Технология получения железа в древности. История металлургии железа. Как добывают железо: способы

Часть 1. Зачем все это надо?

Если речь идет о создании реплики исторического артефакта (например, ножа или топора Х века), то перед мастером стоит как минимум 3 задачи:

1. Повторить внешний вид. Другими словами, создать масса-габаритную модель. Пример реплика топора из могильника Якштайчай, Литва. Топор изготовлен с соблюдением размеров оригинала.

По внешнему виду средневековое оружие исследовали такие известные авторы как Эвард Окшотт, Ян Петерсен, Анатолий Кирпичников.

2. Структура кованого изделия. Большинство средневековых артефактов изготовлено, говоря современным языком, как минимум, из двух разных марок сталей. Тут речь идет о технологии кузнечной сварки, о технологии изготовления дамасской стали. Из-за дороговизны углеродистой стали в средние века, широко применялась технология, когда только рабочая часть изделия (например, в ноже это лезвие) была стальной, а все остальное изготавливалось из железа или низкокачественной стали.

Подробнее эта тема рассмотрена на практике на примере . О структуре средневековых кованых изделий можно судить по таким книгам как «Дамасская сталь в странах бассейна Балтийского моря» Антейн А.К. и «Кузнечное ремесло Полоцкой земли. IX–XIII вв.» Гурин, М.Ф.

3. Собственно металл. Сталь Х века и сталь ХХI века это 2 принципиально разных по способу получения материала. И как следствие, свойства этих материалов отличаются. Вероятно, из-за этих отличий и получило широкое распространение такое направление в кузнечном деле как дамасская сталь. Топор из сыродутного железа.

Основной способ получения железа в средние века – плавка болотной руды в сыродутных горнах. Суть сыродутного процесса в том, что воздух для горения топлива подается не подогретым, атмосферных параметров.

Конструкция средневековых печей описана в книге Бориса Колчина «Черная металлургия и металлообработка в Древней Руси».

Часть 2. Сырье и подготовка к плавке.

Болотная руда — это бурый железняк, или лимонит. Основное из чего она состоит это Fe2O3. Вот так выглядит в природе.

Восстанавливается руда до чистого металла древесным углем. Перед плавкой руду обогащают путем промывки от лишней породы.

Первую плавку руды я сделал в графито-шамотном тигле в камере газового горна. Из 400 грамм руды получилось 160 грамм железа. Слиток пористый, поры чистые без неметаллических вкраплений.

Был сделан спектральный анализ этого слитка на легирующие элементы и примеси.

Анализ показал содержание углерода – 0.14%. Вероятно, углерод поступил в железо из древесного угля, в следствии процесса цементации поверхности. Вероятно, длительное нахождения слитка железа в области высоких температур обеспечило хорошую диффузию углерода, и как следствие равномерное его распределение по всему объему образца. Таким образом мы можем говорить о получении низкоуглеродистой стали. Высокое содержание фосфора и серы (1.49% и 0.075% соответственно) ощутимо снижает качество металла и с точки зрения кузнечной обработки, и с точки зрения эксплуатации будущих изделий. Чтобы уменьшить содержание серы и фосфора в состав шихты (Шихта — Смесь материалов, загруженных в плавильную печь для получения металла определённого состава.) следует ввести оксид кальция СаO (негашеная известь). Например, добавить мел CaCO3. В области высоких температур (1000-1100 ОС) внутри горна мел станет негашеной известью.

Часть 3. Плавка руды в аутентичных сыродутных горнах.

22-23.07.2017 в музейном комплексе «Дудутки» на фестивале славы белорусского оружия «Наш Грюнвальд-2017» состоялась плавка руды в сыродутных горнах. Цель этого эксперимента получить практические ответы на следующие вопросы:

1. Материалы и конструкция сыродутных горнов.

2. Способ подачи воздуха для горения топлива. Режимы дутья.

3. Состав шихты.

4. Шлакообразование и его влияние на процесс плавки.

5. Получение чистого металла.

6. Получение металла лучшего качества, чем при первой плавке в тигле.

Забегая вперед могу сказать, что все поставленные задачи были решены. Было изготовлено 2 сыродутных горна из разных материалов, разной конструкции и размера. Один из двух горнов был изготовлен из местного сырья, воздух подавался двухкамерными кузнечными мехами.

Постройка горнов, их сушка, прогрев и последующая плавка – очень трудоемкая задача. Весь процесс занял 2 дня, работы велись с самого утра и до поздней ночи с учетом того, что мне помогала целая команда помощников. Эксперимент удачный – полученный металл примерно в 7 раз чище по вредным примесям в сравнении с тигельной плавкой. Однако металла получилось немного. Основной объем – это небольшие металлические шарики в кусках шлака.

Вероятно, если создать бОльшую температуру в горне и увеличить время плавки, то эти шарики сварятся вместе и образуют годную для ковки крицу. Спектральный анализ не определил содержание углерода, вероятно, из-за его неравномерного распределения в слитке. Вероятно, это также косвенно говорит о необходимости увеличения времени плавки. Проведенный эксперимент показал, что основные параметры выбраны в целом верно, значит их оптимизация приведет к улучшению результата. Об этом я напишу позже, по мере развития событий.

Железная руда стала добываться человеком много веков назад. Уже тогда стали очевидными преимущества использования железа.

Найти минеральные образования, содержащие железо, довольно легко, так как этот элемент составляет около пяти процентов земной коры. В целом, железо является четвертым по распространенности элементом в природе.

В чистом виде найти его невозможно, железо содержится в определенном количестве во многих типах горных пород. Наибольшее содержание железа имеет железная руда, добыча металла из которой является наиболее экономично выгодным. От ее происхождения зависит количество содержащегося в ней железа, нормальная доля которого в составе около 15%.

