Definicja
ŻELAZO - pierwiastek chemiczny, metal czarny występujący w litosferze, stanowiący prawdopodobnie około 45% masy Ziemi. Przyjmuje się, że w stanie rodzimym stanowi ponad 90% jądra Ziemi. W skorupie ziemskiej występuje w ilości ok. 6% , głównie w postaci minerałów zarówno w skałach magmowych i metamorficznych (magnetyt, hematyt), jak i osadowych (syderyt). W zależności od zawartości czystego metalu wyróżnia się magnetyty i hematyty - najbogatsze rudy, ale pospolicie występują także w niektórych miejscach na ziemi syderyty i limonity. Oprócz tego, geryt, piryt, arsenopiryt. Rudy żelaza występują w osadach jezior i bagien. Żelazo występuje w dwóch odmianach alotropowych: żelazo - w zakresie wysokotemperaturowym oznaczana niekiedy oraz żelazo. Jedynie żelazo posiada własności ferromagnetyczne. Przemiana alotropowa żelaza w żelazo zachodzi w temperaturze 723C przy schładzaniu lub w 728C przy ogrzewaniu. Przemiana alotropowa żelaza w żelazo zachodzi w temperaturze 1400C. Żelazo otrzymuje się przez redukcję tlenków żelaza wodorem lub elektrolizę wodnych roztworów soli żelaza. Metodą metalurgiczną otrzymuje się żelazo o mniejszym stopniu czystości. Żelazo otrzymane tą drogą nazywa się żelazo armco. Ze względu na małą wytrzymałość mechaniczną i małą odporność na korazję ma ograniczone zastosowanie. Żelazo armco stosuje się między innymi jako tani materiał magnetycznie miękki w urządzeniach tele- i radiotechnicznych oraz na uszczelki, na tygle do topienia cynku, jako wsad przy wytapianiu stali o małej zawartości węgla. Żelazo jest stosowane głównie w postaci stopów z węglem i innymi składnikami stanowiących podstawowy materiał konstrukcyjny oraz w postaci żelazostopów.
RUDA - kopalina użyteczna będąca źródłem metalu lub związków metalu.
Do podstawowych rud żelaza zaliczamy:
- limonit;
- hematyt;
- magnetyt;
- takonit;
- syderyt;
- piryt.
Z pominięciem pirytu oraz syderytu wszystkie wymienione rudy żelaza są tlenkami żelaza. Jesteśmy w stanie otrzymać żelazu z rudy, w wyniku procesów, w których podgrzewana jest ruda z koksem.
Miejsca występowania i wydobywanie:
Na świecie najwięcej żelaza jest w Brazylii, Australii, Chinach (rejon południowo wschodni), Rosji (wydobywane w południowym Uralu), USA, Indiach, Ukrainie (wydobywane w Krzywym Rogu), Kanadzie (wydobywane na Półwyspie Labrador), Szwecji (wydobywane w Kirunie Gallivare) i RPA. W Polsce rudy żelaza występują pomiędzy Częstochową, a Zawierciem jednak ich wydobycie jest nieopłacalne. Większe zasoby tego surowca odkryto w rejonie Suwałk, ale z uwagi na ochronę środowiska nie podjęto eksploatacji. Do 1993 r. w bilansie zasobów kopalin w Polsce wykazywane były rudy żelaza w złożach osadowych syderytów w utworach jury dolnej i środkowej w rejonie częstochowskim, świętokrzyskim, łęczyckim i pomorskim oraz wietrzeniowe piasków żelazistych, w których żelazo występuje w postaci limonitu. Za bilansowe mogą być uznane tylko złoża, w których zawartość Fe jest większa od 25%, a zasobność wynosi co najmniej 2,5 t/m3. Polskie rudy syderytowe spełniają wymagania dotyczące zawartości Fe, odznaczają się natomiast bardzo małą miąższością, przeciętnie 0,12-0,47 m, w związku z czym ich zasobność nie przekracza 1,5 t/m2 (ok. 400 kg Fe/m2). Jest zatem znacznie niższa od tej, przy której można rozważać ewentualną eksploatację złoża. Złoża piasków żelazistych posiadają znaczną miąższość 10-13 m, ale zawartość Fe wynosi przeciętnie 16,6-17,6%, zatem też nie spełniają wymagań kryteriów bilansowości. Ewentualne wzbogacanie urobku wymagałoby kosztownej obróbki termicznej w celu przeprowadzenia piasku żelazistego w "żelgrudę", która dopiero może być poddana dalszym procesom wzbogacania. Zarówno złoża syderytu, jak i piasków żelazistych są wyjątkowo ubogie na tle złóż, które współcześnie są głównym źródłem surowców żelaza w świecie.
