Kovinski profil: lastnosti in značilnosti železa

Uporaba železa pri ljudeh sega približno 5 000 let. Je drugi najpogostejši kovinski element v Zemljini skorji in se uporablja predvsem za pridobivanje jeklo, eden najpomembnejših strukturnih materialov na svetu.

Preden se poglabljamo v zgodovino in sodobne načine uporabe železa, preglejmo osnove:

• Atomski simbol: Fe
• Atomska številka: 26
• Kategorija elementov: Prehodna kovina
• Gostota: 7.874g / cm³
• Tališče: 1538 ° C
• Vrelišče: 2862 ° F
• Mohova trdota: 4

Čisto železo je kovina srebrne barve, ki dobro vodi toploto in elektriko. Železo je preveč reaktivno, da bi obstajalo samo, zato se v Zemljini skorji pojavlja le naravno kot železove rude, kot so hematit, magnetit in siderit.

Ena od prepoznavnih značilnosti železa je, da je močno magnetno. Izpostavljeni močnemu magnetnemu polju lahko poljuben košček železa namagnetemo. Znanstveniki verjamejo, da je jedro Zemlje sestavljeno iz približno 90% železa. Magnetna sila tega železa ustvarja magnetni severni in južni pol.

Železo je bilo verjetno prvotno odkrito in pridobljeno zaradi gorenja lesa na rudah, ki vsebujejo železo.

Od 17. stoletja, dokler sredi 19. stoletja niso odkrili učinkovite metode za proizvodnjo jekla, se je železo vse pogosteje uporabljalo kot konstrukcijski material za izdelavo ladij, mostov in zgradb. Eifflov stolp, zgrajen leta 1889, je bil izdelan iz več kot 7 milijonov kilogramov kovanega železa.

Najbolj težavna značilnost železa je njegova nagnjenost k nastanku rje. Rasta (ali železov oksid) je rjava, drobljiva spojina, ki nastane, ko je železo izpostavljeno kisiku. Plin kisik, ki ga vsebuje voda, pospeši proces korozija. Hitrost rje - kako hitro se železo spremeni v železov oksid - je določena z vsebnostjo kisika v vodi in površino železa. Slana voda vsebuje več kisika kot sladka voda, zato slana voda ruši železo hitreje kot sladka voda.

Rustjo lahko preprečimo s prevleko železa z drugimi kovinami, ki so bolj kemično privlačne za kisik, kot je npr cink (postopek prevleke železa s cinkom imenujemo "pocinkanje"). Vendar pa je najučinkovitejša metoda zaščite pred rjo uporaba jekla.

Jeklo je zlitina železa in različnih drugih kovin, ki se uporabljajo za izboljšanje lastnosti (trdnost, odpornost proti koroziji, toleranco toplote itd.) železa. Če spremenite vrsto in količino elementov, legiranih z železom, lahko pride do različnih vrst jekla.

Najpogostejša jekla so:

• Ogljikova jekla, ki vsebujejo med 0,5% in 1,5% ogljika: To je najpogostejša vrsta jekla, ki se uporablja za avtomobilska telesa, ladijske trupe, nože, stroje in vse vrste konstrukcijskih nosilcev.
• Nizkolegirana jekla, ki vsebujejo 1-5% drugih kovin (pogosto niklja ali volfram): Nikelj jeklo lahko prenese visoke napetosti in se zato pogosto uporablja pri gradnji mostov in izdelavi kolesarskih verig. Volframovo jeklo ohranja svojo obliko in trdnost v visokotemperaturnih okoljih in jih uporabljamo pri udarnih, vrtljivih aplikacijah, kot so svedri.
• Visoko legirana jekla, ki vsebujejo 12-18% drugih kovin: Tovrstno jeklo se zaradi visokih stroškov uporablja samo za posebne namene. En primer visoko legiranega jekla je nerjavno jeklo, ki ga pogosto vsebuje krom in niklja, vendar ga je mogoče legirati tudi z različnimi drugimi kovinami. Nerjaveče jeklo je zelo močno in zelo odporno proti koroziji.

Večina železa se pridobiva iz rud, ki jih najdemo v bližini Zemljinega površja.Sodobne tehnike ekstrakcije uporabljajo plavže, za katere so značilni njihovi visoki staleži (dimniške strukture). Železo se vlije v gomile skupaj s koksom (premog, bogat z ogljikom) in apnencem (kalcijev karbonat). Danes je železova ruda običajno v postopku sintranja, preden vstopi v kup. Postopek sintranja tvori koščke rude, ki so 10–25 mm, ti kosi pa se pomešajo s koksom in apnencem.

Sintrana ruda, koks in apnenec se nato vlijejo v kup, kjer gori na 1.800 stopinj Celzija. Koks gori kot vir toplote in skupaj s kisikom, ki ga strelja v peč, pomaga tvoriti reducirajoči ogljikov monoksid. Apnenec se zmeša z nečistočami v železu, da nastane žlindra. Žlindra je lažja od staljene železove rude, zato se dvigne na površino in jo je mogoče enostavno odstraniti. Vroče železo nato vlijemo v kalupe za proizvodnjo surovega železa ali neposredno pripravljeno za proizvodnjo jekla.

Surovo železo še vedno vsebuje med 3,5% in 4,5% ogljika,skupaj z drugimi nečistočami in je krhko in težko delati. Za zniževanje nečistoč fosforja in žvepla v surovem železu in pridobivanje litega železa se uporabljajo različni postopki. Kovano železo, ki vsebuje manj kot 0,25% ogljika, je žilavo, prebavljivo in zlahka zvarjeno, vendar je veliko bolj naporno in drago izdelati kot jeklo z nizkim ogljikom.

Leta 2010 je svetovna proizvodnja železove rude znašala približno 2,4 milijarde ton. Kitajska, največji proizvajalec, je predstavljala približno 37,5% vse proizvodnje, druge večje države proizvajalke pa Avstralija, Brazilija, Indija in Rusija. Ameriški geološki pregled ocenjuje, da je 95% vseh količin kovin na svetu proizvedenih železa ali jekla.

Nekoč je bilo železo primarni konstrukcijski material, vendar ga je od takrat v večini primerov zamenjalo jeklo. Kljub temu se litega železa še vedno uporablja v ceveh in avtomobilskih delih, kot so glave cilindrov, blok cilindrov in ohišja menjalnika. Kovano železo se še vedno uporablja za izdelavo predmetov za notranjo opremo, kot so stojala za vino, svečniki in zavese.