Представьте себе величайшие сооружения XIX века - Эйфелеву башню, Капитолий, Статую Свободы - и вы подумаете о железе . Четвертый по частоте элемент в земной коре, железо широко используется уже около 6000 лет. Чрезвычайно универсальный и один из самых прочных и дешевых металлов , он стал важным строительным блоком промышленной революции, но он также является важным элементом в жизни растений и животных. В сочетании с различным (но крошечным) количеством углерода железо делает гораздо более прочный материал, называемый сталью , который используется в огромном количестве предметов, созданных человеком, от столовых приборов до военных кораблей , небоскребов и космических ракет. Давайте подробнее рассмотрим эти два превосходных материала и выясним, что делает их такими популярными!
На что похоже железо?
Вы можете думать о железе как о твердом, прочном металле, достаточно прочном, чтобы поддерживать мосты и здания , но это не чистое железо. У нас есть сплавы железа (железо в сочетании с углеродом и другими элементами), которые мы объясним более подробно чуть позже. Другое дело - чистое железо. Учитывайте его физические свойства (как он ведет себя сам по себе) и его химические свойства (как он сочетается и реагирует с другими элементами и соединениями).
Физические свойства
Чистое железо - это серебристо-белый металл, с которым легко работать и формировать, и он достаточно мягкий, чтобы его можно было разрезать (с некоторыми трудностями) ножом. Вы можете расколоть железо на листы и протянуть его в проволоку. Как и большинство металлов, железо очень хорошо проводит электричество и тепло и очень легко намагничивается .
Химические свойства
Причина, по которой мы так редко видим чистое железо, заключается в том, что оно легко соединяется с кислородом (из воздуха). Действительно, основным недостатком железа как строительного материала является то, что оно вступает в реакцию с влажным воздухом (в процессе, называемом коррозией ) с образованием чешуйчатого красновато-коричневого оксида, который мы называем ржавчиной . Железо реагирует и множеством других способов - с элементами от углерода, серы и кремния до галогенов, таких как хлор.
В целом, соединения железа можно разделить на две группы, известные как двухвалентное и трехвалентное (старые названия) или железо (II) и железо (III) ; в названиях соединений всегда можно заменить «железо (II)» на «железо» и «железо (III)» на «трехвалентное».
· В соединениях железа (II) железо имеет валентность (способность к химическому соединению) +2. Примеры включают оксид железа (II) (FeO), пигмент (красящий химикат); хлорид железа (II) (FeCl 2 ), применяемый в медицине как «настойка железа»; и важное химическое вещество для окрашивания, называемое сульфатом железа (II) (FeSO 4 ).
· В соединениях железа (III) валентность железа равна +3. Примеры включают оксид железа (III) (Fe 2 O 3 ), используемый в качестве магнитного материала в таких вещах, как кассеты и жесткие диски компьютеров, а также как пигмент краски ; и хлорид железа (III) (FeCl 3 ), используемый для производства многих промышленных химикатов.
· Иногда железо (II) и железо (III) присутствуют в одном и том же соединении. Пигмент краски, называемый берлинской лазурью, на самом деле представляет собой сложное соединение железа (II), железа (III) и цианида с химической формулой Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 .
Откуда железо?
Железо является четвертым по распространенности элементом в земной коре (после кислорода, кремния и алюминия ) и вторым по распространенности металлом (после алюминия), но, поскольку оно так легко реагирует с кислородом, его никогда не добывают в чистом виде (хотя метеориты могут быть изредка обнаруживают, что содержат образцы чистого железа). Как и алюминий, большая часть железа, «запертого» внутри Земли, существует в форме оксидов (соединений железа и кислорода). Оксиды железа существуют в семи основных рудах (сырые, каменистые минералы, добываемые с Земли):
· Гематит (самый обильный)
· Лимонит (также называемый коричневой рудой или болотным железом)
· Гетит
· Магнетит (черная руда; магнитный тип оксида железа, также называемый магнитом)
· Пирит
· Сидерит
· Таконит (сочетание гематита и магнетита).
