Как производится сталь
Доменный процесс остается основным способом производства стали, обеспечивая около 70% мирового выпуска металла. Этот проверенный временем метод представляет собой сложную цепочку технологических операций, начинающихся с тщательной подготовки сырья.
Основными компонентами для доменной плавки служат железная руда (обычно в форме окатышей или агломерата с содержанием железа 50–65%), кокс (специально обработанный уголь) и флюсы (известняк или доломит). Перед загрузкой в печь эти материалы проходят специальную подготовку, обеспечивающую оптимальные условия для последующих химических реакций.
Процесс загрузки в доменную печь представляет собой строго регламентированную операцию. Сырье подается слоями через верхнюю часть печи (колошник) в определенной последовательности: сначала слой кокса, создающий пористую структуру для газопроницаемости, затем слой руды с флюсами. Такое чередование повторяется на протяжении всей работы печи. В нижней части печи (горне) температура достигает 2000°C, создавая условия для протекания ключевых химических реакций.
Сердцевину технологического процесса составляют три основных типа реакций. Во-первых, происходит восстановление железа из оксидов под действием оксида углерода, образующегося из кокса. Эта реакция описывается уравнением Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2 и приводит к образованию чугуна с содержанием углерода около 4%, а также различных примесей (кремний, марганец, сера, фосфор). Во-вторых, флюсы связывают ненужные примеси в легкоплавкий шлак. В-третьих, образующиеся газы (CO, CO2, N2) отводятся через верх печи и могут использоваться для подогрева воздушного дутья.
Готовые продукты плавки выпускаются раздельно. Чугун с температурой около 1500°C вытекает через специальное отверстие (летку) каждые три-пять часов и направляется в сталеплавильные цеха для дальнейшей переработки. Шлак, как более легкий материал, всплывает на поверхность жидкого чугуна и удаляется отдельно, находя применение в строительной индустрии — для производства шлакоблоков и цемента.
Полученный чугун требует дополнительной переработки для превращения в сталь, так как содержит избыток углерода и примесей. Для этого применяют несколько методов: кислородно-конвертерный процесс (продувка кислородом, снижающая содержание углерода до 0,02–2%), мартеновский метод (постепенно уходящий в прошлое) и электроплавильные печи (для производства высококачественных сталей).
Однако доменное производство сталкивается с серьезными экологическими вызовами. На каждую тонну произведенной стали приходится около 2 т выбросов CO2. Дополнительные проблемы создают пылевые выбросы и соединения серы, требующие установки сложных систем фильтрации. Энергоемкость процесса достигает 20 ГДж на тонну продукции, что делает его одним из самых ресурсоемких в металлургии.
Несмотря на эти недостатки, доменное производство пока сохраняет свои позиции, хотя постепенно уступает место более современным технологиям. Среди перспективных альтернатив — методы прямого восстановления железа с последующей переплавкой в электропечах, а также водородная металлургия, примером которой служит шведский проект HYBRIT. Тем не менее в обозримом будущем доменная печь останется важным звеном в цепочке производства стали, особенно при переработке железной руды.