Experiment på att smälta järn från sumpmalm. Hur järn bryts

Tillverkningen av järn i Ryssland har varit känd sedan urminnes tider. Som ett resultat av arkeologiska utgrävningar i områdena intill Novgorod, Vladimir, Yaroslavl, Pskov, Smolensk, Ryazan, Murom, Tula, Kiev, Vyshgorod, Pereyaslavl, Vzhishch, såväl som i Ladogasjön och på andra platser , hundratals platser med rester av smältdeglar hittades , råa ugnar, de så kallade "varggroparna" och motsvarande verktyg för framställning av antik metallurgi. I en av varggroparna, utgrävd för järnsmältning, nära byn Podmokly i södra delen av Moskvas kolbassäng, hittades ett mynt daterat 189 av den muslimska eran, vilket motsvarar början av 800-talet av modern tid. kronologi. Det betyder att de i Ryssland visste hur man smälte järn i den avlägsna, djupt förkristna tiden.

Namnen på det ryska folket skriker bokstavligen till oss om förekomsten av metallurgi i det forntida Rysslands territorium: Kuznetsov, Kovalev, Koval, Kovalenko, Kovalchuk. När det gäller prevalens, kanske ryska "metallurgiska" efternamn konkurrerar även med den arketypiske engelsmannen John Smith (som faktiskt smed, det vill säga samma smed).

Men vägen för varje svärd eller kanonpipa började alltid mycket tidigare än den metallurgiska ugnen och dessutom smedjan. Vilken metall som helst är i första hand ett bränsle (kol eller koks för dess smältning), och i andra hand en råvara för dess produktion.

Här måste jag genast lägga vikt. Varför är bränsle första prioritet, medan själva järnmalmen så djärvt förpassas av mig till bakgrunden? Allt handlar om logistiken för att transportera malmen och bränslet som behövdes för att producera järn på medeltiden.

När allt kommer omkring var det viktigaste och mest högkvalitativa bränslet för smältning av medeltida, blomstrande järn, träkol.
Redan nu, i den moderna upplysta tidsåldern, är uppgiften att skaffa högkvalitativt träkol inte på något sätt så enkel som det verkar vid första anblicken.
Träkol av högsta kvalitet erhålls endast från ett mycket begränsat antal träslag - från alla ganska sällsynta och långsamt växande lövträslag (ek, avenbok, bok) och från arketypiska träslag. Rysk björk.
Redan från barrträd - tall eller gran visar sig träkol vara mycket ömtåligare och med ett stort utbyte av finkorn och koldamm, och att försöka få bra kol från mjukbladig asp eller al är nästan orealistiskt - utbytet av lämpliga faller nästan två gånger jämfört med ek.

I händelse av att det inte fanns tillräckligt med skogar i det territorium där järnavlagringar hittades, eller att skogarna i området förstördes av tidigare generationer av metallurger, måste olika ersättningsersättningar uppfinnas.
Till exempel, i Centralasien, trots de högkvalitativa järnmalmsfyndigheterna, var det tätt med skogen, varför det istället för träkol var nödvändigt att använda följande innovativa bränsle:

Om någon inte förstår - detta är kogödsel. Du kan häst, fårkött, get eller åsna - det spelar ingen speciell roll. Kizyak knådades med händerna till platta kakor (något sånt här) och lades sedan ut för att torka i solen.
Naturligtvis, i en sådan situation var det inte nödvändigt att prata om bränslets "konstans i sammansättningen" och flamtemperaturen från förbränningen av ett sådant "kompositbränsle" var mycket lägre än för högkvalitativt träkol .

En annan, mycket mer tekniskt avancerad ersättning för träkol dök upp i världen mycket senare. Det handlar förstås om koks som all modern järnmetallurgi nu bygger på.
Historien om "uppfinningen" av koks är bara tvåhundra år gammal. Det var trots allt koksugnsbatteriet där "kol brann ut" som var den industriella revolutionens första, mäktigaste salva. Det var hon, koksugnsbatteriet, och inte oljeriggen, som skapade den där "världen av kol och ånga" som vi nu älskar att minnas i böcker, filmer och animer om steampunk.

Långt före den industriella revolutionen utnyttjade England redan rika fyndigheter av stenkol, som dock nästan uteslutande användes för uppvärmning av hus. Smältningen av malm i England utfördes, liksom på många platser i världen, endast på träkol. Detta berodde på ett obehagligt faktum, karakteristiskt för de flesta kol - de innehålla i sin sammansättning avsevärda mängder fosfor och svavel, som äro mycket skadliga för det i ugnen erhållna järnet.

Men Storbritannien är en ö. Och slutligen de växande behoven av engelsk metallurgi, baserad på träkol, överträffade engelska skogars alla möjligheter. Engelska Robin Hoods hade ingenstans att gömma sig- En ökning av järnsmältningen har gjort att nästan alla skogarna i det dimmiga Albion är till intet. Detta blev så småningom en broms för järnproduktionen, allteftersom smältningen krävde en enorm mängd trä: för bearbetning av ett ton malm - nästan 40 kubikmeter träråvara.
I samband med den ökande produktionen av järn fanns ett hot om total förstörelse av skog. Landet tvingades importera metall från utlandet, främst från Ryssland och Sverige. Försök att använda fossilt kol för järnsmältning misslyckades länge, av ovan angivna skäl.
Det var inte förrän 1735 som uppfödaren Abraham Derby, efter många års erfarenhet, hittade ett sätt att smälta järn med hjälp av kokskol. Det var en seger. Men innan denna seger i början av 900-talet e.Kr. fanns det fortfarande mer än 900 år.

Så, bär ved (eller till och med färdigt träkol) för att stryka fungerar inte helt enkelt på grund av processens logistik - bränsle behövs i massan 4-5 gånger mer än massan av malm, och ännu mer i volym - minst tio gånger. Det är lättare att få järn till bränsle.

Det finns bränsle i det antika Ryssland, och i överflöd. Och hur är det med den ryska plattformen med järn?
Men med järn finns det frågor.
kvalitetsjärnmalm inte på den ryska slätten.

Jag fångar omedelbart skrik: "Vad sägs om Kursks magnetiska anomali? Den magnetiska järnmalmen av högsta kvalitet i världen!
Ja, en av de högsta kvaliteterna i världen. Öppnade 1931. Förekomstdjupet är från 200 till 600 meter. Uppgiften är uppenbarligen inte för de teknologier som stod till de gamla slavernas förfogande på 900-talet e.Kr. Allt ser vackert ut nu, men för den tiden är bilden av ett modernt järnmalmsbrott som en resa till Alpha Centauri för den moderna mänskligheten. I teorin är det möjligt, men i praktiken är det inte.

