Järn är ett metalliskt grundämne (periodiska systemets symbol: Fe) med en smältpunkt på 1150 grader celsius och uppåt.
Järn har varit känt för mänskligheten sedan omkring 3500 f.Kr., eller för över 5 500 år sedan. Dess namn kommer från den anglosaxiska versionen, som var ”iren”.
Det är det fjärde mest vanliga grundämnet på jordskorpan men finns som järnmalm snarare än som en användbar metall.
Järnmalm finns i en mängd olika former och ser ut som sten. Det är en blandning av järn, syre och andra grundämnen, blandat med sand och leror.
När du begrundar järnets ursprung, vandrar ditt sinne troligen in i visioner om stålverk, medeltidssmedjor eller någon annan tillverkningsprocess som kännetecknas av hårt, praktiskt arbete och mycket höga temperaturer.
Men förutom att vara en typ av metall som används på olika sätt i mänsklig industri, är järn också ett grundämne, inte en förening eller legering, vilket innebär att det är möjligt att isolera en enda järnatom.
Detta gäller inte för de flesta välbekanta material; till exempel innehåller den minsta mängd vatten som fortfarande kan kallas vatten tre atomer, en av dem syre och de andra två väte.
Intressant nog, även om människor associerar järn med ovanligt höga temperaturer i tillverkningsmiljöer här på jorden, beror järnets existens som ett element på händelser extremt länge sedan och på extrema temperaturer.
Att genomföra en studie av hur järn tillverkas kräver alltså två parallella processer: att utforska hur järn kom till och hur det nådde jorden, och hur människor på jorden tillverkar och använder järn för såväl vardagliga som specialiserade aktiviteter. Dessa ämnen inbjuder i sin tur till diskussion om användningen av järn i och av levande system och en allmän titt på hur de olika elementen både uppstår och sprids i hela kosmos.
För att göra en användbar metall måste ett järnbruk göra sig av med de oönskade komponenterna i denna blandning och behålla så mycket av järnet som möjligt, vilket ger en renare metall.
Järntillverkningsprocessen utvecklas
Järntillverkning nådde Storbritannien från Europa och Mellanöstern omkring 450 f.Kr. Vid denna tidpunkt behövde processen bara järnmalm, träkol och lera. Vattenkraft användes för att driva bälgar och hammare från 1200-talet, och masugnen introducerades på 1400-talet i Belgien.
Träkol användes där det fanns timmer i färdigt utbud men för områden utan mycket skog var kol ett möjligt bränsle för masugnarna. Stenkol innehåller vanligtvis svavel, och det betyder att järn tillverkat med kol som bränsle också kommer att innehålla svavel. Detta är bra för gjutjärn men ingen användning för smide.
Koks är en renare form av kol och har inget svavel. Den är gjord av delvis förbränning av kol. Koks användes i masugnar för första gången 1708, och Wilsontown Ironworks använde koks som bränsle för sina masugnar från allra första början.
Receptet för att göra järn förr i tiden
Männen som arbetade vid masugnarna skulle ha varit de kanske mest skickliga arbetarna på Järnverket. De skulle inte vara lokala och kanske inte ens skotska. Det var deras uppgift att se till att rätt mängder av de olika ingredienserna tillsattes vid rätt tidpunkt i masugnarna – stora ugnar som användes för att koka ihop järnblandningen.
Masugnarna skulle helst fungera 24 timmar om dygnet, sju dagar i veckan. De sprängdes bara när reparation och underhåll krävdes.
Ingredienserna för att göra användbart järn var kalksten, järnsten, koks och luft. Koksen är bränslet och järnstenen ger järnmalmen.
Järnsten rostas först i brännugnar, som ligger bredvid masugnarna, för att ta bort orenheter. Luften, eller blast, blåstes in i masugnen av kraftfulla ångmaskiner. (De använde kall luft fram till 1828 då det upptäcktes i Wilsontown att varm blästring gav järn av bättre kvalitet).
Luft krävs för att hålla blandningen brinnande inne i ugnen.
Kalksten tillsätts eftersom den kombineras med föroreningarna i järnmalmen, den fungerar som ett flussmedel. Denna blandning av kalksten och föroreningar kallas slagg, denna var inte önskvärd och togs bort från masugnarna genom att öppna en kran som slaggen skulle rinna ut från när den väl hade flytit till toppen av blandningen.
När blandningen hade värmts upp under den erforderliga tiden och slaggen tappats av, öppnades en kran i botten av masugnen för det smälta järnet att rinna ut ur. Det skulle tillåtas rinna in i preparerade sandbäddar där det skulle stelna.
Järn skulle föras till smedjan från raffinaderierna och omarbetas i ugnarna för att bränna ut (främst) kol. Efter detta återupphettades det nu råa formbara järnet i en kulugn eller spån innan det hamrades för att driva ut glödskal och slutligen drogs ut i blomningar för att ta till valsverken.
Hur tillverkas järn?
Järn på jorden tillverkas, eller mer korrekt utvinns, från järnmalm. ”Sten”-delen av järnmalm innehåller syre, sand och leror i varierande mängder beroende på typ av malm. Ett järnverks jobb, som de tidigaste sådana fabrikerna kallades, är att ta bort så mycket av stenen och annat grus som möjligt samtidigt som järnet lämnas kvar.
Trots järnverkens skrämmande temperaturer och övergripande fysiska utmaningar använde människor dem redan under förkristen tid.
Idag tillverkas järn genom att värma hematit eller magnetit i en masugn tillsammans med en form av kol som kallas ”koks” samt kalciumkarbonat (CaCO3), mer känd som kalksten. Detta ger en förening som innehåller cirka 3 procent kol och andra förfalskningsämnen – inte idealisk i kvalitet, men tillräckligt bra för att tillverka stål. Varje år produceras cirka 1,3 miljarder ton (ungefär 1,43 miljarder amerikanska ton, eller nästan 3 biljoner pund) råstål runt om i världen.
