Metode industriale de obținere a fierului și a compușilor acestuia. Monoxidul de carbon rezultat este eliberat din oțel, ajutând la îndepărtarea azotului și hidrogenului din oțel, gazele sunt eliberate sub formă de bule, făcându-l să fiarbă.

Topire în vid

As→S→Sn→Sb→Cu→Mn→Ag→Pb.

Purificarea fierului prin distilare în vid cu condensare pe o suprafață încălzită

Rafinarea electrolitică a fierului

Producția electrolitică de fier pur

Metoda carbonil de purificare a fierului

Purificarea fierului prin recristalizare zonală

Fierul este un element al subgrupului lateral al celui de-al optulea grup al perioadei a patra a sistemului periodic de elemente chimice cu număr atomic 26. Este desemnat prin simbolul Fe (latină Ferrum). Una dintre cele mai comune în scoarta terestra metale (locul doi după aluminiu).
Substanța simplă fier (număr CAS: 7439-89-6) este un metal alb-argintiu maleabil cu reactivitate chimică ridicată: fierul se corodează rapid la temperaturi ridicate sau umiditate ridicată în aer. Fierul arde în oxigen pur și, într-o stare fin dispersată, se aprinde spontan în aer.
De fapt, fierul este de obicei numit aliaje cu un conținut scăzut de impurități (până la 0,8%), care păstrează moliciunea și ductilitatea metalului pur. Dar, în practică, aliajele de fier cu carbon sunt mai des folosite: oțel (până la 2,14% în greutate carbon) și fontă (mai mult de 2,14% în greutate carbon), precum și oțel inoxidabil (aliat) cu adaos de metale de aliaj. (crom, mangan, nichel etc.). Combinația de proprietăți specifice ale fierului și aliajelor sale îl fac „metalul nr. 1” în importanță pentru oameni.
În natură, fierul se găsește rar în formă pură, cel mai adesea se găsește în meteoriții fier-nichel. Abundența fierului în scoarța terestră este de 4,65% (locul 4 după O, Si, Al). De asemenea, se crede că fierul constituie cea mai mare parte a miezului pământului.

Originea numelui

Există mai multe versiuni ale originii cuvântului slav „fier” (zheleza belarusă, zalizo ucraineană, zhelezo slavă veche, zhelezo bulgară, zhelezo sârbo-croată, żelazo polonez, železo ceh, železo slovenă).
Una dintre etimologii leagă Praslav. *želězo cu cuvântul grecesc χαλκός, care însemna fier și cupru, conform unei alte versiuni *želězo este înrudit cu cuvintele *žely „țestoasă” și *glazъ „stâncă”, cu un seme comun „piatră”. A treia versiune sugerează un împrumut străvechi dintr-o limbă necunoscută.
Limbi romanice (italiana ferro, franceza fer, spaniola hierro, port ferro, roman fier) ​​continua lat. ferrum. Ferrum latin (limbile germanice au împrumutat denumirea de fier (gotic eisarn, engleză iron, germană Eisen, olandeză ijzer, daneză jern, suedeză järn) de la celtică.
Cuvântul proto-celtic *isarno- (> veche irlandeză iarn, Old Brett hoiarn) se întoarce probabil la Proto-I.E. *h1esh2r-no- „sângeros” cu dezvoltarea semantică „sângeros” > „roșu” > „fier”. Conform unei alte ipoteze cuvânt dat se întoarce la pra-i.e. *(H)ish2ro- „puternic, sfânt, care posedă putere supranaturală”.
Cuvântul grecesc antic σίδηρος poate să fi fost împrumutat din aceeași sursă ca și cuvintele slave, germanice și baltice pentru argint.
Denumirea de carbonat natural de fier (siderit) vine din latină. sidereus - înstelat; Într-adevăr, primul fier care a căzut în mâinile oamenilor a fost de origine meteoritică. Poate că această coincidență nu este întâmplătoare. În special, cuvântul grecesc antic sideros (σίδηρος) pentru fier și latinescul sidus, care înseamnă „stea”, au probabil o origine comună.

Chitanță

În industrie, fierul se obține din minereu de fier, în principal din hematită (Fe 2 O 3) și magnetită (FeO Fe 2 O 3).
Sunt diverse moduri extragerea fierului din minereuri. Cel mai comun este procesul de domeniu.
Prima etapă de producție este reducerea fierului cu carbon într-un furnal la o temperatură de 2000 °C. Într-un furnal, carbonul sub formă de cocs, minereul de fier sub formă de aglomerat sau pelete și fluxul (cum ar fi calcarul) sunt alimentate de sus și sunt îndeplinite de un curent de aer cald forțat de jos.
În cuptor, carbonul sub formă de cocs este oxidat la monoxid de carbon. Acest oxid se formează în timpul arderii în lipsă de oxigen. La rândul său, monoxidul de carbon reduce fierul din minereu. Pentru ca această reacție să meargă mai repede, încălzită monoxid de carbon trecut prin oxid de fier (III). Fluxul este adăugat pentru a scăpa de impuritățile nedorite (în primul rând silicații, cum ar fi cuarțul) din minereul extras. Un flux tipic conține calcar (carbonat de calciu) și dolomit (carbonat de magneziu). Pentru îndepărtarea altor impurități se folosesc alte fluxuri.
Efectul fluxului (în acest caz carbonat de calciu) este că atunci când este încălzit, acesta se descompune în oxidul său. Oxidul de calciu se combină cu dioxidul de siliciu pentru a forma zgură - metasilicat de calciu. Zgura, spre deosebire de dioxidul de siliciu, este topită într-un cuptor. Zgura, mai ușoară decât fierul, plutește la suprafață - această proprietate permite separarea zgurii de metal. Zgura poate fi folosită apoi în construcţii şi agricultură. Fierul topit produs într-un furnal conține destul de mult carbon (fontă). Cu excepția cazurilor în care fonta este utilizată direct, aceasta necesită o prelucrare ulterioară.
Excesul de carbon și alte impurități (sulf, fosfor) sunt îndepărtate din fontă prin oxidare în cuptoare cu focar deschis sau convertoare. Cuptoarele electrice sunt folosite și pentru topirea oțelurilor aliate.
Pe lângă procesul de furnal, procesul de producție directă a fierului este comun. În acest caz, minereul pre-zdrobit este amestecat cu argilă specială, formând pelete. Peleții sunt arse și tratați într-un cuptor cu arbore cu produse fierbinți de conversie a metanului, care conțin hidrogen. Hidrogenul reduce cu ușurință fierul fără a contamina fierul cu impurități precum sulful și fosforul, care sunt impurități comune în cărbune. Fierul este obținut sub formă solidă și ulterior este topit cuptoare electrice.
Chimic fier pur obţinut prin electroliza soluţiilor sărurilor sale.

