ЖЕЛЕЗО — металл № 1 в мире

История

История железа уходит в тысячелетия. Около 3500 лет назад, как писал А. Азимов,

«техника выплавки … железа была разработана в кавказских предгорьях».

Сверхчистое железо
Там находилось Хеттское царство. Воинственные хетты охраняли секрет выплавки пуще глаза, потому цена железа бывала выше цен на золото в десятки раз. Владеющие железным оружием почти автоматически выходили победителями в боях. А войны в основном шли за территории.

С изобретением сварного оружия пришел век чёрного металла.

В мирной жизни дел у железных орудий хватало: срубить избу, обтесать камень, вспахать поле.

Органическое железо

Удаление органического железа наиболее сложно. В этом случае железо входит в сложные органические комплексы, которые зачастую достаточно сложно окислить. Так что для его удаления приходится применять другие методы очистки, а не классическое обезжелезивание на фильтрующей загрузке. Органическое железо зачастую находится в воде в виде мелкодисперсных взвесей (коллоидов). Размер коллоидов составляет микроны и десятки микрон. Данные загрязнения не возможно просто отфильтровать через засыпные фильтры, так как размер коллоидов значительно меньше рейтинга фильтрации, который примерно равен 10-20 мкм.

Способы очистки от органического железа:

• коагуляция с фильтрацией на осадочных фильтрах;
• коагуляция с фильтрацией на ультрафильтрационных мембранах;
• удаление органических соединений на ионообменных смолах;
• обратный осмос.

Основные признаки органического железа:

• высокая цветность;
• высокая окисляемость;
• низкий уровень рН;
• примерно одинаковое соотношение двухвалентного и трехвалентного железа;
• вода обладает цветом, осадок не выпадает.

Свойства

Железо (Ferrum, в формулах обозначается Fe) — химически активный элемент, относится к металлам. В таблице Менделеева имеет атомный № 26. Ferrum — черный металл.
Физические характеристики сильно зависят от чистоты металла.

Важно: нужно отличать вредные примеси от полезных. Так, фосфор и сера ухудшают характеристики железа. Углерод улучшает твердость и механическую прочность.

Железо имеет 4 модификации; их различие в структуре и кристаллической решетке.

Рекомендуем: НИОБИЙ — мифы и реальность

Химические свойства железа:

1. Степени окисления +2, +3.
2. В присутствии влаги воздуха корродирует, причем слой ржавчины не мешает дальнейшему разрушению металла. Постоянной формулы ржавчина не имеет, общая ее формула Fe2O3·x H2O.
3. Концентрированные растворы H2SO4 и HNO3 пассивируют поверхность железа, образуют оксидную пленку.
4. При взаимодействии с неметаллами образуют нитриды, фосфиды, силициды, карбиды железа.
5. Реагирует с металлами, восстанавливая их из растворов солей.
6. Железная кислота в свободном виде не существует; ее соли — ферраты — обладают сильными окислительными свойствами. Эти свойства используют для обеззараживания воды.

Что такое железо?

С точки зрения промышленности, железо является главным соорудительным материалом в мире. Его использование повсеместно – от ручки двери до двигателей межпланетных ракет. Причинность подобной популярности проста – распространенность и дешевизна сырья, ведь железо находится на втором месте по доле в земной коре после алюминия. Символьное обозначение железа «Fe»? а его порядковый номер у Менделеева 26.

Важно: не путайте сталь и железо – это совсем разные термины. Железо является чистым химическим элементом, а сталь – сплав ферума и углерода.

Иногда железом в промышленности называют высококонцентрированный сплав с долевым содержанием примесей менее 0.7% от общей массы. В таком случае, физические свойства вещества почти не теряются. Большинство сплавов на основе железа относят к группе черных металлов.

В чистой форме железо обладает хорошей пластичностью, что позволяет его легко ковать, но тяжело лить. Структура металла – это 5 фаз, у каждой из которых собственная кристаллическая структура и решеточные параметры. Детальнее в таблице ниже.

Физические особенности железа напрямую зависят от чистоты вещества. Помимо полезных легирующих компонентов, что позитивно сказываются на свойствах металла, имеются и отрицательные элементы, способные ухудшить его характеристики. Примерами таковых может быть та же сера с фосфором, которые снижают показатели пластичности, взамен не предоставляя сплаву ничего из положительных свойств.

