Методом сухой магнитной сепарации обогащаются в основном магнетитовые и титаномагнетитовые руды, а также руды редких металлов. Мокрая сепарация применяется для обогащения сильно- и слабомагнитных руд.
Полиградиентпые сепараторы, основанные на фильтрации пульпы через слой магнитных шаров, позволяют значительно увеличить напряженность магнитного поля, уменьшить относительную скорость движения частиц, а следовательно, уменьшить крупность обогащаемого материала.
Для мокрого магнитного обогащения тонкоизмельченных руд, например оловянных и редкометальных, создан ряд полиградиентных электромагнитных роторных сепараторов с ферромагнитными телами, имеющих среднюю магнитную индукцию в рабочей зоне 12 000– 15 000 Гс.
А что если на поле силы тяжести наложить еще и магнитное поле, направленное в ту же сторону, т. е. вниз? Тогда магнетит и другие минералы железа будут стремительно оседать, а более легкие и немагнитные кварц, глины, слюды, роговики можно вымыть потоком воды, направленным вверх.
Этот принцип реализован в изобретении П. И. Зеленова, П. А. Усачева и др. Цилиндрическая емкость обвита токопроводом в виде соленоида, а поток воды, направленный вверх со скоростью, обеспечивающей вынос частиц кварца, работает как гидравлический классификатор. «Бочки Зеленова» установлены на Оленегорской железорудной фабрике и работают как сгустители магнетитового концентрата и как обогатительные аппараты, обеспечивающие получение практически чистого, беспримесного магнетитового суперконцентрата. Содержание кварца в нем менее 0,2 %.
Такой концентрат пригоден для порошковой металлургии, которая состоит в спекании железистого порошка под давлением с одновременной формовкой деталей. Обработка металла по этому способу является безотходной, а благодаря высокой чистоте порошковое железо почти не ржавеет. Сделанные из такого железа днища кораблей, находясь в соленой воде, десятилетиями не подвергаются коррозии.
Черная металлургия
Генри Бессемер был механиком без образования. Он изобретал что придется: машинку для гашения марок, нарезную пушку, различные механические приспособления. На металлургическом заводе у Бессемера появилась мысль использовать для тяжелой «горячей» работы сжатый воздух. В 1856 г. он запатентовал способ производства стали продуванием воздуха через жидкий чугун, находящийся в конвертере — грушевидном сосуде из листового железа, выложенном изнутри кварцевым огнеупором.
Кислород воздуха окисляет железо в закись — FeO. Последняя растворяется в чугуне и окисляет углерод, кремний, марганец… Из окислов железа, марганца и кремния образуются шлаки. Процесс ведут до полного выгорания углерода.
На бессемеровском конвертере из чугуна не удалялись вредные примеси — сера и фосфор. От серы научились избавляться, добавляя в жидкую сталь богатый марганцем чугун или ферромарганец. С фосфором, который не удалялся в доменном процессе и не связывался марганцем, дело обстояло сложнее. Некоторые руды, такие, как лотарингская, отличающиеся высоким содержанием фосфора, оставались непригодными для производства стали. Выход был найден английским химиком С. Д. Томасом, который предложил связывать фосфор известью. Конвертер Томаса в отличие от бессемеровского был футерован обожженным доломитом, а не кремнеземом. В чугун во время продувки подавали известь. Образовывался известково-фосфоритный шлак, который легко отделялся от стали. Впоследствии этот шлак даже стали использовать как удобрение.
Революция в сталеплавильном производстве произошла в 1864 г., когда отец и сын Пьер и Эмиль Мартены использовали для получения стали регенеративную газовую печь. В ней благодаря подогреву газа и воздуха в камерах с огнеупорной насадкой достигалась такая температура, что сталь в ванне печи переходила в жидкое состояние. Ее можно было заливать в ковши и формы, изготовлять слитки и прокатывать их в рельсы, балки, строительные профили, листы. Кроме того, появилась возможность использовать громадные количества лома, скопившегося на металлургических и машиностроительных заводах.