Mult mai devreme, oamenii au învățat să mine fierul. Cu doar 450 de ani în urmă, spaniolii au debarcat în Central și America de Sud, a descoperit acolo orașe bogate cu clădiri publice uriașe, palate și temple. Cu toate acestea, s-a dovedit că indienii nu cunoșteau încă fierul. Uneltele și armele lor erau făcute numai din piatră.

Din istorie se știe că popoarele Egiptului, Mesopotamiei și Chinei au 3-4 mii de ani î.Hr. e. produs gigantic lucrari de constructii pentru a valorifica puterea râurilor puternice și a direcționa apele către câmpuri. Toată această muncă a necesitat o mulțime de unelte - târâtoare, sape, pluguri și pentru a proteja împotriva raidurilor nomazilor o mulțime de arme - săbii și săgeți. În același timp, nu s-a extras mult cupru și staniu. Prin urmare, dezvoltarea producției a necesitat un metal nou, mai comun în natură. Căutarea acestui metal nu a fost ușoară: minereurile de fier seamănă puțin cu metalul și, în cele mai vechi timpuri, era, desigur, dificil pentru o persoană să ghicească că acestea conțineau metalul de care avea nevoie. În plus, în sine este foarte moale, este un material sărac pentru fabricarea de unelte și arme.

A trecut mult timp înainte ca omul să învețe să extragă fier din minereuri și să facă fier din el.

Este posibil ca primele descoperiri ale fierului ca material de fabricație diverse articole asociat cu descoperirile de meteoriți de fier constând din fier nativ cu un amestec de nichel. Poate că, observând modul în care fierul meteorit a ruginit, oamenii și-au dat seama că fierul era conținut în ocrele galbene, pământești care se găsesc adesea pe suprafața pământului, și apoi au descoperit modalități de topire a fierului.

Conform datelor istorice, aproximativ o mie de ani î.Hr. e. în Asiria, India, Urartu și în alte țări știau deja să extragă și să prelucreze fierul. Din el s-au făcut unelte și diverse arme. În secolul al VII-lea î.Hr e. Populația agricolă care trăia de-a lungul Niprului și în stepele Mării Negre știa și ea să extragă fier. Sciții îl foloseau pentru a face cuțite, săbii, vârfuri de săgeți și vârfuri de lance și alte obiecte militare și de uz casnic.

Mineritul și arta prelucrării fierului erau larg răspândite în întreaga Rusie Antică.

Fierarii, numiți în mod popular „sprețuiți” în acele vremuri, nu numai că prelucrau, ci de obicei extrageau ei înșiși fierul din minereuri. Erau foarte respectați. În poveștile populare, fierarul îl învinge pe Șarpele Gorynych, care a personificat forțele malefice, și săvârșește multe alte fapte eroice.

fier de călcat - metal moale, bine predispus la forjare, dar în forma sa pură nepotrivită pentru fabricarea uneltelor o dau numai aliajele de fier cu alte substanțe proprietățile necesare, inclusiv duritatea. Cel mai important pentru economie nationala două aliaje de fier și carbon - fontă care conțin mai mult de 2% (până la 6%) carbon și oţel, conţinând de la 0,03 la 2% carbon.

În cele mai vechi timpuri, oamenii nu aveau idee despre fontă, dar au învățat să facă oțel din fier. Au topit fierul în cuptoare primitive, amestecând minereu de fier cu cărbune. Ei au obținut temperatura ridicată necesară pentru a topi minereul de fier folosind burdufuri obișnuiți. Au fost puse în mișcare manual, iar mai târziu prin puterea apei, instalându-se mori de apă. După topirea minereului de fier s-a obținut o masă sinterizată de fier granular, care a fost apoi forjată pe nicovale.

Pentru a face oțel din fier, fâșii subțiri de fier forjat au fost căptușite cu cărbune și calcinate împreună cu cărbunele timp de câteva zile. Desigur, s-a obținut puțin oțel în acest fel și a fost scump. Secretele producției de oțel au fost păstrate cu strictețe. A fost deosebit de faimos oțel damasc- oțel damasc, - metoda de obținere care a fost dezvoltată aparent de vechii maeștri indieni, iar apoi stăpânită de maeștrii arabi.

