26 Апреля 2018

Железо - свойства металла, как получают и где применяют в наше время?

Опубликовал К.В. Кулик

         Железо (Fe)—элемент четвёртого периода, восьмого ряда периодической системы, атомный номер—26, атомная масса составляет 55,847, плотность—7,876 г/см3, температура плавления –1538°С, температура кипения—2872°С, коэффициент линейного расширения—11.10-6 (0-50°С), удельное электрическое сопротивление—9,4 мком.см (0°С), модуль нормальной упругости—22300 кг/мм2, относительное удлинение—50-40%, предел упругости 12 кг/мм2, предел текучести—10-14кг/мм2, твёрдость по Бринелю НВ 60—70 кг/мм2(электролитное железо), 45кг/мм2( карбонильное железо), линейная усадка—3,6%.

         Железо, по своим физическим и химическим свойствам, очень похоже на элементы кобальт и никель и образует с ними родственную триаду.

         Чистое железо, блестящий или серебристо белый мягкий металл. Оно обладает высокой вязкостью, хорошо куётся. Его сплавы с углеродом, сталь и чугун, обладают высокой твёрдостью и, только в таком качестве, применяются в промышленности и в быту.

         Железо высокой степени чистоты является материалом устойчивым против действия ряда химических реагентов. Особо чистое железо почти не ржавеет в присутствии воздуха и влаги. В кислотах, железо, тем менее растворимо, чем оно чище, причём, явление пассивирования, хорошо заметное для чистого железа, ещё больше повышает его стойкость против действия кислот.

Растворимость в кислотах обычного технического железа, характеризуется следующими цифрами:

  • концентрированная соляная кислота HCl—0,0814 г/час.см3 (15°С);
  • 10% серная кислота H2SO4—0,0327 г/час.см3 (15°С);
  • 50% азотная кислота HNO3—0,7165 г/час.см3 (15°С).

         Присутствие в железе кислорода, водорода и примесей других элементов сказывается на величине потенциала растворения и на стойкости металла, по отношению к действию химических реагентов.

         Только некоторые элементы (медь в малых количествах, никель и хром --в больших) повышают стойкость железа по отношению к корродирующим агентам.

         Сера энергично реагирует с железом при нагреве; хлор, фтор и бром также энергично соединяются с железом при нагреве; сухой хлор при обычной температуре на железо не действует.

Существует несколько видов железа в зависимости от способа его получения:

  • губчатое железо - железо прямого восстановления, пористый твёрдый продукт, получаемый прямо из железорудных материалов восстановлением газообразными и твёрдыми веществами восстановителями;
  • карбонильное железо - высоко химически чистый порошок, который получают при термическом разложении пента карбонила железа;
  • самородное железо - встречается в природе, как минерал с примесью никеля;
  • сыродутное железо - получаемое прямо из руд, самым древним способом в горнах, при температуре 1100-1350°С;
  • электролитическое железо - очень высокой чистоты, получаемое рафинированием в процессе электролиза;
  • электротехническое железо - сплав с углеродом, сталь, в которой содержится 0,01%углерода, сплав с высокими магнитными свойствами;
  • альфа, гамма и дельта железо, высоко и низко температурные аллотропические модификации железа.

         Железо было известно людям ещё с глубокой древности, оно было достаточно редким металлом и считалось драгоценным, из него изготавливались украшения, а для царственных особ—железное оружие. Вероятнее всего, для этих целей, применялось самородное железо из метеоритов, которые содержат большое количество железа и только 3,5 тысячи лет назад, в Закавказье, люди начали выплавлять его из железной руды.

         В земной коре, железо самое распространённое ископаемое, предполагаемые запасы составляют примерно 3,5 трлн. т. В природе существует около 500 минералов, в которых содержится железо, в 300 из них, оно преобладает, однако промышленное значение имеют только несколько из них. В их числе минералы:

  • магнетит (магнитный железняк), формула Fe3O4 ,72% железа;
  • гематит (красный железняк), формула Fe2O3, 70% железа;
  • лимонит (бурый железняк), формула Fe2O3 х H2O,60% железа;
  • сидерит (железный шпат), формула FeCO3, 48% железа.

