Železo je prvok, ktorý pozná každý človek na našej planéte. A v tomto nie je nič prekvapujúce. Z hľadiska obsahu v zemskej kôre (do 5 %) je totiž táto zložka najrozšírenejšia. Len štyridsať z týchto zásob sa však nachádza v ložiskách vhodných na rozvoj. Hlavné rudné minerály železa sú siderit, hnedá železná ruda, hematit a magnetit.
Pôvod mena
Prečo má železo tento názov? Ak vezmeme do úvahy tabuľku chemických prvkov, potom je v nej táto zložka označená ako "ferrum". Je to skrátené ako Fe.
Slovo „železo“k nám podľa mnohých etymológov prišlo z praslovanského jazyka, v ktorom znelo ako zelezo. A tento názov pochádza z lexikónu starých Grékov. Dnes tak známy kov nazvali „železo“.
Existuje ďalšia verzia. Názov „železo“sa k nám podľa nej dostal z latinčiny, kdeznamenalo "hviezdny". Vysvetlenie spočíva v tom, že prvé vzorky tohto prvku objavené ľuďmi boli meteoritového pôvodu.
Používanie železa
V histórii ľudstva bolo obdobie, keď si ľudia cenili železo viac ako zlato. Táto skutočnosť je zaznamenaná v Homérovej Odysei, ktorá hovorí, že víťazi hier usporiadaných Achilleom dostali okrem zlata aj kus železa. Tento kov bol nevyhnutný pre takmer všetkých remeselníkov, farmárov a bojovníkov. A práve jeho obrovská potreba sa stala najlepším motorom na výrobu tohto materiálu, ako aj ďalší technický pokrok pri jeho výrobe.
9-7 cc. pred Kr. považovaný za dobu železnú v dejinách ľudstva. V tomto období začali mnohé kmene a národy Ázie a Európy rozvíjať metalurgiu. Železo je však aj dnes veľmi žiadané. Koniec koncov, je to stále hlavný materiál používaný na výrobu nástrojov.
Syrový výrobok
Aká je technológia výroby blokového železa, ktoré ľudstvo začalo ťažiť na úsvite rozvoja metalurgie? Úplne prvá metóda vynájdená ľudstvom sa nazývala výroba syra. Navyše sa používal 3000 rokov, pričom sa nezmenil od konca doby bronzovej až po obdobie do 13. storočia. Vysoká pec nebola vynájdená v Európe. Táto metóda sa nazývala raw. Rohy pre neho boli postavené z kameňa alebo hliny. Niekedy kusy trosky pôsobili ako materiál na ich steny. Posledná verzia vyhne zvnútra bolapotiahnutá žiaruvzdornou hlinkou, do ktorej sa pridal piesok alebo drvená rohovina na zlepšenie kvality.
Čo robí bleskové železo? Pripravené jamy boli naplnené „surovou“lúčnou alebo močiarnou rudou. Taviaci priestor takýchto pecí sa vypĺňal dreveným uhlím, ktoré sa potom dôkladne zahrievalo. Na dne jamy bol otvor na prívod vzduchu. Najprv sa fúkalo ručnými mechmi, ktoré boli neskôr nahradené mechanickými.
V úplne prvých kováčskych dielňach sa organizoval prirodzený ťah. Uskutočňovalo sa to cez špeciálne otvory - dýzy, ktoré boli umiestnené na stenách spodnej časti pece. Starovekí metalurgovia často poskytovali prívod vzduchu pomocou dizajnu, ktorý umožňoval získať efekt potrubia. Vytvorili vysoký a zároveň úzky vnútorný priestor. Veľmi často sa takéto pece stavali na úpätí kopcov. Tieto miesta mali najväčší prirodzený tlak vetra, ktorý sa využíval na zvýšenie trakcie.
V dôsledku prebiehajúceho procesu sa ruda premenila na kov. Zároveň prázdna skala postupne stekala dole. Na dne pece sa vytvorili železné zrná. Zlepili sa navzájom a zmenili sa na takzvané „plazenie“. Ide o sypkú hubovitú hmotu impregnovanú troskou. V rúre bol kreker rozpálený do biela. Práve v tomto stave ho vytiahli a rýchlo sfalšovali. Len odpadávali kusy škvary. Potom bol výsledný materiál zvarený do monolitického kusu. Výsledkom bolo honosné železo. Konečný výrobok mal tvar plochého chleba.
Čo bolozloženie kvetového železa? Išlo o zliatinu Fe a uhlíka, ktorá bola v konečnom produkte veľmi malá (ak vezmeme do úvahy percento, tak nie viac ako stotiny).
Kvetové železo, ktoré ľudia dostávali v surovej peci, však nebolo veľmi tvrdé a odolné. Preto výrobky vyrobené z takéhoto materiálu rýchlo zlyhali. Oštepy, sekery a nože boli ohnuté a nezostali dlho ostré.
Steel
Pri výrobe železa v kováčskych dielňach sa spolu s jeho mäkkými hrudkami našli aj také, ktoré mali vyššiu tvrdosť. Išlo o kusy rudy, ktoré boli počas procesu tavenia v tesnom kontakte s dreveným uhlím. Muž si všimol tento vzor a začal zámerne zväčšovať plochu kontaktu s uhlím. To umožnilo nauhličovanie železa. Výsledný kov začal vyhovovať potrebám remeselníkov a tým, ktorí používali výrobky z neho vyrobené.
Tento materiál bola oceľ. Dodnes sa používa pri výrobe veľkého množstva konštrukcií a výrobkov. Oceľ, tavená starými metalurgmi, je bleskové železo, ktoré obsahuje až 2 % uhlíka.
Existovalo aj niečo ako mäkká oceľ. Išlo o bleskové železo, ktoré obsahovalo menej ako 0,25 % uhlíka. Ak vezmeme do úvahy históriu metalurgie, potom to bola mäkká oceľ, ktorá sa vyrábala v počiatočnej fáze výroby syra. Aký je iný názov pre bleskové železo? Existuje aj tretia odroda. Ak obsahuje viac ako 2% uhlíka, potomje to liatina.
Vynález vysokej pece
Rozkvetový spôsob získavania železa pomocou surových hút vo veľkej miere závisel od počasia. Koniec koncov, pre takúto technológiu bolo dôležité, že do vyrobenej trubice musí fúkať vietor. Práve túžba dostať sa preč z rozmarov počasia viedla človeka k tvorbe kožuchov. Toto boli zariadenia potrebné na rozdúchavanie ohňa v surovej peci.
Po objavení sa mechov sa vyhne na kovovýrobu už nestavali na svahoch. Ľudia začali používať nový typ piecok, nazývaných „vlčie jamy“. Boli to stavby, z ktorých jedna časť bola v zemi a druhá (domy) sa týčila nad ňou v podobe konštrukcie z kameňov, ktoré držala pohromade hlina. Na dne takejto pece bol otvor, do ktorého bola vložená trubica mechu na rozdúchavanie ohňa. Uhlie položené v dome bolo spálené, po ktorom bolo možné získať cracker. Vytiahli ju cez otvor, ktorý vznikol po odstránení niekoľkých kameňov zo spodnej časti konštrukcie. Potom bola stena obnovená a pec bola naplnená rudou a uhlím, aby sa začalo odznova.
Výroba svetlého železa sa neustále zlepšuje. Postupom času sa domy začali stavať väčšie. To si vyžiadalo zvýšenie produktivity mechanizmov. Výsledkom bolo, že uhlie začalo horieť rýchlejšie a železo sa nasýtilo uhlíkom.
Liatina
Ako sa volá žehlička s vysokým obsahom uhlíka? Ako to bolospomenuté vyššie, ide o liatinu, ktorá je dnes taká bežná. Jeho charakteristickým znakom je schopnosť topiť sa pri relatívne nízkych teplotách.
Tehla - liatina v pevnej forme - nedalo sa kuť. Starovekí hutníci mu preto spočiatku nevenovali žiadnu pozornosť. Jediným úderom kladiva sa tento materiál jednoducho rozbil na kúsky. V tomto ohľade bola liatina, rovnako ako troska, spočiatku považovaná za odpadový produkt. V Anglicku tento kov dokonca nazývali „surové železo“. A až časom si ľudia uvedomili, že tento produkt, aj keď je v tekutej forme, sa dá naliať do foriem, aby sa získali rôzne produkty, napríklad delové gule. Vďaka tomuto objavu v 14-15 storočí. v priemysle začali stavať vysoké pece na výrobu surového železa. Výška takýchto štruktúr dosiahla 3 metre alebo viac. S ich pomocou sa tavilo zlievarenské železo na výrobu nielen delových gúľ, ale aj samotných kanónov.
Rozvoj vysokopecnej výroby
Skutočná revolúcia v hutníckom biznise nastala v 80. rokoch 18. storočia. Práve vtedy sa jeden z Demidovových úradníkov rozhodol, že pre väčšiu efektivitu prevádzky vysokých pecí by sa k nim mal privádzať vzduch nie cez jednu, ale cez dve dýzy, ktoré by mali byť umiestnené na oboch stranách ohniska. Postupne počet takýchto trysiek rástol. To umožnilo zjednotiť proces fúkania, zväčšiť priemer nísteje a zvýšiť produktivitu pecí.
Rozvoj vysokopecnej výroby uľahčila aj náhrada dreveného uhlia,pre ktoré boli vyrúbané lesy, na koks. V roku 1829 bol v Škótsku v závode Clayde prvýkrát vháňaný horúci vzduch do vysokej pece. Takáto inovácia výrazne zvýšila produktivitu pece a znížila spotrebu paliva. V súčasnosti sa proces vo vysokej peci zlepšil nahradením časti koksu zemným plynom, čo má ešte nižšie náklady.
Bulat
Ako sa volá blesková žehlička, ktorá má jedinečné vlastnosti, ktoré sa používali pri výrobe zbraní? Tento materiál poznáme pod názvom damašková oceľ. Tento kov, podobne ako damašková oceľ, je zliatinou železa a uhlíka. Na rozdiel od ostatných druhov je to však honosná žehlička s dobrými vlastnosťami. Je odolná a tvrdá a tiež schopná produkovať výnimočnú ostrosť čepele.
Metalurgovia mnohých krajín sa už viac ako jedno storočie snažia odhaliť tajomstvo výroby damaškovej ocele. Bolo navrhnutých veľké množstvo receptov a metód, ktoré zahŕňali pridávanie slonoviny, drahých kameňov, zlata a striebra do železa. Tajomstvo damaškovej ocele však odhalil až v prvej polovici 20. storočia pozoruhodný ruský metalurg P. P. Anosov. Vzali kvitnúce železo, ktoré sa ukladalo do pece s dreveným uhlím, kde horel otvorený oheň. Kov sa roztopil, nasýtený uhlíkom. V tom čase bola pokrytá kryštalickou dolomitovou troskou, niekedy s prímesou najčistejšieho železa. Pod takouto vrstvou sa kov veľmi intenzívne uvoľňoval z kremíka, fosforu, síry a kyslíka. To však nebolo všetko. Výsledná oceľ sa musela čo najviac ochladiťpomalšie a pokojnejšie. To umožnilo vytvárať predovšetkým veľké kryštály s rozvetvenou štruktúrou (dendrity). Takéto chladenie prebiehalo priamo v ohnisku, ktoré bolo naplnené žeravým uhlím. V ďalšej fáze sa uskutočnilo zručné kovanie, počas ktorého by sa výsledná konštrukcia nemala zrútiť.
