Промышленные методы получения железа и его соединений. Образующийся оксид углерода выделяется из стали, способствуя удалению из стали азота и водорода, газы выделяются в виде пузырьков, вызывая её кипение

Вакуумное плавление

As→S→Sn→Sb→Cu→Mn→Ag→Pb.

Очистка железа дистилляцией в вакууме с конденсацией на нагретой поверхности

Электролитическое рафинирование железа

Электролитическое получение чистого железа

Карбонильный метод очистки железа

Очистка железа зонной перекристаллизацией

Желе́зо - элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов с атомным номером 26. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).
Простое вещество железо (CAS-номер: 7439-89-6) - ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.
На самом деле железом обычно называют его сплавы с малым содержанием примесей (до 0,8 %), которые сохраняют мягкость и пластичность чистого металла. Но на практике чаще применяются сплавы железа с углеродом: сталь (до 2,14 вес. % углерода) и чугун (более 2,14 вес. % углерода), а также нержавеющая (легированная) сталь с добавками легирующих металлов (хром, марганец, никель и др.). Совокупность специфических свойств железа и его сплавов делают его «металлом № 1» по важности для человека.
В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего оно встречается в составе железо-никелевых метеоритов. Распространённость железа в земной коре - 4,65 % (4-е место после O, Si, Al). Считается также, что железо составляет бо́льшую часть земного ядра.

Происхождение названия

Имеется несколько версий происхождения славянского слова «железо» (белор. жалеза, укр. залізо, ст.-слав. желѣзо, болг. желязо, сербохорв. жељезо, польск. żelazo, чеш. železo, словен. železo).
Одна из этимологий связывает праслав. *želězo с греческим словом χαλκός, что означало железо и медь, согласно другой версии *želězo родственно словам *žely «черепаха» и *glazъ «скала», с общей семой «камень». Третья версия предполагает древнее заимствование из неизвестного языка.
Романские языки (итал. ferro, фр. fer, исп. hierro, порт. ferro, рум. fier) продолжают лат. ferrum . Латинское ferrum (Германские языки заимствовали название железа (готск. eisarn,англ. iron, нем. Eisen, нидерл. ijzer,дат. jern, швед. järn) из кельтских.
Пракельтское слово *isarno- (> др.-ирл. iarn, др.-брет. hoiarn), вероятно, восходит к пра-и.е. *h1esh2r-no- «кровавый» с семантическим развитием «кровавый» > «красный» > «железо». Согласно другой гипотезе данное слово восходит к пра-и.е. *(H)ish2ro- «сильный, святой, обладающий сверхъестественной силой».
Древнегреческое слово σίδηρος, возможно, было заимствовано из того же источника, что и славянское, германское и балтийское слова для серебра.
Название природного карбоната железа (сидерита) происходит от лат. sidereus - звёздный; действительно, первое железо, попавшее в руки людям, было метеоритного происхождения. Возможно, это совпадение не случайно. В частности древнегреческое слово сидерос (σίδηρος) для железа и латинское sidus, означающее «звезда», вероятно, имеют общее происхождение.

Получение

В промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe 2 O 3) и магнетита (FeO·Fe 2 O 3).
Существуют различные способы извлечения железа из руд. Наиболее распространённым является доменный процесс.
Первый этап производства - восстановление железа углеродом в доменной печи при температуре 2000 °C. В доменной печи углерод в виде кокса, железная руда в виде агломерата или окатышей и флюс (например, известняк) подаются сверху, а снизу их встречает поток нагнетаемого горячего воздуха.
В печи углерод в виде кокса окисляется до монооксида углерода. Данный оксид образуется при горении в недостатке кислорода. В свою очередь, монооксид углерода восстанавливает железо из руды. Чтобы данная реакция шла быстрее, нагретый угарный газ пропускают через оксид железа(III). Флюс добавляется для избавления от нежелательных примесей (в первую очередь от силикатов; например кварц) в добываемой руде. Типичный флюс содержит известняк (карбонат кальция) и доломит (карбонат магния). Для устранения других примесей используют другие флюсы.
Действие флюса (в данном случае карбонат кальция) заключается в том, что при его нагревании он разлагается до его оксида. Оксид кальция соединяется с диоксидом кремния, образуя шлак - метасиликат кальция. Шлак, в отличие от диоксида кремния, плавится в печи. Более лёгкий, чем железо, шлак плавает на поверхности - это свойство позволяет разделять шлак от металла. Шлак затем может использоваться при строительстве и сельском хозяйстве. Расплав железа, полученный в доменной печи, содержит довольно много углерода (чугун). Кроме таких случаев, когда чугун используется непосредственно, он требует дальнейшей переработки.
Излишки углерода и другие примеси (сера, фосфор) удаляют из чугуна окислением в мартеновских печах или в конвертерах. Электрические печи используются и для выплавки легированных сталей.
Кроме доменного процесса, распространён процесс прямого получения железа. В этом случае предварительно измельчённую руду смешивают с особой глиной, формируя окатыши. Окатыши обжигают, и обрабатывают в шахтной печи горячими продуктами конверсии метана, которые содержат водород. Водород легко восстанавливает железо, при этом не происходит загрязнения железа такими примесями как сера и фосфор, которые являются обычными примесями в каменном угле. Железо получается в твёрдом виде, и в дальнейшем переплавляется в электрических печах.
Химически чистое железо получается электролизом растворов его солей.

