Achtergrond
ijzer is een van de meest voorkomende elementen op aarde. Bijna elke constructie van de mens bevat ten minste een beetje ijzer. Het is ook een van de oudste metalen en werd voor het eerst gemaakt tot nuttige en ornamentele objecten ten minste 3500 jaar geleden.
Zuiver ijzer is een zacht, grijswit metaal. Hoewel ijzer een gemeenschappelijk element is, wordt zuiver ijzer bijna nooit in de natuur gevonden. Het enige zuivere ijzer waarvan bekend is dat het bestaat, is van nature afkomstig van gevallen meteorieten. Het meeste ijzer wordt gevonden in mineralen gevormd door de combinatie van ijzer met andere elementen. Ijzeroxiden komen het meest voor. De mineralen aan het aardoppervlak met het hoogste ijzergehalte staan bekend als ijzererts en worden commercieel gewonnen.
ijzererts wordt door verschillende processen omgezet in verschillende soorten ijzer. Het meest voorkomende proces is het gebruik van een hoogoven voor de productie van ruwijzer dat ongeveer 92-94% ijzer en 3-5% koolstof met kleinere hoeveelheden andere elementen. Ruwijzer heeft slechts beperkte toepassingen en het grootste deel van dit ijzer gaat naar een staalfabriek waar het wordt omgezet in verschillende staallegeringen door het koolstofgehalte verder te verlagen en andere elementen zoals mangaan en nikkel toe te voegen om het staal specifieke eigenschappen te geven.
geschiedenis
historici geloven dat de Egyptenaren de eerste mensen waren die met kleine hoeveelheden ijzer werkten, zo ‘ n vijf of zesduizend jaar geleden. Het metaal dat ze gebruikten is blijkbaar gewonnen uit meteorieten. Bewijs van wat wordt beschouwd als het eerste voorbeeld van ijzerwinning en smelten wijst op de oude Hettitische cultuur in wat nu Turkije is. Omdat ijzer een veel beter materiaal was voor de vervaardiging van wapens en gereedschappen dan enig ander bekend metaal, was de productie ervan een goed bewaard geheim. De basistechniek was echter eenvoudig en het gebruik van ijzer verspreidde zich geleidelijk. Hoe nuttig het ook was in vergelijking met andere materialen, ijzer had nadelen. De kwaliteit van de gebruikte gereedschappen was zeer variabel, afhankelijk van het gebied waaruit het ijzererts werd gewonnen en de methode die werd gebruikt om het ijzer te extraheren. De chemische aard van de veranderingen tijdens de extractie werd niet begrepen; in het bijzonder het belang van koolstof voor de hardheid van het metaal. De praktijken varieerden sterk in verschillende delen van de wereld. Er is bewijs, bijvoorbeeld, dat de Chinezen waren in staat om te smelten en gietijzeren werktuigen zeer vroeg, en dat de Japanners produceerde verbazingwekkende resultaten met staal in kleine hoeveelheden, zoals blijkt uit erfstuk zwaarden dating terug eeuwen. Soortgelijke doorbraken werden gemaakt in het Midden-Oosten en India, maar de processen kwamen nooit naar voren in de rest van de wereld. Eeuwenlang ontbrak het de Europeanen aan methoden om ijzer tot het smeltpunt te verhitten. Om ijzer te produceren verbrandden ze langzaam ijzererts met hout in een met klei beklede oven. Het ijzer scheidde van het omringende gesteente, maar smolt nooit helemaal. In plaats daarvan vormde het een korstige slak die werd verwijderd door hameren. Dit herhaalde verwarmings-en hamerproces vermengde zuurstof met het ijzeroxide om ijzer te produceren en verwijderde de koolstof uit het metaal. Het resultaat was bijna puur ijzer, gemakkelijk gevormd met hamers en tang maar te zacht om te nemen en een goede rand te houden. Omdat het metaal gevormd of bewerkt werd door hameren, werd het smeedijzer genoemd. gereedschappen en wapens die vanuit het Oosten naar Europa werden gebracht, werden gemaakt van een gesmolten ijzer dat in vorm was gegoten. Behoud van meer koolstof, gietijzer is harder dan smeedijzer en zal een snijkant te houden. Het is echter ook brozer dan smeedijzer. De