Métodos industriais de obtenção de ferro e seus compostos. O monóxido de carbono resultante é liberado do aço, ajudando a remover o nitrogênio e o hidrogênio do aço, os gases são liberados na forma de bolhas, fazendo com que ele ferva

Derretimento a vácuo

As→S→Sn→Sb→Cu→Mn→Ag→Pb.

Purificação de ferro por destilação em vácuo com condensação em superfície aquecida

Refino de ferro eletrolítico

Produção eletrolítica de ferro puro

Método carbonilado de purificação de ferro

Purificação de ferro por recristalização de zona

O ferro é um elemento do subgrupo lateral do oitavo grupo do quarto período da tabela periódica dos elementos químicos com número atômico 26. É designado pelo símbolo Fe (lat. Ferrum). Um dos mais comuns em crosta da terrra metais (segundo lugar depois do alumínio).
A substância simples ferro (número CAS: 7439-89-6) é um metal branco prateado maleável com alta reatividade química: o ferro corrói rapidamente em altas temperaturas ou alta umidade do ar. O ferro queima em oxigênio puro e, em um estado finamente disperso, inflama-se espontaneamente no ar.
Na verdade, o ferro costuma ser chamado de ligas com baixo teor de impurezas (até 0,8%), que retêm a maciez e ductilidade do metal puro. Mas, na prática, ligas de ferro com carbono são usadas com mais frequência: aço (até 2,14% em peso de carbono) e ferro fundido (mais de 2,14% em peso de carbono), bem como aço inoxidável (liga) com adições de metais de liga (cromo, manganês, níquel, etc.). A combinação de propriedades específicas do ferro e suas ligas torna-o o “metal nº 1” em importância para os humanos.
Na natureza, o ferro raramente é encontrado em forma pura, na maioria das vezes é encontrado em meteoritos de ferro-níquel. A abundância de ferro na crosta terrestre é de 4,65% (4º lugar depois de O, Si, Al). Acredita-se também que o ferro constitui a maior parte do núcleo da Terra.

origem do nome

Existem várias versões da origem da palavra eslava “ferro” (zheleza bielorrusso, zalizo ucraniano, zhelezo eslavo antigo, zhelezo búlgaro, zhejezo servo-croata, żelazo polonês, železo tcheco, železo esloveno).
Uma das etimologias conecta Praslav. *želězo com a palavra grega χαλκός, que significava ferro e cobre, de acordo com outra versão *želězo é cognato das palavras *žely “tartaruga” e *glazъ “rocha”, com um seme comum “pedra”. A terceira versão sugere um antigo empréstimo de uma língua desconhecida.
As línguas românicas (italiano ferro, francês fer, espanhol hierro, port ferro, romano fier) ​​continuam lat. ferro. Latim ferrum (as línguas germânicas emprestaram o nome de ferro (gótico eisarn, inglês iron, alemão Eisen, holandês ijzer, dinamarquês jern, sueco järn) do celta.
A palavra proto-céltica *isarno- (> Old Irish iarn, Old Brett hoiarn) provavelmente remonta ao Proto-I.E. *h1esh2r-no- “sangrento” com o desenvolvimento semântico “sangrento” > “vermelho” > “ferro”. De acordo com outra hipótese dada palavra volta para pra-ou seja. *(H)ish2ro- “forte, santo, possuidor de poder sobrenatural”.
A antiga palavra grega σίδηρος pode ter sido emprestada da mesma fonte que as palavras eslavas, germânicas e bálticas para prata.
O nome do carbonato de ferro natural (siderita) vem do latim. sidereus – estrelado; Na verdade, o primeiro ferro que caiu nas mãos das pessoas era de origem meteorito. Talvez esta coincidência não seja acidental. Em particular, a antiga palavra grega sideros (σίδηρος) para ferro e o latim sidus, que significa "estrela", provavelmente têm uma origem comum.

Recibo

Na indústria, o ferro é obtido a partir do minério de ferro, principalmente da hematita (Fe 2 O 3) e da magnetita (FeO Fe 2 O 3).
Existir várias maneiras extração de ferro de minérios. O mais comum é o processo de domínio.
A primeira etapa da produção é a redução do ferro com carbono em um alto-forno a uma temperatura de 2.000 °C. Em um alto-forno, o carbono na forma de coque, o minério de ferro na forma de aglomerado ou pelotas e o fundente (como calcário) são alimentados por cima e recebidos por uma corrente de ar quente forçado vindo de baixo.
Na fornalha, o carbono na forma de coque é oxidado em monóxido de carbono. Este óxido é formado durante a combustão na falta de oxigênio. Por sua vez, o monóxido de carbono reduz o ferro do minério. Para fazer essa reação ser mais rápida, aquecemos monóxido de carbono passou pelo óxido de ferro (III). O fluxo é adicionado para eliminar impurezas indesejadas (principalmente silicatos; como o quartzo) no minério extraído. Um fluxo típico contém calcário (carbonato de cálcio) e dolomita (carbonato de magnésio). Para remover outras impurezas, outros fluxos são utilizados.
O efeito do fluxo (neste caso, carbonato de cálcio) é que, quando aquecido, ele se decompõe em seu óxido. O óxido de cálcio combina-se com o dióxido de silício para formar escória - metassilicato de cálcio. A escória, ao contrário do dióxido de silício, é derretida num forno. A escória, mais leve que o ferro, flutua na superfície - esta propriedade permite que a escória seja separada do metal. A escória pode então ser utilizada na construção e agricultura. O ferro fundido produzido em um alto-forno contém bastante carbono (ferro fundido). Exceto nos casos em que o ferro fundido é utilizado diretamente, requer processamento adicional.
O excesso de carbono e outras impurezas (enxofre, fósforo) são removidos do ferro fundido por oxidação em fornos abertos ou conversores. Fornos elétricos também são usados ​​para fundir ligas de aço.
Além do processo de alto-forno, é comum o processo de produção direta de ferro. Nesse caso, o minério pré-triturado é misturado à argila especial, formando pelotas. As pelotas são queimadas e tratadas em um forno de cuba com produtos de conversão de metano quente, que contêm hidrogênio. O hidrogênio reduz facilmente o ferro sem contaminar o ferro com impurezas como enxofre e fósforo, que são impurezas comuns no carvão. O ferro é obtido na forma sólida e posteriormente fundido em fornos elétricos.
Quimicamente ferro puro obtido por eletrólise de soluções de seus sais.

