ברזל הוא יסוד המוכר לכל אדם על הפלנטה שלנו. ואין בזה שום דבר מפתיע. ואכן, מבחינת תכולתו בקרום כדור הארץ (עד 5%), מרכיב זה הוא הנפוץ ביותר. עם זאת, רק ארבעים מהעתודות הללו ניתן למצוא במרבצים המתאימים לפיתוח. מינרלי העפר העיקריים של ברזל הם סידריט, עפרת ברזל חומה, המטיט ומגנטיט.
מקור השם
למה לברזל יש את השם הזה? אם ניקח בחשבון את טבלת היסודות הכימיים, אז בו רכיב זה מסומן כ"פרום". זה מקוצר Fe.
לפי אטימולוגים רבים, המילה "ברזל" הגיעה אלינו מהשפה הפרוטו-סלבית, שבה היא נשמעה כמו זלזו. והשם הזה הגיע מהלקסיקון של היוונים הקדמונים. הם קראו למתכת המפורסמת כל כך היום "ברזל".
יש גרסה אחרת. לדבריה, השם "ברזל" הגיע אלינו מלטינית, שםהתכוון ל"כוכב". ההסבר לכך נעוץ בעובדה שהדגימות הראשונות של יסוד זה שהתגלו על ידי אנשים היו ממקור מטאוריטים.
שימוש בברזל
בהיסטוריה של האנושות, הייתה תקופה שבה אנשים העריכו ברזל יותר מזהב. עובדה זו מתועדת באודיסאה של הומרוס, האומרת כי למנצחים במשחקים שסידר אכילס ניתנה, בנוסף לזהב, חתיכת ברזל. מתכת זו הייתה חיונית כמעט לכל בעלי המלאכה, החקלאים והלוחמים. והצורך העצום בו הוא שהפך למנוע הטוב ביותר לייצור החומר הזה, כמו גם התקדמות טכנית נוספת בייצורו.
9-7 סמ ק. לִפנֵי הַסְפִירָה. נחשב לתקופת הברזל בהיסטוריה האנושית. במהלך תקופה זו, שבטים ועמים רבים באסיה ואירופה החלו לפתח מטלורגיה. עם זאת, ברזל עדיין מבוקש כיום. אחרי הכל, זה עדיין החומר העיקרי המשמש לייצור כלים.
מוצר גבינה
מהי הטכנולוגיה לייצור ברזל פורח, שהאנושות החלה לחלץ עם שחר התפתחות המטלורגיה? השיטה הראשונה שהמציאה האנושות נקראה ייצור גבינה. יתרה מכך, הוא היה בשימוש במשך 3000 שנים, ללא שינוי מתקופת סוף תקופת הברונזה ועד התקופה ועד המאה ה-13. תנור הפיצוץ לא הומצא באירופה. שיטה זו נקראה raw. קרניים עבורו נבנו מאבן או חימר. לפעמים חתיכות סיגים שימשו כחומר לקירות שלהם. הגרסה האחרונה של הזייף מבפנים הייתהמצופה בחימר עקשן, אליו הוסיפו חול או קרן כתוש כדי לשפר את האיכות.
מה הופך את הבזק לברזל? הבורות המוכנים מולאו באחו "גולמי" או עפרת ביצות. חלל ההיתוך של תנורים כאלה היה מלא בפחם, שחומם ביסודיות. בתחתית הבור היה חור לאספקת אוויר. בתחילה הוא נושף במפוחי יד, שהוחלפו מאוחר יותר במפוחים מכניים.
במפעלים הראשונים, אורגנה טיוטה טבעית. זה בוצע דרך חורים מיוחדים - חרירים, שהיו ממוקמים על הקירות של החלק התחתון של הכבשן. לעתים קרובות, מטלורגים עתיקים סיפקו אספקת אוויר באמצעות עיצוב שאיפשר להשיג את האפקט של צינור. הם יצרו חלל פנימי גבוה ובו בזמן צר. לעתים קרובות מאוד נבנו תנורים כאלה למרגלות הגבעות. במקומות האלה היה לחץ הרוח הטבעי הגדול ביותר, ששימש להגברת המתיחה.