Базовые характеристики железа:

• вариативная плотность, зависящая от фазы пребывания металла. Обобщенный промежуток – от 7.4 до 7.9 грамма/кубический сантиметр;
• стойкость железа в чистом виде небольшая. Предел прочности у рядового технического железа – 299 МПа, но если речь о быстрорежущей стали, то здесь предел прочности возрастает до значения в 2.7 ГПа;
• чистое железо по шкале Мооса тянет на оценку в 4 балла;
• проводимость чистого ферума ниже нежели у алюминия/меди – 9.7*10^(-8);
• металл поддается ковке, но в чистом виде не поддается литью;
• низкая токсичность, но не биологическая инертность.

Усвоение железа человеческим организмом составляет всего ½ от получаемого, что делает металл для человека менее опасным, нежели другие элементы группы металлов. Главный вред окружающей среде несет не железо в чистом виде, а отходы во время производства – газы и выделяющиеся шлаки. Детальнее о производстве, тепловых характеристиках и областях применения будет рассказано далее.

10 самых крепких металлов в мире

Минералы

Железа в виде соединений и минералов на Земле много. Это второй по распространенности металл.

Железные руды делятся на 11 промышленных типов.

Железная руда

Гордимся: Россия имеет больше всех стран железных руд.

Растворенное железо

Удаление растворенного железа осуществляется на каталитических фильтрующих загрузках. В этом случае происходит окисление железа и осаждение его на фильтрующей загрузке. окислитель может как подаваться из вне, так и находится непосредственно в фильтрующей загрузке. В качестве окислителя может быть: кислород, хлор, перманганат калия и т.п. Зачастую совместно с железом в воде находятся, марганец и сероводород. При обезжелезивании также происходит удаление марганца и сероводорода.

Основные признаки растворенного железа:

• низкая мутность;
• низкая цветность;
• средняя / низкая окисляемость;
• уровень рН в районе 7;
• двухвалентного железа значительно больше трехвалентного;
• вода прозрачная, затем появляется мутность и выпадает осадок.

Сравнительная таблица основных загрузок для обезжелезивания:

BIRM легкий материал. Скорость фильтрации 12 м/ч. Скорости промывки 20-24 м/ч. (скорость промывки в 1,8-2,0 раза больше чем скорость фильтрования). применяется при небольшом превышении по железу, при отсутствии сероводорода. Если в воде есть марганец то потребуется корректировка рН воды. Не требует добавления реагентов. Промывочную воду можно сливать в любую канализацию.

GreenSand (MZ) – более тяжелый материал. Скорость фильтрации 12 м/ч. Скорость промывки 24-29 м/ч (скорость промывки в 2,0-2,2 раза больше чем скорость фильтрования). применяется при больших содержаниях железа, марганца и сероводорода. Широкий диапазон рабочего рН воды. Требуется реагент для регенерации (перманганат калия). Кол-во марганцовки на объем воды (Vводы(м3)) рассчитывается по формуле:

Ммарг(гр) = Vводы(м3) х (Fe + Mn х 2 + H2S х 5)(мг/л) х 6

Промывочную воду нельзя сливать в канализацию с биологической очисткой, так как перманганат является очень сильным окислителем и его концентрация в промывочной воде достаточно большая. Могут возникнуть сложности с закупкой и перевозкой перманганата калия. Перманганат калия достаточно дорогой реагент.

DMI – тяжелее чем GreenSand. Скорость фильтрации 12 м/ч. Возможно увеличение скорости фильтрации до 25-20 м/ч. Скорость промывки 30-40 м/ч (скорость промывки в 2,5-3,3 раза больше чем скорость фильтрования). В качестве окислителя применяется более доступный и дешевый гипохлорит натрия. применяется при больших содержаниях железа, марганца, сероводорода. Более широкий диапазон рН воды. Кол-во гипохлорита рассчитывается под каждое содержание железа, марганца и сероводорода. Промывочную воду условно можно сливать в любую канализацию.

Технический директор ООО « Алексеев Денис Васильеви

Специальные предложения

Система водоподготовки «под ключ»

Наша компания предоставляет услуги всего спектра водоподготовки: от подготовительных проектных работ до запуска оборудования в эксплуатацию.