Cu toate acestea, toate aceste metode de prelucrare a minereului de fier și de producere a oțelului au dat puțin metal. Nevoia din ce în ce mai mare de el i-a forțat pe oameni să caute noi modalități de a obține în mod semnificativ cantitati mari metal La sfarsitul secolului al XIV-lea - inceputul secolului al XV-lea au inceput sa fie construite cuptoare pentru topirea fierului cu inaltimea de 2-3 m pentru a obtine mai mult metal. Meșterii care au efectuat topirea în aceste cuptoare au observat că unele topituri nu au avut succes. În loc de fier, în cuptor s-a format o masă asemănătoare fierului, care, la răcire, a dat o substanță fragilă, de nefalsificat. Dar, spre deosebire de fier și oțel, această masă avea o proprietate remarcabilă: era obținută într-un cuptor în stare topită sub formă de lichid, putea fi eliberată prin găurile din cuptor și din ea se puteau face turnări. forme diferite. Aceasta a fost fontă.

Desigur, pe vremuri, metalurgiștii nu știau cum să explice de ce, în unele cazuri, fonta maleabilă sinterizată ajungea în cuptor, iar în altele - fontă lichidă. Chimia ca știință nu exista în acele vremuri și niciunul dintre meșterii care fabricau fier nu putea ști că întregul punct era în proporția dintre minereu, cărbune și aer care intra în cuptor în timpul topirii. Cu cât mai mult aer (mai precis, oxigen) este furnizat cuptorului, cu atât mai mult carbon se va arde și se va transforma în dioxid de carbon, care se va evapora, iar puțin carbon va rămâne în fier: așa se obține oțelul. Dacă există mai puțin aer, atunci se dizolvă mult carbon în fier: se formează fonta.

Destul de repede, oamenii au învățat să folosească fonta nu numai pentru turnare, ci și pentru a face fontă maleabilă din aceasta. Pentru a face acest lucru, o bucată de fontă a fost încălzită în forje și astfel a ars excesul de carbon din ea.

Invenţie motor cu aburși un războaie de țesut în secolul al XVIII-lea. si mai ales constructia căi ferate la începutul secolului al XIX-lea necesita o cantitate mare de metal. Din nou, au fost necesare schimbări fundamentale în producția de fier și oțel.

Până în 1784, în Anglia, Cort a introdus prelucrarea fontei în așa-numitele cuptoare cu flacără sau reverberație. Acest proces se numește bălţuire. În cuptorul cu reverberație au început să-l folosească în loc de lemn. Utilizare cărbuneÎn timpul topirii, sulful conținut în cărbune obișnuia să interfereze. A pătruns în fier când a intrat în contact cu cărbunele. Și fierul care conținea sulf a devenit casant de îndată ce a fost încălzit.

Într-un cuptor cu reverberație, focarul este separat printr-un prag de baia în care se topește fonta și astfel cărbunele nu intră în contact direct cu. Fonta este încălzită de o flacără și aerul fierbinte care trece peste ea din focar și reflectat de pe acoperișul cuptorului. Odată cu îmbunătățirea metodei de producere a fontei, s-a efectuat o căutare intensificată pentru noi metode de producere a oțelului.

Secretul preparării oțelului Damasc - oțelul damasc - a fost descoperit de celebrul metalurgist rus Pavel Petrovici Anosov, care a lucrat la Uzina Metalurgică Zlatoust în prima jumătate a secolului al XIX-lea. El a aliat fier cu grafit, care este și carbon, în creuzete mici pentru a crea remarcabilul oțel Damasc. Clișeul făcut din acest oțel era mai puternic decât cel mai puternic oțel englezesc, care la acea vreme era considerat cel mai bun din lume.

În 1856, inginerul englez Bessemer a propus suflarea aerului în „duze” - găuri în fundul retortei - prin fontă topită, datorită căreia în 10-20 de minute tot cărbunele în exces a fost transformat în dioxid de carbon, iar fonta în oțel. .

Mai târziu, o metodă de topire a oțelului în cuptoare cu reverberație, numită vatră deschisă. Cuptoarele cu reverberație cu vatră deschisă sunt mult mai bune decât cuptoarele cu reverberație vechi. În dispozitivele speciale pentru cuptoare cu focar deschis - regeneratoare - aerul și gazul combustibil obținut din cărbune sunt preîncălzite la 1000°. Încălzirea are loc datorită căldurii gazelor de ardere care provin din același cuptor. Încălzirea gazului și a aerului contribuie la dezvoltarea (în timpul arderii gazelor) a unei temperaturi de aproximativ 1800°. Acest lucru este suficient pentru a topi fonta și fier vechi.

Oțelul deosebit de de înaltă calitate este acum topit în cuptoarele electrice, unde metalul este produs prin topirea într-un arc voltaic, a cărui temperatură ajunge la 3000°. Avantajele topirii electrice sunt că metalul nu este contaminat cu impurități nocive care sunt întotdeauna prezente în gazele combustibile arse în cuptoarele convenționale.

Fonta este topită în furnalele înalte. Înălțimea unui furnal modern împreună cu dispozitive auxiliare 40 sau mai mult de metri. Pentru a scădea punctul de topire al minereului de fier, adăugați flux, sau cerb, - o substanță care, atunci când este combinată cu unele componente minereu, formează o zgură cu punct de topire scăzut. În mod obișnuit, spatul fluor sau fluorit etc. sunt utilizați ca flux. Se numește amestec de minereu și flux încărca. Sarcina este turnată într-un alt cuptor amestecat cu cocs, care, atunci când este ars, încălzește și topește întregul amestec. Coca-Cola arde în mod normal numai dacă este suflat aer în el, preîncălzit la 600-850°. Aerul este încălzit de gazele provenite din furnal în turnuri de oțel - kauiorax- căptușită cu cărămizi în interior.