Значительно раньше железа люди научились добывать и . Всего 450 лет назад испанцы, высадившиеся в Центральной и Южной Америке, обнаружили там богатые города с огромными общественными сооружениями, дворцами и храмами. Однако оказалось, что индейцы еще не знали железа. Орудия и оружие у них были сделаны только из и камня.

Из истории известно, что народы Египта, Месопотамии и Китая за 3-4 тыс. лет до н. э. производили гигантские строительные работы, чтобы обуздать силу могучих рек и направить воды на поля. Для всех этих работ требовалось много орудий - кирок, мотыг, плугов, а для защиты от набегов кочевников много оружия - мечей и стрел. В то же время меди и олова добывалось не так уж много. Поэтому развитие производства требовало нового металла, более распространенного в природе. Поиски этого металла были нелегкими: руды железа мало похожи на металл, и в древности человеку, конечно, трудно было догадаться, что именно в них содержится нужный ему металл. Кроме того, само по себе очень мягко, для изготовления орудий труда и оружия оно плохой материал.

Прошло много времени, пока человек научился извлекать железо из руд и делать из него и .

Возможно, что первые открытия железа как материала для изготовления различных предметов связаны с находками железных метеоритов, состоящих из самородного железа с примесью никеля. Может быть, наблюдая, как метеоритное железо ржавеет, люди догадались, что железо содержится в желтых землистых охрах, встречающихся часто на поверхности земли, а затем открыли способы выплавки железа.

По историческим данным, приблизительно за тысячу лет до н. э. в Ассирии, Индии, Урарту и некоторых других странах уже умели добывать и обрабатывать железо. Из него изготовляли орудия труда и разнообразной оружие. В VII в. до н. э. земледельческое население, жившее по Днепру и в причерноморских степях, также умело добывать железо. Из него скифы изготовляли ножи, мечи, и наконечники для стрел и копий и другие предметы военного и домашнего обихода.

Добыча и искусство обработки железа были широко распространены по всей Древней Руси.

Кузнецы, называемые в народе "хитрецами" в те времена не только обрабатывали, но обычно сами и добывали железо из руд. Их очень уважали. В народных сказаниях кузнец побеждает Змея Горыныча, олицетворявшего злые силы, и совершает много других героических подвигов.

Железо - мягкий металл, хорошо поддающийся ковке, но в чистом виде непригодный для изготовления инструмента.Только сплавы железа с другими веществами сообщают ему необходимые свойства, в том числе и твердость. Наиболее важны для народного хозяйства два сплава железа с углеродом - чугун , содержащий более 2% (до 6%) углерода, и сталь , содержащая от 0,03 до 2% углерода.

В древности люди не имели понятия о чугуне, но научились изготовлять сталь из железа. Железо они выплавляли в примитивных горнах, смешивая железную руду с древесным углем. Высокую температуру, необходимую для выплавления железа аз руды, они получали, применяя обыкновенные воздуходувные мехи. Их приводили в движение руками, а позднее - силой воды, ставя водяные мельницы. После плавки железной руды получалась спекшаяся масса зернистого железа, которая затем ковалась на наковальнях.

Чтобы получить из железа сталь, тонкие полоски откованного железа обкладывались древесным углем и прокаливались вместе с углем несколько дней. Конечно, таким способом получали мало стали, и она стоила дорого. Секреты изготовления стали хранились строжайшим образом. Особенно знаменитой была дамасская сталь - булат, - способ получения которой был разработан, по-видимому, древнеиндийскими мастерами, а затем освоен арабскими мастерами.

