Metalprofil: Jernegenskaber og egenskaber

Jerns brug af mennesker går omkring 5.000 år tilbage. Det er det næst mest rigelige metalelement i jordskorpen og bruges primært til at fremstille stål, et af de vigtigste strukturelle materialer i verden.

Inden vi kommer for dybt ind i historien og moderne anvendelser af jern, lad os gennemgå de grundlæggende:

• Atomisk symbol: Fe
• Atomnummer: 26
• Elementkategori: Overgangsmetal
• Densitet: 7.874 g / cm³
• Smeltepunkt: 1538 ° C (2800 ° F)
• Kogepunkt: 2862 ° C (5182 ° F)
• Mohs hårdhed: 4

Rent jern er et sølvfarvet metal, der leder varme og elektricitet godt. Jern er for reaktivt til at eksistere alene, så det forekommer kun naturligt i jordskorpen som jernmalm, såsom hæmatit, magnetit og siderit.

Et af jernens identificerende egenskaber er, at det er stærkt magnetisk. Udsat for et stærkt magnetfelt kan ethvert stykke jern magnetiseres. Forskere mener, at Jordens kerne består af ca. 90% jern. Den magnetiske kraft, der produceres af dette jern, er det, der skaber de magnetiske nord- og sydpoler.

Jern blev sandsynligvis oprindeligt opdaget og ekstraheret som et resultat af vedfyring oven på jernholdige malme.Kulstoffet inde i træet ville have reageret med ilt i malmen og efterladt en blød, formbart jernmetal. Jernsmeltning og brugen af ​​jern til at fremstille værktøjer og våben begyndte i Mesopotamia (nutidig Irak) mellem 2700 og 3000 f.Kr. I løbet af de følgende 2.000 år spredte viden om jernsmeltning sig østover i Europa og Afrika i en periode kendt som jernalderen.

Fra det 17. århundrede, indtil en effektiv metode til fremstilling af stål blev opdaget i midten af ​​det 19. århundrede, blev jern i stigende grad brugt som et strukturelt materiale til at fremstille skibe, broer og bygninger. Eiffeltårnet, der blev opført i 1889, blev lavet ved hjælp af over 7 millioner kilo smedejern.

Jerns mest besværlige egenskab er dens tendens til at danne rust. Rust (eller jernoxid) er en brun, smuldrende forbindelse, der produceres, når jernet udsættes for ilt. Den iltgas, der er indeholdt i vand, fremskynder processen med korrosion. Rusthastigheden - hvor hurtigt jern omdannes til jernoxid - bestemmes af iltindholdet i vandet og jernets overfladeareal. Saltvand indeholder mere ilt end ferskvand, hvorfor saltvand ruster jern hurtigere end ferskvand.

Rust kan forhindres ved at overtrække jern med andre metaller, der er mere kemisk attraktive for ilt, såsom zink (processen med belægning af jern med zink benævnes "galvanisering"). Den mest effektive metode til beskyttelse mod rust er imidlertid brugen af ​​stål.

Stål er en legering af jern og forskellige andre metaller, der bruges til at forbedre egenskaberne (styrke, modstand mod korrosion, tolerance over for varme osv.) af jern. Ændring af type og mængde af elementerne legeret med jern kan producere forskellige typer stål.

De mest almindelige stål er:

• Kulstål, der indeholder mellem 0,5% og 1,5% kulstof: Dette er den mest almindelige ståltype, der bruges til auto-karosserier, skibsskrog, knive, maskiner og alle typer konstruktionsstøtter.
• Lavlegeret stål, der indeholder 1-5% andre metaller (ofte nikkel eller wolfram): Nikkelstål kan modstå høje spændingsniveauer og bruges derfor ofte til konstruktion af broer og til fremstilling af cykelskæder. Wolframstål holder deres form og styrke i miljøer ved høj temperatur, og de bruges i slag, roterende applikationer, såsom bor.
• Højlegeret stål, der indeholder 12-18% andre metaller: Denne type stål bruges kun til specialanvendelser på grund af dets høje omkostninger. Et eksempel på højlegeret stål er rustfrit stål, som ofte indeholder chrom og nikkel, men det kan også legeres med forskellige andre metaller. Rustfrit stål er meget stærkt og meget modstandsdygtigt over for korrosion.

Det meste jern produceres fra malm, der findes nær jordoverfladen.Moderne ekstraktionsteknikker anvender højovne, der er kendetegnet ved deres høje stakke (skorstenlignende strukturer). Jernet hældes i stablerne sammen med koks (kulstofrige kul) og kalksten (calciumcarbonat). I dag gennemgår jernmalmen normalt en sintringsproces, inden den går ind i stakken. Sintringsprocessen danner malmstykker, der er 10-25 mm, og disse stykker blandes derefter med koks og kalksten.

Den sintrede malm, koks og kalksten hældes derefter i stakken, hvor den brænder ved 1.800 grader celsius. Koks forbrænder som en varmekilde og hjælper sammen med ilt, der skydes ind i ovnen, til at danne kulstofmonoxidets reducerende gas. Kalksten blandes med urenheder i jernet til dannelse af slagge. Slagge er lettere end smeltet jernmalm, så den stiger op til overfladen og kan let fjernes. Det varme jern hældes derefter i forme til fremstilling af svinejern eller direkte forberedt til stålproduktion.

Svinejern indeholder stadig mellem 3,5% og 4,5% kulstof,sammen med andre urenheder, og det er sprødt og vanskeligt at arbejde med. Forskellige processer bruges til at sænke fosfor- og svovlforureninger i svinejern og fremstille støbejern. Smedejern, der indeholder mindre end 0,25% kulstof, er hårdt, formbart og let svejset, men det er meget mere besværligt og kostbart at producere end lavt kulstofstål.

I 2010 var den samlede produktion af jernmalm omkring 2,4 milliarder ton. Kina, den største producent, tegnede sig for ca. 37,5% af al produktion, mens andre større producerende lande inkluderer Australien, Brasilien, Indien og Rusland. U.S. Geological Survey estimerer, at 95% af al metalltonnage produceret i verden enten er jern eller stål.

Jern var engang det primære strukturelle materiale, men det er siden blevet erstattet af stål i de fleste anvendelser. Ikke desto mindre bruges støbejern stadig i rør og bildele som cylinderhoveder, cylinderblokke og gearkassetasker. Smedejern bruges stadig til at fremstille husindretningsprodukter, såsom vinrakke, lysestager og gardinstænger.