Kuidas sulatada maagist rauda. Kuidas kaevandatakse rauamaaki ja sulatatakse terast. Nööpnõelast lennukini

Inimesed hakkasid rauamaaki kaevandama palju sajandeid tagasi. Juba siis ilmnesid raua kasutamise eelised.

Rauda sisaldavate mineraalsete moodustiste leidmine on üsna lihtne, kuna see element moodustab umbes viis protsenti maakoorest. Üldiselt on raud looduses kõige levinumalt neljas element.

Seda on võimatu leida puhtal kujul, seda leidub teatud kogustes paljudes kivimites. Suurima rauasisaldusega on rauamaak, millest metalli kaevandamine on majanduslikult kõige tulusam. Selles sisalduva raua kogus sõltub selle päritolust, mille normaalne osakaal on umbes 15%.

Keemiline koostis

Rauamaagi omadused, väärtus ja omadused sõltuvad otseselt selle keemilisest koostisest. Rauamaak võib sisaldada erinevas koguses rauda ja muid lisandeid. Sõltuvalt sellest on mitut tüüpi:

• väga rikas, kui rauasisaldus maakides ületab 65%;
• rikas, milles raua protsent varieerub 60% kuni 65%;
• keskmine, alates 45% ja üle selle;
• halb, milles kasulike elementide protsent ei ületa 45%.

Mida rohkem on rauamaagis kõrvalsaadusi, seda rohkem kulub selle töötlemiseks energiat ja seda vähem tõhus on valmistoodete tootmine.

Kivimi koostis võib olla kombinatsioon erinevatest mineraalidest, jääkkivimitest ja muudest kõrvalsaadustest, mille suhe sõltub selle ladestusest.

Magnetmaagid eristuvad selle poolest, et need põhinevad oksiidil, millel on magnetilised omadused, kuid tugeval kuumutamisel lähevad need kaduma. Seda tüüpi kivimite hulk looduses on piiratud, kuid rauasisaldus selles võib olla sama suur kui punane rauamaak. Väliselt näeb see välja nagu tahked must-sinised kristallid.

Sparrauamaak on sideriidil põhinev maagikivim. Väga sageli sisaldab see märkimisväärses koguses savi. Seda tüüpi kivimit on looduses suhteliselt raske leida, mistõttu kasutatakse seda vähese rauasisalduse tõttu harva. Seetõttu on võimatu neid tööstuslikeks maakide tüüpideks liigitada.

Looduses leidub peale oksiidide ka teisi silikaatidel ja karbonaatidel põhinevaid maake. Rauasisaldus kivimis on selle tööstuslikuks kasutamiseks väga oluline, kuid oluline on ka kasulike kõrvalelementide, nagu nikkel, magneesium ja molübdeen, olemasolu.

Rakendused

Rauamaagi kasutusala piirdub peaaegu täielikult metallurgiaga. Seda kasutatakse peamiselt malmi sulatamiseks, mida kaevandatakse lahtise kolde- või konverterahjude abil. Tänapäeval kasutatakse malmi erinevates inimtegevuse valdkondades, sealhulgas enamikus tööstusliku tootmise liikides.

Vähem ei kasutata ka erinevaid rauapõhiseid sulameid – terast kasutatakse enim oma tugevuse ja korrosioonivastaste omaduste tõttu.

Malmi, terast ja mitmesuguseid muid rauasulameid kasutatakse:

1. Masinaehitus, erinevate masinate ja seadmete tootmiseks.
2. Autotööstus, mootorite, korpuste, raamide, aga ka muude komponentide ja osade tootmiseks.
3. Sõja- ja raketitööstus, erivarustuse, relvade ja rakettide tootmisel.
4. Ehitus, tugevduselemendina või kandekonstruktsioonide ehitus.
5. Kerge- ja toiduainetööstus, mahutid, tootmisliinid, erinevad sõlmed ja seadmed.
6. Mäetööstus kui erimasinad ja -seadmed.

Rauamaagi maardlad

Maailma rauamaagi varud on piiratud koguse ja asukoha poolest. Maagivarude kogumise territooriume nimetatakse maardlateks. Tänapäeval jagunevad rauamaagi maardlad:

1. Endogeenne. Neid iseloomustab eriline asukoht maakoores, tavaliselt titanomagnetiidi maakide kujul. Selliste lisandite kuju ja asukoht on mitmekesine, need võivad olla läätsede kujul, maakoores paiknevate kihtidena ladestustena, vulkaaniliste ladestuste, mitmesuguste veenide ja muude ebakorrapäraste kujunditena.
2. Eksogeenne. See tüüp hõlmab pruunide rauamaagide ja muude settekivimite maardlaid.
3. Metamorfogeenne. Mis hõlmavad kvartsiidi ladestusi.

Selliste maakide maardlaid võib leida kogu meie planeedil. Suurim arv maardlaid on koondunud postsovetlike vabariikide territooriumile. Eriti Ukraina, Venemaa ja Kasahstan.

Suured rauavarud on sellistel riikidel nagu Brasiilia, Kanada, Austraalia, USA, India ja Lõuna-Aafrika Vabariik. Samal ajal on peaaegu igal maakera riigil oma arenenud maardlad, mille puuduse korral imporditakse tõug teistest riikidest.

Rauamaagi rikastamine

Nagu öeldud, on maake mitut tüüpi. Rikkaid saab kohe pärast maapõuest kaevandamist töödelda, teisi tuleb rikastada. Lisaks rikastamisprotsessile hõlmab maagi töötlemine mitmeid etappe, nagu sorteerimine, purustamine, eraldamine ja aglomereerimine.

Tänapäeval on mitu peamist rikastamise meetodit:

1. Õhetus.

Seda kasutatakse maakide puhastamiseks kõrvalsaadustest savi või liiva kujul, mis pestakse välja kõrgsurve veejugadega. See toiming võimaldab teil suurendada rauasisaldust madala kvaliteediga maagis ligikaudu 5%. Seetõttu kasutatakse seda ainult koos teiste rikastamisviisidega.

1. Gravitatsiooniline puhastus.

See viiakse läbi spetsiaalset tüüpi suspensioonide abil, mille tihedus ületab aheraine tihedust, kuid on madalam kui raua tihedus. Gravitatsioonijõudude mõjul tõusevad kõrvalsaadused ülespoole ja raud langeb vedrustuse põhja.

1. Magnetiline eraldamine.

Levinuim rikastamismeetod, mis põhineb erinevatel magnetjõudude mõju maagikomponentide tajumise tasemetel. Sellist eraldamist saab läbi viia kuiva kivimiga, märja kivimiga või selle kahe oleku alternatiivses kombinatsioonis.

Kuivade ja märgade segude töötlemiseks kasutatakse spetsiaalseid elektromagnetitega trumleid.

1. Flotatsioon.

Selle meetodi jaoks kastetakse purustatud maak tolmu kujul vette, lisades selleks spetsiaalset ainet (flotatsioonireaktiivi) ja õhku. Reagendi mõjul liitub raud õhumullidega ja tõuseb veepinnale, jääkkivi vajub aga põhja. Rauda sisaldavad komponendid kogutakse pinnalt vahu kujul.

Rauatootmine Venemaal on tuntud juba ammusest ajast. Arheoloogiliste väljakaevamiste tulemusena Novgorodi, Vladimiri, Jaroslavli, Pihkva, Smolenski, Rjazani, Muromi, Tula, Kiievi, Võšgorodi, Perejaslavli, Vžištši, aga ka Laadoga järve piirkonnas ja mujal külgnevatel aladel sadu. avastati kohti sulatuspottide jäänustega, juustuahjud, nn hundiaugud ja vastavad iidse metallurgia tootmisvahendid. Moskva oblasti söebasseini lõunaosas Podmokloje küla lähedalt ühest raua sulatamiseks kaevatud hundiaugust leiti moslemiajastu 189. aastaga dateeritud münt, mis vastab tänapäeva 9. sajandi algusele. kronoloogia. See tähendab, et nad teadsid, kuidas neil kaugetel, sügavalt kristluse-eelsetel aegadel Venemaa seljas rauda sulatada.