Som ett resultat, på 800-talet i Ryssland, är det nödvändigt att göra ett val från något som ingår i denna lista över alla järnmalmer som för närvarande används av mänskligheten:

Magnetisk järnmalm - mer än 70% Fe i formen magnetit Fe3O4 (exempel: Kursk magnetiska anomali som just beskrivits av oss)
- röd järnmalm - 55-60% Fe i formen hematit Fe2O3 (exempel: återigen Kursks magnetiska anomali eller Krivoy Rog-bassängen)
- brun järnmalm (limonit) - 35-55% Fe i formen blandningar av hydroxider Järnjärn Fe2O3-3H2O och Fe2O3-H2O (exempel: förstört av Ukrainas Kerch-fyndighet).
- spar järnmalm - upp till 40% Fe i formen karbonat FeCO3 (exempel: Bakal-deposition)

Magnetit och hematit ligger djupt på den ryska plattformen, det finns ingen fältspatjärnmalm på den alls.
Kvarstår brun järnmalm (limonit).
Råvaran, milt uttryckt, är värdelös - titta bara på koncentrationen av järn i det, men skämtet är att det är på det dåvarande Rysslands territorium nästan överallt. Dessutom visar sig detta "nästan överallt" mirakulöst vara i omedelbar närhet av den dåvarande källan till högkvalitativt kolbränsle - de mäktiga skogarna på den ryska slätten.

Det här handlar förstås om torvmossar och limonit, som ofta kallas träskjärn.
Förutom kärrjärn har en liknande genesis äng och sjöjärn. Men som du kommer att se senare var det mest lönsamt att gräva sådant järn i ett träsk.

För att förstå bredden av fördelningen av den faktiska utvinningen av denna lokala resurs i Ryssland räcker det, som i fallet med "metallurgiska efternamn", helt enkelt att öppna vilken geografisk karta som helst och titta på namnen på ryska, ukrainska, vitryska eller litauiska byar.
Och omedelbart kommer du att slås av ett stort antal toponymer med orden Guta, Buda, Ruda. Här är deras betydelser:

Guta: glasbruk
Malm: träskjärnsbrytning
Buda: utvinning av kaliumklorid från växtaska.

Du hittar sådana byar överallt - i ett brett bälte i Polesye träsk - från Brest till Sumy. Det fanns gott om källor till "myrmalm" i Ryssland. "Träskjärn" bildas i allmänhet nästan överallt där det sker en övergång från syrehaltiga jordar till ett anoxiskt lager (exakt i föreningspunkten mellan dessa två lager).
I träsk är denna gräns helt enkelt belägen, till skillnad från andra typer av terräng, mycket nära ytan, därför kan järnknölar grävas bokstavligen med en spade, och tar bara bort ett tunt lager av kärrvegetation.

Så här ser träskjärn opretentiöst ut (myrjärn) .
Men det var det som räddade Ryssland.

Myrjärnsavlagringar i sig är klassiska placerare.
Placers är vanligtvis mycket mindre fyndigheter än malmkroppar, deras totala volym överstiger sällan tiotusentals ton (medan malmfyndigheter kan innehålla miljoner och miljarder ton malm), men brytningen av placers är vanligtvis mycket lättare än att bryta en malmkropp.
Placeraren kan vanligtvis utvecklas nästan med bara händer och med minimal krossning av berget, eftersom placers vanligtvis förekommer i redan förstörda, sedimentära bergarter.
Detta är generellt sett en utbredd praxis: först bryts placers - sedan malmer.
Och - för alla metaller, mineraler eller föreningar.

Förresten, "träplåt" (som jag skrev om i serien om bronsålderskatastrofen) är också en placer.

Det kan dock inte sägas att brytningen av utläggare av sumpjärn var en enkel uppgift.

Träskjärn bröts på tre huvudsakliga sätt.

Den första var att man på sommaren öste bottenslam från flottar på sumpsjöar och på floder som rinner från träsk. Flotten hölls på ett ställe av en stolpe (en person) och en annan person drog lera från botten med en skopa. Fördelarna med denna metod är enkelhet och låg fysisk ansträngning för arbetare.
Nackdelarna är en stor mängd onödigt arbete, eftersom gråberg inte bara östes upp med sumpjärn, utan dessutom måste stora mängder vatten lyftas upp tillsammans med silt. Dessutom, med en skopa är det svårt att välja jorden till ett stort djup.

Det andra sättet. På vintern, på platser där kanalerna frös till botten, skars is först, och sedan skars även bottensedimentet med myrjärn. Fördelarna med denna metod: möjligheten att välja ett stort lager som innehåller myrjärn. Nackdelar: det är fysiskt svårt att hugga is och frusen mark. Gruvdrift är endast möjlig till djupet av frysning.

Den tredje metoden var den vanligaste. På stranden nära kanalerna eller kärrsjöarna monterades ett timmerhus, som för en brunn, bara stort, till exempel 4 gånger 4 meter. Sedan, inne i timmerhuset, började man gräva ut, först, det täckande lagret av gråberg, vilket gradvis fördjupade timmerhuset. Då valdes även berget innehållande myrjärn ut. Timmerrullar lades till allt eftersom timmerhuset fördjupades.
Ständigt strömmande vatten östes med jämna mellanrum ut. Det var givetvis möjligt att helt enkelt gräva utan att stärka väggarna med stockar, men i fallet med en mycket sannolik utgjutning av den eroderade jorden och arbetarna som somnade i gropen, skulle det knappast ha varit möjligt att rädda någon - människor skulle snabbt kvävas och drunkna. Fördelar med denna metod: möjligheten att välja hela lagret som innehåller myrjärn och lägre arbetskostnader jämfört med den andra metoden. Dessutom, redan innan gruvbrytningen började, var det möjligt att ungefärligt bestämma kvaliteten på de råvaror som bryts ("de lokala invånarna bedömer också malmens godhet efter vilken typ av träd som växer på den; alltså den man hittade under björk och asp anses vara bäst, eftersom järn är mjukare av det, och på platser där gran växer är det segare och starkare").
Nackdelar: du måste arbeta i vattnet hela tiden.

I allmänhet hade de gamla ryska gruvarbetarna det svårt. Nu gör så klart reenactors runt om i världen studiebesök och gräver till och med hål på torrare och mer lättillgängliga platser där du enkelt kan få tag i sumpmalm:

Barn till reenactors är glada. På 800-talet var allt, tror jag, annorlunda.

Men för att förstå situationen i Ryssland under 800-1100-talen måste man förstå skala av fisket som organiserades av våra förfäder på en så överväldigad resurs som träskläggare.

När allt kommer omkring, om processen att gräva slam i själva träsken inte lämnade några spår som kan spåras genom århundradena, så lämnade den efterföljande bearbetningen av kärrjärn spår i kulturlagret, och vad!

När allt kommer omkring, för osttillverkningsprocessen, som på den tiden användes i forntida rysk metallurgi och producerade slagg med hög järnhalt, var det nödvändigt väldigt rik järnmalm. Och limonit är, som vi minns, en fattig malm.
För att få ett bra koncentrat av limonit var det nödvändigt att föranrika de brutna malmerna, både kärr och äng. Därför berikade forntida ryska metallurger nödvändigtvis sumpjärnmalmer som gick till smältning.

Förädlingsverksamheten var ett mycket viktigt tekniskt villkor för framställning av järn i råugnar.
Senare studier, genom analys av historiska monument, avslöjade följande metoder för malmbehandling:

1) torkning (vittring, inom en månad);
2) eldning;
3) krossning;
4) tvättning;
5) screening.

Att erhålla högkoncentrerad malm kunde inte begränsas till endast en eller två operationer, utan krävde systematisk bearbetning med alla angivna metoder. En arkeologiskt välkänd operation är rostning av malm.
Som du förstår krävde eldning också högkvalitativt bränsle (träkol), och även i betydande mängder.

