Železo

Pozadí

Železo je jedním z nejčastějších prvků na zemi. Téměř každá konstrukce člověka obsahuje alespoň trochu železa. Je to také jeden z nejstarších kovů a byl poprvé vyráběn do užitečných a okrasných předmětů nejméně před 3500 lety.

čisté železo je měkký, šedavě bílý kov. Přestože je železo běžným prvkem, čisté železo se v přírodě téměř nikdy nenachází. Jediné čisté železo, o kterém je známo, že existuje, přirozeně pochází z padlých meteoritů. Většina železa se nachází v minerálech tvořených kombinací železa s jinými prvky. Oxidy železa jsou nejčastější. Tyto minerály v blízkosti povrchu země, které mají nejvyšší obsah železa, jsou známé jako železné rudy a jsou komerčně těženy.

železná ruda se přeměňuje na různé druhy železa několika procesy. Nejběžnějším procesem je použití vysoké pece k výrobě surového železa, což je asi 92-94% železa a 3-5% uhlíku s menším množstvím dalších prvků. Surové železo má jen omezené využití, a většina z toho železa se děje na ocelárně, kde je přeměněn na různé slitiny oceli tím, že další snižování obsahu uhlíku a přidání dalších prvků, jako jsou mangan a nikl ocel specifické vlastnosti.

historie

historici věří, že Egypťané byli první lidé, kteří pracovali s malým množstvím železa, asi před pěti nebo šesti tisíci lety. Kov, který použili, byl zřejmě extrahován z meteoritů. Důkazy o tom, co je považováno za první příklad těžby a tavení železa, ukazují na starověkou chetitskou kulturu v dnešním Turecku. Protože železo bylo daleko lepší materiál pro výrobu zbraní a nástrojů, než jakýkoli jiný známý kov, jeho výroba byla přísně střeženým tajemstvím. Základní technika však byla jednoduchá a používání železa se postupně rozšiřovalo. Jak užitečné bylo ve srovnání s jinými materiály, Železo mělo nevýhody. Kvalita nástrojů z ní vyrobených byla velmi variabilní, v závislosti na oblasti, ze které byla železná ruda odebrána, a způsobu extrakce železa. Chemická povaha změn probíhajících během extrakce nebyla pochopena; zejména význam uhlíku pro tvrdost kovu. Praxe se v různých částech světa velmi lišila. Tam je důkaz, například, že Číňané byli schopni rozpustit a litiny se provádí velmi brzy, a že Japonci vyrábí úžasné výsledky s oceli v malých množstvích, o čemž svědčí dědictví mečů se datuje staletí. Podobné průlomy byly provedeny na Středním východě a v Indii, ale procesy se nikdy neobjevily ve zbytku světa. Po staletí Evropané postrádali metody ohřevu železa na teplotu tání vůbec. K výrobě železa pomalu spálili železnou rudu dřevem v hliněné peci. Železo se oddělilo od okolní skály, ale nikdy se úplně neroztavilo. Místo toho vytvořila křupavou strusku, která byla odstraněna kladivem. Tento proces opakovaného zahřívání a zatloukání smíchal kyslík s oxidem železa za vzniku železa a odstranil uhlík z kovu. Výsledkem bylo téměř čisté železo, snadno tvarované kladivy a kleštěmi, ale příliš měkké na to, aby si udrželo dobrou hranu. Vzhledem k tomu, kov byl tvarován, nebo tepané, kladivem, to přišlo být nazýván tepaného železa.

Nástroje a zbraně přivezl do Evropy z Východu byly vyrobeny ze železa, které byly roztaveny a odlity do formy. Zachování více uhlíku, litina je těžší než tepaného železa a bude držet ostří. Je však také křehčí než tepané železo. Evropské žehlička pracovníků věděl, že lidé z Východu měli lepší železo, ale ne procesy v ujímání silnější železné výrobky. Celé národy zahájily úsilí o objevení tohoto procesu.

první známý evropský průlom ve výrobě litiny, který rychle vedl k první praktické oceli, přišel až v roce 1740. V tomto roce, Benjamin Huntsman vzal patent na tavení materiálu pro výrobu ocelových pružin, které mají být použity v hodinářství. V průběhu příštích 20 let nebo tak, postup se stal více široce přijat. Huntsman použil vysokou pec k roztavení tepaného železa v hliněném kelímku. Do roztaveného kovu pak přidal pečlivě naměřené množství čistého uhlí. Výsledná slitina byla pevná a pružná při odlévání do pružin. Protože Myslivec byl původně zájem jen v lepším hodiny, jeho kelímkové oceli vedla přímo k vývoji námořní chronometry, které, podle pořadí, se globální navigace je to možné tím, námořníky, aby přesně určit jejich východ/západ pozici. Skutečnost, že také vynalezl moderní metalurgii, byla vedlejším účinkem, kterého si zjevně nevšiml.

