Metallprofil: järnegenskaper och egenskaper

Järnens användning av människor går tillbaka omkring 5000 år. Det är det näst mest omfattande metallelementet i jordskorpan och används främst för att tillverka stål, ett av de viktigaste strukturella materialen i världen.

Egenskaper

• Atomic Symbol: Fe
• Atomnummer: 26
• Element Kategori: Övergångsmetall
• Densitet: 7. 874g / cm ³
• Smältpunkt: 2800 ° F 1538 ° C)
• Kokpunkt: 5182 ° F (2862 ° C)
• Mohs hårdhet: 4

Egenskaper

Ren järn är en silverfärgad metall som utför värme och el väl.

Järn är för reaktivt för att existera ensam så det förekommer bara naturligt i jordskorpan som järnmalm, såsom hematit, magnetit och siderit.

En av järnens identifierande egenskaper är att den är starkt magnetisk. Utsatt för ett starkt magnetfält, kan någon järnstycke magnetiseras. Forskare tror att jordens kärna består av cirka 90% järn. Den magnetiska kraften som produceras av detta järn är det som skapar magnetiska nord- och sydpolerna.

Historia

Järn var sannolikt upptäckt och extraherat ursprungligen som en följd av vedbränning på toppen av järnhaltiga malmer. Kolet i träet skulle ha reagerat med syret i malmen, vilket lämnade en mjuk smältbar järnmetall. Järnsmältning och användning av järn för att göra verktyg och vapen började i Mesopotamien (dagens Irak) mellan 2700 och 3000 f.Kr. Under de närmaste 2000 åren spredde järnsmältningskunsten österut i Europa och Afrika under en period kallad järnåldern.

Från och med 1700-talet, tills en effektiv metod för att tillverka stål upptäcktes i mitten av 1800-talet, användes järn alltmer som ett strukturellt material för att skapa fartyg, broar och byggnader. Eiffeltornet, byggt 1889, gjordes med över 7 miljoner smide smidesjärn.

Rost

Järnens mest besvärliga egenskap är dess tendens att bilda rost.

Rost (eller järnoxid) är en brun, smulös förening som produceras när järn utsätts för syre. Syrehalten som finns i vatten ökar korrosionsprocessen. Rosthastigheten - hur snabbt järn blir till järnoxid - bestäms av syrehalten i vattnet och ytan på järnet. Saltvatten innehåller mer syre än färskvatten, vilket gör att saltvatten rostar järn snabbare än färskvatten.

Rost kan förebyggas genom att belägga järn med andra metaller som är kemiskt mer attraktiva för syre, såsom zink (processen för beläggning av järn med zink benämns "galvanisering"). Den mest effektiva metoden för att skydda mot rost är dock användningen av stål.

Stål

Stål är en legering av järn och olika andra metaller, som används för att förbättra egenskaperna (styrka, korrosionsbeständighet, värmeförhållande etc.) av järn. Byte av typ och mängd av elementen legerade med järn kan producera olika typer av stål.

De vanligaste stålarna är:

Kolstål, som innehåller mellan 0. 5-1. 5% kol. Dessa är de vanligaste stålarna och används för auto-kroppar, skrov, knivar, maskiner och alla typer av konstruktionsstöd.

1. Låglegerade stål, som innehåller mellan 1-5% andra metaller (ofta nickel eller volfram). Nickelstål kan klara höga spänningar och används sålunda ofta vid konstruktion av broar och för tillverkning av cykelkedjor. Tungsten stål håller sin form och styrka i hög temperatur miljöer och används i slag, roterande applikationer, såsom borrbitar.
2. Stål med hög legering, som innehåller 12-18% av andra metaller, används endast i specialtillämpningar på grund av deras höga kostnader. Ett exempel på ett höglegerat stål är rostfritt stål, som ofta innehåller krom och nickel, men kan även legeras med olika andra metaller. Rostfritt stål är mycket starkt och mycket korrosionsbeständigt.
3. Produktion

Det mesta järnet produceras från malmer som hittats nära jordens yta. Moderna utvinningstekniker använder masugnar, som kännetecknas av sina långa staplar (skorstenliknande strukturer). Järnet hälls i staplarna tillsammans med koks (kolrika kol) och kalksten (kalciumkarbonat). Numera går järnmalmen normalt igenom en sintringsprocess innan den går in i stapeln. Denna process bildar bitar av malm som ligger mellan 10-25 mm, vilka sedan blandas med koks och kalksten.

Den sintrade malmen, koks och kalksten hälls sedan i stapeln där det brinner vid temperaturer 1800 ° C. Koks brinner som en värmekälla och tillsammans med syre som skjuts in i ugnen bidrar till att bilda den reducerande kolmonoxiden. Kalkstenen blandas med föroreningar i järnet för att bilda slagg. Slaget är lättare än smält järnmalm, så det stiger till ytan och kan lätt avlägsnas. Det heta järnet hälls sedan i formar för att producera grisjärn eller direkt beredda för stålproduktion.

Grisjärn innehåller fortfarande mellan 3. 5-4. 5% kol, tillsammans med andra föroreningar, och är skört och svårt att arbeta med. Olika processer används för att sänka fosfor- och svavelföroreningarna i grisjärn för att producera gjutjärn. Smidesjärn, som innehåller mindre än 0. 25% kol, är hård, formbar och lättsvetsad, men är mycket mer krävande och dyr att producera än lågkolstål.

År 2010 var den globala järnmalmsproduktionen cirka 2,4 miljarder ton. Kina, den största producenten, svarade för 37. 5% av all produktion, medan andra stora tillverkande länder inkluderar Australien, Brasilien, Indien och Ryssland.

Tillämpningar

Järn var en gång det primära strukturmaterialet, men det har länge ersatts av stål i de flesta applikationer. Ändå används gjutjärn fortfarande i rör och för att göra fordonsdelar, såsom cylinderhuvuden, cylinderblock och växellådor. Smidesjärn används fortfarande för att tillverka hushållsartiklar, till exempel vinställ, ljushållare och gardinstänger.

Referenser

Street, Arthur. & Alexander, W. O. 1944.

Metaller i tjänsten av mannen . 11: e upplagan (1998). International Pig Iron Association.
Källa: www. pigiron. org. uk
USGS. Mineralvaror Sammanfattningar: Järn och stål (2011).
Källa: // mineraler. usgs. gov / mineraler / pubar / råvara / järn _ & _ stål