IJzer: Eigenschappen, Geschiedenis en Alledaagse Toepassingen

Achtergrond

IJzer is een van de meest voorkomende elementen op aarde. Bijna elke constructie van de mens bevat tenminste een beetje ijzer. Het is ook een van de oudste metalen en werd voor het eerst tenminste 3.500 jaar geleden in nuttige en decoratieve objecten gevormd.

Zuur ijzer is een zacht, grijswit metaal. Hoewel ijzer een algemeen element is, wordt zuiver ijzer bijna nooit in de natuur gevonden. Het enige zuivere ijzer dat natuurlijk bekend is, komt van gevallen meteorieten. Meeste ijzer wordt in mineralen gevonden gevormd door de combinatie van ijzer met andere elementen. IJzeroxiden zijn de meest voorkomende. Die mineralen nabij het aardoppervlak die het hoogste ijzergehalte hebben, worden als ijzererts bekend en commercieel gewonnen.

IJzererts wordt omgezet in diverse typen ijzer door verschillende processen. Het meest gangbare proces is het gebruik van een hoogoven om gietijzer te produceren, wat ongeveer 92-94% ijzer en 3-5% koolstof bevat met kleinere hoeveelheden andere elementen. Gietijzer heeft slechts beperkte toepassingen, en het grootste deel van dit ijzer gaat naar een staalfabriek waar het omgezet wordt in diverse staallegeringen door het koolstofgehalte verder te verlagen en andere elementen zoals mangaan en nikkel toe te voegen om het staal specifieke eigenschappen te geven.

Geschiedenis

Historici geloven dat de Egyptenaren de eerste mensen waren die met kleine hoeveelheden ijzer werkten, ongeveer vijf of zesduizend jaar geleden. Het metaal dat ze gebruikten was blijkbaar uit meteorieten gewonnen. Bewijzen van wat als het eerste voorbeeld van ijzerwinning en smelten wordt beschouwd, wijst naar de oude Hettietencultuur in wat nu Turkije is. Omdat ijzer een verre superieur materiaal was voor de vervaardiging van wapens en gereedschappen dan enig ander bekend metaal, was de productie een nauw bewaard geheim. Echter, de basistechniek was eenvoudig, en het gebruik van ijzer spreidde zich geleidelijk. Zo nuttig het was vergeleken met andere materialen, ijzer had nadelen. De kwaliteit van de gereedschappen gemaakt ervan was hoogst variabel, afhankelijk van de regio waaruit het ijzererts afkomstig was en de methode gebruikt om het ijzer te winnen. De chemische aard van de veranderingen tijdens de winning werd niet begrepen; in het bijzonder het belang van koolstof voor de hardheid van het metaal. Praktijken varieerden wijd over de wereld. Er is bewijs, bijvoorbeeld, dat de Chinezen in staat waren om ijzer te smelten en te gieten in implementen heel vroeg, en dat de Japanners verbluffende resultaten boikten met staal in kleine hoeveelheden, zoals bewijs door erfzwaarden zwaarden die eeuwen terugdaten. Vergelijkbare doorbraken werden in het Midden-Oosten en India gemaakt, maar de processen duikten nooit op in de rest van de wereld. Voor eeuwen ontbraken de Europeanen methoden om ijzer tot het smeltpunt te verwarmen. Om ijzer te produceren, brandden ze langzaam ijzererts met hout in een klei-uitgekleed oven. Het ijzer scheidde van de omringende rots maar smolt nooit helemaal. In plaats daarvan vormde het een korstig slak dat door hameren verwijderd werd. Dit herhaalde verwarmen en hameren proces mengde zuurstof met het ijzeroxide om ijzer te produceren, en verwijderde het koolstof uit het metaal. Het resultaat was bijna zuiver ijzer, gemakkelijk te vormgeven met hamers en tangen maar te zacht om een goede snij te nemen en te behouden. Omdat het metaal gevormd, of gesmeed, was door hameren, kwam het smedeijzer te heten.

Gereedschappen en wapens teruggebracht naar Europa uit het Oosten waren gemaakt van een ijzer dat gesmolten en in vorm gegoten was. Meer koolstof behoudend, is gietijzer harder dan smedeijzer en houdt een snijrand. Het is echter ook brosser dan smedeijzer. De Europese ijzerwerkers kenden de Easterners had beter ijzer, maar niet de processen betrokken bij het vervaardigen van sterkere ijzerproducten. Hele naties lanceerden pogingen om het proces te ontdekken.

De eerste bekende Europese doorbraak in de productie van gietijzer, die snel leidde tot de eerste praktische staal, kwam pas in 1740. In dat jaar nam Benjamin Huntsman een octrooi voor het smelten van materiaal voor de productie van staalveren voor klokkenmakerij. De volgende 20 jaar of zo werd de procedure breder geadopteerd. Huntsman gebruikte een hoogoven om smedeijzer in een klei kruik te smelten. Hij voegde dan zorgvuldig afgemeten hoeveelheden zuivere houtskool toe aan het gesmolten metaal. De resulterende legering was zowel sterk als flexibel wanneer in veren gegoten. Sinds Huntsman oorspronkelijk alleen geïnteresseerd was in betere klokken te maken, leidde zijn kruikstaal direct tot de ontwikkeling van nautische chronometers, die op hun beurt wereldwijde navigatie mogelijk maakten door zeelieden toe te staan hun oost/west positie precies te bepalen. Het feit dat hij ook moderne metallurgie had uitgevonden, was een neveneffect dat hij blijkbaar niet opviel.