         В зависимости от различного содержания железа, руды делятся на богатые и бедные. Богатые идут в плавку без обогащения, а бедные, из соображений экономики, необходимо обогатить до концентрата с содержанием железа порядка 80%.

         В зависимости от того, какой минерал в руде является основным рудообразующим, существует деление на руды: магнетитовые, титаномагнетитовые, гематитовые и гидрогематитовые, лимонитовые, сидеритовые и мартитовые (последние получаются в результате окисления магнетита). Все эти руды, после добычи, подвергаются обогащению, после которого плавятся по различным технологиям, в зависимости от качественного состава железной руды.

         В железных рудах присутствуют различные примеси, полезные и вредные, что необходимо учитывать при их переработке. К вредным примесям относятся сера, цинк и мышьяк и, в последующих переделах, от них надо избавляться, что усложняет и удорожает основной процесс - получение стали. Полезными примесями являются фосфор, никель, хром и медь. Они способствуют сохранению полезных свойств в конечном продукте - в стали.

         Существуют различные теории накопления железных руд в земной коре, но ни одна из них не даёт полной картины этих процессов. Скорее всего, накопление происходило в течение нескольких сот миллионов лет, в соответствии с различными природными, земными и астрофизическими причинами.

         Мировая годовая добыча железной руды, на сегодня, составляет порядка 3 млрд.т., по товарной железной руде и, при сравнении с её мировыми запасами, можно предположить, что для нужд человечества железной руды хватит на несколько столетий.

       Получение Железа

         Основными видами железных сплавов являются сплавы, содержащие железо и углерод. Количество углерода в сплаве определяет его название и назначение: техническое железо (следы углерода), стали (до 2% углерода) и чугуны (более 2% углерода).

         В железоуглеродистые сплавы часто добавляют легирующие добавки, эти сплавы термически обрабатывают, применяют другие виды добавок, что значительно меняет их свойства.

         Существенное влияние на физико-химические, механические свойства железоуглеродистых сплавов оказывают технологические примеси, которые попадают в чугун и в сталь из рудного сырья. Из этих примесей существенно много присутствуют в сталях: кремний, марганец, хром, фосфор, сера и различные газы (кислород, азот, водород).

         Некоторые из них оказывают вредное влияние на свойства железоуглеродистых сплавов. Фосфор вызывает хладоломкость, сера—красноломкость, т.е. охрупчивание металла при низких и высоких температурах, соответственно. Газовые составляющие приводят к образованию оксидов, гидридов или нитридов, которые отрицательно влияют на механические свойства железных сплавов. Кроме того, газы провоцируют образование пористости и пустот (раковин) в слитках сплавов, что, естественно, снижает их эксплуатационные свойства.

         Легирование железных сплавов специальными добавками улучшает их структуру и свойства и позволяет создавать огромную номенклатуру и сортамент конечного продукта сталей и чугунов.

         По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные. В углеродистых сталях содержится: углерода до 1,3%, кремния до 0,35%, марганца до 0,6% и другие примеси в незначительных количествах.

         Легированные стали разделяют на: низколегированные (легирующих элементов до 2,5%), среднелегированные (легирующих элементов от 2% до 10%) и высоколегированные (более 10%). Легирующие элементы дают название сталям: хромистые, кремнистые, никелевые, хромоникелевые, марганцовистые.

По техническому применению стали подразделяются на;

  • конструкционные (углеродистые и легированные), которые предназначены для производства сортового проката, применяемого в строительстве металлоконструкций зданий и сооружений, для возведения гидротехнических объектов и т.п., для изготовления труб, машиностроительной продукции;
  • железнодорожные, для изготовления железнодорожных рельсов, бандажей для колёс и осей тележек подвижного состава, здесь применяются износостойкие стали;
  • инструментальные, предназначены для изготовления инструмента для штамповки и резки, кузнечного оборудования и измерительных приборов;
  • специальные, для изготовления подшипников, высокопрочных изделий, коррозионностойкие, жаропрочные, кислотостойкие, электротехнические, магнитные стали.

