Malm, jern og stål 8200354156 [PDF]

Zitiervorschau

Thorleif Larsstuvold

’ rAeket ■ A. -DepotLnuiioækQt

MALM, JERN OG STÅL

Agder lng(niør|-

UNIVERSITETSFORLAGET Oslo-Bergen-Stavanger-Tromsø

Distriktshøgskole

© Universitetsforlaget AS 1971 ISBN 82-00-35415-6 2. utgave 1984

Det må ikke kopieres fra denne boka ut over det som er tillatt etter bestemmelsene i «Lov om opphavsrett til åndsverk», «Lov om rett til fotografi» og «Avtale mellom staten og rettighetshavernes organisasjoner om kopiering av opphavsrettslig beskyttet verk i undervisningsvirksomhet». Brudd på disse bestemmelsene vil bli anmeldt.

Trykk: Lie & Co’s Boktrykkeri A.s

Forord «Ved store Biergverker kunde Skoler til duelige Metalurgers Forberedelse uden Tvivl nyttigst anlægges» Niels Treschow (1751-1833) i 1793

Hver bok har sin egen historie. For denne begynner det med et oppdrag til undertegne­ de om å lage et «enkelt og lettfattelig» kurs for ansatte ved A/S Norsk Jernverk. Man ville at selv menneskene uten spesielle forkunn­ skaper skulle ha utbytte av kurset - også om ordinær skolegang var avsluttet for meget lang tid tilbake. Samtidig ble det ytret ønske om at nøkkelpersonell blant de ansatte skulle ha nytte av kurset. I mitt forsøk på å løse oppdraget laget jeg min egen lille filosofi som gikk ut på følgende: Sjølsagt skulle jeg ikke lære opp metallurger, eller arbeidere som skulle diskutere støkiometriske beregninger med ingeniørene, men jeg ville fortelle om de tingene jeg synes er morsomme og interessante, og helst på en slik måte at andre kunne få lyst til å lære mer om jern- og stålframstilling. I tillegg til dette ville jeg prøve å bibringe «den gemene hop» en forståelse av at våre metallurger tross alt hadde litt igjen for flere års skolegang. Jeg ville vise at våre problemer er reelle på grunn av «finesser» i naturen, og at jernets og stålets metallurgi er uhyre komplisert, slik at det kreves både lang utdanning og solid praksis for å beherske den. En bedre forståelse av hvordan de enkelte avdelinger er avhengige av hverandre, og

hva et fornuftig samarbeid betyr, ville heller ikke være av vegen. Jeg er nemlig så naiv at jeg tror at til syvende og sist styres tingene i verden mer av ånd og innstilling enn av eksakt viten. Med andre ord at nøkkelen heter motivering. Dette utelukker ikke at kunnskap spiller en stor rolle når vi treffer beslutninger. Viten og innstilling danner en sirkel, og en kan kanskje komme til å diskutere hvem som kom først av høna eller egget. I vår situasjon mente jeg imidlertid det måtte være riktig å hoppe på den sirkelsektoren som heter moti­ vering. Resultatet ble et kurs på tjue timer i «Elemen­ tær metallurgi», pluss et kompendium med utfyllende stoff. Kompendiet skulle ha et innhold som ikke ble fullt ut dekket av kurset, fordi høytlesning for voksne kan være av tvilsom verdi. Verken kurstimene eller kom­ pendiet var beregnet på å gi svar på alle spørsmål, eller gi noen fullkommen forklaring på fenomenene. Målsettingen, som det heter med et moderne ord, var som nevnt ganske beskjeden. Det gikk bedre enn ventet, og «til slutt» var det noen hyggelige mennesker som mente at kompendiet burde trykkes. Jeg var lettsindig nok til å bli både glad og smigret. Og nå har gode venner og hyggelige konsulenter tålmo­

dig gått gjennom manuskriptet, kritisert, ret­ tet, foreslått og oppmuntret til jeg har følt meg slik jeg tror en mor ville følt det hvis hun hver dag hadde barnet sitt inne på spedbarnskontroll: Deilig betryggende, men likevel et frykte­ lig nervepress. En spesiell takk vil jeg rette til ingeniør Tor Simonsen ved SINTEF/NTH og til forlagets språkkonsulent. Takk fortjener også teknisk direktør dr. Herman F. Ramstad. Videre min kone Liv, sekretærene Anne-Marie Ruud, Inger-Marie Kaatorp og May Lund Jensen, som har hjulpet meg med maskinskrivingen og fått noe ut av nærmest uleselige notater. Selv om boka har A/S Norsk Jernverk som bakgrunn og i de fleste tilfeller henter sitt referansemateriale fra dette verket, tror jeg den kan være av interesse for et større publikum. Mo i Rana er jo det eneste stedet i Norge hvor vi har et fullstendig integrert verk

som omfatter gruveavdeling, oppredningsverk, sinterverk, pelletverk, råjernverk, stålverk med LD-konvertere og elektrostålovner, blokkvalseverk, grovvalseverk og finvalseverk. Videre har verket sine egne kalkbrudd med kalkknuser og kalkovner. Selv om Norsk Koksverk A/S er en selvstendig enhet, er koksverket med på å utfylle bildet av en integrert virksomhet som er enestående i vårt land. Kanskje de som leser boka, vil sitte igjen med det samme inntrykket som vi har som mener å vite litt om stålframstilling og problemer ved integrerte verk: En ler litt av sensasjonene omkring de feil som er begått og undrer seg heller over at det har gått, og går så bra som det gjør.

Mo i Rana, november 1971 Th. Larsstuvold

Forord til 2. utgave

Revisjonen er gjort av forfatteren. Men en rekke fagfolk har hjulpet meg, både med kommentarer til forrige utgave og med kritisk gjennomlesning av manuskript til den nye utgaven. De er nevnt ved navn. Jeg har fått mange ideer og tips. Men å velge og vrake har vært opp til meg, og ansvaret er derfor mitt. Først og fremst vil jeg takke Ruth Schwensen som har reinskrevet manuskripet og brukt mye av sin fritid på det. Så vil jeg takke Torgeir Alvsåker, Bjørn Bjørkmo, ArneEirik Eide, Johan Eilertsen, Gudmund Hans­ sen, John K. Holtermann, Claus Høyem, Jens Johansen, Hans Petter Jæger, Odd Kampesæter, Kjartan Kibsgaard, Edmund Klubnes, Knut Arne Larsen, Steinar Meisfjord, Kåre Nilsen, Alf Nygård, Leif Opheim, Karl B. Opstad, Eli Ringdalen, Ketil Ryssdal, Steinar Sandgrind, Edgar Bull Simonsen, Per Sletten, Åge Strømhaug, Dag Støre, Ulrik Søvegjarto, Inge Jan Thorvaldsen og Tore A. Torp.

Når jeg f.eks. ikke har tatt med noe om vernearbeid, er det både av plassmangel og fordi jeg er enig med Mr. T.A. Rodgers (H.M. Chief inspector of Mines and Quarries): «Vi må unngå å tenke for komplisert om ulykkesproblemene. Øket sikkerhet kommer ved at vi gjør jobben på rett måte. Så enkelt er det.» Og jeg tror at for å gjøre «jobben riktig» må en ha en viss interesse for den, og at interessen kan bygges inn i individet ved hjelp av bl.a. orientering om hva jobben egentlig består i, dens historie og dens betydning. For til syvende og sist er det vel slik som Ragnhild Jølsen sier det i «Brukshistorier»: «Dog - hva bruket var: Velsignelse var det, og forsyn var det, arbeid gav det, og brød til sultne. Og i denne hensikt var bruket anlagt.»

Mo i Rana, mai 1984 Thorleif Larsstuvold

Innhold

Side Innledning .............................................. 10

Kort om kjemi og krystallografi ......... Atomet...................................................... Kjemiens språk ....................................... Atomvekt.................................................. Molekyler.................................................. loner......................................................... Valens...................................................... Loven om de konstante vektforhold....... Mer språk................................................. Affinitet..................................................... Oksidasjon og reduksjon ........................ Syrer og baser......................................... Krystaller og korn....................................