În partea de jos a cuptorului, aerul fierbinte se întâlnește cu aerul fierbinte și arde. Aceasta produce dioxid de carbon (CO2). Pe măsură ce crește, se transformă într-un alt gaz - monoxid de carbon (CO), care se caracterizează printr-o activitate chimică ridicată.

Monoxidul de carbon ia cu lăcomie oxigenul din oxizii de fier. Astfel eliberat fier metalic, care conțin carbon, adică fontă, care se varsă apoi în fundul furnalului. Din cand in cand se elibereaza printr-un orificiu special din cuptor, si curge in forme, unde se raceste.

Fierul este considerat unul dintre cele mai comune metale din scoarța terestră după aluminiu. Fizice și proprietăți chimice Proprietățile sale sunt de așa natură încât are o conductivitate electrică excelentă, conductivitate termică și maleabilitate, are o culoare alb-argintiu și o reactivitate chimică ridicată și se poate coroda rapid la umiditate ridicată sau temperaturi ridicate. Fiind într-o stare fin dispersată, arde în oxigen pur și se aprinde spontan în aer.

Începutul istoriei fierului

În mileniul III î.Hr. e. oamenii au început să mine și au învățat să prelucreze bronzul și cuprul. Nu au fost utilizate pe scară largă din cauza costului lor ridicat. Căutarea noului metal a continuat. Istoria fierului a început în secolul I î.Hr. e. În natură, poate fi găsit doar sub formă de compuși cu oxigen. Pentru a obține metal pur, este necesar să se separe ultimul element. A durat mult timp pentru a topi fierul, deoarece a trebuit să fie încălzit la 1539 de grade. Și numai odată cu apariția cuptoarelor de brânzeturi în primul mileniu î.Hr noua era a început să obțină acest metal. La început era fragilă și conținea multe deșeuri.

Odată cu apariția forjelor, calitatea fierului s-a îmbunătățit semnificativ. A fost prelucrată în continuare într-un fierar, unde zgura a fost separată prin lovituri de ciocan. Forja a devenit unul dintre principalele tipuri de prelucrare a metalelor, iar fierăria a devenit o ramură indispensabilă a producției. Fierul în forma sa pură este un metal foarte moale. Este folosit în principal într-un aliaj cu carbon. Acest supliment îmbunătățește acest lucru proprietate fizică duritate ca fierul. Material ieftin curând a pătruns pe scară largă în toate sferele activității umane și a făcut o revoluție în dezvoltarea societății. La urma urmei, chiar și în cele mai vechi timpuri produse din fier acoperit cu un strat gros de aur. Avea un preț mare în comparație cu metalul nobil.

Fierul în natură

Litosfera conține mai mult aluminiu decât fier. În natură, poate fi găsit doar sub formă de compuși. Fierul feric, reacționând, face pământul maro și dă nisipului o nuanță gălbuie. Oxizii și sulfurile de fier sunt împrăștiate în scoarța terestră, uneori apar acumulări de minerale, din care se extrage ulterior metalul. Conținutul de fier feros din unele izvoare minerale conferă apei un gust deosebit.

Apă ruginită curgând din vechime conducte de apă, este colorat datorită metalului trivalent. Atomii săi se găsesc și în corpul uman. Se găsesc în hemoglobină (proteine ​​care conțin fier) ​​din sânge, care furnizează organismului oxigen și elimină dioxidul de carbon. Unii meteoriți conțin fier pur, uneori se găsesc lingouri întregi.

Ce proprietăți fizice are fierul?

Este un metal alb-argintiu ductil, cu o nuanță cenușie și o strălucire metalică. Este un ghid bun curent electric si caldura. Datorită ductilității sale, se pretează perfect la forjare și laminare. Fierul nu se dizolvă în apă, ci se lichefiază în mercur, se topește la temperatura de 1539 și fierbe la 2862 grade Celsius, are o densitate de 7,9 g/cm³. O particularitate a proprietăților fizice ale fierului este că metalul este atras de un magnet și, după anularea câmpului magnetic extern, păstrează magnetizarea. Folosind aceste proprietăți, poate fi folosit pentru a face magneți.

Proprietăți chimice

Fierul are următoarele proprietăți:

• în aer și apă se oxidează ușor, devenind acoperit de rugină;
• în oxigen, sârma fierbinte arde (și se formează depuneri sub formă de oxid de fier);
• la temperatura de 700-900 de grade Celsius, reactioneaza cu vaporii de apa;
• cand este incalzit, reactioneaza cu nemetale (clor, sulf, brom);
• reacționează cu acizii diluați, rezultând săruri de fier și hidrogen;
• nu se dizolvă în alcalii;
• este capabil să înlocuiască metalele din soluțiile sărurilor lor (un cui de fier într-o soluție de sulfat de cupru devine acoperit cu un strat roșu - aceasta este eliberarea de cupru);
• În alcaline concentrate la fierbere se manifestă amfoteritatea fierului.

Proprietăți caracteristice

Una dintre proprietățile fizice ale fierului este feromagneticitatea. În practică, proprietățile magnetice ale acestui material sunt adesea întâlnite. Acesta este singurul metal care are o caracteristică atât de rară.

Sub influența unui câmp magnetic, fierul este magnetizat. Format proprietăți magnetice metalul se reține mult timp și el însuși rămâne un magnet. Acest fenomen excepțional se explică prin faptul că structura fierului conține un număr mare de electroni liberi care se pot mișca.

Rezerve și producție

Unul dintre cele mai comune elemente de pe pământ este fierul. În ceea ce privește conținutul din scoarța terestră, se află pe locul patru. Există multe minereuri cunoscute care îl conțin, de exemplu, minereul de fier magnetic și brun. Metalul este produs în industrie în principal din minereuri de hematită și magnetită, folosind procesul de furnal. În primul rând, este redus cu carbon într-un cuptor la o temperatură ridicată de 2000 de grade Celsius.