Последнее обстоятельство сыграло очень важную роль в становлении нового процесса. В начале XX в. мартеновские печи почти полностью вытеснили бессемеровские и томасовские конвертеры, которые хотя и потребляли лом, но в малых количествах.
Температура в мартеновской печи достигает 1700–1800 °C, а в фокусе горения до 2000 °C. Более низкое качество конвертерной стали объясняется растворением в пей азота воздуха. Новую жизнь в конвертерный процесс вдохнуло кислородное дутье.
Опыты были впервые проведены в 1945 г. на московском заводе «Динамо». В 1956 г. на выплавку стали на чистом кислородном дутье перешел конвертерный цех металлургического завода имени Петровского. А в начале 1958 г. вступил в строй самый крупный цех такого типа на заводе «Криворожсталь».
Кислород подается через трубку, опущенную в металл сверху. В месте соприкосновения кислорода и металла температура поднимается до 3000 °C. При такой температуре плавятся самые тугоплавкие металлы.
Идеальным было бы такое ведение процесса, в котором не участвовали бы ни воздух, ни газы горения топлива. Только варьируя добавками, шлаками, примесями, можно сварить сталь точно заданного состава. И такой процесс существует. Это — электроплавка.
В печь загружают шихту. Включаются и опускаются графитовые электроды. В пламени электрических разрядов температура достигает 4000 °C. Шихта плавится, струйки металла стекают и накапливаются на подине. И вот электроды уже коснулись жидкого металла. Во время плавки сталевары добавляют в электропечь известь и другие флюсы, наводя первый шлак. В него начинает переходить из расплавленного металла фосфор. Затем они обеспечивают удаление из металла водорода, азота и неметаллических включений. И первый шлак удаляют. Для образования нового шлака в печь снова добавляют известь.
В результате всех манипуляций, длящихся около шести часов, получается сталь, какую нельзя получить никаким другим известным способом. Она содержит предельно малое количество фосфора и серы, очень немного неметаллических включений и точно заданные количества нужных добавок.
Русское железо
Почти два с половиной столетия назад по замыслу Петра I встал город Екатеринбург у Каменного Пояса, на границе Европы и Азии, чтобы помочь молодой державе строить военный и торговый флот, вооружить армию, выйти из зависимости от иноземных государств. Трудно назвать другой город, где с первых дней существования возникло бы такое обилие ремесел. Появилась армия умельцев: рудознатцев, кузнецов, углекопов, камнерезов, «плавильных» мастеров.
На севере Урала, за стеной леса — город Невьянск. Когда-то сюда приехал родоначальник фамилии Демидовых, «усовершитель и распространитель» заводов на Урале. Первый уральский чугун получен в Невьянске. Завод некоторое время преуспевал, но потом сжег вокруг себя все леса, остался без топлива и захирел. От старого завода осталась лишь знаменитая «падающая» башня, с которой связано много мрачных преданий.
Нижний Тагил Демидовы называли своей «северной столицей». Царская грамота, которую получил от Петра I предприимчивый тульский кузнец Никита Демидов, явилась ключом к сокровищам Уральского хребта. Почти двести лет владычествовала в «горном гнезде» эта династия. Ей принадлежало около миллиона десятин лучшей земли, 11 заводов, более 100 приисков, угольные копи, рудники, железные дороги.
Благодаря стараниям талантливых уральских мастеров Нижнетагильский завод быстро набирал силу. Через десять лет после основания он занял первое место в мире по производству чугуна. Великобритания и США охотно покупали железо, выплавленное из магнитной руды горы Высокой: оно отличалось чистотой, податливой мягкостью и гибкостью.
Думая о судьбе Тагила, Мамин-Сибиряк предполагал, что уже недалеко то время, когда этот завод «сделается русским Бирмингемом». Однако бешеная погоня заводчиков за прибылью, их нежелание сколько-нибудь совершенствовать производство постепенно привели промышленность города к полному застою. Известный русский металлург М. А. Павлов, совершивший в конце XIX в. поездку по уральским заводам, был поражен тем, что во всем Тагильском округе встретил лишь одного инженера. Это был его товарищ по институту В. Е. Грум-Гржимайло.