Обслуживание и сервис

Мы рады предложить нашим клиентам комплексное обслуживание систем водоподготовки. После установки оборудования мы можем взять Ваш объект на сервисное обеспечение.

SOFTNOR безреагентное умягчение

Уникальная технология SOFTNOR безреагентного умягчения воды, разработанная специалистами немецкой компании Watch GmbH.

Получение металла

Есть несколько способов получения железа:

1. Прямые способы. Это производство губчатого железа в шахтных и тоннельных печах. Производство железной крицы во вращающихся печах. Возможно получение железа в реакторах кипящего слоя и химико-термический способ.
2. Доменный процесс — распространенный метод. Железная руда и флюс восстанавливаются углеродом кокса, в результате получаем чугун. При надобности из чугуна удаляют примеси (фосфор, сера) и избытки углерода в мартеновских печах или в конвертерах. Легированную сталь получают в электрических печах (ЭПС).
3. Химически чистое железо можно получить из раствора его солей с помощью электролиза.

Получение

До сер. 14 в. Ж. по­лу­ча­ли сы­ро­дут­ным спо­со­бом. Же­лез­ную ру­ду вос­ста­нав­ли­ва­ли дре­вес­ным уг­лём в гор­не (сы­ро­дут­ный про­цесс); в ре­зуль­та­те по­лу­ча­ли кри­цу (глы­бу Ж.), из ко­то­рой уда­ля­ли шлак и по­луча­ли ме­талл – сы­рьё для вы­ко­вы­ва­ния разл. из­де­лий. При бо­лее ин­тен­сив­ном ду­тье темп-ра в гор­не по­вы­ша­лась, часть Ж. на­уг­ле­ро­жи­ва­лась и пре­вра­ща­лась в чу­гун, ко­то­рый из-за хруп­ко­сти не на­хо­дил при­ме­не­ния и счи­тал­ся от­хо­дом про­из-ва. С 14 в. чу­гун ста­ли ис­поль­зо­вать для от­лив­ки разл. из­де­лий, горн был ре­кон­ст­руи­ро­ван в шахт­ную печь («дом­ни­цу»), а за­тем в до­менную печь. В 18 в. в Ев­ро­пе для пе­ре­дела чу­гу­на в Ж. ста­ли ис­поль­зо­вать вы­со­ко­ог­не­упор­ные тиг­ли (ти­гель­ный про­цесс), пуд­лин­го­вый про­цесс в пла­мен­ной от­ра­жа­тель­ной пе­чи (см. Пуд­лин­го­ва­ние). В сер. 19 в. бы­ли раз­ра­бо­та­ны бес­се­ме­ров­ский про­цесс, то­ма­сов­ский про­цесс и мар­те­нов­ский про­цесс пром. про­из-ва ста­ли; позд­нее – элек­тро­ста­ле­пла­виль­ный и ки­сло­род­но-кон­вер­тер­ный про­цес­сы.

Совр. тех­но­ло­гии по­лу­че­ния Ж. из руд вклю­ча­ют дроб­ле­ние, обо­га­ще­ние руд до 64–68%-но­го со­дер­жа­ния Ж., по­лу­че­ние кон­цен­тра­та (74–83% $\ce{Fe}$), пи­ро­ме­тал­лур­гич. вос­ста­нов­ле­ние кок­сом в до­мен­ной пе­чи (до­мен­ный про­цесс), вы­плав­ку ста­ли из чу­гу­на в мар­те­нов­ской пе­чи, ки­сло­род­ном кон­вер­те­ре, элек­тро­пе­чи. Тех­нич. Ж. (т. н. арм­ко-же­ле­зо) вы­плав­ля­ют из чу­гу­на в ста­ле­пла­виль­ных пе­чах или ки­сло­род­ных кон­вер­те­рах. Чис­тое Ж. по­лу­ча­ют вос­ста­нов­ле­ни­ем ок­си­дов (при темп-ре 750–1200 °С по­лу­ча­ют т. н. губ­ча­тое Ж.), элек­тро­ли­зом вод­ных рас­тво­ров или рас­пла­вов со­лей Ж., раз­ло­же­ни­ем пен­та­кар­бо­нил­же­ле­за $\ce{Fe(CO)5}$ (т. н. кар­бо­ниль­ное Ж.). Для по­лу­че­ния вы­со­ко­чис­то­го Ж. ис­поль­зу­ют зон­ную плав­ку и др. ме­то­ды.

