Come fondere il ferro dal minerale. Come viene estratto il minerale di ferro e come viene fuso l'acciaio. Da uno spillo ad un aereo

Il minerale di ferro iniziò ad essere estratto dagli esseri umani molti secoli fa. Già allora i vantaggi dell’uso del ferro divennero evidenti.

Trovare formazioni minerali contenenti ferro è abbastanza semplice, poiché questo elemento costituisce circa il cinque per cento della crosta terrestre. Nel complesso, il ferro è il quarto elemento più abbondante in natura.

È impossibile trovarlo allo stato puro; il ferro si trova in determinate quantità in molti tipi di rocce. Il minerale di ferro ha il più alto contenuto di ferro, la cui estrazione del metallo è economicamente più redditizia. La quantità di ferro che contiene dipende dalla sua origine, la cui proporzione normale è di circa il 15%.

Composizione chimica

Le proprietà del minerale di ferro, il suo valore e le sue caratteristiche dipendono direttamente dalla sua composizione chimica. Il minerale di ferro può contenere quantità variabili di ferro e altre impurità. A seconda di ciò, ci sono diversi tipi:

• molto ricco, quando il contenuto di ferro nei minerali supera il 65%;
• ricco, la cui percentuale di ferro varia dal 60% al 65%;
• media, dal 45% in su;
• poveri, in cui la percentuale di elementi utili non supera il 45%.

Più sottoprodotti sono presenti nel minerale di ferro, maggiore è l’energia necessaria per la sua lavorazione e meno efficiente è la produzione dei prodotti finiti.

La composizione di una roccia può essere una combinazione di vari minerali, rocce di scarto e altri sottoprodotti, la cui proporzione dipende dal suo deposito.

I minerali magnetici si distinguono per il fatto che sono basati su un ossido che ha proprietà magnetiche, ma se riscaldati fortemente si perdono. La quantità di questo tipo di roccia in natura è limitata, ma il contenuto di ferro in essa contenuto può essere pari a quello del minerale di ferro rosso. Esternamente, sembra solidi cristalli nero-blu.

Il minerale di ferro spar è una roccia minerale a base di siderite. Molto spesso contiene una quantità significativa di argilla. Questo tipo di roccia è relativamente difficile da trovare in natura, il che la rende poco utilizzata a causa del suo basso contenuto di ferro. Pertanto, è impossibile classificarli come tipi di minerali industriali.

Oltre agli ossidi, la natura contiene altri minerali a base di silicati e carbonati. La quantità di ferro contenuta in una roccia è molto importante per il suo uso industriale, ma importante è anche la presenza di sottoelementi benefici come nichel, magnesio e molibdeno.

Applicazioni

L'ambito di applicazione del minerale di ferro è quasi completamente limitato alla metallurgia. Viene utilizzato principalmente per la fusione della ghisa, che viene estratta utilizzando forni a focolare aperto o convertitori. Oggi la ghisa viene utilizzata in vari ambiti dell'attività umana, inclusa la maggior parte dei tipi di produzione industriale.

Non sono meno utilizzate varie leghe a base di ferro: l'acciaio è il più utilizzato per la sua resistenza e proprietà anticorrosive.

Ghisa, acciaio e varie altre leghe di ferro vengono utilizzate in:

1. Ingegneria meccanica, per la produzione di varie macchine e dispositivi.
2. Industria automobilistica, per la produzione di motori, alloggiamenti, telai e altri componenti e parti.
3. Industria militare e missilistica, nella produzione di equipaggiamenti speciali, armi e missili.
4. Edilizia, come elemento di rinforzo o costruzione di strutture portanti.
5. Industrie leggere e alimentari, come contenitori, linee di produzione, unità e dispositivi vari.
6. Industria mineraria, come macchinari e attrezzature speciali.

Depositi di minerale di ferro

Le riserve mondiali di minerale di ferro sono limitate in quantità e ubicazione. I territori di accumulo di riserve minerali sono chiamati depositi. Oggi i giacimenti di minerale di ferro sono suddivisi in:

1. Endogeno. Sono caratterizzati da una posizione speciale nella crosta terrestre, solitamente sotto forma di minerali di titanomagnetite. Le forme e le posizioni di tali inclusioni sono varie, possono essere sotto forma di lenti, strati situati nella crosta terrestre sotto forma di depositi, depositi vulcanici, sotto forma di varie vene e altre forme irregolari.
2. Esogeno. Questo tipo comprende depositi di minerali di ferro bruno e altre rocce sedimentarie.
3. Metamorfogenico. Che includono depositi di quarzite.

Depositi di tali minerali possono essere trovati in tutto il nostro pianeta. Il maggior numero di depositi è concentrato nel territorio delle repubbliche post-sovietiche. Soprattutto Ucraina, Russia e Kazakistan.

Paesi come Brasile, Canada, Australia, Stati Uniti, India e Sud Africa dispongono di grandi riserve di ferro. Allo stesso tempo, quasi tutti i paesi del mondo hanno i propri depositi sviluppati, in caso di carenza la razza viene importata da altri paesi.

Arricchimento del minerale di ferro

Come accennato, esistono diversi tipi di minerali. Quelli ricchi possono essere lavorati direttamente dopo l'estrazione dalla crosta terrestre, altri necessitano di essere arricchiti. Oltre al processo di arricchimento, la lavorazione del minerale comprende diverse fasi, quali cernita, frantumazione, separazione e agglomerazione.

Oggi esistono diversi metodi principali di arricchimento:

1. Risciacquo.

Viene utilizzato per pulire i minerali dai sottoprodotti sotto forma di argilla o sabbia, che vengono lavati utilizzando getti d'acqua ad alta pressione. Questa operazione consente di aumentare di circa il 5% il contenuto di ferro nel minerale di bassa qualità. Pertanto, viene utilizzato solo in combinazione con altri tipi di arricchimento.

1. Pulizia per gravità.

Viene effettuato utilizzando tipi speciali di sospensioni, la cui densità supera la densità della roccia di scarto, ma è inferiore alla densità del ferro. Sotto l'influenza delle forze gravitazionali, i sottoprodotti salgono verso l'alto e il ferro cade sul fondo della sospensione.

1. Separazione magnetica.

Il metodo di arricchimento più comune, che si basa su diversi livelli di percezione da parte dei componenti minerali dell'influenza delle forze magnetiche. Tale separazione può essere effettuata con roccia secca, roccia bagnata o in una combinazione alternativa dei suoi due stati.

Per la lavorazione di miscele secche e umide vengono utilizzati tamburi speciali con elettromagneti.

1. Flottazione.

Per questo metodo, il minerale frantumato sotto forma di polvere viene immerso in acqua con l'aggiunta di una sostanza speciale (reagente di flottazione) e aria. Sotto l'influenza del reagente, il ferro si unisce alle bolle d'aria e sale alla superficie dell'acqua, mentre la roccia di scarto affonda sul fondo. I componenti contenenti ferro vengono raccolti dalla superficie sotto forma di schiuma.

La produzione del ferro nella Rus' è nota da tempo immemorabile. Come risultato degli scavi archeologici nelle aree adiacenti a Novgorod, Vladimir, Yaroslavl, Pskov, Smolensk, Ryazan, Murom, Tula, Kiev, Vyshgorod, Pereyaslavl, Vzhishch, così come nell'area del Lago Ladoga e in altri luoghi, centinaia di luoghi con resti di crogioli, forni per il formaggio, le cosiddette “fosse del lupo” e corrispondenti strumenti di produzione dell'antica metallurgia. In una delle fosse dei lupi, scavate per la fusione del ferro, vicino al villaggio di Podmokloye, nella parte meridionale del bacino carbonifero della regione di Mosca, è stata trovata una moneta datata 189 dell'era musulmana, che corrisponde all'inizio del IX secolo dell'era moderna cronologia. Ciò significa che sapevano come fondere il ferro nella Russia in quei tempi lontani e profondamente precristiani.

I nomi del popolo russo ci gridano letteralmente della prevalenza della metallurgia in tutto il territorio dell'antica Rus': Kuznetsov, Kovalev, Koval, Kovalenko, Kovalchuk. In termini di prevalenza, i cognomi “metallurgici” russi rivaleggiano forse anche con l’archetipo inglese John Smith (che, infatti, fabbro, cioè lo stesso fabbro).

