Как добывают железо?

Железо - важнейший химический элемент в таблице Менделеева; металл, который применяют в самых разных отраслях промышленности. Добывают его из железной руды, которая залегает в недрах земли.

Как добывают железо: способы

Существует несколько способов добычи железной руды. Выбор того или иного метода будет зависеть от месторасположения залежей, глубины залегания руды и некоторых других факторов.

Железо добывают как открытым, так и закрытым способом:

1. При выборе первого способа необходимо обеспечить подвоз всей необходимой техники непосредственно к самому месторождению. Здесь с ее помощью и будет строиться карьер. В зависимости от ширины залегания руды карьер может быть разного диаметра и до 500 метров в глубину. Этот способ добычи железной руды подходит, если полезное ископаемое находится неглубоко.
2. Более распространенным все же является закрытый способ добычи железной руды. В ходе него роются глубокие колодцы-шахты до 1000 м глубиной, в стороны от которых копаются разветвления (коридоры) - штреки. В них опускается специальное оборудование, посредством которого руда изымается из земли и поднимается на поверхность. По сравнению с открытым, закрытый способ добычи железной руды намного более опасный и затратный.

После изъятия руды из недр земли, ее грузят на специальные грузоподъемные машины, которые доставляют руду на перерабатывающие предприятия.

Переработка железной руды

Железная руда - это горная порода, в составе которой есть железо. Чтобы в дальнейшем направить железо в промышленность, его нужно добыть из породы. Для этого из каменных кусков породы выплавляют само железо, причем делают это при очень высоких температурах (до 1400-1500 градусов).

Обычно добываемая порода состоит из железа, угля и примесей. Ее загружают в доменные печи и нагревают, причем уголь сам поддерживает высокую температуру, а железо при этом приобретает жидкую консистенцию, после чего его разливают в различные формы. Шлаки при этом отделяются, а само железо остается чистым.

Железная руда стала добываться человеком много веков назад. Уже тогда стали очевидными преимущества использования железа.

Найти минеральные образования, содержащие железо, довольно легко, так как этот элемент составляет около пяти процентов земной коры. В целом, железо является четвертым по распространенности элементом в природе.

В чистом виде найти его невозможно, железо содержится в определенном количестве во многих типах горных пород. Наибольшее содержание железа имеет железная руда, добыча металла из которой является наиболее экономично выгодным. От ее происхождения зависит количество содержащегося в ней железа, нормальная доля которого в составе около 15%.

Химический состав

Свойства железной руды, ее ценность и характеристики напрямую зависят от ее химического состава. Железная руда может содержать различное количество железа и других примесей. В зависимости от этого выделяют ее несколько типов:

• очень богатые, когда содержание железа в рудах превышает 65%;
• богатые, процент железа в которой варьируется в диапазоне от 60% до 65%;
• средние, от 45% и выше;
• бедные, в которых процент полезных элементов не превышает 45%.

Чем больше побочных примесей в составе железной руды, тем больше необходимо энергии на ее переработку, и тем менее эффективным является производство готовой продукции.

Состав породы может представлять собой совокупность различных минералов, пустой породы и других побочных примесей, соотношение которых зависит от ее месторождения.

Магнитные руды отличаются тем, что в их основе заложен оксид, имеющий магнитные свойства, но при сильном нагреве они теряются. Количество этого типа породы в природе ограничено, но содержание железа в нем может не уступать красному железняку. Внешне он выглядит как твердые кристаллы черно-синего цвета.

Шпатовый железняк представляет собой рудную породу, в основе которой лежит сидерит. Очень часто имеет в составе значительное количество глины. Этот тип породы относительно тяжело найти в природе, что на фоне малого количества содержимого железа делает его редко используемым. Поэтому отнести их к промышленным типам руд невозможно.

Кроме оксидов в природе содержаться другие руды на основе силикатов и карбонатов. Количество содержимого железа в породе очень важно для ее промышленного использования, но также важно наличие полезных побочных элементов, таких как никель, магний, и молибден.

Отрасли применения

Сфера применения железной руды практически полностью ограничена металлургией. Ее используют, в основном, для выплавки чугуна, который добывают с помощью мартеновских или конверторных печей. На сегодняшний день чугун используется в различных сферах жизнедеятельности человека, в том числе в большинстве видов промышленного производства.