Muito antes, as pessoas aprenderam a extrair ferro. Há apenas 450 anos, os espanhóis desembarcaram na região Central e América do Sul, descobriu ali cidades ricas com enormes edifícios públicos, palácios e templos. Porém, descobriu-se que os índios ainda não conheciam o ferro. Suas ferramentas e armas eram feitas apenas de pedra.

É sabido pela história que os povos do Egito, Mesopotâmia e China 3-4 mil anos AC. e. produziu gigantesco obras de construção para aproveitar o poder de rios caudalosos e direcionar as águas para os campos. Todo esse trabalho exigiu muitas ferramentas - picaretas, enxadas, arados, e para proteger contra os ataques dos nômades muitas armas - espadas e flechas. Ao mesmo tempo, não foram extraídos muito cobre e estanho. Portanto, o desenvolvimento da produção exigiu um novo metal, de natureza mais comum. A busca por esse metal não foi fácil: os minérios de ferro têm pouca semelhança com o metal e, nos tempos antigos, era, claro, difícil para uma pessoa adivinhar que continham o metal de que precisava. Além disso, por si só é muito macio; é um material pobre para fazer ferramentas e armas.

Muito tempo se passou antes que o homem aprendesse a extrair ferro dos minérios e a fabricá-lo.

É possível que as primeiras descobertas do ferro como material de fabricação vários itens associado às descobertas de meteoritos de ferro constituídos por ferro nativo com uma mistura de níquel. Talvez, ao observar a ferrugem do ferro dos meteoritos, as pessoas tenham percebido que o ferro estava contido nos ocres amarelos e terrosos frequentemente encontrados na superfície da Terra, e então descobriram maneiras de fundir o ferro.

Segundo dados históricos, aproximadamente mil anos AC. e. na Assíria, na Índia, em Urartu e em alguns outros países, eles já sabiam extrair e processar ferro. Ferramentas e várias armas foram feitas a partir dele. No século 7 AC e. A população agrícola que vivia ao longo do Dnieper e nas estepes do Mar Negro também sabia extrair ferro. Os citas o usaram para fazer facas, espadas, pontas de flechas e de lança e outros utensílios militares e domésticos.

A mineração e a arte do processamento do ferro foram difundidas em toda a Rússia Antiga.

Os ferreiros, popularmente chamados de “astutos” naquela época, não apenas processavam, mas geralmente extraíam eles próprios o ferro dos minérios. Eles eram muito respeitados. Nos contos populares, o ferreiro derrota a Serpente Gorynych, que personificava forças malígnas, e realiza muitos outros feitos heróicos.

Ferro - metal macio, bem passível de forjamento, mas em sua forma pura, inadequado para fazer ferramentas, apenas ligas de ferro com outras substâncias o fornecem. propriedades necessárias, incluindo dureza. Mais importante para economia nacional duas ligas de ferro e carbono - ferro fundido contendo mais de 2% (até 6%) de carbono, e aço, contendo de 0,03 a 2% de carbono.

Antigamente, as pessoas não tinham ideia do ferro fundido, mas aprenderam a fazer aço a partir do ferro. Fundiam ferro em forjas primitivas, misturando minério de ferro com carvão. Eles obtiveram a alta temperatura necessária para fundir o minério de ferro com foles comuns. Foram acionados manualmente e, posteriormente, pela força da água, instalando moinhos de água. Após a fundição do minério de ferro, obteve-se uma massa sinterizada de ferro granular, que foi forjada em bigornas.

Para fazer aço a partir do ferro, finas tiras de ferro forjado eram revestidas com carvão e calcinadas junto com o carvão por vários dias. É claro que pouco aço era obtido dessa maneira e era caro. Os segredos da produção de aço foram mantidos rigorosamente. Foi especialmente famoso Aço Damasco- aço damasco, - método de obtenção aparentemente desenvolvido por antigos mestres indianos e depois dominado por mestres árabes.

