Железо – элемент, который знаком каждому человеку на нашей планете. И в этом нет ничего удивительного. Ведь по своему содержанию в земной коре (до 5%) этот компонент является самым распространенным. Однако всего сороковую часть из этих запасов можно найти в месторождениях, пригодных для разработки. Основными рудными минералами железа являются сидерит, бурый железняк, гематит и магнетит.
Происхождение названия
Почему железо носит именно такое название? Если рассматривать таблицу химических элементов, то в ней этот компонент отмечен как «феррум». Сокращенно он обозначается Fe.
По мнению многих этимологов, слово «железо» пришло к нам из праславянского языка, в котором оно звучало как zelezo. А это наименование перешло из лексикона древних греков. Они и называли столь известный на сегодняшний день металл «железом».
Существует и еще одна версия. Согласно ей название «железо» пришло к нам из латыни, где означало «звездный». Объяснение этому кроется в том, что первые образцы данного элемента, обнаруженного людьми, имели метеоритное происхождение.
Использование железа
В истории человечества имел место такой период, когда железо люди ценили дороже золота. Данный факт зафиксирован в «Одиссее» Гомера, где говорится о том, что победителям игр, устраиваемых Ахиллесом, давали помимо золота еще и кусок железа. Этот металл был крайне необходим практически всем ремесленникам, землепашцам и воинам. И именно огромная потребность в нем стала лучшим двигателем производства данного материала, а также дальнейшего технического прогресса его изготовления.
9-7 вв. до н.э. считаются железным веком в истории человечества. В этот период многие племена и народы Азии и Европы начали развивать металлургию. Однако в железе и сегодня сохраняется высокая потребность. Ведь до сих пор оно является главным материалом, применяющимся для изготовления орудий труда.
Сыродутный продукт
Какова технология получения кричного железа, которое человечество начало добывать еще на заре развития металлургии? Самый первый способ, изобретенный человечеством, назывался сыродутным. Причем использовался он на протяжении 3000 лет, не меняясь от времен окончания бронзового века и до того периода, пока в 13 в. в Европе не была изобретена доменная печь. Назывался такой способ сыродутным. Горны для него сооружали из камня или из глины. Порой материалом для их стен выступали куски шлака. Последний вариант горна изнутри был обмазан огнеупорной глиной, в которую для улучшения качества добавляли песок или измельченный рог.
Из чего получается кричное железо? В подготовленные ямы закладывалась «сырая» луговая или болотная руда. Плавильное пространство таких горнов заполнялось древесным углем, который затем хорошенько разогревался. В нижней части ямы находилось отверстие для подачи воздуха. Вначале его вдували ручными мехами, которые позже были заменены механическими.
В самых первых горнах была организована естественная тяга. Она осуществлялась через специальные отверстия – сопла, которые располагались на стенах нижней части печи. Нередко подачу воздуха древние металлурги обеспечивали за счет применения конструкции, позволяющей получить эффект трубы. Они создавали высокое и в то же время узкое внутреннее пространство. Очень часто такие печи строились у подножий холмов. В этих местах было самое большое естественное давление ветра, которое и использовалось для увеличения тяги.
В результате осуществляемого процесса происходило превращение руды в металл. При этом пустая порода постепенно стекала вниз. На дне печи образовывались зерна железа. Они слипались между собой, превращаясь в так называемую «крицу». Это рыхлая губчатая масса, пропитанная шлаками. В печи крица была раскалена добела. Именно в таком состоянии ее вынимали и быстро проковывали. Куски шлака при этом просто отваливались. Далее полученный материал сваривали в монолитный кусок. В результате получалось кричное железо. Конечный продукт своей формой внешне напоминал лепешку.
Что представлял собой состав кричного железа? Это был сплав Fe с углеродом, которого в конечном продукте было очень мало (если рассматривать процентное соотношение, то не более сотых долей).
Однако кричное железо, которое люди получали в сыродутном горне, было не очень твердым и прочным. Именно поэтому выполненные из такого материала изделия быстро выходили из строя. Копья, топоры и ножи гнулись и совсем недолго оставались острыми.