Vene inimeste nimed hüüavad meile sõna otseses mõttes metallurgia levimuse kohta kogu iidse Venemaa territooriumil: Kuznetsov, Kovaljov, Koval, Kovalenko, Kovaltšuk. Levimuse poolest konkureerivad vene "metallurgilised" perekonnanimed isegi arhetüüpse inglase John Smithiga (kes tegelikult sepp, ehk sama sepp).

Kuid iga mõõga või kahuritoru tee algas alati palju varem kui metallurgia sepis ja eriti sepis. Iga metall on esiteks kütus (süsi või koks selle sulatamiseks) ja teiseks selle tootmise tooraine.

Siin pean kohe rõhutama. Miks on kütus esmane tingimus ja rauamaak ise on nii julgelt tagaplaanile tõrjutud? See kõik puudutab keskajal raua tootmiseks vajaliku maagi ja kütuse transportimise logistikat.

Lõppude lõpuks oli keskaegse kõrgekvaliteedilise raua sulatamiseks peamine ja kõrgeima kvaliteediga kütus süsi.
Ka praegu, kaasaegsel valgustusajastul, pole kvaliteetse söe hankimise ülesanne sugugi nii lihtne, kui esmapilgul tundub.
Kvaliteetseimat puusütt saadakse vaid väga piiratud arvust puiduliikidest – kõikidest üsna haruldastest ja aeglaselt kasvavatest lehtpuuliikidest (tamm, sarvepuu, pöök) ning arhetüüpsetest puuliikidest. Vene kask.
Juba okaspuudest - männist või kuusest - osutub puusüsi palju hapramaks ning suure peen- ja söetolmu saagikusega ning pehmelehisest haavast või lepast hea söe saamine on peaaegu võimatu - hea kvaliteediga saak langeb tammega võrreldes peaaegu poole võrra.

Kui rauamaardlate leiukohas ei olnud piisavalt metsi või kui piirkonna metsad hävitasid eelmiste põlvkondade metallurgid, oli vaja leiutada erinevaid ersatsi asendajaid.
Näiteks Kesk-Aasias oli kvaliteetsetest rauamaagimaardlatest hoolimata puiduvaru kitsas, mistõttu tuli puusöe asemel kasutada järgmist uuenduslikku kütust:

Kui keegi aru ei saa, siis see on lehmasõnnik. See võib olla hobune, tall, kits või eesel - see ei mängi erilist rolli. Sõnnik sõtkuti käsitsi lapikuteks kookideks (midagi sellist) ja asetati seejärel päikese kätte kuivama.
On selge, et sellises olukorras polnud vaja rääkida kütuse "koostise püsivusest" ja sellise "komposiitkütuse" põlemisel tekkiv leegi temperatuur oli palju madalam kui kvaliteetsel puusöel.

Teine, tehnoloogiliselt palju arenenum söe asendus ilmus maailmas palju hiljem. Loomulikult räägime sellest koks, millel põhineb nüüd kogu kaasaegne mustmetallurgia.
Koksi “leiutamise” ajalugu ulatub vaid kahesaja aasta taha. Lõppude lõpuks oli just koksiahju aku, milles kivisüsi ise läbi põles, tööstusrevolutsiooni esimene, võimsaim salv. Just tema, koksiahju aku, mitte naftapuurtorn, lõi selle "söe ja auru maailma", mida me nüüd armastame aurupunki käsitlevates raamatutes, filmides ja animes meenutada.

Ammu enne tööstusrevolutsiooni oli Inglismaal juba välja kujunenud rikkalikud söemaardlad, mida aga kasutati peaaegu eranditult kodude kütmiseks. Maagi sulatamine Inglismaal toimus, nagu paljudes kohtades maailmas, ainult puusöega. Selle põhjuseks oli enamikule sütele iseloomulik ebameeldiv tõsiasi - need sisaldavad märkimisväärses koguses fosforit ja väävlit, mis on sepikojas toodetavale rauale väga kahjulikud.

Suurbritannia on aga saar. Ja lõpuks Inglise söel põhineva metallurgia kasvavad vajadused, ületas kõik Inglise metsade võimalused. Inglastel Robin Hoodidel polnud lihtsalt kuhugi peita- raua sulatamise suurenemine muutis peaaegu kõik Foggy Albioni metsad olematuks. Lõppkokkuvõttes sai see rauatootmise piduriks, kuna oli vaja sulatada tohutul hulgal küttepuid: ühe tonni maagi töötlemiseks - ligi 40 kuupmeetrit toorpuitu.
Seoses raua tootmise suurenemisega ähvardas metsade täielik hävimine. Riik oli sunnitud metalli importima välismaalt, peamiselt Venemaalt ja Rootsist. Katsed kasutada fossiilset kivisütt rauasulatusel olid ülaltoodud põhjusel pikka aega ebaõnnestunud.
Alles 1735. aastal leidis tootja Abraham Derby pärast paljude aastate kogemust viisi malmi sulatamiseks koksisöe abil. See oli võit. Kuid enne seda võitu 9. sajandi alguses pKr oli jäänud veel üle 900 aasta.

Niisiis, viige küttepuud (või isegi viimistletud süsi) triikraua juurde ei tööta lihtsalt protsessi logistika tõttu - vajaminev kütus on 4-5 korda suurem kui maagi mass ja mahult veelgi rohkem - vähemalt kümme korda. Rauda on lihtsam kütusesse tuua.

Kütust on Vana-Venemaal ja seda on palju. Kuidas on lood Venemaa platvormi riistvaraga?
Kuid riistvaraga on küsimusi.
Kvaliteetne rauamaak mitte Vene tasandikul.

Kohe kuulen hüüdeid: “Aga Kurski magnetanomaalia? Maailma kõrgeima kvaliteediga magnetilised rauamaagid!
Jah, ühed kõrgeima kvaliteediga maailmas. Avatud 1931. aastal. Esinemissügavus - 200 kuni 600 meetrit. Ülesanne ei ole ilmselgelt mõeldud tehnoloogiatele, mis olid iidsete slaavlaste käsutuses 9. sajandil pKr. Nüüd näeb kõik ilus välja, aga tolle aja pilt moodsast rauamaagikaevandusest oli tänapäevasele inimkonnale justkui teekond Alpha Centaurisse. Teoreetiliselt on see võimalik, kuid praktikas mitte:

Selle tulemusena on 9. sajandil Venemaal vaja teha valik millegi hulgast, mis sisaldub kõigi inimkonna poolt praegu kasutatavate rauamaagide loendis:

Magnetiline rauamaak - üle 70% Fe kujul magnetiit Fe3O4 (näide: meie kirjeldatud Kurski magnetanomaalia)
- punane rauamaak - 55-60% Fe kujul hematiit Fe2O3 (näide: jälle Kurski magnetanomaalia või Krivoy Rogi bassein)
- pruun rauamaak (limoniit) - 35-55% Fe kujul hüdroksiidi segud raudraud Fe2O3-3H2O ja Fe2O3-H2O (näide: Ukraina poolt rikutud Kertši maardla).
- rauamaak - kuni 40% Fe kujul karbonaat FeCO3 (näide: Bakali maardla)

Magnetiit ja hematiit lebavad sügaval Venemaa platvormil, sellel pole üldse rauamaaki.
Järele jääb pruun rauamaak (limoniit).
Tooraine on pehmelt öeldes jabur - vaadake vaid raua kontsentratsiooni selles, kuid naljakas on see, et see on saadaval tollase Venemaa territooriumil. peaaegu kõikjal. Lisaks osutub see "peaaegu kõikjal" imekombel tollase kvaliteetse kivisöekütuse allika - Venemaa tasandiku võimsate metsade - vahetus läheduses.

Jutt käib muidugi turbarabadest ja limoniidist, mida sageli ka kutsutakse raba raud.
Lisaks rabarauale on neil sarnane päritolu heinamaa ja järve raud. Kuid nagu hiljem näete, oli sellise raua kaevamine kõige tulusam soos.

Selle kohaliku ressursi tegeliku kaevandamise levimuse mõistmiseks Venemaal piisab, nagu "metallurgiliste perekonnanimede" puhul, lihtsalt avada mis tahes geograafiline kaart ja vaadata vene, ukraina, valgevene või Leedu külad.
Ja kohe rabab teid tohutu hulk toponüüme sõnadega Guta, Buda, Ruda. Siin on nende tähendused:

Guta: klaasisulatustehas
Maagi: raba raua kaevandamine
Buda: kaaliumkloriidi ekstraheerimine taimetuhast.

