Metallprofil: Järnegenskaper och egenskaper

Järnets användning av människor går ungefär 5 000 år tillbaka. Det är det näst vanligaste metallelementet i jordskorpan och används främst för att producera stål, ett av de viktigaste strukturella materialen i världen.

Innan vi går för djupt in i historien och modern användning av järn, låt oss granska grunderna:

• Atomisk symbol: Fe
• Atomnummer: 26
• Elementkategori: Övergångsmetall
• Densitet: 7,874 g / cm³
• Smältpunkt: 1538 ° C (2800 ° F)
• Kokpunkt: 2862 ° C (5182 ° F)
• Mohs hårdhet: 4

Rent järn är en silverfärgad metall som leder värme och elektricitet väl. Järn är för reaktivt för att existera ensamt, så det förekommer endast naturligt i jordskorpan som järnmalm, såsom hematit, magnetit och siderit.

En av järnens identifierande egenskaper är att det är starkt magnetisk. Exponerat för ett starkt magnetfält kan varje 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 sydpoler.

Järn upptäcktes och extraherades antagligen som ett resultat av vedeldning ovanpå järnhaltiga malmer.Kolet i virket skulle ha reagerat med syret i malmen och lämnat en mjuk, formbar järnmetall. Järnsmältning och användningen av järn för att göra verktyg och vapen började i Mesopotamia (dagens Irak) mellan 2700 och 3000 fvt. Under följande 2000 år spridde kunskap om järnsmältning österut till Europa och Afrika under en period känd som järnåldern.

Från 1600-talet, tills en effektiv metod för att producera stål upptäcktes i mitten av 1800-talet, användes järn alltmer som ett konstruktionsmaterial för att göra fartyg, broar och byggnader. Eiffeltornet, som byggdes 1889, tillverkades med över 7 miljoner kilo smidesjärn.

Järns mest besvärande kännetecken är dess tendens att bilda rost. Rost (eller järnoxid) är en brun, smulig förening som produceras när järnet utsätts för syre. Syregas som finns i vatten påskyndar processen med korrosion. Rostfrekvensen - hur snabbt järn förvandlas till järnoxid - bestäms av syreinnehållet i vattnet och järnets ytarea. Saltvatten innehåller mer syre än sötvatten, varför saltvatten rostar järn snabbare än sötvatten.

Rost kan förhindras genom att belägga järn med andra metaller som är mer kemiskt attraktiva för syre, t.ex. zink (processen för att belägga järn med zink kallas "galvanisering"). Men den mest effektiva metoden för att skydda mot rost är användningen av stål.

Stål är en legering av järn och olika andra metaller, som används för att förbättra egenskaperna (hållfasthet, korrosionsbeständighet, värmetolerans etc.) för järn. Ändring av typ och mängd av de element som legeras med järn kan producera olika typer av stål.

De vanligaste stålen är:

• Kolstålsom innehåller mellan 0,5% och 1,5% kol: Detta är den vanligaste ståltypen som används för autokroppar, fartygsskrov, knivar, maskiner och alla typer av konstruktionsstöd.
• Låglegerade stål, som innehåller 1-5% andra metaller (ofta nickel eller volfram): Nickelstål tål höga spänningsnivåer och används därför ofta vid konstruktion av broar och för tillverkning av cykelskedjor. Volframstål behåller sin form och hållfasthet i högtemperaturmiljöer och används i slag, roterande applikationer, till exempel borrbitar.
• Höglegerade stål, som innehåller 12-18% andra metaller: Den här typen av stål används endast i specialapplikationer på grund av dess höga kostnad. Ett exempel på höglegerat stål är rostfritt stål, som ofta innehåller krom och nickel, men det kan också legeras med olika andra metaller. Rostfritt stål är mycket starkt och mycket motståndskraftigt mot korrosion.

Det mesta järnet produceras från malmer som finns nära jordens yta.Moderna extraktionstekniker använder masugnar, som kännetecknas av deras höga travar (skorstenliknande strukturer). Järnet hälls i staplarna tillsammans med koks (kolrikt kol) och kalksten (kalciumkarbonat). Nuförtiden går järnmalmen normalt igenom en sintringsprocess innan den går in i bunten. Sintringsprocessen bildar bitar av malm som är 10-25mm, och dessa bitar blandas sedan med koks och kalksten.

Den sintrade malmen, koks och kalksten hälls sedan i bunten där den brinner vid 1 800 grader Celsius. Koks brinner som en värmekälla och, tillsammans med syre som skjuts in i ugnen, hjälper till att bilda den reducerande gasen kolmonoxid. Kalkstenen blandas med föroreningar i järnet för att bilda slagg. Slaggen är lättare än smält järnmalm, så den stiger upp till ytan och kan lätt tas bort. Det heta järnet hälls sedan i formar för att producera svinjärn eller direkt förberett för stålproduktion.

Grisjärn innehåller fortfarande mellan 3,5% och 4,5% kol,tillsammans med andra föroreningar, och det är sprött och svårt att arbeta med. Olika processer används för att sänka fosfor- och svavelföroreningarna i råjärn och producera gjutjärn. Smidesjärn, som innehåller mindre än 0,25% kol, är tufft, formbart och lätt svetsat, men det är mycket mer besvärligt och kostsamt att producera än stål med låg kolhalt.

2010 var den globala järnmalmsproduktionen cirka 2,4 miljarder ton. Kina, den största producenten, stod för cirka 37,5% av all produktion, medan andra stora producerande länder inkluderar Australien, Brasilien, Indien och Ryssland. U.S. Geological Survey uppskattar att 95% av all metalltonnage som produceras i världen är antingen järn eller stål.

Järn var en gång det primära konstruktionsmaterialet, men det har sedan dess ersatts av stål i de flesta tillämpningar. Ändå används gjutjärn fortfarande i rör och bildelar som cylinderhuvuden, cylinderblock och växellådeskåp. Smidesjärn används fortfarande för att tillverka heminredningsartiklar, till exempel vinställ, ljusstakar och gardinstänger.