استخراج آهن از هماتیت — ذوب کوره پیرامون از سنگ معدن به کتیه

هماتیت (Fe₂O₃) حدود ۷۰ درصد آهن به وسیله جرم دارد. در کوره bloomery، مونوکسید کربن (CO) از سوختن زغال چوب اکسید آهن را تقلیل می‌دهد: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. آهن کاملاً ذوب نمی‌شود (دمای bloomery ۱۱۰۰–۱۳۰۰°C، آهن در ۱۵۳۸°C ذوب می‌شود). درعوض، توده اسفنجی به نام کتیه تشکیل می‌شود.

سنگ معدن هماتیت را با چکش روی سنگ صاف به تکه‌های ۲–۳ سانتی‌متر بشکنید. تکه‌های کوچک‌تر سطح بیشتری را به گازهای تقلیل‌کننده در معرض قرار می‌دهند و بازده آهن را بهبود می‌بخشند. هر سنگ غیر‌آهنی آشکار (کوارتز، سنگ آهک) را هنگام چیدن برداشت کنید.

تکه‌های سنگ معدن را در آتش باز برای ۲–۳ ساعت در ۷۰۰–۸۰۰°C گرم کنید. کالسینه‌کردن رطوبت را بیرون می‌کند و هر اکسید آهن آبدار (لیمونیت، گوتیت) را به هماتیت بی‌آب تبدیل می‌کند. سنگ معدن کالسینه شده نیز شکننده‌تر است و آسان‌تر می‌توان آن را بیشتر خرد کرد. سنگ معدن از قهوه‌ای خاکی به قرمز آجری تغییر رنگ می‌دهد.

منطقه‌ای صاف و خوب زهکشی دور از ساختار‌های قابل اشتعال انتخاب کنید. شیب طبیعی یا دامنه تپه ایده‌آل است – می‌توانید کوره را در شیب برای تکیه ساختاری بسازید. اطمینان حاصل کنید که دسترسی خوب به جریان هوا برای دمنده‌ها و فضا برای کار ایمن در اطراف کوره داغ وجود دارد.

گل را با ماسه و کاهی خرد شده (نسبت ۳:۱:۰٫۵) برای ساخت مواد پایتخت مخلوط کنید. استوانه عمودی تقریباً ۳۰ سانتی‌متر قطر و ۸۰–۱۰۰ سانتی‌متر ارتفاع بسازید. دهانه tuyère (ورودی هوا) در پایه بگذارید، ۵–۷ سانتی‌متر قطر، کمی به‌سمت بالا متمایل. دهانه شیر سرباره را در جلو پایین برای تخلیه سرباره بگذارید.

کوره را حداقل ۳–۵ روز قبل از استفاده اول خشک بگذارید. گرمایش سریع کوره مرطوب انفجارهای بخار ایجاد می‌کند که دیوارهای گلی را ترک می‌کند. آتش گرمایش کوچک در روز آخر رطوبت باقی‌مانده را تدریجی‌اً بیرون می‌کند.

به تقریباً ۸–۱۰ کیلوگرم زغال چوب برای هر ۱ کیلوگرم سنگ معدن نیاز دارید. زغال چوب سخت (بلوط، راش، توس) بهتر است – سوخت گرم‌تر و طولانی‌تر از زغال چوب نرم. زغال چوب را به تکه‌های ۲–۴ سانتی‌متری بر‌ی کنید. سوخت کل مورد نیاز برای بار سنگ معدن ۵ کیلوگرمی: ۴۰–۵۰ کیلوگرم زغال چوب.

لوله tuyère دمنده را در دهانه tuyère وارد کنید. لوله باید از سرامیک یا فولاد باشد: باید ۱۲۰۰°C+ را تحمل کند. نقطه tuyère باید تقریباً ۳–۵ سانتی‌متر به درون کوره برجسته شود. دوافراد که روی دمنده‌ها متناوب کار می‌کنند بهترین جریان هوای ثابت را فراهم می‌کنند.

کوره را با زغال چوب پر کنید و از بالا آتش بزنید. ۳۰–۴۵ دقیقه دمنده‌ها را آرام فشار دهید تا دمای کاری بالا برود. درون کوره باید نارنجی-سفید درخشنده باشد (۱۱۰۰–۱۳۰۰°C) قبل از افزودن هر سنگ معدن.

