Железо

<час />

Фон

Железо - один из самых распространенных элементов на Земле. Почти каждая конструкция человека содержит хоть немного железа. Это также один из старейших металлов, который впервые был превращен в полезные и декоративные предметы не менее 3500 лет назад.

Чистое железо - мягкий серовато-белый металл. Хотя железо является обычным элементом, чистое железо почти никогда не встречается в природе. Единственное чистое железо, которое существует в природе, происходит из упавших метеоритов. Больше всего железа содержится в минералах, образованных в результате соединения железа с другими элементами. Оксиды железа являются наиболее распространенными. Минералы у поверхности земли с самым высоким содержанием железа известны как железные руды и добываются в промышленных масштабах.

Железная руда превращается в различные типы железа с помощью нескольких процессов. Наиболее распространенный процесс - использование доменной печи для производства чушкового чугуна, который содержит примерно 92-94% железа и 3-5% углерода с меньшим количеством других элементов. Чугун имеет ограниченное применение, и большая часть этого чугуна поступает на сталелитейный завод, где он превращается в различные стальные сплавы путем дальнейшего снижения содержания углерода и добавления других элементов, таких как марганец и никель, для придания стали специфических свойств.

История

Историки считают, что египтяне были первыми людьми, которые работали с небольшим количеством железа около пяти или шести тысяч лет назад. Металл, который они использовали, по всей видимости, был извлечен из метеоритов. Свидетельства того, что считается первым примером добычи и выплавки железа, указывают на древнюю хеттскую культуру на территории современной Турции. Поскольку железо было гораздо лучшим материалом для изготовления оружия и инструментов, чем любой другой известный металл, его производство было строго охраняемым секретом. Однако основная техника была простой, и использование железа постепенно распространилось. Хотя железо было полезным по сравнению с другими материалами, оно имело недостатки. Качество инструментов, сделанных из него, сильно варьировалось в зависимости от региона, из которого была получена железная руда, и метода, используемого для извлечения железа. Химическая природа изменений, происходящих во время экстракции, не была изучена; в частности, важность углерода для твердости металла. Практики широко варьировались в разных частях мира. Например, есть свидетельства того, что китайцы умели плавить и лить чугунные орудия очень рано, и что японцы достигли удивительных результатов с использованием стали в небольших количествах, о чем свидетельствуют реликвии мечей, датируемых веками. Подобные прорывы были сделаны на Ближнем Востоке и в Индии, но эти процессы так и не затронули остальной мир. На протяжении веков у европейцев вообще отсутствовали методы нагрева железа до точки плавления. Чтобы получить железо, они медленно сжигали железную руду с деревом в облицованной глиной печи. Железо отделилось от окружающей породы, но так и не расплавилось. Вместо этого образовался твердый шлак, который удалили молотком. Этот повторяющийся процесс нагрева и удара смешивал кислород с оксидом железа с получением железа и удалял углерод из металла. В результате получилось почти чистое железо, которое легко обрабатывать молотками и щипцами, но оно было слишком мягким, чтобы удерживать лезвие. Поскольку металлу придавали форму или ковали с помощью молотка, его стали называть кованым железом.

Инструменты и оружие, привезенные в Европу с Востока, были сделаны из железа, которое плавили и отливали в форму. Чугун, содержащий больше углерода, тверже, чем кованое железо, и сохраняет остроту режущей кромки. Однако он также более хрупкий, чем кованое железо. Европейские металлурги знали, что у жителей Востока железо лучше, но не о процессах, связанных с изготовлением более прочных изделий из железа. Целые народы приложили усилия, чтобы обнаружить этот процесс.

Первый известный европейский прорыв в производстве чугуна, который быстро привел к созданию первой практической стали, произошел только в 1740 году. В том же году Бенджамин Хантсман получил патент на плавку материала для производства стальных пружин. используется в часовом деле. В течение следующих 20 лет эта процедура получила более широкое распространение. Охотник использовал доменную печь, чтобы плавить кованое железо в глиняном тигле. Затем он добавил к расплавленному металлу тщательно отмеренное количество чистого древесного угля. Полученный сплав был прочным и гибким при заливке в пружины. Поскольку Хантсман изначально был заинтересован только в создании более совершенных часов, его тигельная сталь напрямую привела к разработке морских хронометров, которые, в свою очередь, сделали возможной глобальную навигацию, позволив мореплавателям точно определять свое положение восток / запад. Тот факт, что он также изобрел современную металлургию, был побочным эффектом, который он, по-видимому, не заметил.