12 12 13 14 15 16 16 17 17 18 18 20 21

Mineraler og bergarter ......................... Generelt ................................................... Noen norske forekomster ....................... Hvordan ble malmene til? ....................... Litt om Rana Gruber................................

25 25 26 28 30

Oppredning ............................................ Magnetisk separasjon............................. Flotasjon .................................................. Tall som forteller...................................... Jones-separatoren...................................

32 32 34 37 37

Side Agglomerering ..................................... 39 Sintring........................................ *........... 40 Pelletering................................................ 40 Problemer ved sintring og pelletering......................................... 41 Andre pelletstyper................................... 42 Svampjern................................................ 43 Brikettering.............................................. 44 Glimtfra jernets historie ...................... «Den underlige steinen»......................... Utviklingen går videre ............................. En forbausende afrikansk problemløsning................................

45 45 46 47

Framstilling av råjern ........................... 49 Framstilling av råjern imasovner............. 49 Slagg........................................................ 51 Framstilling av råjern i elektrisk råjernovn .......................................... 52 Stålframstilling ..................................... 56 Digelstålprosessen, puddlingprosessen, bessemerprosessen og thomasprosessen.................................................... 57 Siemens martin, eller open hearth......... 59 LD-konverteren, kaldo- og rotorkonverteren.............................. 60

Side LD-røyken ................................................ Bunnblåsing............................................. Elektrostålovnen..................................... Raffinering................................................ Oppsummering .......................................

64 66 66 68 68

Tapperenna, ståløsa og dreneringsmekanismene ............... 69 Skyveventilen............................................. 72 Kokiller og synkebokser ....................... Kokiller....................................................... Synkebokser.............................................. Kokillepreparering og stålfeil .................... Andre stålfeil .............................................. Støpetemperatur og støpehastighet Strengstøping .........................................

74 74 78 80 84 86 92

Utettet, halvtettet og tettet stål........... 95 Utettet stål................................................ 96 Krav til framstilling av utettet stål............ 97 Halvtettet stål ........................................... 99 Krav til framstilling av halvtettet stål.................................................... 99 Tettet stål .................................................. 100 Krav til framstilling av tettet stål.............. 100 Litt om lokking og «capping» av stål ....... 101 Repetisjon................................................. 102 Varmegropene ......................................... Norsk Jernverks varmegroper................. Sammendrag ............................................ Groppraksis .............................................. Tid, temperatur, seigring..........................

103 103 105 105 106

Valsing og valseverk ............................ 108 Blokkvalseverket....................................... 112 Growalseverket........................................ 112

Side Universalvalsestolen............................... 113 Finvalseverket ......................................... 113 Grovverksadjustasjen ............................. 114 Kamstål................................................... 115 Modernisering......................................... 117 Blikkvalsing ............................................. 118

Kvalitet og kontroll ............................... 121 Kvalitet .................................................... 121 Ulegert og legert stål............................... 122 Kvalitetsutvikling .................................. 124 Sprøbrudd ............................................... 126 Oppfølging............................................... 127

Materialprøving..................................... Spektrograf og spektralanalyse............. Sveipelektronmikroskopet ..................... Ultralyd.................................................... Gnistprøving............................................ Andre prøvemetoder...............................

128 131 134 135 138 140

Jernkarbondiagrammet ...................... 141

Varmebehandling av stål .................... 143 Glødning.................................................. 145 Sveising ................................................. 146 EDB i jern- og stålframstilling ............. EDB-styrt bjelke- og flatstålvalsing........ Også varmsagene er datastyrt .............. I finvalseverket også...............................

149 152 153 153

Stålets framtid....................................... 158 Ut i rommet og tilbake igjen.................... 161 Litteraturliste......................................... 163

Innledning Nihil est quin male narrando possit depravari.

(Der er intet som ikke kan fordreies ved at det blir dårlig fortalt) Latinsk ordtak

Det er vel en vanlig oppfatning at jern (stål) er et «røft» materiale, et materiale som kan smeltes, smis, stopes, hamres, presses og kort sagt - herjes med som en finner for godt. Denne boka har som ett av sine mål å ta livet av denne forestillingen. Ved å folge materialet fra det sover i «berget det blå» til det kanskje suser ut av jordatmosfæren som materiale i et romskip og bokstavelig talt tar sikte på en plass blant stjernene, håper jeg at leseren etter hvert skal begynne å se på jernet som en god mor ser på sitt barn: som en tander liten skatt som har to i seg til det utrolige, men som må behandles med kunnskap, varme og forståelse for å kunne bli til noe. Jernet er verdens viktigste metall. Uten jern ville vår sivilisasjon neppe være mulig. Over­ alt spiller jernet en viktig rolle: fra hemoglobi­ net i blodet vårt til de mest avanserte romskip og elektroniske databehandlingsmaskiner, fra de fineste kirurgiske instrumenter til de mest djevelske våpen. Til godt eller ondt: Jernet er en del av vår virkelighet - av hele vår håndfaste verden. Spor du en vitenskaps­ mann hva jern er, svarer han: «Jern er et metall, og et metall er en samling atomkjerner i en sky av elektroner.» Og han vil tilføye: «I en slik sky holdes protonene sammen i tettpakkede arrange­

menter av to ulike krefter. Den ene er en attraksjonskraft mellom positivt ladde metallprotoner og negativt ladde elektroner som virker på større avstand. Den andre, som virker på mindre avstand, er en repulsjonskraft mellom protoner.» Ved å sporre vitenskapsmannen har vi allere­ de fått klart for oss at jernet ikke er så håndfast som vi uvilkårlig liker å forestille oss. Men selv om vi i første omgang ikke går så langt som til å se på protoner og elektroner, vil vi ved en mikroskopisk undersøkelse allerede ved et par hundre gangers forstørr­ else begynne å se et materiale som ikke er karakterisert av ensartethet (homogenitet). Vi får se et materiale som er oppbygd av større eller mindre enheter, og som straks får oss til å tenke på et annet materiale vi ofte har anledning til å se. Bildet vi får i mikroskopet, minner nemlig mye om betong. Det er bare det at der vi peker på stein i en sand-sementvann-blanding, vil metallografen peke på noe han kaller perlitt, ferritt osv. Han vil f.eks. peke på perlittkorn som ligger i ferrittisk grunnmasse (figur 1). Vi vet alle at betong består av sand, sement og vann. Vann og sement danner et lim som binder sandkornene sammen. Dermed vet vi også at betong ikke kan bli sterkere enn

11 Betong Ingen forstørrelse

Sandkorn

:

o\Vann-sementblanding (»lim“)

Voksende XC, økende hardhet

Figur 1. En ser her hvordan «smådelene», kornene, forandrer karakter når en øker mengden av karbon (C): fra en bløt ferritt-struktur til stadig hardere korn (perlitt, sementitt).

«limet» som er brukt. Vi lærer fort at skal vi få sterk og pålitelig betong, må vi forlange reint vann og sand som ikke inneholder jord (humus) eller andre forurensninger. Gjennom denne boka skal vi arbeide oss mot det mål å få den samme «hygieniske» innstil­ lingen til stål. Vi vil forhåpentlig sitte igjen med et bilde av et stykke stål som minner om

betong. Vi vil se for oss korn av ferritt og perlitt som er «limt» sammen slik sandkorne­ ne er «limt» sammen i betong. Og vi vil huske at i disse «limfugene» vil alle de forutsetninger, all den skitt som måtte ha fulgt med i smelta, ha lagt seg til ro og avgjøre «limets» styrke.

Kort om kjemi og krystallografi «Vær tålmodig, - min sjel: Du har gjennomgått verre enn dette»

Homer, ca. 800 f. Kr.