Tuttavia, il percorso di qualsiasi spada o canna di cannone è sempre iniziato molto prima della fucina metallurgica e, soprattutto, della fucina. Qualsiasi metallo è, prima di tutto, un combustibile (carbone o coke per la sua fusione) e, in secondo luogo, una materia prima per la sua produzione.

Qui devo subito porre l'accento. Perché il carburante è la condizione primaria e lo stesso minerale di ferro è relegato così audacemente in secondo piano? Riguarda la logistica del trasporto del minerale e del combustibile necessari per produrre il ferro nel Medioevo.

Dopotutto, il combustibile principale e di altissima qualità per la fusione del ferro medievale di alta qualità era carbone.
Anche adesso, nell'era moderna e illuminata, il compito di ottenere carbone di alta qualità non è affatto così semplice come sembra a prima vista.
Il carbone di altissima qualità si ottiene solo da un numero molto limitato di specie legnose: da tutte le specie di legno duro abbastanza rare e a crescita lenta (quercia, carpino, faggio) e dall'archetipo Betulla russa.
Già dalle conifere - pino o abete rosso, il carbone risulta essere molto più fragile e con una grande resa di fini e polvere di carbone, e cercare di ottenere un buon carbone da pioppo tremulo o ontano è quasi impossibile - la resa è di buona qualità scende di quasi la metà rispetto al rovere.

Se non c'erano abbastanza foreste nell'area in cui sono stati trovati giacimenti di ferro, o se le foreste della zona venivano distrutte dalle precedenti generazioni di metallurgisti, era necessario inventare vari surrogati.
Ad esempio, in Asia centrale, nonostante i giacimenti di minerale di ferro di alta qualità, il legname era scarso, quindi al posto del carbone è stato necessario utilizzare il seguente combustibile innovativo:

Se qualcuno non capisce, questo è sterco di vacca. Può essere cavallo, agnello, capra o asino: non ha un ruolo speciale. Lo sterco veniva impastato a mano in focacce (qualcosa del genere) e poi steso ad asciugare al sole.
È chiaro che in una situazione del genere non era necessario parlare della “costanza della composizione” del carburante e la temperatura della fiamma derivante dalla combustione di tale “combustibile composito” era molto inferiore a quella del carbone di alta qualità.

Un altro sostituto del carbone, molto più tecnologicamente avanzato, apparve nel mondo molto più tardi. Stiamo ovviamente parlando di Coca Cola, su cui si basa oggi tutta la moderna metallurgia ferrosa.
La storia dell '"invenzione" della coca cola risale a soli duecento anni fa. Dopotutto, è stata la batteria della cokeria in cui “il carbone si è bruciato da solo” a costituire la prima e più potente salva della rivoluzione industriale. Fu lei, la batteria del forno a coke, e non la piattaforma petrolifera a creare quel “mondo di carbone e vapore” che oggi amiamo ricordare in libri, film e anime sullo steampunk.

Molto prima della rivoluzione industriale, l’Inghilterra aveva già sviluppato ricchi giacimenti di carbone, che però veniva utilizzato quasi esclusivamente per il riscaldamento delle case. La fusione del minerale in Inghilterra veniva effettuata, come in molti posti nel mondo, solo con carbone. Ciò era dovuto a un fatto spiacevole caratteristico della maggior parte dei carboni: contengono notevoli quantità di fosforo e zolfo, molto dannosi per il ferro prodotto nella fucina.

Tuttavia la Gran Bretagna è un’isola. E, infine, le crescenti esigenze della metallurgia inglese basata sul carbone, ha superato tutte le capacità delle foreste inglesi. I Robin Hood inglesi semplicemente non avevano nessun posto dove nascondersi- un aumento della fusione del ferro ha ridotto al nulla quasi tutte le foreste di Foggy Albion. Alla fine, questo divenne un freno alla produzione del ferro, poiché era necessaria la fusione un'enorme quantità di legna da ardere: per la lavorazione di una tonnellata di minerale - quasi 40 metri cubi di legno grezzo.
A causa della crescente produzione di ferro esisteva il pericolo della completa distruzione delle foreste. Il paese è stato costretto a importare metallo dall'estero, principalmente dalla Russia e dalla Svezia. I tentativi di utilizzare il carbone fossile per la fusione del ferro per lungo tempo non hanno avuto successo, per le ragioni sopra esposte.
Solo nel 1735, il produttore Abraham Derby, dopo molti anni di esperienza, trovò il modo di fondere la ghisa utilizzando carbone da coke. È stata una vittoria. Ma prima di questa vittoria dell'inizio del IX secolo d.C. mancavano ancora più di 900 anni.

Quindi, trasporta la legna da ardere (o anche il carbone finito) sul ferro non funziona semplicemente a causa della logistica del processo: il carburante necessario è 4-5 volte la massa del minerale e anche di più in volume, almeno dieci volte. È più facile portare il ferro al combustibile.

C’è carburante nell’antica Rus’, e in abbondanza. E l'hardware sulla piattaforma russa?
Ma ci sono domande con l'hardware.
Minerale di ferro di alta qualità non nella pianura russa.

Sento subito le grida: “E l'anomalia magnetica di Kursk? I minerali di ferro magnetici della più alta qualità al mondo!”
Sì, alcuni della più alta qualità al mondo. Inaugurato nel 1931. Profondità di occorrenza: da 200 a 600 metri. Il compito chiaramente non spetta alle tecnologie che erano a disposizione degli antichi slavi nel IX secolo d.C. Ora tutto sembra bello, ma per allora l'immagine di una moderna miniera di minerale di ferro era come un viaggio verso Alpha Centauri per l'umanità moderna. In teoria è possibile, ma in pratica non lo è:

Di conseguenza, nel IX secolo nella Rus' era necessario fare una scelta tra qualcosa incluso in questo elenco di tutti i minerali di ferro attualmente utilizzati dall'umanità:

Minerale di ferro magnetico: sotto forma di oltre il 70% di Fe magnetite Fe3O4 (esempio: l'anomalia magnetica di Kursk che abbiamo descritto)
- minerale di ferro rosso: 55-60% Fe nella forma ematite Fe2O3 (esempio: ancora l'anomalia magnetica di Kursk o il bacino di Krivoy Rog)
- minerale di ferro bruno (limonite) - 35-55% Fe sotto forma miscele di idrossidi ferro ferrico Fe2O3-3H2O e Fe2O3-H2O (esempio: deposito di Kerch rovinato dall'Ucraina).
- minerale di ferro spar - fino al 40% di Fe nella forma carbonato FeCO3 (esempio: deposito Bakal)

Magnetite ed ematite si trovano in profondità sulla piattaforma russa, su di essa non è presente alcun minerale di ferro.
Ciò che rimane è il minerale di ferro marrone (limonite).
La materia prima, per usare un eufemismo, è scadente: basta guardare la concentrazione di ferro in essa contenuta, ma la cosa divertente è che è disponibile sul territorio di quella che allora era la Rus' quasi ovunque. Inoltre, questo "quasi ovunque" risulta essere miracolosamente nelle immediate vicinanze dell'allora fonte di carbone di alta qualità: le possenti foreste della pianura russa.

Stiamo ovviamente parlando di torbiere e limonite, come viene spesso chiamata anche ferro da palude.
Oltre al ferro da palude, hanno una genesi simile prato e lago di ferro. Tuttavia, come vedrai in seguito, scavare questo tipo di ferro era più redditizio in una palude.

Per comprendere l'ampiezza della prevalenza dell'effettiva estrazione di questa risorsa locale nella Rus', è sufficiente, come nel caso dei "cognomi metallurgici", aprire semplicemente una qualsiasi carta geografica e guardare i nomi di russi, ucraini, bielorussi o Villaggi lituani.
E subito rimarrai colpito da un numero enorme di toponimi con le parole Guta, Buda, Ruda. Ecco i loro significati:

Guta: impianto di fusione del vetro
Minerale: estrazione del ferro dalle paludi
Buda: estrazione della potassa dalle ceneri vegetali.

Troverai villaggi simili ovunque - in un'ampia cintura nelle paludi della Polesie - da Brest a Sumy. C'erano molte fonti di "minerale di palude" nella Rus'. Il “ferro di palude” si forma generalmente quasi ovunque dove c'è una transizione da suoli contenenti ossigeno a uno strato privo di ossigeno (esattamente alla giunzione di questi due strati).
Nelle paludi, questo confine è semplicemente localizzato, a differenza di altri tipi di terreno, molto vicino alla superficie, quindi, i noduli di ferro possono essere scavati lì letteralmente con una pala, rimuovendo solo un sottile strato di vegetazione palustre.

