żelazo

Tło

żelazo jest jednym z najczęstszych elementów na ziemi. Prawie każda konstrukcja człowieka zawiera co najmniej trochę żelaza. Jest to również jeden z najstarszych metali i został po raz pierwszy przekształcony w użyteczne i ozdobne przedmioty co najmniej 3500 lat temu.

czyste żelazo jest miękkim, szaro-białym metalem. Chociaż żelazo jest powszechnym pierwiastkiem, czyste żelazo prawie nigdy nie występuje w przyrodzie. Jedyne czyste żelazo, o którym wiadomo, że istnieje naturalnie, pochodzi z upadłych meteorytów. Większość żelaza znajduje się w minerałach powstałych w wyniku połączenia żelaza z innymi pierwiastkami. Tlenki żelaza są najbardziej powszechne. Te minerały znajdujące się w pobliżu powierzchni ziemi, które mają najwyższą zawartość żelaza, są znane jako rudy żelaza i są wydobywane komercyjnie.

ruda żelaza jest przekształcana w różne rodzaje żelaza za pomocą kilku procesów. Najczęstszym procesem jest wykorzystanie wielkiego pieca do produkcji surówki, która zawiera około 92-94% żelaza i 3-5% węgla z mniejszą ilością innych pierwiastków. Surówka ma tylko ograniczone zastosowania, a większość tego żelaza trafia do huty stali, gdzie jest przekształcana w różne stopy stali poprzez dalsze zmniejszanie zawartości węgla i dodawanie innych pierwiastków, takich jak mangan i nikiel, aby nadać stali specyficzne właściwości.

Historia

historycy uważają, że Egipcjanie byli pierwszymi ludźmi, którzy pracowali z małymi ilościami żelaza, około pięć lub sześć tysięcy lat temu. Metal, którego użyli, został wydobyty z meteorytów. Dowody na to, co uważa się za pierwszy przykład wydobycia i wytopu żelaza, wskazują na starożytną kulturę Hetytów na terenie dzisiejszej Turcji. Ponieważ żelazo było znacznie lepszym materiałem do produkcji broni i narzędzi niż jakikolwiek inny znany metal, jego produkcja była ściśle strzeżoną tajemnicą. Jednak podstawowa technika była prosta, a stosowanie żelaza stopniowo się rozprzestrzeniało. Tak użyteczny, jak był w porównaniu do innych materiałów, żelazo miało wady. Jakość wykonanych z niego narzędzi była bardzo zmienna, w zależności od regionu, z którego wydobywano rudę żelaza i sposobu wydobycia Żelaza. Nie rozumiano chemicznego charakteru zmian zachodzących podczas ekstrakcji, w szczególności znaczenia węgla dla twardości metalu. Praktyki bardzo się różniły w różnych częściach świata. Istnieją dowody, na przykład, że Chińczycy byli w stanie stopić i żeliwne narzędzia bardzo wcześnie, a Japończycy produkowali niesamowite wyniki ze stali w małych ilościach, o czym świadczą miecze pamiątkowe sprzed wieków. Podobne przełomy miały miejsce na Bliskim Wschodzie i w Indiach, ale procesy te nigdy nie pojawiły się w reszcie świata. Przez wieki Europejczykom brakowało metod ogrzewania żelaza do temperatury topnienia. Aby produkować żelazo, powoli spalali rudę żelaza z drewnem w glinianym piecu. Żelazo oddzieliło się od otaczającej skały, ale nigdy do końca się nie stopiło. Zamiast tego utworzyła chrupiący żużel, który został usunięty przez młotkowanie. Ten powtarzający się proces ogrzewania i młotkowania mieszał tlen z tlenkiem żelaza w celu wytworzenia żelaza i usuwał węgiel z metalu. Rezultatem było prawie czyste żelazo, łatwo kształtowane za pomocą młotków i szczypiec, ale zbyt miękkie, aby wziąć i utrzymać dobrą krawędź. Ponieważ metal został ukształtowany, lub kute, przez młotkowanie, stało się nazywane kutego żelaza.

