Järn, som i dag utgör grunden för de mest robusta konstruktionerna, är också anmärkningsvärt genom att det finns i betydande mängder i människokroppen. Detta värdefulla grundämne förekommer sällan i ren form i naturen och hittas oftast i form av malm.

För dem som undrar vad järn består av, kan vi nämna att järnmalmer innehåller mer än 60 % järn. Men dessa malmer kan inte användas direkt utan måste bearbetas i masugnar. Särskilt i historien användes detta grundämne som gjutjärn för tillverkning av svärd, knivar och rustningar, och när det berikas med kol får det en otrolig hållfasthet. Till exempel är kolfibertrådars draghållfasthet 15 gånger större än ren järn.

I denna artikel kommer vi att ge er detaljerad information från järnets bildningsprocess i naturen till moderna produktionstekniker. Dessutom kommer vi att presentera ett brett spektrum av information, från den första användningen av järn från meteoriter i det antika Egypten till dess betydelse i dagens bygg- och maskinteknik.

Hur förekommer järn i naturen?
Historien om järn, som börjar i universums djup, formas genom stjärnexplosioner (supernovor). Enligt forskare har de flesta tunga grundämnen, såsom järn, bildats som ett resultat av dessa kosmiska explosioner och senare införlivats i planeternas struktur.

Järnets naturliga form
Trots att järn är ett av de vanligaste grundämnena på jorden, förekommer det sällan som ren metall i naturen. Den enda kända källan till rent järn är fallna meteoriter. Järn utgör cirka 35 % av jordens massa och 80 % av jordens kärna, vilket gör det till planetens mest förekommande grundämne. Dock är den största delen av detta järn koncentrerad i jordens inre och yttre kärna.

När vi tittar på jordskorpan ser vi en annorlunda situation. Järn utgör endast cirka 5 % av jordskorpans totala massa och kommer på fjärde plats i förekomst (efter syre, kisel och aluminium). Det antas att jordens kärna till största delen består av en metallisk järn-nickellegering.

Strukturen hos järnmalmer
Järnmalmer är bergarter eller mineraler som innehåller höga halter av järn och som är ekonomiskt lönsamma att bearbeta. Dessa malmer innehåller vanligtvis järnföreningar i form av oxider, karbonater eller sulfider tillsammans med olika föroreningar. De viktigaste järnmalmerna är:

• Hematit (Fe₂O₃): Hematit, som varierar i färg från rödbrun till svart, är den vanligaste järnkällan med ett järninnehåll på 60–70 %. Det är en av huvudråvarorna inom järnindustrin.
• Magnetit (Fe₃O₄): Detta mörkgrå mineral har naturligt magnetiska egenskaper och är en av de mest järnrika malmerna med upp till 72 % järninnehåll.
• Limonit (FeO(OH)·nH₂O): Ett gulbrunt mineral som innehåller vatten och syre. Järninnehållet varierar mellan 40 och 60 %.
• Siderit (FeCO₃): Ett karbonatmineral som vanligtvis är brunt. Med ett järninnehåll på cirka 48 % anses det vara av lägre kvalitet än andra malmer.
• Pyrit (FeS₂): Detta gula mineral, även känt som ”dårens guld”, används vanligtvis inte i järnproduktion. Det innehåller svavel som gör järnet sprött.

Inom stålindustrin önskas en genomsnittlig järnhalt (tenor) på minst 55–57 % Fe i järnmalmerna. Malmer under detta värde anses inte ha något ekonomiskt värde.

Svaret på frågan: Vad består järn av?
Svaret på frågan ”Vad består järn av?” grundar sig i järnmalmer som bildas genom olika geologiska processer i naturen. Dessa geologiska processer kan delas in i fyra huvudkategorier:

• Magmatisk bildning: När magma kyls ner och stelnar, kristalliseras mineraler inuti den, vilket leder till bildandet av järninnehållande mineraler.
• Sedimentär bildning: Genom vittring och erosion av bergarter samlas mineraler och järnjoner löses i vatten, vilket skapar sediment. Denna process bidrar till bildandet av viktiga järnmalmsfyndigheter.
• Metamorf bildning: Under högt tryck och temperatur förändras bergarter och detta leder till att järnrika mineraler omvandlas och nya järnmalmer bildas.
• Hydrotermal bildning: Cirkulationen av heta vätskor och vattenånga genom berggrunden medför att järn fälls ut och därmed skapas malmfyndigheter.

Sammanfattningsvis förekommer grundämnet järn i naturen huvudsakligen i form av oxider, karbonater och sulfider. Dessa mineraler är komplexa strukturer som bildats genom olika geologiska processer och har olika egenskaper. Människan har i tusentals år lyckats bearbeta dessa malmer för att utvinna rent järn och järnlegeringar.

Brytning och bearbetning av järnmalm
Resan från järnmalm i berget till användbar metall kräver en komplex process av brytning och förberedelse. För att denna värdefulla metall ska kunna användas industriellt måste flera grundläggande steg genomföras.