Jedinečné vlastnosti damaškovej ocele následne našli vysvetlenie v prácach ďalšieho ruského metalurga D. K. Chernova. Vysvetlil, že dendrity sú žiaruvzdorná, ale relatívne mäkká oceľ. Priestor medzi ich „vetvami“v procese tuhnutia železa je vyplnený viac nasýteným uhlíkom. To znamená, že mäkká oceľ je obklopená tvrdšou oceľou. To vysvetľuje vlastnosti damaškovej ocele, obsiahnuté v jej viskozite a zároveň vysokej pevnosti. Takýto oceľový hybrid si počas tavenia zachováva svoju stromovú štruktúru a otáča ho iba z priamej čiary na cik-cak. Zvláštnosť výsledného vzoru do značnej miery závisí od smeru úderov, sily, ako aj zručnosti kováča.
Damašková oceľ
V staroveku bol tento kov tá istá damašková oceľ. O niečo neskôr sa však damašková oceľ začala nazývať materiál získaný kováčskym zváraním z veľkého množstva drôtov alebo pásov. Tieto prvky boli vyrobené z ocele. Navyše, každý z nich sa vyznačoval iným obsahom uhlíka.
Umenie výroby takéhoto kovu dosiahlo najväčší rozvoj v stredoveku. Vedci zistili napríklad v štruktúre známej japonskej čepeleasi 4 milióny oceľových nití mikroskopickej hrúbky. Vďaka tomuto zloženiu bol proces výroby zbraní veľmi pracný.
Výroba v moderných podmienkach
Staroveký hutníci zanechali ukážku svojej zručnosti nielen v zbraniach. Najvýraznejším príkladom čistého kvetového železa je slávny stĺp nachádzajúci sa neďaleko hlavného mesta Indie. Vek tejto pamiatky hutníckeho umenia určili archeológovia. Ukázalo sa, že stĺp bol postavený pred ďalšími 1,5 tisíc rokmi. Najprekvapujúcejšia vec však spočíva v tom, že dnes nie je možné na jeho povrchu odhaliť ani malé stopy korózie. Materiál kolóny bol dôkladne preskúmaný. Ukázalo sa, že ide o čisté bleskové železo, ktoré obsahuje len 0,28 % nečistôt. Takýto objav ohromil aj moderných metalurgov.
Okázalé železo postupom času postupne strácalo na popularite. Najväčšiemu dopytu sa začal tešiť kov tavený v otvorenej alebo vysokej peci. Pri použití týchto metód sa však získa produkt nedostatočnej čistoty. Preto najstarší spôsob výroby tohto materiálu nedávno dostal svoj druhý život, ktorý umožňuje vyrábať kov s najvyššími kvalitatívnymi charakteristikami.
Ako sa dnes volá bleskovka? Je nám známy ako kov priamej redukcie. Je samozrejmé, že dnes sa kvetové železo nevyrába rovnakým spôsobom ako v staroveku. Na jeho výrobu sa používajú najmodernejšie technológie. Umožňujú vyrábať kov, ktorý prakticky nemácudzie nečistoty. Vo výrobe sa používajú rotačné rúrkové pece. Takéto konštrukčné prvky sa používajú na vypaľovanie rôznych sypkých materiálov pomocou vysokých teplôt v chemickom, cementárenskom a mnohých ďalších odvetviach.
Ako sa teraz nazýva bleskové železo? Považuje sa za čistý a používa sa pri získavaní metódy, ktorá sa v podstate príliš nelíši od tej, ktorá existovala v staroveku. Napriek tomu metalurgovia používajú železnú rudu, ktorá sa zahrieva v procese získavania konečného produktu. Dnes sa však suroviny najskôr podrobujú dodatočnému spracovaniu. Je obohatený a vytvára akýsi koncentrát.
Moderný priemysel používa dve metódy. Obe vám umožňujú získať bleskové železo z koncentrátu.
