Обработка железа: Обработка металла в древности. Как человечество вошло в железный век

alexxlab | 23.02.2023 | 0 | Разное

История развития производства стали

Способы добычи железа в древности

Для изготовления железа древние впервые использовали сыродутный процесс. Древесный уголь и руду закладывали слой за слоем в выкопанную яму, позже каменный горн, который и являлся сыродутной печью. В процессе горения между этими слоями продували холодный, или “сырой” воздух. Углерод под воздействием высокой температуры соединялся с кислородом, содержащимся в руде. В результате образовывался кусок железа с примесями шлаков, именуемый “крицей”. Чтобы уменьшить содержание шлаков, ее опять нагревали и выковывали. Полученный железный брусок называли “криничной болванкой”. Таким образом главной технологией производства в те времена была ковка.

Само по себе железо не обладает упругостью и достаточно хрупкое. Добиться его прочности можно путем плавки. Но наши предки не могли его расплавить, так как для этого необходима температура 1540 C, а возможности того времени позволяли получить максимальную температуру 1300 C. По этому для прочности использовали сварное железо, состоявшее из нескольких пластин железа, между которыми находилась прослойка в виде стальной пластины.

Увидеть железо в жидком виде нам предстоит еще очень не скоро, только в ХІХ веке. Но еще в І тысячелетии до н.э, металлурги Индии умели производить булат – высокоуглеродистую сталь, которая имела композитную структуру. Технологию они хранили в тайне.

Во ІІ веке н.э. в Китае научились получать дамаск путем многократной перековки железа, благодаря чему добивались его значительной прочности.

Развитие способов производства стали.

С развитием технологий развивались и способы производства:

1. Штукофены – это высокие печи, к которым крепилась четырехметровая труба, а мехи прокачивались вручную или с помощью парового двигателя, что усиливало тягу. Штукофены были изобретены в Индии. В Европе их начали использовать с ХІІІ века н.э. Производительность железа увеличилась до 250 кг в день.
2. Блауофен стали использовать в Европе с ХIV столетия. Он представлял собой модернизированный штукофен. Металлургами давно была подмечена связь между температурой воздуха и количеством полученного продукта – чем она выше, тем больше металла получали на выходе. Блауофен отличался от своего предшественника тем, что к нему добавили предварительный подогрев воздуха. Железа стали получать больше, но и выход чугуна увеличился до 30%, по сравнению с предыдущими 10%. Это был существенный недостаток, так как чугун умели применять только для изготовления простых изделий: пушечных ядер, кувалд и т.д.
3. Доменная печь стала прорывом в производстве стали. Она не остывала, могла работать круглосуточно и обеспечивала беспрерывный процесс производства. В доменных печах впервые начали производить чугун. Несмотря на то, что первые доменные печи начали использовать в Китае с ІІІ – ІІ столетий до н.э., массово использовать их начали лишь с конца XV – начала XVI столетий в Европе, а в странах Ближнего Востока И Индии еще позже с ХІХ века.
4. Новым витком в металлургии стал передельный процесс. Эта технология стала популярной в ХVI веке. Суть ее заключалась в том, что сначала руду переплавляли в чугун, а потом чугун превращали в сталь. Такой металл был не таким хрупким, по этому из него можно было изготавливать предметы разных форм, например сабли. С ХІХ века металлурги открыли новый способ очистки чугуна от примесей и шлаков с помощью выгорания углерода. Новая технология называлась пудлингование. Теперь можно было получать более чистое железо.
5. Применение угля и коксование дали новые возможности производства стали. Ранее каменный уголь не использовали, так как в нем содержится много серы, которая занижает качество конечного продукта. Впервые древесный уголь заменили каменным в Англии в XVII веке. В 1735 специалисты смогли очищать каменный уголь от серы методом коксования. Это привело к экономии топлива, так как каменный уголь горит значительно медленнее древесного и дало толчок для увеличения производства стали.
6. Следующим этапом эволюции металлургии стало изобретение конвертера. Генри Бессемер создал приспособление, которое позволяло продувать воздух в доменных печах через расплавленный чугун. Это дало возможность из того же количества руды получить значительно больше стали. В ХХ веке конвертерное производство сменили мартеновские печи, которые работали по аналогичному принципу. Но с изобретением турбодетандера, который существенно удешевил производство кислорода, их вытеснила новая технология – кислородно-конвертерное производство стали. Этот способ дает возможность улучшить качество стали из-за отсутствия в ней азота.

