Raud on element, mis on tuttav igale inimesele meie planeedil. Ja selles pole midagi üllatavat. Tõepoolest, selle sisalduse poolest maakoores (kuni 5%) on see komponent kõige levinum. Nendest reservidest leidub aga arendamiseks sobivates maardlates vaid neljakümnendik. Peamised raua maagi mineraalid on sideriit, pruun rauamaak, hematiit ja magnetiit.
Nime päritolu
Miks on raual selline nimi? Kui arvestada keemiliste elementide tabelit, siis selles on see komponent märgitud kui "ferrum". Selle lühend on Fe.
Paljude etümoloogide sõnul tuli sõna "raud" meile protoslaavi keelest, milles see kõlas nagu zelezo. Ja see nimi tuli vanade kreeklaste leksikonist. Nad nimetasid seda tänapäeval nii kuulsat metalli "raudaks".
On veel üks versioon. Tema sõnul tuli nimi "raud" meile ladina keelest, kustähendas "tähelist". Selle seletus seisneb selles, et selle elemendi esimesed proovid, mille inimesed avastasid, olid meteoriidist pärit.
Raua kasutamine
Inimkonna ajaloos oli periood, mil inimesed hindasid rauda rohkem kui kulda. See fakt on jäädvustatud Homerose Odüsseias, mis ütleb, et Achilleuse korraldatud mängude võitjatele kingiti lisaks kullale ka tükk rauda. See metall oli hädavajalik peaaegu kõigile käsitöölistele, põllumeestele ja sõdalastele. Ja just tohutu vajadus selle järele sai parimaks mootoriks selle materjali tootmiseks, aga ka edasine tehniline progress selle valmistamisel.
9–7 cc. eKr. peetakse inimkonna ajaloos rauaajaks. Sel perioodil hakkasid paljud Aasia ja Euroopa hõimud ja rahvad arendama metallurgiat. Raua järele on aga tänapäevalgi suur nõudlus. Lõppude lõpuks on see endiselt peamine materjal, mida tööriistade valmistamisel kasutatakse.
Juustutoode
Milline on õitsenguraua tootmise tehnoloogia, mida inimkond hakkas kaevandama metallurgia arengu koidikul? Kõige esimest inimkonna leiutatud meetodit nimetati juustu valmistamiseks. Veelgi enam, seda kasutati 3000 aastat, mis ei muutunud pronksiaja lõpust kuni 13. sajandini. Kõrgahju ei leiutatud Euroopas. Seda meetodit nimetati tooreks. Sarved ehitati talle kivist või savist. Mõnikord toimisid räbutükid nende seinte materjalina. Sepiku viimane versioon seestpoolt olikaetud tulekindla saviga, millele lisati kvaliteedi parandamiseks liiva või purustatud sarve.
Mis teeb välkrauda? Valmistatud süvendid täideti “toores” niidu- või soomaagiga. Selliste ahjude sulamisruum täideti puusöega, mis seejärel põhjalikult kuumutati. Kaevu põhjas oli õhuvarustuse auk. Algul puhuti seda käsilõõtsaga, mis hiljem asendati mehaaniliste vastu.
Esimestes sepikodades korraldati loomulik süvis. See viidi läbi spetsiaalsete aukude - düüside kaudu, mis asusid ahju alumise osa seintel. Sageli pakkusid iidsed metallurgid õhuvarustust konstruktsiooni abil, mis võimaldas saavutada toru efekti. Need lõid kõrge ja samas kitsa siseruumi. Väga sageli ehitati selliseid ahjusid küngaste jalamile. Nendes kohtades oli suurim loomulik tuulerõhk, mida kasutati veojõu suurendamiseks.
Käimasoleva protsessi tulemusena muudeti maak metalliks. Samal ajal voolas tühi kivi tasapisi alla. Ahju põhjas tekkisid rauaterad. Nad kleepusid üksteisega kokku, muutudes nn "libisemiseks". See on lahtine käsnjas mass, mis on immutatud räbudega. Ahjus oli kreeker valge-kuum. Just sellises olekus võtsid nad selle välja ja sepistati kiiresti. Räbu tükid kukkusid lihts alt maha. Järgmisena keevitati saadud materjal monoliitseks tükiks. Tulemuseks oli toretsev raud. Lõpptoode oli vormitud nagu lehtleib.
Mis oliõitsemise raua koostis? See oli Fe ja süsiniku sulam, mis oli lõpptootes väga väike (kui arvestada protsenti, siis mitte rohkem kui sajandikku).
Kuid õitsev raud, mille inimesed toorahjus said, ei olnud väga kõva ja vastupidav. Seetõttu ebaõnnestusid sellisest materjalist valmistatud tooted kiiresti. Odad, kirved ja noad olid painutatud ega püsinud kaua teravana.
