żelazne piaski
Piasek żelazny , znany również jako piasek żelazny lub piasek żelazny , jest rodzajem piasku o dużym stężeniu żelaza . Zwykle ma kolor ciemnoszary lub czarniawy.
Składa się głównie z magnetytu , Fe 3 O 4 , a także zawiera niewielkie ilości tytanu, krzemionki, manganu, wapnia i wanadu.
Ironsand ma tendencję do nagrzewania się w bezpośrednim świetle słonecznym , powodując temperatury wystarczająco wysokie, aby spowodować lekkie oparzenia. Jako taki stanowi zagrożenie w Nowej Zelandii na popularnych plażach surfingowych na zachodnim wybrzeżu, takich jak Piha .
Występowanie
Ironsand występuje na całym świecie. Chociaż skład minerałów żelaza w piasku żelaznym to głównie magnetyt, piasek jest zwykle mieszany z innymi rodzajami piasku, który wypłukuje w dół rzeki lub na ląd ze złóż górskich lub podwodnych. Dokładny skład mieszanki piasku może się drastycznie różnić nawet w tym samym regionie geograficznym. Na niektórych obszarach piasek może zawierać głównie kwarc , podczas gdy na innych piasek może być wykonany głównie ze skał wulkanicznych , takich jak bazalt , w zależności od rodzaju minerałów wzdłuż ścieżki wody. Piasek żelazny jest zazwyczaj zbierany po drodze z pokładów, żył lub wtrąceń magnetytu, które mogą pochodzić z dużej odległości od osadów piasku i wypłukiwany w dół rzeki lub wzdłuż prądów wraz z resztą piasku. Będąc cięższym niż inne piaski, często osadza się w obszarach, w których woda doświadcza nagłej zmiany kierunku lub prędkości, takich jak poszerzenie rzeki lub tam, gdzie fale odpływają i odpływają w kierunku linii brzegowej.
Piasek żelazny miesza się z innymi piaskami w postaci małych ziaren czarnego lub ciemnoniebieskiego magnetytu. Piasek używany do wydobycia zazwyczaj zawierał od 19% magnetytu do zaledwie 2%. Piasek żelazny zwykle musiał być oddzielony od mieszanki piasku. Ponieważ magnetyt jest zwykle cięższy niż kwarc, skaleń lub inne minerały, separację przeprowadzano zwykle przez płukanie w śluzach (metoda podobna do płukania złota ale na większą skalę). Separacja śluz zwykle dawała stężenia magnetytu w zakresie od 30 do 50%, w zależności od rodzaju piasku i zastosowanej metody. Na początku XX wieku opracowano proces separacji magnetycznej, który mógł wytworzyć stężenia nawet do 70%. Po skoncentrowaniu ziarna magnetytu można było następnie przetopić na różne formy żelaza. Jednak luźny, ziarnisty charakter rudy był trudny do utrzymania w zwykłych dymarniach lub wielkich piecach, mających tendencję do przepływu granulatu (naśladując ciecz w większej skali) i łatwo został zdmuchnięty przez podmuchy miecha, więc nie można go było przetworzyć przy użyciu powszechnych metod produkcji żelaza lub stali. W ten sposób opracowano nowatorskie metody wytapiania rudy. Ziarna magnetytu często zawierają jednak inne metaliczne , takie jak chrom , arsen lub tytan . Ze względu na charakter piasku prace wydobywcze rzadko miały charakter stacjonarny, ale często były przenoszone z miejsca na miejsce.
Azja
Historycznie rzecz biorąc, piasek żelazny był używany głównie w kulturach azjatyckich; przede wszystkim w Chinach i Japonii.
