Железный песок

Ironsand , также известный как железный песок или железный песок , представляет собой тип песка с высокой концентрацией железа . Обычно он темно-серого или черноватого цвета.

Он состоит в основном из магнетита , _{Fe3O4 ,} а также содержит небольшое количество титана, кремния, марганца, кальция и ванадия. ^[1]

Ironsand имеет тенденцию нагреваться под прямыми солнечными лучами , вызывая температуры, достаточно высокие, чтобы вызвать незначительные ожоги. Таким образом, он представляет опасность в Новой Зеландии на популярных пляжах для серфинга на западном побережье, таких как Пиха . ^[2]

Ironsand встречается по всему миру. Хотя состав железного минерала в железном песке в основном состоит из магнетита, песок обычно смешивается с другими типами песка, которые смываются вниз по реке или на берег из горных или подводных отложений. ^[3] Точный состав песчаной смеси может существенно различаться даже в одном и том же географическом регионе. В некоторых районах песок может содержать в основном кварц , в то время как в других песок может состоять в основном из вулканической породы, такой как базальт , в зависимости от типов минералов вдоль пути воды. Ironsand обычно подбирается по пути из пластов, жил или включений магнетита, которые могут возникать на большом расстоянии от песчаных отложений, и смываются вниз по течению или вдоль течений с остальной частью песка. ^[4] Будучи тяжелее других песков, он часто откладывается в областях, где вода испытывает внезапное изменение направления или скорости, например, при расширении реки или там, где волны накатывают и отступают от береговой линии. ^[5]

Железный песок смешивается с другими песками в виде мелких зерен черного или темно-синего магнетита. Песок, используемый для добычи, обычно содержал от 19% магнетита до 2%. Железный песок обычно приходилось отделять от смеси песка. Поскольку магнетит обычно тяжелее кварца, полевого шпата или других минералов, разделение обычно производилось путем его промывки в шлюзовых ящичках (метод, похожий на промывку золота , но в большем масштабе). Разделение шлюзом обычно давало концентрацию магнетита от 30 до 50% в зависимости от типа песка и используемого метода. В начале 20 века был разработан процесс магнитного разделения, который мог производить концентрации до 70%. ^[6] После концентрирования зерна магнетита можно было затем переплавлять в различные формы железа. Однако рыхлую, зернистую природу руды было трудно удерживать в обычных кричах или доменных печах, поскольку она имела тенденцию к зернистому потоку (имитируя жидкость в больших масштабах) и легко сдувалась сильфонными дутьями, поэтому ее было невозможно обрабатывать обычными методами производства железа или стали. Таким образом, были разработаны инновационные методы плавки руды. Зерна магнетита, однако, часто содержат другие металлические примеси, такие как хром , мышьяк или титан . ^[7] Из-за природы песка горнодобывающие работы редко были стационарными, а часто перемещались с места на место. ^[8]

Исторически железный песок использовался преимущественно в культурах Восточной Азии , особенно в Китае и Японии.

Ironsand имел умеренное, локализованное применение в Китае во время поздней промышленной революции , но был довольно незначительным товаром на протяжении долгой истории китайской железной промышленности. В отличие от остальной Евразии и Африки , существует очень мало археологических свидетельств, позволяющих предположить, что кричная плавка использовалась в Древнем Китае . ^[9] Китайская сельская местность была богата месторождениями, которые содержали как уголь , топливо, которое горит при высокой температуре, так и железную руду, содержащую высокое содержание фосфора . Около 1200 г. до н. э. китайцы разработали метод плавки каменистой руды в чугун, который затем переплавлялся и заливался в формы ( отливка ) для получения чугуна. Хотя металл был очень хрупким, этот метод позволял производить железо в гораздо больших объемах, чем кричная плавка, и с гораздо более высоким выходом металла на руду. К I веку до н. э. китайская железная промышленность была, безусловно, крупнейшей и самой передовой в мире. К I веку нашей эры они разработали пудлинг для производства мягкой стали , тигельную сталь для изготовления мечей и оружия, а также химический процесс быстрого обезуглероживания жидкого чугуна для производства кованого железа, используя окислительные свойства селитры (называемый процессом Хитона , он был независимо открыт Джоном Хитоном в 1860-х годах). ^[10] Китай оставался крупнейшим в мире производителем железа до XI века, производя большие количества относительно доступной стали и железа. ^{[11] [12]}

