Utvinning av järn är utan tvekan en av de viktigaste industriella processerna på jorden. Järn används för att tillverka stål, vilket är otroligt viktigt för att bygga transportfordon och stora byggnader. Det moderna samhället skulle inte kunna fungera ordentligt om vi inte kunde utvinna järnmetall ur järnhaltiga malmer.
Stålverk tenderar att innehålla minst en masugn som kan producera smält järn från oraffinerade järnhaltiga malmer, såsom hematit.
Dessa anläggningar genererar smält järn och omvandlar sedan denna järnmetall till stållegeringsprodukter genom den grundläggande syrgasstålframställningsprocessen. Följande bild visar hur en stålfabrik kan producera en stållegeringsprodukt från råvaror som järnhaltiga malmer och stenkolstenar.
Stålverk har vanligtvis utmärkta transportförbindelser eftersom de kontinuerligt förbrukar stora mängder bränsle och råvaror. Dessa anläggningar är vanligtvis belägna nära kuster, vägar och järnvägslinjer. De tenderar också att vara belägna långt borta från bebyggda städer eftersom de kan producera mycket buller och föroreningar.
Järntillverknings- och stålverk är mycket komplexa system som består av flera olika typer av stora maskiner och byggnader.
Koks framställs i koksugnarna och används sedan tillsammans med kalksten för att utvinna järnmetall från järnhaltiga malmer i masugnen.
Koks är en form av nästan rent kol som framställs från stenkol. Det framställs genom att värma upp stenkol till hög temperatur i en koksugn. Dessa kolstenar värms vanligtvis upp till en temperatur på 1000∘C–1100∘C, och ibland kan de värmas till så höga temperaturer som 2000∘C.
Denna process förångar eller bryter ner oönskade organiska ämnen i kolet och driver bort flyktiga föreningar, såsom vatten. Återstoden (icke-flyktiga) av denna nedbrytningsprocess består till största delen av kolatomer.
Järnmetall utvinns vanligtvis från en hematitmalm, som innehåller en järn(III)oxid (FeO23) förening. Malmen måste behandlas innan den kan placeras i en masugn, eftersom masugnar vanligtvis är optimerade för att bränna små bitar av malm som packas ihop. Hematit behandlas genom mineralbearbetning eller malmbearbetningsprocesser.
Det första steget är vanligtvis krossning, där stora bitar av malm reduceras till en mindre storlek. Följande illustration visar hur en käftkross kan användas för att bryta stora stenar till mindre.
Olika processer används sedan för att framställa en mer högkoncentrerad form av järnmetall från de små bitarna av järnhaltig malm. Koncentrationen av järnmetall ökar vanligtvis när föroreningar avlägsnas genom en mängd olika magnetiska och elektriska separationstekniker.
Kemiska föroreningar avlägsnas under malmbehandling genom en process som kallas rostning. Rostning beskriver den process där metallhaltiga malmer värms upp till hög temperatur i ett luftat rum eller ugn. Denna process kan driva bort vattenmolekyler från ett hydratiserat oxidkomplex och kan omvandla oönskade kemikalier till mer önskvärda kemiska produkter.
Följande ekvation visar hur rostningsprocessen kan omvandla ett oönskat järnkarbonat (FeCO3) förening till en mer användbar järn(II)oxid (FeO) produkt:FeCO()FeO()+CO()32ssg
Nästa kemiska ekvation visar hur rostningsprocessen kan omvandla användbara järnoxidmolekyler till ännu mer önskvärda järn (III)oxidföreningar:2FeO()+O()FeO()sgs12223
Nästa kemiska ekvation visar hur rostningsprocessen också kan användas för att driva bort vattenmolekyler från ett hydratiserat järn(III)oxidkomplex: 2FeO3HO()2FeO()+3HO()232232⋅ssg
Andra föroreningar, såsom svavel- och fosforelement, oxideras under rostningsprocessen. Följande ekvation visar hur svavel kan oxideras till svaveldioxid under rostning: S()+O()SO()sgg22
Nästa ekvation visar hur fosfor kan oxideras till en fosforpentoxidförening när den rostas: 4P()+5O()2PO()sgs225
När föroreningar väl har avlägsnats från malmen blandas den behandlade järnmalmen med kalksten och koks i sintringsbäddar. Dessa sintringsbäddar används för att komprimera järnmalm, kalksten och koksmaterial till en fast massa. Lösa material packas vanligtvis till en fast massa då de värms upp med brännare.
Sintringsprocessen säkerställer att järnmalm, kalksten och koksmaterial blandas jämnt. Det säkerställer också att sintermaterialen är av lämplig storlek och struktur för masugnen.
Sintringsbäddarna har en stor yta och sintringsprocessen tenderar att ske ganska snabbt. Följande bilder visar hur sintringsbäddarna kan användas för att ändra egenskaperna hos sinterblandningsstenar och pulver.
Blandningen av järnmalm, koks och kalksten är känd som laddning. Denna laddning färdas på transportband till toppen av masugnen. Följande illustration visar hur transportband används för att transportera laddningsblandningen till toppen av masugnen.
Dessa transportband körs hela dagen och natten, och de transporterar ständigt laddningen till masugnen.
Masugnar är ståltorn som är fodrade med värmebeständiga tegelstenar. Dessa ugnar är otroligt höga strukturer som kan nå upp till 60 m höga. Laddningen kommer in i masugnen i toppen av tornet och varm luft blåses in i ugnen från botten.