narzędzia i broń przywiezione do Europy ze wschodu były wykonane z żelaza, które zostało przetopione i odlane do kształtu. Zachowując więcej węgla, żeliwo jest twardsze niż kute i będzie posiadać krawędź tnącą. Jednak jest również bardziej kruche niż kutego żelaza. Europejscy robotnicy żelaza wiedzieli, że Wschodni mają lepsze żelazo, ale nie procesy związane z wytwarzaniem silniejszych produktów żelaznych. Całe narody podjęły wysiłki, aby odkryć ten proces.

pierwszy znany Europejski przełom w produkcji żeliwa, który szybko doprowadził do pierwszej praktycznej stali, nastąpił dopiero w 1740 roku. W tym samym roku Benjamin Huntsman wyjął patent na topienie materiału do produkcji stalowych sprężyn, które miały być stosowane w zegarmistrzostwie. W ciągu najbliższych 20 lat procedura ta została szerzej przyjęta. Huntsman używał wielkiego pieca do topienia kutego żelaza w glinianym tyglu. Następnie dodał dokładnie odmierzone ilości czystego węgla drzewnego do stopionego metalu. Otrzymany stop był zarówno mocny, jak i elastyczny, gdy był odlewany w sprężyny. Ponieważ początkowo Huntsman interesował się tylko tworzeniem lepszych zegarów, jego tygiel stalowy doprowadził bezpośrednio do rozwoju chronometrów morskich, które z kolei umożliwiły nawigację globalną, umożliwiając marynarzom precyzyjne określenie pozycji wschód/zachód. Fakt, że wynalazł również nowoczesną metalurgię, był efektem ubocznym, którego najwyraźniej nie zauważył.

surowce

surowce używane do produkcji surówki w wielkim piecu to ruda żelaza, koks, spiek i wapień. Rudy żelaza to głównie tlenki żelaza i obejmują magnetyt, hematyt, limonit i wiele innych skał. Zawartość żelaza w tych Rudach waha się od 70% do 20% lub mniej. Koks jest substancją wytwarzaną przez ogrzewanie węgla, aż stanie się prawie czystym węglem. Spiek wykonany jest z mniej gatunkowej, drobno podzielonej rudy żelaza, która jest wypalana koksem i wapnem w celu usunięcia dużej ilości zanieczyszczeń w Rudzie. Wapień występuje naturalnie i jest źródłem węglanu wapnia.

inne metale są czasami mieszane z żelazem w produkcji różnych form stali, takich jak chrom, nikiel, mangan, molibden i wolfram.

proces wydobycia i rafinacji Rudy

zanim ruda żelaza może być wykorzystana w wielkim piecu, musi być wydobyta z ziemi i częściowo oczyszczona w celu usunięcia większości zanieczyszczeń.

opierając się na swoich długich szczypcach, ten młody pomocnik kałużnika pozował do tego zdjęcia na początku lat 60., kiedy synowie Wolkana byli młodym Związkiem.

(ze zbiorów Muzeum Henry ’ ego Forda & )

historycznie żelazo było wytwarzane metodą gorącego podmuchu, a później piecem antracytowym. Tak czy inaczej, podstawowa działalność w produkcji żelaza polegała na mieszaniu przez robotnika małych partii surówki i żużla, aż żelazo oddzieliło się od żużla. Nazywana „kałużą”, była to wysoko wykwalifikowana praca, ale była również gorąca, męcząca i niebezpieczna. Wymagało to dużego doświadczenia, a także solidnej konstytucji. Puddlers byli dumni, niezależni i wysoko opłacani.

w 1858 roku w Pittsburghu założył pierwszy związek zawodowy w przemyśle hutniczym, The Sons of Vulcan. W 1876 roku związek ten połączył się z trzema innymi organizacjami robotniczymi, tworząc połączone Stowarzyszenie robotników żelaza i stali. Był to związek, który Andrew Carnegie pokonał w strajku Homestead w 1892 roku, pozostawiając związek w chaosie, a przemysł zasadniczo niezorganizowany do lat 30. XX wieku.