Anrikning av malmen
Den järnmalm som bryts ur naturen kan inte användas direkt och måste renas från föroreningar. Anrikningsprocessen syftar till att öka järninnehållet i låghaltig malm och att avlägsna föroreningar som kisel och fosfor.

De huvudsakliga metoderna för anrikning är:

• Magnetisk separering: Magnetiserade maskiner skiljer järnrika partiklar från övriga. Denna metod är särskilt effektiv för magnetitmalmer.
• Gravitationsseparering: Genom användning av centrifugalkrafter eller medier med olika densitet avlägsnas lättare föroreningar.
• Flotation: Kemikalier används för att separera specifika mineraler. I denna metod, även kallad skumflotation, fäster de önskade mineralytorna vid luftbubblor och separeras.

Efter anrikningsprocessen erhålls en produkt som kallas ”koncentrat”, vilken innehåller en högre andel järn.

Pulverisering och pelletisering
Eftersom anrikad järnmalm inte kan användas direkt i masugnar, måste den genomgå en pelletiseringsprocess. Denna process syftar till att omvandla järnrika finmalda mineraler till pellets som kan användas som laddningsmaterial i masugnar.

Pelletiseringsprocessen består av fyra huvudsteg:

1. Blandning: Filterkakan blandas med bindemedel och tillsatser i rätt proportioner.
2. Agglomerering: Den fuktiga, finfördelade malmen roteras i en trumma och formas till runda kulor med en diameter på 8–16 mm (våtpellets).
3. Termisk behandling: Våtpelletsen bränns vid temperaturer mellan 1200–1350 °C för att härdas.
4. Kylning: De härdade pellets kyls ner och blir klara för användning.

För att producera högkvalitativa pellets bör 50–80 % av malmens partikelstorlek vara under 0,045 mm. Vanligtvis används bentonit som bindemedel i en andel av 0,5–1,5 %. Efter bränning bör pelletsen kunna motstå ett tryck på minst 150–350 kg.

Den globala pelletmarknaden växer snabbt och hade ett värde på 60,4 miljarder USD år 2020. Det förväntas att marknaden växer med en årlig takt på 3,4 % fram till 2027. Denna tillväxt beror främst på att höghaltiga järnmalmer blir alltmer sällsynta och industrin därför i allt större utsträckning använder malmer med lägre järnhalt.

Järnproduktionsprocessen: Ugnar och omvandling
De enorma konstruktioner som utgör hjärtat av moderna stålverk är dagens version av en teknologi med flera hundra års historia. Här är den extraordinära processen där järnmalm förvandlas till användbar metall…

Masugnarnas roll
Masugnar är vertikala smältugnar som används för att bearbeta järnmalm. Dessa ugnar, som varierar i höjd från 30 till 90 meter, är några av de mest imponerande strukturerna inom industriproduktionen. Cirka 60 % av världens stålproduktion sker med hjälp av dessa masugnar.

Principen bakom dessa industriella jättar bygger på ett motströmsystem. Medan järnbaserade material (järnmalm, sinter och pellets), bränslematerial (metallurgisk koks) och slaggmedel (kalksten) kontinuerligt matas in från ugnens övre del, blåses uppvärmd luft vid 1000–1100 °C in från den nedre delen.

Reduktion av järnoxid
De kemiska reaktioner som sker i masugnarna sker huvudsakligen mellan laddningsmaterial som rör sig nedåt och gaser som rör sig uppåt. Den grundläggande processen är reduktionen av järnoxider med kolmonoxid (CO).

Reduktionsprocessen sker gradvis i temperaturzoner som förändras från botten till toppen:

• Vid cirka 450 °C:
  3Fe₂O₃ + CO → 2Fe₃O₄ + CO₂ (Hematit → Magnetit)
• Vid cirka 850 °C:
  Fe₃O₄ + CO → 3FeO + CO₂ (Magnetit → Wüstit)
• Vid cirka 1200 °C:
  FeO + CO → Fe + CO₂ (Wüstit → Metalliskt järn)

Genom dessa reaktioner avlägsnas syret gradvis från järnoxidmineralerna och metalliskt järn framställs. Denna process kallas ”reduktion”. Den grundläggande principen är att kolmonoxidens affinitet för syre är högre än järnets, vilket driver hela processen.

Produktion av tackjärn
Den smälta järn och slagg som bildas genom reduktionen samlas i den nedre delen av ugnen och tappas separat. Det tappade tackjärnet innehåller cirka 93,5–95 % järn (Fe), 4,1–4,4 % kol (C) samt andra element som kisel, svavel, mangan, fosfor och titan.

Det flytande tackjärn som erhålls från masugnen skickas vidare till nästa steg – den basiska syrgaskonvertern (BOF) – för att omvandlas till stål. I dessa ugnar, även kända som LD-konvertrar, avlägsnas kol och föroreningar från det flytande råjärnet.