Дональд Б. Вагнер, эксперт по древней китайской металлургии, отмечает, что попытки проследить историю железного песка в Китае заканчиваются неубедительными результатами. Один источник может указывать на его использование еще во времена династии Тан (~700-900 гг. н. э.), в то время как другие, похоже, противоречат этой интерпретации. ^[13] Из-за войн, вторжений, голода, недоверия к правительству, перенаселения, растущей эпидемии опиума и столкновений между различными группами шахтеров, существует очень мало информации об отрасли между 11-м и 19-м веками, когда европейский шахтер по имени Феликс Тегенгрен прибыл и обнаружил, что китайская промышленность находится в упадке. Тегенгрен отмечает, что железный песок добывался шлюзами в Хэнани и Фуцзяне местными фермерами и плавился на угольном огне для изготовления инструментов, но это требовало много работы, что делало его очень дорогим. Его плавили только там, где было достаточно древесины для костров, а более дешевая сталь была нелегкодоступна. Поэтому этот материал считался экономически неважным в Китае. ^{[14] [15]} Однако, поскольку добыча была безопасной и проводилась на открытом воздухе, местные фермеры занимались этим, чтобы пополнить свой доход везде, где это было возможно; в 19 веке 1000 фунтов (450 кг) промытого песка обычно продавались за эквивалент 50–60 долларов США (по обменному курсу 2016 года ~ 900–1000 долларов или 700–800 евро). ^[16]

Однако в современную эпоху железный песок добывают россыпями вдоль юго-восточного побережья Китая и используют для выплавки стали. ^{[17] [18]} Типичный состав этого железного песка: 48,88% металлического железа, 25,84% кремния, 0,232% фосфора и 0,052% серы. ^[19]

В Индонезии железистый песок распространен на южном побережье острова Ява .

Крупномасштабная добыча полезных ископаемых не практиковалась в Японии до 7 или 8 веков. До этого металлы обычно импортировались в Японию из Китая и Кореи. ^[20] Считается, что залежи железной руды в Японии были редки, поэтому около 8 века технология производства железа развивалась с использованием железного песка ( сатэцу ) в качестве сырьевого ингредиента. Из-за рыхлой природы песка его было трудно плавить в обычной кричной печи или использовать в доменной печи для производства чугуна , поэтому японцы разработали открытую сверху кричную печь, называемую татара . Татара была построена в форме низкой ванны, напоминающей горизонтальную доменную печь, в которую можно было заливать и удерживать железный песок, и плавить поэтапно. В отличие от других методов, древесный уголь насыпали поверх песка и плавили сверху, не давая ему раздуваться струями из мехов . Вместо кирпича или камня татара была сделана из глины, чтобы ее можно было просто разломить, чтобы извлечь металлическую крицу. Этот метод позволял выплавлять гораздо большие объемы руды, чем другие виды кричной плавки.

Железный песок в Японии бывает двух видов. Железный песок маса смешивают с кварцевым песком, который смывают с гранитных гор. Магнетит в песке содержит мало примесей или других оксидов металлов. Железный песок маса использовался для производства кованого железа и стали , которые использовались во всем, от инструментов до кухонной утвари. Железный песок широко использовался в Японии для производства железа, особенно для традиционных японских мечей . ^[21]

Акоме железный песок смешивают с песком, полученным из магматической породы , называемой диоритом . Магнетит в песке часто содержит более 5% диоксида титана , что снижает температуру плавки. Акоме железный песок используется в татаре для производства чугуна, который затем используется для изготовления изделий из чугуна ( набегане ). При производстве стали акоме добавляли в татару на начальном этапе плавки, выступая в качестве связующего вещества и катализатора для производства стали, на который на последующих этапах заливали маса железный песок. ^{[22] [23]} При плавке для получения чугуна 1000 фунтов (450 кг) или 120 канмэ обычно давали около 200 фунтов (91 кг) чугуна, 20 фунтов (9,1 кг) стали и 70 фунтов (32 кг) шлака. При выплавке стали из 1000 фунтов (450 кг) песка получалось около 100 фунтов (45 кг) стали, 100 фунтов (45 кг) шлака и 90 фунтов (41 кг) чугуна. Шлак и чугун, которые не подходили для использования, затем сплавлялись вместе для получения кованого железа, из которого 1000 фунтов (450 кг) смешанных вместе производили около 500 фунтов (230 кг) железа. ^[24]