William S. Pretzer

wydobycie

• 1 znaczna część światowej rudy żelaza jest wydobywana przez górnictwo odkrywkowe, w którym
  

  czyste żelazo jest miękkim, szaro-białym metalem. Chociaż żelazo jest powszechnym pierwiastkiem, czyste żelazo prawie nigdy nie występuje w przyrodzie. Minerały znajdujące się w pobliżu powierzchni ziemi, które mają najwyższą zawartość żelaza, są znane jako rudy żelaza i są wydobywane komercyjnie.

  powierzchnia ziemi jest usuwana przez ciężkie maszyny, często na bardzo dużym obszarze, aby odsłonić rudę pod spodem. W przypadkach, gdy usunięcie powierzchni nie jest opłacalne, szyby są wkopywane w ziemię, a boczne tunele podążają za warstwą rudy.

Rafinacja

• 2 wydobyta ruda jest kruszona i sortowana. Najlepsze gatunki rudy zawierają ponad 60% żelaza. Niższe gatunki są poddawane obróbce lub rafinowane w celu usunięcia różnych zanieczyszczeń przed wysłaniem rudy do wielkiego pieca. Łącznie te metody rafinacji nazywane są wzbogacaniem i obejmują dalsze kruszenie, mycie wodą w celu unoszenia piasku i gliny, separację magnetyczną, granulowanie i spiekanie. W miarę jak coraz więcej znanych na świecie zasobów rudy o wysokiej zawartości żelaza jest wyczerpywanych, te techniki rafinacji stają się coraz ważniejsze.
• 3 rafinowana ruda jest następnie ładowana do pociągów lub statków i transportowana do zakładu wielkopiecowego.

proces produkcyjny

ładowanie do wielkiego pieca

• 1 po przetworzeniu ruda jest mieszana z inną rudą i trafia do wielkiego pieca. Wielki piec to konstrukcja w kształcie wieży, wykonana ze stali i wyłożona cegłami ogniotrwałymi lub żaroodpornymi. Mieszanina surowca lub wsadu wchodzi w górnej części wielkiego pieca. W dolnej części pieca, bardzo gorące powietrze jest wdmuchiwane, lub piaskowane, przez dysze zwane tuye ’ res. koks pali się w obecności gorącego powietrza. Tlen w powietrzu reaguje z węglem w koksie, tworząc tlenek węgla. Tlenek węgla
  

  następnie reaguje z rudą żelaza, tworząc dwutlenek węgla i czyste żelazo.

oddzielając żelazo od żużla

• 2 stopione żelazo tonie na dnie pieca. Wapień łączy się ze skałą i innymi zanieczyszczeniami w Rudzie, tworząc żużel, który jest lżejszy od żelaza i unosi się na wierzchu. W miarę zmniejszania objętości wsadu, w górnej części pieca stale dodaje się więcej. Żelazo i żużel są odciągane oddzielnie od dna pieca. Stopione żelazo może przejść do dalszego procesu stopowania, lub może być wrzucony do wlewków zwanych świń. Żużel jest odprowadzany do utylizacji.

Oczyszczanie gazów

• 3 gorące gazy wytwarzane w reakcjach chemicznych są odciągane na górze i kierowane do oczyszczalni gazu, gdzie są czyszczone lub szorowane i wysyłane z powrotem do pieca; w szczególności pozostały tlenek węgla jest przydatny w reakcjach chemicznych zachodzących w piecu.

  wielki piec pracuje zwykle w dzień i w nocy przez kilka lat. Ostatecznie ceglana Okładzina zaczyna się kruszyć, a piec jest następnie wyłączany w celu konserwacji.