Pentru a face acest lucru, minereul de fier, cocsul și fluxul sunt introduse în furnal de sus și un curent de aer cald este injectat de jos. Se folosește și un proces direct de obținere a fierului. Minereul zdrobit este amestecat cu argilă specială pentru a forma pelete. Apoi, acestea sunt arse și tratate cu hidrogen într-un cuptor cu arbore, unde este ușor de restaurat. Ei obțin fier solid și apoi îl topesc în cuptoare electrice. Metalul pur este redus din oxizi prin electroliză solutii apoase săruri

Beneficiile fierului

Proprietățile fizice de bază ale substanței de fier îi conferă acesteia și aliajelor sale următoarele avantaje față de alte metale:

Defecte

Pe lângă un număr mare calități pozitive, există o serie de proprietăți negative ale metalului:

• Produsele sunt susceptibile la coroziune. Pentru a elimina acest efect nedorit, oțelurile inoxidabile sunt produse prin aliere, iar în alte cazuri se face unul special. tratament anticoroziv structuri si detalii.
• Fierul acumulează electricitate statică, astfel încât produsele care o conțin sunt supuse coroziunii electrochimice și necesită, de asemenea, o prelucrare suplimentară.
• Greutatea specifică a metalului este de 7,13 g/cm³. Această proprietate fizică a fierului conferă structurilor și părților o greutate crescută.

Compoziție și structură

Fierul are patru modificări cristaline care diferă în structura și parametrii rețelei. Pentru topirea aliajelor, prezența tranzițiilor de fază și a aditivilor de aliere are o importanță semnificativă. Se disting următoarele stări:

• Faza alfa. Rezistă până la 769 de grade Celsius. În această stare, fierul păstrează proprietățile unui feromagnet și are o rețea cubică centrată pe corp.
• Faza beta. Există la temperaturi de la 769 la 917 grade Celsius. Are parametrii de rețea ușor diferiți decât în ​​primul caz. Toate proprietățile fizice ale fierului rămân aceleași, cu excepția celor magnetice, pe care le pierde.
• faza gamma. Structura zăbrelei devine centrată pe față. Această fază apare în intervalul 917-1394 grade Celsius.
• faza Omega. Această stare a metalului apare la temperaturi peste 1394 de grade Celsius. Diferă de precedentul doar prin parametrii rețelei.

Fierul este cel mai căutat metal din lume. Mai mult de 90 la sută din toată producția metalurgică cade pe ea.

Aplicație

Oamenii au început să folosească fierul meteorit, care era evaluat mai mult decât aurul. De atunci, domeniul acestui metal s-a extins doar. Următoarele sunt utilizările fierului pe baza proprietăților sale fizice:

• Oxizii ferromagnetici sunt utilizați pentru a produce materiale magnetice: instalatii industriale, frigidere, suveniruri;
• oxizii de fier sunt folosiți ca vopsele minerale;
• clorura ferică este indispensabilă în practica radioamatorilor;
• Sulfații feroși sunt utilizați în industria textilă;
• oxidul de fier magnetic este unul dintre materiale importante pentru producerea de dispozitive de memorie pe termen lung pentru computer;
• pulberea ultrafină de fier este utilizată în imprimantele laser alb-negru;
• rezistența metalului face posibilă fabricarea de arme și armuri;
• fonta rezistentă la uzură poate fi utilizată pentru a produce frâne, discuri de ambreiaj și piese pentru pompe;
• rezistent la căldură - pentru furnal, cuptoare termice, cuptoare cu focar deschis;
• rezistent la caldura - pt echipamente compresoare, motoare diesel;
• Oțelul de înaltă calitate este utilizat pentru conductele de gaz, carcasele cazanelor de încălzire, uscătoarelor, mașinilor de spălat și mașinilor de spălat vase.

Concluzie

Fierul înseamnă adesea nu metalul în sine, ci aliajul său - oțel electric cu emisii scăzute de carbon. Obținerea fierului pur este un proces destul de complex și, prin urmare, este utilizat numai pentru producerea de materiale magnetice. După cum sa menționat deja, proprietatea fizică excepțională substanță simplă fierul este feromagnetism, adică capacitatea de a se magnetiza în prezența unui câmp magnetic.

Proprietățile magnetice ale metalului pur sunt de până la 200 de ori mai mari decât cele ale oțelului tehnic. Această proprietate este afectată și de mărimea granulelor metalului. Cu cât boabele sunt mai mari, cu atât sunt mai mari proprietățile magnetice. Într-o oarecare măsură influențează prelucrare. Un astfel de fier pur care îndeplinește aceste cerințe este folosit pentru a produce materiale magnetice.

Tehnologia producerii fierului în antichitate

Pentru a obține fier din minereu, trebuie mai întâi să obțineți kritsa. Pentru aceasta, a fost folosit pentru prima dată minereul de fier oxidat, care apare cel mai adesea în apropierea suprafeței. După descoperirea proprietăților sale, astfel de depozite s-au epuizat rapid ca urmare a dezvoltării lor intensive.