هنگامی که دما را رسیدید، از بالا لایه‌های متناوب زغال چوب و سنگ معدن خرد شده اضافه کنید: لایه زغال چوب ۵ سانتی‌متری، سپس لایه نازک سنگ معدن (هر بار یک مشت). نسبت حجم زغال چوب به سنگ معدن باید تقریباً ۳:۱ باشد. هر ۱۰–۱۵ دقیقه بار جدیدی اضافه کنید هنگامی که سطح پایین می‌رود.

دمنده‌ها را با ضربان ثابت فشار دهید – تقریباً ۱۵–۲۰ فشار در دقیقه. جریان هوای ثابت حیاتی است: هوای کم و دما کمتر از حد تقلیل می‌افتد، هوای زیاد و آهن به سرباره می‌سوزد. صدای کوره از غرغر کم‌رنگ به تن بالاتر تغییر می‌کند وقتی دما درست است.

هر ۳۰–۶۰ دقیقه، شیر سرباره در پایه را باز کنید و سرباره مایع را تخلیه کنید. سرباره مایع شیشه‌ای تاریک از سیلیکات‌های آهن (fayalite) است. اگر سرباره جمع شود، جریان هوا را مسدود می‌کند و دما را پایین می‌کشد. اگر دهانه شیر گرفتار شود از چوب برای پاکی‌سازی استفاده کنید. پیشبند چرمی و محافظ صورت بپوشید.

کل زمان ذوب ۴–۸ ساعت عملیات مستمر است. زغال چوب و سنگ معدن را در لایه‌ها اضافه کنید. دمنده‌ها را فشار دهید. کتیه در پایین کوره تشکیل می‌شود جایی که ذرات آهن تقلیل‌یافته در حرارت به هم جوش می‌خورند. بار سنگ معدن ۵ کیلوگرمی معمولاً حدود ۶ ساعت طول می‌کشد.

هنگامی که تمام سنگ معدن و زغال چوب تمام شد، دمنده‌ها را متوقف کنید و کوره را ۱–۲ ساعت خنک بگذارید. با آب خنک نکنید: شوک حرارتی می‌تواند کتیه را ترک کند. کتیه باید به‌اندازه کافی داغ باشد تا با انبردست دستکاری شود اما خیلی داغ نیست تا هنگام بیرون کشیدن تغییر شکل دهد.

دیوار جلوی کوره را در شیر سرباره بشکنید. با انبردست دسته‌دار، کتیه را بیرون کشید. توده کتیه خشن، اسفنجی آهن مختلط با سرباره گیر‌افتاده و زغال چوب، تقریباً از اندازه مشت تا طالبی بسته‌به بار سنگ معدن. سرخ تیره درخشان است.

اثنا در داغی (بالای ۸۰۰°C، سرخ درخشان)، کتیه را روی سندان یا سنگ صاف بکوبید تا سرباره گیر‌افتاده را عصر کنید. سرباره مانند جرقه‌های درخشان قطره‌ای می‌شود. تکراری‌ً تا و کوبیدن. این فرایند جوش‌دهی نام‌گذاری شد و آهن اسفنجی را به توده کتیه متراکم‌تر و قابل‌دستکاری تغییر می‌دهد.

کتیه متحکم را وزن کنید. عملکرد bloomery معمول ۱۰–۲۵ درصد توده سنگ معدن به‌عنوان آهن فلزی است. از ۵ کیلوگرم هماتیت، انتظار ۵۰۰ گرم تا ۱٫۲۵ کیلوگرم آهن قابل‌استفاده داشته باشید. آهن کم‌کربن (آهن قابل کوبش) است مگر اینکه کربن از زغال چوب در زمان ذوب جذب شده باشد.

کتیه را در هوای ساکن کاملاً خنک بگذارید. در جای خشک ذخیره کنید: آهن قابل کوبش به‌راحتی زنگ می‌زند. با لایه نازکی از روغن یا موم زنبور عسل بپوشانید تا جلوی اکسیداسیون در ذخیره‌سازی را بگیرید. این آهن اکنون برای کوبش در ابزار، سلاح یا دستگاه‌ها آماده است.