Однако все эти способы обработки железной руды и получения стали давали мало металла. Все увеличивавшаяся потребность в нем заставляла людей искать новые способы получения значительно больших количеств металла. В конце XIV - начало XV столетия горновые печи для плавки железа стали строить уже высотой в 2-3 м, чтобы получить больше металла. Мастера, производившие плавку в этих печах, заметили, что некоторые плавки выходят неудачными. Вместо железа, в печи образовывалась похожая на железо масса, которая, остывая, давала хрупкое, не поддающееся ковке вещество. Но, в отличие от железа и стали, эта масса обладала замечательным свойством: она получалась в печи в расплавленном состоянии в виде жидкости, ее можно было выпускать через отверстия из печи и делать из нее отливки разной формы. Это и был чугун.

Конечно, в старину металлурги не умели объяснить, почему в одних случаях в печи оказывалось спекшееся ковкое железо, а в других - жидкий чугун. Химии как науки в те времена не существовало, и никто из мастеров, изготовлявших железо, не мог знать, что все дело заключалось в пропорции между рудой, углем и воздухом, поступавшим в печь при плавке. Чем больше подается в печь воздуха (точнее-кислорода), тем больше углерода выгорит и он превратится в углекислый , который улетучится, и в железе останется мало углерода: так получается сталь. Если же воздуха меньше, то много углерода растворяется в железе: образуется чугун.

Довольно быстро люди научились использовать чугун не только для отливок, но и для изготовления из него ковкого железа. Для этого кусок чугуна разогревали в горнах и тем самым выжигали из него лишний углерод.

Изобретение паровой машины и ткацкого станка в XVIII в. и особенно постройка железных дорог в начале XIX в. потребовали огромного количества металла. Опять в производстве железа и стали понадобились коренные изменения.

К 1784 г. в Англии Корт ввел переработку чугуна в так называемых пламенных или отражательных печах. Этот процесс получил название пудлингования . В отражательной печи стали применять вместо древесного. Использованию каменного угля при плавке раньше мешала сера, которую содержит уголь. Она проникала в железо при соприкосновении его с углем. И содержащее серу железо становилось ломким, как только его нагревали.

В отражательной печи топка отделена порогом от ванны, где плавится чугун, и таким образом уголь непосредственно не соприкасается с . Чугун нагревается пламенем и раскаленным воздухом, проходящим над ним из топки и отражающимся от свода печи. Попутно с усовершенствованием способа получения чугуна велись усиленные поиски новых способов изготовления стали.

Тайну приготовления дамасской стали - булата - открыл знаменитый русский металлург Павел Петрович Аносов, работавший в первой половине XIX столетия на Златоустском металлургическом заводе. Он сплавлял в маленьких тиглях железо с графитом, который также представляет собой углерод, и получил замечательную дамасскую сталь. Клише из этой стали был крепче самой прочной английской стали, которая в то время считалась лучшей в мире.

В 1856 г. английский инженер Бессемер предложил продувать воздух в «сопла» - отверстия в днище реторты - через расплавленный чугун, благодаря чему в 10-20 минут весь излишний уголь превращался в углекислый газ, а чугун - в сталь.

Позднее широкое распространение получил способ плавки стали в отражательных печах, называющийся мартеновским . Мартеновские отражательные печи гораздо лучше старых отражательных печей. В специальных приспособлениях мартенов - регенераторах - воздух и горючий газ, получаемый из каменного угля предварительно нагреваются до 1000°. Нагревание происходит за счет тепла дымовых газов, идущих из той же печи. Подогрев газа и воздуха способствует развитию (при горении газа) температуры около 1800°. Этого достаточно для расплавления чугуна и стального лома.

Особенно высококачественную сталь теперь выплавляют в электропечах, где металл получают путем плавления в вольтовой дуге, температура которой достигает 3000°. Преимущества электроплавки заключаются в том, что металл не загрязняется вредными примесями, всегда присутствующими в газах топлива, сжигаемого в обычных печах.

Чугун выплавляют в доменных печах. Высота современной домны вместе со вспомогательными устройствами 40 и более метров. Чтобы понизить температуру плавления железной руды, в нее добавляют флюс , или олавень ,- вещество, которое, соединяясь с некоторыми составными частями руды, образует легкоплавкий шлак. Обычно в качестве флюса применяются плавиковый шпат, или флюорит, и др. Смесь руды и флюса называется шихтой . Шихта насыпается в иную печь вперемежку с коксом, который, сгорая, нагревает и плавит всю смесь. Кокс горит нормально лишь в том случае, если в ней вдувается воздух, предварительно нагретый до 600-850°. Воздух нагревается газами, отходящими из домны, в стальных башнях - кауиоpax ,- выложенных внутри кирпичом.

В самой нижней части печи раскаленный, встречаясь с горячим воздухом, сгорает. При этом образуется углекислый газ (С02). Он, поднимаясь кверху, превращается в другой газ - окись углерода (СО),- отличающийся высокой химической активностью.