Химический состав

Свойства железной руды, ее ценность и характеристики напрямую зависят от ее химического состава. Железная руда может содержать различное количество железа и других примесей. В зависимости от этого выделяют ее несколько типов:

• очень богатые, когда содержание железа в рудах превышает 65%;
• богатые, процент железа в которой варьируется в диапазоне от 60% до 65%;
• средние, от 45% и выше;
• бедные, в которых процент полезных элементов не превышает 45%.

Чем больше побочных примесей в составе железной руды, тем больше необходимо энергии на ее переработку, и тем менее эффективным является производство готовой продукции.

Состав породы может представлять собой совокупность различных минералов, пустой породы и других побочных примесей, соотношение которых зависит от ее месторождения.

Магнитные руды отличаются тем, что в их основе заложен оксид, имеющий магнитные свойства, но при сильном нагреве они теряются. Количество этого типа породы в природе ограничено, но содержание железа в нем может не уступать красному железняку. Внешне он выглядит как твердые кристаллы черно-синего цвета.

Шпатовый железняк представляет собой рудную породу, в основе которой лежит сидерит. Очень часто имеет в составе значительное количество глины. Этот тип породы относительно тяжело найти в природе, что на фоне малого количества содержимого железа делает его редко используемым. Поэтому отнести их к промышленным типам руд невозможно.

Кроме оксидов в природе содержаться другие руды на основе силикатов и карбонатов. Количество содержимого железа в породе очень важно для ее промышленного использования, но также важно наличие полезных побочных элементов, таких как никель, магний, и молибден.

Отрасли применения

Сфера применения железной руды практически полностью ограничена металлургией. Ее используют, в основном, для выплавки чугуна, который добывают с помощью мартеновских или конверторных печей. На сегодняшний день чугун используется в различных сферах жизнедеятельности человека, в том числе в большинстве видов промышленного производства.

Не в меньшей степени используются различные сплавы на основе железа – наиболее широкое применение обрела сталь благодаря своим прочностным и антикоррозийным свойствам.

Чугун, сталь и различные другие сплавы железа используются в:

1. Машиностроении, для производства различных станков и аппаратов.
2. Автомобилестроении, для изготовления двигателей, корпусов, рам, а также других узлов и деталей.
3. Военной и ракетной промышленности, при производстве спецтехники, оружия и ракет.
4. Строительстве, в качестве армирующего элемента или возведения несущих конструкций.
5. Легкой и пищевой промышлености, в качестве тары, производственных линий, различных агрегатов и аппаратов.
6. Добывающей промышленности, в качестве спецтехники и оборудования.

Месторождения железной руды

Мировые запасы железной руды ограничены в количестве и своем местоположении. Территории скопления запасов руд называют месторождениями. На сегодняшний день месторождения железных руд делят на:

1. Эндогенные. Они характеризуются особым расположением в земной коре, обычно в виде титаномагнетитовых руд. Формы и расположения таких вкраплений разнообразны, могут быть в форме линз, пластов, расположенных в земной коре в виде залежей, вулканообразовных залежей, в виде различных жил и других неправильных форм.
2. Экзогенные. К этому типу относятся залежи бурых железняков и других осадочных пород.
3. Метаморфогенные. К которым относятся залежи кварцитов.

Месторождения таких руд можно встретить на территории всей нашей планеты. Наибольшее количество залежей сконцентрировано на территории постсоветских республик. В особенности Украины, России и Казахстана.

Большие запасы железа имеют такие страны как Бразилия, Канада, Австралия, США, Индия и ЮАР. При этом практически в каждой стране на земном шаре имеются свои разрабатываемыми месторождения, в случае дефицита которых, порода импортируется из других стран.

Обогащения железных руд

Как было указано, существует несколько типов руд. Богатые можно перерабатывать непосредственно после извлечения из земной коры, другие необходимо обогатить. Кроме процесса обогащения, переработка руды включает в себя несколько этапов, таких как сортировка, дробление, сепарация и агломерация.

На сегодняшний день существует несколько основных способов обогащения:

1. Промывка.

Применяется для очистки руд от побочных примесей в виде глины или песка, вымывание которых проводят с помощью струй воды под высоким давлением. Такая операция позволяет увеличить количество содержимого железа в бедной руде примерно на 5%. Поэтому его используют только в комплексе с другими типами обогащения.

1. Гравитационная очистка.

Выполняется с помощью специальных типов суспензий, плотность которых превышает плотность пустой породы, но уступает плотности железа. Под воздействием гравитационных сил побочные компоненты поднимаются на верх, а железо опускается на низ суспензии.

1. Магнитная сепарация.

Наиболее распространенный способ обогащения, который основывается на различном уровне восприятия компонентами руды воздействия магнитных сил. Такую сепарацию могут проводить с сухой породой, мокрой, или в поочередном сочетании двух ее состояний.

Для переработки сухой и мокрой смеси используют специальные барабаны с электромагнитами.

1. Флотация.

Для этого метода раздробленную руду в виде пыли опускают в воду с добавлением специального вещества (флотационный реагент) и воздуха. Под действием реагента железо присоединяется к воздушным пузырькам и поднимается на поверхность воды, а пустая порода опускается на дно. Компоненты, содержащие железо, собираются с поверхности в виде пены.

Процесс получения железа начинается со стадии выплавки чугуна, содержащего значительное количество углерода (который попадает в чугун из кокса или древесного угля, используемых для плавления руды). Чугун отличается очень большой твердостью, но он хрупок. Из чугуна можно полностью удалить углерод. Образующееся в результате этой операции сварочное железо представляет собой ковкий, но относительно мягкий материал. В него вновь вводят некоторое количество углерода и в результате получают сталь, которая обладает достаточной вязкостью и в то же время достаточной твердостью. 

