Kaip išlydyti geležį iš rūdos. Kaip kasama geležies rūda ir lydomas plienas. Nuo smeigtuko iki lėktuvo

Geležies rūdą žmonės pradėjo kasti prieš daugelį šimtmečių. Jau tada geležies naudojimo nauda tapo akivaizdi.

Rasti mineralinių darinių, kuriuose yra geležies, yra gana lengva, nes šis elementas sudaro apie penkis procentus žemės plutos. Apskritai geležis yra ketvirtas pagal gausumą elementas gamtoje.

Neįmanoma rasti grynos geležies, randama tam tikrais kiekiais daugelio rūšių uolienose. Geležies rūda turi didžiausią geležies kiekį, iš kurios metalo gavyba yra ekonomiškai naudingiausia. Geležies kiekis jame priklauso nuo jos kilmės, kurios normali dalis yra apie 15%.

Cheminė sudėtis

Geležies rūdos savybės, vertė ir savybės tiesiogiai priklauso nuo jos cheminės sudėties. Geležies rūdoje gali būti įvairaus kiekio geležies ir kitų priemaišų. Priklausomai nuo to, yra keletas tipų:

• labai turtingas, kai geležies kiekis rūdose viršija 65%;
• turtingas, kuriame geležies procentas svyruoja nuo 60% iki 65%;
• vidutinis, nuo 45% ir daugiau;
• prastas, kuriame naudingų elementų procentas neviršija 45%.

Kuo daugiau šalutinių produktų yra geležies rūdoje, tuo daugiau energijos reikia jai apdoroti, o gatavų produktų gamyba yra mažiau efektyvi.

Uolienos sudėtis gali būti įvairių mineralų, atliekų ir kitų šalutinių produktų derinys, kurių santykis priklauso nuo jos telkinio.

Magnetinės rūdos išsiskiria tuo, kad yra pagamintos iš oksido, turinčio magnetinių savybių, tačiau stipriai kaitinant jos prarandamos. Šios rūšies uolienų kiekis gamtoje yra ribotas, tačiau geležies kiekis joje gali prilygti raudonajai geležies rūdai. Iš išorės jis atrodo kaip kieti juodai mėlyni kristalai.

Sparinė geležies rūda yra siderito pagrindu pagaminta rūdos uoliena. Labai dažnai jame yra nemažas kiekis molio. Šios rūšies uolienų gamtoje gana sunku rasti, todėl dėl mažo geležies kiekio ji retai naudojama. Todėl neįmanoma jų priskirti pramoninėms rūdų rūšims.

Be oksidų, gamtoje yra ir kitų silikatų ir karbonatų rūdų. Geležies kiekis uolienoje yra labai svarbus pramoniniam naudojimui, bet taip pat svarbu, kad būtų naudingų šalutinių elementų, tokių kaip nikelis, magnis ir molibdenas.

Programos

Geležies rūdos taikymo sritis beveik visiškai apsiriboja metalurgija. Jis daugiausia naudojamas ketaus lydymui, kuris kasamas naudojant atviro židinio arba konverterines krosnis. Šiandien ketus naudojamas įvairiose žmogaus veiklos srityse, įskaitant daugumą pramoninės gamybos rūšių.

Ne mažiau naudojami įvairūs lydiniai geležies pagrindu – plienas dėl savo stiprumo ir antikorozinių savybių yra plačiausiai naudojamas.

Ketaus, plienas ir įvairūs kiti geležies lydiniai naudojami:

1. Mechaninė inžinerija, skirta įvairių mašinų ir prietaisų gamybai.
2. Automobilių pramonė, skirta variklių, korpusų, rėmų, taip pat kitų komponentų ir dalių gamybai.
3. Karinė ir raketų pramonė, specialios įrangos, ginklų ir raketų gamyba.
4. Konstrukcija, kaip armuojantis elementas arba laikančiųjų konstrukcijų konstrukcija.
5. Lengvoji ir maisto pramonė, kaip konteineriai, gamybos linijos, įvairūs agregatai ir įrenginiai.
6. Kasybos pramonė, kaip specialios mašinos ir įrenginiai.

Geležies rūdos telkiniai

Pasaulio geležies rūdos atsargų kiekis ir vieta yra riboti. Rūdos atsargų kaupimo teritorijos vadinamos telkiniais. Šiandien geležies rūdos telkiniai skirstomi į:

1. Endogeninis. Jiems būdinga ypatinga vieta žemės plutoje, dažniausiai titanomagnetito rūdų pavidalu. Tokių inkliuzų formos ir vietos yra įvairios, gali būti lęšių pavidalo, sluoksnių, išsidėsčiusių žemės plutoje nuosėdų pavidalu, vulkaninių nuosėdų, įvairių gyslų ir kitų netaisyklingų formų.
2. Egzogeninis. Ši rūšis apima rudos geležies rūdos ir kitų nuosėdinių uolienų telkinius.
3. Metamorfogeninis. Kurie apima kvarcito nuosėdas.

Tokių rūdų telkinių galima rasti visoje mūsų planetoje. Daugiausia telkinių sutelkta posovietinių respublikų teritorijoje. Ypač Ukraina, Rusija ir Kazachstanas.

Tokios šalys kaip Brazilija, Kanada, Australija, JAV, Indija ir Pietų Afrika turi didelius geležies atsargas. Tuo pačiu metu beveik kiekviena pasaulio šalis turi savo išsivysčiusius telkinius, kurių pritrūkus, veislė įvežama iš kitų šalių.

Geležies rūdos sodrinimas

Kaip minėta, yra keletas rūdų rūšių. Turtingus galima apdoroti iš karto po ištraukimo iš žemės plutos, kitus reikia sodrinti. Be sodrinimo proceso, rūdos apdorojimas apima kelis etapus, tokius kaip rūšiavimas, smulkinimas, atskyrimas ir aglomeravimas.

Šiandien yra keletas pagrindinių sodrinimo būdų:

1. Paraudimas.

Jis naudojamas rūdoms valyti iš šalutinių produktų molio arba smėlio pavidalu, kurie išplaunami aukšto slėgio vandens srove. Ši operacija leidžia padidinti geležies kiekį žemos kokybės rūdoje maždaug 5%. Todėl jis naudojamas tik kartu su kitais sodrinimo būdais.

1. Gravitacinis valymas.

Tai atliekama naudojant specialias suspensijų rūšis, kurių tankis viršija atliekų tankį, bet yra mažesnis už geležies tankį. Veikiami gravitacinių jėgų, šalutiniai produktai kyla į viršų, o geležis nukrenta į pakabos apačią.

1. Magnetinis atskyrimas.

Labiausiai paplitęs sodrinimo metodas, pagrįstas skirtingais magnetinių jėgų poveikio rūdiniais komponentais suvokimo lygiais. Toks atskyrimas gali būti atliekamas naudojant sausą uolieną, šlapią uolieną arba alternatyvų dviejų jų būsenų derinį.

Sausiems ir drėgniems mišiniams apdoroti naudojami specialūs būgnai su elektromagnetais.

1. Flotacija.

Taikant šį metodą, susmulkinta rūda dulkių pavidalu panardinama į vandenį, pridedant specialios medžiagos (flotacijos reagento) ir oro. Veikiant reagentui, geležis prisijungia prie oro burbuliukų ir pakyla į vandens paviršių, o atliekos nugrimzta į dugną. Geležies turintys komponentai surenkami nuo paviršiaus putų pavidalu.

Geležies gamyba Rusijoje buvo žinoma nuo neatmenamų laikų. Dėl archeologinių kasinėjimų vietovėse, esančiose šalia Novgorodo, Vladimiro, Jaroslavlio, Pskovo, Smolensko, Riazanės, Muromo, Tulos, Kijevo, Vyšgorodo, Perejaslavlio, Vžiščio, taip pat Ladogos ežero ir kitose vietose, šimtai buvo aptikta vietų su lydymosi katilų liekanomis, sūrio krosnys, vadinamosios „vilko duobės“ ir atitinkami senovės metalurgijos gamybos įrankiai. Vienoje iš vilkų duobių, iškastoje geležies lydymui, netoli Podmokloje kaimo pietinėje Maskvos srities anglies baseino dalyje, buvo rasta moneta, datuota 189 musulmonų eros, kuri atitinka IX amžiaus pradžią. chronologija. Tai reiškia, kad jie mokėjo lydyti geležį Rusijos nugaroje tais tolimais, giliai ikikrikščioniškais laikais.

Rusijos žmonių vardai tiesiogine prasme šaukia mums apie metalurgijos paplitimą visoje senovės Rusijos teritorijoje: Kuznecovas, Kovaliovas, Kovalas, Kovalenko, Kovalčiukas. Pagal paplitimą rusiškos „metalurginės“ pavardės galbūt konkuruoja net su archetipiniu anglu Johnu Smithu (kuris, tiesą sakant, kalvis, tai yra tas pats kalvis).

