Залізо – елемент, який знайомий кожній людині на нашій планеті. І в цьому немає нічого дивного. Адже за своїм змістом в земній корі (до 5%) цей компонент є найпоширенішим. Проте всього сорокову частину з цих запасів можна знайти в родовищах, придатних для розробки. Основними рудними мінералами заліза є сидерит, бурий залізняк, гематит і магнетит.

Походження назви

Чому залізо носить саме така назва? Якщо розглядати таблицю хімічних елементів, то в ній цей компонент відзначений як «ферум». Скорочено він позначається Fe.


На думку багатьох етимологів, слово «залізо» прийшло до нас з праслов'янської мови, в якій воно звучало як zelezo. А це найменування перейшло з лексикону стародавніх греків. Вони і називали настільки відомий на сьогоднішній день метал «залізом». Існує і ще одна версія. Згідно їй назву «залізо» прийшло до нас з латини, де означало «зоряний». Пояснення цьому криється в тому, що перші зразки даного елемента, виявленого людьми, мали метеоритне походження.

Використання заліза

В історії людства мав місце такий період, коли залізо люди цінували дорожче золота. Даний факт зафіксовано в «Одіссеї» Гомера, де йдеться про те, що переможцям ігор, влаштовуються Ахіллесом, давали крім золота ще й шматок заліза. Цей метал був вкрай необхідний практично всім ремісникам, орачів і воїнам. І саме величезна потреба в ньому стала кращим двигуном виробництва даного матеріалу, а також подальшого технічного прогресу його виготовлення.


9-7 ст. до н. е. вважаються залізним століттям в історії людства. У цей період багато племена і народи Азії та Європи почали розвивати металургію. Проте в залозі і сьогодні зберігається висока потреба. Адже до цих досі воно є головним матеріалом, який застосовується для виготовлення знарядь праці.

Сиродутний продукт

Яка технологія отримання кричного заліза, яке людство почало здобувати ще на зорі розвитку металургії? Самий перший спосіб, винайдений людством, називався сиродутним. Причому він використовувався протягом 3000 років, не змінюючись від часів закінчення бронзового століття і до того періоду, поки в 13 ст. в Європі не була винайдена доменна піч. Називався такий спосіб сиродутним. Горни для нього споруджували з каменю або глини. Деколи матеріалом для їх стін виступали шматки шлаку. Останній варіант горна зсередини був обмазан вогнетривкою глиною, яку для поліпшення якості додавали пісок або подрібнений ріг. З чого виходить кричное залізо? В підготовлені ями закладалася «сира» лугова або болотна руда. Плавильне простір таких горнів заповнювалося деревним вугіллям, який потім гарненько розігрівався. У нижній частині ями знаходився отвір для подачі повітря. Спочатку його вдували ручними хутрами, які пізніше були замінені механічними. У самих перших горнах була організована природна тяга. Вона здійснювалася через спеціальні отвори – сопла, які розташовувалися на стінах нижній частині печі. Нерідко подачу повітря стародавні металурги забезпечували за рахунок застосування конструкції, що дозволяє отримати ефект труби. Вони створювали висока і в той же час вузький внутрішній простір. Дуже часто такі печі будувалися біля підніжжя пагорбів. У цих місцях було найбільше природне тиск вітру, яке використовувалося для збільшення тяги.
В результаті здійснюваного процесу відбувалося перетворення руди на метал. При цьому порожня порода поступово стікала вниз. На дні печі утворювалися зерна заліза. Вони злипалися між собою, перетворюючись на так звану «курку». Це пухка губчаста маса, просочена шлаками. У печі криця була розпечена до білого. Саме в такому стані її виймали і швидко проковували. Шматки шлаку при цьому просто відвалювалися. Далі отриманий матеріал зварювали в монолітний шматок. У результаті виходило кричное залізо. Кінцевий продукт своєю формою зовні нагадував корж. Що являв собою склад кричного заліза? Це був сплав Заліза з вуглецем, якого в кінцевому продукті було дуже мало (якщо розглядати процентне співвідношення, то не більше сотих часток). Однак кричное залізо, яке люди отримували у сиродутном горні, було не дуже твердим і міцним. Саме тому виконані з такого матеріалу виробу швидко виходили з ладу. Списи, сокири і ножі гнулися і зовсім недовго залишалися гострими.