Разные руды содержат разное количество железа. Гематит и магнетит содержат около 70 процентов железа, лимонит - около 60 процентов, пирит и сидерит - 50 процентов, а таконит - только 30 процентов. Используя сочетание как глубокой добычи (под землей), так и открытой разработки (на поверхности), мир ежегодно производит около 1000 миллионов тонн железной руды, причем Китай отвечает за чуть более половины этой добычи.
Виды железа
Чистое железо слишком мягкое и реактивное, чтобы его можно было найти в реальной жизни, поэтому большая часть «железа», которое мы обычно используем в повседневных целях, на самом деле находится в форме сплавов железа: железо, смешанное с другими элементами (особенно углеродом), чтобы сделать их прочнее более упругие формы металла, в том числе стали. Вообще говоря, сталь - это сплав железа, который содержит примерно до 2 процентов углерода, тогда как другие формы железа содержат примерно 2–4 процента углерода. Фактически, существуют тысячи различных видов железа и стали, каждая из которых содержит несколько разное количество других легирующих элементов.
Чугун
Основное сырое железо называется чугунной чушкой, потому что она производится в виде глыбовых формованных блоков. Чугун получают путем нагревания железной руды (богатой оксидом железа) в доменной печи: огромном промышленном камине в форме цилиндра, в который вводятся огромные потоки горячего воздуха. Доменные печи часто впечатляюще огромны: некоторые из них имеют высоту 30–60м , вмещают десятки грузовиков с сырьем и часто работают непрерывно годами без отключения и охлаждения. Внутри печи железная руда вступает в химическую реакцию с коксом (богатая углеродом форма угля) и известняком. Кокс «крадет» кислород у оксида железа (в химическом процессе, называемом восстановлением), оставляя после себя относительно чистое жидкое железо, в то время как известняк помогает удалить другие части каменистой руды (включая глину, песок и мелкие камни), которые образуют шлак . Железо, полученное в доменной печи, представляет собой сплав, содержащий около 90–95 процентов железа, 3–4 процента углерода и следы других элементов, таких как кремний, марганец и фосфор, в зависимости от используемой руды. Чугун намного тверже, чем 100-процентное чистое железо, но все же слишком слаб для большинства повседневных целей.
Чугун
Одно из самых известных железных зданий в мире, Капитолий в Вашингтоне, округ Колумбия, имеет купол, сделанный из 4 041 146 кг чугуна. Чугун - это просто жидкое железо, которое было отлито: вылито в форму, где ему дали остыть и затвердеть, чтобы сформировать законченную конструктивную форму, такую как труба, шестерня или большая балка для железного моста. Высокое содержание углерода в чугуне (как в чугуне - примерно 3–4 процента) делает его чрезвычайно твердым и хрупким: крупные кристаллы углерода, внедренные в чугун, не дают кристаллам железа двигаться. У чугуна есть два больших недостатка: во-первых, он твердый и хрупкий, его практически невозможно придать форму даже при нагревании; во-вторых, сравнительно легко ржавеет. Стоит отметить, что на самом деле существует несколько разных типов чугуна, в том числе белый и серый чугун (названный в честь цвета готового продукта, вызванного поведением углерода внутри него).
Кованое железо
Чугун принимает свою законченную форму в момент охлаждения жидкого сплава железа в кристаллизаторе. Кованое железо - это совершенно другой материал, получаемый путем смешивания жидкого железа со шлаком (оставшиеся отходы). В результате получается железный сплав с гораздо меньшим содержанием углерода. Кованое железо мягче, чем чугун, и намного менее жесткое, поэтому его можно относительно легко нагреть, чтобы придать ему форму, а также оно гораздо менее подвержено коррозии. Однако в настоящее время в промышленных масштабах производится относительно небольшое количество кованого железа, поскольку большая часть изделий, изначально изготовленных из него, теперь изготавливается из стали, которая дешевле и в целом более стабильного качества. Кованое железо - это то, что люди использовали, прежде чем они действительно освоили производство стали в больших количествах в середине 19 века.