Не в меньшей степени используются различные сплавы на основе железа – наиболее широкое применение обрела сталь благодаря своим прочностным и антикоррозийным свойствам.

Чугун, сталь и различные другие сплавы железа используются в:

1. Машиностроении, для производства различных станков и аппаратов.
2. Автомобилестроении, для изготовления двигателей, корпусов, рам, а также других узлов и деталей.
3. Военной и ракетной промышленности, при производстве спецтехники, оружия и ракет.
4. Строительстве, в качестве армирующего элемента или возведения несущих конструкций.
5. Легкой и пищевой промышлености, в качестве тары, производственных линий, различных агрегатов и аппаратов.
6. Добывающей промышленности, в качестве спецтехники и оборудования.

Месторождения железной руды

Мировые запасы железной руды ограничены в количестве и своем местоположении. Территории скопления запасов руд называют месторождениями. На сегодняшний день месторождения железных руд делят на:

1. Эндогенные. Они характеризуются особым расположением в земной коре, обычно в виде титаномагнетитовых руд. Формы и расположения таких вкраплений разнообразны, могут быть в форме линз, пластов, расположенных в земной коре в виде залежей, вулканообразовных залежей, в виде различных жил и других неправильных форм.
2. Экзогенные. К этому типу относятся залежи бурых железняков и других осадочных пород.
3. Метаморфогенные. К которым относятся залежи кварцитов.

Месторождения таких руд можно встретить на территории всей нашей планеты. Наибольшее количество залежей сконцентрировано на территории постсоветских республик. В особенности Украины, России и Казахстана.

Большие запасы железа имеют такие страны как Бразилия, Канада, Австралия, США, Индия и ЮАР. При этом практически в каждой стране на земном шаре имеются свои разрабатываемыми месторождения, в случае дефицита которых, порода импортируется из других стран.

Обогащения железных руд

Как было указано, существует несколько типов руд. Богатые можно перерабатывать непосредственно после извлечения из земной коры, другие необходимо обогатить. Кроме процесса обогащения, переработка руды включает в себя несколько этапов, таких как сортировка, дробление, сепарация и агломерация.

На сегодняшний день существует несколько основных способов обогащения:

1. Промывка.

Применяется для очистки руд от побочных примесей в виде глины или песка, вымывание которых проводят с помощью струй воды под высоким давлением. Такая операция позволяет увеличить количество содержимого железа в бедной руде примерно на 5%. Поэтому его используют только в комплексе с другими типами обогащения.

1. Гравитационная очистка.

Выполняется с помощью специальных типов суспензий, плотность которых превышает плотность пустой породы, но уступает плотности железа. Под воздействием гравитационных сил побочные компоненты поднимаются на верх, а железо опускается на низ суспензии.

1. Магнитная сепарация.

Наиболее распространенный способ обогащения, который основывается на различном уровне восприятия компонентами руды воздействия магнитных сил. Такую сепарацию могут проводить с сухой породой, мокрой, или в поочередном сочетании двух ее состояний.

Для переработки сухой и мокрой смеси используют специальные барабаны с электромагнитами.

1. Флотация.

Для этого метода раздробленную руду в виде пыли опускают в воду с добавлением специального вещества (флотационный реагент) и воздуха. Под действием реагента железо присоединяется к воздушным пузырькам и поднимается на поверхность воды, а пустая порода опускается на дно. Компоненты, содержащие железо, собираются с поверхности в виде пены.

В природе железо встречается только в виде руды, то есть с примесью минералов. Ещё в древности люди научились извлекать металл из руды, плавя её в специальных доменных печах при очень высокой температуре. Жидкий металл разливают по формам и охлаждают. Так получают чугунные заготовки для рельсов, оград, ванн, батарей отопления и даже сковородок. Но чугун непрочен, он может треснуть от сильного удара.

Сталь

150 лет назад изобрели мартеновскую печь, где чугун снова расплавляют, обогащают специальными добавками и получают сталь - металл более прочный, чем чугун, и в то же время упругий. Из него изготавливают множество разных вещей.

Ржавчина

Если железный предмет постоянно соприкасается с водой или влажным воздухом, его разъедает ржавчина. Ученые придумали, как выплавить нержавеющую сталь, чтобы она не портилась от времени и всегда блестела. Из нержавейки делают, к примеру, кастрюли и столовые приборы.