Ecco come appare il ferro da palude: .
Ma è stato proprio questo a salvare la Rus'.

Gli stessi depositi di ferro nelle paludi sono classici collocatori.
I giacimenti sono solitamente depositi molto più piccoli dei giacimenti minerari, il loro volume totale raramente supera le decine di migliaia di tonnellate (mentre i depositi di minerali possono contenere milioni e miliardi di tonnellate di minerale), ma i giacimenti minerari sono solitamente molto più semplici che estrarre un giacimento minerario.
I placer di solito possono essere sviluppati quasi a mani nude e con una frantumazione minima della roccia, poiché i placer di solito si trovano in rocce sedimentarie già distrutte.
Questa è generalmente una pratica comune: prima vengono estratti i giacimenti, poi i minerali.
Inoltre, per tutti i metalli, minerali o composti.

A proposito, anche la "stagna di legno" (di cui ho scritto nella serie sulla catastrofe dell'età del bronzo) è un placer.

Tuttavia, non si può dire che l'estrazione dei giacimenti di ferro nelle paludi sia stata un compito semplice.

Il ferro proveniente dalle paludi veniva estratto in tre modi principali.

Il primo: in estate, il limo di fondo veniva raccolto da zattere nei laghi paludosi e nei fiumi che scorrevano dalle paludi. La zattera era tenuta ferma in un punto da un palo (una persona) e un'altra persona utilizzava una sacca per rimuovere il limo dal fondo. I vantaggi di questo metodo sono la semplicità e il basso stress fisico per i lavoratori.
Svantaggi: una grande quantità di lavoro inutile, poiché non solo le rocce di scarto venivano raccolte con il ferro di palude, ma inoltre dovevano essere sollevate anche grandi quantità di acqua e limo. Inoltre, è difficile utilizzare una paletta per rimuovere il terreno a grandi profondità.

Secondo modo. In inverno, nei luoghi in cui i canali ghiacciavano fino al fondo, il ghiaccio veniva prima tagliato e poi veniva tagliato anche il sedimento del fondo contenente ferro di palude. I vantaggi di questo metodo: la possibilità di selezionare un grande strato contenente ferro da palude. Svantaggi: è fisicamente difficile scalpellare il ghiaccio e il terreno ghiacciato. L'estrazione è possibile solo fino alla profondità di congelamento.

Il terzo metodo era il più comune. Sulla riva vicino a ruscelli o laghi paludosi, è stato assemblato un telaio, come per un pozzo, solo di dimensioni maggiori, ad esempio 4 per 4 metri. Quindi iniziarono a scavare lo strato di copertura di roccia di scarto all'interno della casa di tronchi, approfondendo gradualmente la casa di tronchi. Successivamente è stata selezionata anche la roccia contenente ferro di palude. I rotoli di tronchi furono aggiunti man mano che la casa di tronchi diventava più profonda.
L'acqua che scorreva costantemente veniva periodicamente salvata. Ovviamente era possibile scavare semplicemente senza rinforzare i muri con tronchi, ma nel caso in cui molto probabile fosse crollato il terreno lavato via e gli operai si fossero addormentati nella fossa, difficilmente sarebbe stato possibile salvare qualcuno - le persone soffocarono rapidamente e annegarono. I vantaggi di questo metodo: la possibilità di selezionare l'intero strato contenente ferro da torbiera e minori costi di manodopera rispetto al secondo metodo. Inoltre, già prima dell'inizio dell'attività mineraria era possibile determinare approssimativamente la qualità delle materie prime estratte ("gli abitanti del posto giudicano la bontà del minerale anche dal tipo di alberi che vi crescono; quindi quello che si trova sotto betulle e pioppi tremuli sono considerati i migliori, perché il ferro che ne deriva è più morbido e nei luoghi in cui cresce la foresta di abeti rossi è più duro e più forte").
Svantaggi: devi lavorare sempre in acqua.

In generale, gli antichi minatori russi hanno avuto difficoltà. Ora, ovviamente, i rievocatori di tutto il mondo stanno facendo gite didattiche e persino scavando buche in luoghi più asciutti e accessibili dove possono facilmente estrarre qualche minerale di palude:

I bambini dei rievocatori sono felici. Nel IX secolo, penso che tutto fosse diverso.

Tuttavia, per comprendere la situazione nella Rus' nei secoli IX-XII, bisogna capire scala la pesca organizzata dai nostri antenati su una risorsa così dispendiosa come i giacimenti palustri.

Dopotutto, se il processo di scavo del limo nelle paludi stesso non ha lasciato tracce che possano essere rintracciate nel corso dei secoli, allora la successiva lavorazione del ferro di palude ha lasciato tracce nello strato culturale, e anche di che tipo!

Infatti, per il processo di soffiatura del formaggio, che a quel tempo veniva utilizzato nell’antica metallurgia russa e produceva scorie altamente ferrose, era necessario molto ricco minerale di ferro. E la limonite, come ricordiamo, è un minerale povero.
Per ottenere un buon concentrato di limonite, era necessario pre-arricchire i minerali estratti, sia palude che prato. Pertanto, gli antichi metallurgisti russi arricchivano necessariamente i minerali di ferro delle paludi destinati alla fusione.

L'operazione di arricchimento era una condizione tecnologica molto importante per la produzione del ferro nei forni caseari.
Studi successivi, attraverso l'analisi dei monumenti storici, hanno rivelato i seguenti metodi di arricchimento del minerale:

1) essiccazione (stagionatura, entro un mese);
2) sparo;
3) macinazione;
4) lavaggio;
5) setacciatura.

La produzione di minerale altamente concentrato non poteva essere limitata a una o due operazioni, ma richiedeva un trattamento sistematico con tutti i metodi sopra indicati. Un'operazione archeologicamente ben nota è la torrefazione del minerale.
Come capisci, la torrefazione richiedeva anche combustibile di alta qualità (carbone) e anche in quantità considerevoli.

Durante l'esplorazione archeologica vicino al villaggio di Lasuna, sulla costa del Golfo di Finlandia, in uno dei pozzi è stato scoperto un mucchio di minerale bruciato. Per tutte le operazioni di arricchimento del minerale sono necessarie attrezzature molto semplici: per la frantumazione del minerale - un blocco di legno e una malta, e per la setacciatura e il lavaggio - un setaccio di legno (maglia di aste).
Lo svantaggio della cottura del minerale di palude in fuochi e fosse era la rimozione incompleta dell'acqua da esso durante la tostatura di pezzi di grandi dimensioni e grandi perdite durante la tostatura di pezzi piccoli.

Nella produzione moderna, ovviamente, l'arricchimento è molto più semplice: il minerale finemente frantumato viene mescolato con lo stesso coke macinato e immesso in un dispositivo simile a un grande tritacarne. La coclea alimenta la miscela di minerale e coke su una griglia con fori non più grandi di 8 mm. Spremendo attraverso i fori, una miscela così omogenea entra nella fiamma, mentre il coke brucia, sciogliendo il minerale e, inoltre, lo zolfo viene bruciato dal minerale, quindi contemporaneamente avviene la desolforazione delle materie prime.

Dopotutto, il ferro delle paludi, come il carbone, contiene impurità nocive: zolfo e fosforo. Naturalmente, era possibile trovare materie prime contenenti poco fosforo (beh, relativamente poco - ce n'è sempre meno nel minerale di ferro che nel ferro di palude). Ma era quasi impossibile trovare ferro contenente poco fosforo e zolfo. Pertanto, oltre all'intera industria dell'estrazione del ferro dalle paludi, è nata un'industria altrettanto su larga scala del suo arricchimento.

Per comprendere la portata di questa azione, darò un esempio: durante gli scavi nella Vecchia Ryazan in 16 abitazioni di cittadini su 19 sono state scoperte tracce di cottura “casalinga” del ferro in pentole in un normale forno.
Il viaggiatore dell'Europa occidentale Jacob Reitenfels, dopo aver visitato la Moscovia nel 1670, scrisse che "il paese dei moscoviti è una fonte vivente di pane e metallo".

