Procesy wielkopiecowe

Żelazo jest najbardziej rozpowszechnionym w skorupie ziemskiej metalem ciężkim . Na powierzchni ziemi nie znajdujemy nigdzie czystego żelaza , za to liczne są jego rudy. Są to głównie tlenki . Najważniejszą i najbogatszą rudą żelaza jest magnetyt , czyli żelaziak magnetyczny Fe3O4. Zawiera ona od 50% do 67% żelaza i ma właściwości magnetyczne. Hematyt , czyli żelaziak czerwony Fe2O3 zawiera 30-64% żelaza. Limonit , czyli żelaziak brunatny Fe2O3 * nH2O do 40 % , a syderyt , szpat żelazny FeCO3 zawiera do 25% żelaza.

Największe zasoby rud żelaza występują na terenach byłego ZSRR , w Szwecji i USA. Polskie rudy żelaza należą do ubogich , występuje syderyt i limonit.

Procesy metalurgiczne nie dostarczają czystego żelaza , lecz jego stopów . W hutniczym otrzymywaniu "żelaza" pierwszymi produktami jest surówka , a końcowymi stale.


Metalurgia żelaza polega na otrzymywaniu technicznego żelaza na skalę przemysłową. Polega na wytapianiu go z rud i dalszej obróbce w procesie hutniczym.

Otrzymywanie żelaza z jego rud polega na redukcji tlenków żelaza za pomocą węgla i tlenku węgla , który jest szczególnie czynnym reduktorem , ponieważ jako gaz reaguje z tlenkami żelaza w całej objętości pieca. Szybkość redukcji wzrasta ze wzrostem temperatury , a wydzielanie produktów reakcji w stanie ciekłym sprzyja usuwaniu zanieczyszczeń , dlatego proces przeprowadza się w wysokich temperaturach w tak zwanych wielkich piecach. Są to wielkie konstrukcje mające do 30 m wysokości i 2000 m3 pojemności. Ładowanie pieca odbywa się od góry przez urządzenie zasypowe , przez które wprowadza się: koks , rudę i topniki (dolomit, wapień) , które ze złożem rudy tworzą w piecu łatwo topliwą mieszaninę krzemianów wapnia , glinu , manganu zwaną żużlem. Koks wprowadzany do wielkiego pieca spala się w strumieniu gorącego powietrza wdmuchiwanego przez dysze. Wytworzony CO2 przechodząc przez rozżarzone warstwy koksu redukuje się do tlenku węgla.

Gorące gazy( CO i CO2) unosząc się ku górze ogrzewają wsad wielkopiecowy zsuwający się ku dołowi . Procesy zachodzące w warstwach rudy zależą od temperatury wytworzonej w dolnej strefie pieca. W najwyższych jego częściach następuje odwodnienie rudy , przy temperaturze 120-230 stopni Celcjusza . Redukcja rozpoczyna się w temperaturze 420 stopni i początkowo polega na redukcji Fe(III) do Fe(II). W miarę posuwania się ku dołowi i dalszego wzrostu temperatury następuje redukcja tlenków do metalu.W temperaturze 930 stopni redukująco działa również węgiel.W miarę obsuwania się ładunku do dolnych , gorętszych części pieca , mających temp. większą niż 930 stopni, następuje stopienie żelaza i na skutek rozpuszczania się w nim węgla i innych pierwiastków powstaje stop żelaza z węglem (2,5-4,5%) oraz krzemem , fosforem , manganem. Jest to właśnie surówka - produkt wielkiego pieca.

Równocześnie z redukcją tlenków żelaza odbywa się też reakcja pomiędzy topnikami i zanieczyszczeniami rudy. W wyniku tych reakcji tworzy się ciekły żużel , który spływa w dół pieca i jako lżejszy od surówki tworzy warstwę na jej powierzchni.