Under arkeologisk utforskning nära byn Lasuny vid Finska vikens kust upptäcktes en hög med bränd malm i en av groparna. För alla operationer av malmbehandling krävs mycket enkel utrustning: för krossning av malm - ett träblock och en murbruk, och för siktning och tvätt - en träsil (nät av stavar).
Nackdelen med att bränna sumpmalm i bränder och gropar var det ofullständiga avlägsnandet av vatten från den vid bränning av stora bitar och stora förluster vid förbränning av små bitar.

I modern produktion är anrikningen naturligtvis mycket enklare - finkrossad malm blandas med samma malda koks och matas in i en apparat som liknar en stor köttkvarn. Skruven matar blandningen av malm och koks på ett galler med hål som inte är större än 8 mm. När man pressar ut genom hålen kommer en sådan homogen blandning in i lågan, medan koksen brinner ut, smälter malmen, och dessutom bränns svavel ur malmen, vilket samtidigt avsvavlar råmaterialet.

När allt kommer omkring innehåller kärrjärn, som kol, skadliga föroreningar - svavel och fosfor. Det gick förstås att hitta råvaror som innehåller lite fosfor (nåja, relativt lite - i malmjärnet är det ändå alltid mindre än i träsket). Men att hitta träskjärn som innehåller lite av både fosfor och svavel var nästan omöjligt. Därför uppstod, förutom hela industrin för att bryta sumpjärn, en lika storskalig industri av dess anrikning.

För att förstå omfattningen av denna åtgärd kommer jag att ge ett exempel: under utgrävningar i Gamla Ryazan i 16 av 19 tätortsbostäder spår av "hem"-kokning av järn i grytor i en vanlig ugn hittades.
Den västeuropeiska resenären Yakov Reitenfels, som besökte Muscovy 1670, skrev att "Moskoviternas land är en levande källa av bröd och metall."

Så, på en kal plats, med ingenting under dem än fattiga skogsjordar med förkränkta björkar och torvmossar, fann plötsligt våra förfäder en "guldgruva" bokstavligen under deras fötter. Och även om det inte var en åder, utan en placer och inte guld, utan järn, förändrades inte situationen från detta.

Ett land som bara håller på att växa fram har fått sin plats i världen och en civilisationsväg som kommer att leda det till kanonerna i Balaklava, till T-Z4-stridsvagnen och till Topol-M ICBM.
Resurser. Jobb. Produktion. Vapen.

För att ha resurser - du kommer oundvikligen till vapen. Eller - någon annan kommer för dina resurser.
Järnåldern började i Ryssland.
Århundrade - eller snarare - millennieskiftet av ryska vapen.

Ett årtusende där svärdet kommer att resa sig – och falla igen, efter att ytterligare en fiende besegras och kastas bort från björkskogar och torvmossar.

Och fienderna lät inte vänta på sig.
Redan på 900-talet tog järnålderns kapprustning fart.

Järnteknik i antiken

För att få järn från malm måste du först få en blomning. Till detta användes först oxiderad järnmalm, som oftast förekommer nära ytan. Efter upptäckten av dess egenskaper tömdes sådana fyndigheter snabbt ut som ett resultat av deras intensiva utveckling.

Träskmalmer är mycket mer utbredda. De bildades under den subatlantiska perioden, när järnmalm, under försumpning, slog sig ner på botten av reservoarer. Under hela medeltiden använde järnmetallurgin sumpmalmer. De fick till och med tullar. Tillverkning av järn ur malm i relativt stor mängd blev möjlig efter ostsmedjans uppfinning. Detta namn uppstod efter uppfinningen av blästring med uppvärmd luft i masugnar. I gamla tider matade metallurger rå (kall) luft in i ugnen. Vid en temperatur av 900 o med hjälp av koldioxid, som tar bort syre från järnoxid, reduceras järn från malmen och en deg eller en formlös porös bit impregnerad med slagg erhålls - kritsa. För att genomföra denna process behövdes träkol som en källa till koldioxid. Kritzen smiddes sedan för att avlägsna slagg från den. Råblåsningsmetoden, ibland kallad järnsmältning, är oekonomisk, men förblev länge den enda och oförändrade metoden för att framställa järnmetall.

Till en början smältes järn i vanliga gropar stängda från ovan, senare började man bygga lerugnar. Krossad malm och kol laddades i ugnens arbetsutrymme i lager, allt detta sattes i brand och luft injicerades genom munstyckshålen med speciella (läder)bälgar. Sten sedimenterar till slagg vid en temperatur av 1300-1400 o , vid vilken ståljärn erhålls, innehållande från 0,3 till 1,2%. kol. När det svalnar blir det väldigt svårt. För att få gjutjärn - smältbart järn med en kolhalt på 1,5-5% - behövs en mer komplex härddesign med stort arbetsutrymme. Samtidigt visade sig smältpunkten för järn vara lägre, och det rann delvis ut ur härden tillsammans med slaggen. När den svalnade blev den skör, och först kastades den, men sedan lärde de sig att använda den. För att få formbart järn från gjutjärn måste kol tas bort från det.

Teknik för att skapa järnlegeringar

Den första anordningen för att få järn från malm var en ostmasugn för engångsbruk. Med ett stort antal brister var det under lång tid det enda sättet att få metall från malm.

Forntida människor levde rikt och lyckligt under lång tid - stenyxor tillverkades av jaspis, och malakit brändes för att få koppar, men alla goda saker tenderar att ta slut. En av anledningarna till kollapsen av den antika civilisationen i Medelhavet var utarmningen av mineraltillgångar. Guld tog slut inte i statskassan, men i tarmarna tog tenn slut även på Tennöarna. Även om koppar fortfarande bryts i Sinai och Cypern, var de fyndigheter som utvecklas nu inte tillgängliga för romarna. Bland annat har också den malm som lämpar sig för råvaruförädling tagit slut. Det blev alldeles för mycket bly.

Men barbarstammarna som bosatte Europa, som hade blivit ägarlösa, visste inte på länge att dess tarmar var utarmade av sina föregångare. Med tanke på den enorma nedgången i volymen av metallproduktion räckte de resurser som romarna föraktade länge. Senare började metallurgin återupplivas främst i Tyskland och Tjeckien - det vill säga dit romarna inte nådde med hackor och skottkärror.

Ett högre stadium i utvecklingen av järnmetallurgi representerades av permanenta höga ugnar som kallas shtukofen i Europa. Det var verkligen en hög ugn - med ett fyra meter långt rör för att förbättra dragkraften. Gizmo-bälgen pumpades av flera personer, och ibland av en vattenmotor. Shtukofen hade dörrar genom vilka kycklingen togs ut en gång om dagen.

Shtukofen uppfanns i Indien i början av det första årtusendet f.Kr. I början av vår tideräkning kom de till Kina, och på 700-talet, tillsammans med de "arabiska" siffrorna, lånade araberna denna teknik från Indien. I slutet av 1200-talet började shukofen dyka upp i Tyskland och Tjeckien (och även innan dess fanns de i södra Spanien) och spred sig över hela Europa under nästa århundrade.