Quindi, in un luogo nudo, senza nulla sotto di loro tranne i poveri terreni forestali con betulle rachitiche e torbiere, i nostri antenati scoprirono improvvisamente una "miniera d'oro" letteralmente sotto i loro piedi. E anche se non fosse una vena, ma un giacimento, e non oro, ma ferro, la situazione non è cambiata.

Il paese ancora emergente ha ottenuto il suo posto nel mondo e un percorso di civiltà che lo porterà ai cannoni Balaklava, al carro armato T-Z4 e al missile balistico intercontinentale Topol-M.
Risorse. Lavoro. Produzione. Arma.

Perché avendo risorse si arriva inevitabilmente alle armi. Oppure: qualcun altro viene per le tue risorse.
L'età del ferro iniziò nella Rus'.
Un secolo – o meglio, un millennio – di armi russe.

Un millennio in cui la spada si alzerà e cadrà di nuovo, dopo che il prossimo nemico sarà sconfitto e gettato via dalle foreste di betulle e dalle torbiere.

E i nemici non tardarono ad arrivare.
Infatti, nel X secolo la corsa agli armamenti dell’età del ferro stava già guadagnando slancio.

Il minerale di ferro si ottiene nel modo consueto: estrazione a cielo aperto o sotterranea e successivo trasporto alla preparazione iniziale, dove il materiale viene frantumato, lavato e lavorato.

Il minerale viene versato in un altoforno e fatto esplodere con aria calda e calore, che lo trasforma in ferro fuso. Viene quindi rimosso dal fondo del forno in stampi detti pig, dove si raffredda per produrre la ghisa. Viene trasformato in ferro battuto o trasformato in acciaio in diversi modi.

Cos'è l'acciaio?

In principio c'era il ferro. È uno dei Si può trovare un po' ovunque, combinato con tanti altri elementi, sotto forma di minerale. In Europa l'inizio della lavorazione del ferro risale al 1700 a.C.

Nel 1786, gli scienziati francesi Berthollet, Monge e Vandermonde determinarono con precisione che la differenza tra ferro, ghisa e acciaio era dovuta al diverso contenuto di carbonio. Tuttavia, l’acciaio, ricavato dal ferro, divenne rapidamente il metallo più importante della Rivoluzione Industriale. All’inizio del XX secolo la produzione globale di acciaio ammontava a 28 milioni di tonnellate, sei volte di più rispetto al 1880. All'inizio della prima guerra mondiale la sua produzione ammontava a 85 milioni di tonnellate. Nel giro di pochi decenni ha praticamente sostituito il ferro.

Attualmente sono più di 3.000 le marche catalogate (di composti chimici), senza contare quelle nate per soddisfare esigenze individuali. Tutti contribuiscono a rendere l’acciaio il materiale più adatto a risolvere le sfide del futuro.

Materie prime per la siderurgia: primarie e secondarie

La fusione di questo metallo utilizzando molti componenti è il metodo di estrazione più comune. I materiali di carica possono essere primari o secondari. La composizione principale della carica è solitamente costituita dal 55% di ghisa e dal 45% di rottami metallici rimanenti. Come elemento principale della lega vengono utilizzate ferroleghe, ghisa convertita e metalli tecnicamente puri; gli elementi secondari, di norma, comprendono tutti i tipi di metalli ferrosi;

Il minerale di ferro è la materia prima più importante e basilare nell'industria del ferro e dell'acciaio. Per produrre una tonnellata di ghisa sono necessarie circa 1,5 tonnellate di questo materiale. Per produrre una tonnellata di ghisa vengono utilizzate circa 450 tonnellate di coke. Molti impianti metallurgici addirittura usano

L’acqua è una materia prima importante per l’industria siderurgica. Viene utilizzato principalmente per l'indurimento del coke, il raffreddamento degli altiforni, la generazione di vapore per il funzionamento di apparecchiature idrauliche e lo smaltimento delle acque reflue. Per produrre una tonnellata di acciaio sono necessarie circa 4 tonnellate di aria. Il flusso viene utilizzato in un altoforno per rimuovere le impurità dal minerale di fusione. Calcare e dolomite si uniscono alle impurità estratte formando scorie.

Sia gli altiforni che quelli per l'acciaio sono rivestiti con materiali refrattari. Sono utilizzati per forni di rivestimento progettati per la fusione del minerale di ferro. Per lo stampaggio viene utilizzata silice o sabbia. Alluminio, cromo, cobalto, rame, piombo, manganese, molibdeno, nichel, stagno, tungsteno, zinco, vanadio, ecc. Sono utilizzati per produrre vari gradi di acciaio. Tra tutte queste ferroleghe, il manganese è ampiamente utilizzato nella fusione dell'acciaio.

Gli scarti di ferro ottenuti da strutture di impianti smantellati, macchinari, vecchi veicoli, ecc. vengono riciclati e ampiamente utilizzati in questo settore.

Ghisa per acciaio

La fusione dell'acciaio con la ghisa viene eseguita molto più spesso che con altri materiali. Ghisa è un termine che solitamente si riferisce alla ghisa grigia, tuttavia viene identificata anche con un folto gruppo di ferroleghe. Il carbonio costituisce circa dal 2,1 al 4% in peso, mentre il silicio tipicamente costituisce dall'1 al 3% in peso nella lega.

Il ferro e l'acciaio vengono fusi a un punto di fusione compreso tra 1150 e 1200 gradi, che è circa 300 gradi inferiore al punto di fusione del ferro puro. La ghisa presenta anche una buona fluidità, un'eccellente lavorabilità e resistenza alla deformazione, all'ossidazione e alla fusione.

L'acciaio è anche una lega di ferro con contenuto di carbonio variabile. Il contenuto di carbonio dell'acciaio varia dallo 0,2 al 2,1% in massa ed è il materiale di lega più economico per il ferro. La fusione dell'acciaio dalla ghisa è utile per una varietà di scopi ingegneristici e strutturali.

Minerale di ferro per acciaio

Il processo di fusione dell'acciaio inizia con la lavorazione del minerale di ferro. La roccia contenente il minerale di ferro viene frantumata. Il minerale viene estratto utilizzando rulli magnetici. Il minerale di ferro a grana fine viene trasformato in pezzi a grana grossa per l'utilizzo nell'altoforno. Il carbone viene purificato dalle impurità risultando in una forma quasi pura di carbonio. La miscela di minerale di ferro e carbone viene quindi riscaldata per produrre ferro fuso o ghisa, che viene utilizzata per produrre l'acciaio.

Nel forno principale a ossigeno, il minerale di ferro fuso è la materia prima principale e viene miscelato con quantità variabili di rottami di acciaio e leghe per produrre diversi gradi di acciaio. Un forno ad arco elettrico fonde i rottami di acciaio riciclato direttamente in nuovo acciaio. Circa il 12% dell’acciaio è costituito da materiale riciclato.

Tecnologia di fusione

La fusione è il processo mediante il quale un metallo viene ottenuto come elemento o come semplice composto dal suo minerale riscaldandolo al di sopra del suo punto di fusione, solitamente in presenza di agenti ossidanti come l'aria o agenti riducenti come il coke.

Nella tecnologia di produzione dell'acciaio, un metallo che si combina con l'ossigeno, come l'ossido di ferro, viene riscaldato ad alta temperatura e l'ossido si forma in combinazione con il carbonio nel carburante, che viene fuori come monossido di carbonio o anidride carbonica.
Altre impurità, chiamate collettivamente vene, vengono rimosse mediante l'aggiunta di un flusso con il quale si combinano per formare scorie.

La moderna fusione dell'acciaio utilizza un forno a riverbero. Il minerale concentrato e il flusso (solitamente calcare) vengono caricati nella parte superiore e il metallo fuso (un composto di rame, ferro, zolfo e scorie) viene estratto dal fondo. È necessario un secondo trattamento termico in un forno convertitore per rimuovere il ferro dalla superficie opaca.

Metodo del convettore di ossigeno

Il processo BOF è il processo di produzione dell’acciaio leader nel mondo. La produzione mondiale di acciaio da conversione nel 2003 è stata pari a 964,8 milioni di tonnellate, pari al 63,3% della produzione totale. La produzione di convertitori è fonte di inquinamento ambientale. Le sfide principali sono la riduzione delle emissioni, degli scarichi e la riduzione dei rifiuti. La loro essenza risiede nell'uso di energia secondaria e risorse materiali.

Il calore esotermico è generato dalle reazioni di ossidazione durante lo spurgo.

