Еще за две тысячи лет до нашей эры люди научились получать железо из руды. В те далекие времена железо получали в небольших плавильных печах — горнах.
Первые горны были крайне примитивны и представляли собой ямы, вырытые в земле на склонах гор, откуда и пошло их название. В горн закладывали дрова и, когда они разгорались, насыпали руду, смешанную с древесным углем. Внизу ямы вырывали дополнительное отверстие, через которое проходил воздух. В таком горне, где воздух поступал только естественной тягой, невозможно было достичь температуры плавления железа. Вместо расплавленной массы в нем получали спекшиеся куски железа, засоренного шлаком и золой.
Много лет прошло, пока наши предки научились искусственно увеличивать приток воздуха в горн. Для этой цели они использовали шкуры животных, изготовляя из них мехи. Сохранился схематический рисунок, на котором изображено, как в древнем Египте производилась выплавка металла в горнах с приспособлением для поддувания воздуха. Однако такие приспособления лишь немного улучшали качество получаемого металла.
Значительно позднее, в начале XIII века, когда люди стали использовать энергию падающей воды для вращения механизмов, появились устройства, которые позволили усилить приток воздуха в плавильные печи и достигнуть в них температуры плавления железа. С тех пор стали строить печи — домницы — и получать расплавленный металл в более чистом виде.
В чем же заключается процесс выплавки металла, как получают чугун и какую роль играет кислород?
Чугун — это железо, которое содержит в небольших количествах углерод, кремний, марганец и другие примеси. Чугун получается в доменных печах из расплавленной железной руды, а из чугуна варят сталь.
Роль кислорода в доменном процессе чрезвычайно интересна и многообразна.
Основным сырьем для получения чугуна являются окислы железа, отличающиеся друг от друга процентным содержанием кислорода. Первый окисел, наиболее богатый кислородом, — окись железа (Fe2O3). Он содержит 30 процентов кислорода и 70 процентов железа. Второй — магнитная окись железа (Fe3O4) — имеет 27,6 процента кислорода и, наконец, третий — закись железа (FeO) — на 22,3 процента состоит из кислорода. Для того чтобы получить чугун, у этих окислов нужно отнять кислород — восстановить их.
Процесс восстановления окислов идет обычно при высокой температуре. Для получения высоких температур требуется кислород. Поэтому отнять кислород у окисленного железа можно только при участии газообразного кислорода. В этом и заключается своеобразие доменного процесса.
Для восстановления окислов железа можно использовать различные восстановители. В доменном процессе такими восстановителями служат окись углерода (СО) и водород (Н2), а также раскаленный твердый уголь (С).
Основным восстановителем в доменном процессе является окись углерода. Для получения окиси углерода нужен уголь. При горении уголь, с одной стороны, обеспечивает нужную температуру, а с другой — окисляясь до окиси углерода, становится главным восстановителем.