Окись углерода жадно отнимает кислород от окислов железа. Таким образом освобождается металлическое железо, содержащее углерод, т. с. чугун, который затем стекает в нижнюю часть домны. Время от времени его выпускают через специальное отверстие в печи, и он стекает в формы, где и остывает.

Одним из наиболее распространенных металлов в земной коре после алюминия считается железо. Физические и химические свойства его таковы, что оно обладает отличной электропроводностью, теплопроводностью и ковкостью, имеет серебристо-белый цвет и высокую химическую реакционную способность быстро коррозировать при высокой влажности воздуха или больших температурах. Находясь в мелкодисперсном состоянии, оно в чистом кислороде горит и самовоспламеняется на воздухе.

Начало истории железа

В третьем тысячелетии до н. э. люди стали добывать и научились обрабатывать бронзу и медь. Широкого применения из-за дороговизны они не получили. Продолжались поиски нового металла. История железа началась в первом веке до н. э. В природе его можно встретить только в виде соединений с кислородом. Для получения чистого металла необходимо отделить последний элемент. Расплавить железо долго не удавалось, так как его надо было нагреть до 1539 градусов. И только с появлением сыродутных печей в первом тысячелетии до новой эры стали получать этот металл. На первых порах он был хрупким, содержал много шлаков.

С появлением горнов качество железа значительно улучшилось. Дальнейшую обработку оно проходило в кузнеце, где ударами молота отделялся шлак. Ковка стала одним из главных видов обработки металла, а кузнечное дело незаменимой отраслью производства. Железо в чистом виде - это очень мягкий металл. В основном его используют в сплаве с углеродом. Эта добавка усиливает такое физическое свойство железа, как твердость. Дешевый материал вскоре широко проник во все сферы деятельности человека и сделал переворот в развитии общества. Ведь еще в древние времена железные изделия покрывались толстым слоем золота. Оно имело высокую цену по сравнению с благородным металлом.

Железо в природе

Одного алюминия в литосфере содержится больше, чем железа. В природе его можно встретить только в виде соединений. Трехвалентное железо, вступая в реакцию, окрашивает почву в бурый цвет и придает песку желтоватый оттенок. Оксиды и сульфиды железа разбросаны в земной коре, иногда наблюдаются скопления минералов, из которых впоследствии и добывают металл. Содержание двухвалентного железа в некоторых минеральных источниках придает воде особый привкус.

Ржавая вода, текущая из старых водопроводных труб, окрашивается за счет трехвалентного металла. Его атомы находятся и в организме человека. Они содержатся в гемоглобине (железосодержащем белке) крови, который снабжает организм кислородом и выводит углекислый газ. В составе некоторых метеоритов содержится чистое железо, иногда встречаются целые слитки.

Какими физическими свойствами железо обладает?

Это пластичный серебристо-белого цвета металл с сероватым оттенком, имеющий металлический блеск. Он является хорошим проводником электрического тока и теплоты. Благодаря пластичности он прекрасно поддается ковке и прокатке. Железо не растворяется в воде, но разжижается в ртути, плавится при температуре 1539 и кипит при 2862 градусов по Цельсию, имеет плотность 7,9 г/см³. Особенностью физических свойств железа является то, что металл притягивается магнитом и после аннулирования внешнего магнитного поля хранит намагниченность. Используя эти свойства его можно применять для изготовления магнитов.

Химические свойства

Железо обладает следующими свойствами:

• на воздухе и в воде легко окисляется, покрываясь ржавчиной;
• в кислороде накаленная проволока горит (при этом образуется окалина в виде оксида железа);
• при температуре 700-900 градусов по Цельсию вступает в реакцию с парами воды;
• при нагревании реагирует с неметаллами (хлором, серой, бромом);
• вступает в реакции с разбавленными кислотами, в результате получаются соли железа и водород;
• не растворяется в щелочах;
• способно вытеснить металлы из растворов их солей (железный гвоздь, в растворе медного купороса, покрывается красным налетом, - это выделяется медь);
• в концентрированных щелочах при кипячении проявляется амфотерность железа.

Особенность свойств

Одним из физических свойств железа является ферромагнитность. На практике с магнитными свойствами этого материала приходится встречаться часто. Это - единственный металл, который обладает такой редкостной чертой.

Под действием магнитного поля происходит намагничивание железа. Сформировавшиеся магнитные свойства металл еще долго сохраняет и сам остается магнитом. Такое исключительное явление объясняется тем, что структура железа содержит большое количество свободных электронов, способных передвигаться.