Tačiau bet kurio kardo ar patrankos vamzdžio kelias visada prasidėdavo daug anksčiau nei metalurgijos kalvė ir ypač kalvė. Bet koks metalas visų pirma yra kuras (anglis ar koksas jo lydymui), antra, žaliava jo gamybai.

Čia iš karto turiu pabrėžti. Kodėl degalai yra pagrindinė sąlyga, o pati geležies rūda taip drąsiai nustumiama į antrą planą? Viskas susiję su rūdos ir kuro, reikalingo geležies gamybai viduramžiais, transportavimo logistika.

Juk pagrindinis ir kokybiškiausias kuras viduramžių aukštos kokybės geležies lydymui buvo anglis.
Net ir dabar, šiuolaikiniame šviesuolio amžiuje, užduotis gauti kokybišką anglį anaiptol nėra tokia paprasta, kaip atrodo iš pirmo žvilgsnio.
Aukščiausios kokybės medžio anglis gaunama tik iš labai riboto skaičiaus medienos rūšių – iš visų gana retų ir lėtai augančių kietmedžių rūšių (ąžuolo, skroblo, buko) ir iš archetipinių. rusiškas beržas.
Jau iš spygliuočių medžių - pušų ar eglių anglys pasirodo daug trapesnės ir su dideliu smulkių ir anglies dulkių derliumi, o iš minkštalapės drebulės ar alksnio bandyti gauti geros anglies beveik neįmanoma - geros kokybės derlius. sumažėja beveik perpus, palyginti su ąžuolu.

Jei toje vietovėje, kurioje buvo rasta geležies telkinių, neužtekdavo miškų arba toje vietovėje miškus naikino ankstesnės kartos metalurgai, reikėjo išrasti įvairius ersacų pakaitalus.
Pavyzdžiui, Vidurinėje Azijoje, nepaisant aukštos kokybės geležies rūdos telkinių, mediena buvo sandari, todėl vietoj anglies reikėjo naudoti šį naujovišką kurą:

Jei kas nesupranta, tai yra karvės mėšlas. Tai gali būti arklys, ėriena, ožka ar asilas - tai nevaidina ypatingo vaidmens. Iš mėšlo rankomis minkome plokščius paplotėlius (kažkas panašaus į šitą), o paskui paguldėme džiūti saulėje.
Akivaizdu, kad tokioje situacijoje nereikėjo kalbėti apie kuro „sudėties pastovumą“, o liepsnos temperatūra degant tokiam „sudėtiniam kurui“ buvo daug žemesnė nei aukštos kokybės medžio anglies.

Kitas, daug technologiškai pažangesnis anglies pakaitalas, pasaulyje pasirodė daug vėliau. Mes, žinoma, kalbame apie koksas, kuria dabar remiasi visa šiuolaikinė juodoji metalurgija.
Kokso „išradimo“ istorija siekia tik du šimtus metų. Galų gale, kokso krosnies akumuliatorius, kuriame „sudegė anglys“, buvo pirmasis, galingiausias pramonės revoliucijos salvas. Būtent ji, kokso krosnies akumuliatorius, o ne naftos platforma sukūrė tą „anglies ir garų pasaulį“, kurį dabar mėgstame prisiminti knygose, filmuose ir anime apie steampunk.

Ilgai prieš pramonės revoliuciją Anglijoje jau buvo sukauptos turtingos anglies telkinės, kurios buvo naudojamos beveik vien tik namų šildymui. Rūdos lydymas Anglijoje, kaip ir daugelyje pasaulio vietų, buvo vykdomas tik su medžio anglimi. Tai įvyko dėl nemalonaus fakto, būdingo daugumai anglių - juose yra nemažai fosforo ir sieros, kurios labai kenkia kalvėje gaminamai geležiai.

Tačiau Didžioji Britanija yra sala. Ir galiausiai augantys anglies metalurgijos poreikiai, pranoko visas Anglijos miškų galimybes. Anglas Robinas Hudai tiesiog neturėjo kur slėptis- padidėjus geležies lydymui, beveik visi Foggy Albion miškai tapo niekais. Galiausiai tai tapo geležies gamybos stabdžiu, nes reikėjo lydyti didžiulis kiekis malkų: vienai tonai rūdos perdirbti - beveik 40 kubinių metrų žaliavinės medienos.
Didėjant geležies gamybai, iškilo grėsmė visiškam miškų sunaikinimui. Šalis buvo priversta importuoti metalą iš užsienio, daugiausia iš Rusijos ir Švedijos. Dėl anksčiau nurodytos priežasties bandymai panaudoti iškastinę anglį geležies lydymui ilgą laiką buvo nesėkmingi.
Tik 1735 metais gamintojas Abraham Derby po ilgametės patirties rado būdą, kaip lydyti ketų naudojant koksinę anglį. Tai buvo pergalė. Tačiau iki šios pergalės 9 mūsų eros amžiaus pradžioje buvo likę daugiau nei 900 metų.

Taigi, malkas (ar net baigtas anglis) vežkite į lygintuvą neveikia vien dėl proceso logistikos – reikia kuro 4-5 kartus viršija rūdos masę, o dar daugiau pagal tūrį – bent dešimt kartų. Geležį lengviau įpilti į kurą.

Senovės Rusijoje yra kuro ir yra daug. O aparatinė įranga Rusijos platformoje?
Tačiau kyla klausimų dėl aparatinės įrangos.
Aukštos kokybės geležies rūda ne Rusijos lygumoje.

Iškart išgirstu šūksnius: „O Kursko magnetinė anomalija? Aukščiausios kokybės magnetinės geležies rūdos pasaulyje!
Taip, vieni aukščiausios kokybės pasaulyje. Atidarytas 1931 m. Atsiradimo gylis - nuo 200 iki 600 metrų. Akivaizdu, kad užduotis nėra skirta technologijoms, kuriomis senovės slavai disponavo IX amžiuje. Dabar viskas atrodo gražiai, bet tuo metu šiuolaikinės geležies rūdos kasyklos paveikslas šiuolaikinei žmonijai buvo tarsi kelionė į Kentauro Alfą. Teoriškai tai įmanoma, bet praktiškai ne:

Dėl to IX amžiuje Rusijoje būtina pasirinkti ką nors, kas įtraukta į šį visų šiuo metu žmonijos naudojamų geležies rūdos sąrašą:

Magnetinė geležies rūda – daugiau nei 70% Fe formoje magnetitas Fe3O4 (pavyzdys: mūsų aprašyta Kursko magnetinė anomalija)
- raudonoji geležies rūda - 55-60% Fe pavidalu hematitas Fe2O3 (pavyzdys: vėl Kursko magnetinė anomalija arba Krivoy Rog baseinas)
- ruda geležies rūda (limonitas) - 35-55% Fe formoje hidroksido mišiniai geležies geležis Fe2O3-3H2O ir Fe2O3-H2O (pavyzdys: Ukrainos sugriautas Kerčės telkinys).
- geležies rūda - iki 40% Fe formoje karbonatas FeCO3 (pavyzdys: Bakalo telkinys)

Magnetitas ir hematitas guli giliai ant Rusijos platformos, ant jos visai nėra geležies rūdos.
Lieka rudoji geležies rūda (limonitas).
Žaliava, švelniai tariant, niūri – pažiūrėkit, kokia geležies koncentracija joje, bet juokingiausia, kad jos yra tuometinės Rusijos teritorijoje. beveik visur. Be to, stebuklingai pasirodo, kad šis „beveik visur“ yra arti tuometinio aukštos kokybės anglies kuro šaltinio - galingų Rusijos lygumos miškų.

Žinoma, mes kalbame apie durpynus ir limonitą, kuris taip pat dažnai vadinamas pelkės geležis.
Be pelkės geležies, jie turi panašią genezę pievos ir ežero geležis. Tačiau, kaip pamatysite vėliau, tokios geležies kasimas buvo pelningiausias pelkėje.

Norint suprasti tikrojo šio vietinio ištekliaus gavybos paplitimą Rusijoje, pakanka, kaip ir „metalurginių pavardžių“ atveju, tiesiog atsidaryti bet kurį geografinį žemėlapį ir pažvelgti į rusų, ukrainiečių, baltarusių ar. Lietuvos kaimai.
Ir iškart jus nustebins daugybė toponimų su žodžiais Guta, Buda, Ruda. Štai jų reikšmės:

Guta: stiklo lydymo gamykla
Rūda: pelkių geležies kasyba
Buda: kalio išgavimas iš augalų pelenų.