Teras
Raua valmistamisel sepis koos selle pehmete tükkidega oli ka neid, millel oli suurem kõvadus. Need olid maagitükid, mis sulatusprotsessi ajal puusöega tihed alt kokku puutusid. Üks mees märkas seda mustrit ja hakkas tahtlikult suurendama kivisöega kokkupuutumist. See võimaldas raua karburiseerida. Saadud metall hakkas täitma käsitööliste ja sellest valmistatud tooteid kasutavate inimeste vajadusi.
See materjal oli teras. Seda kasutatakse tänapäevani suure hulga konstruktsioonide ja toodete valmistamisel. Vanade metallurgide sulatatud teras on kiirraud, mis sisaldab kuni 2% süsinikku.
Oli ka selline asi nagu pehme teras. See oli kiirraud, mis sisaldas vähem kui 0,25% süsinikku. Kui arvestada metallurgia ajalugu, siis juustutootmise algfaasis toodeti just pehme teras. Mis on välklambi teine nimi? On ka kolmas sort. Kui see sisaldab rohkem kui 2% süsinikku, siissee on malm.
Kõrgahju leiutamine
Raua saamise õitsemisviis toorvereliste sepikutega sõltus suuresti ilmast. Sellise tehnoloogia puhul oli ju oluline, et valmistatud torusse peab puhuma tuul. Just soov ilmastiku kapriisidest eemalduda pani inimese looma karusnahku. Need olid seadmed, mida oli vaja toorahjus tule õhutamiseks.
Pärast lõõtsade ilmumist ei ehitatud enam mäenõlvadele metallitootmise sepiseid. Inimesed hakkasid kasutama uut tüüpi ahjusid, mida kutsuti "hundikaevudeks". Need olid ehitised, millest üks osa asus maa sees ja teine (majad) kõrgus selle kohal savi poolt kokku hoitud kividest konstruktsioonina. Sellise ahju põhjas oli auk, millesse torgati lõõtsa toru, et lõket õhutada. Majja laotud kivisüsi põletati, misjärel oli võimalik kraaker kätte saada. Ta tõmmati välja läbi augu, mis tekkis pärast mitme kivi eemaldamist konstruktsiooni alumisest osast. Järgmisena taastati sein ning ahi täideti maagi ja kivisöega, et alustada otsast peale.
Särava raua tootmist on pidev alt täiustatud. Aja jooksul hakati maju suuremaks ehitama. See tingis vajaduse tõsta mehhanismide tootlikkust. Selle tulemusena hakkas kivisüsi kiiremini põlema, küllastades raua süsinikuga.
malm
Kuidas nimetatakse suure süsinikusisaldusega kiirrauda? Nagu see olieespool mainitud, on see malm, mis on tänapäeval nii levinud. Selle eripäraks on võime sulada suhteliselt madalatel temperatuuridel.
Tellisraud – tahkel kujul malm – seda oli võimatu sepistada. Seetõttu ei pööranud muistsed metallurgid talle alguses mingit tähelepanu. Ühest haamrilöögist purunes see materjal lihts alt tükkideks. Sellega seoses peeti malmi ja ka räbu algselt jäätmeteks. Inglismaal nimetati seda metalli koguni toormalmiks. Ja alles aja jooksul mõistsid inimesed, et seda toodet, kuigi see on vedelal kujul, saab erinevate toodete, näiteks kahurikuulide saamiseks vormidesse valada. Tänu sellele avastusele 14-15 sajandil. tööstuses hakati ehitama kõrgahjusid malmi tootmiseks. Selliste konstruktsioonide kõrgus ulatus 3 meetrini või rohkem. Nende abiga sulatati valurauda mitte ainult kahurikuulide, vaid ka kahurite endi tootmiseks.
Kõrgahjutootmise arendamine
Tõeline revolutsioon metallurgiaäris toimus 18. sajandi 80ndatel. Just siis otsustas üks Demidovi ametnikest, et kõrgahjude töö efektiivsuse suurendamiseks tuleks neile õhku anda mitte ühe, vaid kahe düüsi kaudu, mis peaksid asuma kolde mõlemal küljel. Järk-järgult kasvas selliste düüside arv. See võimaldas muuta puhumisprotsessi ühtlasemaks, suurendada kolde läbimõõtu ja tõsta ahjude tootlikkust.
Kõrgahjutootmise arengut soodustas ka puusöe asendamine,mille eest metsad maha raiuti, koksi eest. 1829. aastal puhuti Šotimaal Clayde’i tehases kõrgahju esimest korda kuuma õhku. Selline uuendus suurendas oluliselt ahju tootlikkust ja vähendas kütusekulu. Tänapäeval on kõrgahjuprotsessi täiustatud, asendades osa koksist maagaasiga, mille maksumus on veelgi madalam.
