Hur man smälter järn från malm. Hur järnmalm bryts och stål smälts. Från en stift till ett plan

Järnmalm började brytas av människor för många århundraden sedan. Redan då blev fördelarna med att använda järn uppenbara.

Att hitta mineralformationer som innehåller järn är ganska lätt, eftersom detta element utgör cirka fem procent av jordskorpan. Sammantaget är järn det fjärde vanligaste grundämnet i naturen.

Det är omöjligt att hitta det i sin rena form järn finns i vissa mängder i många typer av stenar. Järnmalm har den högsta järnhalten, vars utvinning av metall är den mest ekonomiskt lönsamma. Mängden järn den innehåller beror på dess ursprung, vars normala andel är cirka 15 %.

Kemisk sammansättning

Järnmalmens egenskaper, dess värde och egenskaper beror direkt på dess kemiska sammansättning. Järnmalm kan innehålla olika mängder järn och andra föroreningar. Beroende på detta finns det flera typer:

• mycket rik, då järnhalten i malmerna överstiger 65 %;
• rik, andelen järn i vilken varierar från 60 % till 65 %;
• genomsnitt, från 45 % och över;
• dålig, där andelen användbara element inte överstiger 45%.

Ju fler biprodukter det finns i järnmalmen, desto mer energi behövs för att bearbeta den, och desto mindre effektiv är produktionen av färdiga produkter.

Sammansättningen av en bergart kan vara en kombination av olika mineraler, gråberg och andra biprodukter, vars förhållande beror på dess avlagring.

Magnetiska malmer kännetecknas av att de är baserade på en oxid som har magnetiska egenskaper, men vid stark uppvärmning går de förlorade. Mängden av denna typ av sten i naturen är begränsad, men järnhalten i den kan vara lika bra som röd järnmalm. Externt ser det ut som solida svartblåa kristaller.

Sparjärnmalm är en malmbergart baserad på siderit. Mycket ofta innehåller den en betydande mängd lera. Denna typ av sten är relativt svår att hitta i naturen, vilket gör att den sällan används på grund av dess låga järnhalt. Därför är det omöjligt att klassificera dem som industriella typer av malmer.

Förutom oxider innehåller naturen andra malmer baserade på silikater och karbonater. Mängden järnhalt i en bergart är mycket viktig för dess industriella användning, men också viktig är närvaron av nyttiga biämnen som nickel, magnesium och molybden.

Ansökningar

Tillämpningsområdet för järnmalm är nästan helt begränsat till metallurgi. Det används främst för att smälta gjutjärn, som bryts med öppen spis eller omvandlarugnar. Idag används gjutjärn inom olika sfärer av mänsklig verksamhet, inklusive i de flesta typer av industriell produktion.

Olika järnbaserade legeringar används inte mindre - stål är det mest använda på grund av dess styrka och anti-korrosionsegenskaper.

Gjutjärn, stål och olika andra järnlegeringar används i:

1. Maskinteknik, för tillverkning av olika maskiner och apparater.
2. Bilindustri, för tillverkning av motorer, hus, ramar, samt andra komponenter och delar.
3. Militär- och missilindustrin, vid tillverkning av specialutrustning, vapen och missiler.
4. Konstruktion, som förstärkningselement eller konstruktion av bärande konstruktioner.
5. Lätt och livsmedelsindustri, som containrar, produktionslinjer, olika enheter och enheter.
6. Gruvindustrin, som speciella maskiner och utrustning.

Järnmalmsfyndigheter

Världens järnmalmsreserver är begränsade i kvantitet och läge. Territorier för ackumulering av malmreserver kallas fyndigheter. Idag är järnmalmsfyndigheter indelade i:

1. Endogen. De kännetecknas av en speciell placering i jordskorpan, vanligtvis i form av titanomagnetitmalmer. Formerna och placeringen av sådana inneslutningar varierar, de kan vara i form av linser, lager belägna i jordskorpan i form av avlagringar, vulkaniska avlagringar, i form av olika vener och andra oregelbundna former.
2. Exogen. Denna typ inkluderar avlagringar av bruna järnmalmer och andra sedimentära bergarter.
3. Metamorfogena. Som inkluderar kvartsitavlagringar.

Avlagringar av sådana malmer kan hittas över hela vår planet. Det största antalet fyndigheter är koncentrerat till de postsovjetiska republikernas territorium. Särskilt Ukraina, Ryssland och Kazakstan.

Länder som Brasilien, Kanada, Australien, USA, Indien och Sydafrika har stora järnreserver. Samtidigt har nästan varje land på jorden sina egna utvecklade fyndigheter, i händelse av brist på vilka rasen importeras från andra länder.

Järnmalmsutnyttjande

Det finns som sagt flera typer av malmer. Rika kan bearbetas direkt efter utvinning från jordskorpan, andra behöver berikas. Utöver förädlingsprocessen omfattar malmförädlingen flera steg, såsom sortering, krossning, separering och agglomerering.

Idag finns det flera huvudmetoder för anrikning:

1. Spolning.

Den används för att rena malmer från biprodukter i form av lera eller sand, som tvättas ut med högtrycksvattenstrålar. Denna operation låter dig öka mängden järnhalt i låghaltig malm med cirka 5 %. Därför används den endast i kombination med andra typer av berikning.

1. Gravity rengöring.

Det utförs med hjälp av speciella typer av suspensioner, vars densitet överstiger densiteten av gråberg, men är sämre än järnets densitet. Under påverkan av gravitationskrafter stiger biprodukterna till toppen och järnet faller till botten av suspensionen.

1. Magnetisk separation.

Den vanligaste fördelningsmetoden, som bygger på olika nivåer av uppfattning av malmkomponenter av påverkan av magnetiska krafter. Sådan separation kan utföras med torrt berg, vått berg eller i en alternativ kombination av dess två tillstånd.

För att bearbeta torra och våta blandningar används speciella trummor med elektromagneter.

1. Flotation.

För denna metod doppas krossad malm i form av damm i vatten med tillsats av ett speciellt ämne (flotationsreagens) och luft. Under påverkan av reagenset förenas järnet med luftbubblorna och stiger till vattenytan, medan gråberget sjunker till botten. Komponenter som innehåller järn samlas upp från ytan i form av skum.

Järntillverkningen i Ryssland har varit känd sedan urminnes tider. Som ett resultat av arkeologiska utgrävningar i områden som gränsar till Novgorod, Vladimir, Yaroslavl, Pskov, Smolensk, Ryazan, Murom, Tula, Kiev, Vyshgorod, Pereyaslavl, Vzhishch, såväl som i området Ladogasjön och andra platser, hundratals av platser med rester av smältdeglar upptäcktes, ostugnar, så kallade "varggropar" och motsvarande produktionsverktyg från antik metallurgi. I en av varggroparna, grävda för järnsmältning, nära byn Podmokloye i den södra delen av Moskvaregionens kolbassäng, hittades ett mynt daterat 189 av den muslimska eran, vilket motsvarar början av 800-talet av modern tid kronologi. Det betyder att de visste hur man smälte järn i Rus rygg under den avlägsna, djupt förkristna tiden.

Namnen på det ryska folket ropar bokstavligen till oss om förekomsten av metallurgi i det forntida Rysslands territorium: Kuznetsov, Kovalev, Koval, Kovalenko, Kovalchuk. När det gäller prevalens konkurrerar kanske ryska "metallurgiska" efternamn till och med den arketypiske engelsmannen John Smith (som faktiskt, smed, det vill säga samma smed).

