פרופיל מתכת: ברזל

השימוש של ברזל על ידי בני אדם שתחילתה כ 5000 שנה. זהו אלמנט המתכת השני בשפע ביותר בקרום כדור הארץ, והוא משמש בעיקר לייצור פלדה , אחד החומרים המבניים החשובים ביותר בעולם.

נכסים

• סמל אטומי: Fe
• מספר אטומי: 26
• אלמנט קטגוריה: מתכת מעבר
• צפיפות: 7.874g / cm ³
• נקודת התכה: 2800 ° F (1538 ° C)
• נקודת רתיחה: 5182 ° F (2862 ° C)
• קשיותו של מוחמד: 4

מאפיינים

ברזל טהור הוא מתכת בצבע כסף שמנהלת חום וחשמל היטב.

הברזל הוא תגובתי מדי להתקיים לבד ולכן זה קורה רק בקרום כדור הארץ כמו עפרות ברזל, כגון hematite, magnetite, ו siderite.

אחד המאפיינים המזהים של הברזל הוא שהוא מגנטי מאוד. נחשף לשדה מגנטי חזק, כל פיסת ברזל יכול להיות ממוגנט. מדענים מאמינים כי הליבה של כדור הארץ מורכב כ -90% ברזל. הכוח המגנטי המיוצר על ידי ברזל זה הוא שיוצר את הקוטב הצפוני והדרומי המגנטי.

הִיסטוֹרִיָה

ברזל היה ככל הנראה התגלה במקור וחולצו כתוצאה של שריפת עצים על גבי עפרות המכילות ברזל. הפחמן בתוך העץ היה מגיב עם החמצן בתוך עפרות, משאיר מתכת ברזל רכה, חשמלית . הברזל ברזל השימוש בברזל כדי להפוך כלי ונשק החל מסופוטמיה (כיום עיראק) בין 2700 ו 3000 לפנה"ס. במהלך 2000 השנים הבאות, התפשטות הידע על הברזל מזרחה לתוך אירופה ואפריקה בתקופה המכונה תקופת הברזל.

החל מהמאה ה -17, עד ששיטה יעילה לייצור פלדה התגלתה באמצע המאה ה -19, נעשה שימוש יותר ויותר בחומר מבנית לייצור ספינות, גשרים ומבנים. מגדל אייפל, שנבנה בשנת 1889, נעשה שימוש מעל 7 מיליון ק"ג של ברזל יצוק.

חֲלוּדָה

המאפיין הבעייתי ביותר של הברזל הוא נטייתו ליצור חלודה.

חלודה (או תחמוצת Ferric) הוא תרכובת חומה ומתפוררת המיוצרת כאשר ברזל חשוף לחמצן. גז החמצן הכלול במהירויות מים את תהליך קורוזיה . שיעור החלודה - כמה מהר ברזל הופך תחמוצת Ferric - נקבע על ידי תכולת החמצן של המים ואת פני השטח של הברזל. מי מלח מכילים יותר חמצן מאשר מים מתוקים, ולכן מים חלודה מים ברזל מהר יותר מאשר מים מתוקים.

חלודה ניתן למנוע על ידי ציפוי ברזל עם מתכות אחרות כימית יותר אטרקטיבי לחמצן, כגון אבץ (תהליך של ציפוי ברזל עם אבץ המכונה " גלוון "). עם זאת, השיטה היעילה ביותר של הגנה מפני חלודה היא השימוש של פלדה.

פְּלָדָה

פלדה היא סגסוגת של ברזל ומתכות שונות אחרות, אשר משמשים כדי לשפר את המאפיינים (כוח, עמידות בפני קורוזיה, סובלנות של חום וכו ') של ברזל. שינוי סוג וכמות של אלמנטים alloyed עם ברזל יכול לייצר סוגים שונים של פלדה.