Grondstoffen

De grondstoffen gebruikt om gietijzer in een hoogoven te produceren zijn ijzererts, cokes, sinter, en kalksteen. IJzererts zijn voornamelijk ijzeroxiden en omvatten magnetiet, hematiet, limoniet, en veel andere gesteentes. Het ijzergehalte van deze ertsen varieert van 70% tot 20% of minder. Cokes is een stof gemaakt door kool te verwarmen tot het bijna zuiver koolstof is. Sinter is gemaakt van mindere kwaliteit, fijn verdeeld ijzererts, dat geroosterd wordt met cokes en kalk om een grote hoeveelheid onzuiverheden in het erts te verwijderen. Kalksteen komt van nature voor en is een bron van calciumcarbonaat.

Andere metalen worden soms met ijzer gemengd in de productie van diverse vormen van staal, zoals chroom, nikkel, mangaan, molybdeen, en wolfram.

Het Ertswinning en Raffinageproces

Voordat ijzererts in een hoogoven gebruikt kan worden, moet het uit de grond gewonnen en deels geraffineerd worden om de meeste onzuiverheden te verwijderen.

Leunend op zijn lange tang, poseerde deze jonge ijzer puddler's helper voor deze foto in de vroege jaren 1860, toen de Sons of Vulcan een jonge vakbond was. (Uit de collecties van Henry Ford Museum & Greenfield Village.)

Historisch werd ijzer geproduceerd door de hete-blaasmethode, of later, de anthracietoven. Op welke manier dan ook, de fundamentele activiteit in ijzerproductie betrof een werknemer die kleine batches gietijzer en slak roerde tot het ijzer scheidde van de slak. Genoemd "puddling," was dit hooggeschoolde werk, maar was ook heet, zwaar, en gevaarlijk. Het vereiste veel ervaring alsook een stevig lichaam. Puddlers waren trots, onafhankelijk, en hoogbetaald.

Puddlers richtten de eerste vakbond in de ijzer- en staalindustrie op, de Sons of Vulcan, in Pittsburgh in 1858. In 1876 fuseerde deze bond met drie andere arbeidsorganisaties om de Amalgamated Association of Iron and Steel Workers te vormen. Dit was de bond die Andrew Carnegie versloeg in de Homestead Strike van 1892, de bond in scherven achterlatend en de industrie essential ongerganiseerd tot de jaren '30.

William S. Pretzer

Winning

• 1 Veel van de werelds ijzererts wordt gewonnen door open groefmijnen waarin het Zuur ijzer is een zacht, grijswit metaal. Hoewel ijzer een algemeen element is, wordt zuiver ijzer bijna nooit in de natuur gevonden. Mineralen nabij het aardoppervlak die het hoogste ijzergehalte hebben, worden als ijzererts bekend en commercieel gewonnen. oppervlak van de grond wordt verwijderd door zware machines, vaak over een heel groot gebied, om het erts beneden te blootleggen. In gevallen waar het niet economisch is om het oppervlak te verwijderen, worden schachten in de aard gegraven, met zijkunnels om de laag erts te volgen.

Raffineren

• 2 Het gewonnen erts wordt gebroken en gesorteerd. De beste kwaliteiten erts bevatten meer dan 60% ijzer. Mindere kwaliteiten worden behandeld, of geraffineerd, om diverse contaminanten te verwijderen voordat het erts naar de hoogoven verzonden wordt. Collectief worden deze raffinagemethoden beneficiatie genoemd en omvatten verder breken, wassen met water om zand en klei weg te laten drijven, magnetische scheiding, pelletiseren, en sinteren. Naarmate meer van de bekende wereldvoorraad van hoog ijzergehalte erts uitgeput raakt, zijn deze raffinagetechnieken steeds belangrijker geworden.
• 3 Het geraffineerde erts wordt dan op treinen of schepen geladen en naar de hoogoven locatie getransporteerd.

Het Productieproces

Laden van de Hoogoven

• 1 Na verwerking, wordt het erts gemengd met ander erts en gaat naar de hoogoven. Een hoogoven is een torenvormige structuur, gemaakt van staal, en uitgekleed met vuurvast, of hittebestendige stenen. Het mengsel van grondstof, of lading, gaat bovenaan de hoogoven binnen. Aan de onderkant van de oven wordt erg hete lucht geblazen, of geblast, in door zuigers genaamd tuyères. De cokes brandt in de aanwezigheid van de hete lucht. De zuurstof in de lucht reageert met de koolstof in de cokes om koolmonoxide te vormen. De koolmonoxide reageert dan met het ijzererts om kooldioxide en zuiver ijzer te vormen.

