Железная руда: химическая формула, применения, сплавы на основе железа

Железо считается самым популярным материалом. Его используют во всех отраслях промышленности. Людям этот металл знаком с глубокой древности. Когда кузнецы научились получать чистый материал, он превзошёл известные на то время сплавы, вытеснил их из производства. Сплавы железа появились в результате попыток людей изменить характеристики этого металла.

Сплав железа

Что представляет собой железная руда?

В природных условиях техническое железо не существует, поэтому его всегда синтезируют из руды. От местонахождения руды зависит процентное соотношение железа. Как правило, в горной породе содержится от 15 % железа.

До нахождения железа в природе человек использовал бронзу и медь, которые по надежности и прочности уступают железу. Поэтому люди стали активно искать и использовать железную руду. Много столетий назад мастера умели отличать качество руды без анализа элементов.

История открытия

Из школьного курса все помнят «железный век». Это период истории, когда человек впервые научился получать этот металл из руды. Железный век приходится на период с 9 по 7 век до нашей эры. Этот металл оказал огромное влияние на развитие людей того времени. По своим характеристикам он вытеснил смеси цветных металлов. Из него изготавливали орудия труда, оружие, доспехи, материалы для строительства и многое другое. Постепенно кузнецы начали смешивать его с другими металлами, чтобы получить новые материалы. Так появлялись новые сплавы.

Как называются сплавы на основе железа?

Сплав – это смесь, которая включает не только основной металл, но и дополнительные примеси. Соединения на основе железа называются черными металлами. К ним относится ряд сплавов на основе железа.

1. Сталь – соединение углерода с другими химическими элементами. Содержание углерода может составлять до 2,14 %.
2. Чугун – смесь углерода и марганца, фосфора или серы. Содержание углерода может составлять до 3,5 %.
3. Перлит – соединение железа и углерода (до 0,8 %).
4. Феррит – чистый материал, содержание углерода в котором составляет до 0,04 %.
5. Аустенит — соединение с содержанием углерода до 2,14 %.

Производства, где используется железная среда, – основа цивилизации.

Состав и свойства

Строение и свойства железа обуславливают его популярность относительно разных отраслей промышленности. Состав представляет собой основной материал с примесями другим веществ. Количество дополнительных металлов не превышает 0,8%. К основным параметрам относятся:

1. Температура плавления — 1539 градусов по Цельсию.
2. Твердость по Бринеллю — 350–450 Мн/кв. м.
3. Удельная масса — 55,8.
4. Плотность — 7,409 г/куб см.
5. Теплопроводность — 74,04 Вт/(м·К) (при комнатной температуре).
6. Электропроводность — 9,7·10-8 ом·м.

Нельзя забывать, что железо считается одним из важнейших элементов в организме человека. Однако он крайне сложно усваивается из пищи. Суточная норма, которую должен употреблять мужчина — 10 мг. Женщины должны потреблять 20 мг этого вещества, чтобы организм работал нормально.

Способы получения железной руды

Железная руда залегает на разной глубине, поэтому для добычи применяются различные методы.

1. Карьерный способ. Карьерный способ актуален для добычи руды, залегающей на глубине 200–300 м. С помощью экскаваторов руду извлекают из почвы, а затем дробленое сырье грузят и поставляют в специальные комбинаты.
2. Шахтный метод. Шахтный метод актуален для железной руды, которая располагается на глубине до 900 м. Сначала пробивают створ шахты, от которого вдоль пластов разрабатывают штреки. Из шахт измельченное сырье передается с помощью транспортеров. Затем сырье помещают на машины и отправляют на специальные предприятия.
3. Скважинная гидродобыча. Этот способ заключается в бурении скважины до пласта руды. Затем в створ проводят трубы, которые сильным напором воды измельчают руду. У этого способа небольшая эффективность, поэтому он применяется редко. Около 3 % руды добывается скважинной гидродобычей.

Сферы применения

Этот материл применяется в разных отраслях промышленности:

1. Смеси и однородный металл применяются в машиностроении. Из них изготавливаются внутренние детали, корпуса, подвижные механизмы.
2. Судостроение, самолётостроение, ракетостроение.
3. Строительство — изготовление крепежей, расходных материалов.
4. Приборостроение — изготовление электроники для дома.
5. Радиоэлектроника — создание элементов для электроприборов.
6. Медицина, станкостроение, химическая промышленность.
7. Изготовление оружия.

