Как получается металл

Руда – смесь соединений железа и кислорода – оксидов железа. Извлекают железо из руды при высокой температуре. Для этого ее нагревают с восстановителем – веществом, способным отобрать кислород у железа. Самым доступным, пожалуй, единственно возможным восстановителем в древности были дрова. Но дрова выделяют слишком мало тепла, так как в них много воды; даже в сухой древесине содержание горючего элемента (углерода) невелико. Есть в дровах и водород, но он связан с кислородом, входящим в состав древесины, а поэтому не может отнимать кислород у окислов железа.

Однако уже в древности люди заметили, что при небольшом доступе воздуха в процессе горения дрова обугливаются, превращаясь в древесный уголь, состоящий из углерода и водорода. При сгорании одного килограмма древесного угля выделяется в три-четыре раза больше теплоты, чем при сжигании одного килограмма дров. Сгорая, он дает высокую температуру, при которой идет восстановление оксидов железа. Углерод, соединяясь с кислородом, превращается в диоксид (углекислый газ) и оставляет почти чистый металл.

Установить, кто первый предложил плавить металл на древесном угле, вероятно, так же трудно, как установить автора первой заявки на изобретение колеса, лука, или лодки. Невозможно также установить, в какой стране впервые провели плавку металла на древесном угле. Однако известно, что древнейшие цивилизации Египта, Китая, Индии пользовались этими материалами. Более того, древесный уголь используется и сегодня.

Стволы деревьев, очищенные от веток, складывались или в яму (ямный способ) или в конусообразную кучу диаметром от 3 – 4 до 10 – 12 метров и высотой 3 – 7 метров (костровой способ). В куче оставлялись проходы для воздуха и выхода дымовых газов. Нижняя часть вертикальной кучи уплотнялась глиной, и вся поверхность кучи засыпалась землей. Дрова в середине кучи разжигались через специальное растопочное отверстие. Дым выходил в канал, оставленный в центре кучи, или, в более совершенных конструкциях куч, через трубу, специально сооружаемую в центре кучи. Костровой способ существовал в России и, например, в Швеции, которая являлась крупнейшим экспортером древесного угля вплоть до ХХ в.

При ямном способе яму обычно располагали на косогоре, для того чтобы стекала смола, образующаяся в процессе углежжения.

Искусство углежога состояла в том, чтобы, манипулируя открыванием и закрыванием отверстий для подачи воздуха, позволить сгореть в куче как можно меньшему количеству древесины с тем, чтобы оставшаяся часть под действием выделяющегося тепла подвергалась сухой перегонке – выделила воду, связанный кислород и превратилась в древесный уголь. Ямный способ давал уголь низкого качества, мелкий и малопрочный. Да и использовались для его производства ветки, мелкая древесина. При костровом способе использовалась отборная древесина, преимущественно хвойные. Со временем, древесный уголь стал все шире применяться для кузнечных работ и плавки железа. А его в свою очередь требовалось все больше и больше.

Чем выше температура в устройстве для производства железа или чугуна, тем быстрее идет процесс. Еще древние мастера освоили значение дутья для улучшения процессов горения топлива, поэтому стали использовать меха для подачи воздуха. Больше дутья, больше воздуха, выше температура, больше металла. Крупнее установка, выше ее производительность. Вот основное направление, по которому шло развитие агрегатов по производству железа, а потом и чугуна.

Первые мастера с большим трудом изготовляли 2 – 5 килограммов металла в день. Проходили столетия, металла требовалось все больше, печи росли и в ширину, и высоту, потребляли все больше руды, воздуха и древесины. Производительность агрегатов исчислялась уже сотнями килограммов и даже тоннами.

Несколько столетий назад были созданы аппараты для выплавки железа из руд, которые используют и в наши дни – это доменные печи. Само название происходит от старинного русского глагола «дмати» – дуть, и наглядно характеризует технологический процесс производства металла.

Доменная печь – пустотелое сооружение, составленное из двух усеченных конусов. Сверху в домну загружали уголь и руду, а снизу вдували воздух. Уголь сгорал в нижней части доменной печи, выделяя тепло и превращаясь в диоксид углерода (углекислый газ). Чуть выше углекислый газ встречался с новыми порциями древесного угля и обращался в монооксид или – «угарный газ», как его называют в просторечии. А уже на следующем ярусе монооксид углерода восстанавливал оксиды железа и вновь обращался в углекислый газ. Руда исчезала. Вместо нее образовывались жидкий металл и шлак. Они просачивались через слой материалов и собирались в нижней части агрегата.

В старину температура в домнах была недостаточно высокой, и потому металл не плавился, а в виде губчатой массы-крицы оседал на дно печи. Крицу извлекали и отковывали в горячем состоянии, выжимая из глубины на поверхность легкие неметаллические включения. Однако кричная металлургия была возможна лишь при небольших, в нашем современном представлении, масштабах производства. Сегодня в доменных печах получают только жидкий металл – чугун, который используется для изготовления разнообразных отливок. Однако большая часть чугуна перерабатывается в сталеплавильных агрегатах: конверторах, мартенах, в которых, удаляя из чугуна углерод, кремний, марганец, серу, получают прочную и упругую сталь.

В чугуне до 3% углерода, а в стали только 0,3%.

Самая распространенная сталь – 3, наш основной конструкционный материал- это тот же чугун, но в котором 0,3% углерода. Это сталь, из которой делают автомобили, арматуру, полосу и т.д.

Многие сотни лет черные металлы получали, используя древесный уголь. Для получения одной тонны металла расходовали от двух до четырех тонн такого угля.

А чтобы приготовить тонну древесного угля, требовалось 10 – 12 кубометров леса. Строились железоделательные заводы, и начинал гулять топор по соседним лесам. В конце XVI в. Королева Елизавета Английская вынуждена была запретить использовать лес для производства угля. Через 25 – 30 лет выплавка железа была прекращена почти по всей Англии. А в XVIII в. русская императрица Елизавета специальным указом запретила строить железоделательные заводы в радиусе 200 верст вокруг Москвы.

Но что Елизаветы? В древнем Египте при фараоне Рамзесе II работало более 1000 медеплавильных печей. Использовался древесный уголь, который выжигали из пальм. А потом (лет через 300) медеплавильное производство практически кончилось. Пальмы вырубили и перешли на привозную медь.