Kontrola jakości

praca wielkiego pieca jest wysoce oprzyrządowana i jest stale monitorowana. Czasy i temperatury są sprawdzane i rejestrowane. Zawartość chemiczna rud żelaza otrzymanych z różnych kopalń jest sprawdzana, a ruda jest mieszana z inną rudą żelaza w celu uzyskania pożądanego ładunku. Próbki są pobierane z każdego wlewu i sprawdzane pod kątem zawartości chemicznej i właściwości mechanicznych, takich jak wytrzymałość i twardość.

produkty uboczne/odpady

istnieje wiele możliwych skutków dla środowiska ze strony przemysłu żelaznego. Pierwszym i najbardziej oczywistym jest proces wydobycia odkrywkowego. Ogromne połacie ziemi obnażone są w nagie skały. Obecnie wyczerpane tereny górnicze są powszechnie używane jako składowiska odpadów, a następnie zasypane i zagospodarowane. Niektóre z tych składowisk same w sobie stają się problemami środowiskowymi, ponieważ w niedawnej przeszłości niektóre z nich były wykorzystywane do usuwania wysoce toksycznych substancji, które przedostały się do gleby i wody.

proces wydobywania żelaza z rudy wytwarza duże ilości trujących i żrących gazów. W praktyce gazy te są oczyszczane i poddawane recyklingowi. Nieuchronnie jednak do atmosfery wydostają się niewielkie ilości toksycznych gazów.

produktem ubocznym oczyszczania żelaza jest żużel, który jest wytwarzany w ogromnych ilościach. Materiał ten jest w dużej mierze obojętny, ale nadal musi być usuwany na wysypiskach.

hutnictwo żelaza zużywa ogromne ilości węgla. Węgiel nie jest używany bezpośrednio, ale najpierw redukowany do koksu, który składa się z prawie czystego węgla. Wiele chemicznych produktów ubocznych koksowania jest prawie wszystkich toksycznych, ale są one również użyteczne komercyjnie. Produkty te obejmują amoniak, który jest stosowany w ogromnej liczbie produktów; fenol, który jest używany do tworzyw sztucznych, oleje do cięcia i środki antyseptyczne; krezole, które przechodzą do herbicydów, pestycydów, farmaceutyków i chemikaliów fotograficznych; i toluen, który jest składnikiem wielu złożonych produktów chemicznych, takich jak rozpuszczalniki i Materiały wybuchowe.

złom żelaza i stali—w postaci starych samochodów, urządzeń, a nawet całych stalowych budynków-to również troska o środowisko. Większość tego materiału jest jednak poddawana recyklingowi, ponieważ złom stalowy jest podstawowym surowcem w produkcji stali. Złom, który nie jest poddawany recyklingowi, w końcu zamienia się w tlenek żelaza lub rdzę i powraca do ziemi.

przyszłość

na pozór przyszłość produkcji żelaza—zwłaszcza w Stanach Zjednoczonych—wydaje się niespokojna. Zasoby wysokiej jakości rudy zostały znacznie wyczerpane na obszarach, na których można ją ekonomicznie wydobywać. Wiele długoletnich Hut zostało zamkniętych.

jednak te pozory mylą. Nowe techniki wzbogacania rud sprawiły, że wykorzystanie rudy niższego gatunku stało się o wiele bardziej atrakcyjne i istnieje ogromna podaż tej rudy. W ostatnich dziesięcioleciach wiele hut stali zostało zamkniętych, ale w dużej mierze dlatego, że potrzeba mniej. Wydajność samych wielkich pieców znacznie się poprawiła. Na początku tego stulecia największy wielki piec w Stanach Zjednoczonych produkował 644 Tony surówki dziennie. Uważa się, że wkrótce możliwa produkcja jednego pieca osiągnie 4000 ton dziennie. Ponieważ wiele z tych bardziej nowoczesnych zakładów zostało zbudowanych za granicą, w niektórych przypadkach bardziej opłacalne stało się wysyłanie stali przez ocean niż jej produkcja w starszych amerykańskich zakładach.