Железо: металл №1

1. История производства железа
2. Роль железа
3. Сплавы железа
4. Легирование, цинкование и другие методики

Среди всех металлов именно железо занимает первое место и по частоте использования, и по времени начала производства, и по другим параметрам. Собственно, в некоторых случаях «железо» является синонимом самого понятия «металл» — пи причины такого смешения терминов вполне очевидны. Пожалуй, в последние годы только алюминий или сплавы на его основе приближаются к железу по частоте применения, но до полного замещения еще очень далеко.

О том, как начали использовать железо, и как оно используется сегодня — расскажем в нашем кратком обзоре.

История производства железа

В природе железо встречается в виде самых разных минералов, а основную массу составляют железные руды — гематит, магнетит, лимонит и др. Во всех этих рубах железо находится в окисленном состоянии, то есть для его использования  нужно сначала восстановить железо.

Однако железные орудия труда, которые по своим характеристикам превосходили медные и некоторые бронзовые изделия, начали производить до начала выплавки железа. Все дело в том, что в земной коре достаточно часто встречается чистое метеоритное железо — оно свободно от большинства примесей и может использоваться для изготовления оружия или инструментов с минимальной обработкой.

Но все же объемы метеоритного железа мизерны по сравнению с запасами железных руд, потому основную массу железных изделия начали производить только после освоения технологии выплавки чистого металла из руды. Технология плавления руды в сыродутных печах начала применяться в XII-XI веках до нашей эры в Индии  и на Кавказе, а затем постепенно распространялась в течение полутора тысячелетий.

Сыродутное производство железа из железных руд было основным способом получения этого металла в течение нескольких веков, и только с XIII века началось массовое использование печей нового типа — сначала штукофенов, затем блауофенов.  За счет более высокой температуры выход чистого железа повышался  — потому новые технологии быстро вытеснили домницы (сыродутные печи).

Далее стоит лишь перечислить основные вехи развития процесса выплавки железа:

• Примерно в XV веке в Европе начали массово использовать доменные печи.
• В следующем веке металлурги освоили так называемый предельный процесс (сначала выплавлялся чугун, а затем его пережигали в горнах для получения нужной стали).
• В 1856 году Генри Бессемер получил патент на технологию конвертерного производства стали (продувка воздуха сквозь жидкий чугун).
• В ХХ веке альтернативной конвертору служили мартеновские печи, но к кончу века на современных производствах их все же втеснили установки кислородно-конвертерного типа.
• К наиболее современным технология производства металла из руды относятся электрометаллургия и восстановление водородом.

Роль железа: от организма человека до промышленности

Железо — один из ключевых микроэлементов в организме человека. Оно входит в состав гемоглобина, который, в свою очередь, отвечает за транспортировку кислорода от легочных альвеол к органам и тканям. Кроме того, железо входит в состав некоторых ферментов, а его дефицит может стать причиной серьезных патологий (наиболее опасная — железодефицитная анемия).

Помимо важной роли, которую играют соединения железа в организме человека, этот металл также используется в промышленности. Железо — основа сталей, чугунов и других промышленных сплавов, кроме того:

• Магнитные окси железа используются при производстве электроники.
• Ферромагнитные характеристики железа позволяют применять его при производстве электродвигателей и трансформаторов.
• Тонкодисперсная окись железа используется в качестве одного из компонентов тонеров для лазерных принтеров.
• Для травления печатных плат используется хлорное железо.

• Железный купорос применяется в сельском хозяйстве в качестве бактерицидного и фунгицидного препарата.
• При промышленной очистке сточных вод в качестве коагулянтов используются растворы хлоридов железа.

Большую часть изделий производят сегодня по прокатной технологии. По форме выделяют такие разновидности металлопроката:

• Трубный.
• Листовой.
• Сортовой.
• Фасонный (изделия сложной формы).

Кроме того, в качестве полуфабрикатов могут производится слитки, слябы и другие изделия.

Сплавы железа

На основе железа производят два основных промышленных сплава:

• Сталь — от 0,6 до  2,14% углерода по массе. Наиболее востребованный сплав, обладающий высокими показателями прочности, гибкости и хорошо переносящий механические воздействия.
• Чугун — свыше 2,14% углерода. Отличается от стали значительном меньшей упругостью, потому хуже переносит механические точечные воздействия, может раскалываться или растрескиваться. Применяется для производства сантехнических труб и фитингов для инженерных сетей, для изготовления термостойкой посуды и других целей.

В составе стали и чугуна могут присутствовать и другие металлы (цинк, никель, хром), но массовая доля железа не должна быть ниже 45%.

Помимо стали и чугуна на основе железа производят и другие сплавы, которые отличаются уникальными комбинациями рабочих характеристик:

• Чугаль — жаростойкий чугун.
• Сормайт — сплав с высоким содержанием кремния, никеля и хрома, который используется для наплава на режущие кромки инструментов.
• Фехраль — сплав, содержащий железо, хором и алюминий, и обладающий максимальной термостойкостью (применяется для производства нагревательных элементов для промышленных установок).

Эти и другие сплавы на основе железа широко используются в промышленности, а перечень их постоянно растёт.

Легирование, цинкование и другие методики

В разных отраслях промышленности — от строительства до машиностроения — чаще всего используются стали. При этом, несмотря на хорошие механические показатели, у чистой стали (железо + углерод)  есть один существенный недостаток — склонность к окислению и коррозии. Чтобы избежать этого, сталь усовершенствуют либо подвергают противокоррозионной обработке:

• Легирование предполагает добавление в состав сплава различных металлов — хрома, никеля, меди, титана и др. Легированные стали делятся на несколько категорий (хромистые, хромоникелевые и т.д.) и отличаются как по стойкости к коррозии, так и по механическим показателям. Минусом легированных нержавеющих сталей является их достаточно высокая цена, потому используют такие материалы там, где критично важным будет сочетание максимальной прочности и высокой стойкости к коррозии.
• Долее дешевая альтернатива производству нержавеющей легированной стали — цинкование. Пи этом на поверхность стального проката в форме листа рулона или готового изделия наносят защитное покрытие на основе цинка. Цинкование может выполняться по горячей или холодной технологии, но в любом случае цинковое покрытие предотвращает развитие коррозии и окисление глубинных слоев металла при контакте с кислородом.

Конечно, все, упомянутое выше — лишь малая часть сведений о таком распространённом металле как железо. Но и этой информации достаточно чтобы оценить, насколько велика его роль в жизни человека, и насколько обширен промышленный потенциал.