Металлургия – область науки и техники, отрасль промышленности, включающая процессы получения металлов и сплавов из руд и их дальнейшую обработку.

Металлургия делится на чёрную и цветную. Возникновение металлургии относится к глубокой древности. Обнаружены следы выплавки меди в 7–6 тысячелетии до н э. В 3-м тысячелетии до н. э. научились выплавлять бронзу. Примерно в середине 2-го тысячелетия до н. э. человек начинает овладевать искусством получения железа из руд. Сначала – костры, затем – плавильные ямы, сыродутные горны.

Как указывалось выше, чугуном называют сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14 % С, т. е. сплавы, в структуре которых присутствует эвтектика – ледебурит. Современная печь для выплавки чугуна представлена на рис. 39. Исходным материалом для доменного производства служат руда, флюсы, топливо и воздух. Пригодность железной руды для доменной плавки зависит от содержания железа, состава пустой породы и концентрации вредных примесей (сера, фосфор и др.).

Рис. 39. Профиль и разрез современной доменной печи: 1 – чугунная лётка; 2 – горн; 3 – заплечики; 4 – распар; 5 – шахта; 6 – колошник; 7 – за-сыпной аппарат; 8 – горизонт образования шлака; 9 – горизонт образования чугуна; 10 – зона горения кокса; 11 – слой шлака; 12 – шлаковая лётка; 13 – жидкий чугун

Используют, главным образом, магнитный железняк или магнетит, содержащий 45–70 % Fe в виде Fe₃O₄; красный железняк или гематит, содержащий 50–60 % Fe в виде Fe₂O₃; бурый железняк Fe₂O₃•3H₂O, содержащий около 30 % Fe и шпатовый железняк (сидерит), содержащий 30–40 % Fe в виде карбоната FeCО₃. Перед плавкой руды проходят операции дробления, сортировки, обогащения, обжига и спекания.

Доменные флюсы – это материалы, вводимые в доменную печь для снижения температуры плавления пустой породы и ошлакования золы топлива. В качестве флюсов применяют известняк CaCО₃ или (реже) доломит CaCО₃•MgCO₃. Топливом служит кокс, являющийся продуктом сухой перегонки без доступа воздуха некоторых сортов каменных углей (коксующиеся угли).

Доменная печь является вертикальной печью шахтного типа высотой до 80 м и объёмом рабочего пространства до 5 600 м³. Как все шахтные печи, домна работает по принципу противотока. Сверху сходят шихтовые материалы, а снизу движутся газы, образующиеся в процессе горения топлива. В шахте происходят процессы восстановления оксидов железа и начинается его науглероживание. В нижней части скапливаются жидкие чугун
и шлак, периодически выпускаемые через специальные отверстия – лётки.

Доменная печь оснащена несколькими воздухонагревателями (кауперами). Обычно 3-4 каупера. Подогрев дутья существенно интенсифицирует доменный процесс. Все основные процессы механизированы и автоматизированы.

Максимальная температура в домне, достигающая 1 900–2 100 ^oС на уровне фурм, через которые вдувают подогретый воздух, снижается до 1 450 ^oС в горне. На уровне фурм происходит сгорание кокса с выделением тепла Q ₁:

C + O₂ = CO₂ + Q₁.

Образующийся углекислый газ реагирует с твёрдым углеродом кокса и восстанавливается до оксида углерода с поглощением тепла:

CO₂ + C = 2CO ? Q₂.

Оксид углерода восстанавливает спускающиеся оксиды железа в руде, превращаясь в углекислый газ:

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂ + Q₃;

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂ – Q₄;

FeO + CO = Fe + CO₂ + Q₅.

После завершения процесса восстановления при температуре 1 300–1 400 ^oС железо находится в твёрдом состоянии в виде пористой массы. Взаимодействуя с оксидом углерода или непосредственно с углеродом, железо образует карбид железа Fe₃C (цементит):

3Fe + 2CO = Fe₃С + CO₂;

3Fe + C = Fe₃C.

Цементит хорошо растворяется в железе и постепенно науглероживает его до чугуна, снижая температуру плавления и обеспечивая стекание чугуна в горн. Одновременно с восстановлением и науглероживанием железа происходит восстановление оксидов кремния, марганца, фосфора и других элементов и растворение их в металле. Чугун выпускают из печи через чугунные лётки 4–6 раз в сутки в специальные ковши, направляемые на разливочную машину, либо сливают в обогреваемые копильники-миксеры для последующего использования при переделе в сталь.