No entanto, todos esses métodos de processamento de minério de ferro e produção de aço produziram pouco metal. A necessidade cada vez maior disso forçou as pessoas a procurar novas maneiras de obter benefícios significativos grandes quantidades metal No final do século XIV - início do século XV, começaram a ser construídos fornos de fundição de ferro com altura de 2 a 3 m para a obtenção de mais metal. Os artesãos que realizaram a fusão nestes fornos notaram que alguns fundidos não tiveram sucesso. Em vez de ferro, formou-se na fornalha uma massa semelhante ao ferro, que, ao ser resfriada, deu uma substância quebradiça e impossível de forjar. Mas, ao contrário do ferro e do aço, essa massa tinha uma propriedade notável: era obtida em uma fornalha em estado fundido na forma de líquido, podia ser liberada pelos orifícios da fornalha e a partir dela podiam ser feitas peças fundidas. Formas diferentes. Isto era ferro fundido.

É claro que antigamente os metalúrgicos não sabiam explicar por que em alguns casos o ferro maleável sinterizado acabava no forno, e em outros - o ferro fundido líquido. A química como ciência não existia naquela época, e nenhum dos artesãos que fabricavam o ferro poderia saber que a questão toda estava na proporção entre minério, carvão e ar que entrava na fornalha durante a fundição. Quanto mais ar (mais precisamente, oxigênio) for fornecido à fornalha, mais carbono queimará e se transformará em dióxido de carbono, que evaporará, e pouco carbono permanecerá no ferro: é assim que se obtém o aço. Se houver menos ar, muito carbono se dissolve no ferro: forma-se ferro fundido.

Rapidamente, as pessoas aprenderam a usar o ferro fundido não apenas para peças fundidas, mas também para fazer ferro maleável a partir dele. Para fazer isso, um pedaço de ferro fundido foi aquecido em forjas e, assim, o excesso de carbono foi queimado.

Invenção motor a vapor e um tear no século XVIII. e especialmente a construção ferrovias no início do século XIX exigia uma enorme quantidade de metal. Mais uma vez, foram necessárias mudanças fundamentais na produção de ferro e aço.

Em 1784, na Inglaterra, Cort introduziu o processamento de ferro fundido nos chamados fornos de chama ou reverberatórios. Este processo é chamado poça. Na fornalha reverberatória passaram a utilizá-la no lugar da madeira. Usar carvão Durante a fundição, o enxofre contido no carvão costumava interferir. Penetrou no ferro ao entrar em contato com o carvão. E o ferro contendo enxofre tornou-se quebradiço assim que foi aquecido.

Em um forno reverberatório, a fornalha é separada por uma soleira do banho onde o ferro fundido é fundido e, portanto, o carvão não entra em contato direto. O ferro fundido é aquecido por uma chama e pelo ar quente que passa sobre ele vindo da fornalha e refletido no teto da fornalha. Junto com o aprimoramento do método de produção do ferro fundido, foi intensificada a busca por novos métodos de produção do aço.

O segredo da preparação do aço Damasco - aço Damasco - foi descoberto pelo famoso metalúrgico russo Pavel Petrovich Anosov, que trabalhou na Usina Metalúrgica Zlatoust na primeira metade do século XIX. Ele misturou ferro com grafite, que também é carbono, em pequenos cadinhos para criar o notável aço de Damasco. O clichê feito desse aço era mais resistente que o aço inglês mais resistente, que na época era considerado o melhor do mundo.

Em 1856, o engenheiro inglês Bessemer propôs soprar ar em “bicos” - orifícios no fundo da retorta - através de ferro fundido fundido, devido ao qual em 10-20 minutos todo o excesso de carvão foi convertido em dióxido de carbono e o ferro fundido em aço .

Mais tarde, um método de fusão de aço em fornos reverberatórios, denominado lareira aberta. Os fornos reverberatórios de lareira aberta são muito melhores do que os antigos fornos reverberatórios. Em dispositivos especiais de fornos abertos - regeneradores - o ar e o gás combustível obtido do carvão são pré-aquecidos a 1000°. O aquecimento ocorre devido ao calor dos gases de combustão provenientes do mesmo forno. O aquecimento do gás e do ar contribui para o desenvolvimento (durante a combustão do gás) de uma temperatura de cerca de 1800°. Isso é suficiente para derreter ferro fundido e sucata de aço.

Aço particularmente de alta qualidade é agora fundido em fornos elétricos, onde o metal é produzido por fusão em um arco voltaico, cuja temperatura chega a 3.000°. As vantagens da fundição elétrica são que o metal não fica contaminado com impurezas nocivas que estão sempre presentes nos gases combustíveis queimados em fornos convencionais.

O ferro fundido é fundido em altos-fornos. A altura de um alto-forno moderno juntamente com dispositivos auxiliares 40 ou mais metros. Para diminuir o ponto de fusão do minério de ferro, adicione fluxo, ou cervo, - uma substância que, quando combinada com alguns componentes minério, forma uma escória de baixo ponto de fusão. Normalmente, espatoflúor ou fluorita, etc. são usados ​​​​como fluxo. A mistura de minério e fluxo é chamada. cobrar. A carga é despejada em outro forno misturado ao coque, que, ao ser queimado, aquece e derrete toda a mistura. A coca queima normalmente apenas se for soprado ar nela, pré-aquecido a 600-850°. O ar é aquecido por gases provenientes do alto-forno em torres metálicas - Kauiorax- forrado com tijolos por dentro.