הפלדות הנפוצות ביותר הן:

1. פחמן פלדות, אשר מכילים בין 0.5-1.5% פחמן. אלה הפלדות הנפוצות ביותר משמשים עבור גופים אוטומטי, ספינות הספינה, סכינים, מכונות וכל סוגי תמיכה מבנית.
2. פלדות סגסוגת נמוכה, אשר מכילים 1-5% מתכות אחרות (לעתים קרובות ניקל או טונגסטן ). ניקל פלדה הוא מסוגל לעמוד ברמות גבוהות של מתח, ולכן, משמש לעתים קרובות בבניית גשרים ועשיית שרשראות אופניים. פלדות טונגסטן לשמור על הצורה שלהם ואת הכוח בסביבות טמפרטורה גבוהה והם משמשים השפעה, יישומים סיבוביים, כגון מקדחות סיביות.

1. פלדות סגסוגת גבוהה, אשר מכילים 12-18% של מתכות אחרות משמשים רק יישומים מיוחדים בשל העלות הגבוהה שלהם. דוגמה אחת של סגסוגת גבוהה פלדה הוא נירוסטה, אשר לעתים קרובות מכיל כרום וניקל, אבל יכול להיות alloyed עם מתכות אחרות גם כן. נירוסטה הוא חזק מאוד עמיד מאוד בפני קורוזיה.

הפקה

רוב ברזל מיוצר עפרות נמצא ליד פני כדור הארץ. טכניקות מיצוי מודרניות להשתמש תנורים הפיצוץ, אשר מאופיינים ערימות גבוהות שלהם (מבנים דמויי ארובה). הברזל הוא שפך לתוך ערימות יחד עם קוקה קולה (פחמן עשיר פחם) ואבן גיר (סידן פחמתי). כיום, עפרות ברזל בדרך כלל עובר תהליך של sintering לפני הכניסה לערימה. תהליך זה יוצר חתיכות של עפרות כי הם בין 10-25mm, אשר מעורבבים אז עם קוקה קולה אבן גיר.

עפרות sintered, קוקה קולה ואבן גיר הם מכן שפכו לתוך מחסנית איפה זה שורף בטמפרטורות של 1800 מעלות צלזיוס. קולה נשרף כמקור חום, יחד עם חמצן כי הוא ירה לתוך הכבשן, עוזר ליצור את הפחתת גז חד חמצני חד חמצני. אבן גיר מתערבב עם זיהומים בברזל כדי ליצור סיגים. סלאג הוא קל יותר מאשר עפרות ברזל מותכת, כך הוא עולה אל פני השטח ניתן בקלות להסיר. ברזל חם הוא שפך מכן לתוך תבניות לייצר ברזל חזיר או מוכן ישירות לייצור פלדה.

ברזל חזיר עדיין מכיל בין 3.5-4.5% פחמן, יחד עם זיהומים אחרים, והוא שביר וקשה לעבוד איתו. תהליכים שונים משמשים כדי להקטין את הזרחן ואת זיהומים גופרית ברזל חזיר כדי לייצר ברזל יצוק. ברזל יצוק, המכיל פחות מ 0.25% פחמן, הוא קשה, חשיל בקלות מרותך, אבל הוא הרבה יותר מייגע ויקר לייצר מאשר פלדה פחמן נמוכה.

בשנת 2010, ייצור עפרות ברזל בעולם היה סביב 2.4 מיליארד טון. סין, המפיקה הגדולה ביותר, היווה כ - 37.5% מכלל הייצור, בעוד שאר המדינות המפיקות הגדולות הן אוסטרליה, ברזיל, הודו ורוסיה.

יישומים

ברזל היה פעם החומר המבני העיקרי, אבל זה כבר זמן רב הוחלף על ידי פלדה ברוב היישומים. עם זאת, ברזל יצוק משמש עדיין צינורות כדי להפוך חלקי רכב, כגון ראשי צילינדרים, בלוקים צילינדרים תיבת הילוכים. ברזל יצוק הוא עדיין משמש לייצור פריטים תפאורה הביתה, כגון מתלים יין, פמוטים, מוטות וילון.

הפניות

רחוב, ארתור. אלכסנדר, 1944. מתכות בשירות האדם . מהדורה 11 (1998).
איגוד חזיר הברזל הבינלאומי.
מקור: www.pigiron.org.uk
USGS. סיכומי סחורות מינרליים: ברזל ופלדה (2011).
מקור: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/iron_&_steel