Tokių kaimų rasite visur – plačioje juostoje Polesės pelkėse – nuo ​​Bresto iki Sumų. Rusijoje buvo daug „pelkių rūdos“ šaltinių. „Pelkės geležis“ paprastai susidaro beveik visur, kur yra perėjimas iš deguonies turinčių dirvožemių į bedeguonį sluoksnį (būtent šių dviejų sluoksnių sandūroje).
Pelkėse ši riba yra tiesiog, skirtingai nuo kitų tipų reljefo, labai arti paviršiaus, todėl geležinius mazgus ten galima iškasti tiesiog kastuvu, tik pašalinant ploną pelkės augmenijos sluoksnį.

Štai kaip atrodo pelkinė geležis: .
Bet kaip tik tai išgelbėjo Rusą.

Patys pelkių geležies telkiniai yra klasikiniai talpyklos.
Talpyklos paprastai yra daug mažesnės telkiniai nei rūdos telkiniai, jų bendras tūris retai viršija dešimtis tūkstančių tonų (tuo tarpu rūdos telkiniuose gali būti milijonai ir milijardai tonų rūdos), tačiau rūdos telkinių kasyba paprastai yra daug paprastesnė nei rūdos telkinio kasimas.
Įdėklai paprastai gali būti sukurti beveik plikomis rankomis ir minimaliai susmulkinant uolieną, nes įdėklai dažniausiai būna jau sunaikintose nuosėdinėse uolienose.
Paprastai tai yra įprasta praktika: pirmiausia išgaunamos talpyklos, tada rūdos.
Be to, visiems metalams, mineralams ar junginiams.

Beje, „medinė skarda“ (apie kurią rašiau seriale apie bronzos amžiaus katastrofą) irgi yra vieta.

Tačiau negalima teigti, kad pelkių geležinių klojinių kasyba buvo paprasta užduotis.

Pelkės geležis buvo kasama trimis pagrindiniais būdais.

Pirmoji – vasarą dugno dumblas buvo semiamas iš plaustų pelkių ežeruose ir iš pelkių ištekančiose upėse. Plaustas vienoje vietoje buvo laikomas stulpu (vienas asmuo), o kitas asmuo baileriu iš dugno pašalino dumblą. Šio metodo privalumai yra paprastumas ir mažas fizinis darbuotojų krūvis.
Trūkumai – daug nenaudingos darbo jėgos, nes pelkių geležimi ne tik buvo išsemtos atliekos, bet be to, reikėjo iškelti ir didelius kiekius vandens kartu su dumblu. Be to, sunku naudoti kaušelį, kad būtų galima pašalinti žemę į didelį gylį.

Antras būdas. Žiemą tose vietose, kur kanalai užšaldavo iki dugno, iš pradžių buvo iškirstas ledas, o paskui – ir dugno nuosėdos, kuriose buvo pelkės geležies. Šio metodo privalumai: galimybė pasirinkti didelį sluoksnį, kuriame yra pelkės geležies. Trūkumai: fiziškai sunku kalti ledą ir įšalusią žemę. Ištraukimas galimas tik iki užšalimo gylio.

Trečiasis metodas buvo labiausiai paplitęs. Pakrantėje prie upelių ar pelkių ežerų buvo surenkamas rėmas, kaip ir šuliniui, tik didesnių dydžių, pavyzdžiui, 4 x 4 metrų. Tada jie pradėjo kasti dengiantį uolienų sluoksnį rąstinio namo viduje, palaipsniui gilinant rąstinį namą. Tada buvo pasirinkta ir uola, kurioje yra pelkės geležies. Rąstų rulonai buvo pridėti rąstiniam namui gilėjant.
Nuolat tekantis vanduo buvo periodiškai išgaunamas. Žinoma, buvo galima tiesiog kasti nesutvirtinus sienų rąstais, tačiau labai tikėtina, kad išplautas gruntas sugriūtų ir darbuotojai užmigtų duobėje - vargu ar būtų buvę įmanoma ką nors išgelbėti, žmonės greitai užspringo ir nuskendo. Šio metodo privalumai: galimybė pasirinkti visą sluoksnį, kuriame yra pelkės geležies, ir mažesnės darbo sąnaudos, palyginti su antruoju metodu. Be to, dar prieš kasybos pradžią buvo galima apytiksliai nustatyti išgaunamų žaliavų kokybę („Apie rūdos gerumą vietos gyventojai sprendžia ir pagal joje augančių medžių rūšį; taigi, rasta po rūda beržai ir drebulės yra laikomi geriausiais, nes iš jų geležis yra minkštesnė, o vietose, kur auga eglynas, ji yra kietesnė ir tvirtesnė").
Trūkumai: visą laiką tenka dirbti vandenyje.

Apskritai senovės rusų kalnakasiams buvo sunku. Žinoma, dabar viso pasaulio restauratoriai keliauja į lauką ir netgi kasa duobes sausesnėse ir lengviau pasiekiamose vietose, kur gali lengvai išgauti pelkių rūdos:

Reaktorių vaikai laimingi. IX amžiuje, manau, viskas buvo kitaip.

Tačiau norint suprasti padėtį Rusijoje IX–XII amžiais, reikia suprasti skalėŽvejyba, kurią mūsų protėviai organizavo tokiais švaistomais ištekliais kaip pelkės.

Juk jei pats dumblo kasimas pelkėse nepaliko pėdsakų, kuriuos būtų galima atsekti per šimtmečius, tai vėlesnis pelkių geležies apdorojimas paliko pėdsakų kultūriniame sluoksnyje, o ir kokius!

Juk sūrio pūtimo procesui, kuris tuo metu buvo naudojamas senovės Rusijos metalurgijoje ir gamino daug geležies turintį šlaką, buvo būtina labai turtingas geležies rūda. O limonitas, kaip prisimename, yra prasta rūda.
Norint gauti gerą limonito koncentratą, reikėjo iš anksto praturtinti iškasamas rūdas – ir pelkę, ir pievas. Todėl senovės Rusijos metalurgai būtinai praturtindavo pelkių geležies rūdas, eidamas į lydymą.

Sodrinimo operacija buvo labai svarbi technologinė sąlyga gaminant geležį sūrio krosnyse.
Vėlesni tyrimai, analizuojant istorinius paminklus, atskleidė tokius rūdos sodrinimo būdus:

1) džiovinimas (per mėnesį);
2) šaudymas;
3) šlifavimas;
4) plovimas;
5) sijojimas.

Labai koncentruotos rūdos gamyba negalėjo apsiriboti tik viena ar dviem operacijomis, bet reikalavo sistemingo apdorojimo visais aukščiau nurodytais būdais. Archeologiškai gerai žinoma operacija – rūdos skrudinimas.
Kaip suprantate, skrudinti taip pat reikėjo aukštos kokybės kuro (anglies), ir taip pat nemažas kiekis.

Per archeologinius tyrinėjimus netoli Lasunos kaimo, esančio Suomijos įlankos pakrantėje, vienoje iš duobių buvo aptikta sudegusios rūdos krūva. Visoms rūdos sodrinimo operacijoms atlikti reikalinga labai paprasta įranga: rūdai smulkinti - medinis blokas ir skiedinys, o sijoti ir plovimui - medinis sietas (stypų tinklelis).
Pelkės rūdos deginimo laužuose ir duobėse trūkumas buvo nepilnas vandens pašalinimas iš jos kepant didelius gabalus ir dideli nuostoliai kepant mažus gabalus.

Šiuolaikinėje gamyboje, žinoma, sodrinimas yra daug paprastesnis – smulkiai susmulkinta rūda sumaišoma su tuo pačiu maltu koksu ir paduodamas į įrenginį, panašų į didelę mėsmalę. Sraigtas tiekia rūdos ir kokso mišinį į tinklelį su ne didesnėmis kaip 8 mm skylėmis. Išsispaudus per skylutes, toks vienalytis mišinys patenka į liepsną, o koksas dega, lydydamas rūdą, be to, iš rūdos išdeginama siera, todėl kartu vyksta žaliavų nusierinimas.

Juk pelkių geležyje, kaip ir anglis, yra kenksmingų priemaišų – sieros ir fosforo. Žinoma, buvo galima rasti žaliavų, kuriose būtų mažai fosforo (na, palyginti mažai – rūdinėje geležyje jo visada mažiau nei pelkių geležyje). Tačiau buvo beveik neįmanoma rasti pelkių geležies, kurioje būtų mažai fosforo ir sieros. Todėl šalia visos pelkės geležies gavybos pramonės atsirado ne mažiau didelės apimties jos sodrinimo pramonė.

Kad suprasčiau šio veiksmo apimtį, pateiksiu vieną pavyzdį: per kasinėjimus Senojoje Riazanėje 16 iš 19 piliečių būstų buvo aptikti geležies „naminio“ virimo puoduose paprastoje orkaitėje pėdsakų.
Vakarų Europos keliautojas Jokūbas Reitenfelsas, 1670 m. aplankęs Maskvą, rašė, kad „maskvėnų šalis yra gyvas duonos ir metalo šaltinis“.