Сталь

При виробництві заліза в горнах, разом з м'якими його грудками, траплялися й ті, які мали більш високу твердість. Це були шматки руди, впритул соприкасавшиеся з деревним вугіллям вчасно процесу виплавки. Чоловік помітив цю закономірність і почав спеціально збільшувати зону, що контактує з вугіллям. Це дозволило науглероживать залізо. Отриманий метал став задовольняти потребам майстрів і тих, хто користувався виготовленими з нього виробами. Цим матеріалом і була сталь. Її й донині використовують при виготовленні величезного числа конструкцій і виробів. Сталь, що виплавляється стародавніми металургами, це кричное залізо, в складі якого міститься до 2% вуглецю.
Існувало таке поняття, як м'яка сталь. Це було кричное залізо, у складі якого перебувало менше 025 % вуглецю. Якщо розглядати історію металургії, то саме м'яку сталь і виробляли на початковому етапі сиродутного виробництва. Як по-іншому називається кричное залізо? Існує і його третя різновид. Коли в його складі міститься більше 2 % вуглецю, то це чавун.

Винахід домни

Кричний спосіб отримання заліза з використанням сиродутних горнів перебував у великій залежності від погоди. Адже для такої технології було важливо, щоб в виготовлену трубку обов'язково задував вітер. Саме бажання піти від примх погоди і привело людину до створення хутра. Це були пристосування, необхідні для того, щоб роздмухувати в сиродутной печі вогонь. Після появи хутра горни для виробництва металу перестали споруджувати на схилах пагорбів. Люди стали користуватися печами нового типу, які отримали назву «вовчі ями». Вони представляли собою конструкції, одна частина яких знаходилася в землі, а друга (домниці) височіла над нею у вигляді споруди з каменів, скріплених між собою глиною. У підстави такої печі було отвір, у яке трубка вставлялася хутра для роздування вогню. Закладений у домниць вугілля згорав, після чого можна було діставати крицю. Її витягали назовні через отвір, що утворювався після видалення кількох каменів з нижньої частини споруди. Далі стінку відновлювали і заповнювали піч рудою і вугіллям, щоб почати все спочатку. Кричное виробництво заліза постійно вдосконалювалося. З плином часу домниці стали будувати більшого розміру. Це викликало необхідність у збільшенні продуктивності хутра. В результаті вугілля почав згоряти швидше, насичуючи залізо вуглецем.

Чавун

Як називається кричное залізо з високим вмістом вуглецю? Як вже було згадано вище, це настільки поширений на сьогоднішній день чавун. Його відмітною особливістю є здатність плавитися при порівняно низьких температурах. Кричное залізо - чавун у твердому вигляді - неможливо було кувати. Саме тому стародавні металурги спочатку не звертали на нього ніякої уваги. Від одного удару молотком цей матеріал просто розлітався на шматки. У зв'язку з цим чавун, так само, як і шлак, спочатку вважали відходом виробництва. В Англії цей метал навіть називали «свинським залізом». І тільки з плином часу люди зрозуміли, що даний продукт, поки він перебуває в рідкому вигляді, можна залити у форми для отримання різних виробів, наприклад, гарматних ядер. Саме завдяки цьому відкриттю в 14-15 ст. у промисловості почали зводити доменні печі для виробництва чавуну. Висота таких споруд досягала 3 і більше метрів. З їх допомогою виплавлялся ливарний чавун для виробництва вже не тільки ядер, але і самих гармат.

Розвиток доменного виробництва

Справжній переворот у металургійному справі стався у 80-х роках 18 ст. Саме тоді один з демидовских прикажчиків вирішив, що для більшої ефективності роботи доменних печей повітря в них слід подавати не через один, а через два сопла, які повинні бути розташовані з обох сторін горна. Поступово кількість таких сопел зростало. Це дозволило зробити більш рівномірним процес дуття, збільшити діаметр сурми і підвищити продуктивність печей. Розвитку доменного виробництва також сприяла заміна деревного вугілля, заради якого вирубувалися ліси, на кокс. У 1829 р. в Шотландії на заводі Клейд було вперше застосовано вдування в домну гарячого повітря. Подібне нововведення значно підвищило продуктивність печі і знизило витрата палива. В наш час доменний процес вдосконалили, замінивши частину коксу природним газом, мають ще більш низьку вартість.