Bem no fundo da fornalha, o ar quente encontra o ar quente e queima. Isso produz dióxido de carbono (CO2). À medida que sobe, transforma-se em outro gás - o monóxido de carbono (CO), que se caracteriza por alta atividade química.

O monóxido de carbono retira avidamente o oxigênio dos óxidos de ferro. Assim libertado ferro metálico, contendo carbono, ou seja, ferro fundido, que então flui para o fundo do alto-forno. De vez em quando ele sai por um orifício especial do forno e escorre para as formas, onde esfria.

O ferro é considerado um dos metais mais comuns na crosta terrestre depois do alumínio. Físico e Propriedades quimicas Suas propriedades são tais que possui excelente condutividade elétrica, condutividade térmica e maleabilidade, possui cor branco-prateada e alta reatividade química, podendo corroer rapidamente sob alta umidade ou altas temperaturas. Estando em um estado finamente disperso, queima em oxigênio puro e inflama espontaneamente no ar.

O início da história do ferro

No terceiro milênio AC. e. as pessoas começaram a minerar e aprenderam a processar bronze e cobre. Eles não foram amplamente utilizados devido ao seu alto custo. A busca por novo metal continuou. A história do ferro começou no século I AC. e. Na natureza, só pode ser encontrado na forma de compostos com oxigênio. Para obter metal puro é necessário separar o último elemento. Demorou muito para derreter o ferro, pois teve que ser aquecido a 1.539 graus. E somente com o advento dos fornos de fabricação de queijos no primeiro milênio aC nova era começou a receber esse metal. No início era frágil e continha muitos resíduos.

Com o advento das forjas, a qualidade do ferro melhorou significativamente. Foi posteriormente processado em ferraria, onde a escória foi separada por golpes de martelo. O forjamento tornou-se um dos principais tipos de processamento do metal e a ferraria tornou-se um ramo de produção indispensável. O ferro em sua forma pura é um metal muito macio. É usado principalmente em uma liga com carbono. Este suplemento melhora esta propriedade física ferro como dureza. Material barato logo penetrou amplamente em todas as esferas da atividade humana e fez uma revolução no desenvolvimento da sociedade. Afinal, mesmo nos tempos antigos produtos de ferro coberto com uma espessa camada de ouro. Tinha um preço alto comparado ao metal nobre.

Ferro na natureza

A litosfera contém mais alumínio do que ferro. Na natureza, só pode ser encontrado na forma de compostos. O ferro férrico, reagindo, torna o solo marrom e dá à areia um tom amarelado. Óxidos e sulfetos de ferro estão espalhados na crosta terrestre, às vezes há acúmulos de minerais, dos quais o metal é posteriormente extraído. O teor de ferro ferroso em algumas fontes minerais confere à água um sabor especial.

Água enferrujada fluindo do velho encanamento, é colorido devido ao metal trivalente. Seus átomos também são encontrados no corpo humano. Eles são encontrados na hemoglobina (proteína que contém ferro) no sangue, que fornece oxigênio ao corpo e remove o dióxido de carbono. Alguns meteoritos contêm ferro puro, às vezes são encontrados lingotes inteiros.

Quais propriedades físicas o ferro possui?

É um metal dúctil branco prateado com tonalidade acinzentada e brilho metálico. Ele é um bom guia corrente elétrica e calor. Devido à sua ductilidade, presta-se perfeitamente ao forjamento e à laminação. O ferro não se dissolve na água, mas se liquefaz no mercúrio, derrete a uma temperatura de 1.539 e ferve a 2.862 graus Celsius, e tem densidade de 7,9 g/cm³. Uma peculiaridade das propriedades físicas do ferro é que o metal é atraído por um ímã e, após o cancelamento do campo magnético externo, retém a magnetização. Usando essas propriedades, ele pode ser usado para fazer ímãs.

Propriedades quimicas

O ferro tem as seguintes propriedades:

• no ar e na água oxida facilmente, ficando coberto de ferrugem;
• no oxigênio, o fio quente queima (e a incrustação é formada na forma de óxido de ferro);
• a uma temperatura de 700-900 graus Celsius, reage com o vapor de água;
• quando aquecido, reage com não metais (cloro, enxofre, bromo);
• reage com ácidos diluídos, resultando em sais de ferro e hidrogênio;
• não se dissolve em álcalis;
• é capaz de deslocar metais de soluções de seus sais (um prego de ferro em uma solução de sulfato de cobre fica coberto com uma camada vermelha - é a liberação de cobre);
• Em álcalis concentrados, durante a fervura, manifesta-se a anfotericidade do ferro.

Propriedades de recursos

Uma das propriedades físicas do ferro é a ferromagneticidade. Na prática, as propriedades magnéticas deste material são frequentemente encontradas. Este é o único metal que possui uma característica tão rara.

Sob a influência de um campo magnético, o ferro é magnetizado. Formado Propriedades magneticas o metal retém por muito tempo e permanece um ímã. Este fenômeno excepcional é explicado pelo fato de a estrutura do ferro conter um grande número de elétrons livres que podem se mover.

Reservas e produção

Um dos elementos mais comuns na terra é o ferro. Em termos de conteúdo na crosta terrestre, ocupa o quarto lugar. Existem muitos minérios conhecidos que o contêm, por exemplo, minério de ferro magnético e marrom. O metal é produzido na indústria principalmente a partir de minérios de hematita e magnetita pelo processo de alto-forno. Primeiro, ele é reduzido com carbono em um forno a alta temperatura de 2.000 graus Celsius.

