«Принцы» и «нищие» в царстве минералов - Лев Абрамович Барский
При извлечении крицы из печи выливался и расплавленный чугун — железо, содержащее более 2 % углерода и плавящееся при более низких температурах. В твердом виде чугун нельзя ковать, он разлетается на куски от удара молотом. Поэтому чугун, как и шлак, считался вначале отходом производства. Англичане даже назвали его «свинским железом» — pig iron. Только потом металлурги сообразили, что жидкий чугун можно заливать в формы и получать из пего различные изделия, например пушечные ядра.
Людям древности и раннего средневековья было знакомо и другое железо — знаменитая дамасская сталь (булат). Ее делали на Востоке еще во времена Аристотеля (IV в. до н. э.). Но технология ее производства и изготовление булатных клинков много веков держались в секрете.
Секрет булата не давал покоя металлургам многих веков и стран. Какие только способы и рецепты не предлагались! В железо добавляли золото, серебро, драгоценные камни, слоновую кость. Пробовали даже для закалки погружать клинок не в воду, а в тело мускулистого раба, чтобы его сила перешла в сталь.
Раскрыть секрет булата удалось в первой половине прошлого века русскому металлургу П. П. Аносову. Он объяснил происхождение уникальных свойств булата, связав их со структурой. Дендриты состоят из тугоплавкой, по относительно мягкой стали, а пространство меж их «ветвями» заполняется в процессе застывания металла более насыщенной углеродом, т. е. более твердой, сталью. Отсюда большая твердость и большая вязкость одновременно. Другой русский металлург — Д. К. Чернов установил, при каких температурах происходят фазовые превращения стали, изменяющие ее структуру («точки Чернова»).
После смерти П. П. Аносова секрет булата был вновь утерян. В третий раз его открыли уже в середине XX в.
Домницы превратились в домны в конце XVIII в. Одному из демидовских приказчиков пришла в голову мысль подавать дутье в доменную печь не через одно сопло, а через два, расположив их по обеим сторонам горна. Число сопел, или фурм, росло, дутье становилось все более равномерным, увеличивался диаметр горна, повышалась производительность печей.
Еще два открытия сильно повлияли на развитие доменного производства. Долгие годы топливом доменных печей был древесный уголь. Существовала целая отрасль промышленности, занимавшаяся выжиганием угля из дерева. В результате леса в Англии вырубили до такой степени, что был издан специальный указ королевы, запрещающий уничтожать лес ради нужд черной металлургии. После этого английская металлургия стала быстро хиреть. Британия была вынуждена ввозить чугун из-за границы, главным образом из России. Так продолжалось до середины XVIII в., когда Абрагам Дерби нашел способ получения кокса из каменного угля. Кокс стал основным топливом для доменных печей.
Основным потребителем железа к концу XVIII в. стали дороги, названные его именем. День рождения железной дороги — 14 июля 1830 г., когда на конкурсе паровозов в Англии победила «Ракета», построенная Дж. Стивенсоном. «Она летала, как ветер», — говорили лондонцы. «Ракета» развивала скорость около 30 км/ч.
Минералургия железа
Железо входит в состав более чем 300 минералов, занимая 4,65 % массы земной коры. Оно накапливается в магме и осадках, образуя различные виды месторождений с содержанием железа до 50–60 %. Это оно придает красный, бурый и желтый цвет горным породам, глинам, пескам.
Однако промышленных минералов железа всего несколько. Главный из них — магнетит, магнитный железняк (Fe2O3 * FeO), смесь оксидов двух- и трехвалентного железа. Месторождения магнетита известны во многих странах мира. В СССР наиболее крупные — Уральские, Курская магнитная аномалия, Криворожские и другие, благодаря им наша страна занимает первое место в мире по запасам железных руд.
Кроме магнетита, промышленное значение имеют сопутствующие ему оксиды — гематит и мартит (Fe2O3). Кристаллический гематит называют железным блеском, а тонкозернистый — красным железняком. Карбонат железа — сидерит и гидрооксиды — лимонит и гетит имеют бурую и желтовато-бурую окраску. Эти минералы слабомагнитны, имеют немного меньшую плотность, чем магнетит, и, как правило, добываются только вместе с ним. Титаномагнетиты — ильменит, перовскит и другие — также имеют промышленное значение, но добываются ради титана. Перспективным источником железа являются также пиритные огарки, остающиеся после обжига пирита в производстве серной кислоты.
Основным способом обогащения железных руд является магнитная сепарация. Минералы-ферромагнетики содержат ионы с неспаренными спинами, магнитные моменты которых ориентируются кристаллическим полем в пределах магнитных доменов; их можно уподобить микромагнитам размером от микрометра до миллиметра. Магнитные моменты доменов в отсутствие магнитного поля имеют различную ориентацию, поэтому намагниченность, например, чистого самородного железа не проявляется. В магнитном поле домены, подобно спинам в парамагнетиках, ориентируются, что вызывает разориентацию доменов у одних минералов сразу, у других спустя некоторое время, а у третьих сохраняется остаточная намагниченность. Это связано с разной подвижностью магнитных моментов доменов в разных минералах, зависящей от наличия нарушений кристаллической решетки — дислокации, включений других минералов, зональности или мозаичности кристаллов и других неоднородностей.
Ни один природный минерал не притягивается магнитом с такой силой, как металлическое железо, но зато почти все железосодержащие минералы обладают в той или иной степени магнитными свойствами. Магнетит содержит 72 % железа и всего в 2,5 раза слабее, чем металлическое железо, притягивается магнитом. Несколько слабее притягивается железомарганцевый минерал — франклинит и железотитановые — титаномагнетит и ильменит. Эти сильномагнитные минералы легко отделяются электромагнитом. Еще в XVII в. обычным магнитом магнетит удаляли из смеси тяжелых минералов. Плотность магнетита — 5,2 г/см3, при промывке и гравитационном обогащении он попадает в шлихи вместе с золотом, вольфрамитом, касситеритом.
Принципиальная схема магнитной сепарации
а — сепаратор, б — железоуловитель
Большинство минералов проявляют магнитные свойства только в сильном магнитном поле с высокой напряженностью. Магнитная индукция, которую создает магнитное поле, изменяется в присутствии минерала. Мерой ее изменения служит магнитная проницаемость