כתוצאה מהתהליך המתמשך, עפרה הומרה למתכת. במקביל, הסלע הריק זרם מטה בהדרגה. גרגרי ברזל נוצרו בתחתית הכבשן. הם דבקו זה בזה, והפכו למה שנקרא "שרץ". זוהי מסה ספוגית רופפת ספוג סיגים. בתנור, הקרקר היה לוהט לבן. במצב הזה הם הוציאו אותו וזייפו אותו במהירות. חתיכות סיגים פשוט נפלו. לאחר מכן, החומר שהתקבל מרותך ליצירה מונוליטית. התוצאה הייתה ברזל נוצץ. המוצר הסופי עוצב כמו לחם שטוח.
מה היההרכב ברזל פורח? זו הייתה סגסוגת של Fe ופחמן, שהייתה קטנה מאוד במוצר הסופי (אם ניקח בחשבון את האחוז, אז לא יותר ממאיות).
עם זאת, הברזל הפורח שאנשים קיבלו בתנור הגולמי לא היה קשה ועמיד במיוחד. לכן מוצרים עשויים מחומר כזה נכשלו במהירות. חניתות, גרזנים וסכינים כופפו ולא נשארו חדים לאורך זמן.
Steel
בייצור ברזל במחושות, יחד עם הגושים הרכים שלו, היו גם כאלה שהיו בעלי קשיות גבוהה יותר. אלה היו חתיכות עפרה שהיו במגע הדוק עם פחם במהלך תהליך ההיתוך. אדם הבחין בדפוס זה והחל להגדיל בכוונה את השטח במגע עם פחם. זה איפשר לקרבור את הברזל. המתכת שנוצרה החלה לענות על הצרכים של בעלי מלאכה ואלה שהשתמשו במוצרים שנעשו ממנה.
חומר זה היה פלדה. זה עדיין משמש עד היום בייצור של מספר עצום של מבנים ומוצרים. פלדה, שהומסה על ידי מתכות עתיקות, היא ברזל הבזק, המכיל עד 2% פחמן.
היה גם דבר כזה פלדה עדינה. זה היה ברזל הבזק, שהכיל פחות מ-0.25% פחמן. אם ניקח בחשבון את ההיסטוריה של המטלורגיה, אז זה היה פלדה עדינה שיוצרה בשלב הראשוני של ייצור הגבינה. מהו שם אחר למגהץ פלאש? יש גם זן שלישי. כאשר הוא מכיל יותר מ-2% פחמן, אזזה ברזל יצוק.
המצאת תנור הפיצוץ
שיטת הפריחה להשגת ברזל באמצעות מחושות בדם גולמי הייתה תלויה מאוד במזג האוויר. אחרי הכל, עבור טכנולוגיה כזו היה חשוב שהרוח תנשב לתוך הצינור המיוצר. הרצון להתרחק מגחמות מזג האוויר הוא שהוביל אדם ליצור פרוות. אלה היו המכשירים הדרושים כדי לאוורר את האש בתנור הגולמי.
לאחר הופעת המפוחים לא נבנו עוד על גבעות מחושות לייצור מתכת. אנשים החלו להשתמש בסוג חדש של תנורים, הנקראים "בורות זאב". הם היו מבנים, שחלקם האחד באדמה, והשני (בתים) התנשא מעליו בצורת מבנה עשוי אבנים המוחזקות יחד בחימר. בבסיסו של תנור כזה היה חור שאליו הוכנס צינור של מפוח כדי ללבות את האש. הפחם שהונח בבית נשרף ולאחר מכן ניתן היה להשיג את הקרקר. היא נשלפה דרך החור, שנוצר לאחר סילוק של כמה אבנים מהחלק התחתון של המבנה. לאחר מכן, הקיר שוחזר והכבשן התמלא בעפרות ופחם כדי להתחיל מחדש.
ייצור הברזל הבהיר שופר ללא הרף. עם הזמן החלו לבנות בתים גדולים יותר. זה חייב להגדיל את התפוקה של המכונים. כתוצאה מכך, הפחם החל להישרף מהר יותר, והרווה את הברזל בפחמן.
ברזל יצוק
איך נקרא הברזל הבזק עתיר הפחמן? כמו שזה היהשהוזכר לעיל, זהו ברזל יצוק שכל כך נפוץ היום. המאפיין המבחין שלו הוא היכולת להמיס בטמפרטורות נמוכות יחסית.
