Залізо. Історія розвитку способів виробництва

Способи видобутку заліза в давнину

Для виготовлення заліза наші предки вперше використовували сиродутний процес. Деревне вугілля і руду закладали шар за шаром в викопану яму, пізніше кам'яний горн, який і був сиродутною піччю. У процесі горіння між цими шарами продували холодне, або "сире" повітря. Вуглець під впливом високої температури з'єднувався з киснем, що містеться в руді. В результаті утворювався шматок заліза з домішками шлаків, іменований "крицею". Щоб зменшити вміст шлаків, її знову нагрівали і виковували. Отриманий залізний брусок називали "криничної болванкою". Таким чином головною технологією виробництва в ті часи була кування.

Саме по собі залізо не володіє пружністю і досить крихке. Домогтися його міцності можна шляхом плавки. Але наші предки не могли його розплавити, так як для цього необхідна температура 1540 C, а можливості того часу дозволяли отримати максимальну температуру 1300 C. З цього для міцності використовували зварне залізо, яке складалося з декількох пластин заліза, між якими знаходилася прошарок у вигляді сталевої пластини .

Побачити залізо в рідкому вигляді нам належить ще дуже не скоро, тільки в ХІХ столітті. Але ще в І тисячолітті до н.е., металурги Індії вміли виробляти булат - високовуглецеву сталь, яка мала композитну структуру. Технологію вони зберігали в таємниці.

У ІІ столітті н.е. в Китаї навчилися отримувати сталь шляхом багаторазового перековування заліза, завдяки чому домагалися його значній міцності.

Розвиток способів виробництва сталі.

З розвитком технологій розвивалися і способи виробництва:

1. Штукофени - це високі печі, до яких кріпилася чотирьохметрова труба, а міхи прокачувалися вручну або за допомогою парового двигуна, що посилювало тягу. Штукофени були винайдені в Індії. В Європі їх почали використовувати з ХІІІ століття н.е. Продуктивність заліза збільшилася до 250 кг в день.
2. Блауофен стали використовувати в Європі з ХIV століття. Він представляв собою модернізований штукофен. Металургами давно був помічений зв'язок між температурою повітря і кількістю отриманого продукту - чим вона вища, тим більше металу отримували на виході. Блауофен відрізнявся від свого попередника тим, що до нього додали попередній підігрів повітря. Заліза стали отримувати більше, але і вихід чавуну збільшився до 30%, в порівнянні з попередніми 10%. Це був суттєвий недолік, так як чавун вміли застосовувати тільки для виготовлення простих виробів: гарматних ядер, кувалд і т.д.
3. Доменна піч стала проривом у виробництві сталі. Вона не остигала, могла працювати цілодобово і забезпечувала безперервний процес виробництва. У доменних печах вперше почали виробляти чавун. Незважаючи на те, що перші доменні печі почали використовувати в Китаї з ІІІ - ІІ століть до н.е., масово використовувати їх почали лише з кінця XV - початку XVI століть в Європі, а в країнах Близького Сходу І Індії ще пізніше з ХІХ століття .
4. Новим витком в металургії став переробний процес. Ця технологія стала популярною в ХVI столітті. Суть її полягала в тому, що спочатку руду переплавляли в чавун, а потім чавун перетворювали в сталь. Такий метал був не таким крихким, з цього з нього можна було виготовляти предмети різних форм, наприклад шаблі. З ХІХ століття металурги відкрили новий спосіб очищення чавуну від домішок і шлаків за допомогою вигоряння вуглецю. Нова технологія називалася пудлінговання. Тепер можна було отримувати більш чисте залізо .
5. Застосування вугілля і коксування дали нові можливості виробництва сталі. Раніше кам'яне вугілля не використали, так як в ньому міститься багато сірки, яка занижує якість кінцевого продукту. Вперше деревне вугілля замінили кам'яним в Англії в XVII столітті. У 1735 фахівці змогли очищати кам'яне вугілля від сірки методом коксування . Це призвело до економії палива, так як кам'яне вугілля горить значно повільніше деревного і дало поштовх для збільшення виробництва сталі.
6. Наступним етапом еволюції металургії стало винахід конвертера. Генрі Бессемер створив пристосування, яке дозволяло продувати повітря в доменних печах через розплавлений чавун. Це дало можливість з тої ж кількості руди отримати значно більше сталі. У ХХ столітті конвертерне виробництво змінили мартенівські печі, які працювали за аналогічним принципом. Але з винаходом турбодетандера, який істотно здешевив виробництво кисню, їх витіснила нова технологія - киснево-конвертерне виробництво сталі. Цей спосіб дає можливість поліпшити якість стали через відсутність в ній азоту.

Екологія та тенденції розвитку сучасної металургії.

Виробництво металу значно спростило нам життя. Сьогодні ми маємо можливість жити у висотних будинках, літати, вивчати космос, проїжджати сотні кілометрів на автомобілі, автоматизувати сільське господарство промисловість і т.д. Стрімко розвиваються нові технології в медицині та інших галузях нашого життя. В недалекому майбутньому всю роботу за людину виконуватимуть роботи, а наш одяг буде стежити за станом здоров'я - рівнем артеріального тиску, пульсом, температурою тіла і т.д. Не використавши в далекому минулому наші предки метеоритне залізо, сучасна наука не знала б прориву.

Але у індустріалізації є і недоліки - це забруднення навколишнього середовища. Чорна металургія будучи дуже енерговитратною, а також за рахунок використання вугілля і викидів СО2, теж впливає на клімат і екологію. Тому робота вчених і інженерів усього світу спрямована на скорочення викидів парникових газів і споживаної енергії.
В даний момент метою металургів є:

• модернізація доменного виробництва в Індії, Китаї, Україні;
• виведення з експлуатації мартенівських печей в Україні та Росії.

До 2050 року при зростанні світового виробництва на 50%, викиди парових газів планується скоротити на 28%. Зараз ведуться розробки різних проектів, таких як УХУ, суть якого полягає в уловлюванні і зберіганні вуглецю. 

Ми розуміємо, яку важливу роль екологія відіграє для майбутнього людства і значні ресурси направляємо на очищення навколишнього середовища.