I denna process blåses rent syre in i tackjärnet under högt tryck. Syret reagerar med järnet och bränner bort föroreningarna. För att hjälpa till med den kemiska reningen tillsätts kalksten eller liknande mineraler till BOF, vilket gör det möjligt att avlägsna oxider, silikater och fosfater, och smält råstål bildas.

Den basisk-syremetoden, särskilt känd som Linz-Donawitz-processen, är den mest effektiva metoden för att avlägsna oönskade ämnen som svavel, fosfor och kol. En av dess mest attraktiva egenskaper är att blåsningen endast tar cirka 18 minuter och att tiden mellan två gjutningar är mindre än 40 minuter.

Så förvandlas det mineral som utvinns ur jorden till järn – en av mänsklighetens mest grundläggande byggstenar – genom en fascinerande kemisk omvandling.

Moderna produktionstekniker och industriell användning
Teknologiska framsteg har gjort järnproduktionen mer effektiv och miljövänlig, samtidigt som användningsområdena för denna värdefulla metall har utökats. Den moderna järn- och stålindustrin erbjuder både ekonomiska och hållbara lösningar som möter framtidens behov.

Elektriska ugnar och gjuterier
Elektriska bågugnar (EAF) är en av de mest framstående moderna produktionsteknologierna och ett alternativ till traditionella masugnar. Dessa ugnar omvandlar elektrisk energi till termisk energi via en ljusbåge och använder främst återvunnet material som skrotstål som råvara. Ungefär 30–40 % av världens stål produceras med denna teknik.

De främsta fördelarna med EAF-teknologin är:

• Lägre energiförbrukning per ton jämfört med traditionella masugnar (ca 350–400 kWh per ton)
• Blåsningstiden är så kort som 18 minuter
• Bidrar till miljömässig hållbarhet genom att producera mindre koldioxidutsläpp
• Möjliggör flexibel produktion av stålprodukter med olika kvalitet och egenskaper

Induktionsugnar har också en viktig roll inom modern gjutningsteknik. Dessa ugnar erbjuder ren smältning och innovativa funktioner som automatisk start och naturlig omrörning.

Moderna gjuterier är idag anläggningar där mekanisering och automatisering tillämpas i stor utsträckning. I dessa anläggningar formas järn och dess legeringar enligt industrins behov med hjälp av olika gjutningsmetoder såsom sandgjutning, tryckgjutning, centrifugalgjutning, precisionsgjutning med flera.

Användning inom bygg- och maskinindustrin
Järn är ett oumbärligt råmaterial inom industriell produktion. Tack vare sin hållbarhet, flexibilitet och kostnadseffektivitet har det ett brett användningsområde. Inom byggindustrin används stålbalkar, pelare och armeringsjärn (rebar) som grundläggande byggmaterial i byggnader och broar, vilket ger strukturerna lång livslängd

Inom maskintillverkningssektorn används järn- och stålprodukter i stor utsträckning för att tillverka tunga maskindelar, motorkomponenter och olika typer av utrustning. Inom fordonsindustrin används järn för bilkarosser och motordelar. Det är också viktigt inom energisektorn, vitvaruproduktion och förpackningsindustrin.

Jämfört med andra metaller är järn mer kostnadseffektivt. Dess låga produktionskostnader och höga återvinningspotential gör det till ett attraktivt material för industriell användning. Dessutom kan det lätt omformas till olika former, vilket underlättar dess användning i olika tillämpningar.

Förstärkning av järn med legeringar
I sin renaste form har järn begränsad hållfasthet och hårdhet. Men dess egenskaper kan förbättras avsevärt genom att kombinera det med olika legeringselement. Stål är ett mångsidigt material som huvudsakligen består av järn och kol och som kan förstärkas ytterligare med olika legeringar.

De främsta metoderna för att förstärka järn är:

• Legering: Genom att tillsätta element som koppar, nickel, mangan, bor och vanadin till basmetallen skapas en fast lösning. Dessa element ökar stålets hållfasthet, korrosionsbeständighet, duktilitet och värmetålighet.
• Härdning: Stålet värms upp till över den kritiska temperaturen och kyls sedan snabbt för att förändra dess inre struktur. Denna process förbättrar stålets hårdhet och slitstyrka avsevärt.
• Karburering: Genom att exponera stål för en kolhaltig miljö vid hög temperatur diffunderar kolatomer in i metallets yta. Detta ger en hård yta med hög slitstyrka.
• Kallbearbetning: Genom deformation vid temperaturer under smältpunkten förbättras egenskaper som sträckgräns, draghållfasthet och hårdhet.

Rostfria stål är speciella stålsorter som innehåller 10–20 % krom och har hög korrosionsbeständighet. Dessa legeringar används inom många områden, från medicinsk utrustning och byggmaterial till livsmedelsbearbetning och dekorativa produkter.

Genom moderna produktionstekniker och legeringsmetoder har järn blivit ett oumbärligt material i nästan alla delar av dagens industri.