Para fazer isso, minério de ferro, coque e fundente são alimentados no alto-forno por cima e uma corrente de ar quente é injetada por baixo. Também é utilizado um processo direto de obtenção de ferro. O minério triturado é misturado com argila especial para formar pelotas. Em seguida, são queimados e tratados com hidrogênio em um forno de cuba, onde é facilmente restaurado. Eles obtêm ferro sólido e depois o fundem em fornos elétricos. O metal puro é reduzido de óxidos usando eletrólise soluções aquosas sais

Benefícios do Ferro

As propriedades físicas básicas da substância ferrosa conferem a ela e às suas ligas as seguintes vantagens sobre outros metais:

Imperfeições

Além de um grande número qualidades positivas, há uma série de propriedades negativas do metal:

• Os produtos são suscetíveis à corrosão. Para eliminar esse efeito indesejável, os aços inoxidáveis ​​​​são produzidos por liga e, em outros casos, é feito um especial tratamento anticorrosivo estruturas e detalhes.
• O ferro acumula eletricidade estática, portanto os produtos que o contêm estão sujeitos à corrosão eletroquímica e também requerem processamento adicional.
• A gravidade específica do metal é 7,13 g/cm³. Esta propriedade física do ferro confere maior peso às estruturas e peças.

Composição e estrutura

O ferro tem quatro modificações cristalinas que diferem na estrutura e nos parâmetros de rede. Para a fundição de ligas, é a presença de transições de fase e aditivos de liga que tem importância significativa. Os seguintes estados são diferenciados:

• Fase alfa. Dura até 769 graus Celsius. Nesse estado, o ferro retém as propriedades de um ferromagneto e possui uma rede cúbica de corpo centrado.
• Fase beta. Existe em temperaturas de 769 a 917 graus Celsius. Possui parâmetros de rede ligeiramente diferentes dos do primeiro caso. Todas as propriedades físicas do ferro permanecem as mesmas, com exceção das magnéticas, que ele perde.
• Fase gama. A estrutura de rede torna-se centrada na face. Esta fase aparece na faixa de 917-1394 graus Celsius.
• Fase ômega. Este estado do metal aparece em temperaturas acima de 1394 graus Celsius. Difere do anterior apenas nos parâmetros da rede.

O ferro é o metal mais procurado do mundo. Mais de 90% de toda a produção metalúrgica recai sobre ela.

Aplicativo

As pessoas começaram a usar o ferro meteorito, que era mais valorizado que o ouro. Desde então, o escopo desse metal só se expandiu. A seguir estão os usos do ferro com base em suas propriedades físicas:

• Os óxidos ferromagnéticos são usados ​​para produzir materiais magnéticos: instalações industriais, geladeiras, lembranças;
• os óxidos de ferro são usados ​​como tintas minerais;
• o cloreto férrico é indispensável na prática do rádio amador;
• Os sulfatos ferrosos são utilizados na indústria têxtil;
• O óxido de ferro magnético é um dos materiais importantes para a produção de dispositivos de memória de computador de longo prazo;
• pó de ferro ultrafino é usado em impressoras a laser preto e branco;
• a resistência do metal permite a fabricação de armas e armaduras;
• o ferro fundido resistente ao desgaste pode ser usado para produzir freios, discos de embreagem e peças para bombas;
• resistente ao calor - para altos-fornos, fornos térmicos, fornos abertos;
• resistente ao calor - para equipamento compressor, motores a diesel;
• o aço de alta qualidade é usado em gasodutos, carcaças de caldeiras de aquecimento, secadoras, máquinas de lavar e lava-louças.

Conclusão

Ferro geralmente não significa o metal em si, mas sua liga - aço elétrico com baixo teor de carbono. A obtenção de ferro puro é um processo bastante complexo e, portanto, é utilizado apenas para a produção de materiais magnéticos. Como já foi observado, a excepcional propriedade física substância simples o ferro é ferromagnetismo, ou seja, a capacidade de ficar magnetizado na presença de um campo magnético.

As propriedades magnéticas do metal puro são até 200 vezes superiores às do aço técnico. Esta propriedade também é afetada pelo tamanho do grão do metal. Quanto maior o grão, maiores serão as propriedades magnéticas. Até certo ponto isso influencia restauração mecânica. O ferro puro que atende a esses requisitos é usado para produzir materiais magnéticos.

Tecnologia de produção de ferro na antiguidade

Para obter ferro do minério, primeiro você precisa obter o kritsa. Para isso, foi utilizado pela primeira vez minério de ferro oxidado, que ocorre com mais frequência próximo à superfície. Após a descoberta de suas propriedades, tais depósitos foram rapidamente esgotados como resultado de seu intenso desenvolvimento.