Интересный факт: Чтобы предметы из железа не ржавели, их покрывают лаком или особой красной краской - суриком, а чтобы чугунная ванна не ржавела, её покрывают эмалью, а изделия из стали (например кузов машины) другим металлом - цинком.

Золото тоже метал, как и железо. Но, в отличие от железа, оно не смешивается с минералами, а залегает в горах или в руслах рек маленькими кусочками. Такие кусочки чистого золота называют самородками.

От булавки до самолёта

Невозможно перечислить, сколько разных вещей делают из железа: от самых маленьких - до самых больших. Из чугуна и стали производят автомобили и автобусы, опоры для семафоров, дорожные указатели, двери, трамвайные рельсы, поезда, корабли и двигатели самолётов. Железо входит в состав железобетона, из которого строят мосты и небоскрёбы.

Производство железа на территории Руси было известно с незапамятных времен. В результате археологических раскопок в районах, прилегающих к Новгороду, Владимиру, Ярославлю, Пскову, Смоленску, Рязани, Мурому, Туле, Киеву, Вышгороду, Переяславлю, Вжищу, а также в районе Ладожского озера и в других местах обнаружены сотни мест с остатками плавильных горшков, сыродутных горнов, так называемых «волчьих ям» и соответствующие орудия производства древней металлургии. В одной из волчьих ям, выкопанной применявшей для выплавки железа, близ села Подмоклого в южной части Подмосковного угольного бассейна, была найдена монета, датированная 189 годом Мусульманской эры, что соответствует началу IX века современного летоисчисления. Это значит, что железо на Руси умели выплавлять еще в те далёкие, глубоко дохристианские времена.

Фамилии русского народа буквально кричат нам о распространённости металлургии повсеместно по территории древней Руси: Кузнецов, Ковалёв, Коваль, Коваленко, Ковальчук. По распространённости русские "металлургические" фамилии, пожалуй, соперничают даже с архетипическим английским Джоном Смитом (который, по факту blacksmith , то есть тот же кузнец).

Однако путь любого меча или ствола пушки всегда начинался гораздо раньше металлургического горна и, тем более, кузницы. Любой металл — это в первую очередь топливо (уголь или кокс для его выплавки), а во вторую очередь — сырьё для его производства.

Здесь я сразу должен расставить акценты. Почему топливо — это первоочередное условие, а сама железная руда так смело отодвинута мной на второй план? Всё дело в логистике процессов перевозки руды и топлива, необходимых для производства железа в средние века.

Ведь основным, причём наиболее качественным топливом для выплавки средневекового, кричного железа, служил древесный уголь .
Даже сейчас, в современный просвещённый век, задача получения качественного древесного угля является отнюдь не такой простой, как это кажется на первый взгляд.
Наиболее качественный древесный уголь получается только из очень ограниченного количества пород дерева — из всех достаточно редких и медленно растущих твёрдолиственных пород (дуб, граб, бук) и из архетипической русской берёзы .
Уже из хвойных — сосны или ели древесный уголь получается гораздо более хрупким и с большим выходом мелочи и угольной пыли, а пытаться получить хороший древесный уголь из мягколиственных осины или ольхи практически нереально — выход годного падает по сравнению с дубом почти в два раза.

В случае же, если достаточного количества лесов на территории, где водились месторождения железа, не было, или же леса в данной местности были уничтожены предыдущими поколениями металлургов, приходилось выдумывать различные эрзац-заменители.
Например, в Средней Азии, несмотря на качественные рудные месторождения железа, с лесом было туго, в силу чего вместо древесного угля приходилось использовать вот такое инновационное топливо:

Если кто не понял — это коровий кизяк. Можно конский, бараний, козлиный или ослиный — особой роли не играет. Кизяк месили руками в плоские лепёшки (как-то вот так), а потом раскладывали сушиться на солнце.
Понятное дело, в такой ситуации говорить о "постоянстве состава" топлива не приходилось, да и температура пламени от сгорания такого "композитного топлива" была гораздо ниже, чем у качественного древесного угля.

