Metalni profil: Svojstva i karakteristike željeza

Upotreba željeza od ljudi datira oko 5000 godina. Drugi je najbrojniji metalni element u Zemljinoj kori i prvenstveno se koristi za proizvodnju željezo, jedan od najvažnijih građevinskih materijala na svijetu.

Prije nego što se previše udubimo u povijest i suvremeno korištenje željeza, razmotrimo osnove:

• Atomski simbol: Fe
• Atomski broj: 26
• Kategorija elemenata: Prijelazni metal
• Gustoća: 7.874g / cm³
• Talište: 1538 ° C
• Vrelište: 2862 ° F
• Mohova tvrdoća: 4

Čisto željezo je metal srebrne boje koji dobro provodi toplinu i električnu energiju. Željezo je previše reaktivno da bi postojalo samo tako da se prirodno pojavljuje u Zemljinoj kori kao željezne rude, poput hematita, magnetita i siderita.

Jedna od željeznih identifikacijskih karakteristika je da je snažno magnetski. Izložen jakom magnetskom polju, bilo koji komad željeza može se magnetizirati. Znanstvenici vjeruju da se jezgra Zemlje sastoji od oko 90% željeza. Magnetska sila koju proizvodi ovo željezo je ono što stvara magnetski sjeverni i južni pol.

Željezo je vjerojatno izvorno otkriveno i izvađeno kao rezultat spaljivanja drva na rudi koja sadrži željezo.Ugljik u drvu reagirao bi s kisikom u rudi, ostavljajući iza sebe mekanu, kovan željezo metal. Topljenje željeza i upotreba željeza za izradu alata i oružja započeli su u Mezopotamiji (današnji Irak) između 2700. i 3000. godine prije Krista. Tijekom sljedećih 2000 godina, znanje o topljenju željeza proširilo se na istok u Europu i Afriku tijekom razdoblja poznatog kao željezno doba.

Od 17. stoljeća, sve dok sredinom 19. stoljeća nije otkrivena učinkovita metoda proizvodnje čelika, željezo se sve više koristilo kao konstrukcijski materijal za izradu brodova, mostova i zgrada. Eiffelov toranj, izgrađen 1889. godine, izrađen je upotrebom više od 7 milijuna kilograma kovanog željeza.

Najviše problematična karakteristika željeza je njegova sklonost stvaranju hrđe. Rđa (ili željezni oksid) je smeđi, drobljivi spoj koji nastaje kada je željezo izloženo kisiku. Plin kisik koji se nalazi u vodi ubrzava proces korozija. Brzina hrđe - koliko brzo željezo pretvara u željezni oksid - određuje se sadržajem kisika u vodi i površinom željeza. Slana voda sadrži više kisika od slatke, zbog čega slana voda željezo brže troši od slatke.

Rasta se može spriječiti prevlačenjem željeza s drugim metalima koji su kemijski privlačniji kisiku, poput cinkov (postupak premazivanja željeza cinkom naziva se "pocinčavanjem"). Međutim, najučinkovitija metoda zaštite od hrđe je uporaba čelika.

Čelik je an legura željeza i raznih drugih metala koji se koriste za poboljšanje svojstava željeza (čvrstoće, otpornosti na koroziju, tolerancije topline itd.) željeza. Promjenom vrste i količine elemenata legiranih željezom mogu se dobiti različite vrste čelika.

Najčešći čelici su:

• Ugljični čelici, koji sadrže između 0,5% i 1,5% ugljika: Ovo je najčešća vrsta čelika, koja se koristi za auto-tijela, brodske trupe, noževe, strojeve i sve vrste konstrukcijskih potpora.
• Nisko legirani čelici, koji sadrže 1-5% ostalih metala (često nikl ili volfram): Nikalni čelik može podnijeti visoku razinu napetosti, pa se stoga često koristi u izgradnji mostova i za izradu lanaca za bicikle. Volframski čelici zadržavaju oblik i čvrstoću u okruženjima visokih temperatura, a koriste se u udarnim, okretnim primjenama, poput svrdla.
• Čelik od visokog legiranja, koji sadrže 12-18% ostalih metala: Ova vrsta čelika koristi se samo u specijalnim aplikacijama zbog svoje velike cijene. Jedan primjer visoko legiranog čelika je nehrđajući čelik, koji često sadrži krom i nikla, ali može se legirati i s raznim drugim metalima. Nehrđajući čelik je vrlo jak i vrlo otporan na koroziju.

Većina željeza proizvodi se iz ruda koje se nalaze u blizini Zemljine površine.U suvremenim tehnikama ekstrakcije koriste se visoke peći za koje je karakteristična njihova visoka hrpa (dimnjačke strukture). Željezo se ulijeva u hrpe zajedno s koksom (ugljikom bogatim ugljikom) i vapnencem (kalcijevim karbonatom). Danas željezna ruda normalno prolazi proces sinteriranja prije ulaska u gomilu. Proces sinteriranja formira komade rude koji su 10-25 mm i ti komadi se zatim miješaju s koksom i vapnencem.

Sinterirana ruda, koks i vapnenac izlivaju se u gomilu gdje gori na 1.800 Celzijevih stupnjeva. Koks sagorijeva kao izvor topline i zajedno s kisikom koji se upucava u peć pomaže stvaranju reducirajućeg plinovog ugljičnog monoksida. Vapnenac se miješa s nečistoćama u željezu i tvori šljaku. Šljaka je lakša od rastaljene željezne rude, pa se izdiže na površinu i lako se uklanja. Vruće željezo se zatim izlije u kalupe za dobivanje sirovog željeza ili izravno priprema za proizvodnju čelika.

Svinjsko željezo i dalje sadrži između 3,5% i 4,5% ugljika,zajedno s drugim nečistoćama, a krhka je i teško je raditi s njom. Različiti procesi koriste se za snižavanje nečistoća fosfora i sumpora u sirovom željezu i proizvodnji lijevanog željeza. Kovano željezo, koje sadrži manje od 0,25% ugljika, žilavo je, probirljivo i lako se zavari, ali mnogo je napornije i skuplje za proizvodnju od čelika s niskim udjelom ugljika.

U 2010. godini globalna proizvodnja željezne rude iznosila je oko 2,4 milijarde tona. Kina, najveći proizvođač, činila je oko 37,5% cjelokupne proizvodnje, dok ostale velike proizvođačke zemlje uključuju Australiju, Brazil, Indiju i Rusiju. Američki geološki pregled procjenjuje da je 95% sve proizvedene količine metala u svijetu ili željezo ili čelik.

Željezo je nekada bilo primarni građevinski materijal, ali otada ga je zamijenio čelik u većini primjena. Ipak, lijevano željezo i dalje se koristi u cijevima i automobilskim dijelovima poput glava cilindra, blokova cilindra i kućišta mjenjača. Kovano željezo i danas se koristi za izradu predmeta za uređenje doma, kao što su police za vino, držači za svijeće i šipke za zavjese.