         По способу получения стали бывают: мартеновские, конвертерные и стали получаемые в электрических печах.

       Как происходит переработка железных руд для получения стали?

         Основным технологическим процессом, в котором перерабатываются железные руды для производства чугуна, а впоследствии стали, является доменная плавка. Этот процесс происходит в доменной печи, шахтном плавильном агрегате, работающем в режиме непрерывной плавки.

         Добытая в железорудном карьере руда подвергается дроблению, затем грохочению, после которого, куски руды менее 100 мм, направляются непосредственно в доменную печь, а куски более 100 мм направляются на дальнейшее дробление, а затем, на грохочение. После грохочения, куски руды более 30 мм направляются непосредственно в доменную печь, а куски руды менее 30 мм направляются на доизмельчение, а затем, на обогащение. Бедные хвосты после обогащения идут в отвал, а полученный концентрат идёт на производство окатышей, которые после добавления известняка, частично идут непосредственно в доменную печь, а частично в процесс металлизации, после которого металлизированные окатыши идут на производство стали, в мартеновскую печь или в конвертер.

         Другая часть кусков руды менее 30 мм, направляется на агломерацию (спекание), после которой, спечённый с коксиком и известняком, продукт, агломерат, направляют непосредственно в доменную печь.

         Шихта, смесь вышеперечисленных ингредиентов для доменной плавки, набирается в специальных камерах, взвешивается и набирается в скип, ёмкость на наклонном подъёмнике. Порция, «калоша», в скипе, подаётся на верхнюю часть, колошник, доменной печи. Туда же подаётся кокс и вся смесь, через распределительные конусы загрузочного устройства, засыпается внутрь доменной печи.

         После подачи горячего дутья, воздуха, обогащённого кислородом, в печи начинается процесс доменной плавки.

         Суть доменной плавки состоит в восстановительном процессе переработки шихты, которая, в основном, состоит из оксидов и других окисленных соединений. Шихтовые материалы, с коксом (топливом и восстановителем), по мере плавления шихты, начинают перемещаться вниз в пространстве шахты доменной печи. Снизу, в печь. через фурмы, расположенные по периметру печи на высоте фурменного пояса, вдувают горячий воздух, с температурой1100-1300ОС, обогащённый кислородом.

         При горении кокса, внизу печи образуются горячие восстановительные газы содержащие CO,H2 и N2. Они поднимаются вверх, в направлении, противоположном сходу шихты, разогревают её и участвуют во многих физико-химических процессах. Среди них главными являются: процесс восстановления оксидов железа, проникновение углерода в расплав и создание шлаков.

         В нижней части доменной печи собираются расплавы шлака и металла, которые расслаиваются, причём шлак, как более лёгкий, располагается над металлом. Шлак и металл из доменной печи выпускают периодически в процессе доменной плавки.

         Науглероженное железо (чугун), в процессе плавки насыщается компонентами руды (кремнием и марганцем) и примесями. Этот чугун доменной плавки содержит 92% железа и от 3,4 до 4,5% углерода, всё остальное, легирующие добавки и примеси.

         Кроме чугуна с таким составом в доменной печи получают ферросплавы и содержащий марганец, передельный чугун, который получается из марганцевой руды.

         Топливо доменной плавки, кокс, содержит 80-88% углерода, 8-12% золы, 0,7—1,2% летучих веществ, 0,5-1,8% серы. Кокс –дорогостоящий искусственный компонент доменной плавки, получаемый в коксовых батареях, иногда заменяют коксовым газом или пылевидным углём. После доменной плавки, кроме чугуна получают шлак и доменный газ, которые отправляют потребителям этих продуктов, а чугун поступает для получения стали.