ברזל לבנים - ברזל יצוק בצורה מוצקה - אי אפשר היה לזייף. לכן המטלורגים העתיקים לא שמו לו כל תשומת לב בהתחלה. ממכה אחת עם פטיש, החומר הזה פשוט התנפץ לחתיכות. בהקשר זה, ברזל יצוק, כמו גם סיגים, נחשבו בתחילה למוצר פסולת. באנגליה, מתכת זו אף כונתה "ברזל חזיר". ורק עם הזמן, אנשים הבינו שאת המוצר הזה, בעודו במצב נוזלי, אפשר לצקת לתבניות כדי להשיג מוצרים שונים, למשל כדורי תותח. הודות לגילוי זה במאות 14-15. בתעשייה החלו לבנות תנורי פיצוץ לייצור ברזל חזיר. גובהם של מבנים כאלה הגיע ל-3 מטרים או יותר. בעזרתם הותך ברזל יציקה לייצור לא רק כדורי תותח, אלא גם התותחים עצמם.
פיתוח ייצור תנורי פיצוץ
מהפכה אמיתית בעסקי המתכות התרחשה בשנות ה-80 של המאה ה-18. או אז החליטה אחת הפקידות של דמידוב שלצורך יעילות רבה יותר בהפעלת תנורי הפיצוץ, יש לספק להם אוויר לא דרך אחת, אלא דרך שתי חרירים, שיש למקם אותם משני צידי האח. בהדרגה גדל מספר החרירים הללו. זה איפשר להפוך את תהליך הנשיפה לאחיד יותר, להגדיל את קוטר האח ולהגדיל את התפוקה של התנורים.
הפיתוח של ייצור תנורי פיצוץ הוקל גם על ידי החלפת פחם,שבשבילם נכרתו יערות, בשביל קוקה. בשנת 1829, בסקוטלנד, במפעל Clayde, נשף אוויר חם לכבשן הפיצוץ בפעם הראשונה. חידוש כזה הגדיל באופן משמעותי את הפרודוקטיביות של הכבשן והפחית את צריכת הדלק. כיום, תהליך הכבשן שופר על ידי החלפת חלק מהקוק בגז טבעי, שעלותו נמוכה עוד יותר.
Bulat
מה שמו של הברזל הבזק, בעל תכונות ייחודיות ששימשו לייצור כלי נשק? אנו מכירים את החומר הזה כפלדה דמשקית. מתכת זו, כמו פלדת דמשק, היא סגסוגת של ברזל ופחמן. עם זאת, בניגוד למינים אחרים שלו, זהו ברזל נוצץ עם תכונות טובות. הוא גמיש וקשיח, וגם מסוגל לייצר חדות יוצאת דופן בלהב.
מטאלורגיסטים ממדינות רבות מנסים לפענח את סוד הייצור של פלדה דמשקית במשך יותר ממאה שנה. הוצעו מספר רב של מתכונים ושיטות שכללו הוספת שנהב, אבנים יקרות, זהב וכסף לברזל. עם זאת, סוד הפלדה הדמשקית נחשף רק במחצית הראשונה של המאה ה-20 על ידי המטלורג הרוסי המדהים P. P. Anosov. הם לקחו ברזל פורח, שהיה מונח בכבשן עם פחם, שם בערה אש גלויה. המתכת נמסה, רוויה בפחמן. באותה תקופה הוא היה מכוסה סיגי דולומיט גבישי, לפעמים בתוספת אבנית הברזל הטהורה ביותר. מתחת לשכבה כזו, המתכת השתחררה בצורה אינטנסיבית מאוד מסיליקון, זרחן, גופרית וחמצן. עם זאת, זה לא היה הכל. את הפלדה שהתקבלה היה צריך לקרר ככל האפשראיטי ורגוע יותר. זה איפשר ליצור, קודם כל, גבישים גדולים בעלי מבנה מסועף (דנדריטים). קירור כזה התרחש ישירות באח, שהיה מלא בפחם לוהט. בשלב הבא בוצע חישול מיומן, שבמהלכו המבנה שנוצר לא אמור לקרוס.