Другая, гораздо более технологичная замена древесного угля возникла в мире гораздо позже. Речь, конечно же, идёт о коксе , на котором сейчас зиждется вся современная чёрная металлургия.
История «изобретения» кокса насчитывает всего лишь две сотни лет. Ведь именно коксовая батарея в которой "уголь выжигал сам себя" была первым, мощнейшим залпом индустриальной революции. Именно она, коксовая батарея, а не нефтяная вышка создала тот "мир угля и пара", который мы любим теперь вспоминать в книгах, фильмах и аниме о стимпанке.

Задолго до промышленной революции в Англии уже разрабатывались богатые залежи каменного угля, который, однако, использовался почти исключительно для отопления домов. Плавка же руды в Англии производилась, как и во многих местах мира, только на древесном угле. Связано было это с неприятным фактом, характерным для большинства каменных углей — они содержат в своём составе немалые количества фосфора и серы, которые очень вредны для получаемого в горне железа.

Однако, Великобритания — это остров. И, в конечном счёте, растущие потребности английской металлургии, основанной на древесном угле, превзошли все возможности английских лесов. Английским Робин Гудам оказалось просто негде прятаться — увеличение выплавки железа свело на нет почти все леса туманного Альбиона. В конечном счёте это стало тормозом для производства железа, так как плавка требовала огромного количества дров : на переработку одной тонны руды — почти 40 кубометров дровяного сырья.
В связи с возраставшим производством железа возникла угроза полного уничтожения лесов. Страна вынуждена была ввозить металл из-за границы, главным образом из России и Швеции. Попытки применить для выплавки железа ископаемый каменный уголь долгое время были безуспешны, по причине, указанной выше.
Только в 1735 году заводчик Абрагам Дерби после многолетних опытов нашёл способ выплавлять чугун, используя коксующийся каменный уголь. Это была победа. Но до этой победы в начале IX века нашей эры оставалось ещё больше 900 лет.

Итак, возить дрова (или даже готовый древесный уголь) к железу не получается просто из-за логистики процесса — топлива надо по массе в 4-5 раз больше массы руды, а по объёму и того больше — раз в десять минимум. Легче привести железо к топливу.

Топливо в Древней Руси есть, и с избытком. А что на Русской платформе с железом?
А вот с железом есть вопросы.
Качественной железной руды на Русской равнине нет .

Сразу ловлю крики: «Как, а Курская магнитная аномалия? Самые качественные магнитные железняки в мире!».
Да, одни из самых качественных в мире. Открыты в 1931 году. Глубина залегания — от 200 до 600 метров. Задача явно не для технологий, бывших в распоряжении древних славян в IX веке нашей эры. Это сейчас всё выглядит красиво, а для того времени картинка современного железнорудного карьера — это как для современного человечества путешествия к Альфе Центавра. В теории можно, а вот на практике — нет:

В итоге, в IX веке на Руси надо делать выбор из чего-то, входящего в этот список всех используемых сейчас человечеством железных руд:

Магнитный железняк — более 70% Fe в виде магнетита Fe3О4 (пример: как раз описанная нами Курская магнитная аномалия)
- красный железняк— 55-60% Fe в виде гематита Fe2О3 (пример: опять таки Курская магнитная аномалия или Криворожский бассейн)
- бурый железняк (лимонит) — 35-55% Fe в виде смеси гидроксидов трехвалентного железа Fe2O3—3H2O и Fe2O3—H2O (пример: загубленое Украиной Керченское месторождение).
- шпатовый железняк — до 40% Fe в виде карбоната FeCO3 (пример: Бакальское месторождение)

Магнетит и гематит на Русской платформе лежат глубоко, шпатового железняка на ней вообще нет.
Остаётся бурый железняк (лимонит).
Сырьё, мягко говоря, хреновое — достаточно посмотреть на концентрации железа в нём, но прикол в том, что оно есть на территории тогдашней Руси почти что везде . Кроме того, это "почти что везде" чудесным образом оказывется в непосредственной близости от тогдашнего источника качественного угольного топлива — могучих лесов Русской равнины.

Речь, конечно же, о торфяных болотах и о лимоните, который ещё часто называют болотным железом .
Кроме болотного железа похожий генезис имеют луговое и озёрное железо . Однако, как вы увидите дальше, копать такое железо выгоднее всего было на болоте.