Виды стали
Строго говоря, сталь - это просто еще один тип сплава железа, но он имеет гораздо более низкое содержание углерода, чем литое и кованое железо, а другие металлы часто добавляют для придания ему дополнительных свойств. Сталь - такой удивительно полезный материал, что мы склонны говорить о ней так, как если бы это был металл сам по себе - своего рода более гладкий, более современный «сын железа», который приобрел семейную фирму! Однако важно помнить две вещи. Во-первых, сталь по-прежнему в основном (и в подавляющем большинстве) производится из железа. Во-вторых, существуют буквально тысячи различных типов стали, многие из которых были специально разработаны учеными-материаловедами для выполнения определенной работы в очень сложных условиях. Когда мы говорим о «стали», мы обычно имеем в виду «сталь»; Вообще говоря, стали делятся на четыре группы: углеродистые стали, легированные стали, инструментальные стали и нержавеющие стали. Эти названия могут сбивать с толку, потому что все легированные стали содержат углерод (как и все другие стали), все углеродистые стали также являются сплавами, и как инструментальные стали, так и нержавеющие стали тоже являются сплавами.
Углеродистые стали
Подавляющее большинство стали, производимой каждый день (около 80–90 процентов), - это то, что мы называем углеродистой сталью, хотя она содержит лишь небольшое количество углерода - иногда намного меньше 1 процента. Другими словами, углеродистая сталь - это просто обычная сталь. Стали с содержанием углерода около 1-2% называются (что неудивительно) высокоуглеродистыми сталями и, как и чугун, имеют тенденцию быть твердыми и хрупкими; Стали с содержанием углерода менее 1% известны как низкоуглеродистые стали («мягкие стали») и, как и кованое железо, мягче и легче поддаются обработке. Огромный ассортимент различных предметов повседневного обихода изготавливается из углеродистой стали, от кузовов автомобилей и корпусов военных кораблей до стальных банок и деталей двигателей .
Легированные стали
Помимо железа и углерода, легированные стали содержат один или несколько других элементов, таких как хром, медь , марганец, никель, кремний или ванадий. В легированных сталях именно эти дополнительные элементы имеют значение и обеспечивают некоторые важные дополнительные свойства или улучшенные свойства по сравнению с обычными углеродистыми сталями. Легированные стали обычно прочнее, тверже, жестче и долговечнее углеродистой стали.
Инструментальные стали
Инструментальные стали - это особенно твердосплавные стали, используемые для изготовления инструментов, штампов и деталей машин. Они сделаны из железа и углерода с добавлением таких элементов, как никель, молибден или вольфрам, чтобы придать им дополнительную твердость и устойчивость к износу. Инструментальная сталь также упрочняется с помощью процесса, называемого отпуском , при котором сталь сначала нагревается до высокой температуры, затем очень быстро охлаждается, а затем снова нагревается до более низкой температуры.
Нержавеющая сталь
Сталь, которую вы, вероятно, видите чаще всего, это нержавеющая сталь, используемая в бытовых столовых приборах, ножницах и медицинских инструментах. Нержавеющие стали содержат большое количество хрома и никеля, очень устойчивы к коррозии и другим химическим реакциям, их легко чистить, полировать и стерилизовать. Они устойчивы к коррозии, потому что атомы хрома реагируют с кислородом в воздухе, образуя своего рода защитную внешнюю оболочку, которая не позволяет кислороду и воде атаковать уязвимые атомы железа внутри.
Производство стали
Производство стального изделия состоит из трех основных этапов. Сначала вы делаете сталь из железа. Во-вторых, вы обрабатываете сталь для улучшения ее свойств (например, путем отпуска или покрытия другим металлом). Наконец, вы прокатываете или иным образом формуете сталь в готовое изделие.