Selliseid külasid leiate kõikjalt - laias vööndis Polesie soodes - Brestist Sumyni. Venemaal oli "soomaagi" allikaid palju. “Sooraud” tekib üldiselt peaaegu kõikjal, kus toimub üleminek hapnikku sisaldavatelt muldadelt hapnikuvabale kihile (täpselt nende kahe kihi ristumiskohas).
Erinevalt teist tüüpi maastikust asub see piir soodes lihtsalt, pinnale väga lähedal, seetõttu saab sealseid raudsõlmesid sõna otseses mõttes labidaga kaevata, eemaldades vaid õhukese sootaimestiku.

Rabaraud näeb välja selline: .
Kuid just see päästis Venemaa.

Raba rauamaardlad ise on klassikalised asetajad.
Paigaldajad on tavaliselt palju väiksemad maardlad kui maagikehad, nende kogumaht ületab harva kümneid tuhandeid tonne (samas kui maagimaardlad võivad sisaldada miljoneid ja miljardeid tonne maaki), kuid asendi kaevandamine on tavaliselt palju lihtsam kui maagikeha kaevandamine.
Paigutajaid saab tavaliselt välja töötada peaaegu paljaste kätega ja kivimit minimaalselt purustades, kuna asetajad esinevad tavaliselt juba hävinud settekivimites.
See on üldiselt levinud praktika: esmalt kaevandatakse maagid, seejärel maagid.
Lisaks kõikidele metallidele, mineraalidele või ühenditele.

Muide, “puidust plekk” (millest ma pronksiaja katastroofi sarjas kirjutasin) on ka asetaja.

Siiski ei saa öelda, et raba raudasendi kaevandamine oleks olnud lihtne ülesanne.

Rabarauda kaevandati peamiselt kolmel viisil.

Esimene - suvel kühveldati parvedelt põhjamuda rabajärvedes ja soodest voolavatel jõgedel. Parve hoidis ühes kohas stange (üks inimene) ja teine ​​inimene eemaldas põhjast muda eemaldamiseks lindi abil. Selle meetodi eelisteks on lihtsus ja töötajate vähene füüsiline koormus.
Miinused - suur hulk kasutut tööjõudu, kuna mitte ainult aherainet ei kühveldatud rabaraual, vaid lisaks tuli üles tõsta ka suures koguses vett koos mudaga. Lisaks on raske kasutada kühvlit mulla sügavale eemaldamiseks.

Teine viis. Talvel raiuti kohtades, kus kanalid põhjani külmusid, esmalt jää ja seejärel ka rabarauda sisaldav põhjasete. Selle meetodi eelised: võimalus valida suur rabarada sisaldav kiht. Puudused: jääd ja külmunud maapinda on füüsiliselt raske peita. Ekstraheerimine on võimalik ainult külmumissügavuseni.

Kolmas meetod oli kõige levinum. Kaldale ojade või rabajärvede lähedale pandi raam, nagu kaevu jaoks, ainult suuremates suurustes, näiteks 4 x 4 meetrit. Seejärel hakati palkmaja sees aherainest kattekihti välja kaevama, palkmaja järk-järgult süvendades. Seejärel valiti välja ka soorauda sisaldav kivim. Palgirullid lisandusid palkmaja süvenedes.
Pidevalt voolav vesi aeti perioodiliselt välja. Muidugi oli võimalik lihtsalt kaevata ilma seinu palkidega tugevdamata, kuid väga tõenäolise pestud pinnase kokkuvarisemise ja tööliste auku magama jäämise korral - vaevalt oleks olnud võimalik kedagi päästa - inimesed lämbusid kiiresti ja uppusid. Selle meetodi eelised: võimalus valida kogu soorauda sisaldav kiht ja väiksemad tööjõukulud võrreldes teise meetodiga. Lisaks oli juba enne kaevandamise algust võimalik ligikaudselt määrata kaevandatud tooraine kvaliteeti ("maagi headust hindavad kohalikud elanikud ka sellel kasvavate puude tüübi järgi; seega on maagi alumiselt leitud puud" kaske ja haaba peetakse parimaks, kuna sellest saadav raud on pehmem ja kuusemetsa kasvukohtades on see sitkem ja tugevam").
Puudused: peate kogu aeg vees töötama.

Üldiselt oli muistsetel vene kaevuritel raske. Nüüd teevad reenaktorid üle maailma muidugi väljasõite ja isegi kaevavad kuivematesse ja ligipääsetavamatesse kohtadesse auke, kust saavad hõlpsasti kaevandada mõnd soomaaki:

Reenaktorite lapsed on õnnelikud. 9. sajandil oli minu meelest kõik teisiti.

Kuid selleks, et mõista olukorda Venemaal 9.-12. sajandil, tuleb mõista kaal kalapüük, mida meie esivanemad korraldasid sellisel raiskaval ressursil nagu rabapaigad.

Kui soode muda väljakaevamise protsess ise ei jätnud ju läbi sajandite jälgitavaid jälgi, siis kultuurkihti jättis hilisem rabaraua töötlemine jälgi ja milliseid!

Lõppude lõpuks oli juustu puhumisprotsessi jaoks, mida tol ajal kasutati iidses Vene metallurgias ja mis tootis väga rauast räbu, vaja väga rikas rauamaak. Ja limoniit, nagu mäletame, on kehv maak.
Hea limoniidikontsentraadi saamiseks oli vaja kaevandatud maake eelrikastada - nii sood kui heinamaad. Seetõttu rikastasid iidsed Vene metallurgid tingimata sulatamiseks minevaid raba rauamaake.

Rikastamisoperatsioon oli väga oluline tehnoloogiline tingimus raua tootmiseks juustuahjudes.
Hilisemad uuringud, mille käigus analüüsiti ajaloomälestisi, näitasid järgmisi maagi rikastamise meetodeid:

1) kuivatamine (ilmastikukindlus, kuu jooksul);
2) laskmine;
3) lihvimine;
4) pesemine;
5) sõelumine.

Kõrge kontsentratsiooniga maagi tootmine ei saanud piirduda vaid ühe või kahe toiminguga, vaid nõudis süstemaatilist töötlemist kõigi ülaltoodud meetoditega. Arheoloogiliselt tuntud tegevus on maagi röstimine.
Nagu aru saate, nõudis röstimine ka kvaliteetset kütust (süsi) ja seda ka märkimisväärsetes kogustes.

Soome lahe rannikul Lasuna küla lähedalt arheoloogiliste uuringute käigus avastati ühest süvendist hunnik põlenud maaki. Kõikide maagi rikastamise operatsioonide jaoks on vaja väga lihtsaid seadmeid: maagi purustamiseks - puitplokk ja mört ning sõelumiseks ja pesemiseks - puidust sõel (varraste võrk).
Rabamaagi põletamise puuduseks lõkkes ja süvendites oli vee mittetäielik eemaldamine sellest suurte tükkide röstimisel ja suured kaod väikeste tükkide röstimisel.

Kaasaegses tootmises on rikastamine muidugi palju lihtsam - peeneks purustatud maak segatakse sama jahvatatud koksiga ja juhitakse suure hakklihamasinaga sarnasesse seadmesse. Tigu toidab maagi ja koksi segu võrele, mille avad ei ületa 8 mm. Aukude kaudu välja pigistades satub selline homogeenne segu leeki, samal ajal kui koks põleb, sulatades maagi ning lisaks põleb maagist välja väävel, nii toimub samaaegselt ka tooraine väävlitustamine.

Lõppude lõpuks sisaldab raba raud, nagu kivisüsi, kahjulikke lisandeid - väävlit ja fosforit. Muidugi oli võimalik leida vähe fosforit sisaldavat toorainet (no suhteliselt vähe - maagi rauas on seda alati vähem kui rabarauas). Kuid vähe fosforit ja väävlit sisaldavat rabarauda oli peaaegu võimatu leida. Seetõttu tekkis kogu rabaraua kaevandamise tööstuse kõrvale sama mastaapne selle rikastamise tööstus.

Selle tegevuse ulatuse mõistmiseks toon ühe näite: väljakaevamiste ajal Vana-Rjazanis kodanike 19-st eluruumist 16-s avastati raua “kodus” keetmise jäljed pottides tavalises ahjus.
Lääne-Euroopa rändur Jacob Reitenfels, kes külastas 1670. aastal Moskvat, kirjutas, et "moskvalaste riik on elav leiva ja metalli allikas".