Minereurile de mlaștină sunt mult mai răspândite. S-au format în perioada subatlantică, când, în timpul procesului de mlaștină, minereul de fier s-a depus pe fundul rezervoarelor. De-a lungul Evului Mediu, metalurgia feroasă a folosit minereuri de mlaștină. Au plătit chiar și taxe cu ei. Producerea fierului din minereu în cantități relativ mari a devenit posibilă după inventarea cuptorului pentru brânză. Acest nume a apărut după inventarea suflarii cu aer încălzit în furnalele înalte. În cele mai vechi timpuri, metalurgiștii introduceau aer brut (rece) în forjă. La o temperatură de 900 o, cu ajutorul dioxidului de carbon, care elimină oxigenul din oxidul de fier, se reduce fierul din minereu și se obține un aluat sau o bucată poroasă fără formă înmuiată în zgură - kritsa. Pentru a realiza acest proces, a fost nevoie de cărbune ca sursă de dioxid de carbon. Kritsa a fost apoi forjată pentru a îndepărta zgura din ea. Metoda de fabricare a brânzei, numită uneori topirea fierului, este neeconomică, dar multă vreme a rămas singura și neschimbată metodă de obținere a metalului feros.

La început, fierul a fost topit în gropi obișnuite, închise la vârf, au început să fie construite cuptoare de lut. ÎN spațiu de lucru forja era încărcată cu minereu zdrobit și cărbune în straturi, totul a fost incendiat, iar aerul era forțat prin orificiile duzei cu burdufuri speciale (de piele). Roca se depune în zgură la o temperatură de 1300-1400 o, la care se obține oțel - fier care conține de la 0,3 la 1,2%. carbon. Pe măsură ce se răcește, devine foarte tare. Pentru a obține fontă - fier fuzibil cu un conținut de carbon de 1,5-5% - aveți nevoie de mai mult design complex forja cu spatiu mare de lucru. În acest caz, punctul de topire al fierului a fost mai scăzut și a curjat parțial din cuptor împreună cu zgura. Când s-a răcit, a devenit fragil și la început a fost aruncat, dar apoi au învățat să-l folosească. Pentru a face fier maleabil din fontă, trebuie să îndepărtați carbonul din acesta.

Primul dispozitiv pentru obținerea fierului din minereu a fost un cuptor pentru brânză de unică folosință. Cu un număr mare de dezavantaje, pentru o lungă perioadă de timp aceasta a fost singura modalitate de a obține metal din minereu.

Oamenii antici au trăit bogat și fericiți pentru o lungă perioadă de timp - topoarele de piatră erau făcute din jasp, iar malachitul era ars pentru a obține cupru, dar toate lucrurile bune tind să se încheie. Unul dintre motivele prăbușirii civilizație antică Mediterana s-a epuizat de resurse minerale. Aurul s-a terminat nu în vistierie, ci în adâncuri, până și în „Insulele de staniu”. Deși cuprul este încă exploatat în Sinai și Cipru, zăcămintele care sunt în curs de dezvoltare acum nu erau disponibile romanilor. Printre altele, s-a epuizat și minereul potrivit pentru prelucrarea brânzei. Mai era mult plumb.

Cu toate acestea, triburile barbare care au așezat Europa, devenită fără stăpân, nu au știut de multă vreme că resursele sale minerale au fost epuizate de predecesorii lor. Având în vedere scăderea uriașă a producției de metale, resursele pe care romanii le disprețuiau au fost suficiente pentru o lungă perioadă de timp. Mai târziu, metalurgia a început să revină în primul rând în Germania și Republica Cehă - adică acolo unde romanii nu ajungeau cu târnăcobi și roabe.

Stadiul superior de dezvoltare metalurgia feroasă erau cuptoare înalte permanente numite cuptoare cu stuc în Europa. Era într-adevăr o sobă înaltă - cu o țeavă de patru metri pentru a spori tracțiunea. Burduful mașinii de stucat se legăna deja de mai multe persoane și, uneori, de un motor cu apă. Stukofen avea uși prin care kritsa era scos o dată pe zi.

Stukofenii au fost inventați în India la începutul primului mileniu î.Hr. La începutul erei noastre, au venit în China, iar în secolul al VII-lea, împreună cu cifrele „arabe”, arabii au împrumutat această tehnologie din India. La sfârșitul secolului al XIII-lea, Stuktofens au început să apară în Germania și Republica Cehă (și chiar înainte se aflau în sudul Spaniei) și în secolul următor s-au răspândit în toată Europa.

Productivitatea stuktofenului a fost incomparabil mai mare decât cea a unui cuptor de suflat brânzeturi - producea până la 250 kg de fier pe zi, iar temperatura de topire în acesta era suficientă pentru a carbura o parte din fier la starea de fontă. Cu toate acestea, când cuptorul a fost oprit, fonta de ipsos a înghețat la fundul ei, amestecându-se cu zgură, iar în acel moment puteau curăța metalul de zgură doar prin forjare, dar fonta nu s-a predat la acest lucru. A trebuit să fie aruncat.

Uneori, însă, au încercat să găsească o anumită utilizare pentru fonta ipsos. De exemplu, vechii hinduși au turnat sicrie din fontă murdară, iar turcii, la începutul secolului al XIX-lea, au aruncat ghiulele. Este greu să judeci cum sunt sicriele, dar ghiulele care au ieșit din el au fost atât de așa.

Gurile de tun pentru tunuri au fost turnate din zgura feroasă în Europa la sfârșitul secolului al XVI-lea. Drumurile au fost făcute din pavaj turnate. În Nizhny Tagil se mai păstrează clădirile cu fundații din blocuri de zgură turnate.

Metalurgiștii au observat de multă vreme o legătură între temperatura de topire și randamentul produsului - cu cât era mai mare, cu atât mai mare parte din fierul conținut în minereu putea fi recuperată. Prin urmare, mai devreme sau mai târziu le-a venit ideea să accelereze stukofenul prin preîncălzirea aerului și creșterea înălțimii țevii. La mijlocul secolului al XV-lea, în Europa a apărut un nou tip de cuptor - blauofen, care a oferit imediat producătorilor de oțel o surpriză neplăcută.

