этим жаростойкие сталевары.

Слегка пропустил момент выливания железа в специальную емкость.

А это уже готовый железный суп, пожалуйте к столу, пока не остыл.

И еще один такой же.

А мы идем дальше по цеху. На рисунке можно заметить образцы стальных изделий, которые производит завод.

Производство здесь очень фактурное.

В одном из цехов комбината производят вот такие стальные заготовки. Их длина может достигать от 4 до 12 метров, в зависимости от желания заказчиков. На фото 6-ручьевая машина непрерывного литья заготовок.

Здесь видно, как заготовки режутся на куски.

В следующем цеху горячие заготовки охлаждаются водой до нужной температуры.

А так выглядят уже остывшие, но еще не обработанные изделия.

Это склад, куда помещаются такие полуфабрикаты.

А это многотонные, тяжелые валы для проката железа.

В соседнем цехе ОЭМК обтачивают и полируют стальные пруты разного диаметра, прошедшие прокат в предыдущих цехах. Кстати, этот комбинат - седьмое по величине предприятие в России по производству стали и стальной продукции.

После полировки продукция в соседнем цехе.

Еще один цех, здесь происходит обточка и полировка изделий.

Так они выглядят в необработанном виде.

Складывание полированных прутов воедино.

И складирование с помощью крана.

Основными потребителями металлопродукции ОЭМК на российском рынке являются предприятия автомобильной, машиностроительной, трубной, метизной и подшипниковой промышленности.

Нравятся сложенные аккуратно стальные пруты).

ОЭМК применяет передовые технологии, включая технологию прямого восстановления железа и электродуговой плавки, что обеспечивает производство металла высокого качества, с уменьшенным содержанием примесей.

Металлопродукция ОЭМК экспортируется в Германию, Францию, США, Италию, Норвегию, Турцию, Египет и многие другие страны.

Комбинат производит изделия, используемые ведущими мировыми автомобилестроителями, такими как Peugeot, Mercedes, Ford, Renault, Volkswagen. Из них делают подшипники для этих самых иномарок.

По требованию заказчика на каждое изделие клеится стикер. На стикере проштамповывается номер плавки и код марки стали.

Противоположный конец может маркироваться краской, а к каждому пакету к готовыми изделиями крепятся бирки с номером контракта, страны назначения, марки стали, номера плавки, размера в миллиметрах, наименования поставщика и веса пакета.

Спасибо, что дочитали до конца, надеюсь вам было интересно.
Отдельное спасибо кампании "Металлоинвест" за приглашение!

Жми на кнопку, чтобы подписаться на "Как это сделано"!

Технология получения железа в древности

Для получения железа из руды, сначала нужно получить крицу. Для этого сначала использовалась окисленная железная руда, которая чаще всего залегает у поверхности. После открытия ее свойств такие залежи быстро истощились в результате их интенсивной разработки.

Болотные руды распространены гораздо шире. Они образовались в субатлантическом периоде, когда в процессе заболачивания железная руда оседала на дно водоемов. Все средневековье черная металлургия использовала болотные руды. Ими даже платили повинности. Получение железа из руды в относительно большом количестве стало возможным после изобретения сыродутного горна. Это название появилось после изобретения дутья подогретым воздухом в доменных печах. В древности же металлурги подавали в горн сырой (холодный) воздух. При температуре 900 o с помощью углекислого газа, отнимающего у окиси железа кислород, происходит восстановление железа из руды и получается тесто или бесформенный, пропитанный шлаком пористый кусок – крица. Для осуществления этого процесса был необходим древесный уголь как источник углекислого газа. Крица после этого проковывалась, для того чтобы удалить из нее шлак. Сыродутный способ, иногда называемый варкой железа, неэкономичен, но он долгое время оставался единственным и неизменным способом получения черного металла.

Сначала железо выплавляли в обычных, закрытых сверху ямах, позднее стали строить глиняные печи-горны. В рабочее пространство горна слоями загружали измельченную руду и уголь, все это поджигалось, и через отверстия-сопла специальными (кожаными) мехами нагнетался воздух. Каменная порода оседает в шлак при температуре 1300-1400 o , при которой получается сталь – железо, содержащее от 0.3 до 1.2%. углерода. При остывании оно становится очень твердым. Чтобы получить чугун – плавкое железо с содержанием углерода 1.5-5%, – нужна более сложная конструкция горна с большим рабочим пространством. При этом температура плавления железа оказывалась ниже, и оно частично вытекало из горна вместе со шлаком. При остывании оно становилось хрупким, и его поначалу выбрасывали, но потом научились использовать. Чтобы получить из чугуна ковкое железо, нужно удалить из него углерод.

Технология создания железных сплавов

Первым устройством для получения железа из руды была одноразовая сыродутная печь. При огромном количестве недостатков, долгое время это был единственный способ получить металл из руды.

