Железо: свойства, история и повседневные применения

---

Общие сведения

Железо — один из наиболее распространенных элементов на Земле. Почти каждое человеческое сооружение содержит хотя бы следы железа. Один из древнейших металлов, впервые выкованный в полезные и декоративные предметы не менее 3500 лет назад.

Чистое железо — мягкий, серо-белый металл. Хотя железо часто встречается в природе, в чистом виде оно практически не встречается. Единственное известное натуральное чистое железо — из упавших метеоритов. Большинство железа содержится в минералах, образованных соединением с другими элементами. Железные оксиды — самые распространенные. Минералы у поверхности с наивысшим содержанием железа называются железными рудами и добываются коммерчески.

Железную руду превращают в разные виды железа несколькими процессами. Самый распространенный — доменная печь для получения чугуна: 92–94% железа, 3–5% углерода и малые примеси. Чугун имеет ограниченное применение, большинство уходит на сталелитейные заводы, где дальше уменьшают углерод и легируют марганцем, никелем и др. для придания стали специфических свойств.

История

Источники считают, что египтяне первыми обработали небольшие количества железа 5–6 тысяч лет назад. Металл, вероятно, извлекали из метеоритов. Доказательства первого горного дела и выплавки указывают на древнюю хеттскую культуру на территории современной Турции. Поскольку железо далеко превосходило другие металлы для оружия и инструментов, производство держали в строжайшем секрете. Но базовая техника была простой, и использование железа постепенно распространилось. Несмотря на преимущества, качество инструментов сильно варьировало в зависимости от региона добычи руды и метода экстракции. Химическая природа изменений при выплавке не понималась; в частности, роль углерода в твердости металла. Практики сильно отличались в разных частях мира. Есть доказательства, что китайцы рано освоили литье железных изделий, а японцы добивались удивительных результатов со сталью в малых объемах — наследственные мечи веков. Подобные прорывы были на Ближнем Востоке и в Индии, но процессы не вышли в мир. Веками европейцы не имели методов нагрева железа до плавления. Для получения железа медленно сжигали руду с дровами в глиняной печи. Железо отделялось от породы, но не плавилось. Образулась корчага шлака, удаляемая молотом. Повторный нагрев и ковка смешивали кислород с оксидом железа, давая железо и удаляя углерод. Результат — почти чистое железо, легко коваемое, но слишком мягкое для хорошего режущего края. Поскольку металл формовался (кован) молотом, его назвали кованым железом.

Инструменты и оружие, привезенные на Восток, были из железа, расплавленного и отлитого в форму. Сохраняя больше углерода, чугун тверже кованого железа и держит режущий край. Но он также более хрупок. Европейские кузнецы знали, что у восточников лучшее железо, но не знали процессов. Целые нации запускали программы по раскрытию технологии.

Первый известный европейский прорыв в производстве чугуна, быстрый привел к первой практической стали, пришёлся на 1740 г. Бенджамин Хантсман запатентовал плавку материала для стальных пружин часов. В следующие ~20 лет процедура широко распространилась. Хантсман плавил кованое железо в доменной печи в глиняной тигле. Добавлял точно отмеренные количества чистого угля в расплав. Полученный сплав был одновременно сильным и гибким при литье в пружины. Поскольку Хантсман интересовался только лучшими часами, его тиглейная сталь прямо привела к развитию морских хронометров, сделавших возможной глобальную навигацию за счет точного определения долготы. То, что он изобрел современную металлургию, стало побочным эффектом, который он, видимо, не заметил.

Сырье

Для получения чугуна в доменной печи используют: железную руду, кокс, синтер, известняк. Железные руды — в основном оксиды: магнетит, гематит, лимонит и многие другие горные породы. Железо в них 70% до 20% и ниже. Кокс — вещество из угля, обожженного до почти чистого углерода. Синтер — из низкокачественной мелкодисперсной руды, обожженной с коксом и известью для удаления примесей. Известняк — природный кальций карбонат.

Другие металлы иногда легируют с железом для различных сталей: хром, никель, марганец, молибден, вольфрам.

Процесс добычи и первичной переработки руды

Перед доменной печью руду извлекают из недр и частично обогащают для удаления большинства примесей.

Опираясь на длинные клещи, этот молодой помощник пуддлера позовал для фотографии в начале 1860-х, когда Сыны Вулкана были юным союзом. (Из коллекций Музея Генри Форда и Гринфилд Виледж.)

Исторически железо производили горячим дутом, позже — в антрацитовой печи. В любом случае фундаментальная активность включала рабочего, помешивающего небольшие партии чугуна и шлака до разделения железа от шлака. Называлось «пуддлинг» — высококвалифицированный, но жаркий, тяжелый и опасный труд. Требовал опыта и крепкого здоровья. Пуддлеры были гордыми, независимыми и высокооплачиваемыми.