Prvá z týchto metód je založená na privedení surovín na požadovanú teplotu pomocou tuhého paliva. Takýto proces je veľmi podobný tomu, ktorý vykonávali starí metalurgovia. Namiesto tuhého paliva možno použiť plyn, ktorý je kombináciou vodíka a oxidu uhoľnatého.
Čo predchádza získaniu tohto materiálu? Ako sa dnes volá bleskovka? Po zahriatí koncentrátu železnej rudy zostávajú pelety v peci. Práve z nich sa následne vyrába čistý kov.
Druhá metóda používaná na obnovu železa je svojou technológiou veľmi podobná tej prvej. Jediný rozdiel je v tom, že hutníci používajú ako palivo na ohrev koncentrátu čistý vodík. Touto metódou sa železo získava oveľa rýchlejšie. presne takpreto sa vyznačuje vyššou kvalitou, pretože v procese interakcie vodíka s obohatenou rudou sa získajú iba dve látky. Prvým z nich je čisté železo a druhým voda. Dalo by sa predpokladať, že táto metóda je v modernej metalurgii veľmi populárna. Dnes sa však používa zriedkavo a spravidla iba na výrobu železného prášku. Vysvetľuje to skutočnosť, že je dosť ťažké získať čistý vodík, a to tak z hľadiska riešenia technických problémov, ako aj z dôvodu ekonomických ťažkostí. Skladovanie prijatého paliva je tiež náročná úloha.
Relatívne nedávno vedci vyvinuli ďalšiu, tretiu metódu výroby redukovaného železa. Zahŕňa získavanie kovu z koncentrátu rudy bez toho, aby prešiel fázou jeho premeny na pelety. Štúdie ukázali, že touto metódou sa dá čisté železo vyrobiť oveľa rýchlejšie. Táto metóda sa však zatiaľ v priemysle nepresadila, pretože si vyžaduje výrazné technologické zmeny a zmenu vybavenia hutníckych podnikov.
Ako sa dnes volá bleskovka? Tento materiál je nám známy ako kov priamej redukcie, niekedy sa mu hovorí aj hubovitý. Jedná sa o cenovo výhodný, kvalitný, ekologický materiál, ktorý neobsahuje nečistoty fosforu a síry. Vďaka svojim vlastnostiam sa železotvorné železo používa v strojárskom priemysle (letectvo, stavba lodí a prístrojové vybavenie).
Fechral
Ako môžete vidieť, dnes pri používanínajmodernejšie technológie používajú taký materiál, ako je kvitnúce železo. Fechral je tiež vyhľadávanou zliatinou. Okrem železa obsahuje zložky ako chróm a hliník. Nikel je tiež prítomný v jeho štruktúre, ale nie viac ako 0,6 %.
Fechral má dobrú elektrickú odolnosť, vysokú tvrdosť, funguje skvele s keramikou s vysokým obsahom oxidu hlinitého, nemá sklon k tvorbe jamiek a je tepelne odolný v atmosfére obsahujúcej síru a jej zlúčeniny, vodík a uhlík. Ale prítomnosť železa v zliatine spôsobuje, že je dosť krehká, čo sťažuje spracovanie materiálu pri výrobe rôznych produktov.
Fechral sa používa pri výrobe vykurovacích telies pre laboratórne a priemyselné pece, ktorých maximálna prevádzková teplota je 1400 stupňov. Časti z tejto zliatiny sa niekedy používajú na iné účely. Sú umiestnené v domácich vykurovacích zariadeniach, ako aj v elektrických zariadeniach tepelného pôsobenia. Fechral bol široko používaný pri výrobe elektronických cigariet. Zliatina železa, hliníka a chrómu je tiež žiadaná v oblasti výroby odporových prvkov. Môžu to byť napríklad štartovacie-brzdové odpory elektrických lokomotív.
Fechral sa používa na výrobu drôtu, ako aj nití a stuh. Niekedy sa z neho získavajú kruhy a tyče. Všetky tieto produkty sa používajú pri výrobe rôznych foriem ohrievačov pre elektrické rúry.