Mai mult temperatură ridicată topirea a crescut de fapt semnificativ randamentul fierului din minereu, dar a crescut și proporția de fier carburat față de starea fontei. Acum, nu 10%, ca în mașina de stucat, ci 30% din producție a fost fontă - „fier de porc”, nu este potrivit pentru niciun scop. Drept urmare, câștigurile de multe ori nu au plătit modernizarea.

Fonta Blauofen, ca fonta stucată, solidificată la fundul cuptorului, amestecându-se cu zgură. A ieșit ceva mai bine, deoarece era mai mult, prin urmare, conținutul relativ de zgură a fost mai mic, dar a continuat să rămână nepotrivit pentru turnare. Fonta obținută din blauofen s-a dovedit a fi destul de puternică, dar a rămas totuși foarte eterogenă - din ea au ieșit doar obiecte simple și aspre - baros, nicovale. Au fost deja destul de multe ghiule care ieșeau.

În plus, dacă în cuptoarele de suflare a brânzei se putea obține numai fier, care a fost apoi carburat, atunci în stukofen și blauofen straturile exterioare de kritsa s-au dovedit a fi din oțel. Era chiar mai mult oțel în blauofen krits decât fier. Pe de o parte, acest lucru părea bine, dar sa dovedit a fi foarte dificil să separați oțelul și fierul. Conținutul de carbon a devenit dificil de controlat. Numai forjarea lungă ar putea obține uniformitatea distribuției sale.

La un moment dat, confruntați cu aceste dificultăți, indienii nu au mers mai departe, ci au început să perfecționeze tehnologia și au ajuns la producția de oțel damasc. Dar indienii la acea vreme nu erau interesați de cantitate, ci de calitatea produsului. Europenii, experimentând cu fonta, au descoperit în curând un proces de conversie care a ridicat metalurgia fierului la un nivel calitativ nou.

Următoarea etapă în dezvoltarea metalurgiei a fost apariția furnalelor. Prin creșterea dimensiunii, preîncălzirea aerului și sablare mecanică, într-un astfel de cuptor tot fierul din minereu era transformat în fontă, care era topită și eliberată periodic în exterior. Producția a devenit continuă - cuptorul a funcționat non-stop și nu s-a răcit. A produs până la o tonă și jumătate de fontă pe zi. Distilarea fontei în fier în forje a fost mult mai ușoară decât a o scoate din kritsa, deși era încă necesară forjarea - dar acum bateau zgura din fier și nu fierul din zgură.

Furnalele au fost folosite pentru prima dată la începutul secolelor XV-XVI în Europa. În Orientul Mijlociu și India, această tehnologie a apărut abia în secolul al XIX-lea (în mare măsură, probabil pentru că motorul cu apă nu a fost folosit din cauza deficitului de apă caracteristic în Orientul Mijlociu). Prezența furnalelor în Europa i-a permis să depășească Turcia în secolul al XVI-lea, dacă nu în calitatea metalului, atunci în ax. Acest lucru a avut o influență fără îndoială asupra rezultatului luptei, mai ales când s-a dovedit că tunurile pot fi turnate din fontă.

De la începutul secolului al XVII-lea, Suedia a devenit forja europeană, producând jumătate din fierul din Europa. La mijlocul secolului al XVIII-lea, rolul său în acest sens a început să scadă rapid datorită unei alte invenții - utilizarea cărbunelui în metalurgie.

În primul rând, trebuie spus că până în secolul al XVIII-lea inclusiv cărbunele nu a fost folosit practic în metalurgie - din cauza conținutului ridicat de impurități dăunătoare calității produsului, în primul rând sulf. Încă din secolul al XVII-lea, în Anglia, cărbunele a început să fie folosit în cuptoarele de bălți pentru recoacere a fontei, dar acest lucru a făcut posibilă realizarea de economii mici la cărbune - cea mai mare parte a combustibilului a fost cheltuită pentru topire, unde era imposibil să se excludă contactul cu cărbune cu minereu.

Dintre numeroasele meserii metalurgice ale vremii, poate cea mai dificilă meserie a fost cea de băltoacă. Budinca a fost principala metodă de obținere a fierului pe parcursul aproape întregului secol al XIX-lea. A fost un proces foarte dificil și care a consumat timp. Lucrarea sub el s-a desfășurat astfel: fierul a fost încărcat pe fundul cuptorului de foc; au fost topite. Pe măsură ce carbonul și alte impurități au ars din metal, temperatura de topire a metalului a crescut și cristalele de fier destul de pur au început să „înghețe” din topitura lichidă. Un bulgăre de masă lipicioasă asemănătoare unui aluat adunat în partea de jos a cuptorului. Lucrătorii băltoși au început operațiunea de rulare a aluatului cu ajutorul unui rest de fier. Amestecând masa de metal cu o rangă, ei au încercat să colecteze un bulgăre, sau kritsa, de fier în jurul rangei. Un astfel de bulgăre cântărea până la 50 - 80 kg sau mai mult. Kritsa a fost scoasă din cuptor și alimentată direct sub ciocan - pentru forjare, pentru a îndepărta particulele de zgură și a compacta metalul.

Ei au învățat să elimine sulful prin cocsificare în Anglia în 1735, după care a devenit posibilă utilizarea unor rezerve mari de cărbune pentru topirea fierului. Dar în afara Angliei, această tehnologie s-a răspândit abia în secolul al XIX-lea.