Запасы и добыча

Одним из самых распространенных элементов на земле является железо. По содержанию в земной коре занимает четвертое место. Известно множество руд, которые содержат его, например, магнитный и бурый железняк. Металл в промышленности получают в основном из руд гематита и магнетита при помощи доменного процесса. Вначале происходит его восстановление углеродом в печи при высокой температуре 2000 градусов по Цельсию.

Для этого сверху в доменную печь подают железную руду, кокс и флюс, а снизу нагнетается поток горячего воздуха. Также применяют и прямой процесс получения железа. Измельченную руду перемешивают со специальной глиной, получая окатыши. Далее их обжигают и с помощью водорода обрабатывают в шахтной печи, где оно легко восстанавливается. Получают твердое железо, а потом переплавляют его в электрических печах. Чистый металл восстанавливают из оксидов при помощи электролиза водных растворов солей.

Преимущества железа

Основные физические свойства вещества железа дают ему и сплавам следующие преимущества перед другими металлами:

Недостатки

Кроме большого числа положительных качеств, есть и ряд отрицательных свойств металла:

• Изделия подвержены коррозии. Для устранения этого нежелательного эффекта с помощью легирования получают нержавеющие стали, а в остальных случаях делают специальную антикоррозийную обработку конструкций и деталей.
• Железо накапливает статическое электричество, поэтому изделия, содержащие его, подвергаются электрохимической коррозии и также требуют дополнительной обработки.
• Удельный вес металла составляет 7,13 г/см³. Это физическое свойство железа придает конструкциям и деталям повышенный вес.

Состав и структура

У железа по кристаллическому признаку есть четыре модификации, которые отличаются структурой и параметрами решетки. Для выплавки сплавов именно наличие фазовых переходов и легирующих добавок имеет существенное значение. Различают следующие состояния:

• Альфа-фаза. Она сохраняется до 769 градусов по Цельсию. В этом состоянии железо сохраняет свойства ферромагнетика и обладает объемно-центрированной решеткой кубического типа.
• Бета-фаза. Существует при температуре от 769 до 917 градусов по Цельсию. Имеет немного другие параметры решетки, чем в первом случае. Все физические свойства железа остаются прежними за исключением магнитных, их оно утрачивает.
• Гамма-фаза. Строение решетки становится гранецентрированным. Такая фаза проявляется в диапазоне 917-1394 градусов Цельсия.
• Омега-фаза. Такое состояние металла появляется при температуре выше 1394 градусов Цельсия. От прежней отличается только параметрами решетки.

Железо - самый востребованный металл в мире. Больше 90 процентов всего металлургического производства приходится именно на него.

Применение

Люди начали использовать сначала метеоритное железо, которое ценили выше золота. С тех пор область применения этого металла только расширялась. Ниже представлено применение железа, на основе его физических свойств:

• ферромагнитные оксиды используют для производства магнитных материалов: промышленных установок, холодильников, сувениров;
• оксиды железа применяют как минеральные краски;
• хлорид железа незаменим в радиолюбительской практике;
• сульфаты железа используют в текстильной промышленности;
• магнитная окись железа - один из важных материалов для производства устройств долговременной компьютерной памяти;
• ультрадисперсный порошок железа находит применение в черно-белых лазерных принтерах;
• прочность металла позволяет изготовлять оружие и броню;
• износостойкий чугун можно использовать для производства тормозов, дисков сцепления, а также деталей для насосов;
• жаростойкий - для доменных, термических, мартеновских печей;
• жаропрочный - для компрессорного оборудования, дизельных двигателей;
• высококачественная сталь используется для газопроводов, корпуса отопительных котлов, сушилок, стиральных и посудомоечных машин.

Заключение

Под железом часто подразумевают не сам метал, а его сплав - низкоуглеродистую электротехническую сталь. Получение чистого железа довольно сложный процесс, и поэтому его используют только для производства магнитных материалов. Как уже отмечалось, что исключительное физическое свойство простого вещества железа - это ферромагнетизм, т. е. способность намагничиваться в присутствии магнитного поля.

Магнитные свойства чистого металла до 200 раз превышают такие же показатели технической стали. На это свойство влияет и зернистость металла. Чем крупнее зерно, тем выше магнитные свойства. В некоторой степени оказывает влияние и механическая обработка. Такое чистое железо, удовлетворяющее этим требованиям, используют для получения магнитных материалов.

Технология получения железа в древности

Для получения железа из руды, сначала нужно получить крицу. Для этого сначала использовалась окисленная железная руда, которая чаще всего залегает у поверхности. После открытия ее свойств такие залежи быстро истощились в результате их интенсивной разработки.