Изготовление стали из железа
Большая часть стали производится из чугуна (помните: это железный сплав, содержащий до 4 процентов углерода) с помощью одного из нескольких различных процессов, предназначенных для удаления части углерода и (необязательно) замены одного или нескольких других элементов. Три основных процесса выплавки стали:
· Базовый кислородный процесс : Сталь производится в гигантском контейнере в форме яйца, открытом сверху, называемом кислородной печью, которая похожа на обычную доменную печь, только она может вращаться в одну сторону, чтобы слить готовый металл. Тяга воздуха, используемая в доменной печи, заменяется впрыском чистого кислорода через трубу, называемую фурмой. Основная идея основана на Бессемеровском процессе, разработанном сэром Генри Бессемером в 1850-х годах.
· Мартеновский процесс (также называемый регенеративным открытым очагом): немного похож на гигантский камин, в котором чугун, стальной лом и железная руда сжигаются с известняком до тех пор, пока они не сливаются вместе. Добавляется больше передельного чугуна, нежелательный углерод соединяется с кислородом, примеси удаляются в виде шлака, и чугун превращается в расплавленную сталь. Квалифицированные рабочие отбирают сталь и продолжают процесс до тех пор, пока в чугуне не будет ровно то количество углерода, которое необходимо для производства стали определенного типа.
· Процесс в электропечи : обед не готовят на открытом огне, зачем делать сталь таким примитивным способом? Это идея, лежащая в основе электрической печи, которая использует электрические дуги (фактически гигантские искры) для плавления чугуна или стального лома. Поскольку они гораздо более управляемы, электрические печи обычно используются для производства легированных, углеродистых и инструментальных сталей с более высокими техническими характеристиками.
Производство стальных изделий
Жидкая сталь, полученная с помощью одного из этих процессов, разливается в огромные слитки, называемые слитками , каждый из которых весит от пары тонн (на типичных сталелитейных заводах) до сотен тонн (на действительно больших заводах, производящих гигантские стальные объекты). Слитки прокатываются и прессуются, чтобы сделать три типа основных стальных «строительных блоков», известных как блюмы (гигантские стержни с квадратными концами), слябы (блюмы с прямоугольными концами) и заготовки (более длинные, чем блюмы, но с меньшими квадратными концами).
Эти блоки затем формируются и обрабатываются для производства всех видов готовой стальной продукции. Основной процесс формования обычно включает в себя горячую прокатку (например, повторный нагрев заготовок с последующим их перекатыванием снова и снова, чтобы сделать их тоньше). Балки изготавливаются путем прокатки стали, а затем пропуска ее через штампы или фрезерные станки для изготовления таких вещей, как балки для зданий и железнодорожных путей. Ролики, расположенные очень близко друг к другу, можно использовать для прессования стали в очень тонкие листы. Трубы изготавливаются путем наматывания листов на круги, а затем прижимания двух кромок вместе, чтобы они сливались под давлением в месте соединения.
Профилированная сталь может обрабатываться различными способами. Например, «жестяные банки» для пищевых контейнеров (которые в основном состоят из стали) изготавливаются путем гальванического покрытия стальных листов расплавленным оловом с использованием процесса электролиза (обратного электрохимическому процессу, который происходит в батареях ). Сталь, которая должна быть особенно стойкой к атмосферным воздействиям, может быть оцинкована (погружена в горячую ванну с расплавленным цинком, чтобы получить общее защитное покрытие).
Почему один тип железа и стали тверже или мягче другого?
Во всем этом обсуждении железа и стали вы заметили, что разные типы ведут себя почти как совершенно разные материалы в разных условиях. Что отличает одну форму железа или стали от другой? Почему некоторые из них очень твердые и хрупкие, а другие относительно мягкие и податливые (с ними легко работать)? Изучите внутреннюю структуру железа или стали под электронным микроскопом. И вы увидите, что ответ в основном сводится к тому, сколько углерода содержит железо и как оно распределяется. Железо и сталь состоят из зерен различных видов железа и углерода, некоторые из которых твердые, а другие - мягкие. Когда преобладают более твердые виды, получается твердый и хрупкий материал; когда между ними есть более мягкие виды, материал может сгибаться и изгибаться, поэтому вам будет легче работать и формировать его.