Os minérios do pântano são muito mais difundidos. Eles se formaram no período subatlântico, quando, durante o processo de alagamento, o minério de ferro se depositou no fundo dos reservatórios. Ao longo da Idade Média, a metalurgia ferrosa utilizou minérios de pântano. Eles até pagaram taxas com eles. A produção de ferro a partir do minério em quantidades relativamente grandes tornou-se possível após a invenção do forno de queijo. Este nome surgiu após a invenção do jato de ar aquecido em altos-fornos. Nos tempos antigos, os metalúrgicos alimentavam a forja com ar bruto (frio). A uma temperatura de 900 o, com a ajuda do dióxido de carbono, que remove o oxigênio do óxido de ferro, o ferro é reduzido do minério e obtém-se uma massa ou pedaço disforme e poroso embebido em escória - kritsa. Para realizar esse processo, era necessário carvão vegetal como fonte de dióxido de carbono. A kritsa foi então forjada para remover a escória dela. O método de fabricação de queijo, às vezes chamado de fundição de ferro, não é econômico, mas por muito tempo permaneceu o único e inalterado método de obtenção de metal ferroso.

No início, o ferro era fundido em covas comuns, fechadas no topo, começaram a ser construídos fornos de barro; EM espaço de trabalho a forja foi carregada em camadas com minério triturado e carvão, tudo foi incendiado e o ar foi forçado através dos orifícios dos bicos com foles especiais (de couro). A rocha se transforma em escória a uma temperatura de 1300-1400 o, onde se obtém o aço - contendo ferro de 0,3 a 1,2%. carbono. À medida que esfria, fica muito difícil. Para obter ferro fundido - ferro fusível com teor de carbono de 1,5-5% - você precisa de mais projeto complexo forja com grande espaço de trabalho. Nesse caso, o ponto de fusão do ferro foi menor e ele saiu parcialmente do forno junto com a escória. Quando esfriou, ficou frágil e a princípio foi jogado fora, mas depois aprenderam a usar. Para fazer ferro maleável a partir de ferro fundido, é necessário remover o carbono dele.

O primeiro dispositivo para obtenção de ferro a partir do minério foi uma fornalha de queijo descartável. Com um grande número de desvantagens, durante muito tempo esta foi a única forma de obter metal a partir do minério.

Os povos antigos viveram ricamente e felizes por muito tempo - machados de pedra eram feitos de jaspe e malaquita era queimada para obter cobre, mas todas as coisas boas tendem a acabar. Uma das razões do colapso civilização antiga O Mediterrâneo ficou esgotado de recursos minerais. O ouro acabou não no tesouro, mas nas profundezas, o estanho acabou até nas “Ilhas de Estanho”. Embora o cobre ainda seja extraído no Sinai e em Chipre, os depósitos que estão sendo desenvolvidos agora não estavam disponíveis para os romanos. Entre outras coisas, também acabou o minério adequado para o processamento de queijos. Ainda havia muita liderança.

No entanto, as tribos bárbaras que colonizaram a Europa, que se tornou sem dono, não sabiam há muito tempo que os seus recursos minerais tinham sido esgotados pelos seus antecessores. Dada a enorme queda na produção de metal, os recursos que os romanos desprezavam foram suficientes durante muito tempo. Mais tarde, a metalurgia começou a renascer principalmente na Alemanha e na República Tcheca - isto é, onde os romanos não chegavam com picaretas e carrinhos de mão.

Estágio superior em desenvolvimento metalurgia ferrosa Eram fornos altos permanentes chamados fornos de estuque na Europa. Era realmente um fogão alto - com um cano de quatro metros para aumentar a tração. O fole da máquina de estuque já era balançado por várias pessoas, e às vezes por uma máquina hidráulica. O Stukofen tinha portas pelas quais a kritsa era retirada uma vez por dia.

Os Stukofens foram inventados na Índia no início do primeiro milênio AC. No início da nossa era, eles chegaram à China e, no século VII, junto com os algarismos “arábicos”, os árabes pegaram emprestada essa tecnologia da Índia. No final do século XIII, os Stuktofens começaram a aparecer na Alemanha e na República Checa (e mesmo antes disso estavam no sul de Espanha) e ao longo do século seguinte espalharam-se por toda a Europa.

A produtividade do stukofen era incomparavelmente maior do que a de um forno de sopro de queijo - produzia até 250 kg de ferro por dia, e a temperatura de fusão nele era suficiente para cementar parte do ferro ao estado de ferro fundido. Porém, quando o forno foi desligado, o ferro fundido de estuque congelou no fundo, misturando-se com a escória, e naquela época só era possível limpar o metal da escória por forjamento, mas o ferro fundido não se prestava a isso. Ele teve que ser jogado fora.

Às vezes, porém, eles tentavam encontrar algum uso para o ferro fundido de gesso. Por exemplo, os antigos hindus lançavam caixões de ferro fundido sujo e os turcos do início do século XIX lançavam balas de canhão. É difícil avaliar como são os caixões, mas as balas de canhão que saíram deles eram mais ou menos.

As balas de canhão para canhões foram lançadas a partir de escória ferrosa na Europa no final do século XVI. As estradas eram feitas de pedras fundidas. Em Nizhny Tagil, os edifícios com fundações em blocos de concreto fundido ainda estão preservados.

Os metalúrgicos há muito notaram uma ligação entre a temperatura de fusão e o rendimento do produto - quanto maior, maior parte do ferro contido no minério poderia ser recuperada. Portanto, mais cedo ou mais tarde, surgiu-lhes a ideia de acelerar o stukofen pré-aquecendo o ar e aumentando a altura do tubo. Em meados do século XV, surgiu na Europa um novo tipo de forno - o blauofen, que imediatamente causou uma surpresa desagradável às siderúrgicas.

