Залізо: метал №1
Серед всіх металів саме залізо займає перше місце і по частоті використання, і за часом початку виробництва, і за іншими параметрами. Власне, в деяких випадках «залізо» є синонімом поняття «метал» – і причини такого змішування термінів цілком очевидні. Мабуть, в останні роки тільки алюміній або сплави на його основі наближаються до заліза по частоті застосування, але до повного заміщення ще дуже далеко.
Про те, як почали використовувати залізо, і як воно використовується сьогодні – розповімо в нашому короткому огляді.
Історія виробництва заліза
У природі залізо зустрічається у вигляді самих різних мінералів, а основну масу становлять залізні руди – гематит, магнетит, лимони та ін. У всіх цих рудах залізо знаходиться в окисленому стані, тобто для його використання потрібно спочатку відновити залізо.
Однак залізні знаряддя праці, які за своїми характеристиками перевершували мідні і деякі бронзові вироби, почали виробляти до початку виплавки заліза. Вся справа в тому, що в земній корі досить часто зустрічається чисте метеоритне залізо – воно вільно від більшості домішок і може використовуватися для виготовлення зброї або інструментів з мінімальною обробкою.
Але все ж обсяги метеоритного заліза мізерні порівняно з запасами залізних руд, тому основну масу залізних виробів почали виробляти тільки після освоєння технології виплавки чистого металу з руди. Технологія плавлення руди в сиродутних печах почала застосовуватися в XII-XI століттях до нашої ери в Індії і на Кавказі, а потім поступово поширювалася протягом півтора тисячоліть.
Сиродутне виробництво заліза із залізних руд було основним способом отримання цього металу протягом декількох століть, і тільки з XIII століття почалося масове використання печей нового типу – спочатку штукофенов, потім блауофенов. За рахунок більш високої температури вихід чистого заліза підвищувався – тому нові технології швидко витіснили домниці (сиродутні печі).
Далі варто лише перелічити основні віхи розвитку процесу виплавки заліза:
- Приблизно в XV столітті в Європі почали масово використовувати доменні печі.
- У наступному столітті металурги освоїли так званий граничний процес (спочатку виплавлявся чавун, а потім його перепалювали в горнах для отримання потрібної стали).
- У 1856 році Генрі Бессемер отримав патент на технологію конвертерного виробництва сталі (продування повітря крізь рідкий чавун).
- У ХХ столітті альтернативної конвертору служили мартенівські печі, але до кінця століття на сучасних виробництвах їх все ж витіснили установки киснево-конвертерного типу.
- До найбільш сучасних технологій виробництва металу з руди відносяться електрометалургія і відновлення воднем.
Роль заліза: від організму людини до промисловості
Залізо – один з ключових мікроелементів в організмі людини. Воно входить до складу гемоглобіну, який, в свою чергу, відповідає за транспортування кисню від легеневих альвеол до органів і тканин. Крім того, залізо входить до складу деяких ферментів, а його дефіцит може стати причиною серйозних патологій (найбільш небезпечна – залізодефіцитна анемія).
Крім важливої ролі, яку відіграють сполуки заліза в організмі людини, цей метал також використовується в промисловості. Залізо – основа сталей, чавунів і інших промислових сплавів, крім того:
- Магнітні окси заліза використовуються при виробництві електроніки.
- Феромагнітні властивості заліза дозволяють застосовувати його при виробництві електродвигунів і трансформаторів.
- Тонкодисперсная окис заліза використовується в якості одного з компонентів тонерів для лазерних принтерів.
- Для травлення друкованих плат використовується хлорне залізо.
- Залізний купорос застосовується в сільському господарстві в якості бактерицидного і фунгіцидного препарату.
- При промисловому очищенні стічних вод в якості коагулянтів використовуються розчини хлоридів заліза.
Більшу частину виробів виробляють сьогодні по прокатній технології. За формою виділяють такі різновиди металопрокату:
- Трубний.
- Листовий.
- Сортовий.
- Фасонний (вироби складної форми).
Крім того, в якості напівфабрикатів можуть проводиться злитки, сляби і інші вироби.
Сплави заліза
На основі заліза виробляють два основні промислові сплави:
- Сталь – від 0,6 до 2,14% вуглецю по масі. Найбільш затребуваний сплав, що володіє високими показниками міцності, гнучкості і добре переносить механічні дії.
- Чавун – понад 2,14% вуглецю. Відрізняється від сталі значно меншою пружністю, тому гірше переносить механічні точкові впливу, може розколюватися або розтріскуватися. Застосовується для виробництва сантехнічних труб і фітингів для інженерних мереж, для виготовлення термостійкого посуду та інших цілей.
У складі сталі і чавуну можуть бути присутні й інші метали (цинк, нікель, хром), але масова частка заліза не повинна бути нижче 45%.
Крім сталі і чавуну на основі заліза виробляють і інші сплави, які відрізняються унікальними комбінаціями робочих характеристик:
- Чугаль – жаростійкий чавун.
- Сормайт – сплав з високим вмістом кремнію, нікелю і хрому, який використовується для наплава на ріжучі кромки інструментів.
- Фехраль – сплав, який містить залізо, хром і алюміній, і що володіє максимальною термостійкістю (застосовується для виробництва нагрівальних елементів для промислових установок).
Ці та інші сплави на основі заліза широко використовуються в промисловості, а перелік їх постійно зростає.
Легування, цинкування та інші методики
У різних галузях промисловості – від будівництва до машинобудування – найчастіше використовуються сталі. При цьому, незважаючи на хороші механічні показники, у чистій сталі (залізо + вуглець) є один істотний недолік – схильність до окислення і корозії. Щоб уникнути цього, сталь вдосконалюють або піддають протикорозійній обробці:
- Легування передбачає додавання до складу сплаву різних металів – хрому, нікелю, міді, титану та ін. Леговані сталі діляться на кілька категорій (хромисті, хромонікелеві і т.д.) і відрізняються як по стійкості до корозії, так і за механічними показниками. Мінусом легованих нержавіючих сталей є їх досить висока ціна, тому використовують такі матеріали там, де критично важливим буде поєднання максимальної міцності і високої стійкості до корозії.
- Більш дешева альтернатива виробництва нержавіючої легованої сталі – цинкування. Пі цьому на поверхню сталевого прокату в формі листа рулону або готового виробу наносять захисне покриття на основі цинку. Цинкування може виконуватися по гарячій або холодній технології, але в будь-якому випадку цинкове покриття запобігає розвитку корозії і окислення глибинних шарів металу при контакті з киснем.
Звичайно, все, згадане вище – лише мала частина відомостей про такий поширеній метал як залізо. Але і цієї інформації достатньо щоб оцінити, наскільки велика його роль в житті людини, і наскільки великий промисловий потенціал.