Prestandan hos shukofen var ojämförligt högre än hos en ostmasugn - den producerade upp till 250 kg järn per dag, och smälttemperaturen i den visade sig vara tillräcklig för att uppkola en del av järnet till det gjutna tillståndet. järn. Men när ugnen stoppades, stelnade stuckaturgjutjärnet i botten och blandades med slagg, och då visste man hur man rena metallen från slagger endast genom att smida, men gjutjärn dukade inte under för det. Den fick slängas.

Ibland försökte man dock hitta någon användning för stuckaturgjutjärn. Till exempel göt de gamla indianerna kistor av smutsigt järn och turkarna i början av 1800-talet göt kanonkulor. Det är svårt att bedöma hur kistor, men kärnorna erhölls från det - så som så.

Kanonkulor göts av järnhaltig slagg i Europa redan i slutet av 1500-talet. Vägar gjordes av gjutna stenblock. Byggnader med fundament gjorda av gjutna slaggblock finns fortfarande bevarade i Nizhny Tagil.

Metallurger har länge lagt märke till sambandet mellan smältpunkten och utbytet av produkten - ju högre den var, desto större del av järnet som fanns i malmen kunde återvinnas. Därför kom de förr eller senare på idén att tvinga shtukofen genom att förvärma luften och öka höjden på röret. I mitten av 1400-talet dök en ny typ av ugn upp i Europa - blauofen, som omedelbart gav stålmakarna en obehaglig överraskning.

Den högre smälttemperaturen ökade avsevärt utbytet av järn från malmen, men den ökade också andelen järn som uppkolades till gjutjärnstillståndet. Nu är det inte längre 10%, som i shtukofen, men 30% av produktionen var gjutjärn - "tackjärn", inte lämpligt för någon verksamhet. Det gjorde att vinsten ofta inte betalade moderniseringen.

Blauofen gjutjärn, som stuckatur, stelnade i botten av ugnen, blandade med slagg. Han kom ut något bättre, eftersom han själv var större, därför kom det relativa innehållet av slagg ut mindre, men fortsatte att vara till liten nytta för gjutning. Gjutjärn erhållet från blauofen visade sig redan vara ganska starkt, men förblev fortfarande väldigt heterogent - bara enkla och grova föremål kom ut ur det - släggor, städ. Kanonkulor var redan väl ute.

Dessutom, om bara järn kunde erhållas i råmasugnar, som sedan uppkolades, så i shtukofen och blauofen, visade sig de yttre lagren av blomningen vara gjorda av stål. Det fanns ännu mer stål i blauofen kritz än järn. Å ena sidan verkade det bra, men nu visade det sig vara väldigt svårt att separera stål och järn. Kolhalten blev svår att kontrollera. Endast lång smide kunde uppnå enhetlig fördelning.

Vid en tidpunkt, inför dessa svårigheter, gick indianerna inte vidare, utan engagerade sig i en subtil förbättring av tekniken och kom att få damaststål. Men indianerna vid den tiden var inte intresserade av kvantiteten, utan av produktens kvalitet. Européer som experimenterade med gjutjärn upptäckte snart en omvandlingsprocess som lyfter järnmetallurgin till en kvalitativt ny nivå.

Nästa steg i utvecklingen av metallurgin var utseendet på masugnar. Genom att öka storleken, förvärma luften och mekanisk blästring i en sådan ugn förvandlades allt järn från malmen till tackjärn, som smältes och periodvis släpptes utanför. Produktionen blev kontinuerlig - ugnen fungerade dygnet runt och kyldes inte ner. Under dagen gav hon ut upp till ett och ett halvt ton gjutjärn. Det var mycket lättare att destillera gjutjärn till järn i ugnarna än att slå ut det ur sprickan, även om det fortfarande krävdes smide - men nu slogs redan slagg ut ur järn, och inte järn från slagg.

Masugnar användes först vid sekelskiftet XV-XVI i Europa. I Mellanöstern och Indien dök denna teknik upp först på 1800-talet (till stor del, förmodligen för att vattenmotorn inte användes på grund av den karakteristiska vattenbristen i Mellanöstern). Närvaron av masugnar i Europa gjorde det möjligt för den att passera Turkiet på 1500-talet, om inte när det gäller kvaliteten på metallen, så när det gäller axeln. Detta hade en otvivelaktig inverkan på utgången av kampen, särskilt när det visade sig att kanoner kunde gjutas av gjutjärn.

Från början av 1600-talet blev Sverige den europeiska smedjan som tillverkade hälften av järnet i Europa. I mitten av 1700-talet började dess roll i detta avseende snabbt minska på grund av en annan uppfinning - användningen av kol i metallurgi.

Först och främst måste det sägas att fram till 1700-talet, inklusive, användes kol praktiskt taget inte i metallurgi - på grund av det höga innehållet av föroreningar som var skadliga för produktens kvalitet, främst svavel. Sedan 1600-talet i England började dock kol användas i pölugnar för glödgning av gjutjärn, men detta gjorde det möjligt att uppnå endast en liten besparing på träkol - det mesta av bränslet gick åt till smältning, där det var omöjligt att utesluta kontakt mellan kol och malm.

Bland den tidens många metallurgiska yrken var kanske det svåraste yrket som pölare. Puddling var den huvudsakliga metoden för att få järn under nästan hela 1800-talet. Det var en mycket svår och mödosam process. Arbetet under honom gick till så här: Tackjärnsgöt lastades på den brinnande ugnens härd; de smältes ner. När kol och andra föroreningar brann ut ur metallen ökade metallens smältpunkt och kristaller av ganska rent järn började "frysa ut" från den flytande smältan. En klump klibbig degig massa samlades på botten av ugnen. Pölarbetarna började rulla blomningen med hjälp av en kofot av järn. De rörde om en metallmassa med en kofot och försökte samla en klump, eller kritsa, av järn runt kofoten. En sådan klump vägde upp till 50 - 80 kg eller mer. Kritsan drogs ut ur ugnen och matades omedelbart under hammaren - för smide för att ta bort slaggpartiklar och kompaktera metallen.

De lärde sig att eliminera svavel genom koksning i England 1735, varefter möjligheten att använda stora reserver av kol för järnsmältning. Men utanför England spreds denna teknik först under XIX-talet.

Förbrukningen av bränsle inom metallurgin var enorm redan vid den tiden – masugnen slukade en vagnlast med kol i timmen. Träkol har blivit en strategisk resurs. Det var överflöd av trä i själva Sverige och Finland, som tillhör det, som gjorde att svenskarna kunde utöka produktionen i en sådan omfattning. Britterna, som hade färre skogar (och även de var reserverade för flottans behov), tvingades köpa järn i Sverige tills de lärde sig att använda kol.

Elektriska och induktionsmetoder för järnsmältning

Mångfalden av stålsammansättningar gör deras smältning mycket svår. Faktum är att i en ugn med öppen spis och en omvandlare oxiderar atmosfären, och element som krom oxideras lätt och förvandlas till slagg, d.v.s. är försvunna. Det betyder att för att få stål med en kromhalt på 18 % måste mycket mer krom matas in i ugnen än 180 kg per ton stål. Krom är en dyr metall. Hur hittar man en väg ut ur denna situation?