Сырье

Сырьем, используемым для производства передельного чугуна в доменной печи, является железная руда, кокс, агломерат и известняк. Железные руды в основном состоят из оксидов железа и включают магнетит, гематит, лимонит и многие другие породы. Содержание железа в этих рудах колеблется от 70% до 20% и менее. Кокс - это вещество, получаемое при нагревании угля до тех пор, пока он не станет почти чистым углеродом. Агломерат изготавливается из мелкодисперсной железной руды более низкого качества, которую обжигают с добавлением кокса и извести для удаления большого количества примесей из руды. Известняк встречается в природе и является источником карбоната кальция.

Другие металлы иногда смешивают с железом при производстве различных форм стали, таких как хром, никель, марганец, молибден и вольфрам.

Процесс добычи и переработки руды

Прежде чем железную руду можно будет использовать в доменной печи, ее необходимо извлечь из земли и частично очистить, чтобы удалить большую часть примесей.

Опираясь на свои длинные щипцы, этот молодой помощник железного лужа позировал для этой фотографии в начале 1860-х годов. когда Сыны Вулкана были молодым союзом. (Из собраний Музея Генри Форда и Гринфилд-Виллидж.)

Исторически железо производилось методом горячего дутья, а позже - в антрацитовой печи. В любом случае, основная деятельность по производству чугуна заключалась в том, чтобы рабочий перемешивал небольшие партии чугуна и шлака до тех пор, пока железо не отделилось от шлака. Эта работа, получившая название «лужа», была высококвалифицированной, но при этом была жаркой, утомительной и опасной. Это потребовало большого опыта и крепкого телосложения. Puddlers были гордыми, независимыми и высокооплачиваемыми.

Паддлерс основал первый профсоюз в черной металлургии, Сыны Вулкана, в Питтсбурге в 1858 году. В 1876 году этот союз объединился с тремя другими профсоюзными организациями и образовал Объединенную ассоциацию рабочих черной металлургии. Это был профсоюз, который Эндрю Карнеги победил в ходе Хоумстедской забастовки 1892 года, в результате чего профсоюз пришел в упадок, а промышленность была практически неорганизованной до 1930-х годов.

Уильям С. Претцер

Извлечение

• 1 Большая часть мировой железной руды добывается открытым способом, при котором Чистое железо - это мягкий серовато-белый металл. Хотя железо является обычным элементом, чистое железо почти никогда не встречается в природе. Минералы у поверхности земли с самым высоким содержанием железа известны как железные руды и добываются в промышленных масштабах. Поверхность земли удаляется тяжелыми машинами, часто на очень большой площади, чтобы обнажить руду. В тех случаях, когда удаление поверхности экономически нецелесообразно, в землю выкапывают шахты с боковыми туннелями, чтобы следовать за слоем руды.

Очистка

• 2 Добытая руда дробится и сортируется. Лучшие сорта руды содержат более 60% железа. Перед отправкой руды в доменную печь более мелкие сорта обрабатываются или рафинируются для удаления различных загрязняющих веществ. В совокупности эти методы рафинирования называются обогащением и включают дальнейшее дробление, промывку водой для удаления песка и глины, магнитную сепарацию, гранулирование и спекание. По мере того, как все больше известных в мире запасов руды с высоким содержанием железа истощаются, эти методы очистки становятся все более важными.
• 3 Затем очищенная руда загружается на поезда или корабли и транспортируется на доменную печь.

Производственный
процесс

Загрузка доменной печи

• 1 После обработки руда смешивается с другой рудой и поступает в доменную печь. Доменная печь представляет собой конструкцию в форме башни, сделанную из стали и облицованную огнеупорным или жаропрочным кирпичом. Смесь сырья или шихты поступает в верхнюю часть доменной печи. Внизу печи через сопла, называемые фурмами, вдувается очень горячий воздух. Кокс горит в присутствии горячего воздуха. Кислород воздуха реагирует с углеродом кокса с образованием монооксида углерода. Окись углерода затем вступает в реакцию с железной рудой с образованием диоксида углерода и чистого железа.

