Метален профил: Свойства и характеристики на желязото

Употребата на желязо от хората датира от около 5000 години. Той е вторият най-разпространен метален елемент в земната кора и се използва предимно за производство стомана, един от най-важните структурни материали в света.

Преди да се задълбочим в историята и съвременните приложения за желязото, нека да прегледаме основите:

• Атомен символ: Fe
• Атомно число: 26
• Категория на елементите: Преходен метал
• Плътност: 7.874g / cm³
• Точка на топене: 1538 ° C 2800 ° F
• Точка на кипене: 2862 ° C 5182 ° F
• Твърдост на Мох: 4

Чистото желязо е метал със сребрист цвят, който добре провежда топлина и електричество. Желязото е твърде реактивно, за да съществува самостоятелно, така че се среща естествено в земната кора като железни руди, като хематит, магнетит и сидерит.

Една от отличителните характеристики на желязото е, че е силно магнитен. Изложено на силно магнитно поле, всяко парче желязо може да се намагнетизира. Учените смятат, че ядрото на Земята е изградено от около 90% желязо. Магнитната сила, произведена от това желязо, е това, което създава магнитния северен и южен полюс.

Вероятно първоначално желязото е открито и добивано в резултат на изгаряне на дървесина върху руди, съдържащи желязо.Въглеродът в дървесината би реагирал с кислорода в рудата, оставяйки след себе си мек, ковък железен метал. Топенето на желязо и използването на желязо за направата на инструменти и оръжия започва в Месопотамия (днешен Ирак) между 2700 и 3000 г. пр. Н. Е. През следващите 2000 години знанията за топене на желязо се разпространяват на изток в Европа и Африка през период, известен като желязната епоха.

От 17-ти век до откриването на ефективен метод за производство на стомана в средата на 19 век желязото все повече се използва като конструктивен материал за направа на кораби, мостове и сгради. Айфеловата кула, построена през 1889 г., е направена с използване на над 7 милиона килограма ковано желязо.

Най-проблемната характеристика на желязото е тенденцията му да образува ръжда. Ръждата (или железен оксид) е кафяво, ронливо съединение, което се получава, когато желязото е изложено на кислород. Съдържащият се във вода кислороден газ ускорява процеса на корозия. Скоростта на ръжда - колко бързо желязото се превръща в железен оксид - се определя от съдържанието на кислород във водата и повърхността на желязото. Солената вода съдържа повече кислород от сладководната вода, поради което солената вода ръжда желязо по-бързо от сладководната.

Ръждата може да бъде предотвратена чрез покриване на желязо с други метали, които са по-химически привлекателни за кислорода, като например цинк (процесът на покриване на желязо с цинк се нарича "поцинковане"). Най-ефективният метод за защита от ръжда обаче е използването на стомана.

Стоманата е ан сплав на желязо и различни други метали, които се използват за повишаване на свойствата (якост, устойчивост на корозия, толеранс на топлина и др.) на желязото. Промяната на вида и количеството на легираните с желязо елементи може да доведе до различни видове стомана.

Най-често срещаните стомани са:

• Въглеродни стомани, които съдържат между 0,5% и 1,5% въглерод: Това е най-разпространеният тип стомана, използван за автомобилни тела, корабни корпуси, ножове, машини и всички видове конструктивни опори.
• Нисколегирани стомани, които съдържат 1-5% други метали (често никел или волфрам): Никеловата стомана може да издържи на високи нива на напрежение и поради това често се използва при изграждането на мостове и за изработване на велосипедни вериги. Волфрамовите стомани поддържат формата и здравината си във високотемпературна среда и се използват при ударни, ротационни приложения, като свредла.
• Високолегирани стомани, които съдържат 12-18% други метали: Този вид стомана се използва само в специални приложения поради високата си цена. Един пример за високолегирана стомана е неръждаемата стомана, която често съдържа хром и никел, но той може да бъде легиран и с различни други метали. Неръждаемата стомана е много здрава и силно устойчива на корозия.

Повечето желязо се произвежда от руди, открити близо до земната повърхност.Съвременните техники за добив използват доменни пещи, които се характеризират с високите си купчини (конструкции, подобни на комина). Желязото се излива в купчините заедно с кокс (богати на въглерод въглища) и варовик (калциев карбонат). В наши дни желязната руда обикновено преминава през процес на синтероване преди да влезе в стека. Процесът на синтероване образува парчета руда, които са 10-25 мм, след което тези парчета се смесват с кокс и варовик.

След това спечената руда, кокс и варовик се изсипват в стека, където гори при 1800 градуса по Целзий. Коксът изгаря като източник на топлина и заедно с кислорода, който се изстрелва в пещта, помага за образуването на редуциращия газов въглероден окис. Варовикът се смесва с примеси в желязото, за да образува шлака. Шлаката е по-лека от разтопената желязна руда, така че се издига на повърхността и лесно може да бъде отстранена. След това горещото желязо се излива във форми за получаване на чугун или директно подготвено за производство на стомана.

Чугунът все още съдържа между 3,5% и 4,5% въглерод,заедно с други примеси и е крехко и трудно да се работи. Използват се различни процеси за понижаване на примесите на фосфор и сяра в чугун и производството на чугун. Кованото желязо, което съдържа по-малко от 0,25% въглерод, е трудно, ковко и лесно се заварява, но е много по-трудоемко и скъпо за производство от нисковъглеродна стомана.

През 2010 г. световното производство на желязна руда беше около 2,4 милиарда тона. Китай, най-големият производител, представляваше около 37,5% от цялото производство, докато други основни производители включват Австралия, Бразилия, Индия и Русия. Геоложкото проучване на САЩ изчислява, че 95% от целия метален тонаж, произведен в света, е или желязо, или стомана.

Някога желязото е било основният структурен материал, но оттогава е заменено от стомана в повечето приложения. Независимо от това, чугунът все още се използва в тръби и автомобилни части като глави на цилиндри, блокове на цилиндри и кутии за скоростна кутия. Ковано желязо все още се използва за производство на предмети за декор за дома, като стелажи за вино, държачи за свещи и завеси.