Сталь
При производстве железа в горнах, вместе с мягкими его комками, попадались и те, которые имели более высокую твердость. Это были кусочки руды, вплотную соприкасавшиеся с древесным углем вовремя процесса выплавки. Человек подметил эту закономерность и начал специально увеличивать зону, контактирующую с углем. Это позволило науглероживать железо. Полученный металл стал удовлетворять потребностям мастеров и тех, кто пользовался изготовленными из него изделиями.
Этим материалом и была сталь. Ее и по сей день используют при изготовлении огромного числа конструкций и изделий. Сталь, выплавляемая древними металлургами, это кричное железо, в составе которого содержится до 2% углерода.
Существовало и такое понятие, как мягкая сталь. Это было кричное железо, в составе которого находилось менее 0,25 % углерода. Если рассматривать историю металлургии, то именно мягкую сталь и производили на начальном этапе сыродутного производства. Как по-другому называется кричное железо? Существует и его третья разновидность. Когда в его составе содержится более 2 % углерода, то это чугун.
Изобретение домны
Кричный способ получения железа с использованием сыродутных горнов находился в большой зависимости от погоды. Ведь для такой технологии было важно, чтобы в изготовленную трубку обязательно задувал ветер. Именно желание уйти от капризов погоды и привело человека к созданию мехов. Это были приспособления, необходимые для того, чтобы раздувать в сыродутной печи огонь.
После появления мехов горны для производства металла перестали сооружать на склонах холмов. Люди стали пользоваться печами нового типа, получившими название «волчьи ямы». Они представляли собой конструкции, одна часть которых находилась в земле, а вторая (домницы) возвышалась над ней в виде сооружения из камней, скрепленных между собой глиной. У основания такой печи имелось отверстие, в которое вставлялась трубка мехов для раздувания огня. Заложенный в домницу уголь сгорал, после чего можно было доставать крицу. Ее вытаскивали наружу через отверстие, которое образовывалось после удаления нескольких камней из нижней части сооружения. Далее стенку восстанавливали и заполняли печь рудой и углем, чтобы начать все сначала.
Кричное производство железа постоянно совершенствовалось. С течением времени домницы стали строить большего размера. Это вызвало необходимость в увеличении производительности мехов. В результате уголь начал сгорать быстрее, насыщая железо углеродом.
Чугун
Как называется кричное железо с высоким содержанием углерода? Как уже было упомянуто выше, это столь распространенный на сегодняшний день чугун. Его отличительной особенностью является способность плавиться при сравнительно низких температурах.
Кричное железо - чугун в твердом виде - невозможно было ковать. Именно поэтому древние металлурги вначале не обращали на него никакого внимания. От одного лишь удара молотком этот материал просто разлетался на куски. В связи с этим чугун, так же, как и шлак, вначале считали отходом производства. В Англии этот металл даже называли «свинским железом». И только с течением времени люди поняли, что данный продукт, пока он находится в жидком виде, можно залить в формы для получения различных изделий, например, пушечных ядер. Именно благодаря этому открытию в 14-15 вв. в промышленности стали возводить доменные печи для производства чугуна. Высота таких сооружений достигала 3 и более метров. С их помощью выплавлялся литейный чугун для производства уже не только ядер, но и самих пушек.
Развитие доменного производства
Настоящий переворот в металлургическом деле произошел в 80-х годах 18 в. Именно тогда один из демидовских приказчиков решил, что для большей эффективности работы доменных печей воздух в них следует подавать не через одно, а через два сопла, которые должны быть расположены с обеих сторон горна. Постепенно число таких сопел росло. Это позволило сделать более равномерным процесс дутья, увеличить диаметр горна и повысить производительность печей.
Развитию доменного производства также содействовала замена древесного угля, ради которого вырубались леса, на кокс. В 1829 г. в Шотландии на заводе Клейд было впервые применено вдувание в домну горячего воздуха. Подобное нововведение значительно повысило производительность печи и снизило расход топлива. В наше время доменный процесс усовершенствовали, заменив часть кокса природным газом, имеющим еще более низкую стоимость.