Плюсы и минусы

Множество достоинств, но и недостатков не меньше.

Рекомендуем: МЕДЬ — фундамент цивилизации

Ковкость дает возможность производить декоративные изделия.

Физические свойства

Оптические

Цвет стально-серый до железно-черного (феррит), на полированной поверхности — белый, серебряно-белый до серовато-белого (никель-железо).

• Черта серо-черная.
• Блеск металлический.
• Прозрачность Непрозрачно.

Механические

• Твердость 4 (железо) — 5 (никелистые разновидности). Более высокая твердость зависит часто от присутствия когенита. Ковкое.
• Плотность 7,3—7,8 (железо) (вычисл. 7,87); 7,8—8,2 (никель-железо).
• Спайность по (100) совершенная, отдельность и плоскости скольжения по (211). У Ni-содержащих разностей спайность выражена менее ясно или отсутствует.
• Излом крючковатый.

Сильно магнитно.

Сплавы

Ориентироваться в море сплавов железа (сталей, чугунов) помогает маркировка. Она поможет определить состав сплава, количество углерода и легирующие элементы, отличить их свойства.

Общую характеристику можно дать по химическому составу: это углеродистая и легированная стали.

Стали делят по применению:

Физические свойства

Свойства близки к свойствам теллурического железа. Камасит имеет серый цвет. Магнитен. Тэнит белый. При содержании Ni выше 26—30% теряет магнитные свойства. Твердость увеличивается по мере возрастания содержания Ni.

Химические свойства

По составу метеоритное железо всегда никелистое; содержит также Со, Сu, С, Р, S, из газов — Н.

Камасит под паяльной трубой не плавится; тэнит в тонких осколках плавится и темнеет; как и земное никель-железо, тэнит менее подвержен воздействию кислот, нежели камасит.

Нахождение

Камасит составляет основу железной части железных метеоритов, слагает почти целиком метеориты группы гексаэдритов, является главным минералом метеоритов группы октаэдритов и железной части каменных метеоритов. Тэнит находится в метеоритах в подчиненных количествах; лишь в очень редких, богатых Ni метеоритах, его содержание достигает 70%. Встречается главным образом в грубозернистых октаэдритах. В тонкозернистых октаэдритах его содержание уменьшается. Метеоритное железо отмечается также в атмосферной пыли (пылеватые частицы), выпадающей вместе с градом и снегом.

Диагностические признаки

От теллурического железа в большинстве случаев отличается ясно выраженными Видманштеттовыми фигурами, выявляемыми на полированных поверхностях травлением HNOз. В теллурическом железе эти фигуры слабо выражены или их нет.

Применение

Более 90% всего металлургического производства занимает железо и его сплавы.

Продукция из сталей и чугунов — незаменимая и бóльшая часть конструкционных материалов, а это здания, мосты, железные дороги и многое другое.

Применение соединений железа:

• двух- и трехвалентное железо используют в качестве коагулянта в системах водоочистки;
• аноды в железо-никелевых и железо-воздушных аккумуляторах изготовлены из самого известного черного металла;
• магнетит в виде ультрадисперсного порошка применяют в черно-белых лазерных принтерах;
• FeCl3 применяют радиолюбители (травят печатные платы);
• магнетит незаменим в изготовлении носителей памяти (жесткие диски).

Сферы применения железа

Для большинства организмов без железа нет жизни; при его помощи кислород доставляется к каждой клетке организма. Недостаток железа влечет за собой хлорозы у растений и железодефицитные анемии у животных.

Познавательно: убеждение, что яблоко на разрезе темнеет от входящего в них железа — миф.

Области применения железа и его сплавов

Итак, давайте узнаем, почему железо получило наибольшее применение в металлургии.

Под железом зачастую подразумевают вовсе не вещество как таковое, а низкоуглеродистую электротехническую сталь – так называется сплав металла по ГОСТ. Действительно чистое железо получить непросто, и используется оно исключительно для производства магнитных материалов.