         Для процесса получения стали, чугун, полученный в доменных печах, разделяют на передельный и литейный. Передельный чугун направляют на производство стали, а литейный отправляют потребителям, для переплавки и изготовления продукции машиностроения и т.п.

         Для производства стали используются специальные агрегаты: мартеновские печи, конвертеры и электрические печи.

         Как же выплавляется сталь?

         В сталеплавильный агрегат заливается расплавленный передельный чугун доменной плавки, туда же добавляют стальной лом, отходы металлургического производства, флюсы и металлизированные окатыши. В этот расплав, с помощью фурм подаётся кислородное дутьё, начинается процесс удаления углерода. Этот процесс продолжается до тех пор, пока количество углерода в расплаве, в зависимости от выплавляемой марки стали, уменьшается до величин от 0,025 до 2,4%. Добавление в расплав легирующих элементов, для производства различных марок сталей, производится в процессе плавки. Стали различаются по химическому составу, по назначению, по качеству, по способу получения и структуре слитка. Выплавленная сталь разливается в изложницы и после кристаллизации слитков передаётся на прокатные станы для производства товарной продукции. Сегодня, большая часть стали разливается на устройствах непрерывной разливки с получением слябов, для дальнейшей прокатки, без прерывания процесса.

       Применение Железа

         Стальные изделия являются основой современной цивилизации. Мы видим эти изделия везде. Мосты, изготовленные из стального проката, миллионы километров железных дорог, которые проложены в нашей стране и проходят через разные страны, по стальным трубопроводам перекачивают нефть и газ, стальной прокат является несущим каркасом для промышленных и жилых зданий, он же является заготовительным материалом для машиностроительной продукции. Корабли гражданского морского и речного флота и военные корабли, изготовлены из самых лучших сортов стали.

         Железнодорожные вагоны и опорные тележки для них - это сталь. Вся сухопутная военная техника—это лучшие сорта стали.

Почему же сталь стала преимущественным металлом для человечества?

  1. Количество железорудного сырья в земной коре и его доступность для добычи и переработки, является важнейшим фактором его приоритета.
  2. Сталь может менять свои технические характеристики и приобретать полезные свойства в результате легирования и обработки, как никакой другой металл.
  3. Стоимость переработки железорудных материалов для получения стали, включая энергетические затраты, на сегодняшний день, вполне приемлемы для процесса рентабельного получения конечного продукта.
  4. По шкале применимости для разных видов использования, сталь стоит на первом месте, среди других металлов.
  5. Прочность и твёрдость стали, а также стойкость против коррозии, достигаются легированием в процессе её производства и термообработкой уже готовых изделий.

К стали, как конструкционному материалу, предъявляются высокие требования:

  • высокие механические свойства, при малой массе изделия, что должно быть обеспечено высокой удельной прочностью и жёсткостью материала;
  • стойкость к воздействию окружающей среды, стойкость к коррозии, стойкость к термическим воздействиям;
  • высокая долговечность и надёжность при эксплуатации.

       Где и как применяются различные виды изделий из стали?

         Наиболее применяемыми изделиями из стали является сортовой прокат. Его получают на прокатных станах, методом горячей и холодной прокатки из заготовок—слябов непрерывной разливки или продукции заготовочных станов.

Основными видами сортового проката являются:

  • сталь прокатная угловая, равнобочная и не равнобочная;
  • швеллеры и балки двутавровые;
  • прутки стальные и арматура.

         Эти изделия применяют при создании металлоконструкций и изделий машиностроения. Поперечные сечения этих изделий созданы таким образом, чтобы они выдерживали максимальную нагрузку при минимальной деформации от внешних усилий, растяжения, сжатия, изгиба и кручения.

         В машиностроении, в качестве заготовок, широко применяются стальные изделия такие как: заготовка квадратная, сталь круглая горячекатаная, сталь квадратная горячекатаная, сталь шестигранная горячекатаная, из которых, с минимальной переработкой, изготавливают различные детали.

