Profil metalowy: właściwości i cechy żelaza

Wykorzystanie żelaza przez ludzi sięga około 5000 lat. Jest to drugi najobficiej występujący metal w skorupie ziemskiej i jest wykorzystywany głównie do produkcji stal, jeden z najważniejszych materiałów konstrukcyjnych na świecie.

Zanim przejdziemy zbyt głęboko w historię i współczesne zastosowania żelaza, przejrzyjmy podstawy:

• Symbol atomowy: Fe
• Liczba atomowa: 26
• Kategoria elementu: metal przejściowy
• Gęstość: 7,874 g / cm³
• Temperatura topnienia: 2800 ° F (1538 ° C)
• Temperatura wrzenia: 2862 ° C (5182 ° F)
• Twardość Moha: 4

Czyste żelazo to metal w kolorze srebrnym, który dobrze przewodzi ciepło i elektryczność. Żelazo jest zbyt reaktywne, aby istnieć samodzielnie, więc występuje naturalnie tylko w skorupie ziemskiej jako rudy żelaza, takie jak hematyt, magnetyt i syderyt.

Jedną z charakterystycznych cech żelaza jest to, że jest silnie magnetyczny. Wystawiony na działanie silnego pola magnetycznego każdy kawałek żelaza może zostać namagnesowany. Naukowcy uważają, że jądro Ziemi składa się w około 90% z żelaza. Siła magnetyczna wytwarzana przez to żelazo tworzy magnetyczne bieguny północny i południowy.

Żelazo zostało prawdopodobnie pierwotnie odkryte i wydobyte w wyniku spalania drewna na rudach zawierających żelazo.Węgiel w drewnie reagowałby z tlenem w rudzie, pozostawiając po sobie miękką, ciągliwy żelazo metal. Wytapianie żelaza i wykorzystanie żelaza do wyrobu narzędzi i broni rozpoczęło się w Mezopotamii (dzisiejszy Irak) między 2700 a 3000 pne W ciągu 2000 lat wiedza na temat hutnictwa żelaza rozprzestrzeniła się na wschód w Europie i Afryce w okresie znanym jako epoka żelaza.

Od XVII wieku, dopóki nie odkryto wydajnej metody produkcji stali w połowie XIX wieku, żelazo było coraz częściej stosowane jako materiał konstrukcyjny do budowy statków, mostów i budynków. Wieża Eiffla, zbudowana w 1889 roku, została wykonana przy użyciu ponad 7 milionów kilogramów kutego żelaza.

Najbardziej kłopotliwą cechą żelaza jest jego tendencja do tworzenia rdzy. Rdza (lub tlenek żelazowy) jest brązowym, kruchym związkiem, który powstaje, gdy żelazo jest wystawione na działanie tlenu. Tlenowy gaz zawarty w wodzie przyspiesza proces korozja. Szybkość rdzy - jak szybko żelazo zamienia się w tlenek żelaza - zależy od zawartości tlenu w wodzie i powierzchni żelaza. Woda morska zawiera więcej tlenu niż woda słodka, dlatego woda morska rdzewieje żelazo szybciej niż woda słodka.

Rdzy można zapobiec, pokrywając żelazo innymi metalami, które są bardziej chemicznie atrakcyjne dla tlenu, takie jak cynk (proces powlekania żelaza cynkiem jest określany jako „cynkowanie”). Jednak najbardziej skuteczną metodą ochrony przed rdzą jest użycie stali.

Stal to stop z żelaza i różnych innych metali, które są stosowane w celu poprawy właściwości (wytrzymałości, odporności na korozję, tolerancji ciepła itp.) żelaza. Zmiana rodzaju i ilości pierwiastków stopowych z żelazem może powodować wytwarzanie różnych rodzajów stali.

Najpopularniejsze stale to:

• Stale węglowe, które zawierają między 0,5% a 1,5% węgla: Jest to najbardziej popularny rodzaj stali, stosowany do karoserii samochodowych, kadłubów statków, noży, maszyn i wszelkiego rodzaju podpór konstrukcyjnych.
• Stale niskostopowe, które zawierają 1-5% innych metali (często nikiel lub wolfram): Stal niklowa może wytrzymać wysoki poziom napięcia i dlatego jest często stosowana do budowy mostów i do produkcji łańcuchów rowerowych. Stale wolframowe zachowują swój kształt i wytrzymałość w środowiskach o wysokiej temperaturze i są stosowane w udarowych, obrotowych zastosowaniach, takich jak wiertła.
• Stale wysokostopowe, które zawierają 12-18% innych metali: ten rodzaj stali jest stosowany tylko w zastosowaniach specjalnych ze względu na wysoki koszt. Jednym przykładem stali wysokostopowej jest stal nierdzewna, która często zawiera chrom i niklu, ale może być również stopiony z różnymi innymi metalami. Stal nierdzewna jest bardzo mocna i bardzo odporna na korozję.

Większość żelaza produkowana jest z rud znalezionych w pobliżu powierzchni Ziemi.Nowoczesne techniki wydobywcze wykorzystują wielkie piece, które charakteryzują się wysokimi stosami (konstrukcje podobne do komina). Żelazo wlewa się do stosów wraz z koksem (węgiel bogaty w węgiel) i wapieniem (węglan wapnia). Obecnie ruda żelaza zwykle przechodzi proces spiekania przed wejściem na stos. Proces spiekania tworzy rudy o wielkości 10–25 mm, które następnie miesza się z koksem i wapieniem.

Spiekana ruda, koks i wapień są następnie wlewane do stosu, gdzie spala się w temperaturze 1800 stopni Celsjusza. Koks pali się jako źródło ciepła i wraz z tlenem wprowadzanym do pieca pomaga tworzyć gazowy tlenek węgla. Wapień miesza się z zanieczyszczeniami w żelazie, tworząc żużel. Żużel jest lżejszy niż ruda stopionego żelaza, więc unosi się na powierzchnię i można go łatwo usunąć. Gorące żelazo jest następnie wlewane do form w celu produkcji surówki lub bezpośrednio przygotowywane do produkcji stali.

Surówka nadal zawiera od 3,5% do 4,5% węgla,wraz z innymi zanieczyszczeniami, jest kruchy i trudny w obróbce. Różne procesy są stosowane w celu obniżenia zanieczyszczeń fosforem i siarką w surówce i produkcji żeliwa. Kute żelazo, które zawiera mniej niż 0,25% węgla, jest twarde, ciągliwe i łatwe do spawania, ale jest znacznie bardziej pracochłonne i kosztowne w produkcji niż stal niskowęglowa.

W 2010 r. Światowa produkcja rudy żelaza wyniosła około 2,4 miliarda ton. Chiny, największy producent, stanowiły około 37,5% całej produkcji, podczas gdy inne główne kraje produkujące to Australia, Brazylia, Indie i Rosja. US Geological Survey szacuje, że 95% całkowitego tonażu metalu produkowanego na świecie to żelazo lub stal.

Żelazo było kiedyś głównym materiałem konstrukcyjnym, ale od tego czasu zostało zastąpione stalą w większości zastosowań. Niemniej jednak żeliwo jest nadal stosowane w rurach i częściach samochodowych, takich jak głowice cylindrów, bloki cylindrów i skrzynki przekładniowe. Kute żelazo jest nadal używane do produkcji artykułów wyposażenia wnętrz, takich jak stojaki na wino, świeczniki i karnisze.