Нашите редактори ще прегледат подаденото от вас и ще определят дали да преразгледат статията.

преработка

Обработка на желязо, използване на процес на топене за превръщане на рудата във форма, от която могат да се произвеждат продукти. В тази статия е включена и дискусия за добива на желязо и за подготовката му за топене.

Желязото (Fe) е относително плътен метал със сребристо бял вид и отличителни магнитни свойства. Той представлява 5 тегловни процента от земната кора и е четвъртият най-разпространен елемент след кислорода, силиция и алуминия. Топи се при температура от 1,538 ° C (2,800 ° F).

Желязото е алотропно - тоест съществува в различни форми. Нейната кристална структура е или телесно-центрирана кубична (bcc) или ориентирана към лицето кубична (fcc), в зависимост от температурата. И в двете кристалографски модификации основната конфигурация е куб с железни атоми, разположени в ъглите. Има допълнителен атом в центъра на всеки куб в модификацията bcc и в центъра на всяко лице във fcc. При стайна температура чистото желязо има ОЦК структура, наричана алфа-ферит; това продължава, докато температурата се повиши до 912 ° C (1,674 ° F), когато се трансформира във ГЦК устройство, известно като аустенит. При по-нататъшно нагряване аустенитът остава, докато температурата достигне 1394 ° C (2,541 ° F), в този момент структурата на ОЦК се появява отново. Тази форма на желязо, наречена делта-ферит, остава до достигане на точката на топене.

Чистият метал е ковък и може лесно да бъде оформен чрез чук, но освен специализирани електрически приложения, той рядко се използва без добавяне на други елементи за подобряване на неговите свойства. Най-често се появява в желязо-въглеродни сплави като стоманите, които съдържат между 0,003 и около 2 процента въглерод (по-голямата част лежи в диапазона от 0,01 до 1,2 процента) и чугуните с 2 до 4 процента въглерод. При типичното за стоманите въглеродно съдържание се образува железен карбид (Fe3C), известен също като циментит; това води до образуването на перлит, който в микроскоп може да се види, че се състои от редуващи се летви от алфа-ферит и циментит. Цементитът е по-твърд и по-здрав от ферита, но е много по-малко ковък, така че чрез вариране на количеството въглерод се получават значително различни механични свойства. При по-високо съдържание на въглерод, типично за чугуните, въглеродът може да се отдели като циментит или графит, в зависимост от производствените условия. Отново се получава широк спектър от свойства. Тази гъвкавост на желязо-въглеродните сплави води до широкото им използване в машиностроенето и обяснява защо желязото е най-важното от всички индустриални метали.

История

Въпреки че римляните са построили пещи с яма, в която може да изтече шлака, малко промени в методите за производство на желязо са настъпили до средновековието. Към 15-ти век много цветове използват пещи с ниска шахта с водна мощност, за да задвижат духалото, а цъфтежът, който може да тежи над 100 килограма, се извлича през горната част на шахтата. Финалната версия на този вид цъфтящо огнище е каталунската ковачница, която е оцеляла в Испания до 19 век. Друг дизайн, високоцветната пещ, имаше по-висока шахта и се превърна в 3-метров (10 фута) висок Stückofen, който произвежда толкова големи цветове, че трябваше да бъдат отстранени през предния отвор в пещта.

Доменната пещ се появява в Европа през 15-ти век, когато се осъзнава, че чугунът може да се използва за направа на оръдия от едно парче с добри свойства за задържане на налягането, но дали нейното въвеждане се дължи на китайско влияние или е било независимо развитие, не е известно. Отначало разликите между доменната пещ и Stückofen бяха незначителни. И двете имаха квадратни напречни сечения, а основните промени, необходими за работата на доменната пещ, бяха увеличаване на съотношението на въглен към руда в шихтата и тафол за отстраняване на течно желязо. Продуктът на доменната пещ стана известен като чугун от метода на леене, който включваше изтичане на течността в основен канал, свързан под прав ъгъл с редица по-къси канали. Цялата подредба приличаше на свиня, която суче котилото си и затова дължините на твърдо желязо от по-късите канали бяха известни като свине.