         Для производства сварных труб и других изделий применяется, в качестве заготовки, сталь прокатная полосовая, которая формируется в трубу на специальных трубных станах и затем сваривается продольным швом.

         Для реализации крепи шахтных выработок, применяются прокатные профили для шахтного крепления.

         Для создания ячеистых конструкций в гидротехнических сооружениях применяются профили прокатной стали для шпунтовых свай.

         Для изготовления инструментов, напильников и рашпилей применяется сталь специальных профилей.

         Транспортные рессоры изготавливают из прокатанной рессорной желобчатой стали.

         Оконные и фонарные переплёты промышленных зданий изготавливают из специальных прокатных профилей.

         Для изготовления сельскохозяйственных машин применяются специальные прокатные профили: сталь двутавровая низкая, сталь двутавровая усиленная, сталь коробчатая тонкостенная, сталь одножелобчатая.

         Для производства железнодорожных вагонов применяется сталь зетовая, для хребтовой балки вагонов, стойка для вагонов, дверной вагонный рельс.

         Для изготовления инструмента применяется сталь инструментальная горячекатаная и кованая, круглая и квадратная.

         Для пищевой промышленности применяются разные виды жести.

         Особое место занимает применение стали прокатной тонколистовой для автомобильной промышленности. К ней предъявляются особые требования, она должна выдерживать напряжённый, но ограниченный по времени (порядка 10 лет) цикл эксплуатации и не должна быть дорогостоящей. Производство автомобильного листа занимает до 15% мирового производства стали.

         Прокатная продукция в виде железнодорожных рельсов различных видов, одна из самых востребованных в общем производстве стального проката. Конечно, вышеизложенные примеры применения стальной прокатной продукции, не исчерпываются этим списком.

         Существует огромное количество изделий из стальных заготовок, полученных другими способами, литьём, ковкой, в виде железных порошков.

         Огромную проблему представляет незащищённая поверхность стальных изделий, которая подвергается воздействию внешних факторов, подвергается коррозии и разрушается. Для защиты поверхности стальных изделий от коррозии применяется множество способов, главнейшие из них:

  1. покрытие красками и лаками, создающими прочный тонкий защитный слой, который препятствует доступу влаги, воздуха и химически активных газов;
  2. оцинкование (погружение в расплавленный цинк, электролиз, распыление жидкого цинка на поверхности металла, обработка цинковой пылью), являющееся одним из наиболее эффективных способов защиты, вследствие электроотрицательных свойств цинка к железу;
  3. фосфатирование (паркеризация), покрытие основанное на получении плотного тонкого слоя фосфатов на поверхности железа;
  4. лужение — покрытие поверхности железа чистым оловом или его сплавами со свинцом;
  5. алюминирование (алитирование) покрытие железа тонким слоем алюминия;
  6. никелирование — покрытие железа тонким слоем никеля гальваническим способом, иногда такое покрытие делается по предварительному, нанесённому гальваническим способом слою меди;
  7. хромирование — гальваническое нанесение слоя хрома на поверхность железа;
  8. кадмирование — гальваническое покрытие кадмием, по предварительно нанесённому подслою другого металла;
  9. свицевание гальваническим способом или методом разбрызгивания, такое покрытие стойко против сернистых газов и углекислоты;
  10. воронение — способ, основанный на образовании на поверхности железа, тонкой прочной плёнки магнитной окиси железа Fe3O4, эта плёнка может быть получена действием перегретого пара)
  11. применение смазки из минеральных и растительных масел, предохраняющих железо от доступа влаги и кислорода воздуха.
  12. в особых случаях применяется покрытие железа некоторыми редкими металлами (цирконием, танталом, ниобием), стойкими против таких реагентов как соляная кислота.

         Объём мирового производства стали в 2016 году составил около 1 609 633 тысячи тонн, а его доля на рынке всех производимых на земле металлов составляет 47,7%.

         Можно предположить, что при разумном использовании железорудных запасов, защите уже произведённой стальной продукции, железа, человечеству хватит на несколько столетий.