Болотные руды распространены гораздо шире. Они образовались в субатлантическом периоде, когда в процессе заболачивания железная руда оседала на дно водоемов. Все средневековье черная металлургия использовала болотные руды. Ими даже платили повинности. Получение железа из руды в относительно большом количестве стало возможным после изобретения сыродутного горна. Это название появилось после изобретения дутья подогретым воздухом в доменных печах. В древности же металлурги подавали в горн сырой (холодный) воздух. При температуре 900 o с помощью углекислого газа, отнимающего у окиси железа кислород, происходит восстановление железа из руды и получается тесто или бесформенный, пропитанный шлаком пористый кусок – крица. Для осуществления этого процесса был необходим древесный уголь как источник углекислого газа. Крица после этого проковывалась, для того чтобы удалить из нее шлак. Сыродутный способ, иногда называемый варкой железа, неэкономичен, но он долгое время оставался единственным и неизменным способом получения черного металла.

Сначала железо выплавляли в обычных, закрытых сверху ямах, позднее стали строить глиняные печи-горны. В рабочее пространство горна слоями загружали измельченную руду и уголь, все это поджигалось, и через отверстия-сопла специальными (кожаными) мехами нагнетался воздух. Каменная порода оседает в шлак при температуре 1300-1400 o , при которой получается сталь – железо, содержащее от 0.3 до 1.2%. углерода. При остывании оно становится очень твердым. Чтобы получить чугун – плавкое железо с содержанием углерода 1.5-5%, – нужна более сложная конструкция горна с большим рабочим пространством. При этом температура плавления железа оказывалась ниже, и оно частично вытекало из горна вместе со шлаком. При остывании оно становилось хрупким, и его поначалу выбрасывали, но потом научились использовать. Чтобы получить из чугуна ковкое железо, нужно удалить из него углерод.

Первым устройством для получения железа из руды была одноразовая сыродутная печь. При огромном количестве недостатков, долгое время это был единственный способ получить металл из руды.

Древние люди долгое время жили богато и счастливо - каменные топоры делали из яшмы, а для получения меди пережигали малахит, но все хорошее имеет тенденцию кончаться. Одной из причин краха античной цивилизации Средиземноморья стало истощение минеральных ресурсов. Золото кончилось не в казне, а в недрах, олово иссякло даже на «Оловянных островах». Хотя медь и добывается на Синае и Кипре до сих пор, но те месторождения, которые разрабатываются сейчас, римлянам доступны не были. Среди прочего, кончилась и пригодная для сыродутной обработки руда. Только свинца ещё было много.

Впрочем, варварские племена, заселившие ставшую бесхозной Европу, долгое время не знали, что недра её истощены предшественниками. Учитывая громадное падение объёма производства металлов, тех ресурсов, которыми римляне побрезговали, долгое время хватало. Позже, металлургия стала возрождаться в первую очередь в Германии и Чехии - то есть, там, куда римляне не добрались с кирками и тачками.

Более высокую ступень в развитии чёрной металлургии представляли собой постоянные высокие печи называемые в Европе штукофенами. Это действительно была высокая печь - с четырёхметровой трубой для усиления тяги. Мехи штукофена качались уже несколькими людьми, а иногда и водяным двигателем. Штукофен имел дверцы, через которые раз в сутки извлекалась крица.

Изобретены штукофены были в Индии в начале первого тысячелетия до новой эры. В начале нашей эры они попали в Китай, а в VII веке вместе с «арабскими» цифрами арабы заимствовали из Индии и эту технологию. В конце XIII века штукофены стали появляться в Германии и Чехии (а ещё до того были на юге Испании) и в течение следующего века распространились по всей Европе.

Производительность штукофена была несравненно выше, чем сыродутной печи - в день он давал до 250 кг железа, а температура плавления в нем оказывалась достаточна для науглероживания части железа до состояния чугуна. Однако штукофенный чугун при остановке печи застывал на её дне, смешиваясь со шлаками, а очищать металл от шлаков умели тогда только ковкой, но как раз ей-то чугун и не поддавался. Его приходилось выбрасывать.

Иногда, впрочем, штукофенному чугуну пытались найти какое-то применение. Например, древние индусы отливали из грязного чугуна гробы, а турки в начале XIX века - пушечные ядра. Трудно судить, как гробы, но ядра из него получались - так себе.

Ядра для пушек из железистых шлаков в Европе отливали еще в конце XVI в. Из литой брусчатки делались дороги. В Нижнем Тагиле до сих пор сохранились здания с фундаментами из литых шлаковых блоков.

Металлурги давно заметили связь между температурой плавления и выходом продукта - чем выше она была, тем большую часть содержащегося в руде железа удавалось восстановить. Потому рано или поздно им приходила мысль форсировать штукофен предварительным подогревом воздуха и увеличением высоты трубы. В середине XV века в Европе появились печи нового типа - блауофены, которые сразу преподнесли сталеварам неприятный сюрприз.