suroviny

suroviny používané k výrobě surového železa ve vysoké peci jsou železná ruda, koks, sinter a vápenec. Železné rudy jsou hlavně oxidy železa a zahrnují magnetit, hematit, limonit a mnoho dalších hornin. Obsah železa v těchto rudách se pohybuje od 70% do 20% nebo méně. Koks je látka vyrobená zahříváním uhlí, dokud se nestane téměř čistým uhlíkem. Sintr je vyroben z méně kvalitní, jemně rozdělené železné rudy, která se praží koksem a vápnem, aby se odstranilo velké množství nečistot v rudě. Vápenec se vyskytuje přirozeně a je zdrojem uhličitanu vápenatého.

jiné kovy jsou někdy smíchány se železem při výrobě různých forem oceli, jako je Chrom, nikl, mangan, molybden a wolfram.

Rudy, Těžba a Rafinace

Před železné rudy mohou být použity ve vysokých pecích, musí být extrahovány ze země a částečně rafinované odstranit většinu nečistot.

Opřel se o jeho dlouhé kleště, tento mladý žehlička puddler pomocník pózovala pro tuhle fotku v časném 1860s, když Synové Vulkán byl mladý unie.

(ze sbírek muzea Henryho Forda & Greenfield Village.)

historicky se železo vyrábělo metodou tryskání za tepla nebo později antracitovou pecí. Buď jak buď, zásadní činnosti v výrobu železa podílí pracovník míchání malých šarží surového železa a škvára, dokud žehlička oddělené od strusky. S názvem“ puddling “ to byla vysoce kvalifikovaná práce, ale byla také horká, namáhavá a nebezpečná. Vyžadovalo to spoustu zkušeností i vydatnou ústavu. Puddlers byli hrdí, nezávislý, a vysoce placené.

Puddlers založil první odborový svaz v železářském a ocelářském průmyslu, synové vulkánu, v Pittsburghu v roce 1858. V roce 1876 se tato unie spojila s dalšími třemi pracovními organizacemi a vytvořila sloučené sdružení pracovníků železa a oceli. Byla to unie, že Andrew Carnegie porazil v Usedlosti Stávka z roku 1892, přičemž unie je v troskách a průmysl v podstatě neorganizovaný až 1930.

William S. Pretzer

Odsávání

• 1 Mnohem světové železné rudy se získává prostřednictvím open pit mining, ve které
  

  Čisté železo je měkké, šedavě-bílý kov. Přestože je železo běžným prvkem, čisté železo se v přírodě téměř nikdy nenachází. Minerály v blízkosti povrchu země, které mají nejvyšší obsah železa, jsou známé jako železné rudy a jsou komerčně těženy.

  povrch země je odstraněn těžkými stroji, často na velmi velké ploše, aby se odkryla Ruda pod ním. V případech, kdy není ekonomické odstranit povrch, jsou šachty vykopány do země, s bočními tunely, které sledují vrstvu rudy.

rafinace

• 2 těžená ruda se drtí a třídí. Nejlepší druhy rudy obsahují více než 60% železa. Menší stupně jsou ošetřeny nebo rafinovány, aby se odstranily různé nečistoty před odesláním rudy do vysoké pece. Kolektivně, tyto zpřesnění metod jsou tzv. zušlechtění a zahrnovat další drcení, mytí s vodou, aby se plovák písku a jílu daleko, magnetické separace, peletizace a spékání. Jako další známé světové dodávky vysokým obsahem železa rudy vyčerpány, tyto rafinační techniky se stávají stále důležitějšími.
• 3 rafinovaná ruda je poté naložena do vlaků nebo lodí a dopravena do místa vysoké pece.

výrobní proces

nabíjení vysoké pece

• 1 po zpracování se ruda smísí s jinou rudou a jde do vysoké pece. Vysoká pec je konstrukce ve tvaru věže, vyrobená z oceli a lemovaná žáruvzdornými nebo žáruvzdornými cihlami. Směs suroviny nebo náboje vstupuje do horní části vysoké pece. V dolní části pece, velmi horký vzduch je vháněn, nebo odstřelil, přes trysky nazývá tuye’res. Koks hoří v přítomnosti horkého vzduchu. Kyslík ve vzduchu reaguje s uhlíkem v koksu za vzniku oxidu uhelnatého. Oxid uhelnatý
  

  pak reaguje s železem tvoří oxid uhličitý a čisté železo.

oddělením železa od strusky

• 2 roztavené železo klesá na dno pece. Vápenec se kombinuje s horninou a dalšími nečistotami v rudě a vytváří strusku, která je lehčí než železo a plave nahoře. Jak se objem náplně snižuje, v horní části pece se neustále přidává více. Železo a struska se odtahují odděleně od dna pece. Roztavené železo může jít do dalšího procesu legování, nebo může být odléván do ingotů zvaných prasata. Struska je odváděna k likvidaci.

Léčení plyny

• 3 horké plyny vznikající při chemických reakcích jsou vypracovány na horní a směrovány na čištění plynu zařízení, kde jsou vyčištěny, nebo vymývané, a poslán zpět do pece; zbývající oxidu uhelnatého, a to zejména, je užitečné chemické reakce děje uvnitř pece.

  vysoká pec běžně běží dnem i nocí několik let. Nakonec se cihlová podšívka začne rozpadat a Pec se pak vypne kvůli údržbě.

kontrola kvality

provoz vysoké pece je vysoce instrumentován a je nepřetržitě sledován. Časy a teploty jsou kontrolovány a zaznamenávány. Chemický obsah železných rud získaných z různých dolů se kontroluje a ruda se mísí s jinou železnou rudou, aby se dosáhlo požadovaného náboje. Vzorky jsou odebrány z každé zalijeme a kontrolovat chemické složení a mechanické vlastnosti jako je pevnost a tvrdost.

vedlejší Produkty/Odpad

Existuje mnoho možných vlivů na životní prostředí z průmyslu železa. První a nejzřetelnější je proces těžby v otevřené jámě. Obrovské plochy půdy jsou zbaveny holé skály. Dnes, vyčerpaná těžební místa se běžně používají jako skládky,pak zakryté a upravené. Některé z těchto skládek se stávají problémy životního prostředí, protože v nedávné minulosti, některé byly použity pro likvidaci vysoce toxické látky, které se vyplaví do půdy a vody.

proces extrakce železa z rudy produkuje velké množství jedovatých a korozivních plynů. V praxi se tyto plyny drhnou a recyklují. Nevyhnutelně však některé malé množství toxických plynů uniká do atmosféry.

vedlejším produktem čištění železa je struska, která se vyrábí v obrovských množstvích. Tento materiál je do značné míry inertní, ale musí být stále likvidován na skládkách.

výroba železa spotřebuje obrovské množství uhlí. Uhlí se nepoužívá přímo, ale nejprve se redukuje na koks, který se skládá z téměř čistého uhlíku. Mnoho chemických vedlejších produktů koksování je téměř všechny toxické, ale jsou také komerčně užitečné. Mezi tyto produkty patří amoniak, který se používá v obrovském množství produktů; fenol, který se používá k výrobě plastů, řezných olejů a antiseptika; kresoly, které jdou do herbicidy, pesticidy, léčiva a fotografické chemikálie; a toluenu, který je složkou mnoha složitých chemických produktů, jako jsou rozpouštědla a výbušnin.

železný šrot a ocel—ve formě starých automobilů, spotřebičů a dokonce i celých ocelových nosníků-jsou také ekologickým problémem. Většina tohoto materiálu je však recyklována, protože ocelový šrot je základním zdrojem při výrobě oceli. Šrot, který není recyklován, se nakonec změní na oxid železa nebo rez a vrátí se na zem.

Na povrchu, budoucnost výroby železa—zejména ve Spojených Státech—se objeví problémové. Zásoby vysoce kvalitní rudy se značně vyčerpaly v oblastech, kde je lze ekonomicky vytěžit. Mnoho dlouholetých oceláren bylo uzavřeno.

tyto zdání však klamou. Nové techniky obohacování rudy učinily použití rudy nižší kvality mnohem atraktivnějším a existuje obrovská zásoba této rudy. Mnoho oceláren se v posledních desetiletích uzavřelo, ale je to hlavně proto, že je zapotřebí méně. Účinnost samotných vysokých pecí se výrazně zlepšila. Na začátku tohoto století vyráběla největší vysoká pec ve Spojených státech 644 tun surového železa denně. Předpokládá se, že brzy možná výroba jedné pece dosáhne 4 000 tun denně. Vzhledem k tomu, že mnoho z těchto modernějších závodů bylo postaveno v zámoří, je v některých případech ekonomičtější přepravovat ocel přes oceán než ji vyrábět ve starších amerických závodech.