Nii avastasid meie esivanemad lagedas kohas, mille all polnud midagi peale vaeste metsamuldade koos kidurate kaskede ja turbarabadega, sõna otseses mõttes nende jalge alt “kullakaevanduse”. Ja isegi kui see polnud veen, vaid asetaja ja mitte kuld, vaid raud, olukord ei muutunud.

Endiselt tärkav riik on saanud oma koha maailmas ja tsivilisatsioonitee, mis viib selle Balaklava relvade, tanki T-Z4 ja Topol-M ICBM-i juurde.
Vahendid. Töö. Tootmine. Relv.

Sest omades ressursse, jõuate paratamatult relvadeni. Või - ​​keegi teine ​​tuleb teie ressursside järele.
Rauaaeg algas Venemaal.
Sajand – õigemini aastatuhandel – Vene relvi.

Aastatuhat, mille jooksul mõõk tõuseb - ja langeb uuesti, kui järgmine vaenlane on võidetud ja kasemetsadest ja turbarabadest minema visatud.

Ja vaenlased ei lasknud end kaua oodata.
Tõepoolest, 10. sajandil oli rauaaegne võidurelvastumine juba hoogu saamas.

Rauamaak saadakse tavapärasel viisil: avakaevandamine või allmaakaevandamine ja sellele järgnev transport esialgsesse ettevalmistusse, kus materjal purustatakse, pestakse ja töödeldakse.

Maak valatakse kõrgahju ja puhutakse kuuma õhu ja kuumusega, mis muudab selle sularauaks. Seejärel eemaldatakse see ahju põhjast vormidesse, mida nimetatakse sigadeks, kus see jahtub malmi tootmiseks. See muudetakse sepiseks või töödeldakse teraseks mitmel viisil.

Mis on teras?

Alguses oli raud. See on üks seda, mida võib leida peaaegu kõikjalt koos paljude teiste elementidega maagi kujul. Euroopas pärineb rauaga töötamise algus aastast 1700 eKr.

1786. aastal tegid prantsuse teadlased Berthollet, Monge ja Vandermonde täpselt kindlaks, et raua, malmi ja terase erinevus tuleneb erinevast süsinikusisaldusest. Rauast valmistatud terasest sai aga kiiresti tööstusrevolutsiooni kõige olulisem metall. 20. sajandi alguses oli ülemaailmne terasetoodang 28 miljonit tonni, kuus korda rohkem kui 1880. aastal. Esimese maailmasõja alguseks oli selle toodang 85 miljonit tonni. Mõne aastakümne jooksul asendas see praktiliselt raua.

Praegu on üle 3000 kataloogitud kaubamärgi (keemiliste ühendite), arvestamata neid, mis on loodud individuaalsete vajaduste rahuldamiseks. Kõik need aitavad muuta terasest sobivaimaks materjaliks tuleviku väljakutsete lahendamiseks.

Terasetootmise tooraine: esmane ja sekundaarne

Selle metalli sulatamine paljude komponentide abil on kõige levinum kaevandamismeetod. Laengumaterjalid võivad olla kas primaarsed või sekundaarsed. Laengu põhikoostis on tavaliselt 55% malm ja 45% ülejäänud vanaraud. Sulami põhielemendina kasutatakse ferrosulameid, töödeldud malmi ja tehniliselt puhtaid metalle, reeglina hõlmavad kõik mustmetallide tüübid.

Rauamaak on raua- ja terasetööstuse kõige olulisem ja põhitooraine. Tonni malmi tootmiseks on vaja umbes 1,5 tonni seda materjali. Ühe tonni malmi tootmiseks kasutatakse umbes 450 tonni koksi. Paljud metallurgiatehased kasutavad isegi

Vesi on raua- ja terasetööstuse oluline tooraine. Seda kasutatakse peamiselt koksi kõvendamiseks, kõrgahju jahutamiseks, auru tootmiseks hüdroseadmete tööks ja reovee ärajuhtimiseks. Ühe tonni terase tootmiseks kulub umbes 4 tonni õhku. Räbustit kasutatakse kõrgahjus lisandite eemaldamiseks maagi sulatamisel. Lubjakivi ja dolomiit ühinevad ekstraheeritud lisanditega, moodustades räbu.

Nii kõrg- kui ka terasahjud on vooderdatud tulekindlate materjalidega. Neid kasutatakse rauamaagi sulatamiseks mõeldud vooderdusahjude jaoks. Vormimiseks kasutatakse ränidioksiidi või liiva. Alumiiniumi, kroomi, koobaltit, vaske, pliid, mangaani, molübdeeni, niklit, tina, volframi, tsinki, vanaadiumi jne kasutatakse kõigi nende ferrosulamite hulgas laialdaselt terase sulatamisel.

Demonteeritud tehasekonstruktsioonidest, masinatest, vanadest sõidukitest jne saadud rauajäätmed võetakse ringlusse ja kasutatakse selles tööstuses laialdaselt.

Malm terase jaoks

Terase sulatamine malmi abil toimub palju sagedamini kui muude materjalidega. Malm on termin, mis tavaliselt viitab hallile rauale, kuid seda samastatakse ka suure hulga ferrosulamitega. Süsinik moodustab sulamis umbes 2,1–4 massiprotsenti, räni aga tavaliselt 1–3 massiprotsenti.

Raud ja teras sulatatakse sulamistemperatuuril 1150–1200 kraadi, mis on umbes 300 kraadi madalam kui puhta raua sulamistemperatuur. Malmil on ka hea voolavus, suurepärane töödeldavus ning vastupidavus deformatsioonile, oksüdatsioonile ja valamisele.

Teras on ka muutuva süsinikusisaldusega raua sulam. Terase süsinikusisaldus jääb vahemikku 0,2–2,1 massiprotsenti ja see on raua jaoks kõige ökonoomsem legeermaterjal. Terase sulatamine malmist on kasulik mitmesugustel inseneri- ja ehituslikel eesmärkidel.

Rauamaak terase jaoks

Terase sulatamise protsess algab rauamaagi töötlemisega. Rauamaaki sisaldav kivim purustatakse. Maagi kaevandamine toimub magnetrullide abil. Peeneteraline rauamaak töödeldakse kõrgahjus kasutamiseks jämedateralisteks tükkideks. Kivisüsi puhastatakse lisanditest, mille tulemuseks on peaaegu puhas süsinik. Seejärel kuumutatakse rauamaagi ja kivisöe segu sulamalmi või malmi saamiseks, mida kasutatakse terase valmistamiseks.

Peamises hapnikuahjus on põhitooraineks sula rauamaak, mida segatakse erinevas koguses vanaraua ja sulamitega, et toota erinevat klassi terast. Elektrikaareahi sulatab taaskasutatud terase jäägid otse uueks teraseks. Umbes 12% terasest on valmistatud taaskasutatud materjalist.

Sulatustehnoloogia

Sulamine on protsess, mille käigus metall saadakse kas elemendina või lihtühendina selle maagist, kuumutades seda sulamistemperatuurist kõrgemal, tavaliselt oksüdeerivate ainete (nt õhk) või redutseerivate ainete (nt koks) juuresolekul.

Terasevalmistamise tehnoloogias kuumutatakse metalli, mis ühineb hapnikuga, näiteks raudoksiidiga, kõrgele temperatuurile ja oksiid tekib koos kütuses oleva süsinikuga, mis väljub süsinikmonooksiidi või süsinikdioksiidina.
Muud lisandid, mida ühiselt nimetatakse veenideks, eemaldatakse voolu lisamisega, millega need ühinevad, moodustades räbu.

Kaasaegses terase sulatamises kasutatakse reverberatory ahju. Üles laaditakse kontsentreeritud maak ja oja (tavaliselt lubjakivi) ning alt tõmmatakse sulamatt (vase, raua, väävli ja räbu ühend). Raua mattpinnalt eemaldamiseks on vajalik teine ​​kuumtöötlus konverterahjus.