Men vägen för alla svärd eller kanonpipor började alltid mycket tidigare än den metallurgiska smedjan och särskilt smedjan. Vilken metall som helst är för det första ett bränsle (kol eller koks för dess smältning), och för det andra ett råmaterial för dess produktion.

Här måste jag genast lägga tonvikten. Varför är bränsle det primära villkoret, och järnmalmen i sig är så djärvt förpassad till bakgrunden? Allt handlar om logistiken för att transportera malm och bränsle som behövs för att producera järn på medeltiden.

Trots allt var det huvudsakliga och högsta bränslet för smältning av medeltida högkvalitativt järn träkol.
Redan nu, i den moderna upplysta tidsåldern, är uppgiften att skaffa högkvalitativt träkol inte på något sätt så enkel som den verkar vid första anblicken.
Träkol av högsta kvalitet erhålls endast från ett mycket begränsat antal träslag - från alla ganska sällsynta och långsamt växande lövträslag (ek, avenbok, bok) och från arketypiska träslag. Rysk björk.
Redan från barrträd - tall eller gran, visar sig träkol vara mycket ömtåligare och med ett stort utbyte av finkorn och koldamm, och att försöka få bra träkol från mjukbladig asp eller al är nästan omöjligt - avkastningen av god kvalitet sjunker med nästan hälften jämfört med ek.

Om det inte fanns tillräckligt med skogar i området där järnavlagringar hittades, eller om skogarna i området förstördes av tidigare generationer metallurger, var det nödvändigt att uppfinna olika ersatzersättningar.
Till exempel, i Centralasien, trots högkvalitativa järnmalmsfyndigheter, var virket tätt, så istället för träkol var det nödvändigt att använda följande innovativa bränsle:

Om någon inte förstår är detta kogödsel. Det kan vara häst, lamm, get eller åsna - det spelar ingen speciell roll. Dyngseln knådades för hand till platta kakor (något sånt här), och lades sedan ut för att torka i solen.
Det är uppenbart att det i en sådan situation inte fanns något behov av att prata om bränslets "konstans i sammansättningen", och flamtemperaturen från förbränningen av sådant "kompositbränsle" var mycket lägre än för högkvalitativt träkol.

En annan, mycket mer tekniskt avancerad ersättning för träkol dök upp i världen mycket senare. Vi pratar såklart om koks, som all modern järnmetallurgi nu bygger på.
Historien om "uppfinningen" av koks går bara tvåhundra år tillbaka i tiden. När allt kommer omkring var det koksugnsbatteriet där "kol brann ut" som var den industriella revolutionens första, mest kraftfulla salva. Det var hon, koksugnsbatteriet, och inte oljeriggen som skapade den där "världen av kol och ånga" som vi nu älskar att minnas i böcker, filmer och animer om steampunk.

Långt före den industriella revolutionen hade England redan utvecklat rika fyndigheter av kol, som dock nästan uteslutande användes för uppvärmning av bostäder. Malmsmältning i England utfördes, som på många ställen i världen, endast med träkol. Detta berodde på ett obehagligt faktum som kännetecknar de flesta kol - de innehåller avsevärda mängder fosfor och svavel, som är mycket skadliga för det järn som produceras i smedjan.

Men Storbritannien är en ö. Och slutligen de växande behoven hos den engelska kolbaserade metallurgin, överträffade engelska skogars alla möjligheter. Den engelska Robin Hoods hade helt enkelt ingenstans att gömma sig- En ökning av järnsmältningen reducerade nästan alla skogar i Foggy Albion till ingenting. I slutändan blev detta en broms för järnproduktionen, eftersom smältning krävdes en enorm mängd ved: för bearbetning av ett ton malm - nästan 40 kubikmeter råvirke.
På grund av den ökande produktionen av järn fanns det ett hot om fullständig förstörelse av skogar. Landet tvingades importera metall från utlandet, främst från Ryssland och Sverige. Försök att använda fossilt kol för järnsmältning misslyckades länge, av ovan angivna skäl.
Först 1735 hittade tillverkaren Abraham Derby, efter många års erfarenhet, ett sätt att smälta gjutjärn med hjälp av kokskol. Det var en seger. Men innan denna seger i början av 800-talet e.Kr. var det fortfarande mer än 900 år kvar.

Så transportera ved (eller till och med färdigt kol) till järnet fungerar inte helt enkelt på grund av processens logistik - bränslet som behövs är 4-5 gånger malmmassan, och ännu mer i volym - minst tio gånger. Det är lättare att få järn till bränsle.

Det finns bränsle i det antika Ryssland, och i överflöd. Hur är det med hårdvaran på den ryska plattformen?
Men det finns frågor med hårdvaran.
Järnmalm av hög kvalitet inte på den ryska slätten.

Jag hör genast rop: "Hur är det med Kursks magnetiska anomali? De magnetiska järnmalmerna av högsta kvalitet i världen!”
Ja, något av världens högsta kvalitet. Öppnade 1931. Djup av förekomst - från 200 till 600 meter. Uppgiften är uppenbarligen inte för de teknologier som stod till de gamla slavernas förfogande på 900-talet e.Kr. Nu ser allt vackert ut, men för den tiden var bilden av en modern järnmalmsgruva som en resa till Alpha Centauri för den moderna mänskligheten. I teorin är det möjligt, men i praktiken är det inte:

Som ett resultat är det på 800-talet i Ryssland nödvändigt att göra ett val från något som ingår i denna lista över alla järnmalmer som för närvarande används av mänskligheten:

Magnetisk järnmalm - mer än 70% Fe i formen magnetit Fe3O4 (exempel: Kursk magnetiska anomali vi beskrev)
- röd järnmalm—55-60 % Fe i formen hematit Fe2O3 (exempel: återigen Kursks magnetiska anomali eller Krivoy Rog-bassängen)
- brun järnmalm (limonit) - 35-55% Fe i formen hydroxidblandningar ferrijärn Fe2O3-3H2O och Fe2O3-H2O (exempel: Kerch-fyndighet förstörd av Ukraina).
- spar järnmalm - upp till 40% Fe i formen karbonat FeCO3 (exempel: Bakal-deposition)

Magnetit och hematit ligger djupt på den ryska plattformen det finns ingen järnmalm alls på den.
Kvar blir brun järnmalm (limonit).
Råvaran är milt uttryckt usel – se bara på koncentrationen av järn i den, men det roliga är att den finns tillgänglig på det dåvarande Rus territorium. nästan överallt. Dessutom visar sig detta "nästan överallt" mirakulöst vara i närheten av den dåvarande källan till högkvalitativt kolbränsle - de mäktiga skogarna på den ryska slätten.

Vi pratar förstås om torvmossar och limonit, som också ofta kallas myrjärn.
Förutom myrjärn har de en liknande tillkomst äng och sjöjärn. Men som du kommer att se senare var det mest lönsamt att gräva efter sådant järn i ett träsk.

För att förstå vidden av prevalensen av den faktiska utvinningen av denna lokala resurs i Ryssland räcker det, som i fallet med "metallurgiska efternamn", att helt enkelt öppna vilken geografisk karta som helst och titta på namnen på ryska, ukrainska, vitryska eller litauiska byar.
Och omedelbart kommer du att slås av ett stort antal toponymer med orden Guta, Buda, Ruda. Här är deras betydelser:

Guta: glassmältningsanläggning
Malm: myrjärnsbrytning
Buda: utvinning av kaliumklorid från växtaska.

Du hittar sådana byar överallt - i ett brett bälte i Polesie-träskarna - från Brest till Sumy. Det fanns gott om källor till "sumpmalm" i Ryssland. "Träskjärn" bildas i allmänhet nästan överallt där det sker en övergång från syrehaltiga jordar till ett syrefritt skikt (exakt i föreningspunkten mellan dessa två skikt).
I träsk är denna gräns helt enkelt belägen, till skillnad från andra typer av terräng, mycket nära ytan Därför kan järnknölar där grävas bokstavligen med en spade, vilket bara tar bort ett tunt lager av träskvegetation.

Så här ser myrjärn ut: .
Men det var just detta som räddade Rus.

Själva myrjärnsavlagringarna är klassiska placerare.
Placerare är vanligtvis mycket mindre fyndigheter än malmkroppar, deras totala volym överstiger sällan tiotusentals ton (medan malmfyndigheter kan innehålla miljontals och miljarder ton malm), men gruvplaceringar är vanligtvis mycket enklare än att bryta en malmkropp.
Placerare kan vanligtvis utvecklas nästan med bara händer och med minimal krossning av berget, eftersom placers vanligtvis förekommer i redan förstörda sedimentära bergarter.
Detta är i allmänhet en vanlig praxis: först bryts placers, sedan malmer.
Dessutom för alla metaller, mineraler eller föreningar.

Förresten, "träplåt" (som jag skrev om i serien om bronsålderskatastrofen) är också en placer.

Det kan dock inte sägas att brytning av myrjärnsplacerare var en enkel uppgift.

Träskjärn bröts på tre huvudsakliga sätt.

Den första - på sommaren östes bottenslam från flottar i träsksjöar och floder som rinner från träsk. Flotten hölls på ett ställe av en stolpe (en person) och en annan person använde en bailer för att ta bort silt från botten. Fördelarna med denna metod är enkelhet och låg fysisk stress på arbetarna.
Nackdelar - en stor mängd värdelöst arbete, eftersom gråberg inte bara östes upp med myrjärn, utan dessutom måste stora mängder vatten tillsammans med silt lyftas upp. Dessutom är det svårt att använda en skopa för att ta bort jord till stora djup.

Andra sättet. På vintern, på platser där kanalerna frös till botten, skars isen först ner och sedan skars även bottensedimentet med myrjärn. Fördelarna med denna metod: möjligheten att välja ett stort lager som innehåller myrjärn. Nackdelar: det är fysiskt svårt att mejsla is och frusen mark. Extraktion är endast möjlig till frysdjupet.

Den tredje metoden var den vanligaste. På stranden nära bäckar eller kärrsjöar monterades en ram, som för en brunn, bara i större storlekar, till exempel 4 gånger 4 meter. Sedan började man gräva ut det täckande lagret av gråberg inne i timmerhuset, varvid timmerhuset gradvis fördjupades. Då valdes även berget innehållande myrjärn. Rullarna med stockar tillkom allt eftersom timmerhuset fördjupades.
Det ständigt strömmande vattnet räddades periodvis. Det gick förstås att helt enkelt gräva utan att förstärka väggarna med stockar, men i händelse av en mycket trolig kollaps av den bortspolade jorden och arbetarna somnade i hålet - hade det knappast varit möjligt att rädda någon - människor kvävdes snabbt och drunknade. Fördelarna med denna metod: möjligheten att välja hela lagret som innehåller myrjärn och mindre arbetskostnader jämfört med den andra metoden. Dessutom var det möjligt redan innan gruvdriften startade att ungefär bestämma kvaliteten på de utvunna råvarorna ("lokalbefolkningen bedömer också malmens godhet efter typen av träd som växer på den; alltså den som finns under björk- och aspträd anses vara bäst, eftersom järnet från det är mjukare, och på platser där granskogen växer är det segare och starkare").
Nackdelar: du måste arbeta i vatten hela tiden.

I allmänhet hade forntida ryska gruvarbetare svårt. Nu gör så klart reenaktörer över hela världen studiebesök och gräver till och med hål på torrare och mer tillgängliga platser där de enkelt kan bryta sumpmalm:

Reenactors barn är glada. På 800-talet tror jag att allt var annorlunda.

Men för att förstå situationen i Rus på 900-1100-talen måste man förstå skala fisket som organiserades av våra förfäder på en så slösaktig resurs som träskläggare.

När allt kommer omkring, om processen att gräva upp silt i träsk i sig inte lämnade några spår som kunde spåras genom århundraden, så lämnade den efterföljande bearbetningen av myrjärn spår i kulturlagret, och vilken typ av sådana också!

När allt kommer omkring, för ostblåsningsprocessen, som vid den tiden användes i forntida rysk metallurgi och producerade mycket järnhaltig slagg, var det nödvändigt väldigt rik järnmalm. Och limonit är, som vi minns, en fattig malm.
För att få ett bra limonitkoncentrat var det nödvändigt att föranrika de brutna malmerna - både träsk och äng. Därför berikade forntida ryska metallurger nödvändigtvis myrjärnmalmer som gick till smältning.

Anrikningsoperationen var ett mycket viktigt tekniskt villkor för framställning av järn i ostugnar.
Senare studier, genom analys av historiska monument, avslöjade följande metoder för malmberikning:

1) torkning (vittring, inom en månad);
2) eldning;
3) slipning;
4) tvättning;
5) siktning.

Produktionen av högkoncentrerad malm kunde inte begränsas till bara en eller två operationer, utan krävde systematisk bearbetning med alla ovanstående metoder. En arkeologiskt välkänd verksamhet är malmrostning.
Som du förstår krävde rostning också högkvalitativt bränsle (träkol), och även i betydande mängder.

Under arkeologisk utforskning nära byn Lasuna vid Finska vikens kust upptäcktes en hög med bränd malm i en av groparna. För alla malmberikningsoperationer krävs mycket enkel utrustning: för krossning av malm - ett träblock och murbruk, och för siktning och tvätt - en träsil (nät av stavar).
Nackdelen med att elda myrmalm i bränder och gropar var ofullständigt avlägsnande av vatten från den vid rostning av stora bitar och stora förluster vid rostning av små bitar.

I modern produktion är anrikningen naturligtvis mycket enklare - finkrossad malm blandas med samma malda koks och matas in i en anordning som liknar en stor köttkvarn. Skruven matar blandningen av malm och koks till ett galler med hål som inte är större än 8 mm. När man pressar ut genom hålen kommer en sådan homogen blandning in i lågan, medan koksen brinner, smälter malmen, och dessutom bränns svavel ut ur malmen, sålunda sker samtidigt avsvavling av råvarorna.

När allt kommer omkring innehåller myrjärn, som kol, skadliga föroreningar - svavel och fosfor. Det gick förstås att hitta råvaror som innehöll lite fosfor (nåja, relativt lite - det finns alltid mindre av det i malmjärn än i myrjärn). Men det var nästan omöjligt att hitta myrjärn som innehöll lite fosfor och svavel. Därför uppstod, förutom hela industrin för myrjärnsutvinning, en lika stor industri av dess anrikning.

För att förstå omfattningen av denna åtgärd kommer jag att ge ett exempel: under utgrävningar i Gamla Ryazan i 16 av 19 medborgarbostäder spår av ”hem” tillagning av järn i kastruller i en vanlig ugn upptäcktes.
Den västeuropeiska resenären Jacob Reitenfels, som besökte Muscovy 1670, skrev att "Moskoviternas land är en levande källa till bröd och metall."

Så, på en kal plats, med ingenting under dem förutom fattiga skogsmarker med förkränkta björkar och torvmossar, upptäckte våra förfäder plötsligt en "guldgruva" bokstavligen under deras fötter. Och även om det inte var en åder, utan en placer, och inte guld, utan järn, förändrades inte situationen.

Det fortfarande framväxande landet har fått sin plats i världen och en civilisationsväg som kommer att leda det till Balaklava-kanonerna, till T-Z4-stridsvagnen och till Topol-M ICBM.
Resurser. Jobb. Produktion. Vapen.

För att ha resurser kommer man oundvikligen till vapen. Eller - någon annan kommer för dina resurser.
Järnåldern började i Ryssland.
Ett sekel – eller snarare ett årtusende – av ryska vapen.

Ett årtusende där svärdet kommer att resa sig - och falla igen, efter att nästa fiende har besegrats och kastats bort från björkskogarna och torvmossarna.

Och fienderna lät inte vänta på sig.
På 900-talet tog kapprustningen från järnåldern redan fart.

Järnmalm erhålls på vanligt sätt: öppen eller underjordisk gruvdrift och efterföljande transport till initial beredning, där materialet krossas, tvättas och bearbetas.

Malmen hälls i en masugn och blästras med varmluft och värme, vilket gör den till smält järn. Det tas sedan bort från botten av ugnen i formar som kallas grisar, där det svalnar för att producera gjutjärn. Det förvandlas till smide eller bearbetas till stål på flera sätt.

Vad är stål?

I början fanns det järn. Det är en av de Det kan hittas nästan överallt, kombinerat med många andra element, i form av malm. I Europa går början av arbetet med järn tillbaka till 1700 f.Kr.

År 1786 fastställde de franska forskarna Berthollet, Monge och Vandermonde exakt att skillnaden mellan järn, gjutjärn och stål berodde på olika kolinnehåll. Men stål, tillverkat av järn, blev snabbt den industriella revolutionens viktigaste metall. I början av 1900-talet var den globala stålproduktionen 28 miljoner ton, sex gånger mer än 1880. I början av första världskriget var dess produktion 85 miljoner ton. Inom några decennier ersatte den praktiskt taget järn.

Det finns för närvarande mer än 3 000 katalogiserade varumärken (kemiska föreningar), utan att räkna de som skapats för att möta individuella behov. Alla bidrar de till att göra stål till det mest lämpliga materialet för att lösa framtidens utmaningar.

Råvaror för ståltillverkning: primära och sekundära

Att smälta denna metall med många komponenter är den vanligaste gruvmetoden. Laddningsmaterial kan vara antingen primära eller sekundära. Huvudsammansättningen av laddningen är vanligtvis 55 % tackjärn och 45 % återstående metallskrot. Ferrolegeringar, omvandlat gjutjärn och tekniskt rena metaller används som huvudelement i legeringen, som regel inkluderar alla typer av järnmetaller.

Järnmalm är den viktigaste och grundläggande råvaran inom järn- och stålindustrin. För att producera ett ton gjutjärn krävs cirka 1,5 ton av detta material. För att producera ett ton tackjärn används cirka 450 ton koks. Många metallurgiska anläggningar använder till och med

Vatten är en viktig råvara för järn- och stålindustrin. Den används främst för kokshärdning, masugnskylning, ånggenerering för drift av hydraulisk utrustning och avloppsvatten. Det krävs cirka 4 ton luft för att producera ett ton stål. Flux används i en masugn för att avlägsna föroreningar från smältmalm. Kalksten och dolomit kombineras med de extraherade föroreningarna för att bilda slagg.

Både masugnar och stålugnar är fodrade med eldfasta material. De används för liner ugnar avsedda för smältning av järnmalm. Kiseldioxid eller sand används för formning. Aluminium, krom, kobolt, koppar, bly, mangan, molybden, nickel, tenn, volfram, zink, vanadin, etc. används för att producera olika stålkvaliteter. Bland alla dessa ferrolegeringar används mangan i stor utsträckning vid stålsmältning.

Järnavfall från nedmonterade anläggningsstrukturer, maskiner, gamla fordon etc. återvinns och används i stor utsträckning inom denna industri.

Gjutjärn för stål

Stålsmältning med gjutjärn utförs mycket oftare än med andra material. Gjutjärn är en term som vanligtvis syftar på gråjärn, men det är också identifierat med en stor grupp ferrolegeringar. Kol utgör cirka 2,1 till 4 viktprocent, medan kisel typiskt utgör 1 till 3 viktprocent i legeringen.

Järn och stål smälts vid en smältpunkt mellan 1150 och 1200 grader, vilket är cirka 300 grader lägre än smältpunkten för rent järn. Gjutjärn uppvisar också god flytbarhet, utmärkt bearbetningsförmåga och motståndskraft mot deformation, oxidation och gjutning.

Stål är också en legering av järn med varierande kolhalt. Kolhalten i stål sträcker sig från 0,2 till 2,1 mass-%, och det är det mest ekonomiska legeringsmaterialet för järn. Att smälta stål från gjutjärn är användbart för en mängd olika tekniska och strukturella ändamål.

Järnmalm för stål

Processen för stålsmältning börjar med bearbetning av järnmalm. Berget som innehåller järnmalmen krossas. Malmen bryts med hjälp av magnetiska rullar. Finkornig järnmalm bearbetas till grovkorniga klumpar för användning i masugnen. Kol renas från föroreningar vilket resulterar i en nästan ren form av kol. Blandningen av järnmalm och kol värms sedan upp för att producera smält järn eller tackjärn, som används för att tillverka stål.

I den huvudsakliga syrgasugnen är smält järnmalm den huvudsakliga råvaran och blandas med varierande mängder stålskrot och legeringar för att producera olika stålkvaliteter. En elektrisk ljusbågsugn smälter återvunnet stålskrot direkt till nytt stål. Cirka 12 % av stålet är tillverkat av återvunnet material.

Smältteknik

Smältning är den process genom vilken en metall erhålls antingen som ett grundämne eller som en enkel förening från dess malm genom upphettning över dess smältpunkt, vanligtvis i närvaro av oxidationsmedel som luft eller reduktionsmedel som koks.

Inom ståltillverkningstekniken värms en metall som kombineras med syre, som järnoxid, till hög temperatur, och oxiden bildas i kombination med kolet i bränslet, som kommer ut som kolmonoxid eller koldioxid.
Andra föroreningar, gemensamt kallade vener, avlägsnas genom tillsats av en ström med vilken de kombineras för att bilda slagg.

Modern stålsmältning använder en efterklangsugn. Koncentrerad malm och bäck (vanligtvis kalksten) laddas i toppen och smält sten (en förening av koppar, järn, svavel och slagg) dras från botten. En andra värmebehandling i en omvandlarugn är nödvändig för att ta bort järn från den matta ytan.

Syre-konvektion metod

BOF-processen är den ledande ståltillverkningsprocessen i världen. Världsproduktionen av konverterstål uppgick 2003 till 964,8 miljoner ton eller 63,3 % av den totala produktionen. Konverterproduktion är en källa till miljöföroreningar. De största utmaningarna med detta är minskningen av utsläpp, utsläpp och minskning av avfall. Deras essens ligger i användningen av sekundär energi och materiella resurser.

Exotermisk värme genereras av oxidationsreaktioner under nedblåsning.

Huvudprocessen för ståltillverkning med våra egna reserver:

• Smält tackjärn (kallas ibland het metall) från en masugn hälls i en stor eldfast fodrad behållare som kallas en slev.
• Metallen i skänken skickas direkt till det huvudsakliga stålproduktions- eller förbearbetningssteget.
• Högrent syre vid ett tryck på 700-1000 kilopascal injiceras med överljudshastigheter på ytan av järnbadet genom en vattenkyld lans som är upphängd i ett kärl och hålls flera fot ovanför badet.

Beslutet att förbehandla beror på kvaliteten på den varma metallen och den slutliga stålkvaliteten som krävs. De allra första omvandlarna med avtagbar botten, som kunde tas loss och repareras, används fortfarande. Spjuten som används för att blåsa har ändrats. För att förhindra att forman fastnar under spolningen användes slitsade manschetter med en lång avsmalnande kopparspets. Spetsspetsarna, efter förbränning, bränner bort den CO som produceras genom att blåsa in i CO 2 och ger ytterligare värme. Pilar, eldfasta bollar och slaggdetektorer används för att ta bort slagg.

Syre-konvektion metod: fördelar och nackdelar

Kräver inga kostnader för gasreningsutrustning, eftersom dammbildning, d.v.s. avdunstning av järn, minskas med 3 gånger. På grund av en minskning av utbytet av järn observeras en ökning av utbytet av flytande stål med 1,5 - 2,5%. En annan fördel är att reningsintensiteten i denna metod ökar, vilket gör det möjligt att öka omvandlarens produktivitet med 18 %. Kvaliteten på stål är högre eftersom temperaturen i blåszonen sänks, vilket leder till en minskning av kvävebildningen.

Nackdelarna med denna metod för stålsmältning har lett till en minskning av efterfrågan på förbrukning, eftersom nivån av syreförbrukning ökar med 7% på grund av den höga förbrukningen av bränsleförbränning. Det finns en ökad vätehalt i den bearbetade metallen, varför det är nödvändigt att utföra rening med syre under en tid efter processens slut. Bland alla metoder har syrgasomvandlarmetoden den högsta slaggbildningen. Orsaken är oförmågan att övervaka oxidationsprocessen inuti utrustningen.

Metod med öppen härd

Den öppna härdprocessen omfattade huvuddelen av bearbetningen av allt stål som producerats i världen under större delen av 1900-talet. William Siemens på 1860-talet sökte ett sätt att höja temperaturen i en metallurgisk ugn och återupplivade ett gammalt förslag om att använda spillvärmen som ugnen genererade. Han värmde tegelstenen till en hög temperatur och använde sedan samma väg för att föra in luft i ugnen. Förvärmd luft ökade flamtemperaturen avsevärt.

Naturgas eller finfördelade tungoljor används som bränsle; luft och bränsle värms upp före förbränning. Ugnen är laddad med flytande blästerjärn och stålskrot tillsammans med järnmalm, kalksten, dolomit och flussmedel.

Kaminen i sig är gjord av mycket eldfasta material, som magnesitstenar till härdarna. Ugnar med öppen härd väger upp till 600 ton och installeras vanligtvis i grupper så att den massiva hjälputrustning som krävs för att ladda ugnarna och bearbeta det flytande stålet kan utnyttjas effektivt.

Även om den öppna härdprocessen nästan helt har ersatts i de flesta industrialiserade länder av den grundläggande syrgasprocessen och ljusbågsugnen, producerar den ungefär 1/6 av allt stål som produceras över hela världen.

Fördelar och nackdelar med denna metod

Fördelarna är bland annat användarvänlighet och enkel tillverkning av legerat stål med olika tillsatser som ger materialet olika specialiserade egenskaper. Nödvändiga tillsatser och legeringar tillsätts omedelbart före slutet av smältningen.

Nackdelarna inkluderar minskad effektivitet jämfört med syrgasomvandlarmetoden. Dessutom är kvaliteten på stål lägre jämfört med andra metoder för metallsmältning.

Elektrisk ståltillverkningsmetod

Den moderna metoden att smälta stål med sina egna reserver är en ugn som värmer upp laddat material med hjälp av en ljusbåge. Industriella ljusbågsugnar varierar i storlek från små enheter med en lastkapacitet på cirka ett ton (används i gjuterier för att tillverka gjutjärnsprodukter) till 400 ton enheter som används inom sekundär metallurgi.

Ljusbågsugnar som används i forskningslaboratorier kan ha en kapacitet på bara några tiotals gram. Industriella ljusbågsugnstemperaturer kan vara upp till 1800 °C (3.272 °F), medan laboratorieinstallationer kan överstiga 3000 °C (5432 °F).

Ljusbågsugnar skiljer sig från induktionsugnar genom att laddningsmaterialet är direkt exponerat för ljusbågen, och strömmen i terminalerna passerar genom det laddade materialet. Den elektriska ljusbågsugnen används för att tillverka stål, består av ett eldfast foder, vanligtvis vattenkylt, är stor i storleken och är täckt med ett infällbart tak.

Ugnen är huvudsakligen uppdelad i tre sektioner:

• Skal bestående av sidoväggar och en nedre stålskål.
• Härden består av ett eldfast material som förlänger den nedre skålen.
• Det eldfodrade eller vattenkylda taket kan utformas som en kulsektion eller som en stympad kon (konisk sektion).

För- och nackdelar med metoden

Denna metod har en ledande position inom stålproduktion. Stålsmältningsmetoden används för att skapa en högkvalitativ metall som antingen helt saknar eller innehåller små mängder oönskade föroreningar som svavel, fosfor och syre.

Den största fördelen med metoden är för uppvärmning, tack vare vilken du enkelt kan kontrollera smälttemperaturen och uppnå otroliga uppvärmningshastigheter för metallen. Automatiserat arbete kommer att vara ett trevligt komplement till den utmärkta möjligheten till högkvalitativ bearbetning av olika metallskrot.

Nackdelarna är bland annat hög energiförbrukning.

Järn utgör mer än 5 % av jordskorpan. De huvudsakliga malmerna som används för att utvinna järn är hematit och magnetit. Dessa malmer innehåller från 20 till 70 % järn. De viktigaste järnföroreningarna i dessa malmer är sand och aluminiumoxid (aluminiumoxid).

Jordens kärna

Baserat på indirekta bevis kan vi dra slutsatsen att jordens kärna huvudsakligen är en järnlegering. Dess radie är cirka 3470 km, medan jordens radie är 6370 km. Jordens inre kärna ser ut att vara solid och har en radie på cirka 1 200 km. Den är omgiven av en flytande yttre kärna. Det turbulenta flödet av vätska i denna del av kärnan skapar jordens magnetfält. Trycket inuti kärnan varierar från 1,3 till 3,5 miljoner atmosfärer, och temperaturen varierar från

Även om det har fastställts att jordens kärna till största delen består av järn, är dess exakta sammansättning okänd. Man uppskattar att 8 till 10 % av massan av jordens kärna består av grundämnen som nickel, svavel (i form av järnsulfid), syre (i form av järnoxid) och kisel (i form av järnsilicid).

Minst 12 länder i världen har bevisade järnmalmsreserver som överstiger en miljard ton. Dessa länder inkluderar Australien, Kanada, USA, Sydafrika, Indien, Sovjetunionen och Frankrike. Den globala stålproduktionen når för närvarande 700 miljoner ton. De största tillverkarna av stål är USSR, USA och Japan. I Storbritannien är stålproduktionen 20 miljoner ton per år.

Järntillverkning

Utvinningen av järn ur järnmalm sker i två steg. Det börjar med att förbereda malmen — malning och uppvärmning. Malmen krossas till bitar med en diameter på högst 10 cm. Den krossade malmen kalcineras sedan för att avlägsna vatten och flyktiga föroreningar.

I det andra steget reduceras järnmalm till järn med hjälp av kolmonoxid i en masugn (Fig. 14.12). Reduktionen utförs vid temperaturer på cirka 700°C:

För att öka utbytet av järn utförs denna process under förhållanden med överskott av koldioxid

Kolmonoxid CO bildas i en masugn av koks och luft. Luften värms först upp till cirka 600 °C och tvingas in i ugnen genom ett speciellt rör - en tuyere. Koksen brinner i varm tryckluft och bildar koldioxid. Denna reaktion är exoterm och orsakar en temperaturökning över 1700 °C:

Koldioxid stiger i ugnen och reagerar med mer koks för att bilda kolmonoxid. Denna reaktion är endoterm:

Ris. 14.12. Masugn, 1 - järnmalm, kalksten, koks, 2 laddningskoner (överst), 3 - toppgas, 4 - ugnsmurverk, 5 - järnoxidreduktionszon, 6 - slaggbildningszon, 7 - koksförbränningszon, 8 - injicering av uppvärmd luft genom munstycken, 9 - smält järn, 10 - smält slagg.

Järnet som bildas under reduktionen av malm är förorenat med föroreningar av sand och aluminiumoxid (se ovan). För att ta bort dem läggs kalksten till ugnen. Vid de temperaturer som finns i ugnen genomgår kalksten termisk nedbrytning med bildning av kalciumoxid och koldioxid:

Kalciumoxid kombineras med föroreningar för att bilda slagg. Slaggen innehåller kalciumsilikat och kalciumaluminat:

Järn smälter vid 1540°C (se tabell 14.2). Det smälta järnet tillsammans med den smälta slaggen strömmar in i den nedre delen av ugnen. Smält slagg flyter på ytan av smält järn. Vart och ett av dessa lager frigörs periodiskt från ugnen på lämplig nivå.

Masugnen är igång dygnet runt, i kontinuerligt läge. Råvarorna för masugnsprocessen är järnmalm, koks och kalksten. De matas hela tiden in i ugnen genom toppen. Järn frigörs från ugnen fyra gånger om dagen, med jämna mellanrum. Det rinner ut ur ugnen i en brinnande ström vid en temperatur på cirka 1500 °C. Masugnar finns i olika storlekar och produktivitet (1000-3000 ton per dag). I USA finns det några nya ugnsdesigner med

fyra utlopp och kontinuerlig utsläpp av smält järn. Sådana ugnar har en kapacitet på upp till 10 000 ton per dag.

Järn som smälts i en masugn hälls i sandformar. Denna typ av järn kallas gjutjärn. Järnhalten i gjutjärn är ca 95%. Gjutjärn är ett hårt men sprött ämne med en smältpunkt på cirka 1200 °C.

Gjutjärn tillverkas genom att en blandning av tackjärn, metallskrot och stål smälts samman med koks. Smält järn hälls i formar och kyls.

Smide är den renaste formen av industrijärn. Det framställs genom att värma upp råjärn med hematit och kalksten i en smältugn. Detta ökar renheten hos järn till cirka 99,5 %. Dess smältpunkt stiger till 1400 °C. Smidesjärn har stor styrka, formbarhet och formbarhet. Men för många applikationer ersätts det av mjukt stål (se nedan).

Stålproduktion

Stål delas in i två typer. Kolstål innehåller upp till 1,5 % kol. Legerade stål innehåller inte bara små mängder kol, utan även speciellt införda föroreningar (tillsatser) av andra metaller. De olika typerna av stål, deras egenskaper och tillämpningar diskuteras i detalj nedan.

Syreomvandlarprocess. Under de senaste decennierna har stålproduktionen revolutionerats av utvecklingen av den grundläggande syreprocessen (även känd som Linz-Donawitz-processen). Denna process började användas 1953 i stålverk i två österrikiska metallurgiska centra - Linz och Donawitz.

Syrgasomvandlarprocessen använder en syrgasomvandlare med ett huvudfoder (foder) (Fig. 14.13). Omvandlaren laddas i lutande läge

Ris. 14.13. Omvandlare för stålsmältning, 1 - syrgas och 2 - vattenkylt rör för syrgasbläster, 3 - slagg. 4-axlig, 5-smält stål, 6-stål kropp.

smält tackjärn från smältugnen och metallskrot, för att sedan återgå till vertikalt läge. Efter detta förs ett vattenkylt kopparrör in i omvandlaren från ovan och genom det riktas en ström av syre blandat med pulveriserad kalk på ytan av det smälta järnet. Denna "syrerensning", som varar i 20 minuter, leder till intensiv oxidation av järnföroreningar, och innehållet i omvandlaren förblir flytande på grund av frigörandet av energi under oxidationsreaktionen. De resulterande oxiderna kombineras med kalk och förvandlas till slagg. Kopparröret dras sedan ut och omvandlaren lutas för att dränera slaggen. Efter upprepad blåsning hälls det smälta stålet från omvandlaren (i lutande läge) i en skänk.

Syrekonverteringsprocessen används främst för att tillverka kolstål. Det kännetecknas av hög produktivitet. På 40-45 minuter kan 300-350 ton stål produceras i en omvandlare.

För närvarande produceras allt stål i Storbritannien och det mesta stålet över hela världen med denna process.

Elektrisk ståltillverkningsprocess. Elektriska ugnar används främst för att omvandla stålskrot och gjutjärn till högkvalitativa legerade stål såsom rostfritt stål. Den elektriska ugnen är en rund djup tank fodrad med eldfast tegel. Ugnen laddas med metallskrot genom det öppna locket, sedan stängs locket och elektroder sänks ner i ugnen genom hålen i den tills de kommer i kontakt med metallskrotet. Efter detta slås strömmen på. En ljusbåge uppstår mellan elektroderna, där en temperatur över 3000 °C utvecklas. Vid denna temperatur smälter metallen och varje ugnsladd gör att du kan producera 25-50 ton stål.

Teknik för järnframställning i antiken

För att få järn från malm måste du först skaffa kritsa. Till detta användes först oxiderad järnmalm, som oftast förekommer nära ytan. Efter upptäckten av dess egenskaper tömdes sådana fyndigheter snabbt ut som ett resultat av deras intensiva utveckling.

Träskmalmer är mycket mer utbredda. De bildades under den subatlantiska perioden, när järnmalm under försumpningsprocessen slog sig ner på botten av reservoarer. Under hela medeltiden använde järnmetallurgin myrmalmer. De betalade till och med tullar med dem. Tillverkning av järn ur malm i relativt stora mängder blev möjlig efter ostugnen. Detta namn dök upp efter uppfinningen av uppvärmd luftblästring i masugnar. I forntida tider matade metallurger in rå (kall) luft i smedjan. Vid en temperatur av 900 o, med hjälp av koldioxid, som tar bort syre från järnoxid, reduceras järn från malmen och en deg eller formlös porös bit indränkt i slagg - kritsa. För att genomföra denna process behövdes träkol som en källa till koldioxid. Kritsan smiddes sedan för att ta bort slaggen från den. Osttillverkningsmetoden, ibland kallad järnsmältning, är oekonomisk, men den förblev länge den enda och oförändrade metoden för att få fram järnmetall.

Till en början smältes järn i vanliga gropar, stängdes upptill senare, började man bygga lerugnar. Krossad malm och kol lastades in i smedjans arbetsutrymme i lager, allt detta sattes i brand och luft tvingades genom munstyckshålen med speciella (läder)bälgar. Stenen sätter sig i slagg vid en temperatur av 1300-1400 o, vid vilken stål erhålls - järn som innehåller från 0,3 till 1,2%. kol. När det svalnar blir det väldigt svårt. För att få gjutjärn - smältbart järn med en kolhalt på 1,5-5% - behöver du en mer komplex smideskonstruktion med stort arbetsutrymme. I detta fall var smältpunkten för järn lägre, och det rann delvis ut ur ugnen tillsammans med slaggen. När det svalnade blev det skört, och först kastades det, men sedan lärde de sig att använda det. För att göra formbart järn av gjutjärn måste du ta bort kol från det.

Den första anordningen för att få järn från malm var en engångsostugn. Med ett stort antal nackdelar var detta under lång tid det enda sättet att få metall från malm.

Forntida människor levde rikt och lyckligt under lång tid - stenyxor tillverkades av jaspis och malakit brändes för att få koppar, men alla goda saker tenderar att ta slut. En av anledningarna till kollapsen av den antika civilisationen i Medelhavet var utarmningen av mineraltillgångar. Guld tog slut, inte i skattkammaren, utan i djupet tog tenn slut även på "Tinöarna." Även om koppar fortfarande bryts i Sinai och Cypern, var de fyndigheter som utvecklas nu inte tillgängliga för romarna. Bland annat har också den malm som lämpar sig för ostbearbetning tagit slut. Det fanns fortfarande mycket bly.

De barbarstammar som bosatte Europa, som blivit ägarlösa, visste dock inte på länge att dess mineraltillgångar hade utarmats av sina föregångare. Med tanke på den enorma nedgången i metallproduktion var de resurser som romarna föraktade tillräckliga under lång tid. Senare började metallurgin återupplivas främst i Tyskland och Tjeckien - det vill säga dit romarna inte nådde med hackor och skottkärror.

Ett högre stadium i utvecklingen av järnmetallurgin representerades av permanenta höga ugnar som kallas stuckaturugnar i Europa. Det var verkligen en hög kamin – med ett fyra meter långt rör för att förbättra dragkraften. Stuckmaskinens bälg svängde redan av flera personer, och ibland av en vattenmotor. Stukofen hade dörrar genom vilka kritsa togs bort en gång om dagen.

Stukofens uppfanns i Indien i början av det första årtusendet f.Kr. I början av vår tideräkning kom de till Kina, och på 700-talet, tillsammans med "arabiska" siffror, lånade araberna denna teknik från Indien. I slutet av 1200-talet började Stuktofens dyka upp i Tyskland och Tjeckien (och även innan dess fanns de i södra Spanien) och under nästa århundrade spreds de över hela Europa.

Produktiviteten hos stuktofen var ojämförligt högre än hos en ostblåsugn - den producerade upp till 250 kg järn per dag, och smälttemperaturen i den var tillräcklig för att förkola en del av järnet till gjutjärnstillståndet. Men när ugnen stoppades, frös stuckaturgjutjärn i botten och blandades med slagg, och på den tiden kunde de endast rengöra metall från slagg genom smide, men gjutjärn lämpade sig inte för det. Han var tvungen att slängas.

Ibland försökte man dock hitta någon användning för gipsgjutjärn. Till exempel göt de gamla hinduerna kistor av smutsigt gjutjärn och turkarna i början av 1800-talet göt kanonkulor. Det är svårt att bedöma hur kistor är, men kanonkulorna som kom ut ur det var bara så som så.

Kanonkulor för kanoner göts av järnslagg i Europa i slutet av 1500-talet. Vägar gjordes av gjuten gatsten. I Nizhny Tagil finns fortfarande byggnader med fundament gjorda av gjutna slaggblock bevarade.

Metallurger har länge noterat ett samband mellan smälttemperaturen och utbytet av produkten - ju högre den var, desto större del av järnet som fanns i malmen kunde återvinnas. Därför kom förr eller senare idén till dem att påskynda stukofen genom att förvärma luften och öka höjden på röret. I mitten av 1400-talet dök en ny typ av ugn upp i Europa - blauofen, vilket omedelbart gav ståltillverkare en obehaglig överraskning.

Den högre smälttemperaturen ökade verkligen utbytet av järn från malmen avsevärt, men den ökade också andelen järn som uppkolades till gjutjärnstillståndet. Nu, inte 10%, som i stuckaturmaskinen, men 30% av produktionen var gjutjärn - "fläskjärn", inte lämplig för något ändamål. Det gjorde att vinsterna ofta inte betalade för moderniseringen.

Blauofen gjutjärn, som stuckatur gjutjärn, stelnat i botten av ugnen, blandas med slagg. Det blev något bättre, eftersom det fanns mer av det, därför var det relativa innehållet av slagg mindre, men det fortsatte att förbli olämpligt för gjutning. Gjutjärnet som erhölls från blauofen visade sig vara ganska starkt, men förblev fortfarande väldigt heterogent - bara enkla och grova föremål kom ut ur det - släggor, städ. Det var redan en hel del kanonkulor som kom ut.

Dessutom, om i ostblåsugnar endast järn kunde erhållas, som sedan uppkolades, så visade sig i stukofen och blauofen de yttre lagren av kritsa vara gjorda av stål. Det fanns ännu mer stål i blauofen krits än järn. Å ena sidan verkade detta bra, men det visade sig vara väldigt svårt att separera stål och järn. Kolhalten började bli svår att kontrollera. Endast lång smide kunde uppnå en enhetlig fördelning.

Vid en tidpunkt, inför dessa svårigheter, flyttade indianerna inte längre, utan började förfina tekniken och kom till produktion av damaskstål. Men indianerna på den tiden var inte intresserade av kvantiteten, utan av produktens kvalitet. Européer som experimenterade med gjutjärn upptäckte snart en omvandlingsprocess som höjde järnmetallurgin till en kvalitativt ny nivå.

Nästa steg i utvecklingen av metallurgi var utseendet på masugnar. På grund av ökningen i storlek, förvärmning av luft och mekanisk blästring, i en sådan ugn omvandlades allt järn från malm till gjutjärn, som smältes och periodvis släpptes utanför. Produktionen blev kontinuerlig - ugnen fungerade dygnet runt och kyldes inte ner. Den producerade upp till ett och ett halvt ton gjutjärn per dag. Destillering av gjutjärn till järn i smedjor var mycket lättare än att slå ut det ur kritsan, även om det fortfarande krävdes smide - men nu slog man slagg ur järn, och inte järn ur slagg.

Masugnar användes först vid sekelskiftet 1400-1500 i Europa. I Mellanöstern och Indien dök denna teknik upp först på 1800-talet (till stor del, troligen för att vattenmotorn inte användes på grund av den karakteristiska vattenbristen i Mellanöstern). Närvaron av masugnar i Europa gjorde det möjligt för den att passera Turkiet på 1500-talet, om inte i kvaliteten på metallen, så i schaktet. Detta hade en otvivelaktig inverkan på utgången av kampen, särskilt när det visade sig att kanoner kunde gjutas av gjutjärn.

Från början av 1600-talet blev Sverige den europeiska smedjan som tillverkade hälften av järnet i Europa. I mitten av 1700-talet började dess roll i detta avseende snabbt minska på grund av en annan uppfinning - användningen av kol i metallurgi.

Först och främst måste det sägas att fram till 1700-talet användes kol praktiskt taget inte i metallurgi - på grund av det höga innehållet av föroreningar som var skadliga för produktens kvalitet, främst svavel. Sedan 1600-talet i England började kol användas i pölugnar för glödgning av gjutjärn, men detta gjorde det möjligt att uppnå endast små besparingar på träkol - det mesta av bränslet gick åt till smältning, där det var omöjligt att utesluta kontakt med kol med malm.

Bland dåtidens många metallurgiska yrken var det kanske svåraste yrket som pölare. Pudding var den huvudsakliga metoden för att få fram järn under nästan hela 1800-talet. Det var en mycket svår och tidskrävande process. Arbetet under honom gick till så här: Tackjärn lastades på botten av den brinnande ugnen; de smältes ner. När kol och andra föroreningar brann ut ur metallen ökade metallens smälttemperatur och kristaller av ganska rent järn började "frysa ut" från den flytande smältan. En klump klibbig degliknande massa samlad längst ner i ugnen. Pölarbetarna började rulla degen med hjälp av ett järnskrot. Genom att blanda massan av metall med en kofot försökte de samla en klump, eller kritsa, av järn runt kofoten. En sådan klump vägde upp till 50 - 80 kg eller mer. Kritsan drogs ut ur ugnen och matades direkt under hammaren - för smide för att ta bort slaggpartiklar och kompaktera metallen.

De lärde sig att eliminera svavel genom koksning i England 1735, varefter det blev möjligt att använda stora reserver av kol för att smälta järn. Men utanför England spreds denna teknik först på 1800-talet.

Bränsleförbrukningen inom metallurgin var enorm redan då – masugnen förbrukade en billast kol per timme. Träkol har blivit en strategisk resurs. Det var överflöd av trä i själva Sverige och dess Finland som gjorde att svenskarna kunde utveckla produktionen i en sådan skala. Engelsmännen, som hade färre skogar (och även de var reserverade för flottans behov), tvingades köpa järn i Sverige tills de lärde sig att använda kol.

Elektriska och induktionsmetoder för järnsmältning

Mångfalden av stålkompositioner gör deras smältning mycket svår. När allt kommer omkring, i en ugn med öppen härd och omvandlare oxiderar atmosfären, och element som krom oxiderar lätt och blir till slagg, d.v.s. är försvunna. Det betyder att för att få stål med en kromhalt på 18 % måste mycket mer krom matas in i ugnen än 180 kg per ton stål. Och krom är en dyr metall. Hur hittar man en väg ut ur denna situation?

En lösning fann man i början av 1900-talet. Det föreslogs att använda värmen från en ljusbåge för att smälta metall. Metallskrot laddades i en cirkulär ugn, gjutjärn hälldes i och kol- eller grafitelektroder sänktes. En elektrisk ljusbåge med en temperatur på cirka 4000°C uppstod mellan dem och metallen i ugnen ("bad"). Metallen smälte lätt och snabbt. Och i en sådan sluten elektrisk ugn kan du skapa vilken atmosfär som helst - oxiderande, reducerande eller helt neutral. Med andra ord kan värdefulla element förhindras från att brinna ut. Så skapades metallurgin av högkvalitativa stål.

Senare föreslogs en annan metod för elektrisk smältning - induktion. Det är känt från fysiken att om en metallledare placeras i en spole genom vilken en högfrekvent ström passerar induceras en ström i den och ledaren värms upp. Denna värme räcker för att smälta metallen inom en viss tid. En induktionsugn består av en degel med en spiral inbäddad i dess foder. En högfrekvent ström passerar genom spiralen och metallen i degeln smälter. I en sådan kamin kan du också skapa vilken atmosfär som helst.

I ljusbågsugnar sker smältningsprocessen vanligtvis i flera steg. Först bränns onödiga föroreningar ut ur metallen och oxiderar dem (oxidationsperiod). Sedan avlägsnas (laddas ned) slaggen som innehåller oxiderna av dessa element från ugnen, och ferrolegeringar - järnlegeringar med element som måste införas i metallen - laddas. Ugnen är stängd och smältningen fortsätter utan lufttillgång (återhämtningstid). Som ett resultat är stålet mättat med de nödvändiga elementen i en given kvantitet. Den färdiga metallen släpps i en slev och hälls.

Kemiska reaktioner vid produktion av järn

I modern industri utvinns järn från järnmalm, främst från hematit (Fe 2 O 3) och magnetit (Fe 3 O 4).

Det finns olika sätt att utvinna järn ur malmer. Det vanligaste är domänprocessen.

Det första steget i produktionen är reduktion av järn med kol i en masugn vid en temperatur på 2000 °C. I en masugn matas kol i form av koks, järnmalm i form av agglomerat eller pellets och flussmedel (som kalksten) uppifrån och möts av en ström av påtvingad varm luft underifrån.

I ugnen oxideras kolet i koksen till kolmonoxid (kolmonoxid) av atmosfäriskt syre:

2C + O2 → 2CO.

I sin tur minskar kolmonoxid järn från malmen:

3CO + Fe 2 O 3 → 2Fe + 3CO 2.

Flux tillsätts för att extrahera oönskade föroreningar från malmen, främst silikater som kvarts (kiseldioxid). Ett typiskt flussmedel innehåller kalksten (kalciumkarbonat) och dolomit (magnesiumkarbonat). Andra flussmedel används mot andra föroreningar.

Effekt av flux: kalciumkarbonat sönderdelas under inverkan av värme till kalciumoxid (snabbkalk):

CaCO3 → CaO + CO2.

Kalciumoxid kombineras med kiseldioxid för att bilda slagg:

CaO + SiO 2 → CaSiO 3.

Slagg, till skillnad från kiseldioxid, smälts i en ugn. Slagg, lättare än järn, flyter på ytan och kan dräneras separat från metallen. Slaggen används sedan inom bygg och lantbruk. Det smälta järnet som produceras i en masugn innehåller ganska mycket kol (gjutjärn). Förutom i de fall där gjutjärn används direkt, kräver det ytterligare bearbetning.

Överskott av kol och andra föroreningar (svavel, fosfor) avlägsnas från gjutjärn genom oxidation i ugnar med öppen spis eller omvandlare. Elektriska ugnar används också för att smälta legerat stål.

Förutom masugnsprocessen är processen med direkt järnframställning vanlig. I detta fall blandas förkrossad malm med speciell lera, vilket bildar pellets. Pelletsen eldas och behandlas i en schaktugn med heta metanomvandlingsprodukter innehållande väte. Väte reducerar lätt järn utan att förorena järnet med föroreningar som svavel och fosfor - vanliga föroreningar i kol. Järn erhålls i fast form och smälts därefter i elektriska ugnar.

Kemiskt rent järn erhålls genom elektrolys av lösningar av dess salter.