Metallprofil: jernegenskaper og egenskaper

Jernens bruk av mennesker går tilbake om 5000 år. Det er det nest mest omfattende metallelementet i jordskorpen og brukes hovedsakelig til å produsere stål, et av de viktigste strukturelle materialene i verden.

Egenskaper

• Atomisk symbol: Fe
• Atomisk nummer: 26
• Element Kategori: Overgangsmetall
• Tetthet: 7. 874g / cm ³
• Smeltepunkt: 2800 ° F 1538 ° C)
• Kokepunkt: 5182 ° F (2862 ° C)
• Mohs hardhet: 4

Egenskaper

Rent jern er et sølvfarget metall som utfører varme og elektrisitet godt.

Jern er for reaktiv til å eksistere alene, så det forekommer bare naturlig i jordskorpen som jernmalm, som hematitt, magnetitt og sideritt.

Et av jernens identifiserende egenskaper er at det er sterkt magnetisk. Utstilt til et sterkt magnetfelt, kan noe stykke jern magnetiseres. Forskere mener at jordens kjerne består av ca 90% jern. Den magnetiske kraften som produseres av dette jernet, er det som skaper de magnetiske nord- og sørpolene.

Historie

Jern ble sannsynligvis opprinnelig oppdaget og ekstrahert som følge av vedbrenning på toppen av jernholdige malmer. Karbonet i treet ville ha reagert med oksygen i malmen, etterlot et mykt, smeltbart jernmetall. Jernsmelting og bruk av jern for å lage verktøy og våpen begynte i Mesopotamia (dagens Irak) mellom 2700 og 3000 f.Kr. I løpet av de følgende 2000 årene spredte jernsmeltingskunnskap østover i Europa og Afrika i en periode kjent som jernalderen.

Fra det 17. århundre fram til en effektiv metode for å produsere stål ble oppdaget i midten av 1800-tallet, brukte jern stadig mer som et strukturelt materiale for å lage skip, broer og bygninger. Eiffeltårnet, bygget i 1889, ble laget med over 7 millioner smijern.

Rust

Jernens mest plagsomme karakteristikk er dens tendens til å danne rust.

Rust (eller jernoksid) er en brun, smuldrende forbindelse som produseres når jern blir utsatt for oksygen. Oksygassen som er inneholdt i vann øker prosessen med korrosjon. Graden av rust - hvor raskt jern blir til jernoksid - bestemmes av oksygeninnholdet i vannet og overflaten av jernet. Saltvann inneholder mer oksygen enn ferskvann, og det er derfor saltvann ruster jern raskere enn ferskvann.

Rust kan forhindres ved å belegge jern med andre metaller som er kjemisk mer attraktive for oksygen, for eksempel sink (prosessen med å belegge jern med sink kalles "galvanisering"). Den mest effektive metoden for å beskytte mot rust er imidlertid bruken av stål.

Stål

Stål er en legering av jern og ulike andre metaller, som brukes til å forbedre egenskapene (styrke, korrosjonsbestandighet, varmens toleranse etc.) av jern. Endring av typen og mengden av elementene legert med jern kan produsere forskjellige typer stål.

De vanligste stålene er:

Karbonstål, som inneholder mellom 0. 5-1. 5% karbon. Disse er de vanligste stålene og brukes til auto-legemer, skipsskrog, kniver, maskiner og alle typer konstruksjonsstøtter.

1. Stål av lav legering, som inneholder mellom 1-5% andre metaller (ofte nikkel eller wolfram). Nikkelstål er i stand til å motstå høy spenningsnivå og brukes derfor ofte til bygging av broer og til å lage sykkelkjeder. Tungsten stål holder sin form og styrke i høy temperatur miljøer og brukes i støt, roterende applikasjoner, for eksempel borekroner.
2. Stål av høy legering, som inneholder 12-18% av andre metaller, brukes kun i spesialapplikasjoner på grunn av høye kostnader. Et eksempel på et høylegert stål er rustfritt stål, som ofte inneholder krom og nikkel, men kan også legeres med forskjellige andre metaller. Rustfritt stål er veldig sterkt og sterkt motstandsdyktig mot korrosjon.
3. Produksjon

Det meste jern er produsert fra malm funnet nær jordens overflate. Moderne utvinningsteknikker bruker masovner, som er preget av sine høye stabler (skorsteinlignende strukturer). Jernet helles i stablene sammen med koks (karbonrik kull) og kalkstein (kalsiumkarbonat). I dag går jernmalm normalt gjennom en sintringsprosess før den kommer inn i stakken. Denne prosessen danner stykker malm som er mellom 10-25 mm, som deretter blandes med koks og kalkstein.

Den sintede malm, koks og kalkstein helles deretter i stabelen hvor det brenner ved temperaturer på 1800 ° C. Koks brenner som en kilde til varme, og sammen med oksygen som skuttes inn i ovnen, bidrar det til å danne det reduserende gasskarbonmonoksidet. Kalkstenen blander seg med urenheter i stålet for å danne slagg. Slaget er lettere enn smeltet jernmalm, så det stiger til overflaten og kan lett fjernes. Det varme jernet blir så hellet i mugg for å produsere grisjern eller direkte forberedt til stålproduksjon.

Grisjern inneholder fortsatt mellom 3. 5-4. 5% karbon, sammen med andre urenheter, og er sprøtt og vanskelig å jobbe med. Ulike prosesser anvendes for å senke fosfor- og svovelforurensninger i grisjern for å produsere støpejern. Smijern, som inneholder mindre enn 0. 25% karbon, er tøft, formbar og lett sveiset, men er mye mer arbeidskrevende og kostbart å produsere enn lavkarbonstål.

I 2010 var global jernmalmsproduksjon rundt 2. 4 milliarder tonn. Kina, den største produsenten, utgjorde omtrent 37. 5% av all produksjon, mens andre store produserende land inkluderer Australia, Brasil, India og Russland.

Applikasjoner

Jern var en gang det primære strukturelle materialet, men det har lenge blitt erstattet av stål i de fleste applikasjoner. Ikke desto mindre brukes støpejern fremdeles i rør og til å lage automotive deler, for eksempel sylinderhoder, sylinderblokker og girkasser. Smijern brukes fortsatt til å produsere hjemmedekorater, for eksempel vinholdere, lysestaker og gardinstenger.

Referanser

Street, Arthur. & Alexander, W. O. 1944.

Metaller i tjenesten av mannen . 11. utgave (1998). The International Pig Iron Association.
Kilde: www. pigiron. org. uk
usgs. Mineral Commodity Summaries: Iron and Steel (2011).
Kilde: // mineraler. USGS. gov / mineraler / puber / vare / jern _ & _ stål