Железо является ферромагнетиком, то есть, намагничивается в присутствии магнитного поля. Однако это его свойство сильно зависит от примесей и структуры металла. Магнитные свойства абсолютного чистого железа в 100–200 раз превышают аналогичные показатели технической стали. То же самое можно сказать о величине зерна: чем крупнее зерно, тем лучше магнитные свойства вещества. Имеет значение и механическая обработка, хотя ее влияние и не столь впечатляющее. Только такое железо применяют для получения всех магнитных материалов для электротехники и магнитоприводов.

Во всех остальных областях народного хозяйства находит свое применение сталь и чугун, так что, говоря о применении железа, говорят об использовании стали.

Про способы применения сплавов железа расскажет видеоролик ниже:

Соединения

Все металлы, используемые в производстве, делят на цветные и черные. Черные – это сплавы железа, в частности, сталь и чугун, остальные – медные, никелевые, серебряные, относятся к цветным. Соответственно, производство, занимающееся выплавкой чугуна и стали, называется черной металлургией, а всех остальных – цветной. На долю черной металлургии приходится 95% всех металлургических процессов. Разделяются черные сплавы таким образом:

• сталь – сплав железа с углеродом и другими ингредиентами, чья массовая доля не превышает 2,14%. Углерод придает стали пластичность и твердость. В состав могут входить также марганец, фосфор, сера и так далее;
• чугун – сплав с углеродом, где допускается большее содержание элемента – до 4,3%. Причем чугуны отличаются по своим свойствам в зависимости от того, в каком виде сплав содержит углерод: если вещество вступило в реакцию с железом, получают белый чугун, если включено в виде графита – серый;
• феррит – железо с минимальной примесью углерода и других элементов – 0,04%. Собственно, это и есть химически чистое железо;
• перлит – не сплав, а механическая смесь карбида железа и феррита. Свойства его заметно отличаются от свойств металла;
• аустенит – раствор углерода в железе с долей первого до 0,8%. Аустенит отличается пластичностью, магнитными свойствами не обладает.

Про методы применения железа в виде стали читайте ниже.

Стали

Конечно, наибольшее применение находят сталь и чугун, а их использование зависит от доли углерода в составе. По этому признаку различают углеродистые и легированные стали. В первом случае примеси носят постоянный характер, то есть, попадают в сплав из-за особенностей процесса выплавки. В легированные добавки вводят специально для придания материалу особых свойств. В качестве легирующих элементов применяют ванадий, титан, хром, никель и так далее.

Углеродистые стали разделяются на 3 группы:

• малоуглеродистые – доля элемента менее 0,25%, наиболее ковкие и пластичные;
• среднеуглеродистые – с долей углерода до 0,6%;
• высокоуглеродистые – содержание элемента превышает 0,6%.

Легированные стали тоже составляют собой 3 группы:

• низколегированные – массовая доля всех компонентов составляет 2,5%:
• среднелегированные – здесь суммарное содержание может достигать 10%;
• высоколегированные – доля легирующих элементов превышает 10%.

Легированные стали обычно являются материалом для инструментов и машинных узлов, так как введение дополнительных ингредиентов повышает прочность сплава, придает ему жаростойкость или коррозионную стойкость. Углеродистые, в основном, применяют для каркасных сооружений, изготовления водопровода и так далее.

Все стали можно разделить по назначению:

• строительные – в основном это высоко- или среднеуглеродистые стали. Сплавы применяются для всех строительных работ: от сооружения металлических каркасов до изготовления предметов быта и кровельного листа;
• конструкционные – низкоуглеродистые стали с долей элемента до 0,75%. Это материал для всех отраслей машиностроения – от велосипедов до морских судов;
• инструментальная – низкоуглеродистая, но отличается от конструкционной еще и очень низким содержанием марганца – не более 0,4%. Это основа измерительного, штампованного, режущего инструмента;
• специальные стали – разделяются на 2 подвида: с особыми физическими качествами – электротехническая сталь с заданными магнитными свойствами, и с особыми химическими – жаропрочная, нержавеющая и так далее.

Применение легированных сталей определяется их качествами.

• Так, нержавеющая сталь используется в строительстве и машиностроении, где требуется более высокая, чем обычно стойкость к коррозии.
• Жаропрочные сплавы «работают» в условиях высоких температур – турбины, магистрали отопления. Жаростойкие – не окисляются при высоких температурах, что важно для многих рабочих узлов в теплотехнике.