Hapnik-konvektori meetod

BOF-protsess on juhtiv terasetootmisprotsess maailmas. Konverterterase toodang moodustas 2003. aastal maailmas 964,8 miljonit tonni ehk 63,3% kogutoodangust. Konverteri tootmine on keskkonnasaaste allikas. Selle peamised väljakutsed on heitkoguste, heidete ja jäätmete vähendamine. Nende olemus seisneb teisese energia ja materiaalsete ressursside kasutamises.

Eksotermilist soojust tekitavad oksüdatsioonireaktsioonid puhumise ajal.

Terase valmistamise põhiprotsess meie enda varudest:

• Kõrgahjus sulatatud malm (mõnikord nimetatakse seda kuumaks metalliks) valatakse suurde tulekindla voodriga anumasse, mida nimetatakse kulbiks.
• Kulpis olev metall saadetakse otse terase põhitootmise või eeltöötlusetappi.
• Kõrge puhtusastmega hapnik rõhul 700–1000 kilopaskalit süstitakse ülehelikiirusel raudvanni pinnale läbi vesijahutusega toru, mis riputatakse anumas ja hoitakse mitu jalga vanni kohal.

Eeltöötluse otsus sõltub kuuma metalli kvaliteedist ja nõutavast terase lõppkvaliteedist. Kõige esimesed eemaldatava põhjaga muundurid, mida sai lahti võtta ja parandada, on endiselt kasutusel. Puhumisel kasutatud odad on vahetatud. Toru kinnikiilumise vältimiseks puhastamise ajal kasutati pika kitseneva vasest otsaga lõhikuid. Otsaotsad põletavad pärast põlemist puhumisel tekkiva CO CO 2 -ks ja annavad lisasoojust. Räbu eemaldamiseks kasutatakse noolemängu, tulekindlaid palle ja räbudetektoreid.

Hapniku-konvektsiooni meetod: eelised ja puudused

Ei nõua kulusid gaasipuhastusseadmetele, kuna tolmu teke, st raua aurustumine väheneb 3 korda. Raua saagise vähenemise tõttu täheldatakse vedela terase saagise suurenemist 1,5 - 2,5%. Teine eelis on see, et selle meetodi puhul suureneb puhastamise intensiivsus, mis võimaldab suurendada muunduri tootlikkust 18%. Terase kvaliteet on kõrgem, kuna puhumistsoonis langeb temperatuur, mis toob kaasa lämmastiku moodustumise vähenemise.

Selle terase sulatusmeetodi puudused on viinud nõudluse vähenemiseni, kuna hapnikutarbimise tase suureneb kütuse põletamise suure kulu tõttu 7%. Töödeldud metallis on suurenenud vesiniku sisaldus, mistõttu tuleb pärast protsessi lõppu mõnda aega läbi viia hapnikuga puhastamine. Kõigist meetoditest on hapnikumuunduri meetodil suurim räbu moodustumine, põhjuseks võimetus jälgida oksüdatsiooniprotsessi seadme sees.

Avatud kolde meetod

Avatud koldeprotsess hõlmas suurema osa kogu maailmas toodetud terase töötlemisest suurema osa 20. sajandist. William Siemens otsis 1860. aastatel vahendeid metallurgiaahju temperatuuri tõstmiseks, taaselustades vana ettepaneku kasutada ahjus tekkivat heitsoojust. Ta kuumutas tellise kõrge temperatuurini, seejärel kasutas sama teed õhu ahju sissejuhtimiseks. Eelsoojendatud õhk tõstis oluliselt leegi temperatuuri.

Kütusena kasutatakse maagaasi või pihustatud raskeid õlisid; õhk ja kütus kuumutatakse enne põlemist. Ahju on laaditud vedela lõhkeraua ja terase jääkidega koos rauamaagi, lubjakivi, dolomiidi ja räbustitega.

Ahi ise on valmistatud väga tulekindlatest materjalidest, näiteks kolde jaoks mõeldud magnesiittellistest. Avatud koldega ahjud kaaluvad kuni 600 tonni ja need paigaldatakse tavaliselt rühmadena, et ahjude laadimiseks ja vedela terase töötlemiseks vajalikke massiivseid abiseadmeid saaks tõhusalt ära kasutada.

Kuigi avatud koldega protsess on enamikus tööstusriikides peaaegu täielikult asendatud hapniku põhiprotsessi ja elektrikaarahjuga, toodab see umbes 1/6 kogu maailmas toodetud terasest.

Selle meetodi eelised ja puudused

Eelised hõlmavad legeerterase kasutusmugavust ja lihtsust erinevate lisanditega, mis annavad materjalile erinevaid spetsiifilisi omadusi. Vajalikud lisandid ja sulamid lisatakse vahetult enne sulatamise lõppu.

Puuduste hulka kuulub vähenenud efektiivsus võrreldes hapnikukonverteri meetodiga. Samuti on terase kvaliteet madalam võrreldes teiste metallisulatusmeetoditega.

Elektrilise terase valmistamise meetod

Kaasaegne terase sulatamise meetod oma reservide abil on ahi, mis soojendab laetud materjali elektrikaare abil. Tööstuslikud kaarahjud ulatuvad väikestest umbes ühetonnise kandevõimega agregaatidest (kasutatakse valukodades malmtoodete tootmiseks) kuni sekundaarmetallurgias kasutatavate 400-tonniste ühikuteni.

Uurimislaborites kasutatavad kaarahjud võivad olla vaid mõnekümne grammi mahutavad. Tööstuslike elektrikaarahjude temperatuur võib olla kuni 1800 °C (3,272 °F), samas kui laboripaigaldiste temperatuur võib ületada 3000 °C (5432 °F).

Kaarahjud erinevad induktsioonahjudest selle poolest, et laadimismaterjal puutub vahetult kokku elektrikaarega ja klemmides olev vool läbib laetud materjali. Elektrikaarahju kasutatakse terase tootmiseks, see koosneb tulekindlast vooderdist, tavaliselt vesijahutusega, on suuremõõtmeline ja kaetud ülestõstetava katusega.

Ahi jaguneb peamiselt kolmeks osaks:

• Külgseintest ja alumisest teraskausist koosnev kest.
• Kolde koosneb tulekindlast materjalist, mis pikendab alumist kaussi.
• Tulevooderdusega või vesijahutusega katus võib olla konstrueeritud kuulsektsioonina või tüvikoonusena (koonusosa).

Meetodi eelised ja puudused

See meetod on terase tootmise valdkonnas juhtival kohal. Terassulatusmeetodit kasutatakse kõrgekvaliteedilise metalli loomiseks, mis kas täielikult puuduvad või sisaldab vähesel määral soovimatuid lisandeid, nagu väävel, fosfor ja hapnik.

Meetodi peamiseks eeliseks on kuumutamine, tänu millele saate hõlpsalt reguleerida sulamistemperatuuri ja saavutada metallile uskumatud kuumenemiskiirused. Automatiseeritud töö on meeldiv täiendus suurepärasele võimalusele erinevate vanametalli kvaliteetseks töötlemiseks.

Puuduste hulgas on suur energiatarbimine.

Raud moodustab üle 5% maakoorest. Peamised raua ekstraheerimiseks kasutatavad maagid on hematiit ja magnetiit. Need maagid sisaldavad 20–70% rauda. Nendes maakides on kõige olulisemad raualisandid liiv ja alumiiniumoksiid (alumiiniumoksiid).

Maa tuum

Kaudsete tõendite põhjal võime järeldada, et Maa tuum on peamiselt rauasulam. Selle raadius on ligikaudu 3470 km, Maa raadius aga 6370 km. Maa sisemine tuum näib olevat tahke ja selle raadius on umbes 1200 km. Seda ümbritseb vedel välissüdamik. Turbulentne vedelikuvool selles tuuma osas loob Maa magnetvälja. Rõhk südamiku sees on vahemikus 1,3 kuni 3,5 miljonit atmosfääri ja temperatuur on vahemikus

Kuigi on kindlaks tehtud, et Maa tuum koosneb peamiselt rauast, pole selle täpne koostis teada. Hinnanguliselt koosneb 8–10% Maa tuuma massist sellistest elementidest nagu nikkel, väävel (raudsulfiidi kujul), hapnik (raudoksiidi kujul) ja räni (raudoksiidi kujul) raud silitsiid).