    Подсчитать количество электроэнергии, потребной для выплавки 1 т чугуна в электропечи, если принять а) реакция восстановления железа в печи протекает по схеме  

Все металлургические процессы можно разделить на первичные и вторичные. Под первичными процессами понимают извлечение металла из различных природных или искусственных сырых материалов (доменный процесс, прямое получение железа, выплавка черно- 

При всех процессах выплавки жидкая сталь содержит небольшое количество растворенного кислорода (до 0,1%). При кристаллизации стали кислород взаимодействует с растворенным углеродом, образуя оксид углерода (П). Этот газ (а также некоторые другие растворенные в жидкой стали газы), выделяется из стали в виде пузырей. Кроме того, по границам зерен стали выделяются оксиды железа и металлов примесей. Все это приводит к ухудшению механических свойств стали. 

Марганец добывают в виде ферромарганца, содержащего 85- 88% марганца, до 7% углерода, остальное - железо. Выплавку ферромарганца из смеси марганцовых и железных руд осуществляют с помощью угля как восстановителя. Уравнение реакции восстановления МпОз 

При окислении углерода и примесей часть металлического железа окисляется до оксида FeO (угар металла). Для уменьшения потерь металла его регенерируют, то есть восстанавливают до железа. В соответствии с этим в процессе выплавки стали выделяют два последовательно протекаюш их периода - окислительный и восстановительный, что может быть представлено схемой  

Б. Восстановительный период плавки при кислородно-конверторной выплавке стали пространственно отделен от окислительного и протекает после выпуска стали из конвертера в ковше. Одновременно с восстановлением оксида железа FeO в вос- 

Технологический процесс переработки железной руды, угля, известняка и углеводородных топлив в конечный продукт может быть разбит на 3-4 основные стадии, которые осуществляются раздельно с получением определенного продукта, на следующей стадии перерабатываемого в продукт нового вида. Различные стадии процесса могут проходить в одной технологической установке. Это будет способствовать не только экономии энергии и расходов на транспортировку, но и упрощению технологического процесса. Основные технологические стадии при производстве чугуна и стали следующие подготовка сырья (коксование угля, обжиг известняка, производство железорудного агломерата и окатышей) производство чугуна (доменная выплавка, производство губчатого чугуна за счет прямого восстановления железа) стали (в мартеновских и электродуговых печах, бессемеровских и основных кислородных конвертерах) проката (непрерывное литье заготовок, прокатка сортовой стали, производство труб, поковки). 

Первыми используемыми металлами были, вероятно, золото и серебро, поскольку их можно было найти в природ в свободном состоянии. Применяли их в основном в декоративных изделия. Медь начали использовать около 8000 лет до нашей эры для изготовления орудий труда, оружия, кухонной утвари и украшений. Около 3800 лет до нашей эры была изобретена бронза - сплав меди и олова. В результате человечество перешло из каменного в бронзовый век. Затем был найден способ выплавки железа, и начался железный век. По мере того как люди накапливали свой химический опыт, расширялся и круг полезных материалов, которые человек научился получать путем переработки самых разнообразных руд. 

    Пирометаллургические методы выплавки меди нецелесообразно применять для переработки бедных руд, не поддающихся обогащению. К этой категории относятся окисленные руды как бедные, так и более богатые, а также отвалы бедных сульфидных руд и хвостов от обогащения. Для этого сырья применяются методы выщелачивания меди из руды и ее извлечение из растворов посредством осаждения железом или электролиза с нерастворимыми анодами. 

Наиболее распространенной рудой, из которой получается хром, является хромистый железняк РеСгаО. Вычислите содержание (в процентах) примесей в руде, если известно, что из 1 т ее при выплавке получилось 240 кг феррохрома (сплав железа с хромом), содержащего 65% хрома. 

Каково относительное содержание по весу жел за в этой руде (в процентах) Сколько углерода понадобится для выплавки железа из 

При комплексном использовании полиметаллических сульфидных руд получаются разнообразные цветные металлы, серная кислота и оксид железа для выплавки чугуна. Примерами комплексного использования природных материалов, представляющих собой смеси органических веществ, могут служить коксование угля с сопровождающими его химическими производствами, переработка нефти, сланца, торфа и древесины. Из каждого вида топлива получают сотни продуктов. Раньше при коксовании угля единственным продуктом этого процесса был кокс, газ сжигался в печах, а смола выбрасывалась. В настоящее время из коксового газа выделяют бензольные углеводороды, аммиак, сероводород и другие цен- 

Выплавка стекла. Стекло может быть прозрачным или полупрозрачным, бесцветным или окрашенным. Оно является продуктом высокотемпературного переплава смеси кремния (кварц или песок), соды и известняка. Для получения специфических или необычных оптических и других физических свойств в качестве присадки к расплаву или заменителя части соды и известняка в шихте применяют другие материалы (алюминий, поташ, борнокислый натрий, силикат свинца или карбонат бария). Цветные расплавы образуются в результате добавок окислов железа или хрома (желтые или зеленые цвета), сульфида кадмия (оранжевые), окислов кобальта (голубые), марганца (пурпурные) и никеля (фиолетовые). Температуры, до которых должны быть нагреты эти ингредиенты, превышают 1500 °С. Стекло не имеет определенной точки плавления и размягчается до жидкого состояния при температуре 1350-1600 °С. Энергопотребление даже в хорошо сконструированных печах составляет около 4187 кДж/кг производимого стекла. Необходимая температура пламени (1800- 1950 °С) достигается за счет сжигания газа в смеси с воздухом, подогреваемым до 1000 °С в регенеративном теплообменнике, который сооружается из огнеупорного кирпича и нагревается отходящими продуктами сгорания. Газ вдувается в поток горячего воздуха через боковые стенки верхней головки регенератора, которая является основной камерой сгорания, а продукты сгорания, отдав тепло стекломассе, покидают печь и уходят в расположенный напротив регенератор. Когда температура подогрева воздуха, подаваемого на горение, снизится значительно, потоки воздуха и продуктов сгорания реверсируются и газ начнет подаваться в поток воздуха, подогреваемого в расположенном напротив регенераторе. 