Bulat
Mis on välklambi nimi, millel on ainulaadsed omadused, mida kasutati relvade valmistamisel? Teame seda materjali damaski terasena. See metall, nagu Damaskuse teras, on raua ja süsiniku sulam. Erinev alt teistest liikidest on ta aga heade omadustega toretsev raud. See on vastupidav ja kõva ning suudab ka tera erakordselt teravaks muuta.
Paljude riikide metallurgid on rohkem kui ühe sajandi püüdnud lahti harutada damaskiterase tootmise saladust. Pakuti välja suur hulk retsepte ja meetodeid, mis hõlmasid elevandiluu, vääriskivide, kulla ja hõbeda lisamist rauale. Damaski terase saladuse paljastas aga alles 20. sajandi esimesel poolel tähelepanuväärne vene metallurg P. P. Anosov. Nad võtsid õitsva raua, mis pandi söega ahju, kus põles lahtine tuli. Metall sulas, küllastunud süsinikuga. Sel ajal kaeti see kristallilise dolomiidiräbuga, mõnikord lisati sellele kõige puhtamat rauakivi. Sellise kihi all eraldus metall väga intensiivselt ränist, fosforist, väävlist ja hapnikust. See polnud aga veel kõik. Saadud terast tuli võimalikult palju jahutadaaeglasem ja rahulikum. See võimaldas moodustada ennekõike suuri hargnenud struktuuriga kristalle (dendriite). Selline jahutamine toimus otse koldes, mis täideti kuuma kivisöega. Järgmises etapis viidi läbi oskuslik sepistamine, mille käigus saadud struktuur ei tohiks kokku kukkuda.
Damaski terase ainulaadsed omadused leidsid hiljem seletuse teise Venemaa metallurgi D. K. Tšernovi töödes. Ta selgitas, et dendriidid on tulekindel, kuid suhteliselt pehme teras. Nende "okste" vaheline ruum raua tahkumise protsessis täidetakse rohkem küllastunud süsinikuga. See tähendab, et pehme teras on ümbritsetud kõvema terasega. See selgitab damaskiterase omadusi, mis sisalduvad selle viskoossuses ja samal ajal suures tugevuses. Selline terashübriid säilitab sulamise ajal oma puustruktuuri, muutes selle ainult sirgjoonelt siksakiliseks. Saadud mustri omapära oleneb suurel määral löökide suunast, tugevusest, aga ka sepa oskustest.
Damaskuse teras
Iidsetel aegadel oli see metall sama damaskiteras. Kuid veidi hiljem hakati Damaskuse terast nimetama materjaliks, mis on saadud suurest hulgast juhtmetest või ribadest sepistatud keevitamise teel. Need elemendid olid valmistatud terasest. Lisaks iseloomustas neid kõiki erinev süsinikusisaldus.
Sellise metalli valmistamise kunst saavutas suurima arengu keskajal. Näiteks Jaapani tuntud tera struktuuris leidsid teadlasedumbes 4 miljonit mikroskoopilise paksusega terasniiti. See kompositsioon muutis relvade valmistamise protsessi väga töömahukaks.
Tootmine tänapäevastes tingimustes
Iidsed metallurgid jätsid proovi oma oskustest mitte ainult relvade vallas. Kõige silmatorkavam näide puhtast õitsengust on India pealinna lähedal asuv kuulus sammas. Arheoloogid määrasid selle metallurgiakunsti monumendi vanuse. Selgus, et sammas ehitati veel 1,5 tuhat aastat tagasi. Kuid kõige üllatavam seisneb selles, et tänapäeval on selle pinnal võimatu tuvastada isegi väikseid korrosioonijälgi. Kolonni materjali uuriti hoolik alt. Selgus, et see on puhas välkraud, mis sisaldab ainult 0,28% lisandeid. Selline avastus hämmastas isegi kaasaegseid metallurge.
Aja jooksul kaotas toretsev raud järk-järgult oma populaarsuse. Suurimat nõudlust hakkas nautima avakoldes või kõrgahjus sulatatud metall. Nende meetodite rakendamisel saadakse aga ebapiisava puhtusega saadus. Seetõttu sai selle materjali vanim tootmismeetod hiljuti teise eluea, mis võimaldab toota kõrgeimate kvaliteediomadustega metalli.
Mida nimetatakse välkrauda tänapäeval? See on meile tuttav otsese redutseerimise metallina. Muidugi ei toodeta tänapäeval lillerauda samamoodi kui muistsetel aegadel. Selle tootmiseks kasutatakse kõige kaasaegsemaid tehnoloogiaid. Need võimaldavad toota metalli, millel praktiliselt puudubvõõrlisandid. Tootmises kasutatakse pöördtoru ahjusid. Selliseid konstruktsioonielemente kasutatakse erinevate puistematerjalide põletamiseks kõrgetel temperatuuridel keemia-, tsemendi- ja paljudes teistes tööstusharudes.