Chiny
Ironsand miał umiarkowane, lokalne zastosowania w Chinach podczas późnej rewolucji przemysłowej , ale był raczej nieważnym towarem w długiej historii chińskiego przemysłu żelaznego. W przeciwieństwie do reszty Eurazji i Afryki , istnieje bardzo niewiele archeologicznych dowodów sugerujących, że w starożytnych Chinach stosowano wytapianie dymu . Chińska wieś była bogata w złoża zarówno rudy żelaza zawierającej wysoką zawartość fosforu , jak i węgla , paliwo spalające się w wysokiej temperaturze. Około 1200 roku p.n.e. Chińczycy opracowali metodę przetapiania rudy kamiennej na surówkę, którą następnie przetapiano i wlewano do form ( odlewów ) uzyskując żeliwo. Chociaż metal był bardzo kruchy, ta metoda była w stanie wyprodukować żelazo w znacznie większych ilościach niż wytapianie dymowe i przy znacznie wyższych wydajnościach metalu na rudę. W I wieku pne chiński przemysł żelazny był zdecydowanie największym i najbardziej zaawansowanym na świecie. Do I wieku naszej ery rozwinęli pudding do produkcji stali miękkiej , stali tyglowej do produkcji rzeczy takich jak miecze i broń oraz proces chemiczny szybkiego odwęglania ciekłej surówki w celu wytworzenia kutego żelaza z wykorzystaniem właściwości utleniających saletry (nazywany procesem Heatona , został niezależnie odkryty przez Johna Heatona w latach 60. XIX wieku). Chiny pozostawały największym na świecie producentem żelaza aż do XI wieku, produkując duże ilości stosunkowo niedrogiej stali i żelaza.
Donald B. Wagner, ekspert w dziedzinie starożytnej chińskiej metalurgii, zauważa, że próby prześledzenia historii piasku żelaznego w Chinach kończą się niejednoznacznymi wynikami. Jedno źródło może wskazywać na jego użycie już w czasach dynastii Tang (~ 700-900 ne), podczas gdy inne wydają się zaprzeczać tej interpretacji. Z powodu wojen, najazdów, głodu, braku zaufania do rządu, przeludnienia, rosnącej opium i starć między różnymi szczypcami górników, istnieje bardzo niewiele informacji na temat przemysłu między XI a XIX wiekiem, dopóki europejski górnik Felix Tegengren nie przybył i nie zastał chińskiego przemysłu w rozsypce. Tegengren zauważa, że piasek żelazny był wydobywany przez śluzy w Henan i Fujian przez lokalnych rolników i wytapiany nad ogniskami węgla drzewnego w celu wytworzenia narzędzi, ale wymagało to dużo pracy, a zatem było bardzo drogie. Wytapiano go tylko tam, gdzie było wystarczająco dużo drewna na ogniska, a tańsza stal nie była łatwo dostępna. Dlatego materiał uznano za nieistotny ekonomicznie w Chinach. Ponieważ jednak wydobycie było bezpieczną pracą na zewnątrz, miejscowi rolnicy praktykowali ją, aby uzupełniać swoje dochody, gdziekolwiek była dostępna; w XIX wieku 1000 funtów spulchnionego piasku sprzedawano zwykle za równowartość 50 do 60 dolarów amerykańskich (do 2016 r. kursy wymiany ~ 900-1000 dolarów lub 700-800 euro).
Jednak w czasach nowożytnych piasek żelazny jest wydobywany wzdłuż południowo-wschodniego wybrzeża Chin i używany do wytapiania stali. Typowy skład tego piasku żelaznego to 48,88% metalicznego żelaza, 25,84% krzemionki, 0,232% fosforu i 0,052% siarki.
Indonezja
W Indonezji piasek żelazny jest powszechny na południowym wybrzeżu wyspy Jawa .
