Металлический профиль: свойства и характеристики железа

Использование железа людьми насчитывает около 5000 лет. Это второй по распространенности металлический элемент в земной коре и в основном используется для производства стали, один из самых важных конструкционных материалов в мире.

Прежде чем углубляться в историю и современное использование железа, давайте рассмотрим основы:

• Атомный символ: Fe
• Атомный номер: 26
• Элемент категории: переходный металл
• Плотность: 7,874 г / см³
• Температура плавления: 2800 ° F (1538 ° C)
• Точка кипения: 5182 ° F (2862 ° C)
• Твердость Мооса: 4

Чистое железо - это серебристый металл, который хорошо проводит тепло и электричество. Железо слишком реактивно, чтобы существовать в одиночку, поэтому оно встречается только в земной коре в виде железных руд, таких как гематит, магнетит и сидерит.

Одной из отличительных характеристик железа является то, что оно сильно магнитные. Под воздействием сильного магнитного поля любой кусок железа может быть намагничен. Ученые считают, что ядро ​​Земли на 90% состоит из железа. Магнитная сила, создаваемая этим железом, создает магнитный север и южный полюс.

Скорее всего, железо было первоначально обнаружено и добыто в результате сжигания древесины поверх железосодержащих руд.Углерод в древесине реагировал бы с кислородом в руде, оставляя после себя мягкий, податливый железный металл. Плавка железа и использование железа для изготовления инструментов и оружия начались в Месопотамии (современный Ирак) между 2700 и 3000 годами до нашей эры. В течение следующих 2000 лет знания о плавке железа распространились на восток в Европу и Африку в течение периода, известного как железный век.

С 17-го века, пока в середине 19-го века не был открыт 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.

Наиболее неприятной характеристикой железа является его склонность к образованию ржавчины. Ржавчина (или оксид железа) представляет собой коричневое рассыпчатое соединение, которое образуется, когда железо подвергается воздействию кислорода. Содержащийся в воде газообразный кислород ускоряет процесс коррозия. Скорость ржавчины - как быстро железо превращается в оксид железа - определяется содержанием кислорода в воде и площадью поверхности железа. Соленая вода содержит больше кислорода, чем пресная, поэтому соленая вода быстрее утолщает железо, чем пресная.

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

Сталь это сплав железа и различных других металлов, которые используются для улучшения свойств (прочности, устойчивости к коррозии, устойчивости к теплу и т. д.) железа. Изменение типа и количества элементов, легированных железом, может привести к образованию различных видов стали.

Наиболее распространенные стали:

• Углеродистые стали, которые содержат от 0,5% до 1,5% углерода: это наиболее распространенный тип стали, используемый для автомобильных кузовов, корпусов судов, ножей, механизмов и всех типов конструкционных опор.
• Низколегированные стали, которые содержат 1-5% других металлов (часто никель или вольфрама): Никелевая сталь может выдерживать высокие уровни напряжения и поэтому часто используется при строительстве мостов и для изготовления велосипедных цепей. Вольфрамовые стали сохраняют свою форму и прочность в высокотемпературных средах и используются в ударных, ротационных применениях, таких как сверла.
• Высоколегированные стали, которые содержат 12-18% других металлов: этот вид стали используется только в специальных применениях из-за его высокой стоимости. Одним из примеров высоколегированной стали является нержавеющая сталь, которая часто содержит хром и никель, но он также может быть легирован различными другими металлами. Нержавеющая сталь очень прочна и обладает высокой устойчивостью к коррозии.

Большая часть железа производится из руд, найденных у поверхности Земли.Современные методы извлечения используют доменные печи, которые характеризуются своими высокими штабелями (дымоходными структурами). Железо заливается в штабеля вместе с коксом (уголь с высоким содержанием углерода) и известняком (карбонат кальция). В настоящее время железная руда обычно проходит процесс спекания перед входом в стек. В процессе спекания образуются куски руды размером 10-25 мм, которые затем смешиваются с коксом и известняком.

Спеченная руда, кокс и известняк затем выливаются в штабель, где он горит при 1800 градусах Цельсия. Кокс сгорает как источник тепла и вместе с кислородом, который попадает в печь, способствует образованию окиси углерода в восстановительном газе. Известняк смешивается с примесями в железе с образованием шлака. Шлак легче расплавленной железной руды, поэтому поднимается на поверхность и легко удаляется. Затем горячий чугун разливают в формы для получения чугуна или непосредственно готовят для производства стали.

Чугун по-прежнему содержит от 3,5 до 4,5% углерода,наряду с другими примесями, и с ним хрупко и трудно работать. Различные способы используются для снижения содержания фосфора и серы в чугуне и получения чугуна. Кованое железо, содержащее менее 0,25% углерода, является прочным, податливым и легко сваривается, но его производство намного труднее и дороже, чем низкоуглеродистой стали.

В 2010 году мировое производство железной руды составило около 2,4 миллиарда тонн. На долю Китая, крупнейшего производителя, приходится около 37,5% всей продукции, в то время как другие крупные страны-производители включают Австралию, Бразилию, Индию и Россию. По оценкам Геологической службы США, 95% всего тоннажа металла, производимого в мире, приходится на железо или сталь.

Когда-то железо было основным конструкционным материалом, но с тех пор его заменили сталью в большинстве случаев. Тем не менее, чугун все еще используется в трубах и автомобильных деталях, таких как головки цилиндров, блоки цилиндров и коробки передач. Кованое железо по-прежнему используется для изготовления предметов домашнего декора, таких как винные стойки, подсвечники и карнизы.