Если для чего-то не подходит однородный материал, подойдут соединения на его основе, характеристики которых значительно отличаются.

Местонахождение железной руды

Мировые запасы железной руды не безграничны. Сырье для синтеза железа не встречается на каждом углу. Территории, в которых располагаются большие запасы руд, называют месторождениями. Они классифицируются на типы.

• Эндогенные месторождения – место с особенным положением в коре Земли. Часто они являются титаномагнетитовыми рудами. Внешне они напоминают линзы и пласты.
• Экзогенные месторождения – расположение лимонита и др.
• Метаморфогенные месторождения – расположение кварцитов и др.

В странах бывшего Советского Союза находятся огромные запасы железной руды. Большой процент горных пород находится в Украине, Российской Федерации и Казахстане. Также железная руда есть и в Бразилии, Канаде, Австралии, США и других государствах. Но некоторые страны испытывают дефицит железа в промышленностях, поэтому часто приходится импортировать сплавы.

Диаграммы состояния двухкомпонентных систем. Фазы, структуры

Сплавы состоят из двух и более элементов периодической системы. Элементы, образующие сплавы, называют компонентами. Свойства сплава зависят от многих факторов, но, прежде всего они определяются составом фаз и их количественным соотношением.
Зная диаграмму состояния, можно представить полную картину:

• формирования структуры любого сплава;
• определить оптимальную температуру заливки сплава для получения литых деталей;
• оценить жидкотекучесть выбранного сплава и возможность получения химической неоднородности;
• сделать заключение о возможности и условиях обработки давлением;
• определить режим термической обработки, необходимый для данного сплава.

Основные определения.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение фазового состава сплавов данной системы в функции температуры и химического состава сплава (рис.1, рис.2)

Рис.1 Метод построения диаграмм состояния

Рис.2 Экспериментальная установка для построения диаграмм состояния

где: 1 – печь; 2 – тигель; 3 – расплавленный металл; 4 – горячий спай; 5 – термопара; 6 – колпачок; 7 – холодный спай; 8 гальванометр

Экспериментально построенные диаграммы состояния проверяют по правилу фаз, дающему возможность теоретически обосновать направление протекания процессов превращения для установления равновесного состояния системы.

Правило фаз даёт возможность:

• предсказать и проверить процессы, происходящие в сплавах при нагреве и охлаждении;
• оно показывает, происходит ли процесс кристаллизации при постоянной температуре или в интервале температур;
• указывает, какое число фаз может одновременно существовать в системе.

Правило фаз выражается следующим уравнением:

С = К + 1 – Ф

где: К – число компонентов в системе; Ф – число фаз; С – число степеней свободы (или вариантность системы). Число степеней свободы – это число независимых переменных внутренних (состав фаз) и внешних (температура, давление) факторов, которые можно изменять без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком и твёрдом состоянии (рис.3).

Имея диаграмму состояния, можно проследить за фазовыми превращениями любого сплава и указать состав и количественное соотношение фаз при любой температуре.

Это осуществляется при помощи двух простых правил (рис.4):

1. Правило концентраций – правила определения состава фаз;
2. Правило отрезков – правило определения количественного определения фаз.

Рис.3 Диаграмма состояния с неограниченной растворимостью и кривые охлаждения для сплавов и чистых компонентов

Рис.4 Применение правила концентраций и правила отрезков

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых ограниченно растворимы в твёрдом состоянии и образуют эвтектику (рис.5).

Рис.5 Построение кривых охлаждения для диаграммы с ограниченной растворимостью и с эвтектикой

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной переменной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии (рис.6).

Рис.6 Построение кривых охлаждения для диаграммы с ограниченной переменной растворимостью

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой ограниченно растворимы в твёрдом состоянии и образуют перитектику (рис.7)

Рис.7 Построение кривых охлаждения для диаграмм с перитектикой

Диаграммы состояний сплавов, с полиморфным и эвтектойдным превращением компонентов (рис.8)

Эвтектойдное превращение: γЕ → αК + βF

Рис.8 Построение кривых охлаждения для диаграммы с полиморфным превращением

Диаграммы состояний сплавов, компоненты которых образуют химические соединения (рис.9)

Рис.9 Диаграмма состояния, компоненты которых образуют химические соединения

Физические и механические свойства сплавов в равновесном состоянии.