Составы железа и стали включают некоторые или все из следующих:
· Феррит : относительно чистое железо с небольшим количеством углерода, мягкое и легко поддающееся обработке. Придает железу магнитные свойства.
· Цементит (карбид железа): железо с гораздо большим количеством углерода (а иногда и других элементов), очень твердое и хрупкое. По сути, ведет себя как керамический материал.
· Графит : чистые кристаллы углерода, которые делают сплавы железа твердыми и хрупкими.
· Перлит : смесь, состоящая из чередующихся слоев феррита и цементита, которая под микроскопом выглядит как перлит (отсюда и название «перлит»).
· Аустенит : сплав железа и углерода, присутствующий в стали, нагретой до высоких температур.
· Мартенсит : похож на феррит, но намного тверже.
Различные типы железа и стали содержат разное количество этих ингредиентов, расположенных в различных кристаллических структурах. Изготовление сплавов железа или стали тем или иным способом изменит относительное количество ингредиентов, изменив их свойства. Различные способы обработки стали после ее обработки изменяют ее физические свойства за счет изменения ее внутренней кристаллической структуры. Например, при термической обработке стали аустенит внутри нее превращается в мартенсит, что значительно усложняет ее внутреннюю структуру. Ударная обработка и прокатка стали разрушают кристаллы графита и других примесей, скрывающихся внутри, закрывают любые зазоры, которые могут привести к слабым местам, и обычно создают более правильную кристаллическую структуру.
Для чего используется сталь?
Сталь - один из самых универсальных материалов, который используется во всем: от реактивных двигателей до хирургических инструментов и от столовых ножей до станков. Большинство современных зданий поддерживаются стальным каркасом - секретной внутренней структурой, которая становится невидимой после завершения строительства. Основными потребителями стали являются строительная промышленность, автомобилестроение и судостроение, производители пищевых банок и производители электроприборов.
Краткая история железа и стали
· 4000 г. до н.э .: железо впервые стало использоваться для украшений и украшений, вероятно, на Ближнем Востоке.
· 2500 г. до н. Э.: Железо впервые в больших масштабах используется хеттами в регионе, который сейчас оккупирован Турцией и Сирией.
· 1200 г. до н. Э .: Разработано кованое железо (подобное стали).
· 1000 г. до н.э.: Начало железного века: железо широко используется для изготовления инструментов и оружия во многих частях мира.
· 200 г. до н. Э .: Чугунные изделия производятся в Китае.
· 300–400 гг. Н. Э .: Первые сталеплавильные печи, используемые в Африке, Индии и Китае.
· 500–1000 гг. Н. Э.: Кузнецы производят много важных изделий из железа, включая оружие, плуги и подковы.
· 700: в Испании разработана эффективная печь для производства чугуна, называемая каталонской кузницей.
· 1200–1500: становятся популярными доменные печи с водяным колесом.
· 1709: Авраам Дарби впервые использует кокс (разновидность угля) для производства чугуна в Коулбрукдейле в Шропшире в Мидлендсе Англии. Его внук, Авраам Дарби III, построил из чугуна знаменитый железный мост в месте, которое сейчас называется «Железный мост», которое широко считается сердцем английской промышленной революции.
· 1856: Генри Бессемер объявляет о своем изобретении конвертера Бессемера, кислородной печи, которая может превращать железо в сталь в очень больших промышленных количествах.
· 1861: братья Уильям и Фредерик Сименс разрабатывают мартеновскую печь.
· 1879: Уильям Сименс изобретает электрическую печь.
· 1954: Изобретен современный кислородный процесс.