Железный песок встречается во многих местах Европы, хотя он редко использовался для плавки. Он часто встречается в сочетании с вулканическими или базальтовыми песками. Например, он найден на Тенерифе , Испания , где зерна магнетита содержат очень большое количество титана и других примесей. Типичный состав: 79,2% оксида железа, 14,6% диоксида титана, 1,6% оксида марганца , 0,8% кремнезема и оксида алюминия , а также следовые количества хрома . Его также можно найти в реке Ди в Абердиншире, Шотландия , он содержит 85,3% оксида железа, 9,5% диоксида титана, 1,0% мышьяка и 1,5% кремнезема и оксида алюминия. ^[25]

Ironsand широко распространен на западном побережье Северного острова Новой Зеландии . [ ^26] Песок составляет большую часть пляжей с черным песком на Северном острове, а также окружающее морское дно. Магнетит в песке содержит довольно большое количество титана и иногда называется титаномагнетитом. Он был произведен в результате вулканических извержений, которые произошли в эпоху плейстоцена , и образовался из-за океанической эрозии вулканической породы, которая вымывается на берег волнами, образуя дюны черных пляжей. Магнетит смешивается с песком, состоящим из андезита и риолита . ^[27] Песчаная смесь обычно содержит от 5 до 40% магнетита. ^[28]

В Новой Зеландии были ограниченные залежи железной руды, но залежи железного песка были огромными. Некоторые ранние поселенцы использовали его для производства стали и чугуна, но этот материал нельзя было выплавить в обычных кричах или доменных печах. ^[29] Несколько металлургических компаний образовались в конце 19-го и начале 20-го веков, но не смогли переработать руду с каким-либо экономическим успехом из-за песчаной природы и высокого содержания титана, который имел тенденцию образовывать твердые, хрупкие карбиды в стали. В 1939 году была сформирована комиссия для изучения свойств руды и разработки способа ее плавки в промышленных масштабах. Комиссия определила, что путем спекания песка в более крупные куски или гранулы можно устранить проблемы плавки песка в доменной печи. ^[30] Однако в это время началась Вторая мировая война , и поэтому дальнейшее развитие было приостановлено и возобновилось только в конце 1960-х годов, а первая партия стали была получена в 1969 году. ^[31]

Ironsand добывается из россыпей в районе Вайкато-Норт-Хед. 1,2 миллиона тонн используются компанией New Zealand Steel для производства стали в уникальном производственном процессе. Добыча в Тахароа дает до 4 миллионов тонн на экспорт. Предыдущая шахта существовала в Вайпипи в Южном Таранаки. Предложение Iron Ore NZ Ltd. о дальнейшей добыче железного песка у побережья Таранаки столкнулось с сопротивлением со стороны некоторых маори и других в 2005 году в связи с разногласиями по поводу новозеландской береговой полосы и морского дна . ^[32] Большое количество его отправляется в Китай и Японию, но к 2011 году единственный завод-производитель Новой Зеландии производил 650 000 метрических тонн стали и железа в год. ^[33] Новая Зеландия — единственная страна, использующая железный песок для промышленной плавки. ^[34] Типичный состав магнетита — 82% оксида железа , 8% диоксида титана и 8% кремния ; 0,015% серы и 0,015% фосфора . При 100% концентрации магнетита это имело максимальный потенциал для получения ~ 58% металлического железа, хотя титан не извлекается современными методами. ^[35]

Железный песок широко распространен в США, особенно в районе Нью-Йорка , Южной Калифорнии , Новой Англии и Великих озер , где он часто смешан с песком из полевого шпата и иногда с яркими зернами граната . Магнетит из этих областей часто содержит большое количество хрома и титана. ^[36] В 19 веке железный песок иногда использовался в качестве промокательного песка для бетонных и каменных работ, или, реже, как сырье для производства стали; один кузнец в Коннектикуте использовал его для изготовления пруткового проката . ^[37]

Согласно онлайн-записям OED для sand-iron , Джедидайя Морзе (1761–1826) в своей работе в The American universal geography (новое издание, 1796 (2 тома)) утверждал, что Джаред Элиот (1685–1763) изобрел sand-iron, или изготовление железа из черного песка , в 1761 году. ^[38] Однако японские мастера использовали sand-iron, известный как « тамахаганэ », при изготовлении мечей по крайней мере 1200 лет. Изготовление sand-iron в плавильнях « татара », сделанных из кирпича и глины, все еще практикуется японскими мастерами сегодня.

• Железная руда
• Железная руда
• Добыча песка

• История железных песков в сталелитейном производстве Новой Зеландии