Vähemalt 12 riigis maailmas on tõestatud rauamaagi varud, mis ületavad miljardi tonni. Nende riikide hulka kuuluvad Austraalia, Kanada, USA, Lõuna-Aafrika, India, NSVL ja Prantsusmaa. Terasetoodang ulatub praegu 700 miljoni tonnini. Peamised terasetootjad on NSV Liit, USA ja Jaapan toodab igal aastal üle 100 miljoni tonni terast. Suurbritannias on terase tootmise tase 20 miljonit tonni aastas.

Raua tootmine

Raua ekstraheerimine rauamaagist toimub kahes etapis. See algab maagi ettevalmistamisega - jahvatamine ja kuumutamine. Maak purustatakse tükkideks, mille läbimõõt ei ületa 10 cm. Seejärel purustatakse maak vee ja lenduvate lisandite eemaldamiseks.

Teises etapis redutseeritakse rauamaak kõrgahjus süsinikmonooksiidi abil rauaks (joonis 14.12). Redutseerimine toimub temperatuuril umbes 700 °C:

Raua saagise suurendamiseks viiakse see protsess läbi süsinikdioksiidi liia tingimustes

Süsinikmonooksiid CO tekib kõrgahjus koksist ja õhust. Õhk kuumutatakse esmalt ligikaudu 600 °C-ni ja surutakse spetsiaalse toru – toru – kaudu ahju. Koks põleb kuumas suruõhus, moodustades süsinikdioksiidi. See reaktsioon on eksotermiline ja põhjustab temperatuuri tõusu üle 1700 °C:

Süsinikdioksiid tõuseb ahjus ja reageerib rohkema koksiga, moodustades süsinikmonooksiidi. See reaktsioon on endotermiline:

Riis. 14.12. Kõrgahi, 1 - rauamaak, lubjakivi, koks, 2 laadimiskoonust (ülemine), 3 - ülemine gaas, 4 - ahju müüritis, 5 - raudoksiidi redutseerimistsoon, 6 - räbu moodustumise tsoon, 7 - koksi põlemistsoon, 8 - kuumutatud õhu süstimine läbi torude, 9 - sularaud, 10 - sula räbu.

Maagi redutseerimisel tekkinud raud on saastunud liiva ja alumiiniumoksiidi lisanditega (vt eespool). Nende eemaldamiseks lisatakse ahju lubjakivi. Ahjus olemasolevatel temperatuuridel toimub lubjakivi termiline lagunemine, mille käigus moodustub kaltsiumoksiid ja süsinikdioksiid:

Kaltsiumoksiid ühineb lisanditega, moodustades räbu. Räbu sisaldab kaltsiumsilikaati ja kaltsiumaluminaati:

Raud sulab 1540°C juures (vt tabel 14.2). Sularaud koos sularäbuga voolab ahju alumisse ossa. Sula räbu hõljub sularaua pinnal. Kõik need kihid vabastatakse perioodiliselt ahjust sobival tasemel.

Kõrgahi töötab ööpäevaringselt, pidevas režiimis. Kõrgahjuprotsessi tooraineks on rauamaak, koks ja lubjakivi. Neid söödetakse pidevalt läbi ülaosa ahju. Raud lastakse ahjust välja neli korda päevas, kindlate ajavahemike järel. See valgub ahjust välja tulise joana temperatuuril umbes 1500 °C. Kõrgahjusid on erineva suuruse ja tootlikkusega (1000-3000 tonni päevas). USA-s on mõned uued ahjukujundused

neli väljalaskeava ja sularaua pidev vabastamine. Selliste ahjude võimsus on kuni 10 000 tonni päevas.

Kõrgahjus sulatatud raud valatakse liivavormidesse. Sellist rauda nimetatakse malmiks. Malmi rauasisaldus on umbes 95%. Malm on kõva, kuid rabe aine, mille sulamistemperatuur on umbes 1200 °C.

Malmi valmistatakse malmi, vanametalli ja terase segu koksiga sulatamisel. Sulatatud raud valatakse vormidesse ja jahutatakse.

Sepis on tööstusliku raua puhtaim vorm. Seda toodetakse toorraua kuumutamisel hematiidi ja lubjakiviga sulatusahjus. See suurendab raua puhtust ligikaudu 99,5% -ni. Selle sulamistemperatuur tõuseb 1400 °C-ni. Sepisel on suur tugevus, tempermalmist ja plastilisus. Paljude rakenduste puhul asendatakse see aga pehme terasega (vt allpool).

Terase tootmine

Terased jagunevad kahte tüüpi. Süsinikteras sisaldab kuni 1,5% süsinikku. Legeerteras sisaldab mitte ainult väikeses koguses süsinikku, vaid ka spetsiaalselt muude metallide lisandeid (lisandeid). Allpool käsitletakse üksikasjalikult erinevaid terasetüüpe, nende omadusi ja rakendusi.

Hapniku muunduri protsess. Viimastel aastakümnetel on terasetootmises revolutsiooni teinud hapniku põhiprotsessi (tuntud ka kui Linz-Donawitzi protsess) väljatöötamine. Seda protsessi hakati kasutama 1953. aastal kahe Austria metallurgiakeskuse – Linzi ja Donawitzi – terasetehastes.

Hapnikumuunduri protsessis kasutatakse põhivooderdusega (vooderdusega) hapnikumuundurit (joonis 14.13). Konverter on koormatud kaldus asendis

Riis. 14.13. Konverter terase sulatamiseks, 1 - hapnik ja 2 - vesijahutusega toru hapnikupuhastuseks, 3 - räbu. 4-teljeline, 5-sulaterasest, 6-terasest korpus.

sulatusahjust sulamalm ja vanaraud, seejärel tagasi vertikaalasendisse. Pärast seda sisestatakse konverterisse ülalt vesijahutusega vasktoru ja selle kaudu juhitakse sularaua pinnale lubjapulbriga segatud hapnikuvool. See "hapnikupuhastus", mis kestab 20 minutit, põhjustab raua lisandite intensiivset oksüdeerumist ja muunduri sisu jääb oksüdatsioonireaktsiooni käigus energia vabanemise tõttu vedelaks. Saadud oksiidid ühinevad lubjaga ja muutuvad räbuks. Seejärel tõmmatakse vasktoru välja ja muundur kallutatakse räbu äravooluks. Pärast korduvat puhumist valatakse sulateras konverterist (kaldasendis) kulbi.

Hapnikumuunduri protsessi kasutatakse peamiselt süsinikterase tootmiseks. Seda iseloomustab kõrge tootlikkus. 40-45 minutiga saab ühes konverteris toota 300-350 tonni terast.

Praegu toodetakse seda protsessi kasutades kogu Ühendkuningriigi teras ja enamik terasest maailmas.

Elektrilise terase valmistamise protsess. Elektriahjusid kasutatakse peamiselt vanaraua ja malmi muundamiseks kvaliteetseks legeerteraseks, näiteks roostevabaks teraseks. Elektriahi on ümmargune sügav paak, mis on vooderdatud tulekindlate tellistega. Avatud kaane kaudu laaditakse ahju vanametalli, seejärel suletakse kaas ja elektroodid lastakse läbi selles olevate aukude ahju, kuni need puutuvad kokku vanametalliga. Pärast seda lülitatakse vool sisse. Elektroodide vahel tekib kaar, milles tekib temperatuur üle 3000 °C. Sellel temperatuuril metall sulab ja tekib uus teras. Iga ahjukoormus võimaldab toota 25-50 tonni terast.

Raua tootmise tehnoloogia iidsetel aegadel

Maagist raua saamiseks peate esmalt hankima kritsa. Selleks kasutati esmalt oksüdeeritud rauamaaki, mis esineb kõige sagedamini pinna lähedal. Pärast selle omaduste avastamist ammendusid sellised maardlad nende intensiivse arendamise tulemusena kiiresti.