Для понимания широты распространённости фактической добычи этого местного ресурса на Руси достаточно, как и в случае с "металлургическими фамилиями" просто открыть любую географическую карту и посмотреть на названия русских, украинских, белорусских или литовских деревень.
И сразу же вам в глаза бросится громадное количество топонимов со словами Гута, Буда, Руда. Вот их значения:

Гута: стеклоплавильный завод
Руда: добыча болотного железа
Буда: добыча поташа из растительной золы.

Вы найдёте такие деревни повсюду - широким поясом в Полесских болотах - от Бреста до Сум. Источников "болотной руды" на Руси было полно. "Болотное железо" образуется вообще практически везде, где происходит переход от кислородосодержащих почв к бескислородному слою (в аккурат на стыке этих двух слоёв).
В болотах просто эта граница расположена, в отличии от других типов местности, очень близко к поверхности , поэтому там конкреции железа можно копать буквально лопатой, лишь снимая тонкий слой болотной растительности.

Вот так непритязательно выглядит болотное железо (bog iron) .
Но именно оно спасло Русь.

Сами по себе залежи болотного железа представляют из себя классические россыпи .
Россыпи обычно гораздо менее масштабные месторождения, нежели рудные тела, их общий объём редко превышает десятки тысяч тонн (в то время, как рудные месторождения могут содержать миллионы и миллиарды тонн руды), но отработка россыпей обычно гораздо проще выработки рудного тела.
Россыпь обычно можно разработать чуть ли не голыми руками и при минимальном дроблении породы, поскольку россыпи залегают обычно в уже разрушенных, осадочных породах.
Это вообще повсеместная практика: сначала отрабатываются россыпи — потом уже руды.
Причём - по всем металлам, минералам или соединениям.

Кстати, "деревянное олово" (о котором я писал в цикле о Катастрофе Бронзового века) — это тоже россыпь.

Однако, нельзя сказать, что отработка россыпей болотного железа была простым занятием.

Болотное железо добывалось тремя основными способами.

Первый — летом с плотов вычерпывался придонный ил на болотных озерах и на реках, вытекающих из болот. Плот удерживался на одном месте шестом (один человек) и еще один человек черпаком доставал ил со дна. Достоинства данного способа - простота, и малые физические нагрузки на работников.
Недостатки - большое количество бесполезного труда, так как мало того что с болотным железом черпалась пустая порода, но кроме того, приходилось ещё и поднимать наверх большие количества воды вместе с илом. Кроме того, черпаком сложно выбирать грунт на большую глубину.

Второй способ. Зимой в местах где протоки промерзали до дна сначала вырубался лед, а затем так же вырубалось донное отложение, содержащее болотное железо. Достоинства данного способа: возможность выбрать большой слой,содержащий болотное железо. Недостатки: физически трудно долбить лед и мерзлую землю. Добыча возможна только на глубину промерзания.

Третий способ был наиболее распространён. На берегу у проток или болотных озер собирался сруб, как для колодца, только больших размеров, например, 4 на 4 метра. Затем внутри сруба начинали выкапывать сначала накрывающий слой пустой породы, постепенно заглубляя сруб. Затем так же выбиралась порода, содержащая болотное железо. Накаты бревен добавлялись по мере заглубления сруба.
Постоянно поступающая вода периодически вычерпывалась. Можно, безусловно, было и просто копать без укрепления стен бревнами, но в случае очень вероятного осыпания подмываемого грунта, и засыпания работников в яме - спасти вряд ли кого бы получалось - люди быстро захлебывались и тонули. Достоинства данного способа: возможность выбрать весь слой, содержащий болотное железо, и меньшие трудозатраты, по сравнению со вторым способом. Кроме того, возможно было ещё до начала добычи приблизительно определить качество добываемого сырья ("тамошнии жители судят также о доброте руды по роду дерев, на оной растущих; таким образом отыскиваемую под березником и осинником почитают лучшею, потому, что из оной железо бывает мягче, а в таких местах, где растет ельник, жестче и крепче").
Недостатки: приходится всё время работать в воде.

В общем — древнерусским рудокопам приходилось нелегко. Сейчас, конечно же, реконструкторы по всему миру делают выезды на природу и даже раскапывают ямки в местах посуше и подоступнее, где можно легко добыть немного болотной руды:

Дети реконструкторов счастливы. В IX веке всё было, я думаю, иначе.

