Cum să topești fierul din minereu. Cum se extrage minereul de fier și cum este topit oțelul. De la un ac la un avion

Minereul de fier a început să fie extras de oameni cu multe secole în urmă. Chiar și atunci, beneficiile folosirii fierului au devenit evidente.

Găsirea formațiunilor minerale care conțin fier este destul de ușoară, deoarece acest element reprezintă aproximativ cinci la sută din scoarța terestră. În general, fierul este al patrulea element cel mai abundent din natură.

Este imposibil de găsit în forma sa pură, fierul se găsește în anumite cantități în multe tipuri de roci. Minereul de fier are cel mai mare conținut de fier, extragerea metalului din care este cea mai profitabilă din punct de vedere economic. Cantitatea de fier pe care o conține depinde de originea sa, a cărui proporție normală este de aproximativ 15%.

Compoziție chimică

Proprietățile minereului de fier, valoarea și caracteristicile sale depind direct de compoziția sa chimică. Minereul de fier poate conține cantități variate de fier și alte impurități. În funcție de aceasta, există mai multe tipuri:

foarte bogat, când conținutul de fier din minereuri depășește 65%;
bogat, procentul de fier în care variază de la 60% la 65%;
medie, de la 45% și peste;
săracă, în care procentul de elemente utile nu depășește 45%.

Cu cât există mai multe produse secundare în minereul de fier, cu atât este nevoie de mai multă energie pentru procesarea acestuia și cu atât producția de produse finite este mai puțin eficientă.

Compoziția unei roci poate fi o combinație de diferite minerale, roci sterile și alte produse secundare, al căror raport depinde de depozitul său.

Minereurile magnetice se disting prin faptul că se bazează pe un oxid care are proprietăți magnetice, dar la încălzire puternică se pierd. Cantitatea de acest tip de rocă în natură este limitată, dar conținutul de fier din acesta poate fi la fel de bun ca minereul de fier roșu. În exterior, arată ca niște cristale solide negru-albastru.

Minereu de fier este o rocă de minereu pe bază de siderit. Foarte des conține o cantitate semnificativă de argilă. Acest tip de rocă este relativ greu de găsit în natură, ceea ce o face să fie rar folosită din cauza conținutului scăzut de fier. Prin urmare, este imposibil să le clasificăm ca tipuri industriale de minereuri.

Pe lângă oxizi, natura conține și alte minereuri pe bază de silicați și carbonați. Cantitatea de fier dintr-o rocă este foarte importantă pentru utilizarea sa industrială, dar și prezența unor elemente secundare benefice, cum ar fi nichelul, magneziul și molibdenul.

Aplicații

Domeniul de aplicare al minereului de fier este aproape complet limitat la metalurgie. Este folosit în principal pentru topirea fontei, care este extrasă folosind cuptoare cu vatră deschisă sau convertoare. Astăzi, fonta este folosită în diverse sfere ale activității umane, inclusiv în majoritatea tipurilor de producție industrială.

Nu mai puțin sunt utilizate diferite aliaje pe bază de fier - oțelul este cel mai utilizat datorită rezistenței și proprietăților sale anticorozive.

Fonta, oțelul și diverse alte aliaje de fier sunt utilizate în:

Inginerie mecanică, pentru producția de diverse mașini și dispozitive.
Industria auto, pentru fabricarea motoarelor, carcaselor, cadrelor, precum si a altor componente si piese.
Industria militară și de rachete, în producția de echipamente speciale, arme și rachete.
Construcție, ca element de armare sau construcție a structurilor portante.
Industrii ușoare și alimentare, precum containere, linii de producție, diverse unități și dispozitive.
Industria minieră, ca mașini și echipamente speciale.

Zăcăminte de minereu de fier

Rezervele de minereu de fier din lume sunt limitate ca cantitate și locație. Teritoriile de acumulare a rezervelor de minereu se numesc depozite. Astăzi, zăcămintele de minereu de fier sunt împărțite în:

Endogen. Ele se caracterizează printr-o locație specială în scoarța terestră, de obicei sub formă de minereuri de titanomagnetit. Formele și locațiile unor astfel de incluziuni sunt variate, pot fi sub formă de lentile, straturi situate în scoarța terestră sub formă de depozite, depozite vulcanice, sub formă de diverse vene și alte forme neregulate.
Exogen. Acest tip include depozite de minereuri de fier brun și alte roci sedimentare.
Metamorfogen. Care includ zăcăminte de cuarțit.

Depozitele de astfel de minereuri pot fi găsite pe toată planeta noastră. Cel mai mare număr de zăcăminte este concentrat pe teritoriul republicilor post-sovietice. Mai ales Ucraina, Rusia și Kazahstan.

Țări precum Brazilia, Canada, Australia, SUA, India și Africa de Sud au rezerve mari de fier. În același timp, aproape fiecare țară de pe glob are propriile zăcăminte dezvoltate, în caz de deficit, rasa este importată din alte țări.

Ameliorarea minereului de fier

După cum am spus, există mai multe tipuri de minereuri. Cele bogate pot fi procesate direct după extragerea din scoarța terestră, altele trebuie îmbogățite. Pe lângă procesul de valorificare, prelucrarea minereului include mai multe etape, precum sortarea, zdrobirea, separarea și aglomerarea.

Astăzi există mai multe metode principale de îmbogățire:

Flushing.

Este folosit pentru curățarea minereurilor de subproduse sub formă de argilă sau nisip, care sunt spălate cu jeturi de apă de înaltă presiune. Această operațiune vă permite să creșteți cantitatea de fier din minereul de calitate scăzută cu aproximativ 5%. Prin urmare, este utilizat numai în combinație cu alte tipuri de îmbogățire.

Curățare gravitațională.

Se realizează folosind tipuri speciale de suspensii, a căror densitate depășește densitatea rocii sterile, dar este inferioară densității fierului. Sub influența forțelor gravitaționale, produsele secundare se ridică în vârf, iar fierul cade în partea de jos a suspensiei.

Separare magnetică.

Cea mai comună metodă de ameliorare, care se bazează pe diferite niveluri de percepție de către componentele minereului a influenței forțelor magnetice. O astfel de separare poate fi efectuată cu rocă uscată, rocă umedă sau într-o combinație alternativă a celor două stări.

Pentru prelucrarea amestecurilor uscate și umede se folosesc tambure speciale cu electromagneți.

Plutirea.

Pentru această metodă, minereul zdrobit sub formă de praf este scufundat în apă cu adăugarea unei substanțe speciale (reactiv de flotație) și aer. Sub influența reactivului, fierul se unește cu bulele de aer și se ridică la suprafața apei, în timp ce roca sterilă se scufundă în fund. Componentele care conțin fier sunt colectate de la suprafață sub formă de spumă.

Producția de fier în Rusia este cunoscută din timpuri imemoriale. Ca urmare a săpăturilor arheologice din zonele adiacente Novgorodului, Vladimir, Yaroslavl, Pskov, Smolensk, Ryazan, Murom, Tula, Kiev, Vyshgorod, Pereyaslavl, Vzhishch, precum și în zona Lacului Ladoga și în alte locuri, sute au fost descoperite locuri cu rămășițe de topitoare, cuptoare de brânză, așa-numitele „gropi de lup” și instrumente de producție corespunzătoare ale metalurgiei antice. Într-una dintre gropile lupilor, săpate pentru topirea fierului, lângă satul Podmokloye din partea de sud a bazinului de cărbune din regiunea Moscovei, a fost găsită o monedă datată 189 din epoca musulmană, care corespunde începutului secolului al IX-lea modern. cronologie. Aceasta înseamnă că au știut să topească fierul în spatele Rusului în acele vremuri îndepărtate, profund precreștine.

Numele poporului rus ne strigă literalmente despre prevalența metalurgiei pe întreg teritoriul Rusiei antice: Kuznetsov, Kovalev, Koval, Kovalenko, Kovalchuk. În ceea ce privește prevalența, numele de familie „metalurgice” rusești pot rivaliza chiar și cu englezul arhetipal John Smith (care, de fapt, fierar, adică același fierar).

