Μεταλλικό προφίλ: Ιδιότητες και χαρακτηριστικά σιδήρου

Η χρήση σιδήρου από τον άνθρωπο χρονολογείται από περίπου 5.000 χρόνια. Είναι το δεύτερο πιο άφθονο μεταλλικό στοιχείο στη γήινη φλούδα και χρησιμοποιείται κυρίως για την παραγωγή ατσάλι, ένα από τα σημαντικότερα δομικά υλικά στον κόσμο.

Πριν προχωρήσουμε πολύ βαθιά στην ιστορία και τις σύγχρονες χρήσεις του σιδήρου, ας αναθεωρήσουμε τα βασικά:

• Ατομικό σύμβολο: Fe
• Ατομικός αριθμός: 26
• Κατηγορία στοιχείων: μεταβατικό μέταλλο
• Πυκνότητα: 7,874 g / cm³
• Σημείο τήξεως: 2800 ° F (1538 ° C)
• Σημείο ζέσεως: 5182 ° F (2862 ° C)
• Η σκληρότητα του Moh: 4

Ο καθαρός σίδηρος είναι ένα ασημένιο μέταλλο που παράγει θερμότητα και ηλεκτρική ενέργεια. Ο σίδηρος είναι πολύ δραστικός για να υπάρχει μόνος του, επομένως εμφανίζεται μόνο φυσικά στη γήινη φλούδα ως μεταλλεύματα σιδήρου, όπως αιματίτης, μαγνητίτης και siderite.

Ένα από τα χαρακτηριστικά αναγνώρισης του σιδήρου είναι ότι είναι έντονα μαγνητικός. Εκθέτοντας σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, κάθε κομμάτι σιδήρου μπορεί να μαγνητιστεί. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι ο πυρήνας της Γης αποτελείται από περίπου 90% σίδηρο. Η μαγνητική δύναμη που παράγεται από αυτό το σίδερο είναι αυτό που δημιουργεί τους μαγνητικούς βόρειους και νότιους πόλους.

Ο σίδηρος αρχικά ανακαλύφθηκε και εξήχθη ως αποτέλεσμα καύσης ξύλου πάνω από μεταλλεύματα που περιέχουν σίδηρο.Ο άνθρακας μέσα στο ξύλο θα είχε αντιδράσει με το οξυγόνο στο μετάλλευμα, αφήνοντας πίσω του ένα μαλακό, Ελατός σιδήρου μέταλλο. Η χυτοσίδηρωση και η χρήση σιδήρου για την κατασκευή εργαλείων και όπλων άρχισαν στη Μεσοποταμία (σημερινό Ιράκ) μεταξύ 2700 και 3000 π.Χ. Κατά τα επόμενα 2.000 χρόνια, η γνώση της τήξης σιδήρου εξαπλώθηκε ανατολικά στην Ευρώπη και την Αφρική κατά τη διάρκεια μιας εποχής γνωστής ως εποχή του σιδήρου.

Από τον 17ο αιώνα έως ότου ανακαλύφθηκε μια αποδοτική μέθοδος παραγωγής χάλυβα στα μέσα του 19ου αιώνα, ο σίδηρος χρησιμοποιείται ολοένα και περισσότερο ως δομικό υλικό για την κατασκευή πλοίων, γεφυρών και κτιρίων. Ο πύργος του Άιφελ, που κατασκευάστηκε το 1889, κατασκευάστηκε με πάνω από 7 εκατομμύρια κιλά σφυρήλατου σιδήρου.

Το πιο ενοχλητικό χαρακτηριστικό του σιδήρου είναι η τάση του να σχηματίζει σκουριά. Η σκουριά (ή το οξείδιο του σιδήρου) είναι μια καφέ, εύθρυπτη ένωση που παράγεται όταν ο σίδηρος εκτίθεται σε οξυγόνο. Το αέριο οξυγόνο που περιέχεται στο νερό επιταχύνει τη διαδικασία του διάβρωση. Ο ρυθμός σκουριάς - πόσο γρήγορα ο σίδηρος μετατρέπεται σε οξείδιο σιδήρου - καθορίζεται από την περιεκτικότητα σε οξυγόνο του νερού και την επιφάνεια του σιδήρου. Το αλατούχο νερό περιέχει περισσότερο οξυγόνο από το γλυκό νερό, γι '

Η σκουριά μπορεί να προληφθεί με την επικάλυψη του σιδήρου με άλλα μέταλλα που είναι πιο χημικά ελκυστικά για το οξυγόνο, όπως ψευδάργυρος (η διαδικασία επίστρωσης σιδήρου με ψευδάργυρο αναφέρεται ως "γαλβανισμό"). Ωστόσο, η πιο αποτελεσματική μέθοδος προστασίας από τη σκουριά είναι η χρήση χάλυβα.

Ο χάλυβας είναι ένα κράμα από σίδηρο και διάφορα άλλα μέταλλα, τα οποία χρησιμοποιούνται για τη βελτίωση των ιδιοτήτων (αντοχή, αντοχή στη διάβρωση, ανοχή θερμότητας κλπ.) από σίδηρο. Η αλλαγή του τύπου και της ποσότητας των στοιχείων που είναι κράματα σιδήρου μπορεί να παράγει διαφορετικούς τύπους χάλυβα.