Более высокая температура плавления действительно значительно повысила выход железа из руды, но она же повысила и долю железа науглероживающегося до состояния чугуна. Теперь уже не 10 %, как в штукофене, а 30 % выхода составлял чугун - «свиное железо», ни к какому делу не годное. В итоге, выигрыш часто не окупал модернизации.

Блауофенный чугун, как и штукофенный, застывал на дне печи, смешиваясь со шлаками. Он выходил несколько лучшим, так как его самого было больше, следовательно, относительное содержание шлаков выходило меньше, но продолжал оставаться малопригодным для литья. Чугун получаемый из блауофенов оказывался уже достаточно прочен, но оставался ещё очень неоднородным - из него выходили только предметы простые и грубые - кувалды, наковальни. Уже прилично выходили пушечные ядра.

Кроме того, если в сыродутных печах могло быть получено только железо, которое потом науглероживалось, то в штукофенах и блауофенах внешние слои крицы оказывались состоящими из стали. В блауофенных крицах стали было даже больше, чем железа. С одной стороны, это казалось хорошо, но, вот, разделить-то сталь и железо оказывалось весьма затруднительно. Содержание углерода становилось трудно контролировать. Только долгой ковкой можно было добиться однородности его распределения.

В своё время, столкнувшись с этими затруднениями, индусы не стали двигаться дальше, а занялись тонким усовершенствованием технологии и пришли к получению булата. Но, индусов в ту пору интересовало не количество, а качество продукта. Европейцы, экспериментируя с чугуном, скоро открыли передельный процесс, поднимающий металлургию железа на качественно новый уровень.

Следующим этапом в развитии металлургии стало появление доменных печей. За счёт увеличения размера, предварительного подогрева воздуха и механического дутья, в такой печи все железо из руды превращалось в чугун, который расплавлялся и периодически выпускался наружу. Производство стало непрерывным - печь работала круглосуточно и не остывала. За день она выдавала до полутора тонн чугуна. Перегнать же чугун в железо в горнах было значительно проще, чем выколачивать его из крицы, хотя ковка все равно требовалась - но теперь уже выколачивали шлаки из железа, а не железо из шлаков.

Доменные печи впервые были применены на рубеже XV-XVI веков в Европе. На Ближнем Востоке и в Индии эта технология появилась только в XIX веке (в значительной степени, вероятно, потому, что водяной двигатель из-за характерного дефицита воды на Ближнем Востоке не употреблялся). Наличие в Европе доменных печей позволило ей обогнать в XVI веке Турцию если не по качеству металла, то по валу. Это оказало несомненное влияние на исход борьбы, особенно когда оказалось, что из чугуна можно лить пушки.

С начала XVII века европейской кузницей стала Швеция, производившая половину железа в Европе. В середине XVIII века её роль в этом отношении стала стремительно падать в связи с очередным изобретением - применением в металлургии каменного угля.

Прежде всего надо сказать, что до XVIII века включительно каменный уголь в металлургии практически не использовался - из-за высокого содержания вредных для качества продукта примесей, в первую очередь - серы. С XVII века в Англии каменный уголь, правда, начали применять в пудлинговочных печах для отжига чугуна, но это позволяло достичь лишь небольшой экономии древесного угля - большая часть топлива расходовалась на плавку, где исключить контакт угля с рудой было невозможно.

Среди многих металлургических профессий того времени, пожалуй, самой тяжелой была профессия пудлинговщика. Пудлингование было основным способом получения железа почти на протяжении всего XIX в. Это был очень тяжелый и трудоемкий процесс. Работа при нем шла так: На подину пламенной печи загружались чушки чугуна; их расплавляли. По мере выгорания из металла углерода и других примесей температура плавления металла повышалась и из жидкого расплава начинали «вымораживаться» кристаллы довольно чистого железа. На подине печи собирался комок слипшейся тестообразной массы. Рабочие-пудлинговщики приступали к операции накатывания крицы при помощи железного лома. Перемешивая ломом массу металла, они старались собрать вокруг лома комок, или крицу, железа. Такой комок весил до 50 - 80 кг и более. Крицу вытаскивали из печи и подавали сразу под молот - для проковки с целью удаления частиц шлака и уплотнения металла.

Устранять серу коксованием научились в Англии в 1735 году, после чего возможность использовать для выплавки железа большие запасы каменного угля. Но за пределами Англии эта технология распространилась только в XIX веке.

