järn

Bakgrund

järn är ett av de vanligaste elementen på jorden. Nästan varje konstruktion av människan innehåller åtminstone lite järn. Det är också en av de äldsta metallerna och utformades först till användbara och prydnadsföremål för minst 3500 år sedan.

rent järn är en mjuk gråvit metall. Även om järn är ett vanligt element, finns rent järn nästan aldrig i naturen. Det enda rena järnet som är känt för att existera naturligt kommer från fallna meteoriter. De flesta järn finns i mineraler som bildas av kombinationen av järn med andra element. Järnoxider är de vanligaste. De mineraler nära jordens yta som har det högsta järninnehållet kallas järnmalm och bryts kommersiellt.

järnmalm omvandlas till olika typer av järn genom flera processer. Den vanligaste processen är användningen av en masugn för att producera tackjärn som är ca 92-94% järn och 3-5% kol med mindre mängder av andra element. Tackjärn har endast begränsade användningsområden, och det mesta av detta järn går vidare till ett stålverk där det omvandlas till olika stållegeringar genom att ytterligare minska kolhalten och lägga till andra element som mangan och nickel för att ge stålet specifika egenskaper.

historia

historiker tror att egyptierna var de första människorna som arbetade med små mängder järn, ungefär fem eller sex tusen år sedan. Metallen de använde extraherades tydligen från meteoriter. Bevis på vad som tros vara det första exemplet på järnbrytning och smältning pekar på den antika hetitiska kulturen i det som nu är Turkiet. Eftersom järn var en vida överlägsen material för tillverkning av vapen och verktyg än någon annan känd metall, dess produktion var en väl bevarad hemlighet. Den grundläggande tekniken var emellertid enkel, och användningen av järn spred sig gradvis. Så användbart som det jämfördes med andra material hade järn nackdelar. Kvaliteten på de verktyg som gjordes av den var mycket varierande, beroende på regionen från vilken järnmalmen togs och metoden som användes för att extrahera järnet. Den kemiska naturen hos de förändringar som ägde rum under extraktionen förstod inte; i synnerhet kolens betydelse för metallens hårdhet. Praxis varierade mycket i olika delar av världen. Det finns bevis, till exempel, att kineserna kunde smälta och gjutjärn redskap mycket tidigt, och att japanerna producerade fantastiska resultat med stål i små mängder, vilket framgår av släktklenod svärd dejting tillbaka århundraden. Liknande genombrott gjordes i Mellanöstern och Indien, men processerna kom aldrig fram i resten av världen. I århundraden saknade europeerna metoder för uppvärmning av järn till smältpunkten alls. För att producera järn brände de långsamt järnmalm med trä i en lerfodrad ugn. Järnet separerade från det omgivande berget men smälte aldrig riktigt. Istället, det bildade en knaprig slagg som avlägsnades genom att hamra. Denna upprepade uppvärmnings-och hammeringsprocess blandade syre med järnoxiden för att producera järn och avlägsnade kolet från metallen. Resultatet blev nästan rent järn, lätt formad med hammare och tång men för mjuk för att ta och hålla en bra kant. Eftersom metallen formades, eller smides, genom att hamra, kom den att kallas smidesjärn.

verktyg och vapen som fördes tillbaka till Europa från öst var gjorda av ett järn som hade smält och gjutits i form. Behålla mer kol, gjutjärn är hårdare än smidesjärn och kommer att hålla en skäregg. Det är dock också mer sprött än smidesjärn. De europeiska järnarbetarna visste att de östliga hade bättre järn, men inte de processer som var inblandade i att utforma starkare järnprodukter. Hela nationer inledde ansträngningar för att upptäcka processen.

det första kända europeiska genombrottet i produktionen av gjutjärn, som snabbt ledde till det första praktiska stålet, kom inte förrän 1740. Det året tog Benjamin Huntsman ett patent för smältning av material för produktion av stålfjädrar som skulle användas vid klocktillverkning. Under de kommande 20 åren eller så, förfarandet blev mer allmänt antagen. Huntsman använde en masugn för att smälta smidesjärn i en lerdegel. Han tillsatte sedan noggrant uppmätta mängder rent kol till den smälta metallen. Den resulterande legeringen var både stark och flexibel när den gjutits i fjädrar. Eftersom Huntsman ursprungligen bara var intresserad av att göra bättre klockor ledde hans degelstål direkt till utvecklingen av nautiska kronometrar, vilket i sin tur möjliggjorde global navigering genom att låta sjömän exakt bestämma sin öst/västposition. Det faktum att han också hade uppfunnit modern metallurgi var en bieffekt som han tydligen inte märkte.