Булат
Как называется кричное железо, обладающее уникальными свойствами, которые использовались при изготовлении оружия? Этот материал мы знаем как булат. Данный металл, так же, как и дамасская сталь, представляют собой сплав железа с углеродом. Однако, в отличие от других свои видов, это кричное железо, обладающее хорошими качествами. Оно упругое и твердое, а также способно в лезвии давать исключительную остроту.
Секрет производства булата пытались разгадать металлурги многих стран на протяжении не одного века. Предлагалось большое количество рецептов и способов, которые предусматривали добавление в железо слоновой кости, драгоценных камней, золота и серебра. Однако секрет булата был раскрыт лишь в первой половине 20 века замечательным русским металлургом П. П. Аносовым. Им было взято кричное железо, которое закладывалось в горн с древесным углем, где горел открытый огонь. Металл плавился, насыщаясь при этом углеродом. В это время он покрывался шлаком из кристаллического доломита, порой с добавкой чистейшей железной окалины. Под таким слоем металл весьма интенсивно освобождался от кремния, фосфора, серы и кислорода. Однако и это было еще не все. Полученная сталь должна была быть охлаждена как можно медленнее и спокойнее. Это позволяло образовываться в первую очередь крупным кристаллам, имеющим разветвленную структуру (дендритам). Шло такое охлаждение непосредственно в горне, который был заполнен раскаленным углем. На следующем этапе производилась искусная ковка, при которой не должна была разрушиться образовавшаяся структура.
Уникальные свойства булата впоследствии нашли объяснение в трудах другого русского металлурга Д. К. Чернова. Он разъяснил, что дендриты – это тугоплавкая, но относительно мягкая сталь. Пространство же между их «ветвями» в процессе застывания железа заполняется более насыщенным углеродом. То есть мягкую сталь окружает более твердая. Это и объясняет свойства булата, заключенные в его вязкости и одновременно высокой прочности. Такой стальной гибрид во время плавки сохраняет свою древовидную структуру, превращая ее лишь из прямолинейной в зигзагообразную. Особенность полученного рисунка в большой степени зависит от направления ударов, силы, а также мастерства кузнеца.
Дамасская сталь
В древности этот металл представлял собой тот же булат. Однако несколько позже дамасской сталью стали называть материал, полученный посредством кузнечной сварки из большого количества проволочек или полос. Данные элементы делали из стали. Причем для каждого из них было характерно различное содержание углерода.
Искусство изготовления такого металла своего наибольшего развития достигло в средние века. Например, в структуре широко известного японского клинка исследователи обнаружили порядка 4 млн стальных нитей микроскопической толщины. Такой состав делал процесс изготовления оружия весьма трудоемким.
Производство в современных условиях
Древние металлурги оставили образец своего мастерства не только в оружейных изделиях. Самым ярким примером чистого кричного железа является находящаяся около столицы Индии знаменитая колонна. Археологами был определен возраст этого памятника металлургического искусства. Оказалось, что колонну соорудили еще 1,5 тысячи лет назад. Но самое удивительное кроется в том, что на сегодняшний день на ее поверхности невозможно обнаружить даже небольших следов коррозии. Материал колонны был подвержен тщательному исследованию. Оказалось, что это чистое кричное железо, в котором находится всего лишь 0,28 % посторонних примесей. Подобное открытие привело в изумление даже современных металлургов.
С течением времени кричное железо постепенно потеряло свою популярность. Наибольшим спросом стал пользоваться металл, выплавленный в мартеновской или доменной печи. Однако при применении этих методов получается продукт недостаточной чистоты. Именно поэтому в последнее время получил свою вторую жизнь древнейший способ производства этого материала, который позволяет выпустить металл с высочайшими качественными характеристиками.