Однако, для осознания ситуации на Руси в IX-XII веках надо понимать масштабы того промысла, который был организован нашими предками на столь завалящем ресурсе, как болотные россыпи.

Ведь, если сам по себе процесс выкапывания ила на болотах не оставлял за собой никаких следов, прослеживаемых сквозь столетия, то вот последующая обработка болотного железа оставила следы в культурном слое, да ещё и какие!

Ведь для сыродутного процесса, который в то время использовался в древнерусской металлургии и давал сильножелезистый шлак, была нужна очень богатая железом руда. А лимонит, как мы помним — руда бедная.
Для получения хорошего концентрата лимонита необходимо было предварительное обогащение добываемых руд — как болотных, так и луговых. Поэтому древнерусские металлурги обязательно обогащали болотные железные руды, идущие в плавку.

Операция обогащения была очень важным технологическим условием для производства железа в сыродутных печах.
Позднейшие исследования, путём анализа исторических памятников, выявили следующие приемы обогащения руд:

1) просушка (выветривание, в течении месяца);
2) обжиг;
3) размельчение;
4) промывка;
5) просеивание.

Получение высококонцентрироваиной руды не могло ограничиться только одной или двумя операциями, а требовало планомерной обработки всеми указанными приемами. Археологически известной операцией является обжиг руды.
Как понимаете, обжиг тоже требовал качественного топлива (древесного угля) причём тоже в немалых количествах.

При археологических разведках у деревни Ласуны на побережье Финского залива в одном из шурфов была обнаружена куча обожженной руды. Для всех операций обогащения руды требуется очень простой инвентарь: для размельчения руды — деревянная колода и ступа, а для просеивания и промывания — деревянное решето (сетка из прутков).
Недостатком обжига болотной руды в кострах и ямах, являлось неполное удаление из нее воды при обжиге больших кусков и большие потери при обжиге маленьких кусков.

В современном производстве, конечно же, обогащение происходит гораздо проще — мелко дробленая руда смешивается с таким же молотым коксом и подается в аппарат похожий на большую мясорубку. Шнек подает смесь руды и кокса на решетку с отверстиями не более 8 мм. Выдавливаясь через отверстия такая однородная смесь попадает в факел пламени, при этом кокс сгорает, оплавляя руду, а кроме того из руды выжигается сера, таким образом одновременно происходит и сероочистка сырья.

Ведь в болотном железе, как и в каменном угле, содержаться вредные примеси — сера и фосфор. Можно, конечно, было найти сырье содержащее мало фосфора (ну, относительно мало - в рудном железе его всё же всегда меньше, чем в болотном). Но найти болотное железо содержащее мало и фосфора и серы было практически невозможно. Поэтому, вдобавок к целой индустрии добычи болотного железа возникла и не менее масштабная индустрия его обогащения.

Для понимания размаха это действа приведу один пример: при раскопках в Старой Рязани в 16 из 19 жилищ горожан обнаружены следы «домашней» варки железа в горшках в обыкновенной печи.
Западноевропейский путешественник Яков Рейтенфельс, побывав в Московии в 1670 году писал, что «страна московитов — это живой источник хлеба и металла».

Вот так, на голом месте, не имея под собой ничего, кроме бедных лесных почв с чахлыми берёзками и торфяных болот, внезапно наши предки обнаружили буквально у себя под ногами «золотую жилу». И пусть это была не жила, а россыпь и не золотая, а железная — ситуация от этого не поменялась.

Только ещё формирующаяся страна получила своё место в мире и цивилизационный путь, который приведёт её к пушкам Балаклавы, к танку Т-З4 и к МБР "Тополь-М".
Ресурсы. Работа. Производство. Оружие.

Потому что имея ресурсы — ты неизбежно приходишь к оружию. Или — кто-то чужой приходит за твоими ресурсами.
На Руси наступил Железный век.
Век — а точнее — тысячелетие русского оружия.

Тысячелетие, в котором меч будет подниматься — и опускаться снова, после того, как очередной враг будет разбит и выброшен прочь из берёзовых лесов и торфяных болот.

И враги не заставили себя ждать.
Ведь в Х веке уже набирала силу гонка вооружений Железного Века.

