Železo (Ferrum) Fe

Výskyt

• Ryzí – v meteoritech
• Vázané – v rudách (viz dále), v železitých minerálních vodách Fe(HCO₃)₂ nebo Fe(HCO₃)^{3 –}, biogenní prvek – hemoglobin
• Rudy železa:
  • Fe₃O₄ – magnetit (magnetovec)
  • Fe₂O₃ – hematit (krevel)
  • Fe₂O₃.nH₂O – limonit (hnědel)
  • FeCO₃ – siderit (ocelek)
  • FeS₂ – pyrit

Fyzikální vlastnosti čistého Fe

• Stříbrobílý, lesklý, měkký kov
• Kujný, tažný, slévatelný
• 3 alotropické modifikace α, β, γ
• Nemá technický význam

Chemické vlastnosti

• čísla II, III
• Neušlechtilý kov
• Na suchém vzduchu stálý
• Ve vlhku – koroze
• Definice koroze: postupné chemické nebo fyzikálně-chemické znehodnocování materiálu za působení okolního prostředí

–          Koroze železa

• Fe nH2O (= Fe(OH)3) rez
• Korozi urychluje přítomnost: SO₂, CO₂, NO₂
• Koroze má chemickou nebo elektrochemickou povahu
• Rez není souvislá vrstva – odlupuje se → nový povrch → další koroze

–          Ochrana proti korozi

• Důvod: koroze způsobuje značné ekonomické ztráty
• Způsoby ochrany
  • Nátěry: laky, oleje, barvy
  • Povlaky: galvanické pokovování Zn, Sn, Cr, Ni (Fe předmět je katodou, vyredukuje se na něm ušlechtilejší kov)

Reaktivita železa

• Reaguje se zředěnými kyselinami
• Koncentrovaná HNO₃, H₂SO₄ a H₃PO₄ ho pasivují
• Za ↑t reaguje s některými prvky přímo (S, O₂, X)
• Je odolné vůči alkalickým hydroxidům

Sloučeniny železa

• FeSO₄.7H₂O – zelená skalice, postřiky, konzervace dřeva jedovatá
• Fe₂O₃ – červenohnědý pigment, nosič magnetického záznamu na magnetické pásce
• K₄[Fe(CN)₆] – žlutá krevní sůl K₃[Fe(CN)₆] – červená krevní sůl

Výroba železa

Technické (surové) železo

• Princip výroby: redukce kyslíkatých rud koksem a CO
• Zařízení: vysoká pec = měří cca 50m, žáruvzdorná vyzdívka, kontinuální zařízení, u nás v Ostravě

Vysoká pec

• Suroviny: upravená železná ruda, koks, struskotvorné přísady (vápenec), předehřátý vzduch + O₂
• Produkty: surové Fe, struska, kychtové plyny

1800-2000°C

1300°C

700°C

400°C

200-300°C

Chemické pochody ve vysoké peci

• C + O₂ → CO₂↑
• CO₂ prostupuje koksem zpět nahoru a redukuje se na CO
• Vyšší část pece – nepřímá redukce, 400-900°C, redukční činidlo CO

3 Fe₂O₃ + CO → 2 Fe₃O₄ + CO₂↑

Fe₃O₄ + CO → 3 FeO + CO₂↑

FeO + CO → Fe + CO₂↑

• Nižší část pece – přímá redukce koksem (C), 1800-2000°C

Fe₂O₃ + 3 C → 2 Fe + 3 CO↑

Fe₃O₄ + 4 C → 3 Fe + 4 CO↑

FeO + C → Fe + CO↑

Surové železo

• Stéká do nístěje, obsahuje 2-4% C
• Po 4-6 hod vypouštění = odpich do forem, odlitky = housky
• Další zpracování: na ocel, na litinu

Další produkty a jejich využití

–          Struska

• Je lehčí, plave na Fe a chrání ho před oxidací
• Vzniká reakcí hlušiny se struskotvornými látkami
• Užití: stavebnictví – tvárnice

–          Kychtové plyny

• Hlavně CO a CO₂ (+ H₂, CH₄, N₂, … málo)
• Teplo z jejich spalování se využívá k předehřátí vzduchu

Ocel

• Ocel = slitina Fe + C (obsah C < 2,11% )
• Vyšší obsah C = litina
• Surové Fe nemá vhodné fyzikální vlastnosti, není kujné ani pružné → nutné zušlechťování
• Ocel = železo zušlechtěné zkujňováním
• Princip: snižování obsahu uhlíku (Fe₃C) a odstranění příměsí (Si, S, Mg, P)

Výroba oceli

1.      V konvertorech (od 19. st. dodnes)

• Bessemerův konvertor
• Surové roztavené Fe + vhánění O₂ zespodu → oxidace C a nežádoucích příměsí (cca 15 min)
• FeC₃ + O₂ → 3Fe + CO₂
• Původně – kyselá vyzdívka → nedokáže odstranit S a P
• Zásaditá vyzdívka – Thomasův konvertor – odstraní P a S
• Dnes – kyslíkové konvertory – vhánění O₂ seshora

2.      V siemens-martinských pecích (od 19. st do 60. let 20. st.)

• Používá ohřev vzduchu → dosažení vyšších teplot
• Pomalejší proces (24 hod)
• Kvalitnější ocel
• Vsádka až 500 tun

3.      V elektrických pecích (od 20. st.)

• Požadované teploty je dosaženou elektrickým obloukem mezi C elektrodou a vsádkou
• Potřebný O₂ se dodává železným šrotem (Fe₂O₃, Fe(OH)₃)
• Šrot je hlavní částí vsádky, surové Fe je v menšině

Vlastnosti oceli podle obsahu C

• Do 1,4% C oceli měkké a tvárné
• Nad 1,4% C oceli tvrdé a pružné
• Ocel se odlévá do forem tzv. kokil
• Odlitek = ingot

Další zušlechťování ocelí

Kalení

• Výrobek se zahřeje do žáru a prudce ochladí (ve vodě)
• Ocel tvrdá, ale křehká

Popouštění

• Zakalená ocel se zahřeje (200-300°C) a pomalu se ochlazuje
• Odstraní se křehkost, ale ne tvrdost

Legování

• Přísady dalších kovů (Ti, W, Cr, Ni, …)
• Zlepšují se mechanické vlastnosti oceli

Druhy ocelí

• Dnes cca 2 500 druhů
• Dělení podle složení nebo podle použití
• Příklady podle použití:
  • Konstrukční oceli – nelegovaná, stavebnictví
  • Nástrojové oceli – středně až vysoce legované příměsi: Ni, Mo, W, Cr, V (podle použití)
  • Pružinové oceli – vyšší obsah C + Mn, Cr
  • Korozivzdorné oceli – běžné mají 18% Cr + 10% Ni

Damascénská ocel

• Obsahuje dva druhy ocelí spojených překládáním a kovářským svařováním (něco jako listové těsto)
• Výrobek spojuje vlastnosti obou, může být pružný i tvrdý