Japonia
Wydobycie na dużą skalę nie było praktykowane w Japonii aż do VII lub VIII wieku. Wcześniej metale były powszechnie importowane do Japonii z Chin i Korei. złoża rudy żelaza były w Japonii rzadkie, więc około VIII wieku rozwinęła się technologia wytwarzania żelaza z użyciem piasku żelaznego ( satetsu ) jako surowca. Ze względu na sypki charakter piasku trudno było go wytopić w normalnej dymarni lub użyć w wielkim piecu do produkcji surówki , więc Japończycy opracowali dymarnię z otwartą górą, zwaną tatara . Tatarę zbudowano na niskim, przypominającym wannę kształcie, przypominającym poziomy wielki piec, do którego można było wlewać i zatrzymywać piasek żelazny oraz stopniowo go wytapiać. W przeciwieństwie do innych metod, węgiel drzewny był układany na wierzchu piasku i wytapiany z góry, zapobiegając jego rozwiewaniu przez podmuchy miechów . Zamiast cegły lub kamienia, tatara była zrobiona z gliny, aby można ją było po prostu rozbić, aby wydobyć metalowy nalot. Metoda ta pozwalała na wytapianie znacznie większych ilości rudy niż inne rodzaje wytapiania dymarskiego.
Piasek żelazny w Japonii występuje w dwóch formach. Masa ironsand jest zmieszana z piaskiem kwarcowym , który spływa z granitowych gór. Magnetyt w piasku zawiera niewiele zanieczyszczeń lub innych tlenków metali. Masa był używany do produkcji kutego żelaza i stali , używanych we wszystkim, od narzędzi po naczynia kuchenne. Ironsand był szeroko stosowany w Japonii do produkcji żelaza, zwłaszcza do tradycyjnych japońskich mieczy .
Akome ironsand występuje zmieszany z piaskiem wykonanym ze skały magmowej zwanej diorytem . Magnetyt w piasku zawiera często więcej niż 5% dwutlenku tytanu , co obniża temperaturę topnienia. Piasek akome jest używany w tatara do produkcji surówki, która jest następnie używana do wyrobu przedmiotów z żeliwa ( nabegane ). W produkcji stali akome dodawano do tatary w początkowej fazie wytapiania, działając jako spoiwo i katalizator do produkcji stali, na której masa w dalszych etapach wylewano piasek żelazny. Podczas wytapiania surówki 1000 funtów piasku (~ 450 kilogramów lub 120 kanme ) zazwyczaj dawało około 200 funtów surówki, 20 funtów stali i 70 funtów żużla. Po przetopieniu na stal 1000 funtów piasku dało około 100 funtów stali, 100 funtów żużla i 90 funtów surówki. Żużel i surówka, które nie nadawały się do użytku, zostały następnie stopione razem, tworząc kute żelazo, z którego zmieszane 1000 funtów dało około 500 funtów żelaza.
Europa
Ironsand występuje w wielu miejscach w Europie, chociaż rzadko był używany do wytapiania. Często występuje w połączeniu z piaskami wulkanicznymi lub bazaltowymi. Na przykład występuje na Teneryfie w Hiszpanii , gdzie ziarna magnetytu zawierają bardzo dużą ilość tytanu i innych zanieczyszczeń. Typowy skład to 79,2% tlenku żelaza, 14,6% dwutlenku tytanu, 1,6% tlenku manganu , 0,8% krzemionki i tlenku glinu oraz śladowe ilości chromu . Można go również znaleźć w rzece Dee w Aberdeenshire w Szkocji , zawierający 85,3% tlenku żelaza, 9,5% dwutlenku tytanu, 1,0% arsenu oraz 1,5% krzemionki i tlenku glinu.
Nowa Zelandia
Ironsand występuje powszechnie na zachodnim wybrzeżu Wyspy Północnej Nowej Zelandii . Piasek stanowi dużą część plaż z czarnym piaskiem na Wyspie Północnej, a także otaczającego ją dna morskiego. Magnetyt w piasku zawiera dość duże ilości tytanu i jest czasami określany jako tytanomagnetyt. Powstał w wyniku erupcji wulkanów, które miały miejsce w epoce plejstocenu i powstał w wyniku erozji oceanicznej skały wulkanicznej, która jest wyrzucana na brzeg przez fale, tworząc wydmy czarnych plaż. Magnetyt miesza się z piaskiem z andezytu i ryolitu . Mieszanka piasku zazwyczaj zawiera od 5 do 40% magnetytu.
Nowa Zelandia miała ograniczone złoża rudy żelaza, ale złoża piasku żelaznego były ogromne. Niektórzy pierwsi osadnicy używali go do produkcji stali i surówki, ale materiału nie można było wytapiać w zwykłych dymarniach ani w wielkich piecach. Kilka hut powstało na przełomie XIX i XX wieku, ale nie było w stanie przetworzyć rudy z żadnym sukcesem ekonomicznym ze względu na piaszczysty charakter i wysoką zawartość tytanu, który miał tendencję do tworzenia twardych, kruchych węglików w stali. W 1939 r. powołano komisję do zbadania właściwości rudy i opracowania sposobu jej przetopu na skalę przemysłową. Komisja ustaliła to przez spiekanie piasku w większe bryły lub granulki, można wyeliminować problemy związane z topieniem piasku w wielkim piecu. Jednak w tym czasie II wojna światowa , w związku z czym dalszy rozwój został wstrzymany i wznowiony dopiero pod koniec lat 60. XX wieku, kiedy to w 1969 r. wyprodukowano pierwszą produkcję stali.
Ironsand jest wydobywany z Waikato North Head. 1,2 miliona ton jest wykorzystywane przez New Zealand Steel do produkcji stali w unikalnym procesie produkcyjnym. Wydobycie na Taharoa produkuje do 4 milionów ton na eksport. Poprzednia kopalnia istniała w Waipipi w South Taranaki. Propozycja Iron Ore NZ Ltd. dotycząca dalszego wydobycia piasku żelaznego u wybrzeży Taranaki napotkała opór ze strony niektórych Maorysów i innych w 2005 r. W następstwie kontrowersji dotyczących przybrzeżnej i dna morskiego Nowej Zelandii . Duża jego ilość jest wysyłana do Chin i Japonii, ale do 2011 roku jedyny zakład produkcyjny w Nowej Zelandii produkował 650 000 ton metrycznych stali i żelaza rocznie. Nowa Zelandia jest jedynym krajem, który używa piasku żelaznego do wytapiania przemysłowego. Typowy skład magnetytu to 82% tlenku żelaza , 8% dwutlenku tytanu i 8% krzemionki ; 0,015% siarki i 0,015% fosforu . W 100% stężeniach magnetytu miało to maksymalny potencjał do uzyskania ~ 58% metalicznego żelaza, chociaż tytanu nie można odzyskać nowoczesnymi technikami.
Stany Zjednoczone
Ironsand występuje szeroko w Stanach Zjednoczonych, zwłaszcza w rejonie Nowego Jorku , Południowej Kalifornii , Nowej Anglii i Wielkich Jezior , gdzie często jest mieszany z piaskiem skaleniowym i czasami jasnymi ziarnami granatu . Magnetyt z tych obszarów często zawiera duże ilości chromu i tytanu. W XIX wieku piasek żelazny był czasami używany jako bibuła do prac betonowych i murarskich lub rzadziej jako surowiec do produkcji stali; jeden kowal w Connecticut używał go do wyrobu prętów .
Historia
Zgodnie z internetowym wpisem OED dotyczącym piaskowca , Jedidiah Morse (1761–1826), pisząc w The American Universal Geography (nowe wydanie, 1796 (2 tomy)), stwierdził, że Jared Eliot (1685-1763) wynalazł żelazo piaskowe, lub wytwarzanie żelaza z czarnego piasku w 1761 r. Jednak japońscy rzemieślnicy używają piaskowca, znanego jako „ tamahagane ”, do wyrobu mieczy od co najmniej 1200 lat. Wytwarzanie piaskowca w „ tatara " huty, wykonane z cegły i gliny, są nadal praktykowane przez japońskich rzemieślników.