Europese ijzerarbeiders wisten dat de Oosterlingen beter ijzer hadden, maar niet de processen die betrokken waren bij het maken van sterkere ijzerproducten. Hele landen begonnen inspanningen om het proces te ontdekken. de eerste bekende Europese doorbraak in de produktie van gietijzer, die al snel leidde tot het eerste praktische staal, kwam pas in 1740. In dat jaar nam Benjamin Huntsman een patent op voor het smelten van materiaal voor de productie van stalen veren voor gebruik in de uurwerken. In de loop van de volgende twintig jaar werd de procedure op grotere schaal toegepast. Huntsman gebruikte een hoogoven om smeedijzer te smelten in een kleikroes. Vervolgens voegde hij zorgvuldig afgemeten hoeveelheden zuivere houtskool toe aan het gesmolten metaal. De resulterende legering was zowel sterk als flexibel wanneer gegoten in veren. Omdat Huntsman oorspronkelijk alleen geïnteresseerd was in het maken van betere klokken, leidde zijn smeltkroesstaal rechtstreeks tot de ontwikkeling van nautische chronometers, die op hun beurt de wereldwijde navigatie mogelijk maakten door zeelieden in staat te stellen hun oost/west positie nauwkeurig te bepalen. Het feit dat hij ook de moderne metallurgie had uitgevonden was een neveneffect dat hij blijkbaar niet had opgemerkt.
grondstoffen
de grondstoffen die worden gebruikt voor de productie van ruwijzer in een hoogoven zijn ijzererts, cokes, sinter en kalksteen. Ijzererts zijn voornamelijk ijzeroxiden en omvatten magnetiet, hematiet, limoniet en vele andere rotsen. Het ijzergehalte van deze ertsen varieert van 70% tot 20% of minder. Cokes is een stof die wordt gemaakt door kolen te verhitten tot het bijna zuivere koolstof wordt. Sinter is gemaakt van minder kwaliteit, fijn verdeeld ijzererts dat, wordt geroosterd met cokes en kalk om een grote hoeveelheid van de onzuiverheden in het erts te verwijderen. Kalksteen komt van nature voor en is een bron van calciumcarbonaat.
andere metalen worden soms gemengd met ijzer bij de productie van verschillende vormen van staal, zoals chroom, nikkel, mangaan, molybdeen en wolfraam.
het Ertswinnings – en raffinageproces
voordat ijzererts in een hoogoven kan worden gebruikt, moet het uit de grond worden geëxtraheerd en gedeeltelijk worden geraffineerd om de meeste onzuiverheden te verwijderen.
in het verleden werd ijzer geproduceerd met behulp van de hot-blast methode, of later, de antraciet oven. Hoe dan ook, de fundamentele activiteit bij het maken van ijzer bestond erin dat een arbeider kleine partijen ruwijzer en sintels roerde totdat het Ijzer van de slakken scheidde. Dit was hooggeschoold werk, maar het was ook heet, inspannend en gevaarlijk. Het vereiste veel ervaring en een stevige constitutie. Puddlers waren trots, onafhankelijk en goed betaald. Puddlers stichtte in 1858 in Pittsburgh de eerste vakbond in de ijzer-en staalindustrie, de Sons of Vulcan. In 1876 fuseerde deze vakbond met drie andere arbeidsorganisaties tot de Amalgamated Association of Iron and Steel Workers. Dit was de vakbond die Andrew Carnegie versloeg in de Homestead Strike van 1892, waardoor de vakbond in puin lag en de industrie in wezen ongeorganiseerd bleef tot de jaren 1930. Pretzer
extractie
- 1 Een groot deel van het ijzererts in de wereld wordt gewonnen door middel van open mijnen waarbij het
Zuiver ijzer een zacht, grijswit metaal is. Hoewel ijzer een gemeenschappelijk element is, wordt zuiver ijzer bijna nooit in de natuur gevonden. Mineralen aan het aardoppervlak met het hoogste ijzergehalte staan bekend als ijzererts en worden commercieel gewonnen.oppervlak van de grond wordt verwijderd door zware machines, vaak over een zeer groot oppervlak, om het erts eronder bloot te leggen. In gevallen waar het niet economisch is om het oppervlak te verwijderen, worden schachten gegraven in de aarde, met zijtunnels om de ertslaag te volgen.