המאפיינים הייחודיים של פלדת דמשק מצאו לאחר מכן הסבר בעבודותיו של מתכות רוסי אחר ד.ק. צ'רנוב. הוא הסביר שהדנדריטים הם פלדה עקשן אך רכה יחסית. החלל בין ה"ענפים" שלהם בתהליך התמצקות הברזל מלא בפחמן רווי יותר. כלומר, פלדה רכה מוקפת פלדה קשה יותר. זה מסביר את המאפיינים של פלדת דמשק, הכלול בצמיגות שלה ובאותו זמן חוזק גבוה. היברידית פלדה כזו במהלך ההמסה שומרת על מבנה העץ שלה, והופכת אותו רק מקו ישר לזיגזג. הייחודיות של התבנית המתקבלת תלויה במידה רבה בכיוון המכות, בחוזק, כמו גם במיומנות של הנפח.
פלדת דמשק
בימי קדם, מתכת זו הייתה אותה פלדה דמשקית. עם זאת, קצת מאוחר יותר, פלדת דמשק החלה להיקרא חומר המתקבל על ידי ריתוך זיוף ממספר רב של חוטים או רצועות. אלמנטים אלה היו עשויים מפלדה. יתרה מכך, כל אחד מהם התאפיין בתכולת פחמן שונה.
אמנות הכנת מתכת כזו הגיעה להתפתחותה הגדולה ביותר בימי הביניים. לדוגמה, במבנה של הלהב היפני הידוע, מצאו החוקריםכ-4 מיליון חוטי פלדה בעובי מיקרוסקופי. הרכב זה הפך את תהליך ייצור הנשק לעמל מאוד.
ייצור בתנאים מודרניים
מתלורגים עתיקים השאירו מדגם של מיומנותם לא רק בכלי נשק. הדוגמה הבולטת ביותר של ברזל פורח טהור היא העמוד המפורסם שנמצא ליד בירת הודו. ארכיאולוגים קבעו את הגיל של אנדרטה זו של אמנות מתכות. התברר שהעמוד נבנה עוד לפני 1.5 אלף שנה. אבל הדבר המפתיע ביותר טמון בעובדה שכיום אי אפשר לזהות אפילו עקבות קטנים של קורוזיה על פני השטח שלו. חומר העמוד נבדק היטב. התברר שמדובר בברזל פלאש טהור, המכיל רק 0.28% זיהומים. תגלית כזו הדהימה אפילו מטלורגים מודרניים.
עם הזמן ברזל נוצץ איבד בהדרגה את הפופולריות שלו. המתכת שהותכה באח פתוח או בכבשן פיצוץ החלה ליהנות מהביקוש הגדול ביותר. עם זאת, בעת יישום שיטות אלה, מתקבל תוצר של טוהר לא מספיק. לכן השיטה הוותיקה ביותר לייצור חומר זה קיבלה לאחרונה את חייו השניים, המאפשרת ייצור מתכת עם מאפיינים האיכותיים ביותר.
איך נקרא ברזל פלאש היום? היא מוכרת לנו כמתכת הפחתה ישירה. כמובן, ברזל פורח כיום אינו מיוצר באותו אופן כמו בימי קדם. לייצורו נעשה שימוש בטכנולוגיות המודרניות ביותר. הם מאפשרים לייצר מתכת שאין לה כמעטזיהומים זרים. תנורי צינור רוטרי משמשים בייצור. אלמנטים מבניים כאלה משמשים לשריפת חומרים בתפזורת שונים תוך שימוש בטמפרטורות גבוהות בתעשיות הכימיות, המלט ותעשיות רבות אחרות.
איך נקרא עכשיו ברזל פלאש? היא נחשבת טהורה ומשמשת בהשגת שיטה שבמהותה אינה שונה בהרבה מזו שהייתה קיימת בימי קדם. ובכל זאת, מטלורגים משתמשים בעפרת ברזל, אשר מחוממת בתהליך קבלת המוצר הסופי. עם זאת, כיום חומרי גלם נתונים בתחילה לעיבוד נוסף. הוא מועשר, יוצר סוג של תרכיז.
התעשייה המודרנית משתמשת בשתי שיטות. שניהם מאפשרים לך להשיג ברזל מבזק מתרכיז.