Scheiden van het IJzer van de Slak

• 2 Het gesmolten ijzer zakt naar de onderkant van de oven. De kalksteen combineert met de rots en andere onzuiverheden in het erts om een slak te vormen die lichter is dan het ijzer en bovendrijft. Naarmate het volume van de lading verminderd wordt, wordt er continu meer bovenaan de oven toegevoegd. Het ijzer en de slak worden apart van de onderkant van de oven afgetapt. Het gesmolten ijzer kan naar een verdere legeringsproces gaan, of in gietijzerblokken genaamd "pigs" gegoten worden. De slak wordt weggetransporteerd voor afvalverwerking.

Behandelen van de Gassen

• 3 De hete gassen geproduceerd in de chemische reacties worden bovenaan afgetapt en naar een gasreinigingsinstallatie gerouteerd waar ze gereinigd, of "gescrubbed," worden en terug in de oven gestuurd; het overgebleven koolmonoxide, in het bijzonder, is nuttig voor de chemische reacties die binnen de oven plaatsvinden.

  Een hoogoven loopt normaal dag en nacht gedurende diverse jaren. Uiteindelijk begint de stenen uitkleding te krummelen, en de oven wordt dan afgeschakeld voor onderhoud.

Kwaliteitscontrole

De hoogovenoperatie is hoog geïnstrumenteerd en continu gemonitord. Tijden en temperaturen worden gecheckt en vastgelegd. De chemische samenstelling van de ijzererts ontvangen van de diverse mijnen worden gecheckt, en het erts wordt gemengd met ander ijzererts om de gewenste lading te bereiken. Monsters worden van elke afgieting genomen en gecheckt op chemische samenstelling en mechanische eigenschappen zoals sterkte en hardheid.

Bijproducten/Afval

Er zijn heel veel mogelijke milieueffecten van de ijzerindustrie. De eerste en meest voor de hand liggende is het proces van open groefmijnen. Enorme landstracten worden kaalgestript. Vandaag de dag worden uitgeputte mijnlocaties gemeenschappelijk gebruikt als stortplaatsen, daarna bedekt en aangelegd. Sommige van deze stortplaatsen worden zelf milieuproblemen, aangezien in het recente verleden, sommige gebruikt werden voor de afvalverwerking van hoog giftige stoffen die in grond en water uitlogen.

Het proces van het winnen van ijzer uit erts produceert grote hoeveelheden giftige en bijtende gassen. In de praktijk worden deze gassen gescrubbed en gerecycled. Onvermijdelijk ontsnappen echter enkele kleine hoeveelheden giftige gassen naar de atmosfeer.

Een bijproduct van ijzerzuivering is slak, wat in enorme hoeveelheden geproduceerd wordt. Dit materiaal is grotendeels inert, maar moet nog in stortplaatsen afgevoerd worden.

IJzerproductie verbruikt enorme hoeveelheden kool. De kool wordt niet direct gebruikt, maar eerst gereduceerd tot cokes wat uit bijna zuiver koolstof bestaat. De vele chemische bijproducten van coken zijn bijna allemaal giftig, maar ze zijn ook commercieel nuttig. Deze producten omvatten ammoniak, die gebruikt wordt in een groot aantal producten; fenol, dat gebruikt wordt om kunststoffen, snijolies, en antiseptica te maken; cresolen, die in onkruiddoders, bestrijdingsmiddelen, farmaceutica, en fotografische chemicaliën gaan; en tolueen, wat een ingrediënt is in veel complexe chemische producten zoals oplosmiddelen en explosieven.

Schrootijzer en staal – in de vorm van oude auto's, apparaten en zelfs hele staal-gebalkte gebouwen – zijn ook een milieukwestie. Meeste van dit materiaal wordt gerecycled, echter, aangezien staalschroot een essentiële bron is in staalproductie. Schroot dat niet gerecycled wordt, eindigt uiteindelijk als ijzeroxide, of roest, en keert terug naar de grond.

De Toekomst

Op het oppervlak lijkt de toekomst van ijzerproductie – vooral in de Verenigde Staten – probleemmatisch. Reserves van hoogwaardig erts zijn aanzienlijk uitgeput in gebieden waar het economisch gewonnen kan worden. Veel langdurige staalfabrieken zijn gesloten.

Echter, deze schijn bedriegt. Nieuwe ertsverrijkingstechnieken hebben het gebruik van lagerwaardig erts veel aantrekkelijker gemaakt, en er is een enorme voorraad van dat erts. Veel staalfabrieken zijn de laatste decennia gesloten, maar dit is grotendeels omdat er minder nodig zijn. De efficiëntie van hoogovens alleen is opmerkelijk verbeterd. Aan het begin van deze eeuw produceerde de grootste hoogoven in de Verenigde Staten 644 ton gietijzer per dag. Men gelooft dat binnenkort de mogelijke productie van een enkele oven 4.000 ton per dag zal bereiken. Aangezien veel van deze modernere fabrieken in het buitenland gebouwd zijn, is het in sommige gevallen eigenlijk economischer geworden om staal over de oceaan te schepen dan het in oudere VS-fabrieken te produceren.