Экология и тенденции развития современной металлургии.

Производство металла значительно упростило нам жизнь. Сегодня мы имеем возможность жить в высотных домах, летать, изучать космос, проезжать сотни километров на автомобиле, автоматизировать сельскохозяйственную промышленность и т.д. Стремительно развиваются новые технологии и медицине и других отраслях нашей жизни. В недалеком будущем всю работу за человека будут выполнять роботы, а наша одежда будет следить за состоянием здоровья – уровнем артериального давления, пульсом, температурой тела и т.

д. Не использовав в далеком прошлом наши предки метеоритное железо, современная наука не знала бы прорыва.

Но у индустриализации есть и недостатки – это загрязнение окружающей среды. Черная металлургия будучи очень энергозатратной, а также за счет использования угля и выбросов СО2, тоже влияет на климат и экологию. По этому работа ученых и инженеров всего мира направлена на сокращение выбросов парниковых газов и потребляемой энергии.
В данный момент целью металлургов является:

• модернизация доменного производства в Индии, Китае, Украине;
• вывод из эксплуатации мартеновских печей в Украине и России.

К 2050 году при росте мирового производства на 50%, выбросы паровых газов планируется сократить на 28%. Сейчас ведутся разработки разных проектов, таких как УХУ, суть которого заключается в улавливании и хранении углерода.
Мы понимаем, какую важную роль экология играет для будущего человечества и значительные ресурсы направляем на очищение окружающей среды.

Опубликовано: 04.10.2017

Поделиться:

Вернуться к списку новостей

Высокопрочный материал для облегчённых конструкций из железа

04.11.2020 20:06

1672

Добавить в закладки

Российские учёные предложили способ уменьшения веса конструкций в автомобилях, самолётах и ракетах. Исследователями с помощью нанотехнологий получены новые свойства материала, которые демонстрируются при заводской сварке. В результате, по утверждению разработчиков, металлоконструкции могут быть облегчены в 1,5 раза.

Учёные Национального исследовательского технологического университета МИСиС получили высокую прочность, при этом сохранили способность материала свариваться, что позволит уменьшить вес конструкций в автомобилях, самолётах и ракетах без потери прочности. О разработке сообщается в Journal of Materials Processing Technology.

В основе работы — новый способ обработки железа с помощью нанотехнологий.  Традиционно для получения высокопрочного материала в его состав добавляются дополнительные химические элементы, из-за чего существенно ухудшается свариваемость металлоконструкций в процессе обработки на заводах. Учёным МИСиС удалось разработать принципиально иную технологию получения материала на основе железа методом измельчения его внутренней структуры. Измельчение за счёт прессования на уникальной модернизированной установке интенсивной пластической деформации. Многократный процесс прессования приводит к существенному измельчению зёрен металла до наноразмерного уровня, что позволяет получить высокопрочное состояние технически чистого железа (АРМКО-железо).

Оно сохраняет высокие свойства при сварочных работах и может образовывать крепкие соединения. В результате появляется возможность использовать в новых металлоконструкциях сварку вместо болтовых соединений и за счёт этого уменьшить вес таких конструкций в полтора раза. 

«После сварки наноструктурированное АРМКО-железо превосходит своими механическими свойствами железо, полученное традиционным способом. Это позволяет получить структурные элементы с оптимальными показателями, так как вес полученной конструкции меньше за счёт большей прочности материалов», — объяснил один из авторов научной работы, исследователь МИСиС Хайро Муньоз.

Наибольшее практическое применение разработка найдёт в автомобильной промышленности и в авиастроении, уверены учёные. Также отработка режимов сварки для объёмных металлических наноматериалов открывает новые перспективы в изучении данных материалов, так как до этого проблема их свариваемости практически не изучалась.

«Изучение технологических свойств наноструктурированных металлов, таких как свариваемость, позволит во-первых, однозначно определиться в областью применения данных материалов, а во-вторых значительно эту область расширить», — отметил заведующий научно-исследовательской лабораторией гибридных наноструктурных материалов МИСиС Александр Комиссаров.