Οι πιο συνηθισμένοι χάλυβες είναι:

• Χάλυβες άνθρακα, που περιέχουν μεταξύ του άνθρακα από 0,5% έως 1,5%: Αυτός είναι ο πιο συνηθισμένος τύπος χάλυβα που χρησιμοποιείται για σώματα αυτοκινήτων, κύτη πλοίων, μαχαίρια, μηχανήματα και όλους τους τύπους δομικών υποστηρίξεων.
• Χάλυβες χαμηλού κράματος, που περιέχουν 1-5% άλλα μέταλλα (συχνά νικέλιο ή βολφράμιο): Ο χάλυβας νικελίου μπορεί να αντέξει υψηλά επίπεδα έντασης και έτσι χρησιμοποιείται συχνά στην κατασκευή γέφυρων και για την κατασκευή αλυσίδων ποδηλάτων. Οι χάλυβες βολφραμίου διατηρούν το σχήμα και την αντοχή τους σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας και χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές με κρούση, περιστροφικές, όπως τρυπάνια.
• Χάλυβες υψηλής κραματοποίησης, που περιέχουν 12-18% άλλα μέταλλα: Αυτός ο τύπος χάλυβα χρησιμοποιείται μόνο σε εφαρμογές ειδικότητας λόγω του υψηλού του κόστους. Ένα παράδειγμα υψηλής ποιότητας κραματοποιημένου χάλυβα είναι ο ανοξείδωτος χάλυβας, ο οποίος συχνά περιέχει χρώμιο και το νικέλιο, αλλά μπορεί να είναι και κράμα με διάφορα άλλα μέταλλα επίσης. Ο ανοξείδωτος χάλυβας είναι πολύ ανθεκτικός και ιδιαίτερα ανθεκτικός στη διάβρωση.

Το μεγαλύτερο μέρος του σιδήρου παράγεται από μεταλλεύματα που βρίσκονται κοντά στην επιφάνεια της Γης.Οι σύγχρονες τεχνικές εξαγωγής χρησιμοποιούν υψικαμίνους, οι οποίες χαρακτηρίζονται από τις ψηλές στοίβες τους (δομές που μοιάζουν με καπνοδόχους). Ο σίδηρος χύνεται στις στοίβες μαζί με τον οπτάνθρακα (άνθρακας πλούσιος σε άνθρακα) και τον ασβεστόλιθο (ανθρακικό ασβέστιο). Σήμερα, το σιδηρομετάλλευμα διέρχεται συνήθως μια διαδικασία συσσωμάτωσης πριν εισέλθει στη στοίβα. Η διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης σχηματίζει κομμάτια μετάλλων που είναι 10-25 χιλιοστά, και αυτά τα κομμάτια στη συνέχεια αναμειγνύονται με οπτάνθρακα και ασβεστόλιθο.

Το συσσωματωμένο μεταλλεύμα, ο οπτάνθρακας και ο ασβεστόλιθος χύνεται έπειτα στη στοίβα όπου καίγεται στους 1800 βαθμούς Κελσίου. Ο οπτάνθρακας καίει ως πηγή θερμότητας και, μαζί με το οξυγόνο που εισέρχεται στον κλίβανο, βοηθά στο σχηματισμό του μονοξειδίου του άνθρακα του αναγωγικού αερίου. Ο ασβεστόλιθος αναμιγνύεται με ακαθαρσίες στο σίδηρο για σχηματισμό σκωρίας. Η σκωρία είναι ελαφρύτερη από το τετηγμένο σιδηρομετάλλευμα, έτσι ανυψώνεται στην επιφάνεια και μπορεί εύκολα να αφαιρεθεί. Ο καυτός σίδηρος χύνεται έπειτα σε καλούπια για την παραγωγή χυτοσιδήρου ή απευθείας παρασκευασμένο για παραγωγή χάλυβα.

Ο χυτοσίδηρος περιέχει ακόμα μεταξύ 3,5% και 4,5% άνθρακα,μαζί με άλλες ακαθαρσίες, και είναι εύθραυστο και δύσκολο να εργαστείς. Διάφορες μέθοδοι χρησιμοποιούνται για τη μείωση των προσμείξεων φωσφόρου και θείου στο χυτοσίδηρο και την παραγωγή χυτοσιδήρου. Ο σφυρηλατημένος σίδηρος, ο οποίος περιέχει λιγότερο από 0,25% άνθρακα, είναι σκληρός, εύκαμπτος και εύκολα συγκολλημένος, αλλά είναι πολύ πιο επίπονος και δαπανηρός να παράγει από χάλυβα χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα.

Το 2010, η παγκόσμια παραγωγή σιδηρομεταλλεύματος ήταν περίπου 2,4 δισεκατομμύρια τόνοι. Η Κίνα, ο μεγαλύτερος παραγωγός, αντιπροσώπευε περίπου το 37,5% της συνολικής παραγωγής, ενώ άλλες μεγάλες χώρες παραγωγής περιλαμβάνουν την Αυστραλία, τη Βραζιλία, την Ινδία και τη Ρωσία. Η Γεωλογική Έρευνα των Η.Π.Α εκτιμά ότι το 95% της συνολικής ποσότητας μετάλλων που παράγεται στον κόσμο είναι είτε σίδηρος είτε χάλυβας.

Ο σίδηρος ήταν κάποτε το κύριο δομικό υλικό, αλλά από τότε έχει αντικατασταθεί από χάλυβα στις περισσότερες εφαρμογές. Παρ 'όλα αυτά, ο χυτοσίδηρος εξακολουθεί να χρησιμοποιείται σε σωλήνες και εξαρτήματα αυτοκινήτου, όπως κυλινδροκεφαλές, κυλινδρικά κιβώτια και κιβώτια ταχυτήτων. Ο σφυρήλατος σίδηρος εξακολουθεί να χρησιμοποιείται για την παραγωγή ειδών οικιακής διακόσμησης, όπως ράφια κρασιού, κερί και κουρτινόξυλα.