Polska jest krajem o dużych zasobach rud metali zwłaszcza kolorowych. Złoża rud żelaza nie są obecnie eksploatowane ze względu na skromne ich zasoby, mające niski procent zawartości żelaza w rudzie (limonity i syderyty). Odkryto bogate złoże magnetytów, ale nie wydobywa się ich z kilku powodów:
a) występują na dużych głębokościach (ok. 1 000 m pod powierzchnią)
b) występują w centrum "zielonych płuc" Polski - na terenie Suwalszczyzny
c) obecnie następuje spadek zapotrzebowania na stal na korzyść innych materiałów
d) istnieje groźba katastrofy ekologicznej
e) ze względu na niską zawartość żelaza w rudzie
Ciekawostka - Australijska grupa Fortescue Metals ogłosiła odkrycie 1 miliarda ton rudy żelaza w Australii. Zdaniem odkrywców przyczyni się do wejścia firmy do czołówki światowych dostawców rudy - poinformowała agencja Associated Press. Według wstępnych szacunków znalezione złoża 1,014 miliarda ton rudy żelaza zawierają 56 procent czystego metalu. Fortescue planuje roczne wydobycie na poziomie 200 milionów ton.
Zastosowanie i sposoby pozyskania
Czyste żelazo jest lśniącym, srebrzystym i miękkim metalem, który ulega łatwo korozji. Od wieków jest stosowane w formie stopów z węglem zwanym żeliwem i stalą oraz stopów z manganem, chromem, molibdenem, wanadem i wieloma innymi (są to tzw. stale stopowe).
Ze względu na rzadkość występowania, żelazo rodzime nie ma praktycznego zastosowania. Używa się go głównie jako rdzeni elektromagnesów (pętla histerezy jest węższa im żelazo jest czystsze). Ma bardzo duże znaczenie naukowe i kolekcjonerskie (wartość handlowa przekracza niekiedy wartość takich samych wagowo samorodków srebra). Jednak wykorzystuje się je do produkcji wielu stosowanych przez człowieka urządzeń.
Aby uzyskać żelazo musimy zacząć od wydobycia hematytu, magnetytu lub takonitu. Minerał należy rozbić na kamiennym stole przy pomocy młotka. W ten sposób uzyskujemy rudę żelaza, którą należy przetopić w piecu hutniczym.
Aby uzyskać 525 gram (dzienna produkcja) rudy żelaza potrzebujemy:
Surowce: 750 gram hematyt, magnetyt lub takonit
Narzędzia: młotek lub młot kowalski
Maszyny: kamienny stół lub stół warsztatowy
Rudy żelaza - wydobywane głównie jako jego tlenki - poddaje się w wielkim piecu (po zmieszaniu z topnikiem) redukcji koksem. W tym procesie uczestniczy również tlenek węgla jako produkt półspalania koksu. Produktem tej operacji procesowej jest tzw. surówka żelaza, będąca stopem żelaza z węglem i w dodatku z innymi jeszcze składnikami. Wytworzony powyżej miernej jakości półprodukt, będący w postaci ciekłej, zostaje zmieszany ze ściśle określoną ilością złomu, a potem jest poddawany tzw. procesowi świeżenia. Ten proces przeprowadza się w konwertorze, wdmuchując do otrzymanej wyżej kąpieli metalowej czysty tlen po to, by utlenić węgiel do CO.
Hutnictwo żelaza, obok górnictwa, było wiodącą gałęzią przemysłu w czasie pierwszej rewolucji przemysłowej. Rolę tę zawdzięczało ogromnemu zapotrzebowaniu na stal, zwłaszcza po skonstruowaniu pierwszej maszyny parowej. Produkcja hutnicza stała się wtedy podstawą rozwoju całego przemysłu maszynowego, transportu kolejowego i morskiego.
Bazą surowcową hutnictwa jest żelazo, będące jednym z najbardziej rozpowszechnionych w przyrodzie pierwiastków. Obecnie eksploatuje się rudy o znacznej zawartości czystego żelaza. Należą do nich:
magnetyt - zawiera od 45 do 79% Fe
hematyt - zawiera od 30 - 60% Fe
syderyt - zawiera od 25 - 40% Fe
limonit - zawiera od 20 - 25% Fe
Bazą surowcowa dla polskiego hutnictwa żelaza są przede wszystkim surowce importowane z Ukrainy i częściowo ze Szwecji i Brazylii. Największymi hutami w Polsce są: Huta Katowice w Dąbrowie Górniczej oraz Huta w Krakowie.
Światowa produkcja surowej stali w marcu wyniosła 92,9 milionów ton metrycznych (mtm). Jest to o 6,5% więcej niż w marcu ubiegłego roku. Dane te opublikował Międzynarodowy Instytut Żelaza i Stali. Chiny wyprodukowały 27,4 mtm w marcu, czyli o 24,1% niż w tym samym okresie poprzedniego roku. Całkowita produkcja państw azjatyckich osiągnęła w marcu 46 mtm - wzrost o 15,2 %. W pierwszym kwartale wyprodukowały one 131,1 mtm, czyli o 13,8% więcej niż w porównywalnym okresie zeszłego roku. Sytuacja kształtuje się odmiennie w państwach Unii Europejskiej. Tutaj produkcja w pierwszych trzech miesiącach była mniejsza o 0,3% niż w tym samym okresie ubiegłego roku i wyniosła 48 mtm. W Ameryce Północnej produkcja w marcu tego roku wyniosła 11 mtm (spadek o 3,1 % w porównaniu do marca zeszłego roku), natomiast całkowita produkcja w pierwszym kwartale 2005 r. wyniosła 32,4 mtm, czyli wzrosła o 0,3% w stosunku do analogicznego okresu 2004 roku.