Mais aquecer na verdade, a fusão aumentou significativamente o rendimento do ferro do minério, mas também aumentou a proporção de ferro carburizado para o estado de ferro fundido. Agora, não 10%, como na máquina de estuque, mas 30% da produção foi de ferro fundido - “ferro suíno”, impróprio para qualquer finalidade. Como resultado, os ganhos muitas vezes não compensaram a modernização.

O ferro fundido Blauofen, como o ferro fundido de estuque, solidificou no fundo do forno, misturando-se com a escória. Ficou um pouco melhor, pois havia mais, portanto, o teor relativo de escória era menor, mas continuou impróprio para fundição. O ferro fundido obtido do blauofen revelou-se bastante forte, mas ainda assim permaneceu muito heterogêneo - dele saíram apenas objetos simples e ásperos - marretas, bigornas. Já havia algumas balas de canhão saindo.

Além disso, se nos fornos de sopro de queijo só era possível obter ferro, que era então carbonetado, então no stukofen e no blauofen as camadas externas de kritsa eram feitas de aço. Havia ainda mais aço nos krits blauofen do que ferro. Por um lado, isso parecia bom, mas acabou sendo muito difícil separar o aço do ferro. O teor de carbono estava se tornando difícil de controlar. Somente o forjamento longo poderia alcançar uniformidade de sua distribuição.

Ao mesmo tempo, diante dessas dificuldades, os índios não avançaram, mas começaram a refinar a tecnologia e passaram a produzir aço damasco. Mas os indianos daquela época não se interessavam pela quantidade, mas sim pela qualidade do produto. Os europeus, fazendo experiências com ferro fundido, logo descobriram um processo de conversão que elevou a metalurgia do ferro a um nível qualitativamente novo.

A próxima etapa no desenvolvimento da metalurgia foi o surgimento dos altos-fornos. Com o aumento do tamanho, o pré-aquecimento do ar e o jateamento mecânico, nesse forno todo o ferro do minério era convertido em ferro fundido, que era derretido e periodicamente liberado para fora. A produção tornou-se contínua - o forno funcionava 24 horas por dia e não esfriava. Produzia até uma tonelada e meia de ferro fundido por dia. Destilar ferro fundido em ferro nas forjas era muito mais fácil do que arrancá-lo do kritsa, embora ainda fosse necessário forjar - mas agora eles estavam extraindo escória do ferro, e não ferro da escória.

Os altos-fornos foram usados ​​pela primeira vez na virada dos séculos XV para XVI na Europa. No Médio Oriente e na Índia, esta tecnologia apareceu apenas no século XIX (em grande parte, provavelmente porque o motor hidráulico não foi utilizado devido à escassez de água característica no Médio Oriente). A presença de altos-fornos na Europa permitiu-lhe ultrapassar a Turquia no século XVI, se não na qualidade do metal, pelo menos no fuste. Isto teve uma influência indubitável no resultado da luta, especialmente quando se descobriu que os canhões podiam ser fundidos em ferro fundido.

A partir do início do século XVII, a Suécia tornou-se a forja europeia, produzindo metade do ferro da Europa. Em meados do século XVIII, seu papel nesse sentido começou a diminuir rapidamente devido a outra invenção - o uso do carvão na metalurgia.

Em primeiro lugar, é preciso dizer que até o século XVIII inclusive o carvão praticamente não era utilizado na metalurgia - devido ao alto teor de impurezas prejudiciais à qualidade do produto, principalmente enxofre. A partir do século XVII, na Inglaterra, o carvão passou a ser utilizado em fornos de poça para recozimento de ferro fundido, mas isso possibilitou apenas uma pequena economia de carvão - a maior parte do combustível era gasta na fundição, onde era impossível excluir o contato de carvão com minério.

Entre as muitas profissões metalúrgicas da época, talvez a profissão mais difícil fosse a de poça. O pudim foi o principal método de obtenção de ferro durante quase todo o século XIX. Foi um processo muito difícil e demorado. O trabalho sob ele foi assim: ferro-gusa foi carregado no fundo da fornalha ardente; eles foram derretidos. À medida que o carbono e outras impurezas queimavam do metal, a temperatura de fusão do metal aumentava e os cristais de ferro bastante puro começaram a “congelar” do líquido fundido. Um pedaço de massa pegajosa, semelhante a uma massa, coletada no fundo do forno. Os trabalhadores da poça iniciaram a operação de enrolar a massa com uma sucata de ferro. Misturando a massa de metal com um pé-de-cabra, eles tentaram coletar um pedaço, ou kritsa, de ferro ao redor do pé-de-cabra. Esse caroço pesava de 50 a 80 kg ou mais. A kritsa foi retirada do forno e alimentada diretamente sob o martelo - para forjamento, a fim de remover partículas de escória e compactar o metal.

Eles aprenderam a eliminar o enxofre por meio do coque na Inglaterra em 1735, após o que se tornou possível usar grandes reservas de carvão para fundir ferro. Mas fora da Inglaterra, esta tecnologia se espalhou apenas no século XIX.