Пуддлеры основали первый профсоюз в железа и стали — Сынов Вулкана — в Питтсбурге 1858 г. В 1876 г. он слился с тремя другими организациями в Амальгамированную ассоциацию рабочих железа и стали. Этот союз Эндрю Карнеги разгромил в Хомстедской стачке 1892 г., оставив его в руинах и отрасль практически неорганизованной до 1930-х.

Уильям С. Претцер

Добыча

• 1. Большая часть мировой железной руды добывают открытым способом: тяжелая техника снимает верховье, часто на огромных площадях, exponируя руду. Когда открытая добыча неэкономична, закапывают шахты с боковыми работами по пласту руды.

Обогащение

• 2. Добытую руду дробят и сортируют. Лучшие сорта содержат >60% железа. Низкие сорта обогащают для удаления загрязнителей перед отправкой в доменную печь. Коллективно эти методы называются обогащением: дополнительное дробление, промывка водой для удаления песка и глины, магнитное разделение, пеллетизация, агломерация. По мере истощения высококачественных руд эти техники становятся все важнее.
• 3. Обогащенную руду погружают на поезда или суда и доставляют к доменной печи.

Производственный процесс

Зарядка доменной печи

• 1. После подготовки руду смешивают с другой рудой и отправляют в доменную печь. Печь — башенная стальная конструкция, облицовка огнеупорными кирпичами. Заряд (сырец) загружают сверху. Внизу очень горячий воздух дуют через духовые сопла (tuyeres). Кокс горит в горячем воздухе. Кислород воздуха реагирует с углеродом кокса, образуя CO. CO затем реагирует с железной рудой, давая CO2 и чистое железо.

Разделение железа от шлака

• 2. Расплавленное железо оседает на дно. Известняк реагирует с породой и примесями руды, образуя шлак, легче железа, плавающий сверху. По мере уменьшения объема заряда сверху непрерывно дозагружают новое. Железо и шлак сливают отдельно снизу. Железо может пойти на дальнейшую легировку или отлиться в чугунные слитки (поросята). Шлак увозят на утилизацию.

Очистка газов

• 3. Горячие газы химических реакций отводят сверху в газоочистную установку, где их очищают (срубберы) и возвращают в печь; остаточный CO особенно полезен для реакций внутри печи.

  Доменная печь обычно работает круглосуточно годами. В конечном счете огнеупорная облицовка начинает крошиться, и печь останавливают на ремонт.

Контроль качества

Работа доменной печи высоко приборная и мониторится непрерывно. Время и температуры фиксируют. Химический состав руд с разных месторождений проверяют, руду смешивают для целевого заряда. С каждой разливки берут пробы на химизм и механические свойства — прочность, твердость.

Побочные продукты и отходы

Железная промышленность имеет множество экологических эффектов. Первый и очевидный — открытая добыча: огромные территории оголяют до голой породы. Истощенные карьеры часто используют как полигоны, затем засыпают и рекультивируют. Некоторые полигоны сами становятся экологической проблемой, так как в недавнем прошлом утилизировали там высокотоксичные вещества, просачивавшиеся в почву и воду.

Экстракция железа из руды дает огромные объемы ядовитых и коррозионных газов. На практике их срубберат и рециклируют. Неизбежно, однако, малые количества токсичных газов выбрасываются в атмосферу.

Побочный продукт очистки железа — шлак, образуется в гигантских объемах. Материал в основном инертен, но все равно требует утилизации на полигонах.

Железодело потребляет гигантские объемы угля. Уголь не используют напрямую, а сначала превращают в кокс — почти чистый углерод. Множество химических побочных продуктов коксования почти все токсичны, но коммерчески полезны: аммиак (широкое применение), фенол (пластики, масла, антисептики), крезолы (гербициды, пестициды, фарма, фотокимика), толуол (компонент сложных химикатов — растворители, взрывчатка).

Металлолом — старые авто, приборы, целые стальные здания — тоже экологическая проблема. Большинство перерабатывают, так как стальной лом — критичный ресурс в сталеварении. Нерециклированный лом со временем окисляется в ржавчину и возвращается в землю.

Будущее

На поверхности будущее железопроизводства — особенно в США — выглядит тревожно. Запасы качественной руды сильно истощены в экономично извлекаемых зонах. Много старых сталелитейных заводов закрылось.

Однако эти впечатления обманчивы. Новые технологии обогащения сделали низкокачественную руду гораздо более привлекательной, и ее запасы огромны. Многие сталеплавильни закрылись за последние десятилетия, но в основном потому, что нужно меньше заводов. Эффективность доменных печей невероятно выросла. В начале века крупнейшая печь в США давала 644 тонны чугуна в сутки. Верят, что скоро возможная производительность одной печи достигнет 4000 тонн/сутки. Поскольку многие современные заводы построены за рубежом, в некоторых случаях вывезти сталь через океан выгоднее, чем производить на старых американских заводах.