Коронирующие электроды в вертикальных электрофильтрах представляют собой тонкую круглую проволоку, проволоку с маленькими шипами либо проволоку, поперечное сечение которой имеет форму квадрата или звезды. Ввиду того, что длина коронирующих электродов часто более 6 м, круглая проволока, будучи достаточно тонкой для того, чтобы обеспечить устойчивую корону, может оказаться недостаточно прочной, особенно по мере того, как она будет подвергаться вибрациям в процессе стряхиваний. В связи с этим применяют проволоку большего калибра с сечением в форме квадрата или звезды, с острыми гранями, которые обеспечивают образование устойчивой короны. В некоторых электрофильтрах предпочтение отдают электродам в виде колючей проволоки, причем совсем недавно они стали использоваться для осаждения тумана оксида железа при кислородной выплавке стали . 

Принцип использования производственных отходов (комплексное использование сырья, безотходная технология). Превращение отходов в побочные продукты производства позволяет полнее использовать сырье, что в свою очередь снижает стоимость продукции и предотвращает загрязнение окружающей среды. Например, из полиметаллических сульфидных руд при комплексной переработке получают цветные металлы, серу, серную кислоту и оксид железа (III) для выплавки чугуна. Комплексное использование сырья служит основой комбинирования предприятий. При этом возникают новые производства, перерабатывающие отходы основного предприятия, что дает высокий экономический эффект и является важнейшим элементом химизации народного хозяйства. 

Металлы можно извлекать из их руд непосредственно электролитическим или химическим восстановлением. Электролитическое восстановление, которое уже обсуждалось в разд. 19.6, используется в промышленных масштабах для получения наиболее активных металлов натрия, магния и алюминия. Менее активные металлы - медь, железо и цинк-получают в промышленных масштабах с помощью химического восстановления, причем большую часть менее активных металлов получают методом высокотемпературного восстановления в расплавленном состоянии. Поэтому такие процессы называются выплавкой. 

Диоксид углерода образуется при восстановлении оксида железа [уравнение (22.20)], а также при разложении известняка. Но известняк играет в выплавке железа не только роль поставщика диоксида углерода. Обычно в восстанавливаемой руде содержится 

При выплавке железа шлак плавает на поверхности расплавленного металла, защищая его от окисления поступающим воздухом. Из печи периодически удаляют образующиеся железо и шлак. Железо, получаемое в доменной печи, называется чугуном и содержит до 5% углерода и до 2% других примесей-кремния, фосфора и серы. 

При выплавке чугуна в домне происходят разнообразные химические процессы, в частности восстановление оксида железа (III) оксидом углерода (II), которое может быть выражено уравнением Ре20з + ЗС0 = Ре-(-ЗС02. 

Химические реакции при выплавке чугуна и стали происходят преимущественно в растворах. Жидкие чугун и сталь представляют собой растворы различных элементов в железе. В доменных и сталеплавильных печах они взаимодействуют с жидким шлаком - раствором окислов. 

Селен и теллур встречаются в таких редких минералах, как СпзЗе, РЬ5е, А 25е, Си2Те, РЬТе, А 2Те и Аи Те, а также в виде примесей в сульфидных рудах меди, железа, никеля и свинца. С промышленной точки зрения важными источниками добычи этих элементов являются медные руды. В процессе их обжига при выплавке металлической меди большая часть селена и теллура остается в меди. При электролитической очистке меди, описанной в разд. 19.6, такие примеси, как селен и теллур, наряду с драгоценными металлами золотом и серебром скапливаются в так называемом анодном иле. При обработке анодного ила концентрированной серной кислотой приблизительно при 400°С происходит окисление селена в диоксид селена, который сублимируется из реакционной смеси  

В ряде случаев (например, при выплавке трансформаторной стали) необходимо достичь очень низкой концентрации углерода 0,002-0,003%. Из приведенного уравнения видно, что для этого следует понижать рсо- Применение вакуумных печей в современной металлургии позволяет выплавлять железо и сталь с минимальным содержанием углерода. 

При выплавке железа из магнитного железняка одна нз протекающих в доменной печи реакций выражается уравнением Рез04 + СО = ЗРеО + Oj Пользуясь данными табл. 5 приложения, определить тепловой эффект реакции. В каком направлении сместится равновесие этой реакции ири повышении температуры  

Магнитный железняк Оксидная железная руда содержание железа 50-70%, состоит в основном из оксида железа(11, ill) РбзО, Сырье для производства чугуна, добавка при производстве стали (выплавка) 

У-88. Из 1 т хромистого железняка Ре(Сг02)а образовалось при выплавке 240 кг сплава железа с хромом - феррохрома, содержащего 65% хрома. Вычислить процентное содержание примесей в руде. 

При выплавке высокохромистых сталей типа Х18Н10Т на рабочей поверхности огнеупорной футеровки образуется своесбразный гарнисаж с повышенным содержанием AlA TiO., (до 33%), оксидов железа (до 57%) и оксидов хрома (до 33%), что ведет к увеличению срока службы футеровки. 

В результате в печи образуются два жидких слоя - сверху более легкий шлак, а внизу - расплав, состоящий из FeS и U2S (штейн). Шлак сливают, а жидкий штейн переливают в конвертор, в- который добавляют флюс и вдувают воздух. Конвертор для выплавки меди аналогичен используемому для получения стали, только воздух в него подается сбоку (при подаче воздуха снизу медь сильно охлаждается и затвердевает). В конверторе образуется расплавленная медь, сульфид железа превращается в оксид, который переходит в шлак  

Конечное содержание серы в прокаленном коксе из гудрона арланской нефти такое же, как в коксе из крекинг-остатка ромашкинской нефти, т. е. менее 1%. Остальные показатели в основном одинаковы, за исключением содержания ванадия (для арланского кокса в 1,5 раза выше), железа и других металлов. Повышенное содержание ванадия в обессеренном коксе объясняется высоким его содержанием в арланской нефти. Из-за этого такой кокс нельзя применять в алюминиевой промышленности. При выплавке алюминия ванадий, как и другие металлы, из кокса по- 