Totuși, calea oricărei săbii sau țevi de tun a început întotdeauna mult mai devreme decât forja metalurgică și, mai ales, forja. Orice metal este, în primul rând, un combustibil (cărbune sau cocs pentru topirea lui) și, în al doilea rând, o materie primă pentru producerea lui.

Aici trebuie să pun imediat accent. De ce combustibilul este condiția principală, iar minereul de fier în sine este retrogradat cu atâta îndrăzneală pe fundal? Totul este despre logistica transportului minereului și combustibilului necesar pentru producerea fierului în Evul Mediu.

La urma urmei, combustibilul principal și de cea mai înaltă calitate pentru topirea fierului medieval de înaltă calitate a fost cărbune.
Nici acum, în epoca modernă a iluminatului, sarcina de a obține cărbune de înaltă calitate nu este deloc atât de simplă pe cât pare la prima vedere.
Cărbunele de cea mai bună calitate se obține doar dintr-un număr foarte limitat de specii de lemn - din toate speciile de lemn de esență tare destul de rare și cu creștere lentă (stejar, carpen, fag) și din arhetipul mesteacăn rusesc.
Deja din conifere - pin sau molid, cărbunele se dovedește a fi mult mai fragil și cu un randament mare de fine și praf de cărbune, iar încercarea de a obține cărbune bun din aspen sau arin cu frunze moi este aproape imposibilă - randamentul de bună calitate scade cu aproape jumatate fata de stejar.

Dacă în zona în care s-au găsit zăcăminte de fier nu erau suficiente păduri, sau dacă pădurile din zonă au fost distruse de generațiile anterioare de metalurgi, a fost necesar să se inventeze diverși înlocuitori de ersatz.
De exemplu, în Asia Centrală, în ciuda depozitelor de minereu de fier de înaltă calitate, aprovizionarea cu cherestea a fost redusă, așa că în loc de cărbune a fost necesar să se folosească următorul combustibil inovator:

Dacă cineva nu înțelege, acesta este bălegar de vacă. Poate fi cal, miel, capră sau măgar - nu joacă un rol special. Balega a fost frământată cu mâna în prăjituri plate (ceva de genul acesta) și apoi așezat să se usuce la soare.
Este clar că într-o astfel de situație nu era nevoie să vorbim despre „constanța compoziției” combustibilului, iar temperatura flăcării de la arderea unui astfel de „combustibil compozit” a fost mult mai mică decât cea a cărbunelui de înaltă calitate.

Un alt înlocuitor, mult mai avansat din punct de vedere tehnologic, a cărbunelui a apărut în lume mult mai târziu. Desigur, vorbim despre Coca-Cola, pe care se bazează acum toată metalurgia feroasă modernă.
Istoria „inventării” cocsului datează de doar două sute de ani. La urma urmei, bateria cuptorului de cocs în care „cărbunele s-a ars singur” a fost prima și cea mai puternică salvă a revoluției industriale. Ea, bateria cuptorului de cocs, și nu platforma petrolieră, a creat acea „lume a cărbunelui și aburului” pe care acum ne place să ne amintim în cărți, filme și anime despre steampunk.

Cu mult înainte de Revoluția Industrială, Anglia dezvoltase deja zăcăminte bogate de cărbune, care, totuși, era folosit aproape exclusiv pentru încălzirea locuințelor. Topirea minereului în Anglia se făcea, ca în multe locuri din lume, numai cu cărbune. Acest lucru s-a datorat unui fapt neplăcut caracteristic majorității cărbunilor - conțin cantități considerabile de fosfor și sulf, care sunt foarte dăunătoare pentru fierul produs în forjă.

Cu toate acestea, Marea Britanie este o insulă. Și, în cele din urmă, nevoile tot mai mari ale metalurgiei engleze pe bază de cărbune, a depăşit toate capacităţile pădurilor engleze. Robin Hoods englezi pur și simplu nu aveau unde să se ascundă- o creștere a topirii fierului a redus aproape toate pădurile din Foggy Albion la nimic. În cele din urmă, aceasta a devenit o frână pentru producția de fier, deoarece a fost necesară topirea o cantitate imensă de lemne de foc: pentru prelucrarea unei tone de minereu - aproape 40 de metri cubi de lemn brut.
Datorită creșterii producției de fier, a existat o amenințare cu distrugerea completă a pădurilor. Țara a fost nevoită să importe metal din străinătate, în principal din Rusia și Suedia. Încercările de utilizare a cărbunelui fosil pentru topirea fierului au eșuat multă vreme, din motivul menționat mai sus.
Abia în 1735, producătorul Abraham Derby, după mulți ani de experiență, a găsit o modalitate de a topi fonta folosind cărbune de cocsificare. A fost o victorie. Dar înainte de această victorie de la începutul secolului al IX-lea d.Hr. mai erau încă mai bine de 900 de ani.

Așadar, transportați lemne de foc (sau chiar cărbune finit) la fier de călcat nu funcționează pur și simplu din cauza logisticii procesului - combustibilul necesar este de 4-5 ori masa minereului și chiar mai mult în volum - de cel puțin zece ori. Este mai ușor să aduceți fierul la combustibil.

Există combustibil în Rusia Antică și din abundență. Dar hardware-ul de pe platforma rusă?
Dar există întrebări cu hardware-ul.
Minereu de fier de înaltă calitate nu în Câmpia Rusă.

Aud imediat strigăte: „Ce zici de anomalia magnetică de la Kursk? Cele mai bune minereuri de fier magnetice din lume!”
Da, unele dintre cele mai de calitate din lume. Deschis în 1931. Adâncimea de apariție - de la 200 la 600 de metri. Sarcina în mod clar nu este pentru tehnologiile care au fost la dispoziția slavilor antici în secolul al IX-lea d.Hr. Acum totul pare frumos, dar pentru acea vreme imaginea unei mine moderne de minereu de fier era ca o călătorie la Alpha Centauri pentru umanitatea modernă. În teorie este posibil, dar în practică nu este:

Drept urmare, în secolul al IX-lea în Rus, este necesar să facem o alegere din ceva inclus în această listă a tuturor minereurilor de fier folosite în prezent de omenire:

Minereu de fier magnetic - mai mult de 70% Fe sub formă magnetit Fe3O4 (exemplu: anomalia magnetică Kursk pe care am descris-o)
- minereu de fier roșu—55-60% Fe sub formă hematită Fe2O3 (exemplu: din nou anomalia magnetică Kursk sau bazinul Krivoy Rog)
- minereu de fier brun (limonit) - 35-55% Fe sub formă amestecuri de hidroxid fier feric Fe2O3-3H2O și Fe2O3-H2O (exemplu: zăcământul Kerch ruinat de Ucraina).
- minereu de fier - până la 40% Fe sub formă carbonat FeCO3 (exemplu: depozit Bakal)

Magnetitul și hematitul se află adânc pe platforma rusă, nu există deloc minereu de fier.
Ceea ce rămâne este minereul de fier brun (limonitul).
Materia primă, ca să spunem ușor, este proastă - uitați-vă doar la concentrația de fier din ea, dar amuzant este că este disponibilă pe teritoriul a ceea ce era atunci Rus. aproape peste tot. În plus, acest „aproape peste tot” se dovedește în mod miraculos a fi în imediata apropiere a sursei de atunci de combustibil de cărbune de înaltă calitate - pădurile puternice din Câmpia Rusă.

Vorbim, bineînțeles, despre turbării și limonit, care este adesea numit și fier de mlaștină.
Pe lângă fierul de mlaștină, au o geneză similară fier de luncă și lac. Cu toate acestea, după cum veți vedea mai târziu, săpatul pentru un astfel de fier era cel mai profitabil într-o mlaștină.

Pentru a înțelege amploarea prevalenței extragerii efective a acestei resurse locale în Rusia, este suficient, ca în cazul „numelor de familie metalurgice”, să deschideți pur și simplu orice hartă geografică și să priviți numele de rusă, ucraineană, belarusă sau sate lituaniene.
Și imediat vei fi lovit de un număr imens de toponime cu cuvintele Guta, Buda, Ruda. Iată semnificațiile lor:

Guta: instalatie de topire a sticlei
Minereu: minerit de fier din mlaștină
Buda: extragerea potasiului din cenusa vegetala.