Il processo principale di produzione dell'acciaio utilizzando le nostre riserve:

• La ghisa fusa (a volte chiamata metallo caldo) proveniente da un altoforno viene versata in un grande contenitore rivestito ignifugo chiamato mestolo.
• Il metallo nella siviera viene inviato direttamente alla produzione principale dell'acciaio o alla fase di prelavorazione.
• L'ossigeno ad elevata purezza, ad una pressione di 700-1000 kilopascal, viene iniettato a velocità supersonica sulla superficie del bagno di ferro attraverso una lancia raffreddata ad acqua sospesa in un recipiente e tenuta diversi piedi sopra il bagno.

La decisione di pretrattare dipende dalla qualità del metallo caldo e dalla qualità finale dell'acciaio richiesta. I primissimi convertitori con fondo smontabile, che poteva essere staccato e riparato, sono ancora in uso. Le lance usate per soffiare sono state cambiate. Per evitare l'inceppamento della tubiera durante lo spurgo, sono stati utilizzati polsini a fessura con una lunga punta affusolata in rame. Le punte, dopo la combustione, bruciano la CO prodotta soffiando nella CO 2 e forniscono ulteriore calore. Per rimuovere le scorie vengono utilizzati dardi, sfere refrattarie e rilevatori di scorie.

Metodo della convezione dell'ossigeno: vantaggi e svantaggi

Non richiede costi per le apparecchiature di purificazione del gas, poiché la formazione di polvere, cioè l'evaporazione del ferro, viene ridotta di 3 volte. A causa della diminuzione della resa del ferro, si osserva un aumento della resa dell'acciaio liquido dell'1,5 - 2,5%. Un altro vantaggio è che l'intensità dello spurgo in questo metodo aumenta, il che consente di aumentare la produttività del convertitore del 18%. La qualità dell'acciaio è migliore perché la temperatura nella zona di soffiaggio è ridotta, il che porta ad una diminuzione della formazione di azoto.

Gli svantaggi di questo metodo di fusione dell'acciaio hanno portato ad una diminuzione della domanda di consumo, poiché il livello di consumo di ossigeno aumenta del 7% a causa dell'elevato consumo di combustione del carburante. Nel metallo lavorato il contenuto di idrogeno è maggiore, motivo per cui è necessario effettuare uno spurgo con ossigeno per un certo tempo dopo la fine del processo. Tra tutti i metodi, il metodo del convertitore di ossigeno presenta la più alta formazione di scorie, il motivo è l'incapacità di monitorare il processo di ossidazione all'interno dell'apparecchiatura.

Metodo del focolare aperto

Il processo a focolare aperto ha costituito la maggior parte della lavorazione di tutto l’acciaio prodotto nel mondo per gran parte del XX secolo. William Siemens nel 1860 cercò un mezzo per aumentare la temperatura in una fornace metallurgica, resuscitando una vecchia proposta di utilizzare il calore di scarto generato dalla fornace. Riscaldò il mattone ad alta temperatura, quindi utilizzò lo stesso percorso per introdurre l'aria nel forno. L'aria preriscaldata ha aumentato significativamente la temperatura della fiamma.

Come combustibile vengono utilizzati gas naturale o oli pesanti atomizzati; l'aria e il carburante vengono riscaldati prima della combustione. Il forno è caricato con graniglia di ferro liquido e rottami di acciaio insieme a minerale di ferro, calcare, dolomite e fondenti.

La stufa stessa è realizzata con materiali altamente refrattari, come i mattoni di magnesite per i focolari. I forni a suola aperta pesano fino a 600 tonnellate e sono generalmente installati in gruppi in modo che la massiccia attrezzatura ausiliaria necessaria per caricare i forni e lavorare l'acciaio liquido possa essere utilizzata in modo efficiente.

Sebbene il processo a focolare aperto sia stato quasi completamente sostituito nella maggior parte dei paesi industrializzati dal processo di base dell’ossigeno e dal forno elettrico ad arco, esso produce circa 1/6 di tutto l’acciaio prodotto a livello mondiale.

Vantaggi e svantaggi di questo metodo

I vantaggi includono la facilità d'uso e la facilità di produzione dell'acciaio legato con vari additivi che conferiscono al materiale varie proprietà specializzate. Gli additivi e le leghe necessari vengono aggiunti immediatamente prima della fine della fusione.

Gli svantaggi includono un'efficienza ridotta rispetto al metodo del convertitore di ossigeno. Inoltre, la qualità dell'acciaio è inferiore rispetto ad altri metodi di fusione dei metalli.

Metodo di produzione dell'acciaio elettrico

Il metodo moderno di fusione dell'acciaio utilizzando le proprie riserve è un forno che riscalda il materiale caricato utilizzando un arco elettrico. I forni ad arco industriali variano nelle dimensioni da piccole unità con una capacità di carico di circa una tonnellata (utilizzate nelle fonderie per produrre prodotti in ghisa) a unità da 400 tonnellate utilizzate nella metallurgia secondaria.

I forni ad arco utilizzati nei laboratori di ricerca possono avere una capacità di poche decine di grammi. Le temperature dei forni elettrici ad arco industriali possono raggiungere i 1800 °C (3.272 °F), mentre le installazioni di laboratorio possono superare i 3000 °C (5432 °F).

I forni ad arco differiscono dai forni a induzione in quanto il materiale caricato è direttamente esposto all'arco elettrico e la corrente nei terminali passa attraverso il materiale caricato. Il forno elettrico ad arco viene utilizzato per la produzione dell'acciaio, è costituito da un rivestimento refrattario, solitamente raffreddato ad acqua, è di grandi dimensioni, e coperto da un tetto retrattile.

Il forno è suddiviso principalmente in tre sezioni:

• Guscio costituito da pareti laterali e vasca inferiore in acciaio.
• Il focolare è costituito da un refrattario che prolunga la vasca inferiore.
• Il tetto rivestito di fuoco o raffreddato ad acqua può essere progettato come sezione sferica o come tronco di cono (sezione conica).

Vantaggi e svantaggi del metodo

Questo metodo occupa una posizione di leadership nel campo della produzione dell'acciaio. Il metodo di fusione dell'acciaio viene utilizzato per creare un metallo di alta qualità che è completamente privo o contiene piccole quantità di impurità indesiderate come zolfo, fosforo e ossigeno.

Il vantaggio principale del metodo è il riscaldamento, grazie al quale è possibile controllare facilmente la temperatura di fusione e ottenere velocità di riscaldamento incredibili per il metallo. Il lavoro automatizzato sarà una piacevole aggiunta all'eccellente opportunità per la lavorazione di alta qualità di vari rottami metallici.

Gli svantaggi includono un elevato consumo di energia.

Il ferro costituisce più del 5% della crosta terrestre. I principali minerali utilizzati per estrarre il ferro sono l'ematite e la magnetite. Questi minerali contengono dal 20 al 70% di ferro. Le impurità di ferro più importanti presenti in questi minerali sono la sabbia e l'allumina (ossido di alluminio).

Il nucleo della Terra

Sulla base di prove indirette, possiamo concludere che il nucleo della Terra è principalmente una lega di ferro. Il suo raggio è di circa 3470 km, mentre il raggio della Terra è di 6370 km. Il nucleo interno della Terra sembra essere solido e ha un raggio di circa 1.200 km. È circondato da un nucleo esterno liquido. Il flusso turbolento del fluido in questa parte del nucleo crea il campo magnetico terrestre. La pressione all'interno del nucleo varia da 1,3 a 3,5 milioni di atmosfere e la temperatura varia da

Sebbene sia stato accertato che il nucleo della Terra è composto principalmente da ferro, la sua esatta composizione non è nota. Si stima che dall'8 al 10% della massa del nucleo terrestre sia costituita da elementi come nichel, zolfo (sotto forma di solfuro di ferro), ossigeno (sotto forma di ossido di ferro) e silicio (sotto forma di solfuro di ferro). siliciuro di ferro).

Almeno 12 paesi nel mondo hanno riserve accertate di minerale di ferro che superano il miliardo di tonnellate. Questi paesi includono Australia, Canada, Stati Uniti, Sud Africa, India, URSS e Francia. Il livello globale di produzione di acciaio raggiunge attualmente i 700 milioni di tonnellate. I principali produttori di acciaio sono l'URSS, gli Stati Uniti e il Giappone, ciascuno di questi paesi produce più di 100 milioni di tonnellate di acciaio all'anno. In Gran Bretagna il livello di produzione dell'acciaio è di 20 milioni di tonnellate all'anno.

