Człowiek pierwotny trudnił się zbieractwem i odnajdywał kawałki czystego metalu, które nazywają się samorodkami. Potem odkryto, że metale występują w przyrodzie w postaci rud, czyli metalu zmieszanego z innymi pierwiastkami.

Do rud żelaza zaliczamy:

• magnetyt - ${\mathrm{Fe}}_3{\mathrm{O}}_4$;

• hematyt - ${\mathrm{Fe}}_2{\mathrm{O}}_3$;

• limonit (żelaziak brunatny) - $\mathrm{FeO(OH)}$;

• piryt - ${\mathrm{FeS}}_2$;

• syderyt - ${\mathrm{FeCO}}_3$.

R6ZhOUefuPxsQ

Na ilustracji znajdują się kamienie magnetytu. Kamienie mają nieregularne kształty, ostre krawędzie i niejednolite zabarwienie. Na fotografii są kawałki minerałów w kolorze czarnym z połyskiem i złotym.

R1LgvWyVZhAKX

Na ilustracji przedstawiono kamień hematytu. Jest to materiał o nieregularnym kształcie, miejscami kamień wykazuje połysk.

R11YvNsc7Rmne

Na ilustracji znajduje się kamień limonitu. Skała ma niegładką strukturę i miejscami różni się kolorem. Ma barwę szarą z połyskiem i ciemnopomarańczową.

R1GqwH0ghUQsP

Na ilustracji znajduje się kawałek pirytu. Kamień wykazuje złoty połysk, ma nieregularną strukturę.

R1BFvrVnuR4fQ

Na ilustracji znajdują się kamienie syderytu. Jego kryształy mają kształt słupkowy i wykazują połysk.

Proces redukcji związków żelaza przeprowadza się w wielkim piecu. Przez górny otwór – gardziel – podawane są, oprócz rud żelaza, topnikitopnikitopniki i koks. Ten ostatni jest reduktorem związków żelaza i dostarcza energię. Topniki przyspieszają i ułatwiają proces przetopu złoża rudy, a łącząc się ze skałą płonną, tworzą żużelżużelżużel wielkopiecowy. W dolnej części wielkiego pieca (gara) znajdują się otwory, przez które okresowo spuszcza się ciekłą surówkę i żużel. Górną częścią pieca wydostaje się gaz wielkopiecowy, zawierający składniki palne.

Początkowo stopy żelaza otrzymywano w otwartych ogniskach, a później w specjalnych piecach – dymarkach – przez ogrzewanie rud żelaza węglem drzewnym. Otrzymany produkt, czasem mocno zanieczyszczony, przekuwano i poddawano dalszej obróbce. Aby udoskonalić pracę dymarek, zaczęto budować piece nad ziemią, stosując nadmuch powietrza do ogrzewania za pomocą koła wodnego. Dymarki zaczęły się rozrastać i z czasem nazwano je wielkimi piecami. Uzyskiwano w nich temperaturę 1600‑1900°C.

W średniowieczu wytopu żelaza dokonywano w dymarkach. Wydobyte bryły rudy darniowej suszono i wypalano w ognisku, a następnie w dymarce.

Dymarka składała się z jamy wykopanej w ziemi oraz postawionego nad nią komina, w którego dolnej części umieszczone były otwory doprowadzające powietrze. Na dnie pieca tworzono ruszt z węgla drzewnego lub drewna. Następnie sypano rozżarzony węgiel drzewny, aby rozgrzać wnętrze pieca. Gdy był rozgrzany, wsypywano na przemian warstwy węgla drzewnego i rudy żelaza. Na wysokości wlotu powietrza utrzymywano temperaturę 1100–1200°C. Żelazo topi się w temperaturze powyżej 1530°C. W celu osiągnięcia tak wysokiej temperatury, w dymarce wypalano kamień wapienny (${\text{CaCO}}_3$), który pod wpływem temperatury (900°-1200°C) rozkładał się na $\mathrm{CaO}$ i ${\text{CO}}_2$. Tlenek wapnia (wapno palone) pełnił rolę topnika (związku odsiarczającego rudę i obniżającego temperaturę topnienia skały płonnej, a szczególnie ${\text{SiO}}_2$) i dodawany był do rudy darniowejruda darniowa, rudawiecrudy darniowej przy wytopie stali. W wysokiej temperaturze zachodziły procesy utleniania i redukcji.

Po kilkunastu godzinach pracy, dymarkę wygaszano wodą, a piec rozbijano i wydobywano z dna łupkę. Było to miękkie żelazo z żużlem, otrzymywane w postaci ciastowatej bryły, w której stal poprzerastana była węglem drzewnym i żużlem. Jej masa dochodziła do 20 kg.

Łupka była rozgrzewana, zbijana w mniejsze bryły i oczyszczana z węgla. Otrzymywano w ten sposób stal węglową do otrzymywania narzędzi i broni. Piec dymarkowy był wykorzystywany jednorazowo. Pozostawały po nim tylko wgłębienia w ziemi wypełnione żużlem.

Obecnie wytop żelaza odbywa się w dużo większym piecu zwanym wielkim piecem, wyłożonym od środka materiałem ogniotrwałym. Do pieca od góry ładuje się na przemian rudę i koks oraz dodaje się topniki. Od dołu wdmuchiwane jest do pieca powietrze, potrzebne do spalania koksu. W piecu powstaje płynna surówka i pływający po niej żużel. Ze spalania koksu powstają gazy bogate w tlenek węgla(II) (do 25% $\mathrm{CO}$). $\mathrm{CO}$ jest reduktorem powstających w trakcie procesu tlenków żelaza.

Czyste żelazo jest kruche i nie ma odpowiednich właściwości mechanicznych. W celu ich poprawienia, wytwarza się stopy żelaza z węglem lub innymi metalami, otrzymując różne rodzaje stali. W trakcie przerobu surówki na stal wypalane są niepożądane pierwiastki (węgiel, siarka, fosfor) oraz wprowadzane dodatkowe, pożądane składniki.

Słownik

Bibliografia

Bielański A., Chemia ogólna i nieorganiczna, Warszawa 1977.

Bogdańska Zarembina A., Matusewicz E. I., Matusewicz J., Chemia dla szkół średnich, Warszawa 1995.

Kaczyński J.. Czaplicki A., Chemia ogólna, Warszawa 1974.

Jaworski M., Jaworska M. M., Wytop żelaza dawniej i dziś, t. 2, Warszawa 2010.

Łabecki L., Łabecka M., Jak to działa? Podręcznik z ćwiczeniami do zajęć praktycznych, Warszawa 2011.

Rutkowski M., Żelazne łąki, „Wiedza i Życie” 2001, nr 5.