raffinage
- 2 het gewonnen erts wordt geplet en gesorteerd. De beste ertssoorten bevatten meer dan 60% ijzer. Minderwaardige soorten worden behandeld of geraffineerd om verschillende verontreinigingen te verwijderen voordat het erts naar de hoogoven wordt vervoerd. Collectief, deze raffinage methoden worden genoemd begunstiging en omvatten verdere verpletteren, wassen met water om zand en klei weg te drijven, magnetische scheiding, pelletiseren, en sinteren. Naarmate meer van ‘ s werelds bekende aanbod van erts met een hoog ijzergehalte uitgeput raakt, zijn deze raffinagetechnieken steeds belangrijker geworden.
- 3 het geraffineerde erts wordt vervolgens in treinen of schepen geladen en naar het hoogoventerrein vervoerd.
het fabricageprocédé
het laden van de hoogoven
- 1 na verwerking wordt het erts gemengd met ander erts en gaat naar de hoogoven. Een hoogoven is een toren-vormige structuur, gemaakt van staal, en bekleed met vuurvaste, of hittebestendige stenen. Het mengsel van grondstoffen, of lading, komt in de top van de hoogoven. Op de bodem van de oven wordt zeer hete lucht geblazen, of gestraald, in door sproeiers genaamd tuye ‘ res. de cokes brandt in de aanwezigheid van de hete lucht. De zuurstof in de lucht reageert met de koolstof in de cokes om koolmonoxide te vormen. De koolmonoxide
reageert vervolgens met het ijzererts tot kooldioxide en zuiver ijzer.
bij het scheiden van het Ijzer van de slak
- 2 spoelt het gesmolten ijzer naar de bodem van de oven. Het kalksteen combineert met het gesteente en andere onzuiverheden in het erts tot een slak die lichter is dan het ijzer en er bovenop drijft. Naarmate het volume van de lading wordt verminderd, wordt er voortdurend meer toegevoegd aan de bovenkant van de oven. Het ijzer en de slakken worden los van de bodem van de oven getrokken. Het gesmolten ijzer kan een verdere legering proces, of kan worden gegoten in blokken genaamd varkens. De slakken worden weggevoerd voor verwijdering.
behandeling van de gassen
- 3 de hete gassen die bij de chemische reacties ontstaan, worden aan de bovenkant afgevoerd en naar een gasreinigingsinstallatie geleid, waar zij worden gereinigd of geschrobd en naar de oven worden teruggestuurd; met name de resterende koolmonoxide is nuttig voor de chemische reacties in de oven.
een hoogoven draait gewoonlijk gedurende verscheidene jaren dag en nacht. Uiteindelijk de bakstenen voering begint te verkruimelen, en de oven wordt dan stilgelegd voor onderhoud.
kwaliteitscontrole
de werking van de hoogoven is sterk geïnstrumenteerd en wordt continu gecontroleerd. Tijden en temperaturen worden gecontroleerd en geregistreerd. Het chemische gehalte van de uit de verschillende mijnen ontvangen ijzererts wordt gecontroleerd en het erts wordt gemengd met ander ijzererts om de gewenste lading te bereiken. Monsters worden genomen uit elke giet en gecontroleerd op chemische inhoud en mechanische eigenschappen zoals sterkte en hardheid.