O consumo de combustível na metalurgia já era enorme naquela época - o alto-forno devorava um carro cheio de carvão por hora. O carvão tornou-se um recurso estratégico. Foi a abundância de madeira na própria Suécia e na Finlândia que permitiu aos suecos desenvolver a produção em tal escala. Os ingleses, que tinham menos florestas (e mesmo aquelas reservadas para as necessidades da frota), foram obrigados a comprar ferro na Suécia até aprenderem a usar o carvão.

Métodos elétricos e de indução de fundição de ferro

A variedade de composições do aço torna sua fundição muito difícil. Afinal, em um forno aberto e conversor, a atmosfera é oxidante, e elementos como o cromo oxidam facilmente e se transformam em escória, ou seja, estão perdidos. Isso significa que para obter aço com teor de cromo de 18%, é necessário alimentar o forno muito mais cromo do que 180 kg por tonelada de aço. E o cromo é um metal caro. Como encontrar uma saída para esta situação?

Uma solução foi encontrada no início do século XX. Foi proposto usar o calor de um arco elétrico para fundir metal. A sucata foi carregada em um forno circular, o ferro fundido foi derramado e os eletrodos de carbono ou grafite foram baixados. Entre eles e o metal da fornalha (“banho”) surgiu arco eletrico com uma temperatura de cerca de 4000°C. O metal derreteu com facilidade e rapidez. E em um forno elétrico tão fechado você pode criar qualquer atmosfera - oxidante, redutora ou completamente neutra. Em outras palavras, é possível evitar que elementos valiosos se queimem. Foi assim que surgiu a metalurgia dos aços de alta qualidade.

Mais tarde, outro método de fusão elétrica foi proposto - a indução. É sabido pela física que se um condutor metálico for colocado em uma bobina por onde passa uma corrente de alta frequência, uma corrente é induzida nele e o condutor aquece. Esse calor é suficiente para derreter o metal em um determinado tempo. Um forno de indução consiste em um cadinho com uma espiral embutida em seu revestimento. Uma corrente de alta frequência passa pela espiral e o metal no cadinho derrete. Nesse fogão você também pode criar qualquer atmosfera.

Nos fornos elétricos a arco, o processo de fundição geralmente ocorre em várias etapas. Primeiro, impurezas desnecessárias são queimadas do metal, oxidando-o (período de oxidação). Em seguida, a escória contendo os óxidos desses elementos é retirada (baixada) do forno, e as ferroligas - ligas de ferro com elementos que precisam ser introduzidos no metal - são carregadas. O forno é fechado e a fusão continua sem acesso de ar (período de recuperação). Como resultado, o aço fica saturado com os elementos necessários em uma determinada quantidade. O metal acabado é liberado em uma concha e vazado.

Reações químicas na produção de ferro

Na indústria moderna, o ferro é obtido a partir do minério de ferro, principalmente da hematita (Fe 2 O 3) e da magnetita (Fe 3 O 4).

Existem várias maneiras de extrair ferro dos minérios. O mais comum é o processo de domínio.

A primeira etapa da produção é a redução do ferro com carbono em um alto-forno a uma temperatura de 2.000 °C. Em um alto-forno, o carbono na forma de coque, o minério de ferro na forma de aglomerado ou pelotas e o fundente (como calcário) são alimentados por cima e recebidos por uma corrente de ar quente forçado vindo de baixo.

Na fornalha, o carbono do coque é oxidado em monóxido de carbono (monóxido de carbono) pelo oxigênio atmosférico:

2C + O 2 → 2CO.

Por sua vez, o monóxido de carbono reduz o ferro do minério:

3CO + Fe 2 O 3 → 2Fe + 3CO 2.

O fluxo é adicionado para extrair impurezas indesejadas do minério, principalmente silicatos como o quartzo (dióxido de silício). Um fluxo típico contém calcário (carbonato de cálcio) e dolomita (carbonato de magnésio). Outros fluxos são usados ​​contra outras impurezas.

Efeito do fluxo: o carbonato de cálcio se decompõe sob a influência do calor em óxido de cálcio (cal viva):

CaCO 3 → CaO + CO 2 .

O óxido de cálcio combina-se com o dióxido de silício para formar escória:

CaO + SiO 2 → CaSiO 3.

A escória, ao contrário do dióxido de silício, é derretida num forno. A escória, mais leve que o ferro, flutua na superfície e pode ser drenada separadamente do metal. A escória é então utilizada na construção e na agricultura. O ferro fundido produzido em um alto-forno contém bastante carbono (ferro fundido). Exceto nos casos em que o ferro fundido é utilizado diretamente, requer processamento adicional.

O excesso de carbono e outras impurezas (enxofre, fósforo) são removidos do ferro fundido por oxidação em fornos abertos ou conversores. Fornos elétricos também são usados ​​para fundir ligas de aço.

Além do processo de alto-forno, é comum o processo de produção direta de ferro. Nesse caso, o minério pré-triturado é misturado à argila especial, formando pelotas. As pelotas são queimadas e tratadas em um forno de cuba com produtos de conversão de metano quente contendo hidrogênio. O hidrogênio reduz facilmente o ferro sem contaminar o ferro com impurezas como enxofre e fósforo - impurezas comuns no carvão. O ferro é obtido na forma sólida e posteriormente fundido em fornos elétricos.

O ferro quimicamente puro é obtido por eletrólise de soluções de seus sais.