Taigi, plikoje vietoje, po jais nieko, išskyrus skurdžius miško dirvožemius su sustingusiais beržais ir durpynais, mūsų protėviai staiga atrado „aukso kasyklą“ tiesiogine to žodžio prasme po kojomis. Ir net jei tai buvo ne gysla, o vieta, ir ne auksas, o geležis, situacija nepasikeitė.

Vis dar besikurianti šalis gavo savo vietą pasaulyje ir civilizacinį kelią, kuris nuves ją prie Balaklava pabūklų, iki tanko T-Z4 ir į Topol-M ICBM.
Ištekliai. Darbas. Gamyba. Ginklas.

Nes turėdamas resursų, neišvengiamai ateini prie ginklų. Arba – ateina kažkas kitas dėl tavo išteklių.
Geležies amžius prasidėjo Rusijoje.
Šimtmetis – tiksliau, tūkstantmetis – Rusijos ginklų.

Tūkstantmetis, per kurį kardas pakils – ir vėl kris, kai bus nugalėtas kitas priešas ir išmestas iš beržynų ir durpynų.

Ir priešai netruko ateiti.
Iš tiesų, 10 amžiuje geležies amžiaus ginklavimosi varžybos jau įsibėgėjo.

Geležies rūda gaunama įprastu būdu: atvira arba požeminė kasyba ir po to transportavimas į pirminį paruošimą, kur medžiaga susmulkinama, plaunama ir apdorojama.

Rūda supilama į aukštakrosnę ir susprogdinama karštu oru bei šiluma, kuri paverčia ją išlydyta geležimi. Tada jis pašalinamas iš krosnies dugno į formas, žinomas kaip kiaulės, kur atšaldomas ir gaminamas ketus. Jis paverčiamas kaltine geležimi arba perdirbamas į plieną keliais būdais.

Kas yra plienas?

Pradžioje buvo geležis. Jis yra vienas iš Jį galima rasti beveik visur, kartu su daugeliu kitų elementų, rūdos pavidalu. Europoje darbo su geležimi pradžia siekia 1700 m. pr. Kr.

1786 m. prancūzų mokslininkai Berthollet, Monge ir Vandermonde tiksliai nustatė, kad skirtumas tarp geležies, ketaus ir plieno atsirado dėl skirtingo anglies kiekio. Tačiau iš geležies pagamintas plienas greitai tapo svarbiausiu pramonės revoliucijos metalu. XX amžiaus pradžioje pasaulinė plieno gamyba siekė 28 mln. tonų, šešis kartus daugiau nei 1880 m. Iki Pirmojo pasaulinio karo pradžios jo gamyba siekė 85 milijonus tonų. Per kelis dešimtmečius jis praktiškai pakeitė geležį.

Šiuo metu yra daugiau nei 3000 kataloguotų prekių ženklų (cheminių junginių), neskaitant sukurtų individualiems poreikiams tenkinti. Visi jie prisideda prie to, kad plienas taptų tinkamiausia medžiaga sprendžiant ateities iššūkius.

Plieno gamybos žaliavos: pirminės ir antrinės

Šio metalo lydymas naudojant daugybę komponentų yra labiausiai paplitęs kasybos būdas. Įkrovimo medžiagos gali būti pirminės arba antrinės. Pagrindinė užtaiso sudėtis paprastai yra 55 % ketaus ir 45 % likusio metalo laužo. Geležies lydiniai, perdirbtas ketus ir techniškai gryni metalai naudojami kaip pagrindinis lydinio elementas, kaip taisyklė, apima visus juodųjų metalų tipus.

Geležies rūda yra pati svarbiausia ir pagrindinė žaliava geležies ir plieno pramonėje. Norint pagaminti toną ketaus, reikia apie 1,5 tonos šios medžiagos. Vienai tonai ketaus pagaminti sunaudojama apie 450 tonų kokso. Daugelis metalurgijos įmonių netgi naudoja

Vanduo yra svarbi žaliava geležies ir plieno pramonei. Jis daugiausia naudojamas kokso gesinimui, aukštakrosnių aušinimui, garų gamybai hidraulinės įrangos eksploatavimui ir nuotekų šalinimui. Norint pagaminti toną plieno, reikia maždaug 4 tonų oro. Fliusas naudojamas aukštakrosnėje priemaišoms pašalinti iš lydymosi rūdos. Kalkakmenis ir dolomitas susijungia su išgautomis priemaišomis ir sudaro šlaką.

Tiek aukštakrosnės, tiek plieninės krosnys yra išklotos ugniai atspariomis medžiagomis. Jie naudojami įdėklinėms krosnims, skirtoms geležies rūdai lydyti. Liejimui naudojamas silicio dioksidas arba smėlis. Aliuminis, chromas, kobaltas, varis, švinas, manganas, molibdenas, nikelis, alavas, volframas, cinkas, vanadis ir kt. naudojami įvairių rūšių plienui gaminti.

Geležies atliekos, gautos iš išardytų gamyklų konstrukcijų, mašinų, senų transporto priemonių ir kt., yra perdirbamos ir plačiai naudojamos šioje pramonėje.

Ketaus plienui

Plieno lydymas naudojant ketų yra atliekamas daug dažniau nei su kitomis medžiagomis. Ketaus yra terminas, paprastai reiškiantis pilką geležį, tačiau jis taip pat tapatinamas su didele ferolydinių grupe. Anglis lydinyje sudaro apie 2,1–4 masės %, o silicis paprastai sudaro 1–3 masės %.

Geležis ir plienas lydomi 1150–1200 laipsnių lydymosi temperatūroje, kuri yra maždaug 300 laipsnių žemesnė už grynos geležies lydymosi temperatūrą. Ketaus taip pat pasižymi geru sklandumu, puikiu apdirbimu ir atsparumu deformacijai, oksidacijai ir liejimui.

Plienas taip pat yra geležies lydinys, turintis kintamą anglies kiekį. Plieno anglies kiekis svyruoja nuo 0,2 iki 2,1 masės%, tai yra ekonomiškiausia geležies legiravimo medžiaga. Plieno lydymas iš ketaus yra naudingas įvairiems inžineriniams ir konstrukciniams tikslams.

Geležies rūda plienui

Plieno lydymo procesas prasideda nuo geležies rūdos apdirbimo. Uoliena, kurioje yra geležies rūdos, susmulkinama. Rūda kasama naudojant magnetinius volus. Smulkiagrūdė geležies rūda perdirbama į stambiagrūdžius gabalėlius, skirtus naudoti aukštakrosnėje. Anglis išvaloma nuo priemaišų, todėl susidaro beveik gryna anglies forma. Tada geležies rūdos ir anglies mišinys kaitinamas, kad būtų gauta išlydyta geležis arba ketus, kuris naudojamas plienui gaminti.

Pagrindinėje deguonies krosnyje išlydyta geležies rūda yra pagrindinė žaliava ir sumaišoma su įvairiais plieno laužo ir lydinių kiekiais, kad būtų gaminamas skirtingų rūšių plienas. Elektrinė lankinė krosnis išlydo perdirbtą plieno laužą tiesiai į naują plieną. Apie 12% plieno pagaminta iš perdirbtų medžiagų.

Lydymo technologija

Lydymas yra procesas, kurio metu metalas gaunamas arba kaip elementas, arba kaip paprastas junginys iš jo rūdos, kaitinant virš lydymosi temperatūros, paprastai esant oksidatoriams, tokiems kaip oras, arba reduktoriams, pvz., koksui.

Plieno gamybos technologijoje metalas, kuris jungiasi su deguonimi, pavyzdžiui, geležies oksidas, kaitinamas iki aukštos temperatūros, o oksidas susidaro kartu su kuro anglimi, kuri išsiskiria kaip anglies monoksidas arba anglies dioksidas.
Kitos priemaišos, bendrai vadinamos venomis, pašalinamos pridedant srovę, su kuria susijungus susidaro šlakai.

Šiuolaikiniam plieno lydymui naudojama reverberacinė krosnis. Į viršų kraunama koncentruota rūda ir upelis (dažniausiai kalkakmenis), o iš apačios ištraukiamas išlydytas matinis (vario, geležies, sieros ir šlako junginys). Norint pašalinti geležį nuo matinio paviršiaus, būtinas antrasis terminis apdorojimas konverterio krosnyje.

