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
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