Булат

Як називається кричное залізо, що володіє унікальними властивостями, які використовувалися при виготовленні зброї? Цей матеріал ми знаємо як булат. Даний метал, так само, як і дамаська сталь, являють собою сплав заліза з вуглецем. Однак, на відміну від інших свої видів, це кричное залізо, володіє хорошими якостями. Воно пружне і тверде, а також здатна лезі давати виняткову гостроту. Секрет виробництва булату намагалися розгадати металурги багатьох країн протягом не одного століття. Пропонувалося велика кількість рецептів і способів, які передбачали додавання в залізо слонової кістки, дорогоцінних каменів, золота і срібла. Однак секрет булату був розкритий лише в першій половині 20 століття чудовим російським металургом П. П. Аносовим. Їм було взято кричное залізо, яке закладалося в горн з деревним вугіллям, де горів відкритий вогонь. Плавився метал, насичуючись при цьому вуглецем. В цей час він покривався шлаком з кристалічного доломіту, іноді з добавкою найчистішої залізної окалини. Під таким шаром метал досить інтенсивно звільнявся від кремнію, фосфору, сірки і кисню. Однак і це ще не все. Отримана сталь повинна була бути охолоджена як можна повільніше і спокійніше. Це дозволяло утворюватися в першу чергу великим кристалам, що мають розгалужену структуру (дендрита). Йшло таке охолодження безпосередньо в горні, який був заповнений розпеченим вугіллям. На наступному етапі проводилася майстерна кування, при якій не повинна була зруйнуватися новоутворена структура. Унікальні властивості булату згодом знайшли пояснення в працях іншого російського металурга Д. К. Чернова. Він роз'яснив, що дендрити – це тугоплавка, але відносно м'яка сталь. Простір між їх «гілками» в процесі застигання заліза заповнюється більш насиченим вуглецем. Тобто м'яку сталь оточує більш тверда. Це і пояснює властивості булату, укладені в його в'язкості і одночасно високої міцності. Такий сталевий гібрид під час плавки зберігає свою деревоподібну структуру, перетворюючи її лише з прямолінійною у зиґзаґоподібну. Особливість отриманого малюнка великою мірою залежить від напрямку ударів, сили, а також майстерності коваля.

Дамаська сталь

У давнину цей метал представляв собою той же булат. Однак дещо пізніше дамаської сталлю стали називати матеріал, отриманий за допомогою ковальської зварки з великої кількості зволікання або смуг. Дані елементи виготовляли зі сталі. Причому для кожного з них було характерне різне вміст вуглецю. Мистецтво виготовлення такого металу свого найбільшого розвитку досягло в середні століття. Наприклад, у структурі широко відомого японського клинка дослідники виявили близько 4 млн сталевих ниток мікроскопічної товщини. Такий склад робив процес виготовлення зброї досить трудомістким.