En utväg hittades i början av 1900-talet. För metallsmältning föreslogs att använda värmen från en ljusbåge. Metallskrot laddades i en cirkulär ugn, gjutjärn hälldes och kol- eller grafitelektroder sänktes. Mellan dem och metallen i ugnen ("badet") uppstod en elektrisk ljusbåge med en temperatur på cirka 4000 ° C. Metallen smälte lätt och snabbt. Och i en sådan sluten elektrisk ugn kan du skapa vilken atmosfär som helst - oxiderande, reducerande eller helt neutral. Med andra ord kan värdefulla föremål förhindras från att brinna ut. Så skapades metallurgin av högkvalitativa stål.

Senare föreslogs en annan metod för elektrisk smältning - induktion. Från fysiken är det känt att om en metallledare placeras i en spole genom vilken en högfrekvent ström passerar, så induceras en ström i den och ledaren värms upp. Denna värme räcker för att smälta metallen under en viss tid. Induktionsugnen består av en degel med en spiral inbäddad i fodret. En högfrekvent ström passerar genom spiralen och metallen i degeln smälts. I en sådan ugn kan du också skapa vilken atmosfär som helst.

I ljusbågsugnar sker smältningsprocessen vanligtvis i flera steg. Först bränns onödiga föroreningar ut ur metallen och oxiderar dem (oxidationsperiod). Sedan avlägsnas (laddas ned) slagg som innehåller oxider av dessa element från ugnen och ferrolegeringar laddas - järnlegeringar med element som måste införas i metallen. Ugnen stängs och smältningen fortsätter utan lufttillgång (återhämtningstid). Som ett resultat är stålet mättat med de nödvändiga elementen i en given mängd. Den färdiga metallen släpps i en slev och hälls.

Kemiska reaktioner vid produktion av järn

I modern industri utvinns järn från järnmalm, främst från hematit (Fe 2 O 3) och magnetit (Fe 3 O 4).

Det finns olika sätt att utvinna järn ur malmer. Det vanligaste är domänprocessen.

Det första steget i produktionen är reduktion av järn med kol i en masugn vid en temperatur på 2000 °C. I en masugn matas kol i form av koks, järnmalm i form av sinter eller pellets och flussmedel (t.ex. kalksten) uppifrån och möts av en ström av forcerad varm luft underifrån.

I ugnen oxideras kokskolet till kolmonoxid (kolmonoxid) av atmosfäriskt syre:

2C + O2 → 2CO.

I sin tur återvinner kolmonoxid järn från malm:

3CO + Fe 2 O 3 → 2Fe + 3CO 2.

Flux tillsätts för att extrahera oönskade föroreningar från malmen, främst silikater som kvarts (kiseldioxid). Ett typiskt flussmedel innehåller kalksten (kalciumkarbonat) och dolomit (magnesiumkarbonat). Andra flussmedel används mot andra föroreningar.

Fluxverkan: kalciumkarbonat under inverkan av värme sönderdelas till kalciumoxid (snabbkalk):

CaCO 3 → CaO + CO 2.

Kalciumoxid kombineras med kiseldioxid för att bilda slagg:

CaO + SiO 2 → CaSiO 3.

Slagg, till skillnad från kiseldioxid, smälts i en ugn. Slaggen är lättare än järn och flyter på ytan och kan dräneras separat från metallen. Slaggen används sedan inom bygg och lantbruk. Det smälta järnet som erhålls i en masugn innehåller ganska mycket kol (gjutjärn). Förutom när gjutjärn används direkt, kräver det ytterligare bearbetning.

Överskott av kol och andra föroreningar (svavel, fosfor) avlägsnas från gjutjärn genom oxidation i öppen spis eller i omvandlare. Elektriska ugnar används också för att smälta legerat stål.

Förutom masugnsprocessen är processen med direkt produktion av järn vanlig. I detta fall blandas förkrossad malm med speciell lera för att bilda pellets. Pelletsen rostas och behandlas i en schaktugn med heta metanomvandlingsprodukter innehållande väte. Väte reducerar lätt järn, samtidigt som det inte finns någon förorening av järn med föroreningar som svavel och fosfor - vanliga föroreningar i kol. Järn erhålls i fast form och smälts sedan ner i elektriska ugnar.

Kemiskt rent järn erhålls genom elektrolys av lösningar av dess salter.

Järn och stål baserat på det används överallt i industrin och vardagen. Det är dock få som vet vad järn är gjort av, eller snarare, hur det bryts och omvandlas till en stållegering.

Populär missuppfattning

Till att börja med, låt oss definiera begreppen, eftersom människor ofta blir förvirrade och inte riktigt förstår alls. Detta är ett kemiskt grundämne och ett enkelt ämne som inte finns i sin rena form och som inte används. Men stål är en legering baserad på järn. Den är rik på olika kemiska element och innehåller också kol i sin sammansättning, vilket är nödvändigt för att ge styrka och hårdhet.

Därför är det inte helt korrekt att tala om vad järn är gjort av, eftersom det är ett kemiskt grundämne som finns i naturen. En person gör stål av det, som senare kan användas för att göra något: lager, bilkarosser, dörrar, etc. Det är omöjligt att lista alla föremål som är gjorda av det. Så nedan kommer vi inte att analysera vad järn är gjort av. Låt oss istället prata om omvandlingen av detta element till stål.

Brytning

Det finns många stenbrott i Ryssland och världen där järnmalm bryts. Det är enorma och tunga stenar som är ganska svåra att få ut ur stenbrottet, eftersom de är en del av en stor sten. Direkt i stenbrotten läggs sprängämnen i berget och sprängs upp, varefter enorma stenbitar sprids åt olika håll. Sedan samlas de upp, lastas på stora dumper (som BelAZ) och förs till en bearbetningsanläggning. Järn kommer att brytas från denna sten.

Ibland, om malmen är på ytan, är det inte nödvändigt att undergräva den alls. Det räcker att dela den i bitar på något annat sätt, lasta den på en dumper och ta bort den.

Produktion

Så nu förstår vi vad järn är gjort av. Berget är råvaran för dess utvinning. Den förs till en processanläggning, laddas i en masugn och värms upp till en temperatur på 1400-1500 grader. Denna temperatur måste bibehållas under en viss tid. Järnet som finns i berget smälter och antar flytande form. Sedan återstår det att hällas i speciella former. Den resulterande slaggen separeras och själva järnet är rent. Därefter matas agglomeratet in i bunkerskålarna, där det blåses med en luftström och kyls med vatten.

Det finns ett annat sätt att få järn: stenen krossas och matas till en speciell magnetisk separator. Eftersom järn har förmågan att magnetiseras stannar mineralerna kvar på separatorn och allt tvättas ur. Naturligtvis, för att förvandla järn till en metall och ge den en fast form, måste den legeras med en annan komponent - kol. Dess andel i kompositionen är mycket liten, men det är tack vare den som metallen blir höghållfast.

Det bör noteras att beroende på mängden kol som tillsätts till kompositionen kan stål erhållas på olika sätt. I synnerhet kan den vara mer eller mindre mjuk. Det finns till exempel specialstål, vid tillverkningen av vilket endast 0,75 % kol och mangan tillsätts järn.