Produzione di ferro

L'estrazione del ferro dal minerale di ferro viene effettuata in due fasi. Si inizia con la preparazione del minerale: macinazione e riscaldamento. Il minerale viene frantumato in pezzi di diametro non superiore a 10 cm. Il minerale frantumato viene quindi calcinato per rimuovere l'acqua e le impurità volatili.

Nella seconda fase, il minerale di ferro viene ridotto a ferro utilizzando monossido di carbonio in un altoforno (Fig. 14.12). La riduzione viene effettuata a temperature di circa 700°C:

Per aumentare la resa del ferro, questo processo viene effettuato in condizioni di eccesso di anidride carbonica.

Il monossido di carbonio CO si forma in un altoforno da coke e aria. L'aria viene prima riscaldata a circa 600 °C e forzata nel forno attraverso un tubo speciale, una tubiera. Il coke brucia nell'aria compressa calda per formare anidride carbonica. Questa reazione è esotermica e provoca un aumento della temperatura oltre i 1700 °C:

L'anidride carbonica sale nel forno e reagisce con più coke per formare monossido di carbonio. Questa reazione è endotermica:

Riso. 14.12. Altoforno, 1 - minerale di ferro, calcare, coke, 2 cono di caricamento (in alto), 3 - gas superiore, 4 - muratura del forno, 5 - zona di riduzione dell'ossido di ferro, 6 - zona di formazione di scorie, 7 - zona di combustione del coke, 8 - iniezione di aria riscaldata attraverso tubiere, 9 - ferro fuso, 10 - scorie fuse.

Il ferro formato durante la riduzione del minerale è contaminato da impurità di sabbia e allumina (vedi sopra). Per rimuoverli, nel forno viene aggiunto del calcare. Alle temperature esistenti nel forno, il calcare subisce una decomposizione termica con formazione di ossido di calcio e anidride carbonica:

L'ossido di calcio si combina con le impurità per formare scorie. Le scorie contengono silicato di calcio e alluminato di calcio:

Il ferro fonde a 1540°C (vedi Tabella 14.2). Il ferro fuso insieme alle scorie fuse confluiscono nella parte inferiore del forno. Le scorie fuse galleggiano sulla superficie del ferro fuso. Ciascuno di questi strati viene periodicamente rilasciato dal forno al livello appropriato.

L'altoforno funziona 24 ore su 24, in modalità continua. Le materie prime per il processo dell'altoforno sono minerale di ferro, coke e calcare. Vengono costantemente introdotti nel forno dall'alto. Il ferro viene rilasciato dalla fornace quattro volte al giorno, a intervalli regolari. Fuoriesce dalla fornace in un flusso infuocato ad una temperatura di circa 1500 °C. Gli altiforni sono disponibili in diverse dimensioni e produttività (1.000-3.000 tonnellate al giorno). Negli Stati Uniti ci sono alcuni nuovi modelli di forni con

quattro uscite e rilascio continuo di ferro fuso. Tali forni hanno una capacità fino a 10.000 tonnellate al giorno.

Il ferro fuso in un altoforno viene colato in stampi di sabbia. Questo tipo di ferro è chiamato ghisa. Il contenuto di ferro nella ghisa è di circa il 95%. La ghisa è una sostanza dura ma fragile con un punto di fusione di circa 1200 °C.

La ghisa viene prodotta fondendo una miscela di ghisa, rottami metallici e acciaio con coke. Il ferro fuso viene versato negli stampi e raffreddato.

Il ferro battuto è la forma più pura del ferro industriale. Viene prodotto riscaldando il ferro grezzo con ematite e calcare in un forno fusorio. Ciò aumenta la purezza del ferro a circa il 99,5%. Il suo punto di fusione sale a 1400 °C. Il ferro battuto ha grande resistenza, malleabilità e duttilità. Tuttavia, per molte applicazioni viene sostituito dall'acciaio dolce (vedi sotto).

Produzione di acciaio

Gli acciai si dividono in due tipologie. Gli acciai al carbonio contengono fino all'1,5% di carbonio. Gli acciai legati contengono non solo piccole quantità di carbonio, ma anche impurità (additivi) di altri metalli appositamente introdotte. I diversi tipi di acciai, le loro proprietà e applicazioni sono discussi in dettaglio di seguito.

Processo di conversione dell'ossigeno. Negli ultimi decenni, la produzione dell’acciaio è stata rivoluzionata dallo sviluppo del processo basico all’ossigeno (noto anche come processo Linz-Donawitz). Questo processo iniziò ad essere utilizzato nel 1953 nelle acciaierie di due centri metallurgici austriaci: Linz e Donawitz.

Il processo del convertitore di ossigeno utilizza un convertitore di ossigeno con un rivestimento principale (muratura) (Fig. 14.13). Il convertitore viene caricato in posizione inclinata

Riso. 14.13. Convertitore per la fusione dell'acciaio, 1 - ossigeno e 2 - tubo raffreddato ad acqua per l'esplosione di ossigeno, 3 - scorie. Corpo a 4 assi, 5 in acciaio fuso, 6 in acciaio.

ghisa fusa dal forno fusorio e rottami metallici, quindi riportati in posizione verticale. Successivamente, un tubo di rame raffreddato ad acqua viene inserito dall'alto nel convertitore e attraverso di esso un flusso di ossigeno misto a calce in polvere viene diretto sulla superficie del ferro fuso. Questo “spurgo di ossigeno”, che dura 20 minuti, porta ad un'intensa ossidazione delle impurità di ferro e il contenuto del convertitore rimane liquido a causa del rilascio di energia durante la reazione di ossidazione. Gli ossidi risultanti si combinano con la calce e si trasformano in scorie. Il tubo di rame viene quindi estratto e il convertitore viene inclinato per drenare le scorie. Dopo ripetuti soffiaggi, l'acciaio fuso viene versato dal convertitore (in posizione inclinata) in una siviera.

Il processo di conversione dell'ossigeno viene utilizzato principalmente per produrre acciai al carbonio. È caratterizzato da un'elevata produttività. In 40-45 minuti è possibile produrre 300-350 tonnellate di acciaio in un convertitore.

Attualmente, tutto l’acciaio nel Regno Unito e la maggior parte dell’acciaio nel mondo vengono prodotti utilizzando questo processo.

Processo di produzione dell'acciaio elettrico. I forni elettrici vengono utilizzati principalmente per convertire rottami di acciaio e ghisa in acciai legati di alta qualità come l'acciaio inossidabile. Il forno elettrico è una vasca rotonda profonda rivestita di mattoni refrattari. Il forno viene caricato con rottami metallici attraverso il coperchio aperto, quindi il coperchio viene chiuso e gli elettrodi vengono abbassati nel forno attraverso i fori presenti fino a quando non entrano in contatto con i rottami metallici. Successivamente, la corrente viene attivata. Tra gli elettrodi si forma un arco in cui si sviluppa una temperatura superiore a 3000 °C. A questa temperatura il metallo fonde e si forma nuovo acciaio. Ogni carico del forno consente di produrre 25-50 tonnellate di acciaio.

Tecnologia della produzione del ferro nell'antichità

Per ottenere il ferro dal minerale, devi prima ottenere kritsa. Per questo, è stato inizialmente utilizzato il minerale di ferro ossidato, che molto spesso si trova vicino alla superficie. Dopo la scoperta delle sue proprietà, tali giacimenti si esaurirono rapidamente a causa del loro intenso sviluppo.

I minerali palustri sono molto più diffusi. Si sono formati nel periodo subatlantico, quando, durante il processo di impaludamento, il minerale di ferro si è depositato sul fondo dei bacini idrici. Per tutto il Medioevo, la metallurgia ferrosa utilizzava minerali di palude. Con loro pagavano anche i dazi. La produzione di ferro dal minerale in quantità relativamente grandi divenne possibile dopo l'invenzione del forno per il formaggio. Questo nome è apparso dopo l'invenzione del getto d'aria riscaldata negli altiforni. Nei tempi antichi, i metallurgisti alimentavano la fucina con aria grezza (fredda). A una temperatura di 900 o, con l'aiuto dell'anidride carbonica, che rimuove l'ossigeno dall'ossido di ferro, il ferro viene ridotto dal minerale e si ottiene un impasto o un pezzo poroso informe imbevuto di scorie: kritsa. Per eseguire questo processo era necessario il carbone come fonte di anidride carbonica. La kritsa veniva poi forgiata per rimuoverne le scorie. Il metodo di produzione del formaggio, a volte chiamato fusione del ferro, è antieconomico, ma per molto tempo è rimasto l'unico e immutato metodo per ottenere il metallo ferroso.