Rabamaagid on palju laiemalt levinud. Need tekkisid Atlandi-alusel perioodil, mil soostumise käigus settis rauamaak reservuaaride põhja. Läbi keskaja kasutati musta metallurgias rabamaake. Nad maksid nendega isegi tollimakse. Raua tootmine maagist suhteliselt suurtes kogustes sai võimalikuks pärast juustuahju leiutamist. See nimi tekkis pärast kõrgahjude kuumutatud õhuga puhumise leiutamist. Iidsetel aegadel söötsid metallurgid sepikojasse toorest (külma) õhku. Temperatuuril 900 o süsinikdioksiidi abil, mis eemaldab raudoksiidist hapnikku, redutseeritakse maagist raud ja saadakse räbu leotatud tainas või vormitu poorne tükk - kritsa. Selle protsessi läbiviimiseks oli süsihappegaasi allikana vaja sütt. Seejärel sepistati kritsa, et sellest räbu eemaldada. Juustu valmistamise meetod, mida mõnikord nimetatakse ka raua sulatamiseks, on ebaökonoomne, kuid pikka aega jäi see ainsaks ja muutumatuks meetodiks musta metalli saamiseks.

Algul sulatati rauda tavalistes süvendites, hiljem hakati ehitama saviahjusid. Sepikoja tööruumi laaditi kihiti purustatud maak ja kivisüsi, see kõik pandi põlema ning spetsiaalsete (nahk)lõõtsadega suruti õhk läbi düüsiavade. Kivim settib temperatuuril 1300–1400 o räbu, mille juures saadakse terast - rauda, ​​mis sisaldab 0,3–1,2%. süsinik. Jahtudes muutub see väga kõvaks. Malmi - 1,5-5% süsinikusisaldusega sulava malmi - saamiseks vajate keerukamat sepiskonstruktsiooni, millel on suur tööruum. Sel juhul oli raua sulamistemperatuur madalam ja see voolas koos räbuga osaliselt ahjust välja. Jahtudes muutus see hapraks ja algul visati minema, aga siis õpiti seda kasutama. Malmist tempermalmi valmistamiseks peate eemaldama sellest süsiniku.

Esimene seade maagist raua saamiseks oli ühekordselt kasutatav juustuahi. Väga paljude puudustega oli see pikka aega ainus viis maagist metalli saamiseks.

Muistsed inimesed elasid pikka aega rikkalikult ja õnnelikult – jaspisest valmistati kivikirveid, vase saamiseks põletati malahhiiti, kuid kõik hea kipub otsa saama. Vahemere iidse tsivilisatsiooni kokkuvarisemise üheks põhjuseks oli maavarade ammendumine. Kuld sai otsa mitte riigikassast, vaid sügavusest sai tina otsa isegi “tinasaartel”. Kuigi Siinail ja Küprosel kaevandatakse endiselt vaske, ei olnud praegu arendatavad maardlad roomlastele kättesaadavad. Muuhulgas on otsa saanud ka juustutöötlemiseks sobiv maak. Edu oli ikka palju.

Peremehetuks jäänud Euroopas asustanud barbarite hõimud ei teadnud aga pikka aega, et selle maavarad olid nende eelkäijate poolt ammendatud. Arvestades metallitootmise tohutut langust, piisas ressurssidest, mida roomlased põlgasid, pikaks ajaks. Hiljem hakkas metallurgia elavnema eelkõige Saksamaal ja Tšehhis – ehk sinna, kuhu roomlased kirkade ja kärudega ei jõudnud.

Mustmetallurgia arengu kõrgemat etappi esindasid püsivad kõrged ahjud, mida Euroopas nimetati krohvahjudeks. See oli tõesti kõrge ahi – neljameetrise toruga veojõu parandamiseks. Stukomasina lõõtsad kõikusid juba mitmekesi, vahel ka veemootori poolt. Stukofenil olid uksed, mille kaudu kord päevas kritsat eemaldati.

Stukofeenid leiutati Indias I aastatuhande alguses eKr. Meie ajastu alguses jõudsid nad Hiinasse ja 7. sajandil laenasid araablased selle tehnoloogia koos “araabia” numbritega Indiast. 13. sajandi lõpus hakkasid Stuktofenid ilmuma Saksamaal ja Tšehhis (ja juba enne seda olid nad Lõuna-Hispaanias) ning järgmise sajandi jooksul levisid nad üle kogu Euroopa.

Stuktofeeni tootlikkus oli võrreldamatult kõrgem kui juustupuhumisahjul - päevas toodeti kuni 250 kg rauda ja sulamistemperatuur selles oli piisav, et osa rauast karboniseerida malmi olekusse. Ahju seisma pannes aga külmus krohvmalm selle põhjas, segunedes räbuga ja sel ajal võisid nad metalli räbudest puhastada ainult sepistamise teel, kuid malm ei andnud end sellele. Ta tuli ära visata.

Mõnikord prooviti siiski kipsmalmile mingit kasutust leida. Näiteks vanad hindud valasid kirstud määrdunud malmist, türklased aga 19. sajandi alguses kahurikuule. Raske on hinnata, kuidas kirstud on, aga kahurikuulid, mis sealt välja tulid, olid lihtsalt nii ja naa.

Suurtükkide kuulid valati Euroopas 16. sajandi lõpul mustast šlakist. Valatud tänavakividest tehti teed. Nižni Tagilis on siiani säilinud valatud räbuplokkidest vundamendiga hooned.

Metallurgid on juba ammu märganud seost sulamistemperatuuri ja toote saagise vahel – mida kõrgem see oli, seda suurem osa maagis sisalduvast rauast suudeti kätte saada. Seetõttu tekkis neil varem või hiljem mõte stukofeeni kiirendada õhu eelsoojendamise ja toru kõrguse tõstmisega. 15. sajandi keskel ilmus Euroopasse uut tüüpi ahjud - blauofen, mis valmistas terasetootjatele kohe ebameeldiva üllatuse.

Kõrgem sulamistemperatuur suurendas tõepoolest oluliselt raua saagist maagist, kuid suurendas ka malmi olekusse karboniseerunud raua osakaalu. Nüüd mitte 10%, nagu krohvmasinas, vaid 30% toodangust oli malm - “seamalm”, mis ei sobinud ühegi otstarbega. Seetõttu ei tasunud kasum sageli moderniseerimist ära.

Blauofeni malm, nagu krohv malm, tahkunud ahju põhjas, segunedes räbuga. See tuli mõnevõrra parem, kuna seda oli rohkem, seega oli räbu suhteline sisaldus väiksem, kuid see jäi jätkuvalt valamiseks kõlbmatuks. Blauofenist saadud malm osutus üsna tugevaks, kuid jäi siiski väga heterogeenseks - sellest tulid välja ainult lihtsad ja karedad esemed - kelgud, alasid. Kahurikuule tuli juba päris palju välja.

Lisaks, kui juustupuhumisahjudes saadi ainult rauda, ​​mis seejärel karboniseeriti, siis stukofeenis ja blauofeenis osutusid kritsa välimised kihid terasest. Terast oli blauofen kritis isegi rohkem kui rauda. Ühest küljest tundus see hea, kuid terase ja raua eraldamine osutus väga keeruliseks. Süsinikusisaldust oli raske kontrollida. Ainult pika sepistamise abil on võimalik saavutada selle jaotuse ühtlane.

Ühel ajal ei liikunud indiaanlased nende raskustega silmitsi seistes kaugemale, vaid hakkasid tehnoloogiat viimistlema ja jõudsid damaskiterase tootmiseni. Kuid indiaanlasi ei huvitanud sel ajal mitte toote kogus, vaid kvaliteet. Eurooplased, kes katsetasid malmiga, avastasid peagi konversiooniprotsessi, mis tõstis rauametallurgia kvalitatiivselt uuele tasemele.

Metallurgia arengu järgmine etapp oli kõrgahjude ilmumine. Suuruse suurenemise, õhu eelsoojenemise ja mehaanilise lööklaine tõttu muudeti sellises ahjus kogu maagist saadud raud malmiks, mis sulatati ja lasti perioodiliselt väljapoole. Tootmine muutus pidevaks – ahi töötas ööpäevaringselt ja ei jahtunud. See tootis kuni poolteist tonni malmi päevas. Malmi destilleerimine sepis rauaks oli palju lihtsam kui selle kritsast välja kloppimine, kuigi sepistamist oli ikka vaja – aga nüüd peksti rauast välja räbu, mitte aga räbu.

Euroopas hakati kõrgahjusid kasutama 15.–16. sajandi vahetusel. Lähis-Idas ja Indias tekkis see tehnoloogia alles 19. sajandil (suurel määral ilmselt seetõttu, et Lähis-Idale iseloomuliku veepuuduse tõttu ei kasutatud veemootorit). Kõrgahjude olemasolu Euroopas võimaldas tal 16. sajandil Türgist mööduda, kui mitte metalli kvaliteedis, siis šahtis. Sellel oli kahtlemata mõju võitluse tulemusele, eriti kui selgus, et kahureid saab valada malmist.