Nu vet du vad järn är gjort av och hur det omvandlas till stål. Naturligtvis beskrivs metoderna väldigt ytligt, men de förmedlar essensen. Man måste komma ihåg att järn tillverkas av berg, från vilket stål sedan kan erhållas.

Tillverkare

Hittills finns det i olika länder stora fyndigheter av järnmalm, som är grunden för produktionen av världens stålreserver. I synnerhet Ryssland och Brasilien står för 18% av världen, Australien - 14%, Ukraina - 11%. De största exportörerna är Indien, Brasilien, Australien. Observera att metallpriserna ständigt förändras. År 2011 var kostnaden för ett ton metall således 180 US-dollar, och 2016 fastställdes priset till 35 US-dollar per ton.

Slutsats

Nu vet du vad järn består av (finns i och hur det produceras. Användningen av detta material är utbredd över hela världen, och dess betydelse kan inte överskattas, eftersom det används i industri- och hushållssektorer. Dessutom är ekonomin av vissa länder bygger på metalltillverkning och dess efterföljande export.

Vi undersökte vad legeringen består av. Järn i sin sammansättning blandas med kol, och en sådan blandning är grunden för tillverkning av de flesta kända metaller.

Känd för mänskligheten var av kosmiskt ursprung, eller, mer exakt, meteorisk. Som ett instrumentellt material började det användas cirka 4 tusen år f.Kr. Tekniken för metallsmältning dök upp flera gånger och gick förlorad som ett resultat av krig och oroligheter, men enligt historiker var hettiterna de första som behärskade smältning.

Det bör noteras att vi talar om järnlegeringar med en liten mängd föroreningar. Det blev möjligt att få kemiskt ren metall endast med tillkomsten av modern teknik. Den här artikeln kommer att berätta i detalj om funktionerna i metallproduktion genom direkt reduktion, blommande, svampigt, råjärn, varmt brikettjärn, vi kommer att beröra tillverkning av klor och rena ämnen.

Till att börja med är det värt att överväga metoden för att producera järn från järnmalm. Järn är ett mycket vanligt grundämne. När det gäller innehållet i jordskorpan hamnar metall på 4:e plats bland alla grundämnen och 2:a bland metaller. I litosfären finns vanligtvis järn i form av silikater. Dess högsta innehåll noteras i grundläggande och ultrabasiska bergarter.

Nästan alla bergsmalmer innehåller en del järn. Men endast de bergarter utvecklas där andelen av grundämnet är av industriell betydelse. Men även i detta fall är mängden mineraler som är lämpliga för gruvdrift mer än stor.

Först och främst detta järnmalm- röd (hematit), magnetisk (magnetit) och brun (limonit). Dessa är komplexa järnoxider med en grundämneshalt på 70–74 %. Brun järnmalm är vanligare i vittringsskorpor där den bildar så kallade "järnhattar" upp till flera hundra meter tjocka. Resten är huvudsakligen av sedimentärt ursprung.
Väldigt vanligt järnsulfid- pyrit eller svavelkis, men det anses inte vara järnmalm och används för att framställa svavelsyra.
Siderit- järnkarbonat, innehåller upp till 35%, det är en malm med ett genomsnittligt innehåll av grundämnet.
Marcasite- inkluderar upp till 46,6 %.
mispikel- förening med arsenik och svavel, innehåller upp till 34,3% järn.
Lellingit- innehåller endast 27,2% av grundämnet och anses vara dålig malm.

Mineralbergarter klassificeras enligt andelen järn på detta sätt:

rik- med en metallhalt på mer än 57 %, med en kiseldioxidhalt på mindre än 8–10 % och en inblandning av svavel och fosfor på mindre än 0,15 %. Sådana malmer anrikas inte, de skickas omedelbart till produktion;
medelhög malm innehåller minst 35 % av ämnet och behöver berikas;
fattig järnmalmer måste innehålla minst 26 % och anrikas även innan de skickas till verkstaden.

Den allmänna tekniska cykeln för produktion av järn i form av gjutjärn, stål och valsade produkter diskuteras i denna video:

Brytning

Det finns flera metoder för att utvinna malm. Använd den som tycker är mest kostnadseffektiv.

Öppen utvecklingsmetod eller karriär. Designad för ytlig förekomst av mineralberg. För gruvdrift grävs ett stenbrott upp till ett djup av 500 m och en bredd beroende på fyndighetens tjocklek. Järnmalmen utvinns från stenbrottet och transporteras med fordon som är konstruerade för att bära tunga laster. I regel bryts rik malm på detta sätt, så det finns ingen anledning att berika den.
Mina- när berget uppstår på 600–900 m djup borras gruvor. En sådan utveckling är mycket farligare, eftersom den är förknippad med explosivt underjordiskt arbete: de upptäckta lagren sprängs och sedan transporteras den uppsamlade malmen uppåt. Trots all dess fara anses denna metod vara mer effektiv.
Hydro gruvdrift- i detta fall borras brunnar till ett visst djup. Rör sänks ner i gruvan och vatten tillförs under mycket högt tryck. Vattenstrålen krossar berget och sedan lyfts järnmalmen upp till ytan. Hydroextraktion i borrhål är inte utbredd, eftersom det kräver höga kostnader.

Teknik för järnproduktion

Alla metaller och legeringar är uppdelade i icke-järn (som, etc.) och svart. De senare inkluderar gjutjärn och stål. Järnmetallurgi står för 95 % av alla metallurgiska processer.

Trots den otroliga variationen av stål som produceras finns det inte så många tillverkningstekniker. Dessutom är järn och stål inte precis 2 olika produkter, tackjärn är ett obligatoriskt försteg för att få stål.

Produktklassificering

Både gjutjärn och stål klassas som järnlegeringar, där kol fungerar som en legeringskomponent. Dess andel är liten, men det ger metallen en mycket hög hårdhet och viss sprödhet. Gjutjärn, eftersom det innehåller mer kol, är sprödare än stål. Den är mindre plastig, men har bättre värmekapacitet och motståndskraft mot inre tryck.

Tackjärn erhålls genom masugnssmältning. Det finns 3 typer:

grå eller gjuten- erhålls genom långsam kylning. Legeringen innehåller från 1,7 till 4,2 % kol. Grått gjutjärn är väl bearbetat av mekaniska verktyg, fyller formar perfekt, så det används för produktion av formade produkter;
Vit- eller raffinering, erhållen genom snabb kylning. Andelen kol är upp till 4,5 %. Kan innehålla ytterligare föroreningar, grafit, mangan. Vitt gjutjärn är hårt och sprött och används främst för ståltillverkning;
formbar- innehåller från 2 till 2,2 % kol. Den är gjord av vitt gjutjärn genom långvarig uppvärmning av gjutgods och långsam långvarig kylning.

Stål kan inte innehålla mer än 2% kol, det erhålls på tre huvudsakliga sätt. Men i vilket fall som helst handlar kärnan i ståltillverkning om att glödga oönskade föroreningar av kisel, mangan, svavel och så vidare. Dessutom, om legerat stål erhålls, introduceras ytterligare ingredienser under tillverkningsprocessen.