Отделение чугуна от шлака

• 2 Расплавленное железо опускается на дно печи. Известняк соединяется с горной породой и другими примесями в руде, образуя шлак, который легче железа и плавает сверху. По мере уменьшения объема загрузки в верхнюю часть печи постоянно добавляется больше. Чугун и шлак отводятся отдельно со дна печи. Расплавленное железо может пойти на дальнейший процесс легирования или может быть отлито в слитки, называемые чушками. Шлак уносится на утилизацию.

Очистка газов

• 3 Горячие газы, образующиеся в ходе химических реакций, отводятся вверху и направляются на газоочистную установку, где они очищаются или промываются и отправляются обратно в печь; оставшаяся окись углерода, в частности, полезна для химических реакций, протекающих в печи.

  Доменная печь обычно работает днем ​​и ночью в течение нескольких лет. Со временем кирпичная футеровка начинает крошиться, и печь отключают на техническое обслуживание.

Контроль качества

Работа доменной печи хорошо оснащена инструментами и постоянно контролируется. Время и температура проверяются и записываются. Проверяется химический состав железной руды, полученной из различных рудников, и руда смешивается с другой железной рудой для получения желаемой загрузки. Образцы берутся из каждой заливки и проверяются на химический состав и механические свойства, такие как прочность и твердость.

Побочные продукты / отходы

Металлургическая промышленность оказывает огромное влияние на окружающую среду. Первый и наиболее очевидный - это процесс открытой добычи. Огромные участки земли обнажены до скалы. Сегодня истощенные участки добычи полезных ископаемых обычно используются как свалки, а затем закрываются и благоустраиваются. Некоторые из этих свалок сами по себе становятся экологическими проблемами, поскольку в недавнем прошлом некоторые из них использовались для захоронения высокотоксичных веществ, которые выщелачивались в почву и воду.

В процессе извлечения железа из руды образуется большое количество ядовитых и едких газов. На практике эти газы очищаются и рециркулируются. Однако некоторое количество токсичных газов неизбежно попадает в атмосферу.

Побочным продуктом очистки железа является шлак, который производится в огромных количествах. Этот материал в значительной степени инертен, но его все равно следует утилизировать на свалках.

При производстве чугуна расходуется огромное количество угля. Уголь напрямую не используется, а сначала превращается в кокс, состоящий из почти чистого углерода. Многие побочные химические продукты коксования почти все токсичны, но они также коммерчески полезны. Эти продукты включают аммиак, который используется в большом количестве продуктов; фенол, который используется для изготовления пластмасс, смазочно-охлаждающих масел и антисептиков; крезолы, которые входят в состав гербицидов, пестицидов, фармацевтических препаратов и фотохимикатов; и толуол, входящий в состав многих сложных химических продуктов, таких как растворители и взрывчатые вещества.

Металлолом и стальной лом - в виде старых автомобилей, бытовой техники и даже целых зданий со стальными балками - также представляют собой проблему для окружающей среды. Однако большая часть этого материала перерабатывается, поскольку стальной лом является важным ресурсом в сталеплавильном производстве. Лом, который не перерабатывается, в конечном итоге превращается в оксид железа или ржавчину и возвращается в землю.

Будущее

На первый взгляд, будущее производства железа, особенно в Соединенных Штатах, кажется тревожным. Запасы высококачественной руды значительно истощились в районах, где ее можно рентабельно добывать. Многие давние сталелитейные заводы закрылись.

Однако эта внешность обманчива. Новые методы обогащения руды сделали использование руды с более низким содержанием более привлекательной, и запасы этой руды огромны. Многие сталелитейные заводы закрылись в последние десятилетия, но это в основном потому, что их нужно меньше. Заметно повысился КПД одних доменных печей. В начале этого века самая большая доменная печь в США производила 644 тонны чугуна в день. Считается, что в ближайшее время возможное производство одной печи достигнет 4000 тонн в сутки. Поскольку многие из этих более современных заводов были построены за границей, в некоторых случаях стало более экономичным доставлять сталь через океан, чем производить ее на старых заводах в США.