Древние люди долгое время жили богато и счастливо - каменные топоры делали из яшмы, а для получения меди пережигали малахит, но все хорошее имеет тенденцию кончаться. Одной из причин краха античной цивилизации Средиземноморья стало истощение минеральных ресурсов. Золото кончилось не в казне, а в недрах, олово иссякло даже на «Оловянных островах». Хотя медь и добывается на Синае и Кипре до сих пор, но те месторождения, которые разрабатываются сейчас, римлянам доступны не были. Среди прочего, кончилась и пригодная для сыродутной обработки руда. Только свинца ещё было много.

Впрочем, варварские племена, заселившие ставшую бесхозной Европу, долгое время не знали, что недра её истощены предшественниками. Учитывая громадное падение объёма производства металлов, тех ресурсов, которыми римляне побрезговали, долгое время хватало. Позже, металлургия стала возрождаться в первую очередь в Германии и Чехии - то есть, там, куда римляне не добрались с кирками и тачками.

Более высокую ступень в развитии чёрной металлургии представляли собой постоянные высокие печи называемые в Европе штукофенами. Это действительно была высокая печь - с четырёхметровой трубой для усиления тяги. Мехи штукофена качались уже несколькими людьми, а иногда и водяным двигателем. Штукофен имел дверцы, через которые раз в сутки извлекалась крица.

Изобретены штукофены были в Индии в начале первого тысячелетия до новой эры. В начале нашей эры они попали в Китай, а в VII веке вместе с «арабскими» цифрами арабы заимствовали из Индии и эту технологию. В конце XIII века штукофены стали появляться в Германии и Чехии (а ещё до того были на юге Испании) и в течение следующего века распространились по всей Европе.

Производительность штукофена была несравненно выше, чем сыродутной печи - в день он давал до 250 кг железа, а температура плавления в нем оказывалась достаточна для науглероживания части железа до состояния чугуна. Однако штукофенный чугун при остановке печи застывал на её дне, смешиваясь со шлаками, а очищать металл от шлаков умели тогда только ковкой, но как раз ей-то чугун и не поддавался. Его приходилось выбрасывать.

Иногда, впрочем, штукофенному чугуну пытались найти какое-то применение. Например, древние индусы отливали из грязного чугуна гробы, а турки в начале XIX века - пушечные ядра. Трудно судить, как гробы, но ядра из него получались - так себе.

Ядра для пушек из железистых шлаков в Европе отливали еще в конце XVI в. Из литой брусчатки делались дороги. В Нижнем Тагиле до сих пор сохранились здания с фундаментами из литых шлаковых блоков.

Металлурги давно заметили связь между температурой плавления и выходом продукта - чем выше она была, тем большую часть содержащегося в руде железа удавалось восстановить. Потому рано или поздно им приходила мысль форсировать штукофен предварительным подогревом воздуха и увеличением высоты трубы. В середине XV века в Европе появились печи нового типа - блауофены, которые сразу преподнесли сталеварам неприятный сюрприз.

Более высокая температура плавления действительно значительно повысила выход железа из руды, но она же повысила и долю железа науглероживающегося до состояния чугуна. Теперь уже не 10 %, как в штукофене, а 30 % выхода составлял чугун - «свиное железо», ни к какому делу не годное. В итоге, выигрыш часто не окупал модернизации.

Блауофенный чугун, как и штукофенный, застывал на дне печи, смешиваясь со шлаками. Он выходил несколько лучшим, так как его самого было больше, следовательно, относительное содержание шлаков выходило меньше, но продолжал оставаться малопригодным для литья. Чугун получаемый из блауофенов оказывался уже достаточно прочен, но оставался ещё очень неоднородным - из него выходили только предметы простые и грубые - кувалды, наковальни. Уже прилично выходили пушечные ядра.

Кроме того, если в сыродутных печах могло быть получено только железо, которое потом науглероживалось, то в штукофенах и блауофенах внешние слои крицы оказывались состоящими из стали. В блауофенных крицах стали было даже больше, чем железа. С одной стороны, это казалось хорошо, но, вот, разделить-то сталь и железо оказывалось весьма затруднительно. Содержание углерода становилось трудно контролировать. Только долгой ковкой можно было добиться однородности его распределения.

В своё время, столкнувшись с этими затруднениями, индусы не стали двигаться дальше, а занялись тонким усовершенствованием технологии и пришли к получению булата. Но, индусов в ту пору интересовало не количество, а качество продукта. Европейцы, экспериментируя с чугуном, скоро открыли передельный процесс, поднимающий металлургию железа на качественно новый уровень.

Следующим этапом в развитии металлургии стало появление доменных печей. За счёт увеличения размера, предварительного подогрева воздуха и механического дутья, в такой печи все железо из руды превращалось в чугун, который расплавлялся и периодически выпускался наружу. Производство стало непрерывным - печь работала круглосуточно и не остывала. За день она выдавала до полутора тонн чугуна. Перегнать же чугун в железо в горнах было значительно проще, чем выколачивать его из крицы, хотя ковка все равно требовалась - но теперь уже выколачивали шлаки из железа, а не железо из шлаков.

Доменные печи впервые были применены на рубеже XV-XVI веков в Европе. На Ближнем Востоке и в Индии эта технология появилась только в XIX веке (в значительной степени, вероятно, потому, что водяной двигатель из-за характерного дефицита воды на Ближнем Востоке не употреблялся). Наличие в Европе доменных печей позволило ей обогнать в XVI веке Турцию если не по качеству металла, то по валу. Это оказало несомненное влияние на исход борьбы, особенно когда оказалось, что из чугуна можно лить пушки.

С начала XVII века европейской кузницей стала Швеция, производившая половину железа в Европе. В середине XVIII века её роль в этом отношении стала стремительно падать в связи с очередным изобретением - применением в металлургии каменного угля.

Прежде всего надо сказать, что до XVIII века включительно каменный уголь в металлургии практически не использовался - из-за высокого содержания вредных для качества продукта примесей, в первую очередь - серы. С XVII века в Англии каменный уголь, правда, начали применять в пудлинговочных печах для отжига чугуна, но это позволяло достичь лишь небольшой экономии древесного угля - большая часть топлива расходовалась на плавку, где исключить контакт угля с рудой было невозможно.

Среди многих металлургических профессий того времени, пожалуй, самой тяжелой была профессия пудлинговщика. Пудлингование было основным способом получения железа почти на протяжении всего XIX в. Это был очень тяжелый и трудоемкий процесс. Работа при нем шла так: На подину пламенной печи загружались чушки чугуна; их расплавляли. По мере выгорания из металла углерода и других примесей температура плавления металла повышалась и из жидкого расплава начинали «вымораживаться» кристаллы довольно чистого железа. На подине печи собирался комок слипшейся тестообразной массы. Рабочие-пудлинговщики приступали к операции накатывания крицы при помощи железного лома. Перемешивая ломом массу металла, они старались собрать вокруг лома комок, или крицу, железа. Такой комок весил до 50 - 80 кг и более. Крицу вытаскивали из печи и подавали сразу под молот - для проковки с целью удаления частиц шлака и уплотнения металла.

Устранять серу коксованием научились в Англии в 1735 году, после чего возможность использовать для выплавки железа большие запасы каменного угля. Но за пределами Англии эта технология распространилась только в XIX веке.

Потребление же топлива в металлургии уже тогда было огромно - домна пожирала воз угля в час. Древесный уголь превратился в стратегический ресурс. Именно изобилие дерева в самой Швеции и принадлежащей ей Финляндии позволило шведам развернуть производство таких масштабов. Англичане, имевшие меньше лесов (да и те были зарезервированы для нужд флота), вынуждены были покупать железо в Швеции до тех пор, пока не научились использовать каменный уголь.

Электрический и индукционный способы выплавки железа

Разнообразие составов сталей очень затрудняет их выплавку. Ведь в мартеновской печи и конвертере атмосфера окислительная, и такие элементы, как хром, легко окисляются и переходят в шлак, т.е. теряются. Значит, чтобы получить сталь с содержанием хрома 18%, в печь надо дать гораздо больше хрома, чем 180 кг на тонну стали. А хром – металл дорогой. Как найти выход из этого положения?

Выход был найден в начале XX в. Для выплавки металла было предложено использовать тепло электрической дуги. В печь круглого сечения загружали металлолом, заливали чугун и опускали угольные или графитовые электроды. Между ними и металлом в печи («ванне») возникала электрическая дуга с температурой около 4000°C. Металл легко и быстро расплавлялся. А в такой закрытой электропечи можно создавать любую атмосферу – окислительную, восстановительную или совершенно нейтральную. Иными словами, можно предотвратить выгорание ценных элементов. Так была создана металлургия качественных сталей.

Позднее был предложен еще один способ электроплавки – индукционный. Из физики известно, что если металлический проводник поместить в катушку, по которой проходит ток высокой частоты, то в нем индуцируется ток и проводник нагревается. Этого тепла хватает, чтобы за определенное время расплавить металл. Индукционная печь состоит из тигля, в футеровку которого вделана спираль. По спирали пропускают ток высокой частоты, и металл в тигле расплавляется. В такой печи тоже можно создать любую атмосферу.

В электрических дуговых печах процесс плавки идет обычно в несколько стадий. Сначала из металла выжигают ненужные примеси, окисляя их (окислительный период). Затем из печи убирают (скачивают) шлак, содержащий окислы этих элементов, и загружают ферросплавы – сплавы железа с элементами, которые нужно ввести в металл. Печь закрывают и продолжают плавку без доступа воздуха (восстановительный период). В результате сталь насыщается требуемыми элементами в заданном количестве. Готовый металл выпускают в ковш и разливают.

Химические реакции при получении железа

В современной промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe 2 O 3) и магнетита (Fe 3 O 4).

Существуют различные способы извлечения железа из руд. Наиболее распространённым является доменный процесс.

Первый этап производства - восстановление железа углеродом в доменной печи при температуре 2000 °C. В доменной печи углерод в виде кокса, железная руда в виде агломерата или окатышей и флюс (например, известняк) подаются сверху, а снизу их встречает поток нагнетаемого горячего воздуха.

В печи углерод кокса окисляется до монооксида углерода (угарного газа) кислородом воздуха:

2C + O 2 → 2CO.

В свою очередь, угарный газ восстанавливает железо из руды:

3CO + Fe 2 O 3 → 2Fe + 3CO 2 .

Флюс добавляется для извлечения нежелательных примесей из руды, в первую очередь силикатов, таких как кварц (диоксид кремния). Типичный флюс содержит известняк (карбонат кальция) и доломит (карбонат магния). Против других примесей используют другие флюсы.

Действие флюса: карбонат кальция под действием тепла разлагается до оксида кальция (негашёная известь):

CaCO 3 → CaO + CO 2 .

Оксид кальция соединяется с диоксидом кремния, образуя шлак:

CaO + SiO 2 → CaSiO 3 .

Шлак, в отличие от диоксида кремния, плавится в печи. Более лёгкий, чем железо, шлак плавает на поверхности, и его можно сливать отдельно от металла. Шлак затем употребляется в строительстве и сельском хозяйстве. Расплав железа, полученный в доменной печи, содержит довольно много углерода (чугун). Кроме случаев, когда чугун используется непосредственно, он требует дальнейшей переработки.

Излишний углерод и другие примеси (сера, фосфор) удаляют из чугуна окислением в мартеновских печах или в конвертерах. Электрические печи используют и для выплавки легированных сталей.

Кроме доменного процесса, распространён процесс прямого получения железа. В этом случае предварительно измельчённую руду смешивают с особой глиной, формируя окатыши. Окатыши обжигают, и обрабатывают в шахтной печи горячими продуктами конверсии метана, содержащими водород. Водород легко восстанавливает железо, при этом не происходит загрязнения железа такими примесями как сера и фосфор - обычными примесями в каменном угле. Железо получается в твёрдом виде, и в дальнейшем переплавляется в электрических печах.

Химически чистое железо получается электролизом растворов его солей.

Часть 1. Зачем все это надо?

Если речь идет о создании реплики исторического артефакта (например, ножа или топора Х века), то перед мастером стоит как минимум 3 задачи:

1. Повторить внешний вид. Другими словами, создать масса-габаритную модель. Пример реплика топора из могильника Якштайчай, Литва. Топор изготовлен с соблюдением размеров оригинала.

По внешнему виду средневековое оружие исследовали такие известные авторы как Эвард Окшотт, Ян Петерсен, Анатолий Кирпичников.

2. Структура кованого изделия. Большинство средневековых артефактов изготовлено, говоря современным языком, как минимум, из двух разных марок сталей. Тут речь идет о технологии кузнечной сварки, о технологии изготовления дамасской стали. Из-за дороговизны углеродистой стали в средние века, широко применялась технология, когда только рабочая часть изделия (например, в ноже это лезвие) была стальной, а все остальное изготавливалось из железа или низкокачественной стали.

Подробнее эта тема рассмотрена на практике на примере . О структуре средневековых кованых изделий можно судить по таким книгам как «Дамасская сталь в странах бассейна Балтийского моря» Антейн А.К. и «Кузнечное ремесло Полоцкой земли. IX–XIII вв.» Гурин, М.Ф.

3. Собственно металл. Сталь Х века и сталь ХХI века это 2 принципиально разных по способу получения материала. И как следствие, свойства этих материалов отличаются. Вероятно, из-за этих отличий и получило широкое распространение такое направление в кузнечном деле как дамасская сталь. Топор из сыродутного железа.

Основной способ получения железа в средние века – плавка болотной руды в сыродутных горнах. Суть сыродутного процесса в том, что воздух для горения топлива подается не подогретым, атмосферных параметров.

Конструкция средневековых печей описана в книге Бориса Колчина «Черная металлургия и металлообработка в Древней Руси».

Часть 2. Сырье и подготовка к плавке.

Болотная руда — это бурый железняк, или лимонит. Основное из чего она состоит это Fe2O3. Вот так выглядит в природе.

Восстанавливается руда до чистого металла древесным углем. Перед плавкой руду обогащают путем промывки от лишней породы.

Первую плавку руды я сделал в графито-шамотном тигле в камере газового горна. Из 400 грамм руды получилось 160 грамм железа. Слиток пористый, поры чистые без неметаллических вкраплений.

Был сделан спектральный анализ этого слитка на легирующие элементы и примеси.

Анализ показал содержание углерода – 0.14%. Вероятно, углерод поступил в железо из древесного угля, в следствии процесса цементации поверхности. Вероятно, длительное нахождения слитка железа в области высоких температур обеспечило хорошую диффузию углерода, и как следствие равномерное его распределение по всему объему образца. Таким образом мы можем говорить о получении низкоуглеродистой стали. Высокое содержание фосфора и серы (1.49% и 0.075% соответственно) ощутимо снижает качество металла и с точки зрения кузнечной обработки, и с точки зрения эксплуатации будущих изделий. Чтобы уменьшить содержание серы и фосфора в состав шихты (Шихта — Смесь материалов, загруженных в плавильную печь для получения металла определённого состава.) следует ввести оксид кальция СаO (негашеная известь). Например, добавить мел CaCO3. В области высоких температур (1000-1100 ОС) внутри горна мел станет негашеной известью.

Часть 3. Плавка руды в аутентичных сыродутных горнах.

22-23.07.2017 в музейном комплексе «Дудутки» на фестивале славы белорусского оружия «Наш Грюнвальд-2017» состоялась плавка руды в сыродутных горнах. Цель этого эксперимента получить практические ответы на следующие вопросы:

1. Материалы и конструкция сыродутных горнов.

2. Способ подачи воздуха для горения топлива. Режимы дутья.

3. Состав шихты.

4. Шлакообразование и его влияние на процесс плавки.

5. Получение чистого металла.

6. Получение металла лучшего качества, чем при первой плавке в тигле.

Забегая вперед могу сказать, что все поставленные задачи были решены. Было изготовлено 2 сыродутных горна из разных материалов, разной конструкции и размера. Один из двух горнов был изготовлен из местного сырья, воздух подавался двухкамерными кузнечными мехами.

Постройка горнов, их сушка, прогрев и последующая плавка – очень трудоемкая задача. Весь процесс занял 2 дня, работы велись с самого утра и до поздней ночи с учетом того, что мне помогала целая команда помощников. Эксперимент удачный – полученный металл примерно в 7 раз чище по вредным примесям в сравнении с тигельной плавкой. Однако металла получилось немного. Основной объем – это небольшие металлические шарики в кусках шлака.

Вероятно, если создать бОльшую температуру в горне и увеличить время плавки, то эти шарики сварятся вместе и образуют годную для ковки крицу. Спектральный анализ не определил содержание углерода, вероятно, из-за его неравномерного распределения в слитке. Вероятно, это также косвенно говорит о необходимости увеличения времени плавки. Проведенный эксперимент показал, что основные параметры выбраны в целом верно, значит их оптимизация приведет к улучшению результата. Об этом я напишу позже, по мере развития событий.

Железо составляет более 5% земной коры. Для извлечения железа используются в основном такие руды, как гематит и магнетит . В этих рудах содержится от 20 до 70% железа. Важнейшими примесями железа в этих рудах являются песок и глинозем (оксид алюминия ).

Ядро Земли

На основании косвенных данных можно заключить, что ядро Земли представляет собой главным образом сплав железа. Его радиус приблизительно равен 3470 км, тогда как радиус Земли составляет 6370 км. Внутреннее ядро Земли, по всей видимости, находится в твердом состоянии и имеет радиус около 1200 км. Оно окружено жидким внешним ядром. Турбулентный поток жидкости в этой части ядра создает магнитное поле Земли. Давление внутри ядра находится в пределах от 1,3 до 3,5 миллиона атмосфер, а температура - в пределах

Хотя установлено, что ядро Земли состоит большей частью из железа, его точный состав неизвестен. Есть предположения, что от 8 до 10% массы земного ядра приходится на такие элементы, как никель, сера (в виде сульфида железа), кислород (в виде оксида железа) и кремний (в виде силицида железа).

По меньшей мере 12 стран в мире имеют разведанные запасы железных руд, которые превышают миллиард тонн. К числу этих стран относятся Австралия, Канада, США, ЮАР, Индия, СССР и Франция. Мировой уровень выплавки стали в настоящее время достигает 700 млн. т. Главными производителями стали являются СССР, США, Япония, в каждой из этих стран выплавляется более 100 млн. т. стали в год. В Великобритании уровень выплавки стали составляет 20 млн. т в год.

Производство железа

Получение железа из железной руды производится в две стадии. Оно начинается с подготовки руды-измельчения и нагревания. Руду измельчают на куски диаметром не более 10 см. Затем измельченную руду прокаливают для удаления воды и летучих примесей.

На второй стадии железную руду восстанавливают до железа с помощью оксида углерода в доменной печи (рис. 14.12). Восстановление проводится при температурах порядка 700°С:

Для повышения выхода железа этот процесс проводится в условиях избытка диоксида углерода

Моноксид углерода СО образуется в доменной печи из кокса и воздуха. Воздух сначала нагревают приблизительно до 600 °С и нагнетают в печь через особую трубу - фурму. Кокс сгорает в горячем сжатом воздухе, образуя диоксид углерода. Эта реакция экзотермична и вызывает повышение температуры выше 1700 °С:

Диоксид углерода поднимается вверх в печи и реагирует с новыми порциями кокса, образуя моноксид углерода. Эта реакция эндотермична:

Рис. 14.12. Доменная печь, 1 - железная руда, известняк, кокс, 2 загрузочный конус (колошник), 3 - колошниковый газ, 4- кладка печи, 5 - зона восстановления оксида железа, 6 - зона образования шлака, 7 - зона горения кокса, 8 - вдувание нагретого воздуха через фурмы, 9 - расплавленное железо, 10 - расплавленный шлак.

Железо, образующееся при восстановлении руды, загрязнено примесями песка и глинозема (см. выше). Для их удаления в печь добавляют известняк. При температурах, существующих в печи, известняк подвергается термическому разложению с образованием оксида кальция и диоксида углерода:

Оксид кальция соединяется с примесями, образуя шлак. Шлак содержит силикат кальция и алюминат кальция:

Железо плавится при 1540°С (см. табл. 14.2). Расплавленное железо вместе с расплавленным шлаком стекают в нижнюю часть печи. Расплавленный шлак плавает на поверхности расплавленного железа. Периодически из печи выпускают на соответствующем уровне каждый из этих слоев.

Доменная печь работает круглосуточно, в непрерывном режиме. Сырьем для доменного процесса служат железная руда, кокс и известняк. Их постоянно загружают в печь через верхнюю часть. Железо выпускают из печи четыре раза в сутки, через равные промежутки времени. Оно выливается из печи огненным потоком при температуре порядка 1500 °С. Доменные печи бывают разной величины и производительности (1000-3000 т в сутки). В США существуют некоторые печи новой конструкции с

четырьмя выпускными отверстиями и непрерывным выпуском расплавленного железа. Такие печи имеют производительность до 10000 т в сутки.

Железо, выплавленное в доменной печи, разливают в песочные изложницы. Такое железо называется чугун. Содержание железа в чугуне составляет около 95%. Чугун представляет собой твердое, но хрупкое вещество с температурой плавления около 1200 °С.

Литое железо получают, сплавляя смесь чугуна, металлолома и стали с коксом. Расплавленное железо разливают в формы и охлаждают.

Сварочное железо представляет собой наиболее чистую форму технического железа. Его получают, нагревая неочищенное железо с гематитом и известняком в плавильной печи. Это повышает чистоту железа приблизительно до 99,5%. Его температура плавления повышается до 1400 °С. Сварочное железо имеет большую прочность, ковкость и тягучесть. Однако для многих применений его заменяют низкоуглеродистой сталью (см. ниже).

Производство стали

Стали подразделяются на два типа. Углеродистые стали содержат до 1,5% углерода. Легированные стали содержат не только небольшие количества углерода, но также специально вводимые примеси (добавки) других металлов. Ниже подробно рассматриваются различные типы сталей, их свойства и применения.

Кислородно-конвертерный процесс. В последние десятилетия производство стали революционизировалось в результате разработки кислородно-конвертерного процесса (известного также под названием процесса Линца-Донавица). Этот процесс начал применяться в 1953 г. на сталеплавильных заводах в двух австрийских металлургических центрах - Линце и Донавице.

В кислородно-конвертерном процессе используется кислородный конвертер с основной футеровкой (кладкой) (рис. 14.13). Конвертер загружают в наклонном положении

Рис. 14.13. Конвертер для выплавки стали, 1-кислород и 2 - трубка с водяным охлаждением для кислородного дутья, 3 - шлак. 4-ось, 5-расплавленная сталь, 6 - стальной корпус.

расплавленным чугуном из плавильной печи и металлоломом, затем возвращают в вертикальное положение. После этого в конвертер сверху вводят медную трубку с водяным охлаждением и через нее направляют на поверхность расплавленного железа струю кислорода с примесью порошкообразной извести . Эта «кислородная продувка», которая длится 20 мин, приводит к интенсивному окислению примесей железа, причем содержимое конвертера сохраняет жидкое состояние благодаря выделению энергии при реакции окисления. Образующиеся оксиды соединяются с известью и превращаются в шлак. Затем медную трубку выдвигают и конвертер наклоняют, чтобы слить из него шлак. После повторной продувки расплавленную сталь выливают из конвертера (в наклонном положении) в ковш.

Кислородно-конвертерный процесс используется главным образом для получения углеродистых сталей. Он характеризуется большой производительностью. За 40-45 мин в одном конвертере может быть получено 300-350 т стали.

В настоящее время всю сталь в Великобритании и большую часть стали во всем мире получают с помощью этого процесса.

Электросталеплавильный процесс. Электрические печи используют главным образом для превращения стального и чугунного металлолома в высококачественные легированные стали, например в нержавеющую сталь. Электропечь представляет собой круглый глубокий резервуар, выложенный огнеупорным кирпичем. Через открытую крышку печь загружают металлоломом, затем крышку закрывают и через имеющиеся в ней отверстия опускают в печь электроды, пока они не придут в соприкосновение с металлоломом. После этого включают ток. Между электродами возникает дуга, в которой развивается температура выше 3000 "С. При такой температуре металл плавится и образуется новая сталь. Каждая загрузка печи позволяет получить 25-50 т стали.

Сперва расскажу про сам карьер. Лебединский ГОК - является крупнейшим российским предприятием по добыче и обогащению железной руды и имеет самый крупный в мире карьер по добыче железной руды. Комбинат и карьер расположены в Белгородской области, между городами Старый Оскол и Губкин.

Вид на карьер сверху. Он действительно огромный и разрастается с каждым днем. Глубина карьера Лебединского ГОКа - 250 м от уровня моря или 450 м - от поверхности земли (а диаметр - 4 на 5 километров), в него постоянно просачиваются подземные воды, и если бы не работа насосов, то он заполнился до самого верха за месяц. Он дважды занесен в книгу рекордов Гиннеса как крупнейший карьер по добыче негорючих полезных ископаемых.

Немного официальной информации: Лебединский ГОК входит в концерн «Металлоинвест» и является лидирующим производителем железорудной продукции в России. В 2011 году доля производства концентрата комбинатом в общем годовом объеме производства железорудного концентрата и аглоруды в России составила 21%.