Еще одно разделение сплавов – по качеству. Этот параметр определяет содержание фосфора и серы – вредных примесей, которые уменьшают прочность сплава. Различают 4 вида:

• сталь обыкновенного качества включает до 0,06% серы и 0,07% фосфора. Это обычные строительные материалы, применяемые при изготовлении труб, швеллеров, уголков, профилей и другого металлопроката;
• качественная – допускает долю серы до 0,035% и такую же долю фосфора. Также применяется в производстве металлопроката, корпусов, деталей машин и некоторых марок инструментальной стали;
• высококачественная – доля серы и фосфора не превышает 0,025%, соответственно. К этой категории относят инструментальные и конструкционные стали, применяемые в условиях высокой нагрузки;
• особовысококачественная – содержание серы менее 0,015%, фосфора – менее 0,025%. Этот материал отличается максимальной стойкостью к износу. Некоторые марки выделяются в особую категорию и маркируются соответствующим образом, например, шарикоподшипниковая сталь, или быстрорежущая – незаменимый элемент качественного режущего инструмента.

О применении чугуна и стали расскажет видео ниже:

Чугун

Применение чугуна не намного меньше, поскольку его механические качества вполне сопоставимы со многими марками стали. В соответствии с категорией чугуна различается и применение:

• серый чугун – углерод в железе находится в виде графитовых пластинок. Отличается хорошими литьевыми свойствами и малой усадкой. Но наиболее примечательное его качество – стойкость к переменным нагрузкам. Серый чугун используют при изготовлении прокатных станков, станин, подшипников, маховиков, поршневых колец, деталей тракторных и автомобильных двигателей, корпусов и так далее;
• белый чугун – углерод связан с железом. Почти целиком используется для получения стали;
• высокопрочный чугун – углерод находится в виде включений шаровидной формы. Такая форма обеспечивает высокую стойкость к нагрузке на растяжение и изгиб. Из чугуна изготавливают детали турбин, коленчатые валы тракторов и автомобилей, шестерни, изложницы и так далее.

Чугун также можно легировать и получать сплав с самыми разными свойствами.

• Износостойкий чугун применяется для изготовления насосных деталей, тормозов, дисков сцепления.
• Жаростойкий применяется при сооружении доменных, мартеновских, термических печей.
• Жаропрочный используется при сооружении газовых печей, при изготовлении компрессорного оборудования, дизельных двигателей.

Далее рассмотрено практическое применение железа на основе его физических свойств в строительной сфере.

Начало истории железа

В третьем тысячелетии до н. э. люди стали добывать и научились обрабатывать бронзу и медь. Широкого применения из-за дороговизны они не получили. Продолжались поиски нового металла. История железа началась в первом веке до н. э. В природе его можно встретить только в виде соединений с кислородом. Для получения чистого металла необходимо отделить последний элемент. Расплавить железо долго не удавалось, так как его надо было нагреть до 1539 градусов. И только с появлением сыродутных печей в первом тысячелетии до новой эры стали получать этот металл. На первых порах он был хрупким, содержал много шлаков.

С появлением горнов качество железа значительно улучшилось. Дальнейшую обработку оно проходило в кузнеце, где ударами молота отделялся шлак. Ковка стала одним из главных видов обработки металла, а кузнечное дело незаменимой отраслью производства. Железо в чистом виде – это очень мягкий металл. В основном его используют в сплаве с углеродом. Эта добавка усиливает такое физическое свойство железа, как твердость. Дешевый материал вскоре широко проник во все сферы деятельности человека и сделал переворот в развитии общества. Ведь еще в древние времена железные изделия покрывались толстым слоем золота. Оно имело высокую цену по сравнению с благородным металлом.

Особенность свойств

Одним из физических свойств железа является ферромагнитность. На практике с магнитными свойствами этого материала приходится встречаться часто. Это — единственный металл, который обладает такой редкостной чертой.

Под действием магнитного поля происходит намагничивание железа. Сформировавшиеся магнитные свойства металл еще долго сохраняет и сам остается магнитом. Такое исключительное явление объясняется тем, что структура железа содержит большое количество свободных электронов, способных передвигаться.