Veți găsi astfel de sate peste tot - într-o centură largă în mlaștinile Polesie - de la Brest la Sumy. În Rus' existau o mulțime de surse de „minereu de mlaștină”. „Fierul de mlaștină” se formează în general aproape peste tot unde există o tranziție de la solurile care conțin oxigen la un strat fără oxigen (exact la joncțiunea acestor două straturi).
În mlaștini, această graniță este situată pur și simplu, spre deosebire de alte tipuri de teren, foarte aproape de suprafata, prin urmare, noduli de fier acolo pot fi săpați literalmente cu o lopată, îndepărtând doar un strat subțire de vegetație de mlaștină.

Iată cum arată fierul de mlaștină: .
Dar tocmai aceasta a salvat-o pe Rus.

Depozitele de fier din mlaștină în sine sunt clasice plasători.
Placerii sunt, de obicei, zăcăminte mult mai mici decât corpurile de minereu, volumul lor total depășește rareori zeci de mii de tone (în timp ce zăcămintele de minereu pot conține milioane și miliarde de tone de minereu), dar exploatarea placerelor este de obicei mult mai simplă decât extragerea unui corp de minereu.
Placerii pot fi de obicei dezvoltați aproape cu mâinile goale și cu o zdrobire minimă a rocii, deoarece placerii apar de obicei în rocile sedimentare deja distruse.
Aceasta este în general o practică obișnuită: mai întâi se exploatează placerii, apoi minereurile.
Mai mult, pentru toate metalele, mineralele sau compușii.

Apropo, „tinichea de lemn” (despre care am scris în seria despre Catastrofa Epocii Bronzului) este și el un placer.

Cu toate acestea, nu se poate spune că exploatarea plăcilor de fier din mlaștină a fost o sarcină simplă.

Fierul de mlaștină a fost extras în trei moduri principale.

Primul - vara, nămolul de fund a fost scos din plute în lacurile și râurile care curgeau din mlaștini. Pluta era ținută într-un singur loc de un stâlp (o persoană) și o altă persoană folosea un dispozitiv pentru a îndepărta nămolul de pe fund. Avantajele acestei metode sunt simplitatea și stresul fizic scăzut asupra lucrătorilor.
Dezavantaje - o cantitate mare de muncă inutilă, deoarece nu numai roca sterilă a fost strânsă cu fier de mlaștină, dar, în plus, au trebuit să fie ridicate cantități mari de apă împreună cu nămol. În plus, este dificil să folosiți o linguriță pentru a îndepărta pământul la adâncimi mari.

A doua cale. În timpul iernii, în locurile în care canalele au înghețat până la fund, gheața a fost mai întâi tăiată, iar apoi sedimentul de fund care conținea fier din mlaștină a fost de asemenea tăiat. Avantajele acestei metode: capacitatea de a selecta un strat mare care conține fier de mlaștină. Dezavantaje: este dificil din punct de vedere fizic să dăltuiți gheața și pământul înghețat. Extragerea este posibilă numai până la adâncimea de îngheț.

A treia metodă a fost cea mai comună. Pe malul de lângă pâraie sau lacuri de mlaștină, a fost asamblat un cadru, ca pentru o fântână, doar la dimensiuni mai mari, de exemplu, 4 pe 4 metri. Apoi au început să sape stratul de acoperire de rocă sterilă din interiorul casei din busteni, adâncind treptat casa din busteni. Apoi a fost selectată și roca care conține fier de mlaștină. S-au adăugat sulurile de bușteni pe măsură ce casa de bușteni se adâncea.
Apa care curgea constant a fost evacuată periodic. Desigur, era posibil să sapi pur și simplu fără a întări pereții cu bușteni, dar în cazul unei prăbușiri foarte probabile a solului spălat și a lucrătorilor care adorm în groapă - cu greu ar fi fost posibil să salvezi pe cineva - oamenii s-au înecat repede și s-au înecat. Avantajele acestei metode: capacitatea de a selecta întregul strat care conține fier de mlaștină și costuri mai mici cu forța de muncă în comparație cu a doua metodă. În plus, chiar înainte de începerea exploatării a fost posibilă determinarea aproximativă a calității materiilor prime extrase („localnicii judecă bunătatea minereului și după tipul de arbori care cresc pe el; astfel, cel găsit sub mesteacănul și aspenul sunt considerați cei mai buni, deoarece fierul din acesta este mai moale, iar în locurile în care crește pădurea de molid, este mai dur și mai puternic").
Dezavantaje: trebuie să lucrezi în apă tot timpul.

În general, vechii mineri ruși au avut dificultăți. Acum, desigur, recreatorii din întreaga lume fac excursii și chiar fac gropi în locuri mai uscate și mai accesibile, unde pot extrage cu ușurință niște minereu de mlaștină:

Copiii reenactorilor sunt fericiți. În secolul al IX-lea, cred că totul era diferit.

Totuși, pentru a înțelege situația din Rus' în secolele IX-XII, trebuie să înțelegem scară pescuitul care a fost organizat de strămoșii noștri pe o resursă atât de risipitoare precum plasacii de mlaștină.

La urma urmei, dacă procesul de dezgropare a nămolului în mlaștini în sine nu a lăsat urme care să poată fi urmărite de-a lungul secolelor, atunci prelucrarea ulterioară a fierului de mlaștină a lăsat urme în stratul cultural și ce fel de ele!

La urma urmei, pentru procesul de suflare a brânzei, care la acea vreme era folosit în metalurgia rusă antică și producea zgură foarte feroasă, era necesar foarte bogat minereu de fier. Și limonitul, după cum ne amintim, este un minereu sărac.
Pentru a obține un concentrat bun de limonit, a fost necesară pre-îmbogățirea minereurilor exploatate - atât de mlaștină, cât și de luncă. Prin urmare, metalurgiștii ruși antici au îmbogățit în mod necesar minereurile de fier din mlaștină care intrau în topire.

Operația de îmbogățire a fost o condiție tehnologică foarte importantă pentru producerea fierului în cuptoarele de brânză.
Studiile ulterioare, prin analiza monumentelor istorice, au relevat următoarele metode de îmbogățire cu minereu:

1) uscare (intemperii, în decurs de o lună);
2) tragere;
3) măcinare;
4) spălare;
5) cernerea.

Producția de minereu foarte concentrat nu putea fi limitată la doar una sau două operațiuni, ci necesita o prelucrare sistematică prin toate metodele de mai sus. O operațiune binecunoscută din punct de vedere arheologic este prăjirea minereului.
După cum înțelegeți, prăjirea a necesitat și combustibil de înaltă calitate (cărbune) și, de asemenea, în cantități considerabile.

În timpul explorării arheologice din apropierea satului Lasuna de pe coasta Golfului Finlandei, într-una dintre gropi a fost descoperită o grămadă de minereu ars. Pentru toate operațiunile de îmbogățire a minereului este nevoie de un echipament foarte simplu: pentru zdrobirea minereului - un bloc de lemn și mortar, iar pentru cernere și spălare - o sită de lemn (plasă de tije).
Dezavantajul arderii minereului de mlaștină în foc și gropi a fost îndepărtarea incompletă a apei din acesta la prăjirea bucăților mari și pierderile mari la prăjirea bucăților mici.

În producția modernă, desigur, îmbogățirea este mult mai simplă - minereul zdrobit fin este amestecat cu același cocs măcinat și introdus într-un dispozitiv similar cu o mașină de tocat carne mare. Snecul alimentează amestecul de minereu și cocs pe o rețea cu orificii nu mai mari de 8 mm. Strângând prin găuri, un astfel de amestec omogen intră în flacără, în timp ce cocsul arde, topind minereul și, în plus, sulful este ars din minereu, astfel are loc simultan desulfurarea materiilor prime.

La urma urmei, fierul din mlaștină, ca și cărbunele, conține impurități dăunătoare - sulf și fosfor. Desigur, a fost posibil să se găsească materii prime care conțin puțin fosfor (ei bine, relativ puțin - există întotdeauna mai puțin în fierul din minereu decât în fierul din mlaștină). Dar era aproape imposibil să găsești fier de mlaștină care conține puțin fosfor și sulf. Prin urmare, pe lângă întreaga industrie a extragerii fierului din mlaștină, a apărut o industrie la fel de mare a îmbogățirii sale.