Deguonies konvekcinis metodas

BOF procesas yra pirmaujantis plieno gamybos procesas pasaulyje. Pasaulyje perdirbto plieno gamyba 2003 m. sudarė 964,8 mln. tonų arba 63,3% visos produkcijos. Konverterių gamyba yra aplinkos taršos šaltinis. Pagrindiniai iššūkiai yra išmetamų teršalų, išmetimų ir atliekų mažinimas. Jų esmė slypi antrinių energijos ir materialinių išteklių panaudojime.

Egzoterminė šiluma susidaro dėl oksidacijos reakcijų pūtimo metu.

Pagrindinis plieno gamybos procesas naudojant mūsų atsargas:

• Iš aukštakrosnės išlydytas ketus (kartais vadinamas karštu metalu) pilamas į didelį ugniai atsparų indą, vadinamą kaušeliu.
• Metalas kaušelyje siunčiamas tiesiai į pagrindinį plieno gamybos arba pirminio apdorojimo etapą.
• Didelio grynumo deguonis, esant 700–1000 kilopaskalių slėgiui, viršgarsiniu greičiu įpurškiamas ant geležinės vonios paviršiaus per vandeniu aušinamą pistoletą, kuris pakabinamas inde ir laikomas keliomis pėdomis virš vonios.

Sprendimas dėl išankstinio apdorojimo priklauso nuo karšto metalo kokybės ir reikiamos galutinės plieno kokybės. Vis dar naudojami patys pirmieji keitikliai su nuimamais dugnais, kuriuos buvo galima nuimti ir taisyti. Pūtimui naudojamos ietys buvo pakeistos. Kad vamzdis neužstrigtų valant, buvo naudojami rankogaliai su plyšiais su ilgu smailėjančiu variniu antgaliu. Antgalio antgaliai po degimo sudegina pučiant CO 2 ir suteikia papildomos šilumos. Šlakams šalinti naudojami smiginiai, ugnies kamuoliai ir šlako detektoriai.

Deguonies konvekcinis metodas: privalumai ir trūkumai

Nereikalauja išlaidų dujų valymo įrangai, nes dulkių susidarymas, t.y. geležies išgaravimas, sumažėja 3 kartus. Sumažėjus geležies išeigai, skysto plieno išeiga padidėja 1,5 - 2,5%. Kitas privalumas yra tai, kad naudojant šį metodą padidėja prapūtimo intensyvumas, o tai leidžia padidinti keitiklio našumą 18%. Plieno kokybė yra aukštesnė, nes pūtimo zonoje sumažėja temperatūra, todėl sumažėja azoto susidarymas.

Dėl šio plieno lydymo metodo trūkumų sumažėjo vartojimo poreikis, nes deguonies suvartojimo lygis padidėja 7% dėl didelio kuro degimo sąnaudų. Apdorojamame metale yra padidėjęs vandenilio kiekis, todėl kurį laiką po proceso pabaigos būtina atlikti prapūtimą deguonimi. Iš visų metodų deguonies keitiklio metodas turi didžiausią šlako susidarymą, priežastis yra nesugebėjimas stebėti oksidacijos proceso įrangos viduje.

Atviro židinio metodas

Atviro židinio procesas apėmė didžiąją dalį viso pasaulyje pagaminto plieno XX a. William Siemens 1860-aisiais ieškojo būdų padidinti temperatūrą metalurginėje krosnyje, prikeldamas seną pasiūlymą panaudoti krosnies generuojamą šilumą. Jis įkaitino plytą iki aukštos temperatūros, tada tuo pačiu keliu į krosnį įleido orą. Iš anksto pašildytas oras žymiai padidino liepsnos temperatūrą.

Kaip kuras naudojamos gamtinės dujos arba purškiamos sunkiosios alyvos; oras ir kuras prieš degimą pašildomi. Krosnis pakraunama skystu aukštakrūmiu ir plieno laužu kartu su geležies rūda, kalkakmeniu, dolomitu ir srautais.

Pati krosnelė pagaminta iš itin ugniai atsparių medžiagų, tokių kaip magnezito plytos židiniams. Atviro židinio krosnys sveria iki 600 tonų ir paprastai įrengiamos grupėmis, kad būtų galima efektyviai panaudoti masyvią pagalbinę įrangą, reikalingą krosnims įkrauti ir skystam plienui apdoroti.

Nors atviro židinio procesas daugelyje pramoninių šalių buvo beveik visiškai pakeistas baziniu deguonies procesu ir elektrine lankine krosnele, jame pagaminama apie 1/6 viso pasaulyje pagaminamo plieno.

Šio metodo privalumai ir trūkumai

Privalumai apima lengvą naudojimą ir lengvą legiruotojo plieno gamybą su įvairiais priedais, kurie suteikia medžiagai įvairių specializuotų savybių. Reikalingi priedai ir lydiniai pridedami prieš pat lydymosi pabaigą.

Trūkumai yra mažesnis efektyvumas, palyginti su deguonies keitiklio metodu. Be to, plieno kokybė yra žemesnė, palyginti su kitais metalo lydymo būdais.

Elektrinis plieno gamybos būdas

Šiuolaikinis plieno lydymo būdas naudojant savo atsargas yra krosnis, kuri elektros lanku šildo įkrautą medžiagą. Pramoninių lankinių krosnių dydžiai svyruoja nuo mažų agregatų, kurių keliamoji galia yra apie vieną toną (naudojamų liejyklose ketaus gaminiams gaminti) iki 400 tonų, naudojamų antrinėje metalurgijoje.

Tyrimų laboratorijose naudojamos lankinės krosnys gali būti vos kelių dešimčių gramų talpos. Pramoninių elektrinių lankinių krosnių temperatūra gali siekti iki 1800 °C (3,272 °F), o laboratorinių įrenginių temperatūra gali viršyti 3000 °C (5432 °F).

Lankinės krosnys nuo indukcinių skiriasi tuo, kad įkrovimo medžiaga yra tiesiogiai veikiama elektros lanko, o srovė gnybtuose praeina per įkraunamą medžiagą. Elektrinė lankinė krosnis naudojama plieno gamybai, susideda iš ugniai atsparaus pamušalo, dažniausiai aušinamas vandeniu, yra didelio dydžio ir uždengtas ištraukiamu stogu.

Orkaitė daugiausia suskirstyta į tris dalis:

• Korpusas susideda iš šoninių sienelių ir apatinio plieninio dubens.
• Židinys susideda iš ugniai atsparios medžiagos, kuri išplečia apatinį dubenį.
• Priešgaisrinis arba vandeniu aušinamas stogas gali būti suprojektuotas kaip rutulinė dalis arba kaip nupjautas kūgis (kūginė sekcija).

Metodo privalumai ir trūkumai

Šis metodas užima lyderio poziciją plieno gamybos srityje. Plieno lydymo metodas naudojamas norint sukurti aukštos kokybės metalą, kuriame visiškai nėra arba yra nedidelis nepageidaujamų priemaišų, tokių kaip siera, fosforas ir deguonis, kiekiai.

Pagrindinis metodo privalumas yra kaitinimas, kurio dėka galite lengvai valdyti lydymosi temperatūrą ir pasiekti neįtikėtinus metalo kaitinimo greičius. Automatizuotas darbas bus malonus priedas prie puikios galimybės kokybiškai apdoroti įvairų metalo laužą.

Trūkumai yra didelis energijos suvartojimas.

Geležis sudaro daugiau nei 5% žemės plutos. Pagrindinės geležies gavybos rūdos yra hematitas ir magnetitas. Šiose rūdose yra nuo 20 iki 70% geležies. Šiose rūdose svarbiausios geležies priemaišos yra smėlis ir aliuminio oksidas (aliuminio oksidas).

Žemės šerdis

Remdamiesi netiesioginiais įrodymais, galime daryti išvadą, kad Žemės šerdį daugiausia sudaro geležies lydinys. Jo spindulys yra maždaug 3470 km, o Žemės spindulys yra 6370 km. Atrodo, kad Žemės vidinė šerdis yra kieta ir jos spindulys yra apie 1200 km. Jį supa skysta išorinė šerdis. Turbulentinis skysčio srautas šioje šerdies dalyje sukuria Žemės magnetinį lauką. Slėgis šerdies viduje svyruoja nuo 1,3 iki 3,5 milijono atmosferų, o temperatūra svyruoja nuo

Nors nustatyta, kad Žemės šerdį daugiausia sudaro geležis, tiksli jos sudėtis nežinoma. Apskaičiuota, kad nuo 8 iki 10 % žemės šerdies masės sudaro tokie elementai kaip nikelis, siera (geležies sulfido pavidalu), deguonis (geležies oksido pavidalu) ir silicis (su geležies silicidas).