Inizialmente il ferro veniva fuso in normali fosse, chiuse superiormente, successivamente si iniziarono a costruire forni per l'argilla; Il minerale e il carbone frantumati venivano caricati a strati nello spazio di lavoro della fucina, tutto questo veniva dato alle fiamme e l'aria veniva forzata attraverso i fori degli ugelli con speciali soffietti (in pelle). La roccia si deposita in scorie ad una temperatura di 1300-1400 o, alla quale si ottiene l'acciaio - ferro contenente dallo 0,3 all'1,2%. carbonio. Raffreddandosi diventa molto duro. Per ottenere la ghisa - ferro fusibile con un contenuto di carbonio dell'1,5-5% - è necessaria una struttura della fucina più complessa con un ampio spazio di lavoro. In questo caso il punto di fusione del ferro era più basso e fuoriusciva parzialmente dal forno insieme alle scorie. Quando si è raffreddato è diventato fragile e all'inizio è stato buttato via, ma poi hanno imparato a usarlo. Per produrre ferro malleabile dalla ghisa, è necessario rimuovere il carbonio da essa.

Il primo dispositivo per ottenere il ferro dal minerale era un forno per formaggio usa e getta. Con un numero enorme di svantaggi, per molto tempo questo è stato l'unico modo per ottenere il metallo dal minerale.

Gli antichi vivevano riccamente e felicemente per molto tempo: le asce di pietra erano fatte di diaspro e la malachite veniva bruciata per ottenere il rame, ma tutte le cose buone tendono a finire. Uno dei motivi del crollo dell'antica civiltà del Mediterraneo fu l'esaurimento delle risorse minerarie. L’oro non finì nel tesoro, ma negli abissi; lo stagno finì anche sulle “Isole dello Stagno”. Sebbene il rame venga ancora estratto nel Sinai e a Cipro, i giacimenti che si stanno sviluppando ora non erano disponibili per i romani. Tra l’altro è esaurito anche il minerale adatto alla lavorazione del formaggio. C'era ancora molto piombo.

Tuttavia, le tribù barbare che colonizzarono l'Europa, diventata senza proprietari, non sapevano per molto tempo che le sue risorse minerarie erano state esaurite dai loro predecessori. Dato il forte calo della produzione dei metalli, le risorse che i romani disdegnavano furono sufficienti per molto tempo. Successivamente la metallurgia cominciò a rinascere soprattutto in Germania e nella Repubblica Ceca, cioè dove i romani non arrivavano con picconi e carriole.

Uno stadio più elevato nello sviluppo della metallurgia ferrosa era rappresentato dagli alti forni permanenti chiamati forni per stucco in Europa. Era davvero una stufa alta, con un tubo di quattro metri per migliorare la trazione. Il soffietto della stuccatrice veniva già fatto oscillare da più persone e talvolta da un motore idraulico. Lo Stukofen aveva porte attraverso le quali la kritsa veniva rimossa una volta al giorno.

Gli Stukofen furono inventati in India all'inizio del primo millennio a.C. All'inizio della nostra era arrivarono in Cina e nel VII secolo, insieme ai numeri "arabi", gli arabi presero in prestito questa tecnologia dall'India. Alla fine del XIII secolo gli Stuktofens iniziarono ad apparire in Germania e nella Repubblica Ceca (e prima ancora nel sud della Spagna) e nel secolo successivo si diffusero in tutta Europa.

La produttività dello stukofen era incomparabilmente superiore a quella di un forno per la soffiatura del formaggio: produceva fino a 250 kg di ferro al giorno e la temperatura di fusione al suo interno era sufficiente per carburare parte del ferro allo stato di ghisa. Tuttavia, quando la fornace fu fermata, la ghisa stuccata si congelò sul fondo, mescolandosi con le scorie, e in quel momento si poteva pulire il metallo dalle scorie solo mediante forgiatura, ma la ghisa non si prestava a questo. Doveva essere buttato via.

A volte, tuttavia, si cercava di trovare un qualche utilizzo per la ghisa in gesso. Ad esempio, gli antichi indù lanciavano bare dalla ghisa sporca e i turchi all'inizio del XIX secolo lanciavano palle di cannone. È difficile giudicare come siano le bare, ma le palle di cannone che ne sono uscite erano proprio così così.

Le palle di cannone furono lanciate da scorie ferrose in Europa alla fine del XVI secolo. Le strade erano realizzate con pietre per lastricati. A Nizhny Tagil sono ancora conservati edifici con fondamenta costituite da blocchi di scorie colate.

I metallurgisti hanno da tempo notato un legame tra la temperatura di fusione e la resa del prodotto: quanto più questa era elevata, tanto più si poteva recuperare la maggior parte del ferro contenuto nel minerale. Pertanto, prima o poi è venuta l'idea di accelerare lo stukofen preriscaldando l'aria e aumentando l'altezza del tubo. A metà del XV secolo, in Europa apparve un nuovo tipo di forno: il blauofen, che diede immediatamente ai produttori di acciaio una spiacevole sorpresa.

La temperatura di fusione più elevata ha effettivamente aumentato in modo significativo la resa di ferro dal minerale, ma ha anche aumentato la proporzione di ferro che è stata carburata allo stato di ghisa. Ora, non il 10%, come nella stuccatrice, ma il 30% della produzione era ghisa - "ghisa di maiale", non adatta a nessuno scopo. Di conseguenza, i guadagni spesso non hanno ripagato la modernizzazione.

La ghisa Blauofen, come la ghisa a stucco, si solidifica sul fondo del forno, mescolandosi con le scorie. Il risultato è stato leggermente migliore, poiché ce n'era di più, quindi il contenuto relativo di scorie era inferiore, ma continuava a rimanere inadatto alla fusione. La ghisa ottenuta dal blauofen si rivelò piuttosto resistente, ma rimase comunque molto eterogenea: ne uscirono solo oggetti semplici e ruvidi: mazze, incudini. Stavano già uscendo parecchie palle di cannone.

Inoltre, se nei forni per la soffiatura del formaggio si poteva ottenere solo ferro, che veniva poi carburato, allora in stukofen e blauofen gli strati esterni di kritsa risultavano essere in acciaio. Nei blauofen krits c'era ancora più acciaio che ferro. Da un lato, questo sembrava buono, ma si è rivelato molto difficile separare acciaio e ferro. Il contenuto di carbonio stava diventando difficile da controllare. Solo la forgiatura lunga potrebbe raggiungere l'uniformità della sua distribuzione.

Un tempo, di fronte a queste difficoltà, gli indiani non si spostarono oltre, ma iniziarono ad affinare la tecnologia e arrivarono alla produzione dell'acciaio damascato. Ma gli indiani a quel tempo non erano interessati alla quantità, ma alla qualità del prodotto. Gli europei, sperimentando con la ghisa, scoprirono presto un processo di conversione che elevò la metallurgia del ferro a un livello qualitativamente nuovo.

La fase successiva nello sviluppo della metallurgia fu la comparsa degli altiforni. A causa dell'aumento delle dimensioni, del preriscaldamento dell'aria e dell'esplosione meccanica, in tale forno tutto il ferro del minerale veniva convertito in ghisa, che veniva fusa e periodicamente rilasciata all'esterno. La produzione è diventata continua: la fornace ha funzionato 24 ore su 24 e non si è raffreddata. Produceva fino a una tonnellata e mezza di ghisa al giorno. Distillare la ghisa in ferro nelle fucine era molto più semplice che estrarla dalla kritsa, sebbene la forgiatura fosse ancora necessaria - ma ora stavano estraendo le scorie dal ferro e non il ferro dalle scorie.

Gli altiforni furono utilizzati per la prima volta a cavallo tra il XV e il XVI secolo in Europa. In Medio Oriente e in India questa tecnologia è apparsa solo nel XIX secolo (in larga misura, probabilmente perché il motore idraulico non veniva utilizzato a causa della caratteristica scarsità d'acqua del Medio Oriente). La presenza di altiforni in Europa gli permise di superare la Turchia nel XVI secolo, se non nella qualità del metallo, almeno nel pozzo. Ciò ha avuto un'indubbia influenza sull'esito della lotta, soprattutto quando si è scoperto che i cannoni potevano essere fusi dalla ghisa.