Виробництво в сучасних умовах

Стародавні металурги залишили зразок своєї майстерності не тільки в збройових виробах. Самим яскравим прикладом чистого кричного заліза є що знаходиться поблизу столиці Індії знаменита колона. Археологами був визначений вік цього пам'ятника металургійного мистецтва. Виявилося, що колону спорудили ще 15 тисячі років тому. Але найдивовижніше полягає в тому, що на сьогоднішній день на її поверхні неможливо виявити навіть невеликих слідів корозії. Матеріал колони був підданий ретельному дослідженню. Виявилося, що це чисте кричное залізо, в якому знаходиться всього лише 028 % сторонніх домішок. Подібне відкриття здивувало навіть сучасних металургів. З плином часу кричное залізо поступово втратило свою популярність. Найбільшим попитом став користуватися метал, виплавлений в мартенівської або доменної печі. Проте при застосуванні цих методів виходить продукт недостатньої чистоти. Саме тому останнім часом отримав своє друге життя найдавніший спосіб виробництва цього матеріалу, який дозволяє випустити метал з найвищими якісними характеристиками. Як сьогодні називається кричное залізо? Воно знайоме нам як метал прямого відновлення. Зрозуміло, кричное залізо сьогодні отримують не так, як у давнину. Для його виробництва використовуються найсучасніші технології. Вони і дозволяють випустити метал, практично не має сторонніх домішок. У виробництві застосовують трубчасті печі обертового типу. Подібні конструктивні елементи задіюються для випалу різних сипучих матеріалів з використанням високих температур, хімічної, цементної та багатьох інших галузях промисловості. Як зараз називається кричное залізо? Його вважають чистим і застосовують при отриманні метод, за своєю суттю мало чим відрізняється від того, який існував у стародавні часи. Так само металурги використовують залізну руду, разогреваемую в процесі отримання кінцевого продукту. Однак на сьогоднішній день сировину спочатку піддають додатковій обробці. Його збагачують, створюючи своєрідний концентрат. Сучасна промисловість застосовує два способи. Обидва вони дозволяють отримати кричное залізо з концентрату. В основі першого з цих методів лежить доведення сировини до необхідної температури із застосуванням твердого палива. Такий процес дуже схожий з тим, який проводили давні металурги. Замість твердого палива може бути використаний газ, що представляє собою поєднання водню і чадного газу. Що передує отримання цього матеріалу? Як називається кричное залізо сьогодні? Після нагріву концентрату залізної руди в печі залишаються окатиші. Саме з них згодом і виробляють чистий метал. Другий метод, використовуваний для відновлення заліза, дуже схожий за своєю технологією на перший. Відмінність полягає лише в тому, що в якості палива для розігріву концентрату металурги застосовують чистий водень. При такому методі залізо виходить набагато швидше. Саме тому його відрізняє більш висока якість, адже в процесі взаємодії водню з збагаченої руди виходить всього два речовини. Перше з них - це чисте залізо, а друге - вода. Можна було б припустити, що даний метод користується в сучасній металургії великою популярністю. Однак на сьогоднішній день його застосовують нечасто, і, як правило, тільки для виробництва залізного порошку. Це пояснюється тим, що отримати чистий водень досить складно як з точки зору вирішення технічних питань, так і з-за економічних труднощів. Непростим завданням є і зберігання отриманого палива. Порівняно нещодавно вченими був розроблений ще один, третій спосіб виробництва відновленого заліза. Він передбачає одержання металу з концентрату руди, без проходження стадії її перетворення в окатиші. Дослідження показали, що при такому способі чисте залізо можна зробити набагато швидше. Однак у промисловості цей метод поки що не запроваджено, так як потребує значних технологічних змін і зміни оснащення підприємств металургії. Як називається кричное залізо сьогодні? Цей матеріал знайомий нам як метал прямого відновлення, іноді його називають ще й губчастим. Це економічно вигідний, високоякісний, екологічно чистий матеріал, який не має домішок фосфору і сірки. Завдяки своїм характеристикам кричное залізо використовується в машинобудівних галузях (авіа-, судо - та приладобудуванні).

Фехраль

Як бачимо, на сьогоднішній день при використанні найсучасніших технологій застосовують такий матеріал, кричне залізо. Фехраль також є затребуваним сплавом. В його складі, крім заліза, знаходяться такі компоненти, як хром і алюміній. Присутній в його структурі і нікель, але не більше ніж на 06%. Фехраль володіє хорошим електричним опором, високою твердістю, чудово працює з високоглиноземистой керамікою, не має схильності до виразкової корозії і жаростоек в атмосфері, в якій знаходиться сірка та її сполуки, водень та вуглець. А ось присутність в сплаві заліза робить його досить крихким, ускладнюючи обробку матеріалу при виготовленні різних виробів. Фехраль знаходить своє застосування при виготовленні нагрівальних елементів для лабораторних та промислових печей, максимальна робоча температура яких становить 1400 градусів. Часом деталі з даного сплаву використовуються та для іншого призначення. Їх ставлять у побутові нагрівальні прилади, а також в електричні апарати теплового дії. Широке застосування фехраль отримав при виробництві електронних сигарет. Також сплав заліза, алюмінію і хрому затребуваний у сфері виготовлення резистивних елементів. Це можуть бути, наприклад, пуско-гальмівні резистори електровозів. З фехраля випускають дріт, а також нитку і стрічку. Часом з нього отримують кола і прутки. Всю цю продукцію використовують при виробництві різних форм нагрівачів для електричних печей.