Efter syfte är stål indelat i 4 grupper:

konstruktion- används i form av valsade produkter utan värmebehandling. Detta är ett material för konstruktion av broar, ramar, tillverkning av vagnar och så vidare;
teknik- strukturell, tillhör kategorin kolstål, innehåller inte mer än 0,75% kol och högst 1,1% mangan. Används för att tillverka en mängd olika maskindelar;
instrumental- även kolhaltig, men med låg manganhalt - högst 0,4%. En mängd olika verktyg tillverkas av det, särskilt metallskärning;
specialstål- denna grupp omfattar alla legeringar med speciella egenskaper: värmebeständigt stål, rostfritt stål, syrabeständigt och så vidare.

förstadium

Även rik malm måste beredas före smältning av järn - befriad från gråberg.

Agglomerationsmetod– malmen krossas, mals och hälls tillsammans med koks på sintringsmaskinens band. Bandet passerar genom brännarna, där koksen antänds under påverkan av temperatur. I det här fallet sintras malmen och svavel och andra föroreningar brinner ut. Det resulterande agglomeratet matas in i bunkerskålarna, där det kyls med vatten och blåses med en luftström.
Magnetisk separationsmetod- malmen krossas och matas till magnetavskiljaren, eftersom järn har förmågan att magnetiseras, mineralerna stannar kvar i avskiljaren när de tvättas med vatten och gråberget sköljs ut. Sedan tillverkas pellets och varmt brikettjärn av det resulterande koncentratet. Den senare kan användas för framställning av stål, förbi steget för att erhålla gjutjärn.

Den här videon kommer att berätta i detalj om produktionen av järn:

Järnsmältning

Gjutjärn smälts ur malm i en masugn:

laddning förbereds - sinter, pellets, koks, kalksten, dolomit, etc. Sammansättningen beror på typen av gjutjärn;
laddningen laddas in i masugnen med hjälp av en hiss. Temperaturen i ugnen är 1600 C, varmluft tillförs underifrån;
vid denna temperatur börjar järnet smälta och koksen brinner. I detta fall reduceras järn: för det första erhålls kolmonoxid under förbränning av kol. Kolmonoxid reagerar med järnoxid för att producera ren metall och koldioxid;
flussmedel - kalksten, dolomit, läggs till blandningen för att överföra oönskade föroreningar till en form som är lättare att eliminera. Till exempel smälter inte kiseloxider vid så låg temperatur och det är omöjligt att separera dem från järn. Men när den interagerar med kalciumoxid, erhållen genom nedbrytning av kalksten, förvandlas kvarts till kalciumsilikat. Den senare smälter vid denna temperatur. Det är lättare än gjutjärn och förblir flytande på ytan. Det är ganska enkelt att separera det - slaggen släpps periodiskt ut genom tapphål;
flytande järn och slagg rinner in i skänkarna genom olika kanaler.

Det resulterande tackjärnet i skänkar transporteras till stålverkstaden eller till gjutmaskinen, där tackjärnsgöt erhålls.

stålsmältning

Omvandlingen av gjutjärn till stål görs på 3 sätt. Under smältningsprocessen bränns överskott av kol, oönskade föroreningar ut och de nödvändiga komponenterna tillsätts - vid tillagning av specialstål, till exempel.

Öppen härd är den mest populära produktionsmetoden, eftersom den ger högkvalitativt stål. Smält eller hårt järn med tillsats av malm eller skrot matas in i en öppen ugn och smälts. Temperaturen är cirka 2000 C, upprätthållen genom förbränning av gasformigt bränsle. Kärnan i processen är att bränna ut kol och andra föroreningar från järn. De nödvändiga tillsatserna, om vi talar om legerat stål, tillsätts i slutet av smältningen. Den färdiga produkten hälls i skänkar eller tackor i formar.

Syre-hölje-metoden - eller Bessemer. Har högre prestanda. Tekniken inkluderar att blåsa tryckluft genom gjutjärnets tjocklek med ett tryck på 26 kg/kvadrat. se Samtidigt brinner kol ut, och gjutjärn blir till stål. Reaktionen är exoterm, så att temperaturen stiger till 1600 C. För att förbättra produktens kvalitet blåses en blandning av luft med syre eller rent syre genom gjutjärnet.
Elektrosmältningsmetoden anses vara den mest effektiva. Oftast används det för att erhålla flerlegerade stål, eftersom smälttekniken i detta fall utesluter inträngning av onödiga föroreningar från luft eller gas. Den maximala temperaturen i järnproduktionsugnen nås - cirka 2200 C på grund av den elektriska ljusbågen.

Direkt ta emot

Sedan 1970 har metoden med direkt reduktion av järn också använts. Metoden gör det möjligt att kringgå det kostsamma steget att framställa gjutjärn i närvaro av koks. De första installationerna av detta slag skilde sig inte åt i produktivitet, men idag har metoden blivit ganska välkänd: det visade sig att naturgas kan användas som reduktionsmedel.

Råvaran för återvinning är pellets. De laddas i en schaktugn, värms upp och renas med en gasomvandlingsprodukt - kolmonoxid, ammoniak, men mest väte. Reaktionen sker vid en temperatur av 1000 C, medan väte reducerar järn från oxid.

Vi kommer att prata om tillverkare av traditionellt (inte klor, etc.) järn i världen nedan.

Anmärkningsvärda tillverkare

Den största andelen järnmalmsfyndigheter finns i Ryssland och Brasilien - 18%, Australien - 14% och Ukraina - 11%. De största exportörerna är Australien, Brasilien och Indien. Toppen av kostnaden för järn observerades 2011, när ett ton metall uppskattades till $180. År 2016 hade priset sjunkit till 35 dollar per ton.

De största järnproducenterna inkluderar följande företag:

Vale S. A. är ett brasilianskt gruvföretag, den största tillverkaren av järn och;
BHP Billiton är ett australiensiskt företag. Dess huvudsakliga inriktning är olje- och gasproduktion. Men samtidigt är det också den största leverantören av koppar och järn;
Rio Tinto Group är en australiensisk-brittisk koncern. Rio Tinto Group bryter och producerar guld, järn, diamanter och uran;
Fortescue Metals Group är ett annat australiskt gruv- och järnföretag;
I Ryssland är den största producenten Evrazholding, ett metallurgiskt och gruvföretag. Metallinvest och MMK är också kända på världsmarknaden;
Metinivest Holding LLC är ett ukrainskt gruv- och metallurgiskt företag.

Förekomsten av järn är hög, utvinningsmetoden är ganska enkel och smältning är i slutändan en ekonomiskt lönsam process. Tillsammans med de fysiska egenskaperna ger produktionen järn rollen som det huvudsakliga konstruktionsmaterialet.

Att göra järnklorid visas i den här videon:

Järn utgör över 5 % av jordskorpan. Malmer som hematit och magnetit används främst för att utvinna järn. Dessa malmer innehåller från 20 till 70 % järn. De viktigaste järnföroreningarna i dessa malmer är sand och aluminiumoxid (aluminiumoxid).