Mis on välgurauda praegune nimi? Seda peetakse puhtaks ja seda kasutatakse meetodi saamiseks, mis ei erine oluliselt iidsetest aegadest. Siiski kasutavad metallurgid rauamaaki, mida lõpptoote saamise protsessis kuumutatakse. Kuid tänapäeval töödeldakse toorainet esialgu täiendav alt. See on rikastatud, luues omamoodi kontsentraadi.
Kaasaegne tööstus kasutab kahte meetodit. Mõlemad võimaldavad teil saada kontsentraadist kiirrauda.
Esimene neist meetoditest põhineb tooraine viimisel tahke kütuse abil nõutavale temperatuurile. Selline protsess on väga sarnane iidsete metallurgide poolt läbiviidud protsessiga. Tahke kütuse asemel võib kasutada gaasi, mis on vesiniku ja süsinikmonooksiidi kombinatsioon.
Mis eelneb selle materjali hankimisele? Kuidas nimetatakse välkrauda tänapäeval? Pärast rauamaagi kontsentraadi kuumutamist jäävad pelletid ahju. Nendest toodetakse hiljem puhast metalli.
Teine raua taastamiseks kasutatav meetod on oma tehnoloogia poolest väga sarnane esimesele. Ainus erinevus seisneb selles, et metallurgid kasutavad kontsentraadi kuumutamisel kütusena puhast vesinikku. Selle meetodiga saadakse rauda palju kiiremini. Täpselt niiseetõttu eristub see kõrgema kvaliteediga, kuna vesiniku ja rikastatud maagi interaktsiooni käigus saadakse ainult kaks ainet. Esimene neist on puhas raud ja teine vesi. Võib eeldada, et see meetod on kaasaegses metallurgias väga populaarne. Kuid tänapäeval kasutatakse seda harva ja reeglina ainult rauapulbri tootmiseks. Seda seletatakse asjaoluga, et puhast vesinikku on üsna raske saada nii tehniliste küsimuste lahendamise kui ka majanduslike raskuste tõttu. Vastuvõetud kütuse ladustamine on samuti keeruline ülesanne.
Suhteliselt hiljuti on teadlased välja töötanud teise, kolmanda meetodi vähendatud raua tootmiseks. See hõlmab metalli saamist maagi kontsentraadist ilma selle graanuliteks muutmise etappi läbimata. Uuringud on näidanud, et selle meetodiga saab puhast rauda palju kiiremini toota. Seda meetodit pole aga tööstuses veel rakendatud, kuna see nõuab olulisi tehnoloogilisi muudatusi ja metallurgiaettevõtete seadmete muutmist.
Mis on välklambi nimi tänapäeval? See materjal on meile tuttav otsese redutseerimise metallina, mõnikord nimetatakse seda ka käsnjaks. See on kulutõhus, kvaliteetne, keskkonnasõbralik materjal, mis ei sisalda fosfori ja väävli lisandeid. Tänu oma omadustele kasutatakse raudrauda masinatööstuses (lennundus, laevaehitus ja mõõteriistad).
Fechral
Nagu näete, täna kasutamiselkõige kaasaegsemad tehnoloogiad kasutavad sellist materjali nagu õitsev raud. Fechral on ka nõutud sulam. Lisaks rauale sisaldab see selliseid komponente nagu kroom ja alumiinium. Selle struktuuris on ka niklit, kuid mitte rohkem kui 0,6%.
Fechral on hea elektritakistusega, kõrge kõvadusega, töötab suurepäraselt kõrge alumiiniumoksiidiga keraamikaga, ei kaldu täppide tekkele ning on kuumakindel väävlit ja selle ühendeid, vesinikku ja süsinikku sisaldavas atmosfääris. Kuid raua olemasolu sulamis muudab selle üsna hapraks, mistõttu on materjali töötlemine erinevate toodete valmistamisel keeruline.
Fechralit kasutatakse labori- ja tööstusahjude kütteelementide valmistamisel, mille maksimaalne töötemperatuur on 1400 kraadi. Mõnikord kasutatakse selle sulami osi muudel eesmärkidel. Need asetatakse nii kodumajapidamises kasutatavatesse kütteseadmetesse kui ka termilise toimega elektriseadmetesse. Fechralit on laialdaselt kasutatud elektrooniliste sigarettide tootmisel. Samuti on takistuslike elementide valmistamisel nõudlus raua, alumiiniumi ja kroomi sulam. Need võivad olla näiteks elektrivedurite käivitus-pidurdustakistid.
Fechralit kasutatakse traadi, aga ka niidi ja lindi tootmiseks. Mõnikord saadakse sellest ringid ja vardad. Kõiki neid tooteid kasutatakse elektriahjude erinevat tüüpi küttekehade valmistamisel.
