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:
3Fe2О3 + СО = 2Fe3O4 + CO2;
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2;
FeO + CO = Fe + CO2;
FeO + C = Fe + CO.
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:
CaCO3→900°→CaO + CO2;
CaO + SiO2→1200°→CaSiO3
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