Как сегодня называется кричное железо? Оно знакомо нам как металл прямого восстановления. Разумеется, кричное железо сегодня получают не так, как в древности. Для его производства используются самые современные технологии. Они и позволяют выпустить металл, практически не имеющий посторонних примесей. В производстве применяют трубчатые печи вращающегося типа. Подобные конструктивные элементы задействуются для обжига различных сыпучих материалов с использованием высоких температур в химической, цементной и многих других отраслях промышленности.
Как сейчас называется кричное железо? Его считают чистым и применяют при получении метод, по своей сути мало чем отличающийся от того, который существовал в древние времена. Все так же металлурги используют железную руду, разогреваемую в процессе получения конечного продукта. Однако на сегодняшний день сырье изначально подвергают дополнительной обработке. Его обогащают, создавая своеобразный концентрат.
Современная промышленность применяет два способа. Оба они позволяют получить кричное железо из концентрата.
В основе первого из этих методов лежит доведение сырья до необходимой температуры с применением твердого топлива. Такой процесс весьма схож с тем, который проводили древние металлурги. Вместо твердого топлива может быть использован газ, представляющий собой сочетание водорода и угарного газа.
Что предшествует получению этого материала? Как называется кричное железо сегодня? После нагрева концентрата железной руды в печи остаются окатыши. Именно из них впоследствии и производят чистый металл.
Второй метод, используемый для восстановления железа, очень похож по своей технологии на первый. Отличие состоит лишь в том, что в качестве топлива для разогрева концентрата металлурги применяют чистый водород. При таком методе железо получается гораздо быстрее. Именно поэтому его отличает более высокое качество, ведь в процессе взаимодействия водорода с обогащенной рудой получается всего два вещества. Первое из них - это чистое железо, а второе - вода. Можно было бы предположить, что данный метод пользуется в современной металлургии большой популярностью. Однако на сегодняшний день его применяют нечасто, и, как правило, только для выпуска железного порошка. Это объясняется тем, что получить чистый водород довольно сложно как с точки зрения решения технических вопросов, так и из-за экономических трудностей. Непростой задачей является и хранение полученного топлива.
Сравнительно недавно учеными был разработан еще один, третий способ производства восстановленного железа. Он предполагает получение металла из концентрата руды, без прохождения стадии ее превращения в окатыши. Исследования показали, что при таком способе чистое железо можно произвести намного быстрее. Однако в промышленности данный метод пока не внедрен, так как требует значительных технологических изменений и смены оснащения предприятий металлургии.
Как называется кричное железо сегодня? Этот материал знаком нам как металл прямого восстановления, порой его называют еще и губчатым. Это экономически выгодный, высококачественный, экологически чистый материал, не имеющий примесей фосфора и серы. Благодаря своим характеристикам кричное железо используется в машиностроительных отраслях (авиа-, судо- и приборостроении).
Фехраль
Как видим, на сегодняшний день при использовании самых современных технологий применяют такой материал, как кричное железо. Фехраль также является востребованным сплавом. В его составе, помимо железа, находятся такие компоненты, как хром и алюминий. Присутствует в его структуре и никель, но не более чем 0,6%.
Фехраль обладает хорошим электрическим сопротивлением, высокой твердостью, замечательно работает с высокоглиноземистой керамикой, не имеет склонности к язвенной коррозии и жаростоек в атмосфере, в которой находится сера и ее соединения, водород и углерод. А вот присутствие в сплаве железа делает его достаточно хрупким, затрудняя обработку материала при изготовлении различных изделий.
Фехраль находит свое применение при изготовлении нагревательных элементов для лабораторных и промышленных печей, максимальная рабочая температура которых составляет 1400 градусов. Порой детали из данного сплава используются и для другого назначения. Их ставят в бытовые нагревательные приборы, а также в электрические аппараты теплового действия. Широкое применение фехраль получил при производстве электронных сигарет. Также сплав железа, алюминия и хрома востребован в сфере изготовления резистивных элементов. Это могут быть, например, пуско-тормозные резисторы электровозов.
Из фехраля выпускают проволоку, а также нить и ленту. Порой из него получают круги и прутки. Всю эту продукцию используют при производстве различных форм нагревателей для электрических печей.