Pentru a înțelege scopul acestei acțiuni, voi da un exemplu: în timpul săpăturilor din Old Ryazan în 16 din 19 locuinţe ale cetăţenilor Au fost descoperite urme de gătit „acasă” a fierului în oale într-un cuptor obișnuit.
Călătorul vest-european Jacob Reitenfels, care a vizitat Moscovia în 1670, a scris că „țara moscoviților este o sursă vie de pâine și metal”.

Așadar, într-un loc gol, fără nimic sub ele, cu excepția solurilor sărace de pădure, cu mesteacăni pierniciți și turbării, strămoșii noștri au descoperit dintr-o dată o „mină de aur” literalmente sub picioarele lor. Și chiar dacă nu a fost un filon, ci un placer, și nu aur, ci fier, situația nu s-a schimbat.

Țara încă în curs de dezvoltare și-a primit locul în lume și o cale civilizațională care o va duce la tunurile Balaklava, la tancul T-Z4 și la ICBM Topol-M.
Resurse. Loc de munca. Productie. Armă.

Pentru că, având resurse, ajungi inevitabil la arme. Sau - altcineva vine pentru resursele tale.
Epoca fierului a început în Rus'.
Un secol – sau mai bine zis, un mileniu – de arme rusești.

Un mileniu în care sabia se va ridica - și va cădea din nou, după ce următorul inamic va fi înfrânt și aruncat din pădurile de mesteacăn și din mlaștinile de turbă.

Iar duşmanii nu au întârziat să vină.
Într-adevăr, în secolul al X-lea cursa înarmărilor din Epoca Fierului câștiga deja avânt.

Minereul de fier este obținut în mod obișnuit: exploatare în cariera sau subterană și transportul ulterioar până la pregătirea inițială, unde materialul este zdrobit, spălat și prelucrat.

Minereul este turnat într-un furnal și explodat cu aer cald și căldură, ceea ce îl transformă în fier topit. Apoi este scos din fundul cuptorului în forme cunoscute sub numele de porci, unde se răcește pentru a produce fontă. Este transformat în fier forjat sau prelucrat în oțel în mai multe moduri.

Ce este oțelul?

La început a existat fierul. Este unul dintre Se poate găsi aproape peste tot, combinat cu multe alte elemente, sub formă de minereu. În Europa, începutul lucrului cu fier datează din anul 1700 î.Hr.

În 1786, oamenii de știință francezi Berthollet, Monge și Vandermonde au determinat cu exactitate că diferența dintre fier, fontă și oțel se datorează conținutului diferit de carbon. Cu toate acestea, oțelul, fabricat din fier, a devenit rapid cel mai important metal al Revoluției Industriale. La începutul secolului al XX-lea, producția globală de oțel era de 28 de milioane de tone, de șase ori mai mult decât în 1880. Până la începutul Primului Război Mondial, producția sa a fost de 85 de milioane de tone. În câteva decenii, practic a înlocuit fierul.

În prezent, există peste 3.000 de mărci catalogate (de compuși chimici), fără a număra cele create pentru a răspunde nevoilor individuale. Toate contribuie la transformarea oțelului în cel mai potrivit material pentru rezolvarea provocărilor viitorului.

Materii prime pentru fabricarea oțelului: primare și secundare

Topirea acestui metal folosind multe componente este cea mai comună metodă de exploatare. Materialele de încărcare pot fi primare sau secundare. Compoziția principală a încărcăturii este de obicei 55% fontă și 45% resturi de metal rămase. Feroaliajele, fonta transformată și metalele pure din punct de vedere tehnic sunt utilizate ca element principal al aliajului, de regulă, includ toate tipurile de metal feros.

Minereul de fier este cea mai importantă și de bază materie primă în industria siderurgică. Pentru a produce o tonă de fontă, sunt necesare aproximativ 1,5 tone din acest material. Aproximativ 450 de tone de cocs sunt folosite pentru a produce o tonă de fontă brută. Multe fabrici metalurgice chiar folosesc

Apa este o materie primă importantă pentru industria siderurgică. Este folosit în principal pentru întărirea cocsului, răcirea furnalului, generarea de abur pentru funcționarea echipamentelor hidraulice și eliminarea apei uzate. Este nevoie de aproximativ 4 tone de aer pentru a produce o tonă de oțel. Fluxul este utilizat într-un furnal pentru a îndepărta impuritățile din minereu de topire. Calcarul și dolomita se combină cu impuritățile extrase pentru a forma zgură.

Atât cuptoarele de aer cât și cele din oțel sunt căptușite cu materiale refractare. Sunt utilizate pentru cuptoarele de căptușeală proiectate pentru topirea minereului de fier. Pentru turnare se folosește silice sau nisip. Aluminiul, cromul, cobaltul, cuprul, plumbul, manganul, molibdenul, nichelul, staniul, wolframul, zincul, vanadiul etc. sunt folosite pentru a produce diferite calități de oțel. Dintre toate aceste feroaliaje, manganul este utilizat pe scară largă în topirea oțelului.

Deșeurile de fier obținute din structurile de instalații demontate, utilaje, vehicule vechi etc. sunt reciclate și utilizate pe scară largă în această industrie.

Fonta pentru otel

Topirea oțelului cu fontă se realizează mult mai des decât cu alte materiale. Fonta este un termen care se referă de obicei la fonta cenușie, cu toate acestea, este identificată și cu un grup mare de feroaliaje. Carbonul reprezintă aproximativ 2,1 până la 4% în greutate, în timp ce siliciul reprezintă de obicei 1 până la 3% în greutate în aliaj.

Fierul și oțelul sunt topite la un punct de topire între 1150 și 1200 de grade, care este cu aproximativ 300 de grade mai mic decât punctul de topire al fierului pur. Fonta prezintă, de asemenea, o fluiditate bună, prelucrabilitate excelentă și rezistență la deformare, oxidare și turnare.

Oțelul este, de asemenea, un aliaj de fier cu conținut variabil de carbon. Conținutul de carbon al oțelului variază de la 0,2 la 2,1% în masă și este cel mai economic material de aliere pentru fier. Topirea oțelului din fontă este utilă pentru o varietate de scopuri de inginerie și structurale.

Minereu de fier pentru oțel

Procesul de topire a oțelului începe cu prelucrarea minereului de fier. Roca care conține minereul de fier este zdrobită. Minereul este extras cu role magnetice. Minereul de fier cu granulație fină este procesat în bulgări cu granulație grosieră pentru a fi utilizat în furnal. Cărbunele este purificat de impurități, rezultând o formă aproape pură de carbon. Amestecul de minereu de fier și cărbune este apoi încălzit pentru a produce fier topit sau fontă brută, care este folosită la fabricarea oțelului.

În cuptorul principal cu oxigen, minereul de fier topit este principala materie primă și este amestecat cu cantități diferite de fier vechi și aliaje pentru a produce diferite grade de oțel. Un cuptor cu arc electric topește deșeurile de oțel reciclate direct în oțel nou. Aproximativ 12% din oțel este fabricat din material reciclat.

Tehnologia de topire

Topirea este procesul prin care un metal este obținut fie ca element, fie ca simplu compus din minereul său prin încălzire peste punctul său de topire, de obicei în prezența agenților oxidanți precum aerul sau a agenților reducători precum cocsul.

În tehnologia de fabricare a oțelului, un metal care se combină cu oxigenul, cum ar fi oxidul de fier, este încălzit la o temperatură ridicată, iar oxidul se formează în combinație cu carbonul din combustibil, care iese ca monoxid de carbon sau dioxid de carbon.
Alte impurități, numite colectiv vene, sunt îndepărtate prin adăugarea unui curent cu care se combină pentru a forma zgură.

Topirea modernă a oțelului folosește un cuptor cu reverberație. Minereu și flux concentrat (de obicei calcar) sunt încărcate în partea de sus, iar mata topită (un compus de cupru, fier, sulf și zgură) este trasă de jos. Un al doilea tratament termic într-un cuptor convertor este necesar pentru a îndepărta fierul de pe suprafața mată.

Metoda oxigen-convector

Procesul BOF este cel mai important proces de fabricare a oțelului din lume. Producția mondială de oțel de transformare în 2003 sa ridicat la 964,8 milioane de tone sau 63,3% din producția totală. Producția de convertizor este o sursă de poluare a mediului. Principalele provocări ale acesteia sunt reducerea emisiilor, a deversărilor și reducerea deșeurilor. Esența lor constă în utilizarea energiei secundare și a resurselor materiale.

Căldura exotermă este generată de reacțiile de oxidare în timpul purgerii.

Principalul proces de fabricare a oțelului folosind propriile noastre rezerve:

Fonta topită (numită uneori metal fierbinte) dintr-un furnal este turnată într-un recipient mare căptușit ignifug numit oală.
Metalul din oală este trimis direct la etapa principală de producție a oțelului sau de preprocesare.
Oxigenul de înaltă puritate, la o presiune de 700-1000 kilopascali, este injectat la viteze supersonice pe suprafața băii de fier printr-o lance răcită cu apă care este suspendată într-un vas și ținută la câțiva metri deasupra băii.

Decizia de pretratare depinde de calitatea metalului fierbinte și de calitatea finală a oțelului cerută. Primele convertoare cu fund detașabil, care ar putea fi detașate și reparate, sunt încă în uz. S-au schimbat sulitele folosite la suflare. Pentru a preveni blocarea tubului în timpul purjării, s-au folosit manșete fante cu un vârf de cupru lung conic. Vârfurile vârfurilor, după ardere, ard CO produs prin suflarea în CO 2 și oferă căldură suplimentară. Pentru îndepărtarea zgurii se folosesc săgeți, bile refractare și detectoare de zgură.

Metoda oxigen-convecție: avantaje și dezavantaje

Nu necesită costuri pentru echipamentele de purificare a gazelor, deoarece formarea de praf, adică evaporarea fierului, este redusă de 3 ori. Datorită scăderii randamentului fierului, se observă o creștere a randamentului oțelului lichid cu 1,5 - 2,5%. Un alt avantaj este că intensitatea purjării în această metodă crește, ceea ce face posibilă creșterea productivității convertorului cu 18%. Calitatea oțelului este mai mare deoarece temperatura din zona de suflare este redusă, ceea ce duce la scăderea formării azotului.

Dezavantajele acestei metode de topire a oțelului au dus la o scădere a cererii de consum, deoarece nivelul consumului de oxigen crește cu 7% din cauza consumului ridicat de ardere a combustibilului. Există un conținut crescut de hidrogen în metalul prelucrat, motiv pentru care este necesar să se efectueze purjarea cu oxigen pentru ceva timp după terminarea procesului. Dintre toate metodele, metoda convertorului de oxigen are cea mai mare formare de zgură, motivul este incapacitatea de a monitoriza procesul de oxidare din interiorul echipamentului.

Metoda vatră deschisă

Procesul cu vatră deschisă a cuprins cea mai mare parte a prelucrării întregului oțel produs în lume în cea mai mare parte a secolului al XX-lea. William Siemens a căutat în anii 1860 un mijloc de creștere a temperaturii într-un cuptor metalurgic, reînviind o veche propunere de a folosi căldura reziduală generată de cuptor. A încălzit cărămida la o temperatură ridicată, apoi a folosit aceeași cale pentru a introduce aer în cuptor. Aerul preîncălzit a crescut semnificativ temperatura flăcării.

Ca combustibil se folosesc gaze naturale sau uleiuri grele atomizate; aerul și combustibilul sunt încălzite înainte de ardere. Furnalul este încărcat cu fier lichid și resturi de oțel împreună cu minereu de fier, calcar, dolomit și fluxuri.

Soba în sine este realizată din materiale foarte refractare, cum ar fi cărămizi de magnezit pentru vetre. Cuptoarele cu vatră deschisă cântăresc până la 600 de tone și sunt de obicei instalate în grupuri, astfel încât echipamentele auxiliare masive necesare pentru încărcarea cuptoarelor și procesarea oțelului lichid să poată fi utilizate eficient.

Deși procesul cu vatră deschisă a fost aproape complet înlocuit în majoritatea țărilor industrializate de procesul de bază cu oxigen și cuptorul cu arc electric, acesta produce aproximativ 1/6 din tot oțelul produs la nivel mondial.

Avantajele și dezavantajele acestei metode

Avantajele includ ușurința de utilizare și ușurința de producție a oțelului aliat cu diverși aditivi care conferă materialului diverse proprietăți specializate. Aditivii și aliajele necesare se adaugă imediat înainte de sfârșitul topirii.

Dezavantajele includ eficiența redusă în comparație cu metoda convertorului de oxigen. De asemenea, calitatea oțelului este mai scăzută în comparație cu alte metode de topire a metalelor.

Metoda electrică de fabricare a oțelului

Metoda modernă de topire a oțelului folosind propriile rezerve este un cuptor care încălzește materialul încărcat folosind un arc electric. Cuptoarele industriale cu arc variază ca dimensiuni de la unități mici cu o capacitate de încărcare de aproximativ o tonă (folosite în turnătorii pentru a produce produse din fontă) până la unități de 400 de tone utilizate în metalurgia secundară.

Cuptoarele cu arc folosite în laboratoarele de cercetare pot avea o capacitate de doar câteva zeci de grame. Temperaturile cuptorului cu arc electric industrial pot fi de până la 1800 °C (3,272 °F), în timp ce instalațiile de laborator pot depăși 3000 °C (5432 °F).

Cuptoarele cu arc diferă de cuptoarele cu inducție prin faptul că materialul de încărcare este expus direct arcului electric, iar curentul din terminale trece prin materialul încărcat. Cuptorul cu arc electric este utilizat pentru producția de oțel, constă dintr-o căptușeală refractară, de obicei răcită cu apă, are dimensiuni mari și acoperit cu un acoperiș retractabil.

Cuptorul este împărțit în principal în trei secțiuni:

Carcasă formată din pereți laterali și un vas inferior din oțel.
Vatra este formata dintr-un refractar care extinde vasul inferior.
Acoperișul căptușit cu foc sau răcit cu apă poate fi proiectat ca o secțiune bilă sau ca un trunchi de con (secțiune conică).

Avantajele și dezavantajele metodei

Această metodă ocupă o poziție de lider în domeniul producției de oțel. Metoda de topire a oțelului este folosită pentru a crea un metal de înaltă calitate care este fie complet lipsit de impurități nedorite, fie care conține cantități mici de impurități nedorite, cum ar fi sulful, fosforul și oxigenul.

Principalul avantaj al metodei este încălzirea, datorită căreia puteți controla cu ușurință temperatura de topire și puteți obține rate de încălzire incredibile pentru metal. Munca automatizată va fi un plus plăcut la oportunitatea excelentă de prelucrare de înaltă calitate a diferitelor fier vechi.

Dezavantajele includ consumul ridicat de energie.

Fierul reprezintă mai mult de 5% din scoarța terestră. Principalele minereuri folosite pentru extragerea fierului sunt hematitul și magnetitul. Aceste minereuri conțin de la 20 la 70% fier. Cele mai importante impurități de fier din aceste minereuri sunt nisipul și alumina (oxid de aluminiu).

Miezul Pământului

Pe baza unor dovezi indirecte, putem concluziona că miezul Pământului este în principal un aliaj de fier. Raza sa este de aproximativ 3470 km, în timp ce raza Pământului este de 6370 km. Miezul interior al Pământului pare a fi solid și are o rază de aproximativ 1.200 km. Este înconjurat de un miez exterior lichid. Fluxul turbulent de fluid în această parte a miezului creează câmpul magnetic al Pământului. Presiunea din interiorul miezului variază de la 1,3 la 3,5 milioane de atmosfere, iar temperatura variază de la

Deși s-a stabilit că nucleul Pământului este compus în mare parte din fier, compoziția sa exactă este necunoscută. Se estimează că 8 până la 10% din masa miezului pământului este alcătuită din elemente precum nichel, sulf (sub formă de sulfură de fier), oxigen (sub formă de oxid de fier) și siliciu (sub formă de siliciură de fier).

Cel puțin 12 țări din lume au rezerve dovedite de minereu de fier care depășesc un miliard de tone. Aceste țări includ Australia, Canada, SUA, Africa de Sud, India, URSS și Franța. Nivelul global de producție de oțel atinge în prezent 700 de milioane de tone. Principalii producători de oțel sunt URSS, SUA și Japonia, fiecare dintre aceste țări produce peste 100 de milioane de tone de oțel pe an. În Marea Britanie, nivelul producției de oțel este de 20 de milioane de tone pe an.

Producția de fier

Extracția fierului din minereul de fier se realizează în două etape. Începe cu pregătirea minereului - măcinare și încălzire. Minereul este zdrobit în bucăți cu un diametru de cel mult 10 cm. Minereul zdrobit este apoi calcinat pentru a îndepărta apa și impuritățile volatile.

În a doua etapă, minereul de fier este redus în fier folosind monoxid de carbon într-un furnal (Fig. 14.12). Reducerea se realizează la temperaturi de aproximativ 700°C:

Pentru a crește randamentul de fier, acest proces se efectuează în condiții de exces de dioxid de carbon

Monoxidul de carbon CO se formează într-un furnal din cocs și aer. Aerul este mai întâi încălzit la aproximativ 600 °C și forțat în cuptor printr-o țeavă specială - o tuyeră. Cocsul arde în aer comprimat fierbinte pentru a forma dioxid de carbon. Această reacție este exotermă și provoacă o creștere a temperaturii peste 1700 °C:

Dioxidul de carbon se ridică în cuptor și reacționează cu mai mult cocs pentru a forma monoxid de carbon. Această reacție este endotermă:

Orez. 14.12. Furnal, 1 - minereu de fier, calcar, cocs, 2 con de încărcare (sus), 3 - gaz superior, 4 - zidărie cuptor, 5 - zonă de reducere a oxidului de fier, 6 - zonă de formare a zgurii, 7 - zonă de ardere a cocsului, 8 - injectarea aerului încălzit prin tuiere, 9 - fier topit, 10 - zgură topită.

Fierul format în timpul reducerii minereului este contaminat cu impurități de nisip și alumină (vezi mai sus). Pentru a le îndepărta, se adaugă calcar în cuptor. La temperaturile existente în cuptor, calcarul suferă descompunere termică cu formare de oxid de calciu și dioxid de carbon:

Oxidul de calciu se combină cu impuritățile pentru a forma zgură. Zgura conține silicat de calciu și aluminat de calciu:

Fierul se topește la 1540°C (vezi Tabelul 14.2). Fierul topit împreună cu zgura topită curge în partea inferioară a cuptorului. Zgura topită plutește pe suprafața fierului topit. Fiecare dintre aceste straturi este eliberat periodic din cuptor la nivelul corespunzător.

Furnalul funcționează non-stop, în regim continuu. Materiile prime pentru procesul de furnal sunt minereul de fier, cocs și calcar. Ele sunt introduse constant în cuptor prin partea de sus. Fierul este eliberat din cuptor de patru ori pe zi, la intervale regulate. Se revarsă din cuptor într-un curent de foc la o temperatură de aproximativ 1500 °C. Furnalele vin în diferite dimensiuni și productivitate (1000-3000 tone pe zi). În SUA există câteva modele noi de cuptoare cu

patru ieșiri și eliberare continuă de fier topit. Astfel de cuptoare au o capacitate de până la 10.000 de tone pe zi.

Fierul topit într-un furnal este turnat în forme de nisip. Acest tip de fier se numește fontă. Conținutul de fier din fontă este de aproximativ 95%. Fonta este o substanță tare, dar fragilă, cu un punct de topire de aproximativ 1200 °C.

Fonta este realizată prin topirea unui amestec de fontă brută, fier vechi și oțel cu cocs. Fierul topit se toarnă în forme și se răcește.

Fierul forjat este cea mai pură formă de fier industrial. Este produs prin încălzirea fierului brut cu hematit și calcar într-un cuptor de topire. Aceasta crește puritatea fierului la aproximativ 99,5%. Punctul său de topire crește la 1400 °C. Fierul forjat are o mare rezistență, maleabilitate și ductilitate. Cu toate acestea, pentru multe aplicații este înlocuit cu oțel moale (vezi mai jos).

Producția de oțel

Oțelurile sunt împărțite în două tipuri. Oțelurile carbon conțin până la 1,5% carbon. Oțelurile aliate conțin nu numai cantități mici de carbon, ci și impurități (aditivi) special introduse ale altor metale. Diferitele tipuri de oțeluri, proprietățile și aplicațiile lor sunt discutate în detaliu mai jos.

Procesul convertorului de oxigen. În ultimele decenii, producția de oțel a fost revoluționată prin dezvoltarea procesului de bază cu oxigen (cunoscut și sub denumirea de proces Linz-Donawitz). Acest proces a început să fie utilizat în 1953 în oțelăriile din două centre metalurgice austriece - Linz și Donawitz.

Procesul de transformare a oxigenului utilizează un convertor de oxigen cu o căptușeală principală (căptușeală) (Fig. 14.13). Convertorul este încărcat într-o poziție înclinată

Orez. 14.13. Convertor pentru topirea oțelului, 1 - oxigen și 2 - tub răcit cu apă pentru explozie de oxigen, 3 - zgură. 4 axe, 5-oțel topit, 6-corp din oțel.

fonta topită din cuptorul de topire și fier vechi, apoi a revenit în poziție verticală. După aceasta, un tub de cupru răcit cu apă este introdus în convertor de sus și prin acesta un flux de oxigen amestecat cu var pulbere este direcționat pe suprafața fierului topit. Această „purjare cu oxigen”, care durează 20 de minute, duce la oxidarea intensă a impurităților de fier, iar conținutul convertorului rămâne lichid datorită eliberării de energie în timpul reacției de oxidare. Oxizii rezultați se combină cu var și se transformă în zgură. Tubul de cupru este apoi scos și convertizorul este înclinat pentru a drena zgura. După suflare repetată, oțelul topit este turnat din convertor (în poziție înclinată) într-o oală.

Procesul de transformare a oxigenului este utilizat în principal pentru a produce oțeluri carbon. Se caracterizează prin productivitate ridicată. În 40-45 de minute, într-un singur convertor pot fi produse 300-350 de tone de oțel.

În prezent, tot oțelul din Marea Britanie și majoritatea oțelului din întreaga lume este produs folosind acest proces.

Procesul electric de fabricare a oțelului. Cuptoarele electrice sunt utilizate în principal pentru transformarea deșeurilor de oțel și fontă în oțeluri aliate de înaltă calitate, cum ar fi oțelul inoxidabil. Cuptorul electric este un rezervor rotund adânc căptușit cu cărămizi refractare. Cuptorul este încărcat cu fier vechi prin capacul deschis, apoi capacul este închis și electrozii sunt coborâți în cuptor prin orificiile din acesta până când intră în contact cu fier vechi. După aceasta, curentul este pornit. Între electrozi are loc un arc, în care se dezvoltă o temperatură de peste 3000 °C. La această temperatură, metalul se topește și se formează oțel nou.

Tehnologia producerii fierului în antichitate

Pentru a obține fier din minereu, trebuie mai întâi să obțineți kritsa. Pentru aceasta, a fost folosit pentru prima dată minereul de fier oxidat, care apare cel mai adesea în apropierea suprafeței. După descoperirea proprietăților sale, astfel de depozite s-au epuizat rapid ca urmare a dezvoltării lor intensive.

Minereurile de mlaștină sunt mult mai răspândite. S-au format în perioada subatlantică, când, în timpul procesului de mlaștină, minereul de fier s-a depus pe fundul rezervoarelor. De-a lungul Evului Mediu, metalurgia feroasă a folosit minereuri de mlaștină. Au plătit chiar și taxe cu ei. Producerea fierului din minereu în cantități relativ mari a devenit posibilă după inventarea cuptorului pentru brânză. Acest nume a apărut după inventarea suflarii cu aer încălzit în furnalele înalte. În cele mai vechi timpuri, metalurgiștii introduceau aer brut (rece) în forjă. La o temperatură de 900 o, cu ajutorul dioxidului de carbon, care elimină oxigenul din oxidul de fier, se reduce fierul din minereu și se obține un aluat sau o bucată poroasă fără formă înmuiată în zgură - kritsa. Pentru a realiza acest proces, a fost nevoie de cărbune ca sursă de dioxid de carbon. Kritsa a fost apoi forjată pentru a îndepărta zgura din ea. Metoda de fabricare a brânzei, numită uneori topirea fierului, este neeconomică, dar multă vreme a rămas singura și neschimbată metodă de obținere a metalului feros.