Mažiausiai 12 pasaulio šalių turi įrodytas geležies rūdos atsargas, viršijančias milijardą tonų. Šios šalys yra Australija, Kanada, JAV, Pietų Afrika, Indija, SSRS ir Prancūzija. Pasaulinis plieno gamybos lygis šiuo metu siekia 700 mln. tonų Pagrindiniai plieno gamintojai yra SSRS, JAV ir Japonija per metus pagamina daugiau nei 100 mln. tonų plieno. Didžiojoje Britanijoje plieno gamybos lygis siekia 20 mln. tonų per metus.

Geležies gamyba

Geležis iš geležies rūdos išgaunama dviem etapais. Tai prasideda nuo rūdos paruošimo – šlifavimo ir kaitinimo. Rūda susmulkinama į ne didesnio kaip 10 cm skersmens gabalėlius.

Antrajame etape geležies rūda redukuojama į geležį naudojant anglies monoksidą aukštakrosnėje (14.12 pav.). Redukcija atliekama maždaug 700°C temperatūroje:

Norint padidinti geležies išeigą, šis procesas atliekamas anglies dioksido pertekliaus sąlygomis

Anglies monoksidas CO susidaro aukštakrosnėje iš kokso ir oro. Iš pradžių oras pašildomas iki maždaug 600 °C ir per specialų vamzdį – vamzdelį – įleidžiamas į krosnį. Koksas dega karštame suslėgtame ore, sudarydamas anglies dioksidą. Ši reakcija yra egzoterminė ir sukelia temperatūros padidėjimą virš 1700 °C:

Anglies dioksidas pakyla krosnyje ir reaguoja su didesniu kokso kiekiu, sudarydamas anglies monoksidą. Ši reakcija yra endoterminė:

Ryžiai. 14.12. Aukštakrosnė, 1 - geležies rūda, kalkakmenis, koksas, 2 pakrovimo kūgis (viršuje), 3 - dujos viršuje, 4 - krosnies mūras, 5 - geležies oksido redukcijos zona, 6 - šlako susidarymo zona, 7 - kokso degimo zona, 8 - pašildyto oro įpurškimas per vamzdžius, 9 - išlydyta geležis, 10 - išlydyta šlaka.

Rūdos redukavimo metu susidariusi geležis yra užteršta smėlio ir aliuminio oksido priemaišomis (žr. aukščiau). Norint juos pašalinti, į krosnį įpilama kalkakmenio. Esant krosnies temperatūrai, kalkakmenis terminis skaidymasis susidaro kalcio oksidui ir anglies dioksidui:

Kalcio oksidas jungiasi su priemaišomis ir sudaro šlaką. Šlakuose yra kalcio silikato ir kalcio aliuminato:

Geležis lydosi 1540°C temperatūroje (žr. 14.2 lentelę). Išlydyta geležis kartu su išlydytu šlaku teka į apatinę krosnies dalį. Išlydytos geležies paviršiuje plūduriuoja išlydytas šlakas. Kiekvienas iš šių sluoksnių periodiškai išleidžiamas iš orkaitės atitinkamu lygiu.

Aukštakrosnė veikia visą parą, nuolatiniu režimu. Aukštakrosnių proceso žaliavos yra geležies rūda, koksas ir kalkakmenis. Jie nuolat tiekiami į orkaitę per viršų. Keturis kartus per dieną, reguliariais intervalais, iš krosnies išleidžiama geležis. Iš krosnies išpilama ugnine srove, kurios temperatūra yra apie 1500 °C. Aukštakrosnės būna įvairių dydžių ir našumo (1000-3000 tonų per dieną). JAV yra keletas naujų orkaitės dizaino su

keturios išleidimo angos ir nuolatinis išlydytos geležies išleidimas. Tokių krosnių našumas siekia iki 10 000 tonų per dieną.

Aukštakrosnėje išlydyta geležis supilama į smėlio formas. Ši geležies rūšis vadinama ketaus. Geležies kiekis ketuje yra apie 95%. Ketus yra kieta, bet trapi medžiaga, kurios lydymosi temperatūra yra apie 1200 °C.

Ketus gaminamas lydant ketaus, metalo laužo ir plieno mišinį su koksu. Išlydyta geležis pilama į formas ir atvėsinama.

Kalvystė yra gryniausia pramoninės geležies forma. Jis gaminamas kaitinant žalią geležį su hematitu ir kalkakmeniu lydymo krosnyje. Tai padidina geležies grynumą iki maždaug 99,5%. Jo lydymosi temperatūra pakyla iki 1400 °C. Kalta geležis pasižymi dideliu stiprumu, lankstumu ir lankstumu. Tačiau daugeliu atvejų jis pakeičiamas švelniu plienu (žr. toliau).

Plieno gamyba

Plienas skirstomas į du tipus. Anglies plienas turi iki 1,5% anglies. Legiruotoje plienuose yra ne tik nedideli kiekiai anglies, bet ir specialiai įterptų kitų metalų priemaišų (priedų). Įvairūs plieno tipai, jų savybės ir pritaikymas yra išsamiai aptariami toliau.

Deguonies konverterio procesas. Pastaraisiais dešimtmečiais plieno gamyba sukėlė revoliuciją dėl pagrindinio deguonies proceso (taip pat žinomo kaip Linco-Donawitz procesas) sukūrimo. Šis procesas pradėtas naudoti 1953 m. dviejų Austrijos metalurgijos centrų – Linco ir Donavico – plieno gamyklose.

Deguonies keitiklio procese naudojamas deguonies konverteris su pagrindiniu pamušalu (mūrija) (14.13 pav.). Konverteris pakraunamas pasvirusioje padėtyje

Ryžiai. 14.13. Plieno lydymo keitiklis, 1 - deguonis ir 2 - vandeniu aušinamas vamzdis deguonies pūtimui, 3 - šlakas. 4 ašių, 5 išlydyto plieno, 6 plieno korpuso.

išlydyto ketaus iš lydymo krosnies ir metalo laužo, po to grįžo į vertikalią padėtį. Po to į keitiklį iš viršaus įkišamas vandeniu aušinamas varinis vamzdis ir per jį deguonies srovė, sumaišyta su kalkėmis milteliais, nukreipiama ant išlydytos geležies paviršiaus. Šis „deguonies išvalymas“, trunkantis 20 minučių, sukelia intensyvią geležies priemaišų oksidaciją, o konverterio turinys išlieka skystas, nes oksidacijos reakcijos metu išsiskiria energija. Susidarę oksidai susijungia su kalkėmis ir virsta šlaku. Tada ištraukiamas varinis vamzdis ir pakreipiamas keitiklis, kad nutekėtų šlakas. Po pakartotinio pūtimo išlydytas plienas iš keitiklio (nuožulnioje padėtyje) pilamas į kaušą.

Deguonies keitiklio procesas pirmiausia naudojamas anglies plienui gaminti. Jis pasižymi dideliu produktyvumu. Per 40-45 minutes viename konverteryje galima pagaminti 300-350 tonų plieno.

Šiuo metu visas plienas JK ir dauguma plieno visame pasaulyje gaminamas naudojant šį procesą.

Elektrinio plieno gamybos procesas. Elektrinės krosnys pirmiausia naudojamos plieno laužui ir ketui paversti aukštos kokybės legiruotu plienu, pavyzdžiui, nerūdijančiu plienu. Elektrinė krosnis yra apvalus gilus bakas, išklotas ugniai atspariomis plytomis. Per atvirą dangtį į krosnį prikraunamas metalo laužas, tada dangtis uždaromas ir per jame esančias angas į krosnį nuleidžiami elektrodai, kol susiliečia su metalo laužu. Po to įjungiama srovė. Tarp elektrodų susidaro lankas, kuriame susidaro aukštesnė nei 3000 °C temperatūra. Esant tokiai temperatūrai, metalas išsilydo ir susidaro naujas plienas.

Geležies gamybos technologija senovėje

Norint gauti geležį iš rūdos, pirmiausia reikia gauti kritos. Tam pirmiausia buvo panaudota oksiduota geležies rūda, kuri dažniausiai būna šalia paviršiaus. Po to, kai buvo atrastos jo savybės, tokie telkiniai buvo greitai išeikvoti dėl jų intensyvaus vystymosi.

Pelkinės rūdos yra daug plačiau paplitusios. Jie susidarė subatlantiniame laikotarpyje, kai pelkėjimo metu geležies rūda nusėdo rezervuarų dugne. Viduramžiais juodoji metalurgija naudojo pelkių rūdas. Su jais net mokėjo pareigas. Iš rūdos palyginti dideliais kiekiais geležies gamyba tapo įmanoma išradus sūrio krosnį. Šis pavadinimas atsirado po to, kai buvo išrastas šildomo oro srautas aukštakrosnėse. Senovėje metalurgai į kalvę tiekdavo žalią (šaltą) orą. Esant 900 o temperatūrai, anglies dioksido, kuris pašalina deguonį iš geležies oksido, pagalba iš rūdos redukuojama geležis ir gaunamas šlakuose suvilgytas tešlos arba beformis akytas gabalas - kritsa. Šiam procesui atlikti reikėjo anglies kaip anglies dioksido šaltinio. Tada krita buvo padirbta, kad iš jos būtų pašalintas šlakas. Sūrio gamybos būdas, kartais vadinamas geležies lydymu, yra neekonomiškas, tačiau ilgą laiką išliko vienintelis ir nepakitęs juodojo metalo gavimo būdas.