В работе описано влияние марганца на сульфидное растрескивание сталей. Марганец в количестве от 1 до 167о вводили прн выплавке в армо-железо, содержащее 0,04% С, в сталь 20, и в сталь У8. Результаты исследований приведены в табл. 1.2, из которой видно, что легирование сталей марганцем увеличивает их склонность к растрескиванию в сероводородсодержащей среде, причем отрицательное влияние марганца зависит от содержания углерода в стали. Так, отрицательное влияние марганца для армо-железа, стали 20 и стали У8 начинает проявляться при его содержании 3 2 н 1 % соответственно. Отрицательное влияние марганца на растрескивание сталей авторы связывают с появлением бей- 

В металлургии большое значение имеет сплав железа с кремнием - ферросилиций. Он применяется для раскисления многих марок стали и для получения кремнеуглеродистых ферросплавов. Ферросилиций с содержанием 9-17% 51 выплавляется в доменных печах из кварца, железной стружки и кокса. Ферросилиций с высоким содержанием кремния - перспективный материал для изготовления деталей химической аппаратуры благодаря исключительной кислотостойкости. Он широко применяется в качестве восстановителя при выплавке силикомарганца, ферровольфрама, ферромолибдена. Добавка кремния к стали в виде ферросилиция при ее выплавке придает ей упругость, повышает устойчивость против коррозии. 

Некоторые особенности типичного процесса выплавки можно проиллюстрировать на примере восстановления железа. Непрерывную выплавку железа производят в особом реакторе, называемом доменной печью ее схематическое изображение приведено на рис. 22.16. Сверху в доменную печь загружают смесь кокса, известняка и измельченной руды, обычно содержащей FejOs. (Кокс представляет собой твердый остаток, получаемый при коксовании природных топлив, главным образом каменного угля, с целью удаления из них летучих компонентов.) Снизу в печь нагнетают нагретый воздух, иногда обогащенный кислородом. Для получения 1 т железа необходимо примерно 2 т руды, 1 т кокса и 0,3 т известняка. Одна доменная печь позволяет получать до 2000 т железа в сутки. Нагнетаемый в печь воздух реагирует с углеродом, образуя СО. При этом выделяется такое количество тепла, что в нижней части печи развивается температура порядка 1500°С. Восстановление металлического железа можно описать реакциями 

Сколько тонн магнитного железняка, состаящего на 90% из FegOi, могут дать при выплавке 2 т чугуна с 93%-ным содержанием железа, если выход продукта составляет 92%  

Введение кремния в стали и чугун сопровождается образованием силицидов железа (ферросилиций FeSi). Чугун с содержанием 15-17% кремния кислотоупорен. Ферросилиций добавляют в сталь при ее выплавке, чтобы удалить содержащийся кислород  

ШТЕЙН - промежуточный продукт при выплавке некоторых цветных металлов (Си, N1, Рв и др.) из их сз льфидных руд. Ш. - сплав сульфида железа с сульфидами получаемых металлов (напр., Си, 8). 

Явление понижения температуры плавления растворов имеет важное значение как в природе, так и в технике. Например, выплавка чугуна из железной руды существенно облегчается тем, что температура плавления железа понижается примерно на 400° С благодаря тому, что в нем растворяется углерод и другие элемен-Растдоритель ты. То же относится и к тугоплавким окислам, составляющим пустую породу, которые вместе с флюсами (СаО) образуют раствор (шлак), плавящийся при относительно низкой температуре. Это позволяет осуществлять непрерывно периодический процесс в доменных печах, выпуская из них жидкие чугун и шлак.  ]

Производство железа на территории Руси было известно с незапамятных времен. В результате археологических раскопок в районах, прилегающих к Новгороду, Владимиру, Ярославлю, Пскову, Смоленску, Рязани, Мурому, Туле, Киеву, Вышгороду, Переяславлю, Вжищу, а также в районе Ладожского озера и в других местах обнаружены сотни мест с остатками плавильных горшков, сыродутных горнов, так называемых «волчьих ям» и соответствующие орудия производства древней металлургии. В одной из волчьих ям, выкопанной применявшей для выплавки железа, близ села Подмоклого в южной части Подмосковного угольного бассейна, была найдена монета, датированная 189 годом Мусульманской эры, что соответствует началу IX века современного летоисчисления. Это значит, что железо на Руси умели выплавлять еще в те далёкие, глубоко дохристианские времена.

Фамилии русского народа буквально кричат нам о распространённости металлургии повсеместно по территории древней Руси: Кузнецов, Ковалёв, Коваль, Коваленко, Ковальчук. По распространённости русские "металлургические" фамилии, пожалуй, соперничают даже с архетипическим английским Джоном Смитом (который, по факту blacksmith , то есть тот же кузнец).

Однако путь любого меча или ствола пушки всегда начинался гораздо раньше металлургического горна и, тем более, кузницы. Любой металл — это в первую очередь топливо (уголь или кокс для его выплавки), а во вторую очередь — сырьё для его производства.

Здесь я сразу должен расставить акценты. Почему топливо — это первоочередное условие, а сама железная руда так смело отодвинута мной на второй план? Всё дело в логистике процессов перевозки руды и топлива, необходимых для производства железа в средние века.

Ведь основным, причём наиболее качественным топливом для выплавки средневекового, кричного железа, служил древесный уголь .
Даже сейчас, в современный просвещённый век, задача получения качественного древесного угля является отнюдь не такой простой, как это кажется на первый взгляд.
Наиболее качественный древесный уголь получается только из очень ограниченного количества пород дерева — из всех достаточно редких и медленно растущих твёрдолиственных пород (дуб, граб, бук) и из архетипической русской берёзы .
Уже из хвойных — сосны или ели древесный уголь получается гораздо более хрупким и с большим выходом мелочи и угольной пыли, а пытаться получить хороший древесный уголь из мягколиственных осины или ольхи практически нереально — выход годного падает по сравнению с дубом почти в два раза.