Руководители:

А.М. Подурец

В.Ф. Кузнецова

Введение

Нас давно интересовала история развития металлургии в нашем крае, эта история связана, в основном, с братьями Баташовыми, которые владели заводами в нашем округе. В предыдущие годы мы занимались исследованием их заводов в Илёве , Сноведи , а также в Рязанской и Владимирской областях . Известно, что на заводах Баташовых существовал полный металлургический цикл: от добычи руды до изготовления железных изделий. В процессе изучения истории заводов нас очень интересовал вопрос о развитии технологии металлургии, и данную работу мы посвятили древнему процессу получения железа.

Развитие металлургии железа

Первые известные археологам железные предметы относятся к 10 веку до н.э. Первое железо ценилось очень дорого и не сразу использовалось для изготовления орудий труда. Самым древним способом получения железа из руды был, так называемый, сыродутный способ, при котором в горн или печь загружают железную руду и уголь, при горении которого происходит частичное восстановление железа из руды. В горн нагнетали «сырой», не подогретый воздух, откуда и произошло название самой техники. Плавление в горне измельченной железной руды в смеси с древесным углем происходило при высокой температуре. По мере выгорания угля твердые зерна железа, восстановленные из руды, опускались в низ печи и, свариваясь, образовывали губчатый сгусток, называемый крицей. Для уплотнения металла вынутую из горна застывшую крицу многократно проковывали, получая монолитный кусок железа весом до 5-6 кг. Товарным крицам металлургии придавали округлую лепешкообразную форму.

Впоследствии, при производстве железа примитивные кричные горны были заменены доменными печами: эти печи имеют больший размер, производительность, а также в них достигается большая температура. Продукцией домны является чугун (железо с высоким содержанием углерода), который потом перерабатывается в железо или сталь .

Цели и задачи работы

Цель работы : реконструировать сыродутный способ получения железа в современных условиях.

Задачи :

1) Найти руду, необходимую для выплавки железа.

2) Соорудить печь, максимально соответствующую древним образцам.

3) Провести процесс плавки.

4) Проанализировать полученные образцы.

Описание получения железа в литературе

Одним из источников по которому мы восстанавливали древний способ получения железа была книга Жюля Верна “Таинственный остров” . В книге описывается, как несколько людей попали на необитаемый остров в одной одежде и постепенно сами создавали себе разные удобства, в том числе они выплавляли железо для собственных нужд.

Их способ выплавки назывался “каталонским”. Он заключался в следующем. ”Каталонский способ в собственном смысле требует постройки печей и тиглей, в которые укладываются пластами руда и уголь.” Но герой книги инженер Сайрес Смит предполагал обойтись без этих конструкций. Он возвёл «кубическое сооружение из угля и руды и направил в центр него струю воздуха». “Каменный уголь, так же как и руду, удалось без труда собрать поблизости прямо с поверхности земли. Сначала руду искрошили на мелкие куски и очистили руками от грязи. Затем уголь и руду слой за слоем сложили в кучу, как делает угольщик с деревом, которое он хочет обжечь. Таким образом, под действием воздуха, нагнетаемого мехами, уголь должен был превратиться в углекислоту и затем в окись углерода, которой предстояло восстановить магнитный железняк, то есть отнять от него кислород”. Воздушное дутьё было организовано с помощью мехов из тюленьих шкур.

Железо было получено, но “это оказалось трудным делом. Понадобилось всё терпение, вся изобретательность колонистов, чтобы успешно его осуществить. В конце концов, оно удалось, и была получена железная болванка в губчатом состоянии, которую надо было ещё ковать, чтобы выгнать из неё жидкий шлак. Таким образом, был получен грубый, но годный к употреблению металл”.

Мы пытались воплотить в реальность то, что было описано Жюлем Верном. Основным отличием нашего способа являлось то, что мы использовали печь.

Процесс получения железа

Добыча руды

3 июня 2010 года мы поехали исследовать окрестности села Елизарьева, где, как нам было известно, находились дудки-шахты по добыче железной руды. От Сарова мы добрались до места примерно за 20 минут. Добравшись до места, мы пошли на поиск руды, которая должна была располагаться в области старых шахт. Больше всего руды мы нашли там, где не было травы и был снят (траншея антипожарная) или утрамбован (дорога) слой грунта. Именно в траншее мы и нашли большинство руды разных размеров, вплоть до 15*10*10 см (приблизительно). В основном руда была серого и бурого цвета. Преобладает руда бурого цвета. Мы набрали ведро руды. Также мы увидели около десятка остатков дудок, которые засыпаны и уже заросли травой.

