الحديد عنصر مألوف لكل شخص على كوكبنا. وليس هناك ما يثير الدهشة في هذا. في الواقع ، من حيث محتواها في قشرة الأرض (تصل إلى 5٪) ، فإن هذا المكون هو الأكثر شيوعًا. ومع ذلك ، يمكن العثور على أربعين فقط من هذه الاحتياطيات في الودائع المناسبة للتطوير. المعادن الخام الرئيسية للحديد هي سيديريت وخام الحديد البني والهيماتيت والمغنتيت.
أصل الاسم
لماذا يحمل الحديد هذا الاسم؟ إذا أخذنا في الاعتبار جدول العناصر الكيميائية ، فسيتم تمييز هذا المكون على أنه "حديد". يتم اختصاره كـ Fe.
وفقًا للعديد من علماء الاشتقاق ، جاءت كلمة "حديد" إلينا من لغة Proto-Slavic ، حيث بدت مثل zelezo. وهذا الاسم جاء من قاموس الإغريق القدماء. أطلقوا على المعدن الشهير اليوم "الحديد".
هناك نسخة أخرى. وفقا لها ، جاء اسم "الحديد" إلينا من اللاتينية ، حيثيعني "النجوم". يكمن تفسير ذلك في حقيقة أن العينات الأولى من هذا العنصر التي اكتشفها الناس كانت من أصل نيزكي.
استخدام الحديد
في تاريخ البشرية ، كانت هناك فترة كان الناس فيها يقدرون الحديد أكثر من الذهب. تم تسجيل هذه الحقيقة في Odyssey Homer ، والتي تقول أن الفائزين في الألعاب التي رتبها Achilles حصلوا ، بالإضافة إلى الذهب ، على قطعة من الحديد. كان هذا المعدن ضروريًا لجميع الحرفيين والمزارعين والمحاربين تقريبًا. وكانت الحاجة الماسة إليها هي التي أصبحت أفضل محرك لإنتاج هذه المادة ، بالإضافة إلى مزيد من التقدم التقني في تصنيعها.
9-7 سم مكعب. قبل الميلاد. يعتبر العصر الحديدي في تاريخ البشرية. خلال هذه الفترة ، بدأ العديد من القبائل والشعوب في آسيا وأوروبا في تطوير علم المعادن. ومع ذلك ، لا يزال الطلب على الحديد مرتفعًا اليوم. بعد كل شيء ، لا تزال هي المادة الرئيسية المستخدمة في صناعة الأدوات.
منتج الجبن
ما هي تقنية إنتاج الحديد الزهر الذي بدأت البشرية في استخراجه مع فجر تطور علم المعادن؟ الطريقة الأولى التي اخترعها الإنسان كانت تسمى صناعة الجبن. علاوة على ذلك ، فقد تم استخدامه لمدة 3000 عام ، ولم يتغير من وقت نهاية العصر البرونزي حتى الفترة حتى القرن الثالث عشر. لم يتم اختراع الفرن العالي في أوروبا. هذه الطريقة كانت تسمى الخام. وكانت الأبواق له مبنية من الحجر أو الطين. في بعض الأحيان ، كانت قطع الخبث بمثابة مادة لجدرانها. كان الإصدار الأخير من الصياغة من الداخلمطلية بالطين المقاوم للحرارة ، والذي تمت إضافة الرمل أو البوق المكسر إليه لتحسين الجودة.
ما الذي يجعل مكواة الفلاش؟ تم ملء الحفر المجهزة بالمرج الخام أو خام المستنقعات. تمتلئ مساحة الانصهار في هذه الأفران بالفحم ، ثم تم تسخينها جيدًا. في الجزء السفلي من الحفرة كان هناك ثقب لإمداد الهواء. في البداية ، تم تفجيرها منفاخ يدوي ، والتي تم استبدالها لاحقًا بأخرى ميكانيكية.
في أول الصيغ ، تم تنظيم المسودة الطبيعية. تم تنفيذه من خلال فتحات خاصة - فتحات ، كانت موجودة على جدران الجزء السفلي من الفرن. في كثير من الأحيان ، قدم علماء المعادن القدامى إمدادًا بالهواء من خلال استخدام تصميم جعل من الممكن الحصول على تأثير الأنبوب. لقد خلقوا مساحة داخلية عالية وفي نفس الوقت ضيقة. في كثير من الأحيان تم بناء هذه الأفران عند سفح التلال. كان لهذه الأماكن أكبر ضغط طبيعي للرياح ، والذي تم استخدامه لزيادة الجر.
نتيجة للعملية المستمرة ، تم تحويل الخام إلى معدن. في الوقت نفسه ، تدفقت الصخور الفارغة تدريجياً. تشكلت حبيبات الحديد في قاع الفرن. لقد تمسكوا ببعضهم البعض ، وتحولوا إلى ما يسمى بـ "الزحف". هذه كتلة إسفنجية فضفاضة مشربة بالخبث. في الفرن ، كان البسكويت ساخنًا. في هذه الحالة قاموا بإخراجها وتزويرها بسرعة. قطع الخبث سقطت للتو. بعد ذلك ، تم لحام المادة الناتجة في قطعة متجانسة. وكانت النتيجة براقة الحديد. كان المنتج النهائي على شكل خبز مسطح.
ما كانتكوين الحديد الازهر؟ كانت عبارة عن سبيكة من الحديد والكربون ، والتي كانت صغيرة جدًا في المنتج النهائي (إذا أخذنا في الاعتبار النسبة ، فلا تزيد عن جزء من مائة).
ومع ذلك ، فإن الحديد المزهر الذي استقبله الناس في الفرن الخام لم يكن صعبًا ودائمًا للغاية. هذا هو السبب في فشل المنتجات المصنوعة من هذه المواد بسرعة. كانت الرماح والفؤوس والسكاكين مثنية ولم تبقى حادة لفترة طويلة.
فولاذ
في إنتاج الحديد في الصهر ، جنبًا إلى جنب مع الكتل اللينة ، كانت هناك أيضًا كتل ذات صلابة أعلى. كانت هذه قطع من الخام كانت على اتصال وثيق بالفحم أثناء عملية الصهر. لاحظ رجل هذا النمط وبدأ في زيادة المساحة الملامسة للفحم عمداً. هذا جعل من الممكن كربنة الحديد. بدأ المعدن الناتج في تلبية احتياجات الحرفيين ومن استخدموا المنتجات المصنوعة منه.
هذه المادة من الفولاذ. لا يزال يستخدم حتى يومنا هذا في تصنيع عدد كبير من الهياكل والمنتجات. الصلب ، المصهور من قبل علماء المعادن القدماء ، هو حديد فلاش ، والذي يحتوي على ما يصل إلى 2٪ كربون.
كان هناك أيضًا شيء مثل الفولاذ الطري. كان عبارة عن حديد فلاش ، يحتوي على أقل من 0.25٪ كربون. إذا أخذنا في الاعتبار تاريخ علم المعادن ، فقد كان الفولاذ الطري الذي تم إنتاجه في المرحلة الأولى من إنتاج الجبن. ما هو اسم اخر لمكواة الفلاش؟ هناك أيضا نوع ثالث. عندما يحتوي على أكثر من 2٪ كربون ، إذنانها الحديد الزهر.
اختراع الفرن العالي
كانت طريقة التفتح للحصول على الحديد باستخدام مسبوكات من ذوات الدم الخام تعتمد بشكل كبير على الطقس. بعد كل شيء ، بالنسبة لمثل هذه التكنولوجيا ، كان من المهم أن تهب الرياح في الأنبوب المصنع. كانت الرغبة في الابتعاد عن تقلبات الطقس هي التي دفعت الشخص إلى صنع الفراء. كانت هذه هي الأجهزة اللازمة لإشعال النار في الفرن الخام.
بعد ظهور المنفاخ ، لم تعد الحدادة المخصصة لإنتاج المعادن تُبنى على سفوح التلال. بدأ الناس في استخدام نوع جديد من المواقد يسمى "حفر الذئب". كانت مبانٍ ، كان أحدها في الأرض ، والثاني (البيوت) فوقها على شكل هيكل مصنوع من الحجارة المتماسكة بالطين. في قاعدة هذا الفرن كان هناك ثقب تم فيه إدخال أنبوب منفاخ لإشعال النار. تم حرق الفحم الموجود في المنزل ، وبعد ذلك كان من الممكن الحصول على جهاز التكسير. تم سحبها من خلال الفتحة التي تشكلت بعد إزالة عدة أحجار من الجزء السفلي من الهيكل. بعد ذلك ، تم ترميم الجدار وتم ملء الفرن بالخام والفحم للبدء من جديد.
تم تحسين إنتاج الحديد الساطع باستمرار. بمرور الوقت ، بدأ بناء المنازل بشكل أكبر. استلزم هذا زيادة في إنتاجية الميكانيكا. نتيجة لذلك ، بدأ الفحم يحترق بشكل أسرع ، مما أدى إلى تشبع الحديد بالكربون.
الحديد الزهر
ما يسمى الحديد فلاش عالي الكربون؟ كما كانالمذكورة أعلاه ، هذا الحديد الزهر شائع جدًا اليوم. السمة المميزة لها هي القدرة على الذوبان في درجات حرارة منخفضة نسبيًا.
طوب حديد - حديد مصبوب في شكل صلب - كان من المستحيل تزويره. هذا هو السبب في أن علماء المعادن القدامى لم ينتبهوا له في البداية. من ضربة واحدة بمطرقة ، تحطمت هذه المادة ببساطة إلى قطع. في هذا الصدد ، كان الحديد الزهر ، وكذلك الخبث ، يعتبر في البداية منتجًا نفايات. في إنجلترا ، كان يُطلق على هذا المعدن اسم "حديد الزهر". وفقط بمرور الوقت ، أدرك الناس أن هذا المنتج ، بينما يكون في شكل سائل ، يمكن سكبه في قوالب للحصول على منتجات مختلفة ، على سبيل المثال ، قذائف المدفع. بفضل هذا الاكتشاف في القرنين الرابع عشر والخامس عشر. بدأ في الصناعة لبناء أفران عالية لإنتاج الحديد الخام. وصل ارتفاع هذه الهياكل إلى 3 أمتار أو أكثر. بمساعدتهم ، تم صهر الحديد المسبك ليس فقط لإنتاج قذائف المدفع ، ولكن أيضًا المدافع نفسها.
تطوير إنتاج أفران الصهر
حدثت ثورة حقيقية في الأعمال المعدنية في الثمانينيات من القرن الثامن عشر. عندها قرر أحد كتبة ديميدوف أنه من أجل زيادة الكفاءة في تشغيل أفران الصهر ، يجب توفير الهواء لهم ليس من خلال واحدة ، ولكن من خلال فتحتين ، يجب أن يكونا موجودين على جانبي الموقد. تدريجيا ، نما عدد هذه الفتحات. هذا جعل من الممكن جعل عملية النفخ أكثر اتساقًا ، وزيادة قطر الموقد وزيادة إنتاجية الأفران.
تم أيضًا تسهيل تطوير إنتاج الأفران العالية من خلال استبدال الفحم النباتي ،التي من أجلها تم قطع الغابات ، من أجل فحم الكوك. في عام 1829 ، في اسكتلندا ، في مصنع كلايد ، تم نفخ الهواء الساخن في فرن الصهر لأول مرة. أدى هذا الابتكار إلى زيادة إنتاجية الفرن بشكل كبير وخفض استهلاك الوقود. في الوقت الحاضر ، تم تحسين عملية الفرن العالي من خلال استبدال بعض فحم الكوك بالغاز الطبيعي ، والذي يتميز بتكلفة أقل.
بولات
ما اسم مكواة الفلاش التي لها خصائص فريدة كانت تستخدم في صناعة السلاح؟ نحن نعرف هذه المادة على أنها فولاذ دمشقي. هذا المعدن ، مثل صلب دمشق ، هو سبيكة من الحديد والكربون. ومع ذلك ، على عكس الأنواع الأخرى ، فهو مكواة براقة ذات صفات جيدة. إنه مرن وصلب ، وقادر أيضًا على إنتاج حدة استثنائية في الشفرة.
علماء المعادن في العديد من البلدان يحاولون كشف سر إنتاج الصلب الدمشقي لأكثر من قرن. تم اقتراح عدد كبير من الوصفات والطرق التي تضمنت إضافة العاج والأحجار الكريمة والذهب والفضة إلى الحديد. ومع ذلك ، تم الكشف عن سر الفولاذ الدمشقي فقط في النصف الأول من القرن العشرين من قبل عالم المعادن الروسي الرائع P. P. Anosov. أخذوا حديدًا مزهرًا ، وُضِع في فرن بالفحم ، حيث اشتعلت النيران. ذاب المعدن مشبعًا بالكربون. في ذلك الوقت ، كانت مغطاة بخبث الدولوميت البلوري ، وأحيانًا مع إضافة أنقى مقياس حديدي. تحت هذه الطبقة ، تم إطلاق المعدن بشكل مكثف للغاية من السيليكون والفوسفور والكبريت والأكسجين. ومع ذلك ، لم يكن هذا كل شيء. كان لابد من تبريد الفولاذ الناتج قدر الإمكانأبطأ وأكثر هدوءًا. هذا جعل من الممكن ، أولاً وقبل كل شيء ، تكوين بلورات كبيرة ذات بنية متفرعة (التشعبات). يحدث هذا التبريد مباشرة في الموقد المملوء بالفحم الساخن. في المرحلة التالية ، تم إجراء تزوير ماهر ، حيث يجب ألا ينهار الهيكل الناتج.