råvaror

råvarorna som används för att producera tackjärn i en masugn är järnmalm, koks, sinter och kalksten. Järnmalm är huvudsakligen järnoxider och inkluderar magnetit, hematit, limonit och många andra stenar. Järnhalten i dessa malmer varierar från 70% ner till 20% eller mindre. Koks är ett ämne som framställs genom uppvärmning av kol tills det blir nästan rent kol. Sinter är gjord av mindre kvalitet, finfördelad järnmalm som rostas med koks och kalk för att avlägsna en stor mängd föroreningar i malmen. Kalksten förekommer naturligt och är en källa till kalciumkarbonat.

andra metaller blandas ibland med järn vid framställning av olika former av stål, såsom krom, nickel, mangan, molybden och volfram.

Malmutvinnings – och raffineringsprocessen

innan järnmalm kan användas i en masugn måste den extraheras från marken och delvis raffineras för att avlägsna de flesta föroreningarna.

lutad på sin långa tång poserade denna unga järnpuddlers hjälpare för detta fotografi i början av 1860-talet, när Vulcans söner var en ung union.

(från samlingarna av Henry Ford Museum & Greenfield Village.)

historiskt framställdes järn genom hot-blast-metoden, eller senare, antracitugnen. Hur som helst involverade den grundläggande aktiviteten i järntillverkning en arbetare som rörde små satser av tackjärn och aska tills järnet separerades från slaggen. Kallas ”puddling”, detta var högkvalificerat arbete, men var också varmt, ansträngande och farligt. Det krävde mycket erfarenhet såväl som en rejäl konstitution. Puddlare var stolta, oberoende och högt betalda. Puddlers grundade den första fackföreningen inom järn-och stålindustrin, Sons of Vulcan, i Pittsburgh 1858. År 1876 slogs denna union samman med tre andra arbetsorganisationer för att bilda Amalgamated Association of Iron and Steel Workers. Detta var den union som Andrew Carnegie besegrade i Homestead Strike 1892 och lämnade unionen i spillror och industrin väsentligen oorganiserad fram till 1930-talet.

William S. Pretzer

extraktion

• 1 Mycket av världens järnmalm utvinns genom dagbrott där
  

  rent järn är en mjuk, gråvit metall. Även om järn är ett vanligt element, finns rent järn nästan aldrig i naturen. Mineraler nära jordens yta som har det högsta järninnehållet kallas järnmalm och bryts kommersiellt.

  markytan avlägsnas av tunga maskiner, ofta över ett mycket stort område,för att exponera malmen under. I de fall det inte är ekonomiskt att ta bort ytan grävs axlar i jorden, med sidotunnlar för att följa malmskiktet.

raffinering

• 2 den malda malmen krossas och sorteras. De bästa malmkvaliteterna innehåller över 60% järn. Mindre kvaliteter behandlas eller raffineras för att avlägsna olika föroreningar innan malmen skickas till masugnen. Sammantaget kallas dessa raffineringsmetoder beneficiation och inkluderar ytterligare krossning, tvättning med vatten för att flyta bort sand och lera, magnetisk separation, pelletering och sintring. Eftersom mer av världens kända utbud av malm med högt järninnehåll är utarmat har dessa raffineringstekniker blivit allt viktigare.
• 3 den raffinerade malmen lastas sedan på tåg eller fartyg och transporteras till masugnsplatsen.

tillverkningsprocessen

laddning av masugnen

• 1 efter bearbetning blandas malmen med annan malm och går till masugnen. En masugn är en tornformad struktur, tillverkad av stål och fodrad med eldfasta eller värmebeständiga Tegelstenar. Blandningen av råmaterial, eller laddning, kommer in på toppen av masugnen. I botten av ugnen blåses eller sprängs mycket varm luft in genom munstycken som kallas tuye ’ Res. koksen brinner i närvaro av den heta luften. Syret i luften reagerar med kolet i koksen för att bilda kolmonoxid. Kolmonoxiden
  

  reagerar sedan med järnmalmen för att bilda koldioxid och rent järn.