Iš pradžių geležį lydydavo paprastose duobėse, vėliau uždarydavo molines krosnis. Į kalvės darbo erdvę sluoksniais buvo kraunama susmulkinta rūda ir anglis, visa tai padegta, o pro purkštukų angas specialiomis (odinėmis) dumplėmis stumiamas oras. Uoliena nusėda į šlaką 1300-1400 o temperatūroje, kurioje gaunamas plienas - geležis, kurioje yra nuo 0,3 iki 1,2%. anglies. Kai jis atvės, jis tampa labai kietas. Norint gauti ketaus - lydančiojo ketaus, kurio anglies kiekis yra 1,5–5%, jums reikia sudėtingesnės kalvės konstrukcijos su didele darbo erdve. Šiuo atveju geležies lydymosi temperatūra buvo žemesnė, ji iš dalies ištekėjo iš krosnies kartu su šlaku. Atvėsęs jis tapo trapus, o iš pradžių buvo išmestas, bet paskui išmoko juo naudotis. Norėdami iš ketaus pagaminti kaliąjį ketų, turite iš jo pašalinti anglį.

Pirmasis geležies iš rūdos gavimo įrenginys buvo vienkartinė sūrio krosnis. Turėdamas daugybę trūkumų, ilgą laiką tai buvo vienintelis būdas gauti metalą iš rūdos.

Senovės žmonės ilgą laiką gyveno turtingai ir laimingai – iš jaspio buvo gaminami akmeniniai kirviai, o variui gauti buvo deginamas malachitas, tačiau viskas, kas gera, baigiasi. Viena iš senovės Viduržemio jūros civilizacijos žlugimo priežasčių buvo mineralinių išteklių išeikvojimas. Auksas baigėsi ne ižde, o gelmėse alavas baigėsi net „Alavo salose“. Nors varis vis dar kasamas Sinajuje ir Kipre, dabar kuriami telkiniai nebuvo prieinami romėnams. Be kita ko, baigėsi ir sūriui apdoroti tinkama rūda. Dar buvo daug švino.

Tačiau bešeimininke tapusios Europą apgyvendinusios barbarų gentys ilgai nežinojo, kad jos naudingųjų iškasenų išteklius išnaudojo jų pirmtakai. Atsižvelgiant į didžiulį metalo gamybos sumažėjimą, romėnai niekintų išteklių pakako ilgam. Vėliau metalurgija ėmė atgimti pirmiausia Vokietijoje ir Čekijoje – tai yra ten, kur romėnai nepasiekdavo su kirtikliais ir karučiais.

Aukštesniam juodosios metalurgijos vystymosi etapui reiškė nuolatinės aukštos krosnys, Europoje vadinamos tinko krosnys. Tai tikrai buvo aukšta krosnelė – su keturių metrų vamzdžiu, kad sustiprintų sukibimą. Stiuko mašinos dumples jau siūbavo keli žmonės, o kartais ir vandens variklis. Stukofenas turėjo dureles, pro kurias kartą per dieną buvo pašalinta krita.

Stukofenai buvo išrasti Indijoje pirmojo tūkstantmečio prieš Kristų pradžioje. Mūsų eros pradžioje jie atkeliavo į Kiniją, o VII amžiuje kartu su „arabiškais“ skaitmenimis arabai šią technologiją pasiskolino iš Indijos. XIII amžiaus pabaigoje stuktofenai pradėjo atsirasti Vokietijoje ir Čekijoje (o dar prieš tai buvo pietų Ispanijoje), o per kitą šimtmetį išplito visoje Europoje.

Stuktofeno našumas buvo nepalyginamai didesnis nei sūrio pūtimo krosnies - per parą pagamindavo iki 250 kg geležies, o lydymosi temperatūros jame pakako dalį geležies karbonizuoti iki ketaus būsenos. Tačiau sustabdžius krosnį, tinkinis ketus jos dugne užšaldavo, maišydamasis su šlaku, o metalą nuo šlako tuomet galėdavo valyti tik kaldami, tačiau ketus tam nepasidavė. Jį teko išmesti.

Tačiau kartais jie bandė rasti gipso ketaus panaudojimą. Pavyzdžiui, senovės induistai liejo karstus iš nešvaraus ketaus, o turkai XIX amžiaus pradžioje – patrankų sviedinius. Sunku spręsti, kaip yra karstai, bet iš jo išlindę patrankų sviediniai buvo tiesiog tokie.

Pabūklų sviediniai pabūklams Europoje buvo liejami iš juodojo šlako XVI amžiaus pabaigoje. Keliai buvo nutiesti iš išlietų grindinio akmenų. Nižnij Tagilyje iki šiol išlikę pastatai, kurių pamatai sumūryti iš šlako blokelių.

Metalurgai jau seniai pastebėjo ryšį tarp lydymosi temperatūros ir gaminio išeigos – kuo ji didesnė, tuo didesnė dalis rūdoje esančios geležies galėjo būti atgauta. Todėl anksčiau ar vėliau jie sugalvojo paspartinti stukofeną iš anksto pašildydami orą ir padidindami vamzdžio aukštį. XV amžiaus viduryje Europoje pasirodė naujo tipo krosnys – blauofenas, kuris plieno gamintojams iškart pateikė nemalonią staigmeną.

Aukštesnė lydymosi temperatūra iš tikrųjų žymiai padidino geležies išeigą iš rūdos, tačiau taip pat padidino geležies, kuri buvo sudeginta iki ketaus būsenos, dalį. Dabar ne 10%, kaip tinko mašinoje, o 30% produkcijos buvo ketaus - „kiaulienos geležis“, netinkama jokiam tikslui. Dėl to pelnas dažnai neapsimokėjo modernizavimo.

Blauofeno ketus, kaip ir tinko ketus, sukietėjo krosnies apačioje, maišosi su šlaku. Pasirodė kiek geriau, nes jo buvo daugiau, todėl ir santykinis šlako kiekis buvo mažesnis, tačiau jis ir toliau liko netinkamas liejimui. Iš blauofeno gautas ketus pasirodė gana tvirtas, bet vis tiek išliko labai nevienalytis – iš jo išėjo tik paprasti ir grubūs daiktai – kūjai, priekalai. Jau išėjo nemažai patrankų sviedinių.

Be to, jei sūrio pūtimo krosnyse buvo galima gauti tik geležį, kuri vėliau buvo karbonizuojama, tai stukofene ir blauofene išoriniai kritos sluoksniai buvo pagaminti iš plieno. Plieno blauofen krite buvo net daugiau nei geležies. Viena vertus, tai atrodė gerai, bet pasirodė, kad labai sunku atskirti plieną ir geležį. Anglies kiekį tapo sunku kontroliuoti. Tik ilgas kalimas galėjo pasiekti vienodą jo pasiskirstymą.

Vienu metu, susidūrę su šiais sunkumais, indai nejudėjo toliau, o pradėjo tobulinti technologiją ir pradėjo gaminti damasko plieną. Tačiau indėnai tuo metu domėjosi ne kiekybe, o gaminio kokybe. Europiečiai, eksperimentuodami su ketumi, netrukus atrado konversijos procesą, kuris pakėlė geležies metalurgiją į kokybiškai naują lygį.

Kitas metalurgijos vystymosi etapas buvo aukštakrosnių atsiradimas. Dėl dydžio padidėjimo, oro pakaitinimo ir mechaninio pūtimo, tokioje krosnyje visa geležis iš rūdos buvo paverčiama ketaus, kuris buvo lydomas ir periodiškai išleidžiamas į lauką. Gamyba tapo nepertraukiama – krosnis dirbo visą parą ir neatvėso. Per dieną pagamindavo iki pusantros tonos ketaus. Distiliuoti ketų į geležį kalviuose buvo daug lengviau nei išmušti iš kritos, nors kalimo vis tiek reikėjo - bet dabar iš geležies išmušdavo šlaką, o ne iš šlako.

Aukštakrosnės Europoje pradėtos naudoti XV–XVI amžių sandūroje. Artimuosiuose Rytuose ir Indijoje ši technologija atsirado tik XIX amžiuje (daugiausia tikriausiai todėl, kad vandens variklis nebuvo naudojamas dėl Viduriniams Rytams būdingo vandens trūkumo). Aukštakrosnių buvimas Europoje leido jai aplenkti Turkiją XVI amžiuje jei ne metalo kokybe, tai šachta. Tai turėjo neabejotiną įtaką kovos baigčiai, ypač kai paaiškėjo, kad iš ketaus galima lieti patrankas.