По мнению, Александра Комиссарова, разработка привлечёт внимание ряда научных групп те только в России, но и за рубежом, что позволит добиться новых и ещё более перспективных результатов в этой области.  В ближайшее время коллектив продолжит исследование наноструктурированного железа с применением других сварочных технологий, разнообразных материалов и методов производства.

Пресс-служба НИТУ «МИСиС»

Разместил Григорий Яшин

Автор Пресс-Служба НИТУ «МИСиС»

армко-железо наноструктурированный металл обработка железа

Информация предоставлена Информационным агентством “Научная Россия”. Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.

НАУКА ДЕТЯМ

25 января 1736 г. родился выдающийся математик Жозеф Луи Лагранж

10:00 / Астрономия, Астрофизика, Математика, Физика

Брифинг вице-премьера Д. Чернышенко и главы Минобрнауки РФ В. Фалькова о научных итогах 2022 г. и новых решениях для технологического развития России

19:30 / Наука и общество, Образование

Биологи СПбГУ обнаружили первый ископаемый вид горных муравьев в балтийском янтаре

16:30 / Биология

Ученые ННЦМБ ДВО РАН составили список генов, благодаря которым мышцы могут регенерировать

13:42 / Биология

Ученые Пермского Политеха нашли способ строить дома на связных грунтах

11:30 / Инженерия

Памяти академика РАН Владимира Фортова

20:00 / Наука и общество, Персона, Физика

С помощью «простого компьютера» биологи США изучают, что заставляет раковые клетки мигрировать

18:00 / Медицина

Открытие ученого из «Сириуса» и МФТИ Максима Никитина перевернуло прежние взгляды на ДНК

15:45 / Биология, Наука и общество, Химия

Инновационная наноплатформа для доставки лекарств сделает процесс лечения рака более мягким

14:20 / Медицина, Химия

К 77-летию Владимира Евгеньевича Фортова

14:00 / Физика

Памяти великого ученого.

Наука в глобальном мире. “Очевиднное – невероятное” эфир 10.05.2008

04.03.2019

Памяти великого ученого. Нанотехнологии. “Очевидное – невероятное” эфир 3.08.2002

04.03.2019

Вспоминая Сергея Петровича Капицу

14.02.2017

История новогодних праздников

01.08.2014

Смотреть все

Обработка железа | Определение, история, шаги, использование и факты

доменная печь и воздухонагреватель

Смотреть все СМИ

Ключевые люди:

Абрам Стивенс Хьюитт Джон Фриц

Похожие темы:

кованое железо чугун вагранка цветочный процесс процесс украшения

Просмотреть весь связанный контент →

переработка железа , использование процесса плавки для превращения руды в форму, из которой можно изготавливать изделия. В эту статью также включено обсуждение добычи железа и его подготовки к выплавке.

Железо (Fe) представляет собой относительно плотный металл серебристо-белого цвета с характерными магнитными свойствами. Он составляет 5% массы земной коры и является четвертым по распространенности элементом после кислорода, кремния и алюминия. Он плавится при температуре 1538°C (2800°F).

Изучение производства и структурных форм железа от феррита и аустенита до легированной стали

Посмотреть все видео к этой статье

Железо аллотропно, то есть существует в различных формах. Его кристаллическая структура может быть объемно-центрированной кубической (ОЦК) или гранецентрированной кубической (ГЦК) в зависимости от температуры. В обеих кристаллографических модификациях основная конфигурация представляет собой куб с атомами железа, расположенными по углам. В центре каждого куба в ОЦК-модификации и в центре каждой грани в ГЦК-модификации есть лишний атом. При комнатной температуре чистое железо имеет ОЦК-структуру, называемую альфа-ферритом; это продолжается до тех пор, пока температура не поднимется до 912 ° C (1674 ° F), когда он превращается в структуру ГЦК, известную как аустенит. При дальнейшем нагреве аустенит остается до тех пор, пока температура не достигнет 1394 °C (2541 °F), после чего снова появляется ОЦК-структура. Эта форма железа, называемая дельта-ферритом, сохраняется до тех пор, пока не будет достигнута точка плавления.