Dall'inizio del XVII secolo, la Svezia divenne la fucina europea, producendo la metà del ferro europeo. A metà del XVIII secolo, il suo ruolo in questo senso iniziò a diminuire rapidamente a causa di un'altra invenzione: l'uso del carbone nella metallurgia.

Innanzitutto va detto che fino al XVIII secolo compreso, il carbone non veniva praticamente utilizzato nella metallurgia, a causa dell'alto contenuto di impurità dannose per la qualità del prodotto, principalmente lo zolfo. Dal XVII secolo in Inghilterra, il carbone cominciò ad essere utilizzato nei forni di ricottura della ghisa, ma ciò consentì di ottenere solo piccoli risparmi sul carbone: la maggior parte del combustibile veniva speso per la fusione, dove era impossibile escludere il contatto con carbone con minerale.

Tra i tanti mestieri metallurgici dell'epoca, forse il mestiere più difficile era quello del pozzanghere. Il budino è stato il metodo principale per ottenere il ferro per quasi tutto il XIX secolo. È stato un processo molto difficile e dispendioso in termini di tempo. Il lavoro sotto di lui andava così: la ghisa veniva caricata sul fondo della fornace ardente; erano sciolti. Man mano che il carbonio e altre impurità bruciavano dal metallo, la temperatura di fusione del metallo aumentava e i cristalli di ferro abbastanza puro cominciavano a “congelarsi” dal liquido fuso. Un grumo di massa appiccicosa simile a un impasto raccolto sul fondo del forno. Gli addetti al puddellaggio iniziarono l'operazione di stendere la pasta utilizzando un rottame di ferro. Mescolando la massa di metallo con un piede di porco, cercarono di raccogliere un pezzo di ferro, o kritsa, attorno al piede di porco. Un tale pezzo pesava fino a 50-80 kg o più. La kritsa veniva estratta dalla fornace e alimentata direttamente sotto il martello, per la forgiatura al fine di rimuovere le particelle di scorie e compattare il metallo.

Impararono ad eliminare lo zolfo mediante coke in Inghilterra nel 1735, dopo di che divenne possibile utilizzare grandi riserve di carbone per fondere il ferro. Ma al di fuori dell’Inghilterra, questa tecnologia si diffuse solo nel XIX secolo.

Già allora il consumo di carburante nella metallurgia era enorme: l'altoforno consumava un carico di carbone all'ora. Il carbone è diventato una risorsa strategica. È stata l'abbondanza di legno nella stessa Svezia e nella sua Finlandia che ha permesso agli svedesi di sviluppare la produzione su tale scala. Gli inglesi, che avevano meno foreste (e anche quelle erano riservate ai bisogni della flotta), furono costretti ad acquistare il ferro in Svezia finché non impararono a usare il carbone.

Metodi elettrici e ad induzione per la fusione del ferro

La varietà delle composizioni dell'acciaio rende la loro fusione molto difficile. Dopotutto, in un forno a focolare aperto e in un convertitore, l'atmosfera si ossida e elementi come il cromo si ossidano facilmente e si trasformano in scorie, ad es. sono persi. Ciò significa che per ottenere un acciaio con un contenuto di cromo del 18% è necessario immettere nel forno una quantità di cromo molto maggiore rispetto a 180 kg per tonnellata di acciaio. E il cromo è un metallo costoso. Come trovare una via d'uscita da questa situazione?

Una soluzione fu trovata all'inizio del XX secolo. È stato proposto di utilizzare il calore di un arco elettrico per fondere il metallo. I rottami metallici venivano caricati in un forno circolare, veniva versata la ghisa e venivano abbassati gli elettrodi di carbonio o grafite. Tra loro ed il metallo nel forno (“bagno”) si creava un arco elettrico con una temperatura di circa 4000°C. Il metallo si sciolse facilmente e rapidamente. E in un forno elettrico così chiuso puoi creare qualsiasi atmosfera: ossidante, riducente o completamente neutra. In altre parole, è possibile evitare che gli elementi preziosi si brucino. È così che è stata creata la metallurgia degli acciai di alta qualità.

Successivamente è stato proposto un altro metodo di fusione elettrica: l'induzione. È noto dalla fisica che se un conduttore metallico viene inserito in una bobina attraverso la quale passa una corrente ad alta frequenza, al suo interno viene indotta una corrente e il conduttore si riscalda. Questo calore è sufficiente per sciogliere il metallo entro un certo tempo. Un forno ad induzione è costituito da un crogiolo nel cui rivestimento è incorporata una spirale. Una corrente ad alta frequenza viene fatta passare attraverso la spirale e il metallo nel crogiolo si scioglie. In una stufa del genere puoi anche creare qualsiasi atmosfera.

Nei forni elettrici ad arco, il processo di fusione avviene solitamente in più fasi. Innanzitutto, le impurità non necessarie vengono bruciate dal metallo, ossidandole (periodo di ossidazione). Quindi le scorie contenenti gli ossidi di questi elementi vengono rimosse (scaricate) dal forno e vengono caricate le ferroleghe, leghe di ferro con elementi che devono essere introdotti nel metallo. Il forno è chiuso e la fusione prosegue senza accesso d'aria (periodo di recupero). Di conseguenza, l'acciaio è saturo degli elementi richiesti in una determinata quantità. Il metallo finito viene rilasciato in un mestolo e versato.

Reazioni chimiche nella produzione del ferro

Nell'industria moderna, il ferro è ottenuto dal minerale di ferro, principalmente dall'ematite (Fe 2 O 3) e dalla magnetite (Fe 3 O 4).

Esistono vari modi per estrarre il ferro dai minerali. Il più comune è il processo di dominio.

La prima fase della produzione è la riduzione del ferro con carbonio in un altoforno alla temperatura di 2000 °C. In un altoforno, il carbonio sotto forma di coke, il minerale di ferro sotto forma di agglomerato o pellet e il flusso (come il calcare) vengono alimentati dall'alto e vengono accolti da un flusso di aria calda forzata dal basso.

Nel forno, il carbonio nel coke viene ossidato in monossido di carbonio (monossido di carbonio) dall'ossigeno atmosferico:

2C+O2→2CO.

A sua volta, il monossido di carbonio riduce il ferro dal minerale:

3CO + Fe2O3 → 2Fe + 3CO2.

Il flusso viene aggiunto per estrarre le impurità indesiderate dal minerale, principalmente silicati come il quarzo (biossido di silicio). Un tipico flusso contiene calcare (carbonato di calcio) e dolomite (carbonato di magnesio). Altri flussi vengono utilizzati contro altre impurità.

Effetto del fondente: il carbonato di calcio si decompone sotto l'influenza del calore in ossido di calcio (calce viva):

CaCO3 → CaO + CO2 .

L'ossido di calcio si combina con il biossido di silicio per formare scorie:

CaO + SiO2 → CaSiO3.

Le scorie, a differenza del biossido di silicio, vengono sciolte in una fornace. Le scorie, più leggere del ferro, galleggiano in superficie e possono essere drenate separatamente dal metallo. Le scorie vengono poi utilizzate nell'edilizia e nell'agricoltura. Il ferro fuso prodotto in un altoforno contiene una notevole quantità di carbonio (ghisa). Tranne nei casi in cui la ghisa viene utilizzata direttamente, richiede un'ulteriore lavorazione.

Il carbonio in eccesso e altre impurità (zolfo, fosforo) vengono rimossi dalla ghisa mediante ossidazione in forni a focolare aperto o convertitori. I forni elettrici vengono utilizzati anche per la fusione degli acciai legati.

Oltre al processo di altoforno, è comune il processo di produzione diretta del ferro. In questo caso, il minerale prefrantumato viene mescolato con argilla speciale, formando pellet. I pellet vengono cotti e trattati in un forno a tino con prodotti caldi di conversione del metano contenenti idrogeno. L'idrogeno riduce facilmente il ferro senza contaminare il ferro con impurità come zolfo e fosforo, impurità comuni nel carbone. Il ferro si ottiene in forma solida e viene successivamente fuso in forni elettrici.

Il ferro chimicamente puro si ottiene per elettrolisi di soluzioni dei suoi sali.