Før vi begynner å gå nærmere inn på jern- og stålframstilling, skal vi kort friske opp en del kjemiske begreper og gi noen definisjoner på ord og uttrykk som vi vil støte på i forbindelse med framstillingsprosessene. Det blir ikke tid til - og heller ikke nødvendig - å operere med kompliserte formler og dyptgående teo­ rier. Kjemien er læren om stoffene: om deres egenskaper, deres sammensetning og de forandringer de kan gjennomgå. Med et stoff mener vi her en karakteristisk enhet av materialet i den naturen som omgir oss, og som vi er en del av. Allerede de gamle hellenerne hadde gjennom sine tenkere (spe­ kulativ forskning) kommet fram til visse teorier om hvordan materialet i jord, ild, luft og vann kunne forklares.

Atomet Den mest bemerkelsesverdige av de hellens­ ke tenkerne var Demokritos, som ble født ca. 485 før Kristus, og som utviklet en fullstendig teori om stoffets oppbygning. Hans teori inneholder detaljer som moderne vitenskap har bekreftet. Demokritos’ lære gikk kort sagt ut på at alt som finnes, er bygd opp av små enheter (partikler), så bitte små at de er

usynlige for våre øyne. Han forestilte seg disse smådelene ikke bare som noe evig og uforanderlig i naturen, men som aktive, rast­ løse «byggeelementer» som stadig søkte sammen og ble brutt fra hverandre for igjen å danne nye former, nye mønstre. Men selve smådelene forandret seg ikke og lot seg aldri bryte i stykker. Demokritos valgte betegnel­ sen atomos som navn på disse naturens byggeklosser. Atomos er gresk og betyr «som ikke kan deles». Demokritos er kalt atomets far. Vi som lever i atomalderen, vet at dette ikke er tørr teori. Vi vet at vitenskapens innsikt i stoffenes natur har bekreftet mange av De­ mokritos’ ideer og gitt oss kunnskaper som setter oss i stand til bedre å utnytte naturen og frambringe industriprodukter som gir oss nye muligheter for livsutfoldelse, som gjør livet rikere, lettere og behageligere. At det har lykkes vår tids forskere å sprenge Demokri­ tos’ udelelige atomer, lar vi være å gå nærmere inn på. Våre dagers atomforskere sier det er umulig å anskueliggjøre atomets natur og de lovmessigheter som styrer det, og foretrekker kompliserte matematiske symbo­ ler for å betegne atomets vesen. For å beskrive atomet på en lett forståelig måte bruker vi Niels Bohrs atommodell. Det enkles-

KJEMIENS SPRÅK

Figur 2. A. Modell av hydrogenatomet. B. Modell av heliumatomet.

te atomet vil da se slik ut: I sentrum har vi en kjerne som består av én partikkel (et proton) med en positiv elektrisk ladning. Rundt denne kjernen kretser en mye mindre partikkel. Den er negativt ladd og kalles et elektron. Elektro­ net kretser så hurtig rundt sin «sol» at det nærmest er til stede overalt samtidig og danner et «skall» rundt kjernen. Figur 2A viser nettopp et så enkelt atom, det enkleste vi kan tenke oss, og noen husker kanskje at det er et atom av stoffet hydrogen. Figur 2B viser et atom av stoffet helium. Vi ser her at en tredje partikkeltype er kommet med i kjernen (åpne ringer). Denne partikkeltypen kalles nøytron, og den er elektrisk nøytral. Et heliumatom består altså av en kjerne som inneholder to protoner og to nøytroner, og rundt kjernen kretser det to elektroner i et «skall». Mer kompliserte atomer vil ha flere «skall», det ene utenpå det andre. (Det finnes også hydrogenatomer som i tillegg til det ene protonet har et nøytron i kjernen, men da kaller vi stoffet for deuterium og kjenner det som en bestanddel av såkalt tungt vann.) Atomene kan altså være forskjellige med hensyn til antall protoner, elektroner og nøy­ troner. Hvis et stoff viser seg å bestå av ensartede atomer, kaller vi det et grunnstoff. Vanligvis snakker vi om 92 grunnstoffer, og vi

13

kan stille dem på rekke og rad etter atomnummeret deres. Atomnummeret refererer til antall av protoner i kjernen, og fordi et atom i normaltilstand alltid vil ha like mange elektro­ ner som protoner, vil en gjennom atom­ nummeret også få rede på antall elektroner. Hydrogen har atomnummer 1, helium atomnummer 2. Ut over de 92 grunnstoffene har en de såkalte transurane grunnstoffer, som har mer enn 92 elektroner. Disse grunnstoffe­ ne er radioaktive og har så kort levetid (radioaktiv spalting) at de ikke forekommer i naturen under normale omstendigheter. Vi merker oss at det bare er antallet protoner (og dermed antallet elektroner) som skiller grunnstoffene fra hverandre, som gjør at gull er gull og ikke noe annet. Men ser vi på et enkelt proton fra gull og et enkelt proton fra jern, vil de være like. Som vi har sett, kan vi ha varianter av det samme grunnstoffet, fordi det kan være et skiftende antall nøytroner i kjernen. Slike varianter av samme grunnstoff kaller vi isotoper. De er like i sine kjemiske egenskaper og skiller seg fra hverandre ved at de har forskjellig vekt.

Kjemiens språk I forbindelse med grunnstoffer vil en foruten det nasjonale navnet også møte et kjemisk symbol for grunnstoffet. Som regel er det den første bokstaven i stoffets greske eller latin­ ske navn som brukes. Men noen av stoffene har fått to bokstaver fordi det greske eller latinske navnet på et annet stoff begynner med samme bokstav. Det var svensken Berzelius som i 1813 foreslo dette systemet, og det er nå befestet ved internasjonale overenskomster. En er videre enig om at dette kjemiske symbolet ikke bare er en

14

KORT OM KJEMI OG KRYSTALLOGRAFI

internasjonal forkortelse for grunnstoffets navn, men at det også skal bety ett atom av stoffet. I tabell 1 har vi ordnet grunnstoffene etter stigende atomnummer, med norsk navn og kjemisk symbol. Atomvekt er også tatt med.

Atomvekt 11962 ble en ved internasjonal overenskomst enig om å bruke karbonisotopen C 12 som utgangspunkt med atommasse = 12 (tre parallelle streker betyr «definert lik»). Fra og med 1971 bestemte den internasjonale kommisjon for mål og vekt (CGPM) at det skal hete atomvekt og molekylvekt. Hvis vi har 12 g karbon 12, har vi ett mol karbon 12-atomer. Mol må ikke forveksles med molekyl, men defineres slik: 1 mol inneholder Avogadros tall (6,0222 • 1023 atomer). Tabell 1 viser altså hvor mye de forskjellige grunnstoffene veier i forhold til C 12. Slike tabeller kan inneholde flere opplysninger om stoffene. Det kan være rubrikker for stoffets tetthet, for smeltepunkt (frysepunkt), koke­ punkt og aggregattilstand (ved 1 atmosfæres trykk og 0 °C) m.m. Med aggregattilstand tenker en på at et stoff kan være i én av tre tilstander, avhengig av temperatur og trykk: fast stoff, væske eller gass. I nyere forskning taler en også om en fjerde tilstand, plasma. Videre vil en i noen tabeller finne grunnstoffe­ ne delt inn i metaller, ikke-metaller og halvmetaller. Grunnstoffene i den første gruppa er karakterisert ved å ha metallglans, og er gode ledere for elektrisk strøm. Grunnstoffene i den andre gruppa mangler metallglansen og er oftest dårlige ledere. Halvmetallene er en mellomting. Denne inndelingen er noe flytende og kan ikke sies å være vitenskapelig. Vi har derfor ikke tatt den med.

Tabell 1. Grunnstoffene med atomvekt Atomnummer

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53

Navn

Kjemisk tegn Atomvekt

Hydrogen (vannstoff)........... Helium..................................... Litium....................................... Beryllium................................ Bor........................................... Karbon ..................................... Nitrogen.................................. Oksygen .................................. Fluor......................................... Neon......................................... Natrium................................... Magnesium............................ Aluminium.............................. Silisium.................................. Fosfor....................................... Svovel...................................... Klor.......................... ................. Argon ....................................... Kalium.................................... Kalsium.................................. Scandium................................ Titan........................................ Vanadium .............................. Krom........................................ Mangan.................................. Jern.......................................... Kobolt...................................... Nikkel...................................... Kopper .................................... Sink ........................................ Gallium .................................. Germanium............................ Arsen...................................... Selen ...................................... Brom........................................ Krypton .................................. Rubidium................................ Strontium................................ Yttrium.................................... Zirkonium................................ Niob ........................................ Molybden................................ Technetium............................ Ruthenium ............................ Rhodium ................................ Palladium................................ Sølv.......................................... Kadmium................................ Tinn ........................................ Antimon.................................. Tellur...................................... Jod ..........................................