Свойства сплавов в значительной степени определяется фазовым составом, о котором можно судить по диаграмме состояния (рис.10). Большой практический интерес представляют технологические свойства твёрдых растворов.

Сплавы в состоянии твёрдых растворов хорошо обрабатываются давлением и трудно – резанием. Литейные свойства твёрдых растворов, как правило, не удовлетворительны. Наилучшей жидкотекучестью обладают эвтектические сплавы.

Промежуточные фазы в большинстве случаев обладают высокими твёрдостью, температурой плавления и хрупкостью (карбиды, нитриды, бориды, оксиды и др.).

Закономерности, отмеченные Н.С.Курнаковым, являются основой при разработке составов сплавов с заданными свойствами.

Таким образом, помимо классификации кристаллов по видам связи, используют классификацию по типам кристаллической решётки. Такая классификация позволяет прогнозировать характер изменения свойств сплава в функции состава.

Рис.10 Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояний (правило Н.С.Курнакова)

Использование в строительстве

Сталь и чугун уникальным образом сочетают прочность, эксплуатационную долговечность и доступную стоимость. Поэтому заменить его каким-либо другим конструкционным материалом не представляется возможным. В строительстве продукция металлопроката является базовой наряду с бетоном и кирпичом.

Капитальное строительство

Металлу можно придать любую форму: от самой простой – прут, до причудливой сложной – кованое железо. В строительстве находят применение для всех вариантов.

Кроме того, что сталь сама по себе отличается прочностью, тем более после специальной обработки, в этой области активно применяется и еще одна особенность. Дело в том, что профильные изделия из металла ничем не уступают по прочности цельной детали таких же размеров и формы. А это значительно уменьшает материалоемкость строительных элементов, уменьшает их стоимость, снижает вес и так далее. В строительстве такое сочетание исключительно важно.

Применяемый металлопрокат разделяют на 3 основные группы.

• Фасонный – швеллеры, двутавры, угловой и обычный профиль, а также перфорированный. Сюда же относят и специальный профиль, применяемый, например, в шахтных выработках. Фасонный металлопрокат применяют при возведении всех типов каркасов для любого сооружения – от зданий до мостов и плотин. Его же используют при необходимости усилить конструкцию.
• Сортовой – арматура, балки, трубы, круги и прочее. Эти элементы используются едва ли не чаще, чем фасонный и очень многообразны: арматура – стальные прутья разного диаметра, гладкие и с ребрами. Арматура предназначена для повышения прочности здания, причем показателем является не только стойкость к стационарной нагрузке, но и повышение прочности при нагрузке на растяжение и изгиб. Арматуру используют при возведении фундамента, перекрытий, железобетонных плит, усиления стен, а также при упрочнении кирпичной кладки и других конструктивных узлов – лестниц, например;
• трубы – причем используются и круглые, и профильные. Предпочтительнее трубы прямоугольного квадратного сечения, поскольку их сварка и крепление более проста, чем в случае круглых, а стойкость к нагрузкам такая же;
• балка – вариант цельнолитого изделия, когда требуется прочность при самых высоких нагрузках.

• Листовой прокат – листы горячего и холодного проката с покрытием и без. Это кровельные листы, профнастил, металлочерепица и так далее. Профнастил применяют не только для устройства кровли, но и при сооружении разнообразных ограждений, поскольку материал соединяет относительную легкость с высокой прочностью и стойкостью к перепадам температур.

В строительстве чаще используют листы с покрытием – оцинкованные, например, или с полимерным защитным слоем. Такой вариант намного долговечнее, так как не подвержен коррозии.

Нержавеющие стали для листового проката применяют редко, поскольку стоимость сплава выше.

Отделочные работы

Основой их часто выступают металлические изделия – и трубы, и профиль, и листовое железо.