Чистый металл пластичен и легко поддается обработке ковкой, но, за исключением специализированных электротехнических применений, он редко используется без добавления других элементов для улучшения его свойств. В основном он появляется в сплавах железа с углеродом, таких как стали, которые содержат от 0,003 до примерно 2 процентов углерода (большинство лежит в диапазоне от 0,01 до 1,2 процента), и чугуны с содержанием углерода от 2 до 4 процентов. При содержании углерода, характерном для сталей, карбид железа (Fe ₃ C), также известный как цементит; это приводит к образованию перлита, который в микроскоп состоит из чередующихся реек альфа-феррита и цементита. Цементит тверже и прочнее феррита, но гораздо менее пластичен, так что за счет изменения количества углерода получаются совершенно разные механические свойства. При более высоком содержании углерода, характерном для чугуна, углерод может выделяться либо в виде цементита, либо в виде графита, в зависимости от условий производства. Опять же, получается широкий спектр свойств. Эта универсальность сплавов железа с углеродом приводит к их широкому использованию в технике и объясняет, почему железо является самым важным из всех промышленных металлов.

Имеются свидетельства того, что метеориты использовались в качестве источника железа до 3000 г. до н.э., но извлечение металла из руд датируется примерно 2000 г. до н.э. Производство, по-видимому, началось в медедобывающих регионах Анатолии и Персии, где использование соединений железа в качестве флюсов для облегчения плавки могло случайно вызвать накопление металлического железа на дне медеплавильных печей. Когда производство железа было налажено должным образом, стали использовать два типа печей. Чашевые печи были построены путем рытья небольшого отверстия в земле и обеспечения подачи воздуха из мехов через трубу или фурму. С другой стороны, каменные шахтные печи полагались на естественную тягу, хотя иногда в них также использовались фурмы. В обоих случаях плавка включала создание слоя раскаленного древесного угля, в который добавлялась железная руда, смешанная с большим количеством древесного угля. Затем произошло химическое восстановление руды, но, поскольку примитивные печи не могли достигать температуры выше 1150 ° C (2100 ° F), обычным продуктом был твердый кусок металла, известный как блюм. Он мог весить до 5 кг (11 фунтов) и состоял из почти чистого железа с небольшим количеством захваченного шлака и кусков древесного угля. Затем изготовление железных артефактов требовало операции формовки, которая включала нагревание цветков в огне и удары молотком по раскаленному докрасна металлу для изготовления желаемых предметов. Железо, изготовленное таким образом, известно как кованое железо. Иногда кажется, что было использовано слишком много древесного угля, и сплавы железа с углеродом, которые имеют более низкую температуру плавления и могут быть отлиты в простые формы, были сделаны непреднамеренно. Применение этого чугуна было ограничено из-за его хрупкости, и в раннем железном веке, похоже, его использовали только китайцы. В других местах предпочтительным материалом было кованое железо.

Хотя римляне строили печи с ямой, в которую можно было сливать шлак, до средневековья мало что изменилось в методах производства железа. К 15 веку многие цветочные печи использовали печи с низким валом с приводом от воды для привода мехов, а цвет, который мог весить более 100 кг, извлекался через верхнюю часть вала. Окончательным вариантом такого рода горнила была каталонская кузница, просуществовавшая в Испании до 19 века. Другая конструкция, высокая горная печь, имела более высокий вал и превратилась в печь высотой 3 метра (10 футов).0037 Stückofen , который давал такие большие блюмы, что их приходилось удалять через переднее отверстие в печи.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подписаться сейчас

Доменная печь появилась в Европе в 15 веке, когда стало понятно, что чугун можно использовать для изготовления цельных пушек с хорошими свойствами удержания давления, но было ли ее появление связано с китайским влиянием или было независимым развитие неизвестно. Во-первых, различия между доменной печью и Stückofen были незначительными. Оба имели квадратное поперечное сечение, и основными изменениями, необходимыми для работы доменной печи, были увеличение соотношения древесного угля и руды в шихте и летка для удаления жидкого железа. Продукт доменной печи стал известен как чугун из-за метода литья, при котором жидкость направлялась в основной канал, соединенный под прямым углом с несколькими более короткими каналами. Вся конструкция напоминала свиноматку, кормящую свой помет, поэтому куски твердого железа из более коротких каналов были известны как свиньи.