Flera kemiska reaktioner sker samtidigt inuti masugnen. Vi kommer att undersöka dessa reaktioner i en förnuftig kronologisk ordning så att vi lättare kan förstå järnutvinningsprocesserna. Reaktionerna kommer att diskuteras en efter en, och vi kommer att lära oss hur laddningsreaktanterna omvandlas till smält järn och en biprodukt som kallas slagg.
Koks förbränns initialt med varm luft (syre) för att producera koldioxid och värmeenergi. Denna förbränningsreaktion är mycket exoterm och frigör mycket värmeenergi. Denna reaktion ökar temperaturen i ugnen i botten, där luft (syre) blåses in utifrån. Följande ekvation representerar denna reaktion: C()+O()CO()+heatsgg22
Men i det här fallet reagerar koldioxidmolekylerna med ytterligare koks och producerar kolmonoxidgas: C()+CO()2CO()sgg2
Extraktionsteknikerna för metaller bestäms av själva metallens reaktivitet. Till exempel måste högreaktiva metaller, som aluminium, utvinnas från deras malmer med hjälp av elektrolys.
För metaller vars reaktivitet är lägre än för kol är det möjligt att extrahera dem med reduktion. Detta är den föredragna metoden eftersom kol i form av kol är en relativt riklig resurs.
Kolmonoxidgas fungerar som ett reduktionsmedel när den färdas genom masugnen. Kolmonoxidmolekylerna reducerar de järnoxidmolekyler som främst finns i masugnens mellersta och höga sektioner. Följande är den kemiska reaktionen som liknar denna: FeO()+3CO()2Fe()+3CO()232sglg
Det smälta järnet sipprar sedan ner på insidan av masugnen och samlas i botten av tornet.
I detta skede av processen finns det fortfarande en viktig förorening i järnmalmen som måste avlägsnas. Denna förorening är sand, som kan ses som kiseldioxid (SiO2).
Kiseldioxid kan avlägsnas från masugnen eftersom laddningsblandningen innehåller kalksten. Kalksten består till största delen av kalciumkarbonat (CaCO3), som sönderdelas till kalciumoxid (CaO) och koldioxidmolekyler vid höga temperaturer.
Temperaturerna som uppnås i masugnen är tillräckligt höga för att termiskt sönderdela kalksten, enligt den kemiska ekvationen
CaCO()CaO()+CO()32ssg
Kalciumoxidmolekylerna reagerar med de sandiga föroreningarna, och denna reaktion ger en biprodukt av smält slagg. Denna slaggbiprodukt består till övervägande del av kalciumsilikat (CaSiO3) molekyler.
Slaggen sipprar ner på insidan av masugnstornet och bildar ett lager på ytan av det smälta järnet. En del av koldioxidgasen från nedbrytningen av kalkstenen och reduktionen av järnmalmen reduceras av koks för att bilda kolmonoxidmolekyler. Men det mesta av koldioxidgasen och kvävgasen lämnar masugnen genom toppen av tornet som avgaser.
Dessa kemiska reaktioner, såväl som ett exempel på strukturen för en masugn, kan ses i följande illustration. Denna illustration är en mycket förenklad illustration av bara en typ av masugn. Det är viktigt att inse att andra masugnar kan arbeta vid lite olika temperaturer.
Varje masugn tappas 10–20 gånger om dagen för att avlägsna smält järn och smält slagg från basen. Även om denna smälta slagg inte är en användbar produkt i denna reaktion, kasseras den inte eftersom den används som aggregat för cement och vid vägbyggnad.
Järnet som kommer rakt ut ur masugnen kallas tackjärn, och det tenderar att vara väldigt skört eftersom det innehåller 2%–5 % kol och andra typer av föroreningar.
En del av järnet placeras i formar för att göra det som kallas gjutjärn. Gjutjärn används främst för att tillverka pannor, avloppslock, motorblock och staket. Resten av tackjärnet förvandlas vanligtvis till stål eftersom stål är hårdare och generellt mer användbart än järn.
Sammanfattning
- Utvinning av järn sker i industriell skala i masugnar.
- Masugnar är en vanlig del av stora industriella ståltillverkningsanläggningar, som även inkluderar koksugnar, sintringsbäddar och andra områden för malmbehandling.
- Järn utvinns ur sin malm med hjälp av kol i form av koks.
- En järnhaltig malm kombineras med koks och kalksten för att bilda vad som kallas laddningen.
- Laddningen läggs till toppen av masugnen och varmluft blåses in genom botten.
- Syret i luften reagerar med koksen i laddningen och bildar kolmonoxid.
- Kolmonoxiden i masugnen reducerar järn(III)oxiden i hematitmalmen för att producera smält järn.
- Järnmalmer innehåller en stor mängd sandiga föroreningar. Dessa föroreningar avlägsnas från masugnen när de reagerar med kalciumoxidföreningar.
- Smält järn och smält slagg ansamlas i botten av masugnen, medan avfallsgaser, som koldioxid och kväve, strömmar ut genom rör i toppen av masugnen.
- Smält järn är känt som tackjärn och kan gjutas i formar för att bilda gjutjärn.
- Det mesta av det smälta järnet som erhålls från en masugn omvandlas till stål genom den grundläggande syrgasstålframställningsprocessen.