В случае же, если достаточного количества лесов на территории, где водились месторождения железа, не было, или же леса в данной местности были уничтожены предыдущими поколениями металлургов, приходилось выдумывать различные эрзац-заменители.
Например, в Средней Азии, несмотря на качественные рудные месторождения железа, с лесом было туго, в силу чего вместо древесного угля приходилось использовать вот такое инновационное топливо:

Если кто не понял — это коровий кизяк. Можно конский, бараний, козлиный или ослиный — особой роли не играет. Кизяк месили руками в плоские лепёшки (как-то вот так), а потом раскладывали сушиться на солнце.
Понятное дело, в такой ситуации говорить о "постоянстве состава" топлива не приходилось, да и температура пламени от сгорания такого "композитного топлива" была гораздо ниже, чем у качественного древесного угля.

Другая, гораздо более технологичная замена древесного угля возникла в мире гораздо позже. Речь, конечно же, идёт о коксе , на котором сейчас зиждется вся современная чёрная металлургия.
История «изобретения» кокса насчитывает всего лишь две сотни лет. Ведь именно коксовая батарея в которой "уголь выжигал сам себя" была первым, мощнейшим залпом индустриальной революции. Именно она, коксовая батарея, а не нефтяная вышка создала тот "мир угля и пара", который мы любим теперь вспоминать в книгах, фильмах и аниме о стимпанке.

Задолго до промышленной революции в Англии уже разрабатывались богатые залежи каменного угля, который, однако, использовался почти исключительно для отопления домов. Плавка же руды в Англии производилась, как и во многих местах мира, только на древесном угле. Связано было это с неприятным фактом, характерным для большинства каменных углей — они содержат в своём составе немалые количества фосфора и серы, которые очень вредны для получаемого в горне железа.

Однако, Великобритания — это остров. И, в конечном счёте, растущие потребности английской металлургии, основанной на древесном угле, превзошли все возможности английских лесов. Английским Робин Гудам оказалось просто негде прятаться — увеличение выплавки железа свело на нет почти все леса туманного Альбиона. В конечном счёте это стало тормозом для производства железа, так как плавка требовала огромного количества дров : на переработку одной тонны руды — почти 40 кубометров дровяного сырья.
В связи с возраставшим производством железа возникла угроза полного уничтожения лесов. Страна вынуждена была ввозить металл из-за границы, главным образом из России и Швеции. Попытки применить для выплавки железа ископаемый каменный уголь долгое время были безуспешны, по причине, указанной выше.
Только в 1735 году заводчик Абрагам Дерби после многолетних опытов нашёл способ выплавлять чугун, используя коксующийся каменный уголь. Это была победа. Но до этой победы в начале IX века нашей эры оставалось ещё больше 900 лет.

Итак, возить дрова (или даже готовый древесный уголь) к железу не получается просто из-за логистики процесса — топлива надо по массе в 4-5 раз больше массы руды, а по объёму и того больше — раз в десять минимум. Легче привести железо к топливу.

Топливо в Древней Руси есть, и с избытком. А что на Русской платформе с железом?
А вот с железом есть вопросы.
Качественной железной руды на Русской равнине нет .

Сразу ловлю крики: «Как, а Курская магнитная аномалия? Самые качественные магнитные железняки в мире!».
Да, одни из самых качественных в мире. Открыты в 1931 году. Глубина залегания — от 200 до 600 метров. Задача явно не для технологий, бывших в распоряжении древних славян в IX веке нашей эры. Это сейчас всё выглядит красиво, а для того времени картинка современного железнорудного карьера — это как для современного человечества путешествия к Альфе Центавра. В теории можно, а вот на практике — нет:

В итоге, в IX веке на Руси надо делать выбор из чего-то, входящего в этот список всех используемых сейчас человечеством железных руд:

Магнитный железняк — более 70% Fe в виде магнетита Fe3О4 (пример: как раз описанная нами Курская магнитная аномалия)
- красный железняк— 55-60% Fe в виде гематита Fe2О3 (пример: опять таки Курская магнитная аномалия или Криворожский бассейн)
- бурый железняк (лимонит) — 35-55% Fe в виде смеси гидроксидов трехвалентного железа Fe2O3—3H2O и Fe2O3—H2O (пример: загубленое Украиной Керченское месторождение).
- шпатовый железняк — до 40% Fe в виде карбоната FeCO3 (пример: Бакальское месторождение)

Магнетит и гематит на Русской платформе лежат глубоко, шпатового железняка на ней вообще нет.
Остаётся бурый железняк (лимонит).
Сырьё, мягко говоря, хреновое — достаточно посмотреть на концентрации железа в нём, но прикол в том, что оно есть на территории тогдашней Руси почти что везде . Кроме того, это "почти что везде" чудесным образом оказывется в непосредственной близости от тогдашнего источника качественного угольного топлива — могучих лесов Русской равнины.

Речь, конечно же, о торфяных болотах и о лимоните, который ещё часто называют болотным железом .
Кроме болотного железа похожий генезис имеют луговое и озёрное железо . Однако, как вы увидите дальше, копать такое железо выгоднее всего было на болоте.

Для понимания широты распространённости фактической добычи этого местного ресурса на Руси достаточно, как и в случае с "металлургическими фамилиями" просто открыть любую географическую карту и посмотреть на названия русских, украинских, белорусских или литовских деревень.
И сразу же вам в глаза бросится громадное количество топонимов со словами Гута, Буда, Руда. Вот их значения:

Гута: стеклоплавильный завод
Руда: добыча болотного железа
Буда: добыча поташа из растительной золы.

Вы найдёте такие деревни повсюду - широким поясом в Полесских болотах - от Бреста до Сум. Источников "болотной руды" на Руси было полно. "Болотное железо" образуется вообще практически везде, где происходит переход от кислородосодержащих почв к бескислородному слою (в аккурат на стыке этих двух слоёв).
В болотах просто эта граница расположена, в отличии от других типов местности, очень близко к поверхности , поэтому там конкреции железа можно копать буквально лопатой, лишь снимая тонкий слой болотной растительности.