• Трубы необычных форм активно применяют в современных интерьерах. Из них сооружают спальные блоки, перекрытия и перегородки в комнате, ограждения как лестничные, так и уличные, используют даже в производстве мебели. Здесь трубы, конечно, подбирают с красивым покрытием – никель, хром, хотя встречаются и окрашенные изделия.
• Профиль – ниши и декоративные выступы, колонны и потолки, отделка стен и каминов и прочее и прочее. Все, что обшивается и облицовывается гипсокартоном, пленкой, плиткой, вагонкой, панелями – абсолютно все имеет каркас из металлического профиля. В изготовлении мебели – шкафов-купе, например, также применяется специализированный профиль. Стальной по сравнению с алюминиевым отличается куда большей прочностью и долговечностью.
• Металл может выступать не только каркасом, но отделочным материалом. Реечные, кассетные, панельные потолки исключительно разнообразны, интересны и долговечны. И рейки, и панели могут изготавливаться из алюминия, но если требуется долговечное и прочное решение – например, для отделки потолка железнодорожного вокзала, где требуется стойкость к вибрациям, используется, конечно же, сталь.
• Двери – к отделочным работам уже не относятся, а выступают, скорее, элементом системы защиты. Входные двери из стали достаточной толщины являются самым популярным и надежным способом предупредить взлом жилища. То же самое можно сказать о гаражных воротах, например, или воротах во двор.
• Лестничные конструкции – металлические лестницы очень разнообразны: от приставной или складной мансардной, до капитального сооружения на 2 этаж. Такой вариант прочен и надежен, при этом может быть очень красив. Современные модульные лестницы комбинируются со стеклом, прозрачным пластиком или даже деревом, а каменную лестницу могут украсить кованые перила.

Коммуникации

Несмотря на то что стальной трубопровод активно вытесняет пластиковые и металлопластиковые, до полной сдачи позиций еще чрезвычайно далеко. Причина проста: с прочностью и стойкостью стали мало что сравнится.

• Водопровод и канализация – если для обслуживания частного дома или квартиры можно подключать пластиковые изделия, то о магистрали и даже трубопроводе, обслуживающем многоквартирный дом этого сказать нельзя. Допускаются только железные трубы, причем соответствующие твердо установленным стандартам.
• Газопровод – вариантов нет, используется только сталь.
• Системы отопления – в здании система может включать пластиковые трубы. Городские и районные магистрали, не говоря уже о трубопроводе, непосредственно обслуживающем котельную, могут быть только железными. Начальная температура нагретой воды намного выше той, которую может выдержать пластиковые водоводы, не говоря уж о давлении.
• Батареи и радиаторы, как правило, тоже используются железные или чугунные – у чугуна выше теплоемкость и стойкость к гидроударам. Какими бы современными вариантами отопители не заменялись, сталь в конструкции все равно наличествует. Электрические радиаторы – конвекторные, масляные, всегда изготавливаются из стали, поскольку последняя, обладая высокой теплопроводностью, моментально отдает тепло воздуху.
• Кабели – проводку в доме чаще всего прячут в пластиковые короба. Однако силовые кабели с большим сечением защищаются металлическими трубами.
• Дымоходы – стальные трубы являются вариантом самым простым, доступным и легким. Для их изготовления применяют специальную жаростойкую сталь, причем устойчивую к коррозии.

Оборудование и предметы быта

Любая техника, устанавливаемая в доме, производится из стали.

• Отопительные котлы – на каком бы топливе аппараты не работали, корпуса их всегда изготавливаются из стали. В твердотопливных печах есть чугунные детали.
• Кухонное оборудование – плиты, духовки, микроволновки, пароварки и так далее имеют стальные корпуса и детали. На кухне сталь является и востребованным отделочным материалом: рабочие столешницы, например, отделка фартука. Сталь – материал очень декоративный и лишь кажется простым.
• Стиральные машины, сушилки и посудомойки также не обходятся без железа.
• Сантехника из стали применяется редко – из-за высокой теплопроводности, а вот чугунные ванны и умывальники устанавливают до сих пор. Материал лучше хранит тепло и очень долговечен.
• Посуда и столовые приборы, подставки и вазы, держатели и фурнитура, электрооборудование и мелкие аксессуары – места, где железо не используется, на пальцах можно пересчитать.
• Кованое железо – декоративные предметы такого рода являются настоящим произведением искусства, особенно когда речь идет о горячей ковке, при которой каждое изделие, каждая деталь изготавливается вручную и только один раз. Кованые решетки, перила, камины, ограждения украшают дворцы и современные павильоны, и, конечно, жилые квартиры.

Железо – главный конструкционный материал. В строительстве сталь и чугун являются базовыми материалами наряду со строительным камнем. Применение и разнообразие сплавов не поддается описанию.

Еще больше полезной информации по вопросу применения железа содержится в этом видео: