Bakgrunn
Jern Er en av de vanligste elementene på jorden. Nesten hver konstruksjon av mannen inneholder minst et lite jern. Det er også en av de eldste metaller og ble først formet til nyttige og dekorative gjenstander for minst 3500 år siden.
Rent jern er et mykt, gråhvitt metall. Selv om jern er et vanlig element, er rent jern nesten aldri funnet i naturen. Det eneste rene jernet som finnes naturlig kommer fra fallne meteoritter. De fleste jern finnes i mineraler dannet av kombinasjonen av jern med andre elementer. Jernoksider er de vanligste. Disse mineralene nær jordens overflate som har det høyeste jerninnholdet, kalles jernmalm og blir utvunnet kommersielt.
Jernmalm omdannes til ulike typer jern gjennom flere prosesser. Den vanligste prosessen er bruk av en masovn for å produsere råjern som er ca 92-94% jern og 3-5% karbon med mindre mengder av andre elementer. Råjern har bare begrenset bruk, og det meste av dette jernet går videre til en stålfabrikk hvor det omdannes til forskjellige stållegeringer ved ytterligere å redusere karboninnholdet og legge til andre elementer som mangan og nikkel for å gi stålet spesifikke egenskaper.
Historie
Historikere tror At Egypterne var De første som jobbet med små mengder jern, for fem eller seks tusen år siden. Metallet de brukte ble tilsynelatende hentet fra meteoritter. Bevis på hva som antas å være det første eksempelet på jernutvinning og smelteverk peker på den gamle Hettittiske kulturen i Det som Nå Er Tyrkia. Fordi jern var et langt bedre materiale for produksjon av våpen og verktøy enn noe annet kjent metall, var produksjonen en nøye bevoktet hemmelighet. Den grunnleggende teknikken var imidlertid enkel,og bruken av jern spredte seg gradvis. Så nyttig som det ble sammenlignet med andre materialer, hadde jern ulemper. Kvaliteten på verktøyene laget av den var svært variabel, avhengig av regionen hvorfra jernmalmen ble tatt og metoden som ble brukt til å trekke ut jernet. Den kjemiske naturen til endringene som fant sted under ekstraksjonen ble ikke forstått; spesielt betydningen av karbon til metallets hardhet. Praksis varierte mye i ulike deler av verden. Det er bevis, for eksempel, At Kineserne var i stand til å smelte og støpejern redskaper veldig tidlig, og At Den Japanske produsert fantastiske resultater med stål i små mengder, som dokumentert av arvestykke sverd dating århundrer tilbake. Lignende gjennombrudd ble gjort I Midtøsten og India, men prosessene kom aldri fram i resten av verden. I århundrer Manglet Europeerne metoder for oppvarming av jern til smeltepunktet i det hele tatt. For å produsere jern brente de sakte jernmalm med tre i en leireforet ovn. Jernet skilt fra den omkringliggende steinen, men aldri helt smeltet. I stedet, det dannet en crusty slagg som ble fjernet ved hamring. Denne gjentatte oppvarmings-og hamringsprosessen blandet oksygen med jernoksidet for å produsere jern, og fjernet karbonet fra metallet. Resultatet var nesten rent jern, lett formet med hammere og tang, men for myk til å ta og holde en god kant. Fordi metallet ble formet, eller smidd, ved hamring, kom det til å bli kalt smijern. Verktøy og våpen brakt tilbake Til Europa Fra Øst var laget av et jern som hadde blitt smeltet og støpt i form. Beholde mer karbon, støpejern er vanskeligere enn smijern og vil holde en cutting edge. Det er imidlertid også mer sprø enn smijern. De Europeiske jernarbeiderne visste At Østmennene hadde bedre jern, men ikke prosessene som var involvert i å skape sterkere jernprodukter. Hele nasjoner lanserte innsats for å oppdage prosessen. det første Kjente europeiske gjennombruddet i produksjonen av støpejern, som raskt førte til det første praktiske stålet, kom ikke før 1740. I det året tok Benjamin Huntsman et patent for smelting av materiale til produksjon av stålfjærer som skulle brukes i urmakeri. I løpet av de neste 20 årene eller så ble prosedyren mer utbredt. Huntsman brukte en masovn til å smelte smijern i en leire smeltedigel. Han la deretter nøye målte mengder rent trekull til smeltet metall. Den resulterende legeringen var både sterk og fleksibel når den ble kastet i fjærer. Siden Huntsman opprinnelig bare var interessert i å lage bedre klokker, førte hans smeltedigelstål direkte til utviklingen av nautiske kronometre, noe som igjen gjorde global navigasjon mulig ved å tillate sjøfolk å nøyaktig bestemme deres øst/vestposisjon. Det faktum at han også hadde oppfunnet moderne metallurgi var en bivirkning som han tilsynelatende ikke klarte å legge merke til.
Råvarer
råmaterialene som brukes til å produsere råjern i en masovn er jernmalm, koks, sinter og kalkstein. Jernmalm er hovedsakelig jernoksider og inkluderer magnetitt, hematitt, limonitt og mange andre bergarter. Jerninnholdet i disse malmene varierer fra 70% ned til 20% eller mindre. Koks er et stoff laget av oppvarming av kull til det blir nesten rent karbon. Sinter er laget av mindre klasse, finfordelt jernmalm som er stekt med koks og kalk for å fjerne en stor mengde urenheter i malmen. Kalkstein forekommer naturlig og er en kilde til kalsiumkarbonat. Andre metaller er noen ganger blandet med jern i produksjon av ulike former for stål, som krom, nikkel, mangan, molybden og wolfram.
Malmutvinnings-Og Raffineringsprosessen
før jernmalm kan brukes I en masovn, må den ekstraheres fra bakken og delvis raffineres for å fjerne de fleste urenheter.
historisk ble jern produsert ved hot-blast-metoden, eller senere, antrasittovnen. Uansett, den grunnleggende aktiviteten i jern gjør involvert en arbeider omrøring små grupper av råjern og slagg inntil jernet skilt fra slagg. Kalt «puddling», dette var høyt kvalifisert arbeid, men var også varmt, anstrengende og farlig. Det krevde mye erfaring, så vel som en solid grunnlov. Puddlers var stolte, uavhengige og høyt betalte. Puddlers grunnla den første fagforeningen i jern-og stålindustrien, Sons Of Vulcan, I Pittsburgh i 1858. I 1876 slo denne unionen seg sammen med tre andre arbeidsorganisasjoner for å danne Amalgamated Association Of Iron And Steel Workers. Dette var unionen Som Andrew Carnegie beseiret i Homestead-Streiken i 1892, forlot unionen i shambles og industrien i hovedsak uorganisert til 1930-tallet.
William S. Pretzer
Utvinning
- 1 Mye av verdens jernmalm utvinnes gjennom åpen pit gruvedrift der
Rent jern Er et mykt, gråhvitt metall. Selv om jern er et vanlig element, er rent jern nesten aldri funnet i naturen. Mineraler nær jordens overflate som har det høyeste jerninnholdet er kjent som jernmalm og blir utvunnet kommersielt. overflaten av bakken fjernes av tunge maskiner, ofte over et veldig stort område, for å eksponere malmen under. I tilfeller der det ikke er økonomisk å fjerne overflaten, blir aksler gravd inn i jorden, med sidetunneler for å følge malmlaget.Raffinering
- 2 den minede malmen knuses og sorteres. De beste malmkarakterene inneholder over 60% jern. Mindre karakterer behandles eller raffineres for å fjerne ulike forurensninger før malmen sendes til storovnen. Samlet kalles disse raffineringsmetodene beneficiation og inkluderer ytterligere knusing, vasking med vann for å flyte sand og leire bort, magnetisk separasjon, pelletering og sintring. Etter hvert som mer av verdens kjente tilførsel av høyt jerninnholdsmalm er utarmet, har disse raffineringsteknikkene blitt stadig viktigere.
- 3 den raffinerte malmen lastes deretter på tog eller skip og transporteres til masovnstedet.
Produksjonsprosessen
Lading av storovnen
- 1 etter bearbeiding blandes malmen med annen malm og går til storovnen. En storovn er en tårnformet struktur, laget av stål, og foret med ildfast eller varmebestandig murstein. Blandingen av råmateriale, eller ladning, kommer inn på toppen av storovnen. På bunnen av ovnen blåses veldig varm luft inn gjennom dyser kalt tuye ‘ res. koks brenner i nærvær av varmluften. Oksygenet i luften reagerer med karbonet i koks for å danne karbonmonoksid. Karbonmonoksidet
reagerer deretter med jernmalmen for å danne karbondioksid og rent jern.
Separering av jernet fra slaggen
- 2 det smeltede jernet synker til bunnen av ovnen. Kalkstenen kombinerer med fjellet og andre urenheter i malmen for å danne en slagg som er lettere enn jernet og flyter på toppen. Etter hvert som volumet av ladningen reduseres, legges mer kontinuerlig på toppen av ovnen. Jernet og slaggen trekkes separat fra bunnen av ovnen. Smeltet jern kan gå til en ytterligere legeringsprosess, eller kan bli kastet i ingots kalt griser. Slaggen blir båret bort for avhending.
Behandling av gassene
- 3 de varme gassene som produseres i de kjemiske reaksjonene, trekkes av på toppen og rutes til et gassrensingsanlegg hvor de rengjøres eller skrubbet og sendes tilbake til ovnen; det gjenværende karbonmonoksidet er spesielt nyttig for de kjemiske reaksjonene som skjer i ovnen. en masovn går normalt dag og natt i flere år. Til slutt begynner mursteinforingen å smuldre, og ovnen blir deretter stengt for vedlikehold.
Kvalitetskontroll
masovnen operasjonen er svært instrumentert og overvåkes kontinuerlig. Tider og temperaturer kontrolleres og registreres. Det kjemiske innholdet i jernmalmene som mottas fra de forskjellige gruvene, kontrolleres, og malmen blandes med annen jernmalm for å oppnå ønsket ladning. Prøver blir tatt fra hver pour og kontrollert for kjemisk innhold og mekaniske egenskaper som styrke og hardhet.
Biprodukter / Avfall
det er mange mulige miljøeffekter fra jernindustrien. Den første og mest åpenbare er prosessen med åpen pit gruvedrift. Store landområder er strippet til bare stein. I dag brukes utarmede gruveplasser ofte som deponier, deretter dekket over og anlagt. Noen av disse deponiene selv bli miljøproblemer, siden i den siste tiden, noen ble brukt til avhending av svært giftige stoffer som lekket i jord og vann.
prosessen med å utvinne jern fra malm produserer store mengder giftige og korrosive gasser. I praksis blir disse gassene skrubbet og resirkulert. Uunngåelig, men noen små mengder giftige gasser flykte til atmosfæren.
et biprodukt av jernrensing er slagg, som produseres i store mengder. Dette materialet er i stor grad inert, men må fortsatt kastes i deponier.
Ironmaking bruker opp store mengder kull. Kullet brukes ikke direkte, men reduseres først til koks som består av nesten rent karbon. De mange kjemiske biproduktene av coking er nesten alle giftige, men de er også kommersielt nyttige. Disse produktene inkluderer ammoniakk, som brukes i et stort antall produkter; fenol, som brukes til å lage plast, skjæreoljer og antiseptika; kresoler, som går inn i herbicider, plantevernmidler, legemidler og fotografiske kjemikalier; og toluen, som er en ingrediens i mange komplekse kjemiske produkter som løsemidler og eksplosiver.
Skrapjern og stål – i form av gamle biler, apparater og til og med hele stålbjelkede bygninger – er også et miljøhensyn. Mesteparten av dette materialet er resirkulert, men siden stål skrap er en viktig ressurs i stålproduksjon. Skrap som ikke resirkuleres, blir til slutt jernoksid, eller rust, og vender tilbake til bakken.
Fremtiden
på overflaten, fremtiden for jernproduksjon-spesielt I Usa-vises urolig. Reserver av høy kvalitet malm har blitt betydelig utarmet i områder der det kan utvinnes økonomisk. Mange stålverk i lang tid er stengt.
imidlertid er disse opptredener bedra. Nye malm-berikelse teknikker har gjort bruk av lavere grad av malm mye mer attraktivt, og det er en enorm tilførsel av at malm. Mange stålverk har stengt de siste tiårene, men dette skyldes i stor grad at færre er nødvendig. Effektiviteten av masovner alene har forbedret bemerkelsesverdig. I begynnelsen av dette århundret produserte den største masovnen i Usa 644 tonn råjern om dagen. Det antas at snart mulig produksjon av en enkelt ovn vil nå 4000 tonn per dag. Siden mange av disse mer moderne plantene har blitt bygget utenlands, har det faktisk blitt mer økonomisk i noen tilfeller å sende stål over havet enn å produsere det i eldre amerikanske planter.
Hvor Å Lære Mer
Bøker
Lambert, Mark. Fokus på Jern Og Stål. Rourke Enterprises, 1988.
Hartley, Edward N. Jern Og Stålverk Av Verden. Internasjonal Publikasjon, 1987.
Lewis, W. David. Jern Og Stål i Usa. Hagley Museum, 1986.
Walker, R. D. Moderne Ironmaking Metoder. Gower Publikasjon, 1986.
– Joel Simon