В карьере работает много всевозможной техники, но самая заметная конечно же многотонные самосвалы «Белаз» и «Caterpillar».

В год оба комбината входящих в компанию (Лебединский и Михайловский ГОК) производят около 40 млн. тонн железной руды в виде концентрата и аглоруды (это не объем добычи, а обогащенная уже руда, то есть отделенная от пустой породы). Таким образом выходит, что в день на двух ГОКах производится в среднем около 110 тысяч тонн обогащенной железной руды.

Этот малыш за один раз перевозит до 220 тонн (!) железной руды.

Экскаватор дает сигнал и он аккуратно дает задний ход. Всего несколько ковшов и кузов гиганта заполнен. Экскаватор еще раз дает сигнал и самосвал отъезжает.

Недавно были закуплены «Белазы» грузоподъемностью 160 и 220 тонн (до сих пор грузоподъемность самосвалов в карьерах была не больше 136 тонн), и ожидается поступление экскаваторов «Хитачи» с емкостью ковша 23 куб.м. (в настоящее время максимальная емкость ковша карьерных экскаваторов составляет 12 куб.м.).

«Белаз» и «Caterpillar» чередуются. Импортный самосвал перевозит кстати всего 180 тонн. Самосвалы такой большой грузоподъемности - это новая техника, в настоящее время поступающая на ГОКи в рамках инвестпрограммы «Металлоинвеста» по повышению эффективности горно-транспортного комплекса.

Интересная фактура у камней, обратите внимание. Если не ошибаюсь слева кварцит, из такой руды добывают железо. Карьер полон не только железной руды, но и различными минералами. Они, в основном, не представляют интереса для дальнейшей переработки в промышленных масштабах. Сегодня из пустой породы получают мел, а также делают щебень для строительных целей.

Красивые камешки, точно не могу сказать, что за минерал, может кто-то подскажет?

Я конечно надеялся увидеть зрелищные взрывы, но даже если бы они проходили в этот день, мне все равно не удалось бы проникнуть на территорию карьера. Такой взрыв делают один раз в три недели. Вся техника по нормам безопасности (а ее немало) перед этим выводится из карьера.

Лебединский ГОК и Михайловский ГОК - два крупнейших комбината по добыче и переработке железной руды в России по объему выпускаемой продукции. Компания «Металлоинвест» обладает вторыми по величине в мире разведанными запасами железной руды — около 14,6 млрд тонн по международной классификации JORС, что гарантирует около 150 лет эксплуатационного периода при текущем уровне добычи. Так что жители Старого Оскола и Губкина надолго будут обеспечены работой.

Наверное заметили по предыдущим фотографиям, что погода была неважная, шел дождь, а в карьере стоял туман. Ближе к отъезду он слегка рассеялся, но все равно не сильно. Вытянул фото насколько возможно. Размеры карьера конечно впечатляют.

Прямо посередине карьера стоит гора с пустой породой, вокруг которой добыли всю руду содержащую железо. В скором времени планируется ее взорвать по частям и вывезти из карьера.

Железную руду загружают тут же в жд составы, в специальные усиленные вагоны, которые вывозят руду из карьера, они называются думпкары, их грузоподъемность - 105 тонн.

Геологические пласты, по которым можно изучать историю развития Земли.

Гигантские машины с высоты обзорной площадки кажутся не больше муравья.

Затем руду везут на комбинат, где происходит процесс отделения пустой породы методом магнитной сепарации: руду дробят мелко, потом отправляют на магнитный барабан (сепаратор), к которому в соответствии с законами физики все железное прилипает, а не железное - смывается водой. После этого из полученного железорудного концентрата делают окатыши и горячебрикетированное железо (ГБЖ), которое затем используется для выплавки стали.
Горячебрикетированное железо (ГБЖ) — один из видов прямовосстановленного железа (ПВЖ). Материал с высоким (>90 %) содержанием железа, полученный по технологии, отличной от доменного передела. Используется в качестве сырья для производства стали. Высококачественный (с малым количеством вредных примесей) заменитель чугуна, металлолома.

В отличие от чугуна, в производстве ГБЖ не используется угольный кокс. Процесс производства брикетированного железа базируется на обработке железорудного сырья (окатышей) высокими температурами, чаще всего, посредством природного газа.

Внутрь завода ГБЖ просто так не зайдешь, потому что процесс выпекания горячебрикетированных пирожков проходит при температуре около 900 градусов, а загорать в Старом Осколе у меня не входило в планах).

Лебединский ГОК - единственный производитель ГБЖ в России и СНГ. Комбинат начал производство этого вида продукции в 2001 году, запустив цех по производству ГБЖ (ЦГБЖ-1) с применением технологии HYL-III мощностью 1,0 миллион тонн в год. В 2007 году ЛГОК завершил строительство второй очереди цеха по производству ГБЖ (ЦГБЖ-2) с использованием технологии MIDREX с производственной мощностью 1,4 миллиона тонн в год. В настоящее время производственная мощность ЛГОКа составляет 2,4 миллиона тонн ГБЖ в год.