Nuo XVII amžiaus pradžios Švedija tapo Europos kalve, gaminančia pusę geležies Europoje. XVIII amžiaus viduryje jos vaidmuo šiuo atžvilgiu ėmė sparčiai mažėti dėl kito išradimo – anglies panaudojimo metalurgijoje.

Visų pirma, reikia pasakyti, kad iki XVIII amžiaus imtinai anglis metalurgijoje praktiškai nebuvo naudojama – dėl didelio produkto kokybei kenksmingų priemaišų, pirmiausia sieros, kiekio. Nuo XVII amžiaus Anglijoje anglys buvo pradėtos naudoti pudrų krosnyse ketaus atkaitinimui, tačiau tai leido sutaupyti tik nedaug anglies - didžioji dalis kuro buvo sunaudojama lydymui, kur nebuvo įmanoma atmesti kontakto su anglis su rūda.

Tarp daugelio to meto metalurgijos profesijų bene sunkiausia buvo pūdininko profesija. Pudingas buvo pagrindinis geležies gavimo būdas beveik visą XIX amžių. Tai buvo labai sunkus ir daug laiko reikalaujantis procesas. Darbas jam vadovaujant vyko taip: Ketaus buvo pakrauta ant ugningos krosnies dugno; jie buvo ištirpę. Išdegus iš metalo anglies ir kitoms priemaišoms, pakilo metalo lydymosi temperatūra ir iš skysto lydalo pradėjo „užšalti“ gana grynos geležies kristalai. Orkaitės apačioje susikaupė lipnios tešlą primenančios masės gumulas. Puduliuojantys darbuotojai pradėjo kočioti tešlą naudodami geležies laužą. Maišydami metalo masę laužtuvu, aplink laužtuvą bandė surinkti geležies gumulą, arba kritsą. Toks gumulas svėrė iki 50 - 80 kg ir daugiau. Kritas buvo ištrauktas iš krosnies ir paduodamas tiesiai po plaktuku – kalimui, siekiant pašalinti šlako daleles ir sutankinti metalą.

Sierą jie išmoko pašalinti koksuojant Anglijoje 1735 m., po to atsirado galimybė panaudoti dideles anglies atsargas geležies lydymui. Tačiau už Anglijos ribų ši technologija išplito tik XIX a.

Degalų sąnaudos metalurgijoje jau tada buvo milžiniškos – aukštakrosnė per valandą sunaudodavo automobilį anglies. Anglis tapo strateginiu ištekliu. Būtent medienos gausa pačioje Švedijoje ir jos Suomijoje leido švedams plėtoti gamybą tokiu mastu. Anglai, kurie turėjo mažiau miškų (ir net jie buvo skirti laivyno reikmėms), buvo priversti pirkti geležį Švedijoje, kol išmoko naudoti anglį.

Elektriniai ir indukciniai geležies lydymo būdai

Plieno kompozicijų įvairovė labai apsunkina jų lydymą. Juk atviro židinio krosnyje ir konverteryje atmosfera oksiduojasi, o tokie elementai kaip chromas lengvai oksiduojasi ir virsta šlaku, t.y. yra prarasti. Tai reiškia, kad norint gauti plieną, kuriame chromo kiekis yra 18%, į krosnį reikia įpilti daug daugiau chromo nei 180 kg vienai tonai plieno. O chromas – brangus metalas. Kaip rasti išeitį iš šios situacijos?

XX amžiaus pradžioje buvo rastas sprendimas. Metalui lydyti buvo pasiūlyta panaudoti elektros lanko šilumą. Į apskritą krosnį buvo kraunamas metalo laužas, supiltas ketus, nuleidžiami anglies ar grafito elektrodai. Tarp jų ir krosnyje esančio metalo („vonia“) susidarė elektros lankas, kurio temperatūra buvo apie 4000°C. Metalas tirpo lengvai ir greitai. O tokioje uždaroje elektrinėje krosnyje galima sukurti bet kokią atmosferą – oksiduojančią, redukuojančią ar visiškai neutralią. Kitaip tariant, galima išvengti vertingų elementų perdegimo. Taip buvo sukurta aukštos kokybės plieno metalurgija.

Vėliau buvo pasiūlytas kitas elektrinio lydymo būdas – indukcija. Iš fizikos žinoma, kad metalinį laidininką įdėjus į ritę, per kurią teka aukšto dažnio srovė, joje indukuojama srovė ir laidininkas įkaista. Šios šilumos pakanka metalui ištirpti per tam tikrą laiką. Indukcinę krosnį sudaro tiglis su spirale, įdėta į jo pamušalą. Per spiralę teka aukšto dažnio srovė, o tiglyje esantis metalas išsilydo. Tokioje krosnyje taip pat galite sukurti bet kokią atmosferą.

Elektrinėse lankinėse krosnyse lydymosi procesas dažniausiai vyksta keliais etapais. Pirmiausia iš metalo išdeginamos nereikalingos priemaišos, jas oksiduojant (oksidacijos periodas). Tada iš krosnies pašalinamas (atsisiunčiamas) šlakas, kuriame yra šių elementų oksidų, ir pakraunami ferolydiniai - geležies lydiniai su elementais, kuriuos reikia įvesti į metalą. Krosnis uždaroma ir lydymas tęsiasi be oro prieigos (atkūrimo laikotarpis). Dėl to plienas yra prisotintas reikiamų elementų tam tikru kiekiu. Paruoštas metalas išleidžiamas į kaušą ir pilamas.

Cheminės reakcijos geležies gamyboje

Šiuolaikinėje pramonėje geležis gaunama iš geležies rūdos, daugiausia iš hematito (Fe 2 O 3) ir magnetito (Fe 3 O 4).

Geležį iš rūdos galima išgauti įvairiais būdais. Labiausiai paplitęs yra domeno procesas.

Pirmasis gamybos etapas – geležies redukavimas anglimi aukštakrosnėje 2000 °C temperatūroje. Aukštakrosnėje anglis kokso pavidalu, geležies rūda aglomerato arba granulių pavidalu ir srautas (pavyzdžiui, kalkakmenis) tiekiamas iš viršaus, o iš apačios juos pasitinka priverstinio karšto oro srautas.

Krosnyje esanti anglis kokse oksiduojasi į anglies monoksidą (anglies monoksidą), veikiant atmosferos deguoniui:

2C + O 2 → 2CO.

Savo ruožtu anglies monoksidas sumažina geležį iš rūdos:

3CO + Fe2O3 → 2Fe + 3CO2.

Fliusas pridedamas norint iš rūdos išgauti nepageidaujamas priemaišas, pirmiausia silikatus, tokius kaip kvarcas (silicio dioksidas). Tipiškame sraute yra kalkakmenio (kalcio karbonato) ir dolomito (magnio karbonato). Kiti srautai naudojami nuo kitų priemaišų.

Srauto poveikis: veikiamas šilumos kalcio karbonatas suyra iki kalcio oksido (negreitintos kalkės):

CaCO 3 → CaO + CO 2 .

Kalcio oksidas susijungia su silicio dioksidu ir sudaro šlaką:

CaO + SiO 2 → CaSiO 3.

Šlakas, skirtingai nei silicio dioksidas, yra lydomas krosnyje. Šlakas, lengvesnis už geležį, plūduriuoja paviršiuje ir gali būti nusausintas atskirai nuo metalo. Tada šlakas naudojamas statybose ir žemės ūkyje. Aukštakrosnėje gaminamoje išlydytoje geležyje yra gana daug anglies (ketaus). Išskyrus atvejus, kai ketus naudojamas tiesiogiai, jį reikia toliau apdoroti.

Anglies ir kitų priemaišų (sieros, fosforo) perteklius pašalinamas iš ketaus oksidacijos būdu atviro židinio krosnyse arba konverteriuose. Elektrinės krosnys taip pat naudojamos legiruotojo plieno lydymui.

Be aukštakrosnių proceso, įprastas ir tiesioginės geležies gamybos procesas. Šiuo atveju iš anksto susmulkinta rūda sumaišoma su specialiu moliu, formuojant granules. Granulės deginamos ir apdorojamos šachtinėje krosnyje karštais metano konversijos produktais, turinčiais vandenilio. Vandenilis lengvai redukuoja geležį, neužteršdamas geležies priemaišomis, tokiomis kaip siera ir fosforas – įprastomis anglies priemaišomis. Geležis gaunama kieto pavidalo ir vėliau lydoma elektrinėse krosnyse.

Chemiškai gryna geležis gaunama elektrolizės būdu iš jos druskų tirpalų.