separera järnet från slaggen

• 2 det smälta järnet sjunker till botten av ugnen. Kalkstenen kombineras med berget och andra föroreningar i malmen för att bilda en slagg som är lättare än järnet och flyter på toppen. När laddningsvolymen reduceras tillsätts mer kontinuerligt på toppen av ugnen. Järnet och slaggen dras av separat från ugns botten. Det smälta järnet kan gå till en ytterligare legeringsprocess, eller kan kastas i göt som kallas grisar. Slaggen transporteras bort för bortskaffande.

behandling av gaserna

• 3 de heta gaserna som produceras i de kemiska reaktionerna dras av överst och dirigeras till en gasreningsanläggning där de rengörs eller skrubbas och skickas tillbaka till ugnen; i synnerhet den återstående kolmonoxiden är användbar för de kemiska reaktioner som pågår i ugnen.

  en masugn går normalt dag och natt i flera år. Så småningom tegel foder börjar falla sönder, och ugnen stängs sedan för underhåll.

kvalitetskontroll

masugnsoperationen är mycket instrumenterad och övervakas kontinuerligt. Tider och temperaturer kontrolleras och registreras. Det kemiska innehållet i järnmalmen som tas emot från de olika gruvorna kontrolleras och malmen blandas med annan järnmalm för att uppnå önskad laddning. Prover tas från varje häll och kontrolleras för kemiskt innehåll och mekaniska egenskaper såsom styrka och hårdhet.

biprodukter / avfall

det finns många möjliga miljöeffekter från järnindustrin. Den första och mest uppenbara är processen med öppen gropbrytning. Stora landområden är avskalade till nakna stenar. Idag används utarmade gruvplatser ofta som deponier, sedan täckta och anlagda. Några av dessa deponier blir själva miljöproblem, eftersom vissa nyligen användes för bortskaffande av mycket giftiga ämnen som lakades ut i mark och vatten.

processen att utvinna järn från malm producerar stora mängder giftiga och frätande gaser. I praktiken skrubbas och återvinns dessa gaser. Oundvikligen kommer emellertid vissa små mängder giftiga gaser ut i atmosfären.

en biprodukt av järnrening är slagg, som produceras i stora mängder. Detta material är till stor del inert, men måste fortfarande kasseras på deponier.

Järntillverkning förbrukar enorma mängder kol. Kolet används inte direkt, men reduceras först till koks som består av nästan rent kol. De många kemiska biprodukterna av koksning är nästan alla giftiga, men de är också kommersiellt användbara. Dessa produkter inkluderar ammoniak, som används i ett stort antal produkter; fenol, som används för att göra plast, skäroljor och antiseptika; kresoler, som går in i herbicider, bekämpningsmedel, läkemedel och fotografiska kemikalier; och toluen, som är en ingrediens i många komplexa kemiska produkter som lösningsmedel och sprängämnen.

järnskrot och stål—i form av gamla bilar, apparater och till och med hela stålbalkar-är också ett miljöproblem. Det mesta av detta material återvinns dock, eftersom stålskrot är en viktig resurs i ståltillverkning. Skrot som inte återvinns förvandlas så småningom till järnoxid eller rost och återgår till marken.

framtiden

på ytan verkar framtiden för järnproduktion—särskilt i USA—orolig. Reserver av högkvalitativ malm har blivit avsevärt utarmade i områden där det kan extraheras ekonomiskt. Många långvariga stålverk har stängts.

men dessa framträdanden bedrar. Nya malmberikningstekniker har gjort användningen av malm av lägre kvalitet mycket mer attraktiv, och det finns ett stort utbud av den malmen. Många stålverk har stängts under de senaste decennierna, men det beror till stor del på att färre behövs. Effektiviteten hos masugnar ensam har förbättrats anmärkningsvärt. I början av detta århundrade producerade den största masugnen i USA 644 ton grisjärn om dagen. Man tror att snart kommer den möjliga produktionen av en enda ugn att nå 4000 ton per dag. Eftersom många av dessa mer moderna växter har byggts utomlands har det faktiskt blivit mer ekonomiskt i vissa fall att skicka stål över havet än att producera det i äldre amerikanska växter.