הראשונה מבין השיטות הללו מבוססת על הבאת חומרי גלם לטמפרטורה הנדרשת באמצעות דלק מוצק. תהליך כזה דומה מאוד לזה שביצעו המטלורגים העתיקים. במקום דלק מוצק, ניתן להשתמש בגז, שהוא שילוב של מימן ופחמן חד חמצני.
מה לפני קבלת החומר הזה? מה שמו של ברזל הבזק היום? לאחר חימום תרכיז עפרות הברזל, כדורים נשארים בכבשן. מהם מייצרים מתכת טהורה לאחר מכן.
השיטה השנייה המשמשת לשחזור ברזל דומה מאוד בטכנולוגיה לראשונה. ההבדל היחיד הוא שמטלורגים משתמשים במימן טהור כדלק לחימום התרכיז. בשיטה זו מתקבל ברזל הרבה יותר מהר. בְּדִיוּקלכן, הוא נבדל באיכות גבוהה יותר, כי בתהליך של אינטראקציה של מימן עם עפרה מועשרת, מתקבלים רק שני חומרים. הראשון שבהם הוא ברזל טהור, והשני הוא מים. ניתן להניח ששיטה זו פופולרית מאוד במטלורגיה המודרנית. עם זאת, כיום הוא משמש לעתים רחוקות, וככלל, רק לייצור אבקת ברזל. זה מוסבר על ידי העובדה שדי קשה להשיג מימן טהור, הן מבחינת פתרון בעיות טכניות והן בגלל קשיים כלכליים. גם אחסון הדלק שהתקבל הוא משימה קשה.
לאחרונה יחסית, מדענים פיתחו שיטה שלישית נוספת לייצור ברזל מופחת. זה כרוך בהשגת מתכת מתרכיז עפרות, מבלי לעבור את שלב הפיכתה לכדורים. מחקרים הראו שבשיטה זו ניתן לייצר ברזל טהור הרבה יותר מהר. עם זאת, שיטה זו טרם יושמה בתעשייה, שכן היא מצריכה שינויים טכנולוגיים משמעותיים ושינוי בציוד של מפעלי מטלורגיה.
מה שמו של ברזל פלאש היום? החומר הזה מוכר לנו כמתכת הפחתה ישירה, לפעמים היא נקראת גם ספוגית. זהו חומר חסכוני, איכותי, ידידותי לסביבה, שאין בו זיהומים של זרחן וגופרית. בשל מאפייניו, ברזל פורח משמש בתעשיות ההנדסה (תעופה, בניית ספינות ומכשור).
Fechral
כפי שאתה יכול לראות, היום בעת השימושהטכנולוגיות המודרניות ביותר משתמשות בחומר כגון ברזל פורח. Fechral היא גם סגסוגת מבוקשת. בנוסף לברזל, הוא מכיל רכיבים כמו כרום ואלומיניום. ניקל קיים גם במבנה שלו, אך לא יותר מ-0.6%.
Fechral בעל התנגדות חשמלית טובה, קשיות גבוהה, עובד מצוין עם קרמיקה גבוהה אלומינה, אין לו נטייה להתפרצות ועמיד בחום באטמוספירה המכילה גופרית ותרכובותיה, מימן ופחמן. אבל הנוכחות של ברזל בסגסוגת הופכת אותה לשבירה למדי, מה שמקשה על עיבוד החומר בייצור מוצרים שונים.
Fechral משמש לייצור גופי חימום לתנורי מעבדה ותעשייתיים, שטמפרטורת הפעולה המרבית שלהם היא 1400 מעלות. לפעמים חלקים מסגסוגת זו משמשים למטרות אחרות. הם ממוקמים במכשירי חימום ביתיים, כמו גם במכשירים חשמליים של פעולה תרמית. Fechral נמצא בשימוש נרחב בייצור סיגריות אלקטרוניות. כמו כן, סגסוגת של ברזל, אלומיניום וכרום מבוקשת בתחום ייצור אלמנטים התנגדות. אלה יכולים להיות, למשל, נגדי התנעה-בלימה של קטרים חשמליים.
Fechral משמש לייצור חוט, כמו גם חוט וסרט. לפעמים מתקבלים ממנו עיגולים ומוטות. כל המוצרים הללו משמשים לייצור צורות שונות של תנורי חימום לתנורים חשמליים.