После карьера мы посетили Оскольский электрометаллургический комбинат (ОЭМК), входящий в Металлургический сегмент компании. В одном из цехов комбината производят вот такие стальные заготовки. Их длина может достигать от 4 до 12 метров, в зависимости от желания заказчиков.

Видите сноп искр? В том месте отрезается брусок стали.

Интересная машина с ковшом, называется бадьевоз, в него сливают шлак в процессе производства.

В соседнем цехе ОЭМК обтачивают и полируют стальные пруты разного диаметра, прошедшие прокат в другом цехе. Кстати, это комбинат - седьмое по величине предприятие в России по производству стали и стальной продукции.В 2011 году доля производства стали на ОЭМК составила 5 % от общего объема стали, производимой в Роcсии, доля производства проката также составила 5%.

Комбинатом освоено производство сортового проката для изготовления изделий, используемых ведущими мировыми автомобилестроителями, такими как Peugeot, Mercedes, Ford, Renault, Volkswagen. Из некоторых изделий делают подшипники для этих самых иномарок.

Кстати, не первый раз замечаю на подобных производствах женщин - крановщиц.

На этом заводе чуть ли не стерильная чистота, не характерная для подобных производств.

Нравятся сложенные аккуратно стальные пруты.

По требованию заказчика на каждое изделие клеится стикер.

На стикере проштамповывается номер плавки и код марки стали.

Эти изделия - эталоны, по которым настраивается оборудование для точной прокатки.

А этот станок может просканировать изделие, и выявить микротрещины и дефекты до того, как металл попадет к заказчику.

На предприятии серьезно относятся к технике безопасности.

Вся вода, используемая в производстве очищается совсем недавно установленным суперсовременным оборудованием.

Это установка очистки сточных вод комбината. После обработки она чище, чем в реке, куда ее сбрасывают.

Вода техническая, почти дистиллированная. Как и любую техническую воду ее пить нельзя, но один раз можно попробовать, это не опасно для здоровья.

На следующий день мы поехали в Железногорск, находящийся в Курской области. Именно там находится Михайловский ГОК. На снимке - строящийся комплекс обжиговой машины №3. Здесь будут производить окатыши.

В его строительство будет инвестировано 450 млн. долларов. Предприятие будет построено и пущено в эксплуатацию в 2014 г.

Это макет комбината.

Затем мы поехали на карьер Михайловского ГОКа. Глубина карьера МГОКа - более 350 метров от поверхности земли, а его размер - 3 на 7 километров. На его территории на самом деле три карьера, это можно видеть на снимке со спутника. Один большой и два поменьше. Примерно через 3-5 лет карьер разрастется настолько, что станет одним большим единым, и возможно догонит по размерам Лебединский карьер.

В карьере задействовано 49 самосвалов, 54 тяговых агрегата, 21 тепловоз, 72 экскаватора, 17 буровых станков, 28 бульдозеров и 7 автогрейдеров.

В остальном добыча руды на МГОКе не отличается от ЛГОКа.

В этот раз нам все-таки удалось попасть на комбинат, где железнорудный концентрат превращают в конечный продукт - окатыши..
Окатыши — комочки измельчённого рудного концентрата. Полуфабрикат металлургического производства железа. Является продуктом обогащения железосодержащих руд специальными концентрирующими способами. Используется в доменном производстве для получения чугуна.

Для производства окатышей используют железорудный концентрат. Для удаления минеральных примесей исходную (сырую) руду мелко измельчают и обогащают различными способами.

Процесс изготовления окатышей часто называют «окомкование». Шихта, то есть смесь тонко измельчённых концентратов железосодержащих минералов, флюса (добавок, регулирующих состав продукта), и упрочняющих добавок (обычно это бентонитовая глина), увлажняется и подвергается окомкованию во вращающихся чашах (грануляторах) или барабанах-окомкователях. Они самые на снимке.

Подойдем поближе.

В результате окомкования получают близкие к сферическим частицы диаметром 5÷30 мм.

Довольно интересно наблюдать за процессом.

Затем окатыши по ленте направляются в корпус обжига.

Они высушиваются и обжигаются при температурах 1200÷1300° C на специальных установках — обжиговых машинах. Обжиговые машины (обычно конвейерного типа) представляют собой конвейер из обжиговых тележек (палет), которые движутся по рельсам.

Но на снимке - концентрат, который вскоре попадет в барабаны.

В верхней части обжиговой машины над обжиговыми тележками располагают отопительный горн, в котором происходит сжигание газообразного, твердого или жидкого топлива и формирование теплоносителя для сушки, нагревания и обжига окатышей. Различают обжиговые машины с охлаждением окатышей непосредственно на машине и с выносным охладителем. Этого процесса к сожалению мы не увидели.

Обожжённые окатыши приобретают высокую механическую прочность. При обжиге удаляется значительная часть сернистых загрязнений. Так выглядит готовый к употреблению продукт).

Несмотря на то, что оборудование служит с советских времен, процесс автоматизирован, и для контроля за ним не нужно большого количества персонала.