Jordens kärna

Baserat på indirekta data kan man dra slutsatsen att jordens kärna huvudsakligen är en legering av järn. Dess radie är cirka 3470 km, medan jordens radie är 6370 km. Jordens inre kärna verkar vara i fast tillstånd och har en radie på cirka 1200 km. Den är omgiven av en flytande yttre kärna. Det turbulenta flödet av vätska i denna del av kärnan skapar jordens magnetfält. Trycket inuti kärnan ligger i intervallet från 1,3 till 3,5 miljoner atmosfärer, och temperaturen ligger i intervallet

Även om det har fastställts att jordens kärna mestadels består av järn, är dess exakta sammansättning okänd. Det finns förslag på att från 8 till 10% av massan av jordens kärna faller på sådana element som nickel, svavel (i form av järnsulfid), syre (i form av järnoxid) och kisel (i form av järn). silicid).

Minst 12 länder i världen har bevisade reserver av järnmalm, som överstiger en miljard ton. Dessa länder inkluderar Australien, Kanada, USA, Sydafrika, Indien, Sovjetunionen och Frankrike. Världsnivån för stålproduktion når nu 700 miljoner ton. De största stålproducenterna är Sovjetunionen, USA och Japan, i vart och ett av dessa länder smälts mer än 100 miljoner ton stål om året. I Storbritannien är stålproduktionen 20 miljoner ton per år.

järnproduktion

Att få järn från järnmalm sker i två steg. Det börjar med beredningen av malmen - malning och uppvärmning. Malmen krossas i bitar med en diameter på högst 10 cm. Därefter kalcineras den krossade malmen för att avlägsna vatten och flyktiga föroreningar.

I det andra steget reduceras järnmalm till järn med hjälp av kolmonoxid i en masugn (Fig. 14.12). Återvinningen utförs vid temperaturer i storleksordningen 700°C:

För att öka utbytet av järn utförs denna process under förhållanden med överskott av koldioxid.

Kolmonoxid CO bildas i en masugn av koks och luft. Luften värms först upp till cirka 600 ° C och tvingas in i ugnen genom ett speciellt rör - en tuyere. Koks brinner i varm tryckluft och bildar koldioxid. Denna reaktion är exoterm och får temperaturen att stiga över 1700°C:

Koldioxiden stiger upp i ugnen och reagerar med mer koks och bildar kolmonoxid. Denna reaktion är endoterm:

Ris. 14.12. Masugn, 1 - järnmalm, kalksten, koks, 2 lastkoner (överst), 3 - toppgas, 4 - ugnsmurverk, 5 - järnoxidreduktionszon, 6 - slaggbildningszon, 7 - koksförbränningszon, 8 - injicering av uppvärmd luft genom munstycken, 9 - smält järn, 10 - smält slagg.

Järnet som bildas under reduktionen av malmen är förorenat med sand och aluminiumoxidföroreningar (se ovan). Kalksten läggs till ugnen för att ta bort dem. Vid temperaturer som finns i ugnen genomgår kalksten termisk nedbrytning med bildning av kalciumoxid och koldioxid:

Kalciumoxid kombineras med föroreningar och bildar slagg. Slaggen innehåller kalciumsilikat och kalciumaluminat:

Järn smälter vid 1540°C (se tabell 14.2). Det smälta järnet rinner tillsammans med den smälta slaggen ner till ugnens botten. Smält slagg flyter på ytan av smält järn. Periodiskt frigörs vart och ett av dessa lager från ugnen på lämplig nivå.

Masugnen är igång dygnet runt, kontinuerligt. Råvarorna för masugnsprocessen är järnmalm, koks och kalksten. De laddas hela tiden in i ugnen genom toppen. Järn frigörs från ugnen fyra gånger om dagen, med jämna mellanrum. Det strömmar ut ur ugnen i en eldig ström vid en temperatur på cirka 1500 ° C. Masugnar finns i olika storlekar och kapaciteter (1000-3000 ton per dag). I USA finns några nydesignade ugnar med

fyra utlopp och kontinuerlig utsläpp av smält järn. Sådana ugnar har en kapacitet på upp till 10 000 ton per dag.

Järn som smälts i en masugn hälls i sandformar. Sådant järn kallas gjutjärn. Järnhalten i gjutjärn är ca 95%. Gjutjärn är ett hårt men sprött ämne med en smältpunkt på cirka 1200°C.

Gjutjärn erhålls genom att smälta en blandning av gjutjärn, metallskrot och stål med koks. Smält järn hälls i formar och kyls.

Smide är den renaste formen av tekniskt järn. Det erhålls genom att värma upp råjärn med hematit och kalksten i ett smältverk. Detta höjer järnets renhet till cirka 99,5 %. Dess smältpunkt stiger till 1400°C. Smidesjärn har stor styrka, formbarhet och formbarhet. Men för många applikationer ersätts det av mjukt stål (se nedan).

Stålproduktion

Stål delas in i två typer. Kolstål innehåller upp till 1,5 % kol. Legerade stål innehåller inte bara små mängder kol, utan även speciellt införda föroreningar (tillsatser) av andra metaller. Följande beskriver de olika typerna av stål, deras egenskaper och tillämpningar.

Syre-omvandlarprocess. Under de senaste decennierna har stålproduktionen revolutionerats genom utvecklingen av BOF-processen (även känd som Linz-Donawitz-processen). Denna process började användas 1953 vid stålverk i två österrikiska metallurgiska centra - Linz och Donawitz.

BOF-processen använder en BOF med en huvudbeklädnad (murverk) (Fig. 14.13). Omvandlaren laddas i ett lutande läge

Ris. 14.13. Omvandlare för ståltillverkning, 1 - syrgas och 2 - vattenkylt rör för syrgasbläster, 3 - slagg. 4-axlig, 5-smält stål, 6-stål kropp.

smält järn från smältugnen och metallskrot, för att sedan återgå till vertikalt läge. Därefter införs ett vattenkylt kopparrör i omvandlaren ovanifrån, och en syrestråle med en blandning av pulveriserad kalk riktas genom den till ytan av det smälta järnet. Denna "syrerensning", som varar i 20 minuter, leder till intensiv oxidation av järnföroreningar, medan innehållet i omvandlaren förblir i flytande tillstånd på grund av frigörandet av energi under oxidationsreaktionen. De resulterande oxiderna kombineras med kalk och förvandlas till slagg. Därefter dras kopparröret ut och omvandlaren lutas för att dränera slaggen från den. Efter återspolning hälls det smälta stålet från omvandlaren (i lutande läge) i skänken.

BOF-processen används främst för att producera kolstål. Det kännetecknas av bra prestanda. På 40-45 minuter kan 300-350 ton stål fås i en omvandlare.

För närvarande produceras allt stål i Storbritannien och det mesta av stålet över hela världen genom denna process.

Elektrisk ståltillverkningsprocess. Elektriska ugnar används främst för att omvandla stål och järnskrot till högkvalitativa legerade stål såsom rostfritt stål. Den elektriska ugnen är en rund djup tank fodrad med eldfast tegel. Ugnen laddas med metallskrot genom det öppna locket, sedan stängs locket och elektroderna sänks ner i ugnen genom hålen i den tills de kommer i kontakt med metallskrotet. Slå sedan på strömmen. En ljusbåge uppstår mellan elektroderna, i vilken en temperatur över 3000 "C utvecklas. Vid denna temperatur smälter metallen och nytt stål bildas. Varje ugnsbelastning gör det möjligt att få 25-50 ton stål.