Вот так непритязательно выглядит болотное железо (bog iron) .
Но именно оно спасло Русь.

Сами по себе залежи болотного железа представляют из себя классические россыпи .
Россыпи обычно гораздо менее масштабные месторождения, нежели рудные тела, их общий объём редко превышает десятки тысяч тонн (в то время, как рудные месторождения могут содержать миллионы и миллиарды тонн руды), но отработка россыпей обычно гораздо проще выработки рудного тела.
Россыпь обычно можно разработать чуть ли не голыми руками и при минимальном дроблении породы, поскольку россыпи залегают обычно в уже разрушенных, осадочных породах.
Это вообще повсеместная практика: сначала отрабатываются россыпи — потом уже руды.
Причём - по всем металлам, минералам или соединениям.

Кстати, "деревянное олово" (о котором я писал в цикле о Катастрофе Бронзового века) — это тоже россыпь.

Однако, нельзя сказать, что отработка россыпей болотного железа была простым занятием.

Болотное железо добывалось тремя основными способами.

Первый — летом с плотов вычерпывался придонный ил на болотных озерах и на реках, вытекающих из болот. Плот удерживался на одном месте шестом (один человек) и еще один человек черпаком доставал ил со дна. Достоинства данного способа - простота, и малые физические нагрузки на работников.
Недостатки - большое количество бесполезного труда, так как мало того что с болотным железом черпалась пустая порода, но кроме того, приходилось ещё и поднимать наверх большие количества воды вместе с илом. Кроме того, черпаком сложно выбирать грунт на большую глубину.

Второй способ. Зимой в местах где протоки промерзали до дна сначала вырубался лед, а затем так же вырубалось донное отложение, содержащее болотное железо. Достоинства данного способа: возможность выбрать большой слой,содержащий болотное железо. Недостатки: физически трудно долбить лед и мерзлую землю. Добыча возможна только на глубину промерзания.

Третий способ был наиболее распространён. На берегу у проток или болотных озер собирался сруб, как для колодца, только больших размеров, например, 4 на 4 метра. Затем внутри сруба начинали выкапывать сначала накрывающий слой пустой породы, постепенно заглубляя сруб. Затем так же выбиралась порода, содержащая болотное железо. Накаты бревен добавлялись по мере заглубления сруба.
Постоянно поступающая вода периодически вычерпывалась. Можно, безусловно, было и просто копать без укрепления стен бревнами, но в случае очень вероятного осыпания подмываемого грунта, и засыпания работников в яме - спасти вряд ли кого бы получалось - люди быстро захлебывались и тонули. Достоинства данного способа: возможность выбрать весь слой, содержащий болотное железо, и меньшие трудозатраты, по сравнению со вторым способом. Кроме того, возможно было ещё до начала добычи приблизительно определить качество добываемого сырья ("тамошнии жители судят также о доброте руды по роду дерев, на оной растущих; таким образом отыскиваемую под березником и осинником почитают лучшею, потому, что из оной железо бывает мягче, а в таких местах, где растет ельник, жестче и крепче").
Недостатки: приходится всё время работать в воде.

В общем — древнерусским рудокопам приходилось нелегко. Сейчас, конечно же, реконструкторы по всему миру делают выезды на природу и даже раскапывают ямки в местах посуше и подоступнее, где можно легко добыть немного болотной руды:

Дети реконструкторов счастливы. В IX веке всё было, я думаю, иначе.

Однако, для осознания ситуации на Руси в IX-XII веках надо понимать масштабы того промысла, который был организован нашими предками на столь завалящем ресурсе, как болотные россыпи.

Ведь, если сам по себе процесс выкапывания ила на болотах не оставлял за собой никаких следов, прослеживаемых сквозь столетия, то вот последующая обработка болотного железа оставила следы в культурном слое, да ещё и какие!

Ведь для сыродутного процесса, который в то время использовался в древнерусской металлургии и давал сильножелезистый шлак, была нужна очень богатая железом руда. А лимонит, как мы помним — руда бедная.
Для получения хорошего концентрата лимонита необходимо было предварительное обогащение добываемых руд — как болотных, так и луговых. Поэтому древнерусские металлурги обязательно обогащали болотные железные руды, идущие в плавку.

Операция обогащения была очень важным технологическим условием для производства железа в сыродутных печах.
Позднейшие исследования, путём анализа исторических памятников, выявили следующие приемы обогащения руд:

1) просушка (выветривание, в течении месяца);
2) обжиг;
3) размельчение;
4) промывка;
5) просеивание.

Получение высококонцентрироваиной руды не могло ограничиться только одной или двумя операциями, а требовало планомерной обработки всеми указанными приемами. Археологически известной операцией является обжиг руды.
Как понимаете, обжиг тоже требовал качественного топлива (древесного угля) причём тоже в немалых количествах.

При археологических разведках у деревни Ласуны на побережье Финского залива в одном из шурфов была обнаружена куча обожженной руды. Для всех операций обогащения руды требуется очень простой инвентарь: для размельчения руды — деревянная колода и ступа, а для просеивания и промывания — деревянное решето (сетка из прутков).
Недостатком обжига болотной руды в кострах и ямах, являлось неполное удаление из нее воды при обжиге больших кусков и большие потери при обжиге маленьких кусков.

В современном производстве, конечно же, обогащение происходит гораздо проще — мелко дробленая руда смешивается с таким же молотым коксом и подается в аппарат похожий на большую мясорубку. Шнек подает смесь руды и кокса на решетку с отверстиями не более 8 мм. Выдавливаясь через отверстия такая однородная смесь попадает в факел пламени, при этом кокс сгорает, оплавляя руду, а кроме того из руды выжигается сера, таким образом одновременно происходит и сероочистка сырья.