Alates 17. sajandi algusest sai Rootsist Euroopa sepikoda, mis tootis poole Euroopas olevast rauast. 18. sajandi keskel hakkas selle roll selles osas kiiresti langema ühe teise leiutise – kivisöe kasutamise tõttu metallurgias.

Kõigepealt tuleb öelda, et kuni 18. sajandini kaasa arvatud kivisütt metallurgias praktiliselt ei kasutatud – toote kvaliteeti kahjustavate lisandite, eelkõige väävli suure sisalduse tõttu. Alates 17. sajandist hakati Inglismaal kivisütt kasutama malmi lõõmutamiseks kallasahjudes, kuid see võimaldas söe pealt vaid väikest kokkuhoidu – suurem osa kütusest kulus sulatamisele, kus oli võimatu välistada kokkupuudet kivisöega. kivisüsi maagiga.

Paljude tolleaegsete metallurgiaametite seas oli võib-olla kõige keerulisem amet lombimees. Peaaegu kogu 19. sajandi vältel oli puding peamine rauasaamise meetod. See oli väga raske ja aeganõudev protsess. Töö tema käe all käis nii: malm laaditi tulise ahju põhja; need sulatati. Kui süsinik ja muud lisandid metallist välja põlesid, tõusis metalli sulamistemperatuur ja üsna puhta raua kristallid hakkasid vedelast sulatisest "välja külmuma". Ahju põhja kogunes tükk kleepuvat taignataolist massi. Pudrutöölised alustasid taigna rullimist rauajäägi abil. Metallist massi raudkangiga segades püüdsid nad koguda rauatükki ehk kritsat raudkangi ümber. Selline tükk kaalus kuni 50–80 kg või rohkem. Kritsa tõmmati ahjust välja ja söödeti otse haamri alla - sepistamiseks, et eemaldada räbuosakesed ja tihendada metalli.

Väävlit õppisid nad 1735. aastal Inglismaal koksimise teel kõrvaldama, misjärel sai võimalikuks kasutada suuri söevarusid raua sulatamiseks. Kuid väljaspool Inglismaad levis see tehnoloogia alles 19. sajandil.

Kütusekulu oli metallurgias juba siis tohutult suur – kõrgahi kulutas autotäie sütt tunnis. Puusöest on saanud strateegiline ressurss. Just puidu rohkus Rootsis endas ja selle Soomes võimaldas rootslastel tootmist sellises mahus arendada. Inglased, kellel oli vähem metsi (ja isegi need olid reserveeritud laevastiku vajadusteks), olid sunnitud ostma Rootsist rauda, ​​kuni nad õppisid kivisütt kasutama.

Raua sulatamise elektrilised ja induktsioonmeetodid

Terase koostiste mitmekesisus muudab nende sulatamise väga keeruliseks. Avatud koldega ahjus ja konverteris on ju atmosfäär oksüdeeruv ning sellised elemendid nagu kroom oksüdeeruvad kergesti ja muutuvad räbuks, s.t. on kadunud. See tähendab, et 18% kroomisisaldusega terase saamiseks tuleb ahju sisestada palju rohkem kroomi kui 180 kg ühe tonni terase kohta. Ja kroom on kallis metall. Kuidas leida sellest olukorrast väljapääs?

Lahendus leiti 20. sajandi alguses. Tehti ettepanek kasutada metalli sulatamiseks elektrikaare soojust. Vanametall laaditi ringikujulisse ahju, valati sisse malm ja langetati süsinik- või grafiitelektroodid. Nende ja ahju (“vanni”) metalli vahele tekkis elektrikaar temperatuuriga umbes 4000°C. Metall sulas kergesti ja kiiresti. Ja sellises suletud elektriahjus saate luua igasuguse atmosfääri - oksüdeeriva, redutseeriva või täiesti neutraalse. Teisisõnu saab vältida väärtuslike elementide läbipõlemist. Nii tekkis kvaliteetsete teraste metallurgia.

Hiljem pakuti välja veel üks elektrisulatamise meetod – induktsioon. Füüsikast on teada, et kui asetada metalljuht mähisesse, millest läbib kõrgsagedusvool, indutseeritakse selles vool ja juht kuumeneb. Sellest kuumusest piisab metalli sulamiseks teatud aja jooksul. Induktsioonahi koosneb tiiglist, mille vooderdis on spiraal. Läbi spiraali juhitakse kõrgsagedusvool ja tiiglis olev metall sulab. Sellises ahjus saate luua ka igasuguse atmosfääri.

Elektrikaarahjudes toimub sulatusprotsess tavaliselt mitmes etapis. Esiteks põletatakse metallist välja mittevajalikud lisandid, oksüdeerides need (oksüdatsiooniperiood). Seejärel eemaldatakse (laaditakse alla) ahjust nende elementide oksiide sisaldav räbu ja laaditakse ferrosulamid - rauasulamid elementidega, mis tuleb metalli sisse viia. Ahi suletakse ja sulamine jätkub ilma õhu juurdepääsuta (taastumisperiood). Selle tulemusena on teras teatud koguses vajalike elementidega küllastunud. Valmis metall lastakse kulpi ja valatakse.

Keemilised reaktsioonid raua tootmisel

Tänapäeva tööstuses saadakse rauda rauamaagist, peamiselt hematiidist (Fe 2 O 3) ja magnetiidist (Fe 3 O 4).

Raua eraldamiseks maakidest on erinevaid viise. Kõige tavalisem on domeeniprotsess.

Tootmise esimene etapp on raua redutseerimine süsinikuga kõrgahjus temperatuuril 2000 °C. Kõrgahjus juhitakse ülalt koksi kujul olev süsinik, aglomeraadi või graanulite kujul olev rauamaak ja räbust (nt lubjakivi) ning altpoolt tuleb neile vastu kuuma õhu vool.

Ahjus oksüdeeritakse koksis olev süsinik atmosfäärihapniku toimel süsinikmonooksiidiks (süsinikmonooksiidiks):

2C + O 2 → 2CO.

Süsinikoksiid omakorda vähendab maagist saadavat rauda:

3CO + Fe2O3 → 2Fe + 3CO2.

Räbusti lisatakse, et eraldada maagist soovimatud lisandid, peamiselt silikaadid nagu kvarts (ränidioksiid). Tüüpiline räbustik sisaldab lubjakivi (kaltsiumkarbonaat) ja dolomiiti (magneesiumkarbonaat). Teiste lisandite vastu kasutatakse muid räbusteid.

Voolu mõju: kaltsiumkarbonaat laguneb kuumuse mõjul kaltsiumoksiidiks (kiirlubjaks):

CaCO 3 → CaO + CO 2.

Kaltsiumoksiid ühineb ränidioksiidiga, moodustades räbu:

CaO + SiO 2 → CaSiO 3.

Räbu, erinevalt ränidioksiidist, sulatatakse ahjus. Räbu, rauast kergem, hõljub pinnal ja seda saab metallist eraldi tühjendada. Seejärel kasutatakse räbu ehituses ja põllumajanduses. Kõrgahjus toodetud sulamalm sisaldab üsna palju süsinikku (malm). Välja arvatud juhtudel, kui malmi kasutatakse otse, vajab see täiendavat töötlemist.

Liigne süsinik ja muud lisandid (väävel, fosfor) eemaldatakse malmist oksüdeerimise teel avatud koldega ahjudes või konverterites. Elektriahjusid kasutatakse ka legeerteraste sulatamiseks.

Lisaks kõrgahjuprotsessile on tavaline raua otsetootmise protsess. Sel juhul segatakse eelnevalt purustatud maak spetsiaalse saviga, moodustades graanulid. Pelletid põletatakse ja töödeldakse šahtahjus vesinikku sisaldavate kuumade metaani muundamisproduktidega. Vesinik redutseerib rauda kergesti, saastamata rauda selliste lisanditega nagu väävel ja fosfor – kivisöe tavalised lisandid. Raud saadakse tahkel kujul ja sulatatakse seejärel elektriahjudes.

Keemiliselt puhas raud saadakse selle soolade lahuste elektrolüüsil.