Старая дудка вблизи села Елизарьева

Железная руда

Измельчение руды

Мы решили дробить руду до размеров не более 1см 3 , чтобы её было легче расплавить. Мы раздробили всю руду, находящуюся в ведре и получили примерно 3/5 ведра дроблёной руды.

Кладка печи

Для печи были использованы обломки силикатных кирпичей. Кладка печи осуществлялась с помощью смеси цемента с песком. Мы намесили раствор и ряд за рядом складывали кирпичи в печь, скрепляя их раствором.

Приготовление раствора

Наша печь

Плавка

Печь предварительно нагрели, сжигая в ней дрова в течение полутора часов.

В прогретую печь мы засыпали руду, а затем древесный уголь, приобретённый в магазине, слоями. Нам надо было добиться температуры в 900 градусов по Цельсию, поэтому помимо условий, предоставленных нам природой, нам пришлось использовать пылесосы для дутья (имитация мехов). Пылесосов было два и включались они поочерёдно, работая по 30 минут без перерыва. Но уже через час плавки печь начала трескаться, так как силикатный кирпич не выдерживал столь высокой температуры. Но при том, что она трескалась, за 2ч30мин плавки не рассыпалась. В процессе плавки мы измеряли температуру внутри печи с помощью специального прибора. Она колебалась от 800 до 1300 градусов по Цельсию. Весь процесс с подготовкой занял 4ч.

Воздушное дутьё. На фото — Валентина Фёдоровна Кузнецова — хозяйка пылесоса

Измерение температуры при помощи пирометра проводит Алексей Ковалёв

Результат плавки

После разборки печи на следующий день мы извлекли из неё серые кусочки со слабо выраженным металлическим блеском.

Разборка печи

Образцы полученного металла

Видимо, металлургическая реакция имела место (до и после)

Попытка проковать полученный металл

Следуя способу, описанному Жюлем Верном, образцы полученного металла следовало проковать. Для этого мы их отнесли в кузницу, там кузнец раскалил их в горне, но под его молотком наш металл рассыпался. Экспертиза, проделанная в одной из лабораторий ВНИИЭФ, показала, что полученное вещество состоит на 20% из железа, а остальное — оксиды железа.

Заключение

Металл мы получили, но он оказался не годным для изготовления каких-либо изделий.

В чём же была наша возможная ошибка? Мы разместили описание нашего опыта в интернете и получили множество комментариев , некоторые из которых оказались ценными.

В частности, пользователь с ником 3meys подсказал нам:

“При кричной плавке из руды температура должна быть ~900 градусов и как можно меньше не сгоревшего кислорода, чтоб он не окислял обратно металл”.

Из этого мы делаем вывод, что у нас была температура несколько выше необходимой, и восстановленное железо окислилось, что объясняет хрупкость и пористость полученных нами образцов.

Тем не менее, мы считаем, что добились поставленных целей — провели плавку, в результате которой был осуществлён металлургический процесс. С помощью нашего эксперимента мы приблизились к пониманию древнего металлургического производства.

Благодарности

Автор и руководители благодарят сотрудников Института Физики Взрыва РФЯЦ-ВНИИЭФ Алексея Евгеньевича Ковалёва за измерения температуры при помощи пирометра и Михаила Игоревича Ткаченко за проведение рентгеноструктурного анализа руды и металла.

Список литературы

1. Михайлов Л. (руководители А.М. Подурец, В.Ф. Кузнецова). Унженские заводы Баташёвых. Доклад на Школьных Харитоновских чтениях, Саров, 2010.
2. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия. Москва, 2002.
3. http://erzya.ru/culture/57-krichniki.html
4. Верн Ж. Таинственный остров. Минск, 1984.
5. http://leprosorium.ru/comments/948169.

Приложение

Сравнение технологии сегодня, в XVII — XVIII веках (вчера) и нашей

Добыча руды:

Измельчение руды:

Получение угля: