ברזל גולמי

ברזל גולמי (באנגלית: Pig iron) הוא תוצר ביניים בתעשיית הברזל. הוא נוצר מהתכת עפרת ברזל ויציקתה למטיל (אנ') ברזל גולמי שניתן לשנע. מטיל ברזל גולמי מכיל ריכוז גבוה של פחמן ומשמש כחומר גלם ליצירת חומרי ברזל מעובדים. ברזל גולמי הוא הברזל המותך היוצא מתנור רם, כבשן גלילי גבוה שבו מטעינים עפרת ברזל, קוק ואבן גיר. פחם שימש בתהליך ייצור ברזל גולמי מימי יוון העתיקה ועד לאמצע שנות ה-30 של המאה ה-19, אולם קשה להשתמש בו כחומר דלק בתנור רם. השימוש באנתרציט (אנ') (סוג של פחם) בתהליך ייצור ברזל גולמי פותח בו-זמנית בצרפת, ויילס ופנסילבניה תוך ניצול טכנולוגיית "אוויר חם" חדשה (Hot blast) במאה ה-19. השימוש באנתרציט פותח על רקע מחסור בחומרי דלק אחרים הדרושים לתהליך ייצור הברזל בכל אחת מן המדינות, לאחר שאזל העץ מיערות שהיו סמוכים למפעלי הברזל ושינוע עץ ממרחק היה קשה. ברזל גולמי מכיל פחמן באחוזים גבוהים מאוד יחסית, בדרך כלל 3.5%–4.5% לצד צורן וסיגי פסולת אחרים הנמצאים בעפרה. תכולת חומרים אלה גורמים לברזל גולמי להיות פריך וחסר שימוש כחומר גלם ישיר לייצור מוצרי ברזל, זולת שימושים מוגבלים ביותר. הצורה המסורתית של התבניות המשמשות ליצירת מטילי ברזל גולמי הייתה מבנה של ענפים בחול, עם מטילים רבים בזוויות ישרות לתעלה ראשית, המזכירים בצורתם חזרזירים השוכבים ויונקים מעטיניה של חזירה. לאחר שהמתכת התקררה והתמצקה, שברו את המטילים הקטנים המחוברים לתעלה, ומכאן גם כינויו של ברזל גולמי באנגלית, Pig iron (ברזל חזיר). מטילי הברזל הגולמי מיועדים להתכה מחדש ומכאן גם שאין חשיבות לעובדה שהמטילים אינם אחידים בגודלם ומכילים כמות קטנה של חול. תהליך התכת ויציקת ברזל גולמי ומוצרי ברזל אחרים היה ידוע כבר למצרים הקדמונים וידע זה התפשט בהדרגה במזרח אגן הים התיכון והגיע ליוון העתיקה. ברומא העתיקה ומאוחר יותר בתקופת הכליפים המוסלמים של ימי הביניים שוכללו שיטות התכת הברזל ויציקתו. עם התמוטטות האימפריה הרומית המערבית אבדו שיטות הייצור במערב אירופה ולא התגלו מחדש עד לשלהי ימי הביניים (1325–1500). מעבר המצב של ברזל בכבשן, מחומר מוצק לנוזל היה תופעה שנמנעו ממנה לאורך תקופה זו, מכיוון שתהליך הפחתת כמות הפחמן בברזל הגולמי והפיכתו לפלדה היה תהליך ארוך ומייגע בטכנולוגיה שהייתה ידועה בימי הביניים. תהליך ייצור ברזל גולמי היה ידוע אף בתרבות הסינית בשלהי שושלת ג'ואו (שבאה לסופה במאה ה-3 לפני הספירה). ברזל גולמי אינו אחיד בכל מפעלי הייצור ובמקומות ייצור שונים ברזל גולמי מכיל כמויות שונות של חומרים. תכונות החומר אף עשויות להשתנות בהתאם לנסיבות ייצורו: הטמפרטורה בה יוצר, מהירות הקירור, גודל המטיל ועוד. פחמן - החומר היחיד, נוסף לברזל, הנמצא תמיד בברזל גולמי הוא פחמן. אחוז הפחמן בברזל גולמי הוא בדרך כלל 3.5%–4.5%. פחמן נמצא בברזל במספר צורות, מהן שתי צורות יצוינו כאן: גרפיט, שנראה כפתיתים שחורים בוהקים הניתנים להבחנה בקלות בשבר של ברזל גולמי שמכיל הרבה פחמן. זהו פחמן טהור שנפרד מהברזל בעת ההתמצקות ואינו בעל השפעה על מטריצת הברזל. צורה שנייה, פחמן משולב בברזל (נקרא צמנטיט (אנ')), אותו חלק מן הפחמן שהוא חלק מסגסוגת הברזל ומשפיע על תכונות המתכת. באופן כללי הרכבו של הברזל הגולמי הוא מורכב מחלקיקי גרפיט המוקפים במטריצה של סגסוגת ברזל (ברזל עם פחמן משולב). היחס שבין אחוז הפחמן הנמצא בתערובת בפתיתים טהורים, לבין אחוז הפחמן המשולב בסגסוגת, משתנה באופן משמעותי ומושפע מנוכחות של יסודות אחרים וקצב הקירור. מטילי ברזל גולמי המכילים אחוז גבוה של גרפיט יהיו בדרך כלל אפורים-שחורים. אם אחוז הפחמן המשולב גבוה ואחוז הגרפיט נמוך, מראה המטילים יטה לצבע לבן דמוי שיש. צורן - נוכחות צורן משפיע על אחוז הפחמן המשולב המסוגל להתקיים בברזל. ככל שאחוז הצורן בברזל גודל כך נוכחות הפחמן המשולב יורדת ומופיע יותר גרפיט. במקרה הקיצון, ברזל בעל 20% צורן כמעט לא יכיל פחמן משולב. בדר"כ ברזל גולמי לא מכיל מעל 5% צורן. מנגן - תכולת מנגן עד לרמה של אחוז בודד אינה משפיעה על תכונות הברזל הגולמי באופן משמעותי. מנגן באחוז גבוה יותר מעלה קשיות, פריכות ואת אחוז הפחמן המשולב ולכן לרוב נשמר אחוז המנגן מתחת לאחוז אחד. זרחן - נוכחות זרחן דוחקת פחמן החוצה מסגסוגת הברזל. זרחן יוצר תרכובת Fe3P (אנ') עם ברזל אשר אינה מסוגלת להכיל פחמן. לכן ככל שעולה אחוז הזרחן כך יורד אחוז הפחמן בברזל. נוכחות זרחן גבוהה (מעל 0.6%~) מעלה את פריכות הנתך עקב הצטברות בצמתי גבולות הגרעינים (אנ'). יסודות נדירים יותר הנמצאים לעיתים בברזל גולמי הם טיטניום וארסן. באופן מסורתי ברזל גולמי היה מעובד למוצר הנקרא ברזל חשיל (אנ') בכבשן, ומאז שיטות הייצור המודרניות הוא מעובד לפלדה. בתהליכים אלה הברזל הגולמי מותך ומוזרם מעליו זרם אוויר חזק בשעה שהחומר מעורבב. תהליך זה גורם לסיגים (כמו צורן) לעבור תהליך של חימצון וליצירת תוצר ביניים נוסף הנקרא ברזל גולמי מזוקק. ניתן להשתמש בברזל גולמי אף ליצירת מוצר הנקרא ברזל יצוק אפור (אנ'). ברזל יצוק אפור נוצר מהתכת ברזל גולמי בצירוף פסולת פלדה וברזל, תוך הסרת מזהמים בלתי רצויים, הוספת מסגסגים ואיזון תכולת הפחמן בחומר. ברזל גולמי בעל ריכוזי פחמן מסוימים יכול לשמש להפקת ברזל רקיע (אנ') אם הוא מכיל כמות נמוכה של מזהמים: צורן, מנגן, גופרית וזרחן. עד לאחרונה ברזל גולמי היה נשפך ישירות מתחתית תנור רם דרך תעלה לתוך קרון משפכי ומועבר למפעל הפלדה במצב נוזלי. במצב זה ברזל גולמי כונה בשם "מתכת חמה". המתכת החמה נשפכה לתוך כלי להפקת פלדה, המהווה חלק מכבשן קשת חשמלית, או כבשן חימום השראתי, או כבשן הזרמת חמצן בסיסי (אנ'), ובו מוציאים את הפחמן העודף מהתערובת ומבוצעת בקרה על הרכבה. במפעלי פלדה מודרניים ובמפעלי ייצור ברזל בתהליך חמצון-חיזור הברזל הגולמי המותך מוזרם ישירות לקערה לשימוש מיידי בכבשן הפקת פלדה או שיוצקים אותו למטילי ברזל גולמי לשימוש חוזר או מכירה למפעלי מתכות. מכונות מטילי ברזל מודרניות יוצרות מוטות ברזל גולמי שניתן לשבור למטילים קצרים במשקל 4–10 ק"ג. סגסוגת ברזל כבשן פחמן Tylecote, Ronald Frank (1992). A history of metallurgy. The Institute of Materials, London. Forsythe, Robert (1909). The Blast Furnace and the Manufacture of Pig Iron. New York: D. Williams Company. מדיה וקבצים בנושא ברזל גולמי בוויקישיתוף מאמר היסטורי על הפקת ברזל גולמי עם פחם אנתרציט (באנגלית), סמואל תומאס, www.thehopkinthomasproject.com ברזל גולמי, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) The Making, Shaping, and Treating of Steel: Ironmaking volume (PDF). AISE Steel Foundation. 1999, עמוד 18 Waldbaum, Jane C., From Bronze to Iron, Åströms förlag כרך 54, 1978, עמ' 106 Donald B. Wagner, Iron and steel in ancient China, Brill, 1996