Железо. История развития способов производства

Способы добычи железа в древности

Для изготовления железа древние впервые использовали сыродутный процесс. Древесный уголь и руду закладывали слой за слоем в выкопанную яму, позже каменный горн, который и являлся сыродутной печью. В процессе горения между этими слоями продували холодный, или "сырой" воздух. Углерод под воздействием высокой температуры соединялся с кислородом, содержащимся в руде. В результате образовывался кусок железа с примесями шлаков, именуемый "крицей". Чтобы уменьшить содержание шлаков, ее опять нагревали и выковывали. Полученный железный брусок называли "криничной болванкой". Таким образом главной технологией производства в те времена была ковка.

Само по себе железо не обладает упругостью и достаточно хрупкое. Добиться его прочности можно путем плавки. Но наши предки не могли его расплавить, так как для этого необходима температура 1540 C, а возможности того времени позволяли получить максимальную температуру 1300 C. По этому для прочности использовали сварное железо, состоявшее из нескольких пластин железа, между которыми находилась прослойка в виде стальной пластины.

Увидеть железо в жидком виде нам предстоит еще очень не скоро, только в ХІХ веке. Но еще в І тысячелетии до н.э, металлурги Индии умели производить булат - высокоуглеродистую сталь, которая имела композитную структуру. Технологию они хранили в тайне.

Во ІІ веке н.э. в Китае научились получать дамаск путем многократной перековки железа, благодаря чему добивались его значительной прочности.

Развитие способов производства стали.

С развитием технологий развивались и способы производства:

1. Штукофены - это высокие печи, к которым крепилась четырехметровая труба, а мехи прокачивались вручную или с помощью парового двигателя, что усиливало тягу. Штукофены были изобретены в Индии. В Европе их начали использовать с ХІІІ века н.э. Производительность железа увеличилась до 250 кг в день.
2. Блауофен стали использовать в Европе с ХIV столетия. Он представлял собой модернизированный штукофен. Металлургами давно была подмечена связь между температурой воздуха и количеством полученного продукта - чем она выше, тем больше металла получали на выходе. Блауофен отличался от своего предшественника тем, что к нему добавили предварительный подогрев воздуха. Железа стали получать больше, но и выход чугуна увеличился до 30%, по сравнению с предыдущими 10%. Это был существенный недостаток, так как чугун умели применять только для изготовления простых изделий: пушечных ядер, кувалд и т.д.
3. Доменная печь стала прорывом в производстве стали. Она не остывала, могла работать круглосуточно и обеспечивала беспрерывный процесс производства. В доменных печах впервые начали производить чугун. Несмотря на то, что первые доменные печи начали использовать в Китае с ІІІ - ІІ столетий до н.э., массово использовать их начали лишь с конца XV - начала XVI столетий в Европе, а в странах Ближнего Востока И Индии еще позже с ХІХ века.
4. Новым витком в металлургии стал передельный процесс. Эта технология стала популярной в ХVI веке. Суть ее заключалась в том, что сначала руду переплавляли в чугун, а потом чугун превращали в сталь. Такой металл был не таким хрупким, по этому из него можно было изготавливать предметы разных форм, например сабли. С ХІХ века металлурги открыли новый способ очистки чугуна от примесей и шлаков с помощью выгорания углерода. Новая технология называлась пудлингование. Теперь можно было получать более чистое железо.
5. Применение угля и коксование дали новые возможности производства стали. Ранее каменный уголь не использовали, так как в нем содержится много серы, которая занижает качество конечного продукта. Впервые древесный уголь заменили каменным в Англии в XVII веке. В 1735 специалисты смогли очищать каменный уголь от серы методом коксования. Это привело к экономии топлива, так как каменный уголь горит значительно медленнее древесного и дало толчок для увеличения производства стали.
6. Следующим этапом эволюции металлургии стало изобретение конвертера. Генри Бессемер создал приспособление, которое позволяло продувать воздух в доменных печах через расплавленный чугун. Это дало возможность из того же количества руды получить значительно больше стали. В ХХ веке конвертерное производство сменили мартеновские печи, которые работали по аналогичному принципу. Но с изобретением турбодетандера, который существенно удешевил производство кислорода, их вытеснила новая технология - кислородно-конвертерное производство стали. Этот способ дает возможность улучшить качество стали из-за отсутствия в ней азота.

Экология и тенденции развития современной металлургии.

Производство металла значительно упростило нам жизнь. Сегодня мы имеем возможность жить в высотных домах, летать, изучать космос, проезжать сотни километров на автомобиле, автоматизировать сельскохозяйственную промышленность и т.д. Стремительно развиваются новые технологии и медицине и других отраслях нашей жизни. В недалеком будущем всю работу за человека будут выполнять роботы, а наша одежда будет следить за состоянием здоровья - уровнем артериального давления, пульсом, температурой тела и т.д. Не использовав в далеком прошлом наши предки метеоритное железо, современная наука не знала бы прорыва.

Но у индустриализации есть и недостатки - это загрязнение окружающей среды. Черная металлургия будучи очень энергозатратной, а также за счет использования угля и выбросов СО2, тоже влияет на климат и экологию. По этому работа ученых и инженеров всего мира направлена на сокращение выбросов парниковых газов и потребляемой энергии.
В данный момент целью металлургов является:

• модернизация доменного производства в Индии, Китае, Украине;
• вывод из эксплуатации мартеновских печей в Украине и России.

К 2050 году при росте мирового производства на 50%, выбросы паровых газов планируется сократить на 28%. Сейчас ведутся разработки разных проектов, таких как УХУ, суть которого заключается в улавливании и хранении углерода.
Мы понимаем, какую важную роль экология играет для будущего человечества и значительные ресурсы направляем на очищение окружающей среды.