Несмотря на военную потребность в чугуне, для большинства гражданских применений требовался ковкий чугун, который до этого производился непосредственно в блочном заводе. Однако появление доменных печей открыло альтернативный путь производства; это включало преобразование чугуна в кованое железо с помощью процесса, известного как рафинирование. Куски чугуна были помещены на убранный очаг, на котором сжигался древесный уголь с обильной подачей воздуха, так что углерод в железе удалялся путем окисления, оставляя полутвердое ковкое железо. Начиная с 15 века, этот двухстадийный процесс постепенно вытеснил прямое производство железа, которое, тем не менее, сохранилось до 19 века.век.

К середине 16 века в юго-восточной Англии доменные печи работали более или менее непрерывно. Увеличение производства железа привело к нехватке древесины для производства древесного угля и к его последующей замене углем в виде кокса – открытие, которое обычно приписывают Абрахаму Дарби в 1709 году. Поскольку более высокая прочность кокса позволяла ему поддерживать большую загрузку, стали возможными печи гораздо большего размера, и была достигнута производительность от 5 до 10 тонн чугуна в неделю.

Затем, появление паровой машины для привода продувочных цилиндров означало, что доменная печь могла быть снабжена большим количеством воздуха. Это создало потенциальную проблему, заключающуюся в том, что производство чугуна будет намного превышать возможности процесса очистки. Ряд изобретателей пытались ускорить преобразование чугуна в ковкий, но наиболее успешным был англичанин Генри Корт, который запатентовал свою пудлинговую печь в 1784 году. Корт использовал угольную отражательную печь для плавления шихты чугуна. к которому добавляли оксид железа для получения шлака. Встряхивание образовавшейся «лужи» металла приводило к удалению углерода путем окисления (вместе с кремнием, фосфором и марганцем). В результате температура плавления металла повысилась настолько, что он стал полутвердым, хотя шлак оставался достаточно жидким. Затем из металла формовали шарики и освобождали от как можно большего количества шлака, прежде чем вынуть из печи и отжать молотком. В течение короткого времени пудлинговые печи могли производить достаточное количество железа для удовлетворения потребностей машинного оборудования, но в результате изобретения шотландцем Джеймсом Бомонтом Нильсеном в 1828 году доменной печи для предварительного нагрева дутья производительность доменных печей снова увеличилась. воздух и осознание того, что круглая печь работает лучше, чем квадратная.

Окончательный спад в использовании кованого железа был вызван серией изобретений, которые позволили печам работать при температурах, достаточно высоких для плавления железа. Тогда стало возможным производить сталь, которая является превосходным материалом. Сначала в 1856 году Генри Бессемер запатентовал свой конвертерный процесс для продувки воздухом расплавленного чугуна, а в 1861 году Уильям Сименс получил патент на свою регенеративную мартеновскую печь. В 1879 году Сидни Гилкрист Томас и Перси Гилкрист адаптировали конвертер Бессемера для использования с фосфорным чугуном; в результате основной бессемеровский процесс, или процесс Томаса, получил широкое распространение на европейском континенте, где были в изобилии железные руды с высоким содержанием фосфора. Около 100 лет мартеновский и бессемеровский процессы производили большую часть стали, прежде чем они были заменены кислородными и электродуговыми печами.

Помимо вдувания части топлива через фурмы, в доменной печи с начала 19 века используется тот же принцип работы. Однако размер печи заметно увеличился, и одна большая современная печь может снабжать сталеплавильный завод до 10 000 тонн жидкого чугуна в день.

На протяжении 20-го века было предложено много новых процессов производства чугуна, но только в 1950-х годах появились потенциальные заменители доменной печи. Прямое восстановление, при котором железные руды восстанавливаются при температурах ниже точки плавления металла, берет свое начало в таких экспериментах, как процесс Виберга-Зодерфорса, введенный в Швеции в 1919 г.52 и процесс HyL, введенный в Мексике в 1957 году. Немногие из этих методов сохранились, а те, что сохранились, были значительно модифицированы. Другой альтернативный метод производства чугуна, восстановление плавлением, имел своих предшественников в электрических печах, которые использовались для производства жидкого чугуна в Швеции и Норвегии в 1920-х годах. Этот метод расширился и стал включать методы, основанные на кислородных конвертерах для производства стали с использованием угля в качестве источника дополнительной энергии, и в 1980-х годах он стал центром обширных исследований и разработок в Европе, Японии и США.