Consumul de combustibil în metalurgie era deja enorm chiar și atunci - furnalul consuma o încărcătură de cărbune pe oră. Cărbunele a devenit o resursă strategică. Abundența lemnului din Suedia și Finlanda a fost cea care a permis suedezilor să dezvolte producția la o asemenea scară. Englezii, care aveau mai puține păduri (și chiar și acelea erau rezervate pentru nevoile flotei), au fost nevoiți să cumpere fier în Suedia până când au învățat să folosească cărbunele.

Metode electrice și de inducție de topire a fierului

Varietatea compozițiilor de oțel face ca topirea acestora să fie foarte dificilă. La urma urmei, într-un cuptor și convertor cu focar deschis, atmosfera se oxidează, iar elemente precum cromul se oxidează ușor și se transformă în zgură, de exemplu. sunt pierdute. Aceasta înseamnă că, pentru a obține oțel cu un conținut de crom de 18%, trebuie introdus în cuptor mult mai mult crom decât 180 kg per tonă de oțel. Și cromul este un metal scump. Cum să găsești o cale de ieșire din această situație?

O soluție a fost găsită la începutul secolului al XX-lea. S-a propus utilizarea căldurii unui arc electric pentru a topi metalul. Fierul vechi a fost încărcat într-un cuptor circular, a fost turnată fontă și au fost coborâți electrozii de carbon sau grafit. Între ele și metalul din cuptor („baie”) a apărut arc electric cu o temperatură de aproximativ 4000°C. Metalul s-a topit ușor și rapid. Și într-un astfel de cuptor electric închis puteți crea orice atmosferă - oxidantă, reducătoare sau complet neutră. Cu alte cuvinte, elementele valoroase pot fi prevenite să ardă. Așa a fost creată metalurgia oțelurilor de înaltă calitate.

Ulterior, a fost propusă o altă metodă de topire electrică - inducția. Din fizică se știe că, dacă un conductor metalic este plasat într-o bobină prin care trece un curent de înaltă frecvență, în el este indus un curent și conductorul se încălzește. Această căldură este suficientă pentru a topi metalul într-un anumit timp. Un cuptor cu inducție este format dintr-un creuzet cu o spirală încorporată în căptușeală. Un curent de înaltă frecvență trece prin spirală, iar metalul din creuzet se topește. Într-o astfel de sobă poți crea și orice atmosferă.

În cuptoarele cu arc electric, procesul de topire are loc de obicei în mai multe etape. În primul rând, impuritățile inutile sunt arse din metal, oxidându-le (perioada de oxidare). Apoi, zgura care conține oxizi ai acestor elemente este îndepărtată (descărcată) din cuptor și feroaliaje sunt încărcate - aliaje de fier cu elemente care trebuie introduse în metal. Cuptorul este închis și topirea continuă fără acces la aer (perioada de recuperare). Ca urmare, oțelul este saturat cu elementele necesare într-o cantitate dată. Metalul finit este eliberat într-un oală și turnat.

Reacții chimice în producerea fierului

În industria modernă, fierul este obținut din minereu de fier, în principal din hematită (Fe 2 O 3) și magnetită (Fe 3 O 4).

Există diferite moduri de a extrage fier din minereuri. Cel mai comun este procesul de domeniu.

Prima etapă de producție este reducerea fierului cu carbon într-un furnal la o temperatură de 2000 °C. Într-un furnal, carbonul sub formă de cocs, minereul de fier sub formă de aglomerat sau pelete și fluxul (cum ar fi calcarul) sunt alimentate de sus și sunt îndeplinite de un curent de aer cald forțat de jos.

În cuptor, carbonul din cocs este oxidat la monoxid de carbon (monoxid de carbon) de oxigenul atmosferic:

2C + O 2 → 2CO.

La rândul său, monoxidul de carbon reduce fierul din minereu:

3CO + Fe 2 O 3 → 2Fe + 3CO 2.

Fluxul este adăugat pentru a extrage impuritățile nedorite din minereu, în primul rând silicați, cum ar fi cuarțul (dioxid de siliciu). Un flux tipic conține calcar (carbonat de calciu) și dolomit (carbonat de magneziu). Alte fluxuri sunt utilizate împotriva altor impurități.

Efectul fluxului: carbonatul de calciu se descompune sub influența căldurii în oxid de calciu (var nestins):

CaCO3 → CaO + CO2.

Oxidul de calciu se combină cu dioxidul de siliciu pentru a forma zgură:

CaO + SiO 2 → CaSiO 3.

Zgura, spre deosebire de dioxidul de siliciu, este topită într-un cuptor. Zgura, mai ușoară decât fierul, plutește la suprafață și poate fi drenată separat de metal. Zgura este folosită apoi în construcții și agricultură. Fierul topit produs într-un furnal conține destul de mult carbon (fontă). Cu excepția cazurilor în care fonta este utilizată direct, aceasta necesită o prelucrare ulterioară.

Excesul de carbon și alte impurități (sulf, fosfor) sunt îndepărtate din fontă prin oxidare în cuptoare cu focar deschis sau convertoare. Cuptoarele electrice sunt folosite și pentru topirea oțelurilor aliate.

Pe lângă procesul de furnal, procesul de producție directă a fierului este comun. În acest caz, minereul pre-zdrobit este amestecat cu argilă specială, formând pelete. Peletele sunt arse și tratate într-un cuptor cu arbore cu produse fierbinți de conversie a metanului care conțin hidrogen. Hidrogenul reduce cu ușurință fierul fără a contamina fierul cu impurități precum sulful și fosforul - impurități comune în cărbune. Fierul se obține sub formă solidă și ulterior este topit în cuptoare electrice.

Fierul pur chimic se obține prin electroliza soluțiilor sărurilor sale.