H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd Sn Sb Te I

1,008 4,00 6,93 9,01 10,81 12,01 14,00 15,999 18,99 20,18 22,99 24,31 26,98 28,08 30,97 32,06 35,45 39,95 39,10 40,08 44,95 47,90 50,94 52,00 54,94 55,85 58,93 58,71 63,54 65,37 69,72 72,59 74,92 78,96 79,90 83,80 85,47 87,62 88,90 91,22 92,90 95,94 (98) 101,07 102,90 106,4 107,87 112,40 118,69 121,75 127,60 126,90

MOLEKYLER

Atomnummer 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103

Navn

Kjemisk tegn Atomvekt

Xenon .......................... ........... Cesium........................ ........... Barium........................ .......... Lanthan ..................... .......... Cerium....................... .......... Praseodym................. .......... Neodym..................... .......... Prometium................. .......... Samarium ................. .......... Europium................... .......... Gadolinium............... .......... Terbium..................... .......... Dysprosium............... .......... Holmium ................... .......... Erbium....................... .......... Thulium..................... .......... Ytterbium................... .......... Lutetium..................... .......... Hafnium..................... .......... Tantal......................... ............ Wolfram..................... ............ Rhenium..................... ............ Osmium..................... ............ Iridium....................... ............ Platina....................... ............ Gull.......................................... Kvikksølv................... ............ Thallium..................... ............ Bly .......................................... Vismut....................... ............ Polonium................... ............ Astat........................... ............ Radon......................... ............ Francium................... ............ Radium....................... ............ Actinium ................... . ........... Thorium..................... ............ Protactinium......................... Uran ........................................ Neptunium............................. Plutonium ............................. Americium............................. Curium....................... ............ Berkelium ............................. Californium........................... Einsteinium........................... Fermium..................... . ........... Mendelevium............ ............ Nobelium............................... Lawrencium...........................

Xe Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg TI Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Mv No Lr

131,3 132,90 137,34 138,91 140,12 140,90 144,24 (146) 150,35 151,96 157,25 158,92 162,50 164,93 167,26 168,93 173,04 174,97 178,49 180,95 183,85 186,2 190,2 192,20 195,09 196,97 200,59 204,37 207,19 208,98 (210) (221) (222) (224) (226) (227) 232,03 (231) 238,03 (239) (239) (243) (243) (245) (246) (254) (253) (256) -

15

På grunn av usikkerhet om hvem som egentlig har oppdaget grunnstoffene 104 og 105, er ingen trivialnavn blitt endelig godkjent hittil (1978). Inntil dette skjer, skal derfor de systematiske navn og symboler brukes. For grunnstoffene 104 til 107 er navnene og de kjemiske symbolene: 104 105 106 107

unnilquadium, symbol Unq unnilpentium, symbol Unp unnilhexium, symbol Unh unnilseptium, symbol Uns

Alle forsøk på å fremstille eller påvise grunnstoffer med atomnummer større enn 107, har hittil (1978) vært forgjeves.

Molekyler Atomer kan slå seg sammen i grupper. Når to eller flere atomer går sammen til én enhet, kaller vi denne enheten et molekyl. Atomene som slår seg sammen til et molekyl, behøver ikke være ensartede. Atomer av forskjellige grunnstoffer kan slå seg sammen, og de danner da molekyler av sammensatte stoffer. Når to eller flere grunnstoffers atomer som antydet går sammen om å danne et nytt stoff, sier vi at de inngår en kjemisk forbindelse, og at disse stoffene er i kjemisk binding med hverandre. Vi husker at stoffer også kan være i mekanisk blanding med hverandre. Som eksempel på forskjellen mellom mekanisk blanding og kje­ misk binding bruker en ofte å vise et eksperi­ ment med to blandinger av jern og svovel i pulverform. Vi blander begge så godt det lar seg gjøre ved å røre i massen. Hvis vi nå stikker en magnet ned i den ene blandingen, vil vi se at vi kan trekke til oss jernpartiklene slik at svovelet blir liggende igjen. Vi kan også helle blandingen opp i et glass vann. Da vil jernet synke til bunns, mens svovelet vil holde

16

KORT OM KJEMI OG KRYSTALLOGRAFI

seg flytende. Det typiske for en mekanisk blanding er at bestanddelene lett kan skilles fra hverandre. Hvis vi tar den andre blandin­ gen av jern og svovel og varmer den opp til den begynner å gløde, for så å la den kjølne, vil vi oppdage at verken magnet eller vann kan skille jernet og svovelet fra hverandre igjen. Jernet og svovelet har inngått en kjemisk forbindelse og er i kjemisk binding med hverandre. Men det er ikke alle slags atomer som er innstilt på slikt samarbeid. Grunnstoffet argon (Ar) er f.eks. litt av en «einstøing» som alltid opptrer i atomform og ikke viser lyst til å slå seg sammen med andre atomer, verken av samme slag eller av andre grunnstoffer. Argon er gresk og betyr «treg, uvirksom». Nitrogen (N) kan opptre som molekyler (molekylært) idet to og to N-atomer slår seg sammen, og som frie atomer (atomært). De grunnstoffene som ikke kan danne molekyler, kalles edelgasser.

Hvis nå f.eks. grunnstoffene natrium (Na) og klor (Cl) føres sammen, vil natrium gi fra seg et elektron til klor, som er en villig mottaker, og vi får betegnelsen Na+ og Cl-. Vi husker fra elektrisitetslæren at motsatte elektriske ladninger tiltrekker hverandre, og forstår da at Na+ og Cl- vil virke tiltrekkende på hverand­

re. De to atomene vil gå sammen til et molekyl NaCI (natriumklorid). Kjemikerne sier da at de to stoffene har reagert med hverand­ re. Natriumklorid er det kjemiske navnet på vanlig salt slik vi finner det på kjøkkenet. En kjemisk binding som denne kalles en ionebinding. Det finnes også andre måter atome­ ne kan binde seg til hverandre på. Vi skal bare nevne kovalent binding og metallbinding. Ved den første er det slik at to eller flere atomer deler ett eller flere elektronpar mellom seg. Når det gjelder metallbinding, er det som nevnt i innledningen tiltrekningen mellom positive metallioner (protoner) og (negative) elektroner som holder systemet sammen.

loner Noen grunnstoffer (metaller) har en tilbøyelig­ het til å levere fra seg ett eller flere elektroner fra sitt ytterste skall. Når det skjer, får atomet et overskudd av protoner (positive ladninger), og vi markerer dette ved at vi bak stoffets kjemiske symbol setter et plusstegn for hvert elektron som mangler. Andre grunnstoffer (ikke-metallene) har derimot en tendens til å ta opp ett eller flere ekstra elektroner i sitt ytre skall. Atomet får da et overskudd av elektro­ ner (negative ladninger), og vi markerer dette med et minustegn bak stoffets kjemiske symbol for hvert overskuddselektron. Atomer som enten har gitt fra seg eller har tatt opp ett eller flere elektroner, kalles ioner (les joner med lang o).

