Металлический профиль: Железо

Металлический профиль: Железо

Железо

Использование железа у людей насчитывает около 5000 лет. Это второй наиболее распространенный металлический элемент в земной коре и в основном используется для производства стали, одного из важнейших конструкционных материалов в мире.

Свойства

  • Атомный символ: Fe
  • Атомный номер: 26
  • Элемент Категория: Переходный металл
  • Плотность: 7,887 г / см3
  • Точка плавления: 2800 ° F (1538 ° C)
  • Точка кипения: 5182 ° F (2862 ° C)
  • Твердость Моха: 4

Характеристики

Чистое железо — серебристый металл, хорошо проводящий тепло и электричество.

Железо слишком реакционноспособно существовать в одиночку, поэтому оно естественным образом встречается в земной коре как железные руды, такие как гематит, магнетит и сидерит.

Одна из характеристик идентификации железа заключается в том, что она сильно магнитная. Под воздействием сильного магнитного поля можно намагнитить любой кусок железа. Ученые полагают, что ядро Земли состоит из около 90% железа. Магнитная сила, создаваемая этим железом, создает магнитные полюса Северного и Южного полюсов.

История

Железо, вероятно, первоначально было обнаружено и извлечено в результате сжигания древесины поверх железосодержащих руд. Углерод в древесине реагировал бы с кислородом в руде, оставляя мягкий, ковкий металлический металл. Железная плавка и использование железа для изготовления инструментов и оружия начались в Месопотамии (нынешний Ирак) между 2700 и 3000 годами до нашей эры. В течение следующих 2000 лет знания о плавке железа распространялись на восток в Европу и Африку в течение периода, известного как Железный век.

С 17-го века до тех пор, пока в середине 19-го века не был обнаружен эффективный метод производства стали, железо все чаще использовалось в качестве конструкционного материала для изготовления кораблей, мостов и зданий. Эйфелева башня, построенная в 1889 году, была изготовлена с использованием более 7 миллионов килограммов кованого железа.

Ржавчина

Наиболее неприятной особенностью железа является его склонность к образованию ржавчины.

Ржавчина (или оксид железа) представляет собой коричневое, рассыпчатое соединение, которое образуется, когда железо подвергается воздействию кислорода. Газ кислорода, который содержится в воде, ускоряет процесс коррозии. Скорость ржавчины — как быстро железа превращается в оксид трехвалентного железа — определяется содержанием кислорода в воде и площадью поверхности железа. Соленая вода содержит больше кислорода, чем пресная вода, поэтому соленая вода ржавеет железо быстрее, чем пресная вода.

Ржавчина может быть предотвращена путем покрытия железа другими металлами, химически более привлекательными для кислорода, такими как цинк (процесс покрытия железа цинком называется «цинкование»). Однако наиболее эффективным способом защиты от ржавчины является использование стали.

Стали

Сталь представляет собой сплав железа и других металлов, которые используются для повышения свойств (прочность, стойкость к коррозии, устойчивость к теплу и т. Д.) Железа. Изменение типа и количества элементов, легированных железом, может производить различные виды стали.

Наиболее распространенные стали:

Углеродистые стали, содержащие от 0,5 до 1,5% углерода. Это наиболее распространенные стали и используются для автомобильных кузовов, корпусов судов, ножей, машин и всех типов конструкционных опор.
Низколегированные стали, содержащие от 1 до 5% других металлов (часто никель или вольфрам). Никелевая сталь способна выдерживать высокие уровни натяжения и, таким образом, часто используется при строительстве мостов и для изготовления велосипедных цепей. Вольфрамовые стали сохраняют свою форму и прочность в высокотемпературных средах и используются в ударных, вращательных применениях, таких как сверла.

Высоколегированные стали, которые содержат 12-18% других металлов, используются только в специальных приложениях из-за их высокой стоимости. Одним из примеров высоколегированной стали является нержавеющая сталь, которая часто содержит хром и никель, но может быть также легирована различными другими металлами. Нержавеющая сталь очень прочная и стойкая к коррозии.

Производство

Большинство железа производится из руд, обнаруженных вблизи земной поверхности. Современные методы извлечения используют доменные печи, которые характеризуются высокими стеками (дымоподобные структуры). Железо выливается в стопки вместе с коксами (угольный уголь) и известняком (карбонат кальция). В настоящее время железная руда обычно проходит процесс спекания перед поступлением в стек. Этот процесс образует куски руды, которые находятся между 10-25 мм, которые затем смешиваются с коксами и известняком.

Затем спеченная руда, кокс и известняк выливаются в стек, где горит при температуре 1800 ° C. Кокс горит как источник тепла и вместе с кислородом, который попадает в печь, помогает образовать окиси углерода восстановительного газа. Известняк смешивается с примесями в железе с образованием шлака. Шлак легче, чем расплавленная железная руда, поэтому он поднимается на поверхность и легко удаляется. Горячее железо затем выливают в формы для производства чугуна или непосредственно для производства стали.

Железо по-прежнему содержит от 3,5 до 4,5% углерода наряду с другими примесями и является хрупким и трудным для работы. Различные способы используются для снижения содержания примесей фосфора и серы в чугуне с целью получения чугуна. Кованое железо, содержащее менее 0,25% углерода, является жестким, ковким и легко сварным, но гораздо более трудоемким и дорогостоящим, чем низкоуглеродистая сталь.

В 2010 году мировое производство железной руды составило около 2,4 млрд. Тонн. На долю Китая, крупнейшего производителя, приходилось около 37,5% всей продукции, в то время как в другие крупные страны-производители входят Австралия, Бразилия, Индия и Россия.

Приложения

Железо когда-то было основным конструкционным материалом, но в большинстве случаев оно уже давно заменено сталью. Тем не менее, чугун все еще используется в трубах и изготавливает автомобильные детали, такие как головки цилиндров, блоки цилиндров и коробки передач. Кованое железо по-прежнему используется для производства предметов домашнего декора, таких как винные шкафы, подсвечники и карнизы.