bijproducten / afval
Er zijn een groot aantal mogelijke milieueffecten van de ijzerindustrie. De eerste en meest voor de hand liggende is het proces van open mijnbouwput. Enorme stukken land zijn ontdaan tot kale rotsen. Vandaag, uitgeputte mijnbouw sites worden vaak gebruikt als stortplaatsen, dan overdekt en aangelegd. Sommige van deze stortplaatsen zelf worden milieuproblemen, omdat in het recente verleden sommige werden gebruikt voor de verwijdering van zeer giftige stoffen die in de bodem en het water uitlogen.
het proces van de winning van ijzer uit erts produceert grote hoeveelheden giftige en corrosieve gassen. In de praktijk worden deze gassen geschrobd en gerecycled. Onvermijdelijk ontsnappen echter enkele kleine hoeveelheden giftige gassen naar de atmosfeer.
een bijproduct van de ijzerzuivering is slakken, die in grote hoeveelheden worden geproduceerd. Dit materiaal is grotendeels inert, maar moet nog steeds op stortplaatsen worden gestort. de ijzerindustrie verbruikt enorme hoeveelheden steenkool. De steenkool wordt niet direct gebruikt, maar wordt eerst gereduceerd tot cokes die uit bijna zuivere koolstof bestaat. De vele chemische bijprodukten van de verkooksing zijn bijna allemaal giftig, maar ook commercieel nuttig. Deze producten omvatten ammoniak, die wordt gebruikt in een groot aantal producten; fenol, dat wordt gebruikt om kunststoffen, snijoliën en antiseptica te maken; kresolen, die gaan in herbiciden, pesticiden, geneesmiddelen en fotografische chemicaliën; en tolueen, dat een ingrediënt is in veel complexe chemische producten zoals oplosmiddelen en explosieven. ook schroot en staal-in de vorm van oude auto ‘ s, apparaten en zelfs hele gebouwen met stalen balken-vormen een zorg voor het milieu. Het grootste deel van dit materiaal wordt echter gerecycleerd, aangezien staalschroot een essentiële hulpbron is bij de staalproductie. Schroot dat niet wordt gerecycled verandert uiteindelijk in ijzeroxide, of roest, en keert terug naar de grond.
de toekomst
aan de oppervlakte lijkt de toekomst van de ijzerproductie—vooral in de Verenigde Staten—onzeker. De ertsreserves van hoge kwaliteit zijn aanzienlijk uitgeput in gebieden waar het economisch kan worden gewonnen. Vele oude staalfabrieken zijn gesloten.
echter, deze schijn bedriegt. Nieuwe ertsverrijkingstechnieken hebben het gebruik van erts van lagere kwaliteit veel aantrekkelijker gemaakt en er is een groot aanbod van dat erts. Veel staalfabrieken zijn de afgelopen decennia gesloten, maar dit komt vooral doordat er minder nodig zijn. Alleen al het rendement van de hoogovens is aanzienlijk verbeterd. Aan het begin van deze eeuw produceerde de grootste hoogoven in de Verenigde Staten 644 ton ruwijzer per dag. Men gelooft dat binnenkort de mogelijke productie van een enkele oven 4.000 ton per dag zal bereiken. Omdat veel van deze modernere fabrieken in het buitenland zijn gebouwd, is het in sommige gevallen economischer geworden om staal over de oceaan te verschepen dan om het in oudere Amerikaanse fabrieken te produceren.
waar meer te leren
boeken
Lambert, Mark. Spotlight op ijzer en staal. Rourke Enterprises, 1988. Hartley, Edward N. Iron and Steel Works of the World. Internationale Publicatie, 1987.
Lewis, W. David. Ijzer en staal in Amerika. Hagley Museum, 1986.
Walker, R. D. Modern Ironmaking Methods. Gower Publication, 1986.
– Joel Simon