Valens Det antall elektroner som et grunnstoff kan gi fra seg, ta opp eller dele med et annet (eller andre) grunnstoff(er) i en kjemisk forbindelse, kaller vi stoffets valens. Hvis vi nå går tilbake til forbindelsen NaCI, kan vi si det slik at Na har valens +1 og Cl har valens -1. En kan sammenlikne et stoffs valens med et bestemt antall hender, og si at det enarmede Na rekker sin hånd til det enarmede Cl. Hvis vi ser på forbindelsen H2O, kan vi si at oksyge­ net (O) med sine to «hender» er i stand til å holde to enarmede hydrogenatomer (H). H2O betegner et vannmolekyl. Det kan ikke inngå flere H- og O-atomer i dette molekylet. Det er nærmest å betrakte som mettet, for en kan jo

LOVEN OM DE KONSTANTE VEKTFORHOLD

ikke gripe fatt i mer enn en har hender til. Alt etter hvor mange «hender» et atom har, betegnes det som 1-verdig, 2-verdig, 3-verdig osv. Vi skal merke oss at stoff i alle sine forbindelser viser samme valens overfor hy­ drogen, men kan ha forskjellige valenser overfor oksygen. I forbindelse med H2S er svovel (S) toverdig, dvs. har valens 2. Noen annen form for forbindelse med hydrogen kan ikke svovel ha, men med oksygen kan svovel prestere forbindelsene SO, SO2 og SO3. Da er svovelet henholdsvis to-, fire- og seksverdig. De kreftene som binder atomene sammen til molekyler, er mye mer komplisert enn vi har anskueliggjort her. Interesserte henvises til lærebøker i kjemi.

17

riktige mengdene når en driver med kjemiske prosesser. I en moderne smelteovn med sine svære kvanta ville det snart føre til økonomisk ruin hvis tilfeldigheter og slump skulle regjere. Vi bør kanskje avslutte eksemplet med å nevne at hvis vi på den annen side fyller på for lite svovel, vil en del jern bli liggende igjen og må kasseres.

Mer språk Vi må igjen ta en titt på kjøkkensaltet. Vi husker at ett atom natrium (Na) og eCi atom klor (Cl) gikk sammen til ett molekyl NaCI. Stoffene har reagert med hverandre. Dette kan vi skrive slik: Na + Cl = NaCI

Loven om de konstante vektforhold La oss vende tilbake til vårt alminnelige kjøkkensalt. Hvis vi prøver å lage salt av Na og Cl, vil vi oppdage at de to grunnstoffene reagerer med hverandre i et bestemt meng­ deforhold: alltid 46 g Na til 71 g Cl, som gir oss 117 g salt (NaCI - natriumklorid). Slik er det med alle kjemiske forbindelser: Det er alltid bestemte mengder av stoffet som går sammen med hverandre til nye kjemiske forbindelser. Det er dette en tenker på når en snakker om loven om de konstante vektfor­ hold i kjemien. Lar vi f.eks. en blanding av svovel (S) og jern (Fe) reagere og danne FeS (svoveljern) og setter til mer svovel enn loven om de konstante vektforhold tilsier, vil det overflødige svovelét bare brenne opp når vi varmer opp blandingen for å få i stand den kjemiske bindingen. Vi ser her et eksempel på hvor viktig det er å tilsette nøyaktig de

Kjemikeren sier at vi har skrevet en reaksjonslikning. Sluttresultatet - NaCI - som forteller hvor mange atomer det er av hvert slag i ett molekyl av det nye stoffet, er stoffets kjemiske formel. Tar vi for oss en annen kjemisk formel, vil vi kanskje finne at den består av så vel bokstaver som tall. Formelen for jernmineralet magnetitt, Fe3O4, forteller oss at vi har å gjøre med et molekyl som består av tre jernatomer og fire oksygenatomer. Hvis det bare er ett atom av et bestemt slag i molekylet, slik som i kjøkkensalt, skriver en ikke ett-tallet. Står det et tall foran stoffets kjemiske tegn i samme linjehøyde, angir dette hvor mange molekyler en har av stoffet (f.eks. 2 NaCI). Vi kan se litt grundig på forbindelsen H2O (vann), som vi tok for oss i forbindelse med begrepet valens. Vann er altså dannet av hydrogen og oksygen, og reaksjonslikningen kan vi skrive: H2 + O = H2O

18

KORT OM KJEMI OG KRYSTALLOGRAFI

Denne skrivemåten forteller imidlertid en sannhet med modifikasjoner. Det er nemlig slik at både hydrogen og oksygen opptrer som molekyler med to atomer i hvert molekyl. Den korrekte reaksjonslikningen vil i dette tilfellet være: 2H2 + O2 = 2 H2O

Altså: To molekyler hydrogen går sammen med ett oksygenmolekyl og danner to mole­ kyler vann. Hvor mange atomer av hvert grunnstoff som inngår i et molekyl, er bestemt av grunnstoffenes valens. En bruker de greske tallordene som referan­ se for å betegne hvor mange atomer av forskjellig slag det er i molekylet. Vi tar derfor med den greske tallrekken fra en til ti: Mono, di, tri, tetra, penta, heksa, hepta, okta, ennea, deka. Her følger noen eksempler på bruken av den. (Merk at forbindelser der oksygen (O) inngår, kalles oksider.) CO CO2 AsoOq P2O5

= Karbonmonoksid (her sløyfes ofte mono) = Karbondioksid = Diarsentrioksid (arsenikk) = (Di)fosforpentoksid

Av det som hittil er sagt, ser vi klart fordelene ved at kjemiens språk er internasjonalt.

Affinitet Affinitet kommer fra latin og betyr «tilgrensede». Det brukes i kjemien i betydningen tilbøyelighet eller tiltrekning, og betegner stoffers tilbøyelighet til å forbinde seg med hverandre. Når en f.eks. sier at oksygen (0) har større affinitet til aluminium (Al) enn til jern (Fe), så mener en at oksygen «foretrekker» å inngå en reaksjon med aluminium framfor å

slå seg sammen med jern. Dette utnytter kjemikerne for å finne en gunstig måte å framstille det de ønsker på. En har av og til inntrykk av at enkelte oppfatter f.eks. fram­ stilling av jern som en smelteprosess der en varmer opp jernholdig malm (eller jernholdige bergarter) til materialet blir flytende, for så nærmest å «skumme» av gråberget og uøns­ kede stoffer som har skilt seg fra jernet når materialet gikk i oppløsning - og dermed få fatt i jernet. Men slik er det ikke. Vi må alltid få fatt i en «tredjemann» for å få oppløst en kjemisk binding. Når vi skiller stoffer fra hverandre (ofte for å kunne studere dem nærmere), kaller vi det gjerne kjemisk analyse. Setter vi sammen stoffer til nye kjemiske forbindelser, kaller vi det kjemisk syntese.

Oksidasjon og reduksjon De stoffene vi får ved reaksjon mellom oksygen (O) og et annet grunnstoff, kaller vi oksider, og selve prosessen kaller vi en oksidasjon. Vi husker at formelen for jernmineralet magnetitt var Fe3O4, og vet at det betyr at ett molekyl av dette mineralet består av tre atomer jern (Fe) og fire atomer oksygen (O). Altså er mineralet oppstått ved en reak­ sjon mellom jern og oksygen. Den prosessen som gav oss stoffet magnetitt som resultat, må derfor være et eksempel på en oksida­ sjon, og stoffet magnetitt et eksempel på et oksid. Når ved, kull, olje eller andre ting brenner, er det en oksidasjon som foregår. Forbrenningsgassene er da de oksidene som dannes. Vi kaller denne prosessen også en forbrenning. Legger vi et stykke jern i vann eller utsetter det for fuktig luft, vil det etter en tid være

OKSIDASJON OG REDUKSJON

dekket av en rødbrun hinne (et belegg). Vi sier at jernet ruster. Spør vi kjemikeren hva som egentlig skjer, svarer han at det er en meget komplisert oksidasjonsprosess som foregår når jern korroderer. Kjemikeren bru­ ker korrosjon som et fellesnavn på slike oksidasjonsfenomener som vi i daglig tale kaller rusting, eiring osv. Vi skal ikke komme nærmere innpå rustdannelsen, men ganske kort si at prosessen kan beskrives som en forbrenning av metallet ved lav temperatur der asken er rust. Kjemikeren liker imidlertid best å kalle slike fenomener langsomme oksidasjoner. Et stoff som har evnen til å oksidere et annet stoff, kalles et oksidasjonsmiddel. I denne boka vil et naturlig eksempel på en oksida­ sjonsprosess være den såkalte fersking av råjern, som brukes for å omdanne råjern til stål. Denne omdanningen skjer ved at en lar en tilpasset mengde oksygen (O) forbrenne (oksidere) det overflødige karbonet (C) i råjernet. Enkelt kan vi si det slik: Når en tilfører oksygen, driver en oksidasjon.