Шесть основных этапов переработки железной руды

Шесть основных этапов переработки железной руды

• Дом
• Статьи и новости
• Шесть основных этапов переработки железной руды

При добыче железной руды из шахты она должна пройти несколько этапов обработки.

Шесть стадий переработки железной руды

1. Просеивание
Мы рекомендуем вам начать с просеивания железной руды, чтобы отделить мелкие частицы ниже CSS дробилки перед стадией дробления. Статическое сито используется для направления мелких частиц на дробление. Этот шаг предотвращает перегрузку дробилки и повышает ее эффективность.

Мелкие частицы снижают эффективность дробилки и увеличивают тягу мощности для дробления таких мелких частиц, что увеличивает количество кВтч на тонну дробления. Просеивание и отвод мелких частиц значительно увеличивает производительность дробилки.

2. Дробление и штабелирование
Этот этап включает в себя дробление железной руды для получения размера помола F 80, прежде чем ее можно будет измельчить. После дробления руда направляется на склад. Целью этого шага является обеспечение бесперебойного процесса дробления и минимизация времени простоя в случае поломки или проведение планового технического обслуживания в системе дробления без остановки измельчения и других дальнейших шагов. Если дробилка сломается, это может повлиять на производительность всего завода.

3. Питание дробилки (регенерация)
Уравнительная свая обеспечивает постоянную подачу материала в мельницу, что обеспечивает стабильные результаты и стабильность процесса извлечения руды.

4. Шлифовка
Мельница первичного помола измельчает материал до того, как он пройдет спиральную гравитационную сепарацию. Эффективное измельчение означает, что будет минимальное количество рециркулируемого материала из группы циклонов или просеивания после измельчения, что снижает потребление кВтч на тонну измельченного материала.

На этом этапе материал удерживается внутри мельницы в течение определенного времени (с мелющими шарами или без них), которое рассчитывается путем применения рабочего индекса Бонда к расчету процесса. Этот индекс учитывает твердость материала руды и размер сырья, скорость мельницы, рециркуляцию материала, желаемую крупность и т. д. Когда материал выходит из мельницы, железная руда классифицируется с помощью циклонов или вибрационных грохотов, которые отделяют мелкие и крупные частицы. Крупные частицы возвращаются обратно в дробилку, а мелкие частицы проходят процесс спирального гравитационного разделения.

5. Спиральное гравитационное разделение
Диапазон подачи гравитационного разделения составляет примерно 30% концентрации твердого вещества. Технологическая вода используется для облегчения процесса разделения. Наиболее тяжелые частицы отделяются от более мелких под действием центробежной силы. Коллектор в нижней части каждой спирали собирает тяжелый концентрат (так называемый концентрат гематита) и удаляет более легкие нежелательные частицы (промпродукты и хвосты). Этот этап повторяется два или три раза, в зависимости от желаемого выделения и концентрации железа.

6. Магнитная сепарация
Концентрат, собранный из промпродукта и хвостов после спиральной гравитационной сепарации, имеет более низкую концентрацию железа (магнетита), поэтому его необходимо дополнительно концентрировать, чтобы достичь концентрации Fe 65%, заданной заказчиком. Он сразу направляется в цепь магнитного сепаратора. Намагниченные барабаны собирают магнитный материал, чтобы его можно было дополнительно сконцентрировать (содержание минералов магнетита и железа). Более легкие частицы, которые были отделены на этапе спирального гравитационного разделения, скатываются в шарики (в сочетании с бентонитом или аналогичным связующим веществом) и обжигаются в индукционной печи. Этот процесс известен как гранулирование. Бракованный ненамагниченный материал направляется в зону захоронения остатков (хвост).
В зависимости от твердости и размера частиц и результатов дробления может быть несколько стадий дробления, измельчения и разделения минералов.