Потребление же топлива в металлургии уже тогда было огромно - домна пожирала воз угля в час. Древесный уголь превратился в стратегический ресурс. Именно изобилие дерева в самой Швеции и принадлежащей ей Финляндии позволило шведам развернуть производство таких масштабов. Англичане, имевшие меньше лесов (да и те были зарезервированы для нужд флота), вынуждены были покупать железо в Швеции до тех пор, пока не научились использовать каменный уголь.

Электрический и индукционный способы выплавки железа

Разнообразие составов сталей очень затрудняет их выплавку. Ведь в мартеновской печи и конвертере атмосфера окислительная, и такие элементы, как хром, легко окисляются и переходят в шлак, т.е. теряются. Значит, чтобы получить сталь с содержанием хрома 18%, в печь надо дать гораздо больше хрома, чем 180 кг на тонну стали. А хром – металл дорогой. Как найти выход из этого положения?

Выход был найден в начале XX в. Для выплавки металла было предложено использовать тепло электрической дуги. В печь круглого сечения загружали металлолом, заливали чугун и опускали угольные или графитовые электроды. Между ними и металлом в печи («ванне») возникала электрическая дуга с температурой около 4000°C. Металл легко и быстро расплавлялся. А в такой закрытой электропечи можно создавать любую атмосферу – окислительную, восстановительную или совершенно нейтральную. Иными словами, можно предотвратить выгорание ценных элементов. Так была создана металлургия качественных сталей.

Позднее был предложен еще один способ электроплавки – индукционный. Из физики известно, что если металлический проводник поместить в катушку, по которой проходит ток высокой частоты, то в нем индуцируется ток и проводник нагревается. Этого тепла хватает, чтобы за определенное время расплавить металл. Индукционная печь состоит из тигля, в футеровку которого вделана спираль. По спирали пропускают ток высокой частоты, и металл в тигле расплавляется. В такой печи тоже можно создать любую атмосферу.

В электрических дуговых печах процесс плавки идет обычно в несколько стадий. Сначала из металла выжигают ненужные примеси, окисляя их (окислительный период). Затем из печи убирают (скачивают) шлак, содержащий окислы этих элементов, и загружают ферросплавы – сплавы железа с элементами, которые нужно ввести в металл. Печь закрывают и продолжают плавку без доступа воздуха (восстановительный период). В результате сталь насыщается требуемыми элементами в заданном количестве. Готовый металл выпускают в ковш и разливают.

Химические реакции при получении железа

В современной промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe 2 O 3) и магнетита (Fe 3 O 4).

Существуют различные способы извлечения железа из руд. Наиболее распространённым является доменный процесс.

Первый этап производства - восстановление железа углеродом в доменной печи при температуре 2000 °C. В доменной печи углерод в виде кокса, железная руда в виде агломерата или окатышей и флюс (например, известняк) подаются сверху, а снизу их встречает поток нагнетаемого горячего воздуха.

В печи углерод кокса окисляется до монооксида углерода (угарного газа) кислородом воздуха:

2C + O 2 → 2CO.

В свою очередь, угарный газ восстанавливает железо из руды:

3CO + Fe 2 O 3 → 2Fe + 3CO 2 .

Флюс добавляется для извлечения нежелательных примесей из руды, в первую очередь силикатов, таких как кварц (диоксид кремния). Типичный флюс содержит известняк (карбонат кальция) и доломит (карбонат магния). Против других примесей используют другие флюсы.

Действие флюса: карбонат кальция под действием тепла разлагается до оксида кальция (негашёная известь):

CaCO 3 → CaO + CO 2 .

Оксид кальция соединяется с диоксидом кремния, образуя шлак:

CaO + SiO 2 → CaSiO 3 .

Шлак, в отличие от диоксида кремния, плавится в печи. Более лёгкий, чем железо, шлак плавает на поверхности, и его можно сливать отдельно от металла. Шлак затем употребляется в строительстве и сельском хозяйстве. Расплав железа, полученный в доменной печи, содержит довольно много углерода (чугун). Кроме случаев, когда чугун используется непосредственно, он требует дальнейшей переработки.

Излишний углерод и другие примеси (сера, фосфор) удаляют из чугуна окислением в мартеновских печах или в конвертерах. Электрические печи используют и для выплавки легированных сталей.

Кроме доменного процесса, распространён процесс прямого получения железа. В этом случае предварительно измельчённую руду смешивают с особой глиной, формируя окатыши. Окатыши обжигают, и обрабатывают в шахтной печи горячими продуктами конверсии метана, содержащими водород. Водород легко восстанавливает железо, при этом не происходит загрязнения железа такими примесями как сера и фосфор - обычными примесями в каменном угле. Железо получается в твёрдом виде, и в дальнейшем переплавляется в электрических печах.

Химически чистое железо получается электролизом растворов его солей.