Når en derimot fjerner oksygen fra en forbind­ else, kaller en det reduksjon. (En bør nok legge merke til at vi bruker ordet reduksjon både om den kjemiske prosessen en nytter ved framstilling av jern fra oksidisk malm, og om den dimensjonsminking som foregår under den mekaniske prosessen som kalles valsing.) Et stoff som har evne til å fjerne oksygen fra en forbindelse, kalles et reduk­ sjonsmiddel. Fagfolkene snakker også om reduserende gass, og mener da en gass som har evnen til å «trekke til seg» oksygen. En slik gass er f.eks. CO - karbonmonoksyd, som er ufullstendig forbrent karbon (C). Den kan brenne (oksidere) videre til CO2. I

19

Som eksempel på reduksjon i betydningen fjerning av oksygen, vil vi se nærmere på framstilling av råjern fra en oksidisk malm som f.eks. inneholder mineralet Fe2O3 (hematitt). Det foregår i råjernverk (masovner eller elektriske råjernovner). Jernoksid (Fe2O3) reduseres til (metallisk) jern (Fe) ved hjelp av karbonmonoksid, som har oppstått ved at oksygen (O) har reagert med karbon (C) i koks eller trekull. Redokslikningen ser slik ut:

Fe90o + 3 CO = 2 Fe + 3 CO2 Vi skal notere oss at det alltid foregår både en oksidasjon og en reduksjon samtidig: For at et stoff skal kunne oksideres, må samtidig det stoffet det reagerer med, reduseres (eller omvendt). Derfor kaller vi det redoks-likning. Se figur 3.

I forbindelse med jern- og stålframstilling er det praktisk å skille mellom to kjemiske reduksjonsprosesser:

Først har vi den omtalte reduksjonen som fjerner oskygen fra jernoksid (framstilling av råjern). Så har vi en reduksjonsprosess i stålverkene som fjerner det oksygenet som er oppløst i flytende stål i form av «rester» fra ferskingen (oksidasjon av karbon) og/eller tilført fra andre kilder, f.eks. fra omgivende luft.

Denne siste reduksjonen kalles i stålverkene for desoksidasjon og kan betraktes som en siste finpuss på stålet før det støpes. Som desoksidasjonsmiddel brukes f.eks. alumini­ um. Det skal vi se nærmere på i kapitlet «Utettet, halvtettet og tettet stål».

20

KORT OM KJEMI OG KRYSTALLOGRAFI

Omtrentlig skala for innholdet av:

Karbon

4-2----------------- 1-0,05

l Oksygen

I

0 -----------

0,002-0,15

0%

i 30-35 %

Oksidasjon--------- ► **----------- Reduksjon

Figur 3. Desoksidasjon er fjerning av oksygen fra smeltet metall. (Nærmere om dette under «Utettet, halvtettet og tettet stål».)

Syrer og baser Når vi kommer til kapitlene om jern- og stålframstilling, vil vi møte begreper som surt eller basisk slagg, og det kan da være lurt allerede nå å titte nærmere på begrepene syre og base. Spør vi kjemikeren hva syre og base er, svarer han: En syre er et stoff som kan avgi hydrogenioner. En base er et stoff som kan oppta hydrogenioner. Definisjonene ovenfor skriver seg fra den danske kjemikeren Johannes Brønsted. Vi skal legge merke til at når en syre avgir et hydrogenion, dannes det samtidig en base, fordi det må være til stede et stoff som opptar

hydrogenionet. Når en base opptar et hydro­ genion, må det også dannes en syre. Oksygenet ble tidligere kalt surstoff fordi en oppdaget at oksider som ble oppløst i vann, dannet syrer. Men så fant en at saltsyre ikke inneholder oksygen, slik at en måtte finne en annen forklaring på syrevirkningen. Løsningen på problemet fant en da en oppda­ get at alle syrer inneholder hydrogen som kan avgis i form av hydrogenioner under gitte betingelser. Et hydrogenion er ganske enkelt et hydrogenatom som har avgitt sitt elektron, slik at det blir positivt ladd. Det betegnes med H+.

KRYSTALLER OG KORN

Av og til finner en ordet alkalisk (fra arabisk: aske av saltholdige planter) brukt i stedet for basisk. Det står for akkurat det samme. Ordet alkalisk har gitt navn til de såkalte alkalimetallene, litium (Li), natrium (Na), kalium (K) m.fl., som danner sterke baser når de løses opp i vann. Som mål på hvor sur eller basisk en vandig oppløsning er, bruker en pHverdien (eller pH-tallet). Som verdi for en nøytral oppløsning, en oppløsning som ver­ ken er sur eller basisk, har en tallet 7. En sur oppløsning har pH-verdi lavere enn 7, og er surere jo lavere verdien er. En basisk oppløs­ ning har pH-verdi høyere enn 7, og er mer basisk jo høyere verdien er. pH-verdien er et mål for konsentrasjonen av H + -ionene. I reint vann er denne 0,0000001 mpl pr. liter (eller 10-7, som leses 10 opphøyd i minus 7). pH er definert som -logaritmen til konsentrasjo­ nen av H+-ioner: -log 0,0000001 = -log 10-7 = - (-7) = 7. pH i reint vann er derfor

7,00. Alle sure oppløsninger som har en høyere konsentrasjon av hydrogen-ioner, har en pH-verdi mindre enn 7. Alle oppløsninger som er mer basiske enn (det nøytrale) van­ net, har pH-verdier mellom 7 og 14. Kjemike­ re bruker ofte formelen pH = - log 1H+J, der | | betyr konsentrasjon. Når en syre og en base kommer sammen, dannes et salt pluss vann. Et salt er en kjemisk forbindelse av et positivt ion (oftest et metallion fra en base) og et negativt ion (oftest fra en syre). Resultatet av en blanding av like mengder av sterk syre og sterk base er en nøytral løsning, og vi får pH = 7 (gjelder ikke for svake syrer og baser). Saltene som dannes, får navn etter de syrene de dannes av. Av fosforsyre får vi forskjellige fosfater, av karbonsyre forskjellige karbonater, av ki­ selsyre forskjellige silikater osv. Vi kan også få salter som er oksider, f.eks. CaO, MgO etc.

21

Vi skal ikke gå nærmere inn på dette stoffet. Det vi må huske, er at egenskapene ved syrer og baser spiller en stor rolle ved flere kjemis­ ke prosesser.

Krystaller og korn Når flere molekyler av det samme stoffet går sammen om den videre oppbygging til en større enhet, danner de først en figur som er karakteristisk for stoffet. Det kan være en kubus, en mangekant (et polygon) osv. En slik figur kaller vi en krystall, og med henblikk på figurens fasong og sammensetning snak­ ker vi om stoffets krystallstruktur (eller krystallmønster). Vi er inne på et fagområde som heter krystallografi. Krystall kommer av det greske ordet for is, og defineres i moderne vitenskap som en ordnet samling av atomer. Vanligvis sier en at faste stoffer finnes i naturen i to former: den krystallinske (som vi har startet med i dette kapitlet) og den amorfe. Mens den krystallinske tilstanden er preget av orden, er den amorfe karakterisert ved at molekylene er usymmetrisk og uordnet fordelt. Den amorfe tilstanden er sjeldnere enn tidligere antatt, og fordi vi i denne boka er mest interessert i krystallformen, skal vi holde oss til den. I et fast stoff er atomene ordnet pent og pyntelig i det vi kaller gitter. Når en skal føre stoffet over til væske (flytende form), må en bryte i stykker dette gitteret, slik at atomene får bevege seg fritt. Når stoff går over fra flytende til fast form, vil atomene igjen ordne seg i et gitter eller nettverksmønster. Ser vi nå på en smelte som størkner (fryser) kan vi tenke oss at et par molekyler først inntar en bestemt posisjon i forhold til hverandre, og dermed har vi fått en kime. Fra denne kimen vokser krystallen videre ved at nye molekyler