Ведь в болотном железе, как и в каменном угле, содержаться вредные примеси — сера и фосфор. Можно, конечно, было найти сырье содержащее мало фосфора (ну, относительно мало - в рудном железе его всё же всегда меньше, чем в болотном). Но найти болотное железо содержащее мало и фосфора и серы было практически невозможно. Поэтому, вдобавок к целой индустрии добычи болотного железа возникла и не менее масштабная индустрия его обогащения.

Для понимания размаха это действа приведу один пример: при раскопках в Старой Рязани в 16 из 19 жилищ горожан обнаружены следы «домашней» варки железа в горшках в обыкновенной печи.
Западноевропейский путешественник Яков Рейтенфельс, побывав в Московии в 1670 году писал, что «страна московитов — это живой источник хлеба и металла».

Вот так, на голом месте, не имея под собой ничего, кроме бедных лесных почв с чахлыми берёзками и торфяных болот, внезапно наши предки обнаружили буквально у себя под ногами «золотую жилу». И пусть это была не жила, а россыпь и не золотая, а железная — ситуация от этого не поменялась.

Только ещё формирующаяся страна получила своё место в мире и цивилизационный путь, который приведёт её к пушкам Балаклавы, к танку Т-З4 и к МБР "Тополь-М".
Ресурсы. Работа. Производство. Оружие.

Потому что имея ресурсы — ты неизбежно приходишь к оружию. Или — кто-то чужой приходит за твоими ресурсами.
На Руси наступил Железный век.
Век — а точнее — тысячелетие русского оружия.

Тысячелетие, в котором меч будет подниматься — и опускаться снова, после того, как очередной враг будет разбит и выброшен прочь из берёзовых лесов и торфяных болот.

И враги не заставили себя ждать.
Ведь в Х веке уже набирала силу гонка вооружений Железного Века.

Железо и стали на его основе используются повсеместно в промышленности и обыденной жизни человека. Однако мало кто знает, из чего делают железо, вернее, как его добывают и преобразовывают в сплав стали.

Популярное заблуждение

Для начала определимся с понятиями, поскольку люди часто путаются и не совсем понимают, вообще. Это химический элемент и простое вещество, которое в чистом виде не встречается и не используется. А вот сталь - это сплав на основе железа. Она богата на различные химические элементы, а также содержит углерод в своем составе, который необходим для придания прочности и твердости.

Следовательно, не совсем правильно рассуждать о том, из чего делают железо, так как оно представляет собой химический элемент, который есть в природе. Человек из него делает сталь, которая в дальнейшем может использоваться для изготовления чего-либо: подшипников, кузовов автомобилей, дверей и т. д. Невозможно перечислить все предметы, которые из нее производятся. Итак, ниже мы не будем разбирать, из чего делают железо. Вместо этого поговорим о преобразовании этого элемента в сталь.

Добыча

В России и мире существует множество карьеров, где добывают железную руду. Это огромные и тяжелые камни, которые достаточно сложно достать из карьера, так как они являются частью одной большой горной породы. Непосредственно на карьерах в горную породу закладывают взрывчатку и взрывают ее, после чего огромные куски камней разлетаются в разные стороны. Затем их собирают, грузят на большие самосвалы (типа БелАЗ) и везут на перерабатывающий завод. Из этой горной породы и будет добываться железо.

Иногда, если руда находится на поверхности, то ее вовсе необязательно подрывать. Ее достаточно расколоть на куски любым другим способом, погрузить на самосвал и увезти.

Производство

Итак, теперь мы понимаем, из чего делают железо. Горная порода является сырьем для его добычи. Ее отвозят на перерабатывающее предприятие, загружают в доменную печь и нагревают до температуры 1400-1500 градусов. Эта температура должна держаться в течение определенного времени. Содержащееся в составе горной породы железо плавится и приобретает жидкую форму. Затем его остается разлить в специальные формы. Образовавшиеся шлаки при этом отделяют, а само железо получается чистым. Затем агломерат подают в бункерные чаши, где он продувается потоком воздуха и охлаждается водой.

Есть и другой способ получения железа: горную породу дробят и подают на специальный магнитный сепаратор. Так как железо имеет способность намагничиваться, то минералы остаются на сепараторе, а вся вымывается. Конечно, чтобы железо превратить в металл и придать ему твердую форму, его необходимо легировать с помощью другого компонента - углерода. Его доля в составе очень мала, однако именно благодаря нему металл становится высокопрочным.

Стоит отметить, что в зависимости от объема добавляемого в состав углерода сталь может получаться разной. В частности, она может быть более или менее мягкой. Есть, например, специальная машиностроительная сталь, при изготовлении которой к железу добавляют всего 0,75 % углерода и марганец.

Теперь вы знаете, из чего делают железо и как его преобразовывают в сталь. Конечно, способы описаны весьма поверхностно, но суть они передают. Нужно запомнить, что из горной породы делают железо, из чего далее могут получать сталь.

Производители

На сегодняшний день в разных странах есть крупные месторождения железной руды, которые являются базой для производства мировых запасов стали. В частности, на Россию и Бразилию приходится 18 % мирового на Австралию - 14 %, Украину - 11 %. Самыми крупными экспортерами является Индия, Бразилия, Австралия. Отметим, что цены на металл постоянно меняются. Так, в 2011 году стоимость одной тонны металла составляла 180 долларов США, а к 2016 году была зафиксирована цена в 35 долларов США за тонну.

Заключение

Теперь вы знаете, из чего состоит железо (имеется в и как его производят. Применение этого материала распространено во всем мире, и его значение практически невозможно переоценить, так как используется он в промышленных и бытовых отраслях. К тому же экономика некоторых стран построена на базе изготовления металла и его последующего экспорта.

Мы рассмотрели, из чего состоит сплав. Железо в его составе смешивается с углеродом, и подобная смесь является основной для изготовления большинства известных металлов.