La început, fierul a fost topit în gropi obișnuite, închise la vârf, au început să fie construite cuptoare de lut. Minereu zdrobit și cărbune au fost încărcate în spațiul de lucru al forjei în straturi, toate acestea au fost incendiate, iar aerul a fost forțat prin orificiile duzei cu burdufuri speciale (de piele). Roca se depune în zgură la o temperatură de 1300-1400 o, la care se obține oțel - fier care conține de la 0,3 la 1,2%. carbon. Pe măsură ce se răcește, devine foarte tare. Pentru a obține fontă - fier fuzibil cu un conținut de carbon de 1,5-5% - aveți nevoie de un design de forjă mai complex, cu un spațiu de lucru mare. În acest caz, punctul de topire al fierului a fost mai scăzut și a curjat parțial din cuptor împreună cu zgura. Când s-a răcit, a devenit fragil și la început a fost aruncat, dar apoi au învățat să-l folosească. Pentru a face fier maleabil din fontă, trebuie să îndepărtați carbonul din acesta.

Tehnologie pentru crearea aliajelor de fier

Primul dispozitiv pentru obținerea fierului din minereu a fost un cuptor pentru brânză de unică folosință. Cu un număr mare de dezavantaje, pentru o lungă perioadă de timp aceasta a fost singura modalitate de a obține metal din minereu.

Oamenii antici au trăit bogat și fericiți pentru o lungă perioadă de timp - topoarele de piatră erau făcute din jasp, iar malachitul era ars pentru a obține cupru, dar toate lucrurile bune tind să se încheie. Unul dintre motivele prăbușirii civilizației antice a Mediteranei a fost epuizarea resurselor minerale. Aurul s-a terminat nu în vistierie, ci în adâncuri, până și în „Insulele de staniu”. Deși cuprul este încă exploatat în Sinai și Cipru, zăcămintele care sunt în curs de dezvoltare acum nu erau disponibile romanilor. Printre altele, s-a epuizat și minereul potrivit pentru prelucrarea brânzei. Mai era mult plumb.

Cu toate acestea, triburile barbare care au așezat Europa, devenită fără stăpân, nu au știut de multă vreme că resursele sale minerale au fost epuizate de predecesorii lor. Având în vedere scăderea uriașă a producției de metal, resursele pe care romanii le disprețuiau au fost suficiente pentru o lungă perioadă de timp. Mai târziu, metalurgia a început să revină în primul rând în Germania și Republica Cehă - adică acolo unde romanii nu ajungeau cu târnăcobi și roabe.

O etapă superioară în dezvoltarea metalurgiei feroase a fost reprezentată de cuptoarele înalte permanente numite cuptoare cu stuc în Europa. Era într-adevăr o sobă înaltă - cu o țeavă de patru metri pentru a spori tracțiunea. Burduful mașinii de stucat se legăna deja de mai multe persoane și, uneori, de un motor cu apă. Stukofen avea uși prin care kritsa era îndepărtat o dată pe zi.

Stukofens au fost inventați în India la începutul primului mileniu î.Hr. La începutul erei noastre, au venit în China, iar în secolul al VII-lea, împreună cu cifrele „arabe”, arabii au împrumutat această tehnologie din India. La sfârșitul secolului al XIII-lea, Stuktofens au început să apară în Germania și Republica Cehă (și chiar înainte se aflau în sudul Spaniei) și în secolul următor s-au răspândit în toată Europa.

Productivitatea stuktofenului a fost incomparabil mai mare decât cea a unui cuptor de suflat brânzeturi - producea până la 250 kg de fier pe zi, iar temperatura de topire în acesta era suficientă pentru a carbura o parte din fier la starea de fontă. Cu toate acestea, când cuptorul a fost oprit, fonta stucată a înghețat la fundul ei, amestecându-se cu zgură, iar în acel moment puteau curăța metalul de zgură doar prin forjare, dar fonta nu se împrumuta. A trebuit să fie aruncat.

Uneori, însă, au încercat să găsească o anumită utilizare pentru fonta ipsos. De exemplu, vechii hinduși au turnat sicrie din fontă murdară, iar turcii, la începutul secolului al XIX-lea, au aruncat ghiulele. Este greu să judeci cum sunt sicriele, dar ghiulele care au ieșit din el au fost atât de așa.

Gurile de tun pentru tunuri au fost turnate din zgura feroasă în Europa la sfârșitul secolului al XVI-lea. Drumurile au fost făcute din pavaj turnate. În Nizhny Tagil se mai păstrează clădirile cu fundații din blocuri de zgură turnate.

Metalurgiștii au observat de multă vreme o legătură între temperatura de topire și randamentul produsului - cu cât era mai mare, cu atât mai mare parte din fierul conținut în minereu putea fi recuperată. Prin urmare, mai devreme sau mai târziu le-a venit ideea să accelereze stukofenul prin preîncălzirea aerului și creșterea înălțimii țevii. La mijlocul secolului al XV-lea, în Europa a apărut un nou tip de cuptor - blauofen, care a oferit imediat producătorilor de oțel o surpriză neplăcută.

Temperatura de topire mai mare a crescut într-adevăr semnificativ randamentul de fier din minereu, dar a crescut și proporția de fier care a fost carburat la starea de fontă. Acum, nu 10%, ca în mașina de stucat, ci 30% din producție a fost fontă - „fier de porc”, nu este potrivit pentru niciun scop. Drept urmare, câștigurile de multe ori nu au plătit modernizarea.

Fonta Blauofen, ca fonta stucată, solidificată la fundul cuptorului, amestecându-se cu zgura. A ieșit ceva mai bine, deoarece era mai mult, prin urmare, conținutul relativ de zgură a fost mai mic, dar a continuat să rămână nepotrivit pentru turnare. Fonta obținută din blauofen s-a dovedit a fi destul de puternică, dar a rămas totuși foarte eterogenă - din ea au ieșit doar obiecte simple și aspre - baros, nicovale. Au fost deja destul de multe ghiulele care ieșeau.

În plus, dacă în cuptoarele de suflare a brânzei se putea obține numai fier, care a fost apoi carburat, atunci în stukofen și blauofen straturile exterioare de kritsa s-au dovedit a fi din oțel. Era chiar mai mult oțel în blauofen krits decât fier. Pe de o parte, acest lucru părea bine, dar sa dovedit a fi foarte dificil să separați oțelul și fierul. Conținutul de carbon devenea greu de controlat. Numai forjarea lungă ar putea obține uniformitatea distribuției sale.

La un moment dat, confruntați cu aceste dificultăți, indienii nu au mers mai departe, ci au început să perfecționeze tehnologia și au ajuns la producția de oțel damasc. Dar indienii la acea vreme nu erau interesați de cantitate, ci de calitatea produsului. Europenii, experimentând cu fonta, au descoperit în curând un proces de conversie care a ridicat metalurgia fierului la un nivel calitativ nou.

Următoarea etapă în dezvoltarea metalurgiei a fost apariția furnalelor. Datorită creșterii dimensiunii, preîncălzirii aerului și exploziei mecanice, într-un astfel de cuptor tot fierul din minereu a fost transformat în fontă, care a fost topită și eliberată periodic în exterior. Producția a devenit continuă - cuptorul a funcționat non-stop și nu s-a răcit. A produs până la o tonă și jumătate de fontă pe zi. Distilarea fontei în fier în forje a fost mult mai ușoară decât a o scoate din kritsa, deși era încă necesară forjarea - dar acum bateau zgura din fier și nu fierul din zgură.

Furnalele au fost folosite pentru prima dată la începutul secolelor XV-XVI în Europa. În Orientul Mijlociu și India, această tehnologie a apărut abia în secolul al XIX-lea (în mare măsură, probabil pentru că motorul cu apă nu a fost folosit din cauza deficitului de apă caracteristic în Orientul Mijlociu). Prezența furnalelor în Europa i-a permis să depășească Turcia în secolul al XVI-lea, dacă nu în calitatea metalului, atunci în ax. Acest lucru a avut o influență fără îndoială asupra rezultatului luptei, mai ales când s-a dovedit că tunurile pot fi turnate din fontă.

De la începutul secolului al XVII-lea, Suedia a devenit forja europeană, producând jumătate din fierul din Europa. La mijlocul secolului al XVIII-lea, rolul său în acest sens a început să scadă rapid datorită unei alte invenții - utilizarea cărbunelui în metalurgie.

În primul rând, trebuie spus că până în secolul al XVIII-lea inclusiv cărbunele nu a fost folosit practic în metalurgie - din cauza conținutului ridicat de impurități dăunătoare calității produsului, în primul rând sulf. Încă din secolul al XVII-lea, în Anglia, cărbunele a început să fie folosit în cuptoarele de bălți pentru recoacere a fontei, dar acest lucru a făcut posibilă realizarea de economii mici la cărbune - cea mai mare parte a combustibilului a fost cheltuită pentru topire, unde era imposibil să se excludă contactul cu cărbune cu minereu.

Dintre numeroasele meserii metalurgice ale vremii, poate cea mai dificilă meserie a fost cea de băltoacă. Budinca a fost principala metodă de obținere a fierului pe parcursul aproape întregului secol al XIX-lea. A fost un proces foarte dificil și care a consumat timp. Lucrarea sub el s-a desfășurat astfel: fierul a fost încărcat pe fundul cuptorului de foc; au fost topite. Pe măsură ce carbonul și alte impurități au ars din metal, temperatura de topire a metalului a crescut și cristalele de fier destul de pur au început să „înghețe” din topitura lichidă. Un bulgăre de masă lipicioasă asemănătoare unui aluat adunat în partea de jos a cuptorului. Lucrătorii băltoși au început operațiunea de rulare a aluatului cu ajutorul unui rest de fier. Amestecând masa de metal cu o rangă, ei au încercat să colecteze un bulgăre, sau kritsa, de fier în jurul rangei. Un astfel de bulgăre cântărea până la 50 - 80 kg sau mai mult. Kritsa a fost scoasă din cuptor și alimentată direct sub ciocan - pentru forjare, pentru a îndepărta particulele de zgură și a compacta metalul.

Ei au învățat să elimine sulful prin cocsificare în Anglia în 1735, după care a devenit posibilă utilizarea unor rezerve mari de cărbune pentru topirea fierului. Dar în afara Angliei, această tehnologie s-a răspândit abia în secolul al XIX-lea.

Consumul de combustibil în metalurgie era deja enorm chiar și atunci - furnalul consuma o încărcătură de cărbune pe oră. Cărbunele a devenit o resursă strategică. Abundența lemnului din Suedia și Finlanda a fost cea care a permis suedezilor să dezvolte producția la o asemenea scară. Englezii, care aveau mai puține păduri (și chiar și acelea erau rezervate pentru nevoile flotei), au fost nevoiți să cumpere fier în Suedia până când au învățat să folosească cărbunele.

Metode electrice și de inducție de topire a fierului

Varietatea compozițiilor de oțel face ca topirea acestora să fie foarte dificilă. La urma urmei, într-un cuptor și convertor cu focar deschis, atmosfera se oxidează, iar elemente precum cromul se oxidează ușor și se transformă în zgură, de exemplu. sunt pierdute. Aceasta înseamnă că, pentru a obține oțel cu un conținut de crom de 18%, trebuie introdus în cuptor mult mai mult crom decât 180 kg per tonă de oțel. Și cromul este un metal scump. Cum să găsești o cale de ieșire din această situație?

O soluție a fost găsită la începutul secolului al XX-lea. S-a propus utilizarea căldurii unui arc electric pentru a topi metalul. Fierul vechi a fost încărcat într-un cuptor circular, a fost turnată fontă și electrozii de carbon sau grafit au fost coborâți. Între ele și metalul din cuptor („baie”) a apărut un arc electric cu o temperatură de aproximativ 4000°C. Metalul s-a topit ușor și rapid. Și într-un astfel de cuptor electric închis puteți crea orice atmosferă - oxidantă, reducătoare sau complet neutră. Cu alte cuvinte, elementele valoroase pot fi prevenite să ardă. Așa a fost creată metalurgia oțelurilor de înaltă calitate.

Ulterior, a fost propusă o altă metodă de topire electrică - inducția. Din fizică se știe că, dacă un conductor metalic este plasat într-o bobină prin care trece un curent de înaltă frecvență, în el este indus un curent și conductorul se încălzește. Această căldură este suficientă pentru a topi metalul într-un anumit timp. Un cuptor cu inducție este format dintr-un creuzet cu o spirală încorporată în căptușeală. Un curent de înaltă frecvență trece prin spirală, iar metalul din creuzet se topește. Într-o astfel de sobă poți crea și orice atmosferă.

În cuptoarele cu arc electric, procesul de topire are loc de obicei în mai multe etape. În primul rând, impuritățile inutile sunt arse din metal, oxidându-le (perioada de oxidare). Apoi, zgura care conține oxizii acestor elemente este îndepărtată (descărcată) din cuptor și feroaliaje - aliaje de fier cu elemente care trebuie introduse în metal - sunt încărcate. Cuptorul este închis și topirea continuă fără acces la aer (perioada de recuperare). Ca urmare, oțelul este saturat cu elementele necesare într-o anumită cantitate. Metalul finit este eliberat într-un oală și turnat.

Reacții chimice în producerea fierului

În industria modernă, fierul este obținut din minereu de fier, în principal din hematită (Fe 2 O 3) și magnetită (Fe 3 O 4).

Există diferite moduri de a extrage fierul din minereuri. Cel mai comun este procesul de domeniu.

Prima etapă de producție este reducerea fierului cu carbon într-un furnal la o temperatură de 2000 °C. Într-un furnal, carbonul sub formă de cocs, minereul de fier sub formă de aglomerat sau pelete și fluxul (cum ar fi calcarul) sunt alimentate de sus și sunt îndeplinite de un curent de aer cald forțat de jos.

În cuptor, carbonul din cocs este oxidat la monoxid de carbon (monoxid de carbon) de oxigenul atmosferic:

2C + O 2 → 2CO.

La rândul său, monoxidul de carbon reduce fierul din minereu:

3CO + Fe 2 O 3 → 2Fe + 3CO 2.

Fluxul este adăugat pentru a extrage impuritățile nedorite din minereu, în primul rând silicați, cum ar fi cuarțul (dioxid de siliciu). Un flux tipic conține calcar (carbonat de calciu) și dolomit (carbonat de magneziu). Alte fluxuri sunt utilizate împotriva altor impurități.

Efectul fluxului: carbonatul de calciu se descompune sub influența căldurii în oxid de calciu (var nestins):

CaCO3 → CaO + CO2.

Oxidul de calciu se combină cu dioxidul de siliciu pentru a forma zgură:

CaO + SiO 2 → CaSiO 3.

Zgura, spre deosebire de dioxidul de siliciu, este topită într-un cuptor. Zgura, mai ușoară decât fierul, plutește la suprafață și poate fi drenată separat de metal. Zgura este folosită apoi în construcții și agricultură. Fierul topit produs într-un furnal conține destul de mult carbon (fontă). Cu excepția cazurilor în care fonta este utilizată direct, aceasta necesită o prelucrare ulterioară.

Excesul de carbon și alte impurități (sulf, fosfor) sunt îndepărtate din fontă prin oxidare în cuptoare cu focar deschis sau convertoare. Cuptoarele electrice sunt folosite și pentru topirea oțelurilor aliate.

Pe lângă procesul de furnal, procesul de producție directă a fierului este comun. În acest caz, minereul pre-zdrobit este amestecat cu argilă specială, formând pelete. Peletele sunt arse și tratate într-un cuptor cu arbore cu produse fierbinți de conversie a metanului care conțin hidrogen. Hidrogenul reduce cu ușurință fierul fără a contamina fierul cu impurități precum sulful și fosforul - impurități comune în cărbune. Fierul se obține sub formă solidă și ulterior este topit în cuptoare electrice.

Fierul pur din punct de vedere chimic se obține prin electroliza soluțiilor sărurilor sale.