Въпреки военното търсене на чугун, повечето граждански приложения изискват ковко желязо, което дотогава е направено директно в цъфтеж. Пристигането на доменните пещи обаче отвори алтернативен производствен път; това включва преобразуване на чугун в ковано желязо чрез процес, известен като финиране. Парчета чугун се поставяха върху фино огнище, върху което се изгаряха въглища с обилно количество въздух, така че въглеродът в желязото се отстраняваше чрез окисляване, оставяйки полутвърдото ковко желязо след себе си. От 15 век нататък този двуетапен процес постепенно замества директното производство на желязо, което въпреки това оцелява през 19 век.

Към средата на 16-ти век доменните пещи се експлоатират повече или по-малко непрекъснато в югоизточна Англия. Увеличеното производство на желязо доведе до недостиг на дърва за въглища и до последващото му заместване с въглища под формата на кокс - откритие, което обикновено се приписва на Абрахам Дарби през 1709 г. Тъй като по-високата якост на кокса му позволяваше да поддържа по-голям заряд, станаха възможни много по-големи пещи и бяха постигнати седмични добиви от 5 до 10 тона чугун.

След това появата на парната машина за задвижване на духащи цилиндри означава, че доменната пещ може да бъде снабдена с повече въздух. Това създаде потенциалния проблем, че производството на чугун далеч надхвърля капацитета на процеса на преработка. Ускоряване на превръщането на чугун в ковко желязо се опитва от редица изобретатели, но най-успешен е англичанинът Хенри Корт, който патентова своята локва пещ през 1784. Корт използва ревербераторна пещ с въглища, за да разтопи заряда от чугун към който е добавен железен оксид за получаване на шлака. Разбъркването на получената метална локва доведе до отстраняване на въглерода чрез окисляване (заедно със силиций, фосфор и манган). В резултат на това точката на топене на метала се повиши, така че той стана полутвърд, въпреки че шлаката остана доста течна. След това металът се оформя на топки и се освобождава от възможно най-много шлака, преди да бъде изваден от пещта и изцеден с чук. За кратко време локвените пещи успяха да осигурят достатъчно желязо, за да отговорят на изискванията за машини, но отново капацитетът на доменната пещ се засили напред в резултат на изобретението на шотландеца Джеймс Бомонт Нилсен през 1828 г. на горещата пещ за предварително загряване на взрива въздух и осъзнаването, че кръглата пещ се представя по-добре от квадратната.

Евентуалният спад в употребата на ковано желязо е предизвикан от поредица от изобретения, които позволяват на пещите да работят при достатъчно високи температури, за да се стопи желязото. Тогава беше възможно да се произвежда стомана, която е превъзходен материал. Първо, през 1856 г., Хенри Бесемер патентова своя преобразувател за издухване на въздух през разтопен чугун, а през 1861 г. Уилям Сименс извади патент за регенеративната си маркетна пещ. През 1879 г. Сидни Гилкрист Томас и Пърси Гилкрист адаптират преобразувателя Бесемер за използване с фосфорно чугун; в резултат на това основният процес на Бесемер, или Томас, беше широко приет на континента Европа, където имаше много фосфорни железни руди. В продължение на около 100 години мартените и базираните на Бесемер процеси са били съвместно отговорни за по-голямата част от направената стомана, преди да бъдат заменени с основните кислородни и електрически дъгови пещи.

Освен впръскването на част от горивото през фурми, доменната пещ използва същите принципи на работа от началото на 19 век. Размерът на пещта обаче се е увеличил значително и една голяма модерна пещ може да снабдява стоманодобивна фабрика с до 10 000 тона течно желязо на ден.

През целия 20-ти век се предлагат много нови процеси за производство на желязо, но едва през 50-те години се появяват потенциални заместители на доменната пещ. Директното редуциране, при което железните руди се редуцират при температури под точката на топене на метала, произхожда от такива експерименти като процеса на Wiberg-Soderfors, въведен в Швеция през 1952 г. и HyL процеса, въведен в Мексико през 1957 г. Малко от тези техники са оцелели, а тези, които го направиха, бяха значително модифицирани. Друг алтернативен метод за производство на желязо, редуцирането на топене, имаше своите предшественици в електрическите пещи, използвани за производството на течно желязо в Швеция и Норвегия през 20-те години. Техниката се разраства, като включва методи, базирани на преобразуватели на кислородна стомана, използващи въглища като източник на допълнителна енергия, а през 80-те години тя се фокусира върху обширна изследователска и развойна дейност в Европа, Япония и САЩ.