jern

baggrund

jern er et af de mest almindelige elementer på jorden. Næsten hver konstruktion af mennesket indeholder mindst lidt jern. Det er også et af de ældste metaller og blev først formet til nyttige og dekorative genstande for mindst 3.500 år siden.

rent jern er et blødt, gråhvidt metal. Selvom jern er et almindeligt element, findes rent jern næsten aldrig i naturen. Det eneste rene jern, der vides at eksistere naturligt, kommer fra faldne meteoritter. Det meste jern findes i mineraler dannet ved kombinationen af jern med andre elementer. Jern er de mest almindelige. Disse mineraler nær jordens overflade, der har det højeste jernindhold, er kendt som jernmalm og udvindes kommercielt.

jernmalm omdannes til forskellige typer jern gennem flere processer. Den mest almindelige proces er brugen af en højovn til fremstilling af råjern, som er omkring 92-94% jern og 3-5% kulstof med mindre mængder af andre elementer. Råjern har kun begrænsede anvendelser, og det meste af dette jern går videre til et stålværk, hvor det omdannes til forskellige stållegeringer ved yderligere at reducere kulstofindholdet og tilføje andre elementer såsom mangan og nikkel for at give stålspecifikke egenskaber.

historie

historikere mener, at egypterne var de første mennesker, der arbejdede med små mængder jern for omkring fem eller seks tusind år siden. Det metal, de brugte, blev tilsyneladende ekstraheret fra meteoritter. Bevis for, hvad der menes at være det første eksempel på jernminedrift og smeltning, peger på den gamle hetitiske kultur i det, der nu er Tyrkiet. Fordi jern var et langt overlegen materiale til fremstilling af våben og værktøjer end noget andet kendt metal, var dets produktion en tæt bevogtet hemmelighed. Den grundlæggende teknik var imidlertid enkel, og brugen af jern spredte sig gradvist. Så nyttigt som det blev sammenlignet med andre materialer, havde jern ulemper. Kvaliteten af de værktøjer, der blev fremstillet af den, var meget variabel, afhængigt af det område, hvorfra jernmalmen blev taget, og den metode, der blev brugt til at ekstrahere jernet. Den kemiske karakter af de ændringer, der fandt sted under ekstraktionen, blev ikke forstået; især vigtigheden af kulstof til metalets hårdhed. Praksis varierede meget i forskellige dele af verden. Der er beviser, for eksempel, at kineserne var i stand til at smelte og støbejernsredskaber meget tidligt, og at japanerne producerede fantastiske resultater med stål i små mængder, som det fremgår af arvestykke sværd dating århundreder tilbage. Lignende gennembrud blev foretaget i Mellemøsten og Indien, men processerne opstod aldrig i resten af verden. I århundreder manglede europæerne metoder til opvarmning af jern til smeltepunktet overhovedet. For at producere jern brændte de langsomt jernmalm med træ i en lerforet ovn. Jernet adskilt fra den omgivende klippe, men smeltede aldrig helt. I stedet dannede den en crusty slagge, som blev fjernet ved hamring. Denne gentagne opvarmnings-og hamringsproces blandede ilt med jernilten for at producere jern og fjernede kulstof fra metallet. Resultatet var næsten rent jern, let formet med Hamre og tang, men for blødt til at tage og holde en god kant. Fordi metallet blev formet, eller smedet, ved hamring, det kom til at blive kaldt smedejern.

værktøjer og våben bragt tilbage til Europa fra øst var lavet af et jern, der var smeltet og støbt i form. Bevarer mere kulstof, støbejern er hårdere end smedejern og vil holde en forkant. Det er dog også mere skørt end smedejern. De Europæiske jernarbejdere vidste, at de østlige havde bedre jern, men ikke de processer, der var involveret i at forme stærkere jernprodukter. Hele nationer lancerede bestræbelser på at opdage processen.

det første kendte europæiske gennembrud i produktionen af støbejern, som hurtigt førte til det første praktiske stål, kom først i 1740. I det år tog Benjamin Huntsman et patent på smeltning af materiale til produktion af stålfjedre, der skulle bruges til urfremstilling. I løbet af de næste 20 år eller deromkring blev proceduren mere udbredt. Huntsman brugte en højovn til at smelte smedejern i en lerdigel. Han tilføjede derefter omhyggeligt målte mængder rent trækul til det smeltede metal. Den resulterende legering var både stærk og fleksibel, når den blev støbt i fjedre. Da Huntsman oprindeligt kun var interesseret i at fremstille bedre ure, førte hans digelstål direkte til udviklingen af nautiske kronometre, hvilket igen gjorde global navigation mulig ved at lade søfolk nøjagtigt bestemme deres øst/vest position. Det faktum, at han også havde opfundet moderne metallurgi, var en bivirkning, som han tilsyneladende ikke bemærkede.

råvarer

råmaterialerne, der anvendes til fremstilling af råjern i en højovn, er jernmalm, koks, sinter og kalksten. Jernmalm er hovedsageligt jernilte og omfatter magnetit, hæmatit, limonit og mange andre sten. Jernindholdet i disse malme varierer fra 70% ned til 20% eller mindre. Koks er et stof fremstillet ved opvarmning af kul, indtil det bliver næsten rent kulstof. Sinter er lavet af mindre kvalitet, fint opdelt jernmalm, som ristes med koks og kalk for at fjerne en stor mængde urenheder i malmen. Kalksten forekommer naturligt og er en kilde til calciumcarbonat.

andre metaller blandes undertiden med jern i produktionen af forskellige former for stål, såsom krom, nikkel, mangan, molybdæn og tungsten.

Malmekstraktions-og raffineringsprocessen

før jernmalm kan anvendes i en højovn, skal den ekstraheres fra jorden og delvis raffineres for at fjerne de fleste urenheder.

lænet på sine lange tænger stillede denne unge jernpuddlers hjælper til dette fotografi i begyndelsen af 1860 ‘ erne, da Vulcans Sønner var en ung union.

(fra samlinger af Henry Ford Museum & Greenfield Village.)

historisk blev jern produceret ved hot-blast-metoden eller senere antracitovnen. På den ene eller anden måde, den grundlæggende aktivitet inden for jernfremstilling involverede en arbejdstager, der omrørte små partier råjern og slagger, indtil jernet adskilt fra slaggen. Kaldet” puddling”, dette var højt kvalificeret arbejde, men var også varmt, anstrengende og farligt. Det krævede en masse erfaring såvel som en solid forfatning. Puddlers var stolte, uafhængige og højt betalte.

Puddlers grundlagde den første fagforening i jern-og stålindustrien, Sons of Vulcan, i Pittsburgh i 1858. I 1876 fusionerede denne union med tre andre arbejdsorganisationer for at danne den sammensmeltede sammenslutning af jern-og stålarbejdere. Dette var den union, som Carnegie besejrede i Homestead Strike i 1892, hvilket efterlod Unionen i ruiner og industrien i det væsentlige uorganiseret indtil 1930 ‘ erne. P >

ekstraktion

• 1 Meget af verdens jernmalm udvindes gennem åben pit minedrift, hvor
  

  rent jern er et blødt, gråhvidt metal. Selvom jern er et almindeligt element, findes rent jern næsten aldrig i naturen. Mineraler nær jordens overflade, der har det højeste jernindhold, er kendt som jernmalm og udvindes kommercielt.

  jordens overflade fjernes af tunge maskiner, ofte over et meget stort område, for at udsætte malmen nedenunder. I tilfælde, hvor det ikke er økonomisk at fjerne overfladen, Graves aksler ned i jorden med sidetunneler for at følge malmlaget.

raffinering

• 2 den minerede malm knuses og sorteres. De bedste kvaliteter af malm indeholder over 60% jern. Mindre kvaliteter behandles eller raffineres for at fjerne forskellige forurenende stoffer, før malmen sendes til højovnen. Samlet kaldes disse raffineringsmetoder beneficiation og inkluderer yderligere knusning, vask med vand for at flyde sand og ler væk, magnetisk adskillelse, pelletering og sintring. Da mere af verdens kendte udbud af malm med højt jernindhold er udtømt, er disse raffineringsteknikker blevet stadig vigtigere.
• 3 den raffinerede malm læsses derefter på tog eller skibe og transporteres til højovnsstedet.

fremstillingsprocessen

opladning af højovnen

• 1 efter forarbejdning blandes malmen med anden malm og går til højovnen. En højovn er en tårnformet struktur, lavet af stål og foret med ildfaste eller varmebestandige mursten. Blandingen af råmateriale eller ladning kommer ind i toppen af højovnen. I bunden af ovnen blæses eller sprænges meget varm luft ind gennem dyser kaldet tuye ‘ res. koksen brænder i nærværelse af den varme luft. Iltet i luften reagerer med kulstoffet i koks for at danne kulilte. Kulilte
  

  reagerer derefter med jernmalmen for at danne kulsyre og rent jern.

adskillelse af jernet fra slaggen

• 2 det smeltede jern synker til bunden af ovnen. Kalksten kombineres med klippen og andre urenheder i malmen for at danne en slagge, der er lettere end jernet og flyder ovenpå. Efterhånden som ladningens volumen reduceres, tilføjes der konstant Mere øverst i ovnen. Jern og slagge trækkes separat fra bunden af ovnen. Det smeltede jern kan gå til en yderligere legeringsproces eller kan støbes i ingots kaldet grise. Slaggen transporteres væk til bortskaffelse.

behandling af gasserne

• 3 de varme gasser, der produceres i de kemiske reaktioner, trækkes af øverst og føres til et gasrensningsanlæg, hvor de rengøres eller skrubbes og sendes tilbage i ovnen; især det resterende kulilte er nyttigt for de kemiske reaktioner, der foregår i ovnen. en højovn kører normalt dag og nat i flere år. Til sidst mursten foring begynder at smuldre, og ovnen er derefter lukket ned for vedligeholdelse.

kvalitetskontrol

højovnens drift er stærkt instrumenteret og overvåges kontinuerligt. Tider og temperaturer kontrolleres og registreres. Det kemiske indhold af jernmalm modtaget fra de forskellige miner kontrolleres, og malmen blandes med anden jernmalm for at opnå den ønskede ladning. Prøver udtages fra hver pour og kontrolleres for kemisk indhold og mekaniske egenskaber såsom styrke og hårdhed.

biprodukter/affald

der er mange mulige miljøeffekter fra jernindustrien. Den første og mest oplagte er processen med åben pit minedrift. Kæmpe landområder er strippet til bare sten. I dag, udtømte minedriftsteder bruges ofte som deponeringsanlæg, derefter dækket over og anlagt. Nogle af disse lossepladser bliver selv miljøproblemer, da nogle i den seneste tid blev brugt til bortskaffelse af meget giftige stoffer, der udvaskes i jord og vand.

processen med at udvinde jern fra malm producerer store mængder giftige og ætsende gasser. I praksis bliver disse gasser skrubbet og genanvendt. Uundgåeligt slipper nogle små mængder giftige gasser imidlertid ud i atmosfæren.

et biprodukt af jernrensning er slagge, som produceres i store mængder. Dette materiale er stort set inert, men skal stadig bortskaffes på lossepladser.

jernfremstilling bruger enorme mængder kul. Kulet bruges ikke direkte, men reduceres først til koks, der består af næsten rent kulstof. De mange kemiske biprodukter fra koksning er næsten alle giftige, men de er også kommercielt nyttige. Disse produkter omfatter ammoniak, som anvendes i et stort antal produkter; phenol, som bruges til at fremstille plast, skære olier og antiseptika; cresoler, der går ind i herbicider, pesticider, lægemidler og fotografiske kemikalier; og toluen, som er en ingrediens i mange komplekse kemiske produkter såsom opløsningsmidler og sprængstoffer.

Skrotjern og stål—i form af gamle biler, apparater og endda hele stålbeklædte bygninger-er også et miljømæssigt problem. Det meste af dette materiale genanvendes imidlertid, da stålskrot er en vigtig ressource inden for stålfremstilling. Skrot, der ikke genbruges, bliver til sidst til jernilte eller rust og vender tilbage til jorden.

fremtiden

på overfladen forekommer fremtiden for jernproduktion—især i USA—urolig. Reserver af malm af høj kvalitet er blevet betydeligt udtømt i områder, hvor det kan udvindes økonomisk. Mange langvarige stålværker er lukket.

imidlertid bedrager disse optrædener. Nye malmberigelsesteknikker har gjort brugen af malm af lavere kvalitet meget mere attraktiv, og der er et stort udbud af denne malm. Mange stålværker er lukket i de seneste årtier, men det skyldes stort set, at der er behov for færre. Effektiviteten af højovne alene er forbedret bemærkelsesværdigt. I begyndelsen af dette århundrede producerede den største højovn i USA 644 tons råjern om dagen. Det antages, at den mulige produktion af en enkelt ovn snart vil nå 4.000 tons om dagen. Da mange af disse mere moderne planter er blevet bygget i udlandet, er det faktisk blevet mere økonomisk i nogle tilfælde at sende stål over havet end at producere det i ældre amerikanske planter.