22

KORT OM KJEMI OG KRYSTALLOGRAFI

slutter seg til. Dersom denne krystallen får vokse fritt, vil den være begrenset av et system av flater. (La oss tenke på et værelse som er begrenset av vegger, tak og golv.) Disse flatene vil danne bestemte vinkler med hverandre. Da krystallstrukturen er avhengig av hva slags molekyler krystallen er bygd opp av, vil formen på krystallen røpe hva slags materiale vi har å gjøre med. Krystallene vil være mer eller mindre symmetriske om tenk­ te akser eller snitt gjennom dem. Hvis vi f.eks. skjærer snitt gjennom krystallen, kan vi dele den opp i like deler. Dersom vi tenker oss en akse gjennom krystallen slik at vi kan dreie den rundt aksen, vil krystallen dekke utgangsstillingen én eller flere ganger i lopet av en omdreining. Et snitt som deler krystallen opp i like deler, kaller vi et symmetriplan. og en slik akse som beskrevet kaller vi en symmetriakse. Symmetriplan og symmetriakse danner et symmetrisystem som gjor det mulig a klassi­ fisere krystallene.

3

Figur 4. Krystallformer (etter Field). 1 Isometrisk. Tre like lange akser loddrett på hverandre. (Aksene danner altså rette vinkler med hverandre.) 2 Tetragonal. Tre akser loddrett på hverand­ re. To av dem like lange. (Like lange akser ligger i samme plan.) 3 Heksagonal. Tre like lange akser i samme plan danner 60 graders vinkel med hveran­ dre. Loddrett på disse står en kortere eller

lengre akse. (De tre første kalles gjerne biakser. og den sistnevnte hovedakse.) 4 Flom bisk. Tre ulike lange akser loddrett på hverandre. (Egentlig ortorombisk, fra gresk, orto, rett, riktig.) 5 Monoklin(isk). Tre akser av forskjellig leng­ de. To danner en rett vinkel. Den tredje aksen danner en skjev vinkel til en av de andre to. 6 Triklin(isk). Tre akser av forskjellig lengde. Alle danner skjeve vinkler med hverandre.

KRYSTALLER OG KORN

23

På figur 4 ser vi en amerikansk inndeling av krystallene i seks hovedgrupper. Denne grup­ peinndelingen fremkommer hvis en definerer ut fra krystallenes symmetriakser. På figur 5 har vi en tysk inndeling som tar med akselengdene og vinklene og derfor ender opp i sju hovedgrupper. Den sjuende krystallen får en ved deling av den rombiske. Tallene i parentes viser til tilsvarende amerikanske inndelinger, og vi merker oss at amerikanerne begynner med høyeste grad av symmetri, mens tyskerne starter i omvendt orden. Etter Fjodorow-skolen i Leningrad deles disse sju hovedgruppene inn i undergrupper slik at en i alt får 47 krystalltyper. Noen forskere mener imidlertid at det er mer korrekt å dele kry­ stallene inn i 48 typer. En håper å oppnå internasjonal enighet om dette spørsmålet om

ikke lenge.

Avstanden mellom de enkelte atomer eller molekyler i krystallens forskjellige grensefla­ ter eller hjørner kan en finne ved hjelp av røntgenstråler. Fordi avstandene er avhengi­ ge av stoffets natur (hva slags molekyler), kan en ved slik røntgenundersøkelse identi­ fisere stoffet i krystallene. Krystallformen av­ gjøres av bindingskreftene og størrelsen på molekylene. Bindingskreftene er av meget forskjellig styrke og natur. Ut fra kreftenes vesen deler en krystallgitrene inn i disse hovedgruppene: ionegitter, atomgitter, molekylgitter og metallgitter.

Figur 5. Det krystallografiske aksesystem (etter Kleber). 1 Triklin (6). 2 Monoklin (5). 3 Rombisk (4). 4 Heksagonal (trigonal) (3). 5 Romboedrisk (ved deling av den rombiske). 6 Tetragonal (2). 7 Kubisk (1).

Vi skal legge merke til at når en smelte begynner å størkne, danner det seg krystaller flere steder i smelta samtidig. Etter hvert som disse krystallene vokser, vil de støte mot hverandre, bli knuffet og skubbet, slik at når smelta er størknet, vil den bestå av uregel­ messige småkrystaller. Disse småkrystallene

24

KORT OM KJEMI OG KRYSTALLOGRAFI

kalles krystallitter eller korn. Kornenes begrensninger (flatene) ligger an mot nabokornenes begrensninger, og vi snakker om korngrenseflater. Stålets egenskaper er i stor grad avhengig av kornstørrelsen, formen på kornene pluss de kreftene som holder korne­

ne sammen, både som enkelte korn og som kollektiv. Ved å påvirke kornene f.eks. med varmebehandling kan en endre egenskapene til stålet. Dette kommer vi inn på lenger ute i boka.

Mineraler og bergarter

Generelt Den harde delen av jordskorpa består av bergarter, og den kalles da også av geologer for litosfæren (fra gresk lithos, stein). Berg­ artene er bygd opp av ett eller flere mineraler, og disse er igjen bygd opp av ett eller flere grunnstoffer. Av om lag 100 grunnstoffer er det 8 som utgjør 98,6% av alle «byggeklossene» i jordskorpas mineraler:

0,00001, platina 0,0000005 og gull 0,0000005. Jern er - som vi ser - ikke noe sjeldent grunnstoff. Men en økonomisk utnyttelse av jernførende mineraler krever at det er en tilstrekkelig stor konsentrasjon av jern til stede. Bergloven inneholder definisjoner på begreper som malm, mutbare malmer og industrimalmer. I prinsippet kan alle lete etter minera-

Tabell 2. Jordskorpas 8 framtredende grunns! offer

Grunnstoff

Kjemisk tegn

Vektprosent

Volumprosent

Oksygen Silisium Aluminium Jern Kalsium Natrium Kalium Magnesium

O Si Al Fe Ca Na K Mg

46,60 27,72 8,13 5,00 3,63 2,83 2,59 2,09

93,77 0,86 0,47 0,43 1,03 1,32 1,83 0,29

Vi ser at de 4 første faktisk tar nærmere 90% av «kaka». Det kan også være moro å se litt på andelen av andre kjente grunnstoffer (vektprosent): Titan 0,44, mangan 0,10, svo­ vel 0,05, krom 0,02, nikkel 0,008, sink 0,0065, kopper 0,0045, bly 0,0015, tinn 0,0003, sølv

ler, - men en bør sette seg inn i lovens bestemmelser og kontakte grunneieren. Den som «gjennombryter» overflaten for å lete etter malmer, kalles skjerper, og tiltaket kalles skjerping. Et mutingsbrev gir rett til å utnytte funnet (fra tysk, mute, begjære, forlange).

26

MINERALER OG BERGARTER

Rana har litt av en norgesrekord i skjerp. På kirkegården i Mo kan en se skjerper brukt som yrkestittel. Oppkonsentreringsfaktoren er et uttrykk som brukes som et mål for en økonomisk forsvarlig utnyttelse av et mineralfunn: Oppkonsentreringsfaktoren for jern kan ligge i området 6-15 for de jernmalmforekomster som drives i dag. De fattigste jernmalmene inneholder da 25-20% Fe, og de rikeste 66-67% Fe (vektprosent).-I det første tilfellet inneholder råmalmen 50-60% gråbergmineraler og må anrikes på et oppredningsverk. I det andre tilfellet er det bare 6-8% gråbergmineraler til stede, og malmen kan da brukes som den er på jernverk. En oversikt over jernbærende mineraler vil se slik ut:

Noen norske forekomster Den største leverandøren av jernmalm i Nor­ ge er A/S Sydvaranger i Kirkenes med en kapasitet på om lag 2,5 millioner tonn magnetittkonsentrat levert i form av pellets. Rana Gruber - som er en avdeling (divisjon) av A/S Norsk Jernverk - har en kapasitet på om lag 1,4 millioner tonn jernmalmkonsentrat i form av hematitt og magnetitt. Fosdalen Bergverk i Nord-Trøndelag har en årskapasitet på om lag 0,5 millioner tonn konsentrater i form av magnetittslig. Titania A/S I Dalane framstiller om lag 40 000 tonn magnetittslig i tilknytning til sin ilmenittproduksjon. Rødsand Gruber, som prodserte titan- og vanadiumholdig magnetitt, ble nedlagt i 1981.