وجدت الخصائص الفريدة للصلب الدمشقي في وقت لاحق تفسيرًا في أعمال عالم المعادن الروسي دي كي تشيرنوف. وأوضح أن التشعبات مقاومة للحرارة ولكنها من الصلب اللين نسبيًا. تمتلئ الفراغ بين "فروعها" في عملية تصلب الحديد بمزيد من الكربون المشبع. أي أن الفولاذ اللين محاط بفولاذ أكثر صلابة. هذا ما يفسر خصائص الفولاذ الدمشقي ، الموجودة في لزوجته وفي نفس الوقت قوة عالية. يحتفظ هذا الهجين الفولاذي أثناء الانصهار بهيكله الشجري ، ويحوله فقط من خط مستقيم إلى خط متعرج. تعتمد خصوصية النمط الناتج إلى حد كبير على اتجاه الضربات ، والقوة ، وكذلك مهارة الحداد.
صلب دمشق
في العصور القديمة ، كان هذا المعدن هو نفس الفولاذ الدمشقي. ومع ذلك ، بعد ذلك بقليل ، بدأ تسمية الفولاذ الدمشقي بالمواد التي تم الحصول عليها عن طريق اللحام بالحدادة من عدد كبير من الأسلاك أو الشرائط. هذه العناصر مصنوعة من الفولاذ. علاوة على ذلك ، تميز كل منهم بمحتوى كربون مختلف.
بلغ فن صناعة مثل هذا المعدن أعظم تطور له في العصور الوسطى. على سبيل المثال ، وجد الباحثون في هيكل النصل الياباني المعروفحوالي 4 ملايين خيط فولاذي بسمك مجهري. جعل هذا التكوين عملية صنع الأسلحة شاقة للغاية.
الإنتاج في الظروف الحديثة
ترك علماء المعادن القدماء عينة من مهاراتهم ليس فقط في الأسلحة. ولعل أبرز مثال على الحديد الزهر النقي هو العمود الشهير الواقع بالقرب من عاصمة الهند. حدد علماء الآثار عمر هذا النصب التذكاري للفن المعدني. اتضح أن العمود تم بناؤه منذ 1.5 ألف سنة أخرى. لكن الشيء الأكثر إثارة للدهشة يكمن في حقيقة أنه من المستحيل اليوم اكتشاف آثار التآكل الصغيرة على سطحه. خضعت مادة العمود لفحص دقيق. اتضح أن هذا هو حديد فلاش نقي يحتوي فقط على 0.28٪ من الشوائب. أذهل هذا الاكتشاف حتى علماء المعادن الحديثين.
مع مرور الوقت فقد الحديد المبهرج شعبيته تدريجياً. بدأ المعدن المصهور في موقد مفتوح أو فرن صهر في التمتع بأكبر طلب. ومع ذلك ، عند تطبيق هذه الطرق ، يتم الحصول على منتج غير كافٍ. هذا هو السبب في أن أقدم طريقة لإنتاج هذه المادة قد حصلت مؤخرًا على عمرها الثاني ، مما يسمح بإنتاج معدن بأعلى خصائص الجودة.
ما يسمى فلاش الحديد اليوم؟ إنه مألوف لنا كمعدن اختزال مباشر. بالطبع ، لا يتم إنتاج الحديد الزهر اليوم بنفس الطريقة كما في العصور القديمة. لإنتاجها ، يتم استخدام أحدث التقنيات. إنها تجعل من الممكن إنتاج معدن لا يحتوي عمليا علىالشوائب الأجنبية. تستخدم أفران الأنابيب الدوارة في الإنتاج. تُستخدم هذه العناصر الهيكلية في حرق المواد السائبة المختلفة باستخدام درجات حرارة عالية في الصناعات الكيميائية والأسمنت والعديد من الصناعات الأخرى.
ما يسمى الآن مكواة الفلاش؟ يعتبر نقيًا ويستخدم في الحصول على طريقة لا تختلف كثيرًا عن تلك التي كانت موجودة في العصور القديمة. لا يزال علماء المعادن يستخدمون خام الحديد ، الذي يتم تسخينه في عملية الحصول على المنتج النهائي. ومع ذلك ، تخضع المواد الخام اليوم في البداية إلى معالجة إضافية. غني ، وخلق نوع من التركيز.
تستخدم الصناعة الحديثة طريقتين. كلاهما يسمح لك بالحصول على مكواة فلاش من المركز.
تعتمد أولى هذه الطرق على جلب المواد الخام إلى درجة الحرارة المطلوبة باستخدام الوقود الصلب. تشبه هذه العملية إلى حد بعيد تلك التي قام بها علماء المعادن القدامى. بدلاً من الوقود الصلب ، يمكن استخدام الغاز ، وهو مزيج من الهيدروجين وأول أكسيد الكربون.
ما الذي يسبق الحصول على هذه المادة؟ ما هو اسم فلاش الحديد اليوم؟ بعد تسخين مركز خام الحديد ، تبقى الكريات في الفرن. ومنهم يتم إنتاج المعدن النقي لاحقًا.
الطريقة الثانية المستخدمة لاستعادة الحديد مشابهة جدًا للأولى في التكنولوجيا. والفرق الوحيد هو أن علماء المعادن يستخدمون الهيدروجين النقي كوقود لتسخين المركز. بهذه الطريقة ، يتم الحصول على الحديد بشكل أسرع. بالضبطلذلك ، تتميز بجودة أعلى ، لأنه في عملية تفاعل الهيدروجين مع الخام المخصب ، يتم الحصول على مادتين فقط. أولهما حديد نقي ، والثاني ماء. يمكن افتراض أن هذه الطريقة تحظى بشعبية كبيرة في علم المعادن الحديث. ومع ذلك ، يتم استخدامه اليوم بشكل غير منتظم ، وكقاعدة عامة ، فقط لإنتاج مسحوق الحديد. يفسر ذلك حقيقة أنه من الصعب جدًا الحصول على الهيدروجين النقي ، سواء من حيث حل المشكلات الفنية أو بسبب الصعوبات الاقتصادية. تخزين الوقود المستلم هو أيضًا مهمة صعبة.
في الآونة الأخيرة نسبيًا ، طور العلماء طريقة ثالثة أخرى لإنتاج الحديد المختزل. وهو ينطوي على الحصول على المعدن من مركز الخام ، دون المرور بمرحلة تحوله إلى كريات. أظهرت الدراسات أنه بهذه الطريقة يمكن إنتاج الحديد النقي بشكل أسرع. ومع ذلك ، لم يتم تنفيذ هذه الطريقة بعد في الصناعة ، لأنها تتطلب تغييرات تكنولوجية كبيرة وتغييرًا في معدات شركات التعدين.
ما هو اسم فلاش الحديد اليوم؟ هذه المادة مألوفة لنا كمعدن اختزال مباشر ، وأحيانًا تسمى أيضًا الإسفنجية. هذه مادة فعالة من حيث التكلفة وعالية الجودة وصديقة للبيئة ولا تحتوي على شوائب من الفوسفور والكبريت. نظرًا لخصائصه ، يستخدم الحديد الزهر في الصناعات الهندسية (الطيران وبناء السفن والأجهزة).
Fechral
كما ترى اليوم عند استخدامتستخدم أحدث التقنيات مواد مثل الحديد المزهر. Fechral هو أيضا سبيكة مرغوبة. بالإضافة إلى الحديد ، فهو يحتوي على مكونات مثل الكروم والألمنيوم. النيكل موجود أيضًا في هيكله ، ولكن ليس أكثر من 0.6٪.
Fechral لديه مقاومة كهربائية جيدة ، وصلابة عالية ، ويعمل بشكل رائع مع سيراميك الألومينا العالي ، وليس لديه ميل للتأليب ومقاوم للحرارة في جو يحتوي على الكبريت ومركباته والهيدروجين والكربون. لكن وجود الحديد في السبيكة يجعلها هشة للغاية ، مما يجعل من الصعب معالجة المواد في تصنيع المنتجات المختلفة.
يستخدم Fechral في صناعة عناصر التسخين للأفران المختبرية والصناعية ، ودرجة حرارة التشغيل القصوى لها 1400 درجة. في بعض الأحيان تستخدم أجزاء من هذه السبيكة لأغراض أخرى. يتم وضعها في أجهزة التدفئة المنزلية ، وكذلك في الأجهزة الكهربائية ذات التأثير الحراري. تم استخدام Fechral على نطاق واسع في إنتاج السجائر الإلكترونية. كما أن هناك طلبًا على سبيكة من الحديد والألمنيوم والكروم في مجال تصنيع العناصر المقاومة. يمكن أن تكون هذه ، على سبيل المثال ، مقاومات كبح بدء للقاطرات الكهربائية.
يستخدم Fechral لإنتاج الأسلاك ، وكذلك الخيوط والشرائط. في بعض الأحيان يتم الحصول على الدوائر والقضبان منه. كل هذه المنتجات تستخدم في تصنيع مختلف أشكال السخانات للأفران الكهربائية.