Tabell 3. Jernførende mineraler Mineral

Type

% Fe

Magnetitt Hematitt Ilmenitt Jernspat Limonitt

(Fe3O4) (FegOg) (FeTiO3) (FeCO3) (Fe2O3 • H2O)

Jernkarbonat Hydratmalm

72,4 69,9 36,8 48,2 Max. 60

Svovelkis Magnetkis

(FeS2) (FeS)

Sulfidmalm »

46,5 61

Oksidmalm » »

Av disse mineralene har bare magnetitt og hematitt praktisk betydning i dag. Men ved å utnytte titan fra ilmenitt kan en som biprodukt få jern (råjern). Tenk på diskusjonen om et ilmenittverk i Tyssedal. Vi kan også tenke på svovelkis, som brukes til svovelsyreframstilling - der kisavbrannen inneholder 60-65% Fe som kan brukes til jernframstilling.

Merknader

(Sideritt) Inkluderer også myrmalm (sjømalm) (Pyritt)

Stort sett er det små jernmalmforekomster som finnes spredt over hele Norge. Det har til tider vært drevet gruvedrift på mange av disse feltene, fra Sørlandet til Troms. Se kartet over jernmalmer i Norge, figur 6. Fra Bergverksstatistikken for 1981 finner vi at jernmalmgruvene hadde en bruttoproduk ­ sjonsverdi på 843 millioner kroner. Totalt var

NOEN NORSKE FOREKOMSTER

27

Figur 6. Kart over titanfri jernmalm i Norge. (J.A.W.B. 1953).

.^0,

Sørvaranger

Tromsøysund^

• Karasjok Sørreisa Balangen Andørja

Øksfjord^.

Smorten

Rabben BogerP Haafjellet

Næverhaugen

Beiarn

Rana Elsfjord

Mosjøen

Fosdalen

TELEMARKSFORMASJONEN

FJELLKJEDENS BERGARTER

OSLOFELTETS BERGARTER

JERNMALMER MANGANFORENEDE JERNMALMER Skreia • Spetalen

Hadsel

• Setskogen Narverud

Softestad^

• /Grubemyr Lyngrot * Arendal

Lango Geiteråsen

28

MINERALER OG BERGARTER

det i drift 1 kullgruve og 14 malmgruver med vel 4 600 ansatte, og en bruttoproduksjons­ verdi på 1,6 milliarder kroner. Bearbeidings­ verdien lå på vel 540 millioner kroner. Verdens jernmalmproduksjon (konsentrater) ligger i dag på 800-900 millioner tonn. Sovjetunionen er den største malmprodusenten med om lag 250 millioner tonn (1982). Norges produksjon er til sammenligning om lag 4 millioner tonn. Det finnes enorme jernmalmreserver i ver­ den, - tilganger som vil vare langt inn i framtida. Størst produksjonsutvikling har det i de seinere år vært i Australia og (i særlig grad) Syd-Amerika.

Hvordan ble malmene til? Jernmalmen kan ha blitt dannet ved flere kompliserte prosesser som vi ikke har plass til å omtale her. Men vi kan i alle fall si at de fleste jernmalmer har en sedimentær opp­ rinnelse, på samme måten som leire, sand og grus er blitt kittet sammen til bergarter som sandstein, osv. Sediment kommer fra latin sedi. «jeg har satt meg», og svarer oftest til «avsetting» på norsk. Dette gjelder bl.a. jernmalmene i Sorvaranger, Rana og Fosdalen, som en mener er dannet ved utfelling av jernholdige oppløsnin­ ger på bunnen av hav. Dette har for Ranas vedkommende skjedd for over 1000 millioner år siden, i Sorvaranger for over 2000 millioner år tilbake. Siden har det skjedd en kraftig omdanning (metamorfose) av både de jernri­ ke avsettingene og omgivende løsavsettinger. Bergartene er vesentlig blitt omdannet ved høye trykk- og temperaturendringer i forbindelse med store fjellkjededannelser. Dette kan være kombinert med vulkansk

Figur 7. Typisk dagbrudd (RANA GRU BER).

30

MINERALER OG BERGARTER

virksomhet. Smeltede bergarter fra jordas indre har da trengt opp til jordoverflata som lava, aske, slam eller gass. Slike utbrudd kalles erupsjoner.

Litt om Rana Gruber Ettersom denne boka henter de fleste eks­ emplene fra A/S Norsk Jernverk i Mo i Rana, vil det være av interesse å se litt nærmere på den gruvevirksomhet som drives om lag 30-40 km fra Jernverket, og som forsyner verket med jernmineralene. Jernmalmen i Dunderlandsdalen har «utgående» i dagen. Malmen er «båndet» (lagdelt) med vekslende striper med hematitt/magnetitt og gråberg. Denne båndingen gjenspeiler bl.a. dannelsesmåten. For å utvinne malmen mot dypet må en bryte en stor del gråberg, slik det framgår av figur 7. Hvor mye gråberg som det kan forsvares å ta ut i forhold til malm, er et viktig økonomisk forholdstall som avgjør dagbruddets levetid.

Mye gråberg brukes til vegbygging, men mestparten blir deponert på «tipper» i nærhe­ ten av bruddene. I enkelte felt er overdekkingen - eller sideberget - kalk. Kalk av god kvalitet blir tatt vare på og brukes som slaggdanner i Råjernverket. Tar vi en tur opp i Ørtfjellet og ser på virksomheten der, ser vi svære beltegående boremaskiner som borer hull som er opptil 310 mm0 og om lag 17 m dype. Borehullene lades med flytende sprengstoff, slurry (eng. for søle, mudder). Det er en blanding av ammoniumnitrat (kunstgjødsel), olje og aluminiumoksid, og det blir levert fra tankbil og ned

i borehullene. sprengstoff.

Det er et meget

sikkert

Massen som sprenges ut samtidig - ved én skyting - kalles en salve. Salvestørrelsen ligger i gjennomsnitt på 200 000 tonn. Da går det med 80 tonn sprengstoff. Det blir skutt om lag en salve i uka. I borehullene er det fylt opp om lag 10 meter med sprengstoff, og normalt river sprengningen opp malm og gråberg ned til om lag 15 m dyp.

Summen av malm og gråberg som sprenges kalles bergfangst og ligger jevnt over på 10 millioner tonn pr. år.

Av sikkerhetsmessige grunner (rasfare) blir malmen brutt i trappetrinn (paller) der inntrinnet (den horisontale flata) skal være stort nok til å hindre stein fra å rase ned i området der det arbeides.

Den løssprengte massen blir lastet opp av gravemaskiner som veier 450 tonn, og har skuffer som tar 11 m3 i en jafs. Gravema­ skinene tømmer massen i lastekassen på lastebiler (trucker) som veier 90 tonn og laster 170 tonn. Tenk deg en lastebil som tar 10 tonn - litt av en rugg - og tenk så på en bil som laster like mye som 17 slike titonnere! Malmen kjøres til en spindelknuser. Knuseren «tygger» i løpet av om lag 30 sekunder et lass malm ned til en stykkstørrelse på om lag 225 mm. Fra knuseren går malmen til en silo som er sprengt inn i fjellet. Fra siloen - som rommer 100 000 tonn - blir malmen tømt i jernbanevogner og transportert 37 km til Oppredningsverket i Gullsmedvik (om lag 37 km fra Jernverket) for oppredning (anrikning).

LITT OM RANA GRUBER

Figur 8. Eksempel på underjordsdrift.

31

Oppredning