Почему железная руда не ржавеет

Почему железная руда не ржавеет

Между железом и шоколадом есть одно сходство. Так же как шоколад покрывают тонкими листиками олова – оловянной бумагой, чтобы он не сырел и не портился, так и железо нередко лудят –- защищают от ржавчины слоем олова.

Получается красивая белая жесть – та самая жесть, из которой делают банки для леденцов, коробки для консервов, дешевые чайники и т. п.

Олово великолепно защищает железо от сырости, а главное – от кислот. Кислоты еще сильнее разрушают железо, чем сырость. Вам приходилось, конечно, видеть, как быстро покрывается бурым налетом нож, которым только что разрезали лимон. Бурый налет получился оттого, что кислота разъела железо.

Олово ведет себя совсем не так. Его разъедают только очень едкие кислоты. Если вы рассмотрите жестянку из-под какого-нибудь кислого фруктового компота, вы увидите, что жесть заржавела только там, где есть царапина. Небольшие предметы имеет смысл покрывать оловом. Но лудить кровельное железо, конечно, никто не станет. Олово для этого слишком дорогой материал. Кровельное железо покрывают другим, более дешевым металлом – цинком. Оцинкованное железо еще дольше сохраняется, чем луженое.

Вы спросите: почему же, в таком случае, не делают оцинкованных или цинковых кастрюль, котелков, банок? Да очень просто. Цинк, который совсем не боится воды, легко разъедается кислотами, даже самыми слабыми. Такие кислоты часто встречаются в нашей пище, например в щавеле, в яблоках. Цинковые соли, получающиеся при соединении цинка с кислотами, очень ядовиты. Готовить или хранить пищу в цинковой посуде опасно. Другое дело такие вещи, как ведра, ванны. Их очень часто делают из цинка или из оцинкованного железа. Даже покрашенное или покрытое другим металлом железо нуждается в уходе. Крыши нужно время от времени красить, проржавевшие места заменять новыми. Человеку приходится заботиться о железе, как о живом существе, чтобы защищать его от болезни – от ржавчины.

Из чего сделаны железные вещи?

Как из чего? Ясно, что из железа. Вот вы и ошиблись. Все вещи, которые мы считаем железными — вилки, гвозди, подковы, кочерги,– на самом деле сделаны не из железа.

Вернее, не из одного железа, а из сплава железа с углем или другими веществами.

Чистое железо, не содержащее никаких примесей, ценится так дорого, что простая кочерга, сделанная из него, стоила бы больших денег. И эта кочерга была бы не только дороже, но и хуже той, которая сделана из обыкновенного железа. Чистое железо слишком мягко. Сделанная из него кочерга согнулась бы при первой же попытке пустить ее в ход. Гвоздь нельзя было бы вбить в стену, а перочинный нож годился бы только для разрезания книг.

Чистое железо настолько мягко и так легко растягивается, что из него можно было бы делать «железную бумагу», легче и тоньше папиросной. То железо, с которым мы имеем дело, всегда содержит примеси. Конечно, не всякая примесь делает железо лучше. Сера, например, портит его, делает хрупким. Самый лучший спутник железа и самый верный друг его — уголь. Уголь в железе есть почти всегда. Как же он туда попадает?

А вот как. Железо добывают из руды, которую находят в земле: Руда – это соединение железа с кислородом. Чтобы выплавить железо из руды, руду накаливают в больших печах вперемешку с углем. Печь – вроде самоварной трубы. Сверху заваливают куски руды и угля, а снизу вдувают воздух. Так поступают и хозяйки, когда раздувают самовар или утюг. В печь для выплавки железа дуют, конечно, не ртом, а сильным воздушным насосом.

Уголь накаливается добела и отнимает у руды кислород. При этом железо выплавляется из руды и стекает вниз, на дно печи. Но расплавленное жидкое железо растворяет уголь – вроде того, как горячая вода сахар. Поэтому в печи образуется не чистое железо, а раствор угля в железе — чугун. С первого дня своей жизни железо сплавлено с углем.

Почему ржавеет гвоздь?

Коррозия в сочетании с ошибками в конструкции привели к разрушению моста через реку Миссисипи в штате Миннесота (США) в августе 2007 года.

Даже к такому простому делу, как мытьё раковины, надо подходить с умом. Обширная питтинговая и язвенная коррозия кухонной мойки из нержавеющей стали вызвана неправильным подбором чистящих средств, которые содержат соединения хлора.

Коррозионное растрескивание нижней части корпуса стало причиной крушения самолёта «Боинг-737» компании «Элоу Эйрлайн» в апреле 1988 года.

Давайте вспомним, откуда берётся железо или, например, алюминий. Правильно, их выплавляют из руды — железной, марганцевой, магниевой, алюминиевой и др. Металлы в рудах содержатся в основном в виде оксидов, гидроксидов, карбонатов, сульфидов, то есть в виде химических соединений с кислородом, водой, серой и пр.

В природе в металлическом, или свободном, состоянии в основном можно встретить лишь золото, платину, иногда серебро. Эти металлы устойчивы, то есть не стремятся (или слабо стремятся) образовывать химические соединения. Наверное, по этой причине они получили название благородных.

Что же до подавляющего большинства металлов, то, чтобы они находились в свободном состоянии, их надо восстановить из природных рудных соединений, то есть выплавить. Выходит, выплавляя металл, мы переводим его из устойчивого состояния в неустойчивое. Вот он и стремится вернуться в исходное состояние — окислиться. Это и есть коррозия — естественный для металлов процесс разрушения при взаимодействии с окружающей средой. Частный случай коррозии — ржавление — образование на железе гидроксида железа Fe(ОН)₃. Этот процесс может протекать только в присутствии влаги (воды или водяных паров).

Но почему же тогда не рушатся в одночасье мосты, не рассыпаются мгновенно самолёты и автомобили? Да и кастрюльки со сковородками не превращаются на наших глазах в рыжий, чёрный или серый порошок. К счастью, реакции окисления металлов протекают не столь стремительно. Как и любой процесс, они идут с определённой скоростью, порою очень небольшой. Более того, есть много способов замедлить коррозию.

Плечо друга

Вы замечали, что на нержавеющей стали не бывает ржавчины, хотя её основу составляет то же самое железо, которое при окислении (в присутствии воды или водяного пара) превращается в рыжий мохнатый гидроксид. Тут есть одна хитрость: нержавеющая сталь — это сплав железа с другими металлами. Введение в металлические сплавы элементов для придания им тех или иных свойств называется легированием.

Основной легирующий элемент, который добавляют к обычной (углеродистой) стали, чтобы получить нержавеющую, — хром. Этот металл тоже стремится окислиться, что он с успехом и делает гораздо охотнее и быстрее, чем само железо. При этом на поверхности нержавеющей стали быстро образуется плёнка из оксида хрома. В отличие от рыхлой ржавчины компактный тёмный оксид хрома не даёт агрессивным ионам окружающей среды проникать к поверхности металла, то есть оксид попросту прикрывает собой металл, и процесс коррозии прекращается. Такие оксидные плёнки называются защитными. В нержавеющих сталях хрома должно быть строго определённое количество, но не менее 13%. Кроме хрома в нержавеющие стали часто добавляют никель, молибден, ниобий и титан.

Благодаря защитным плёнкам многие металлы неплохо выдерживают воздействие различных сред. Возьмём, к примеру, алюминиевую кастрюльку, в какой кипятят молоко или варят манную кашу. Обычно такая кастрюлька не блестит, подобно хрому или нержавеющей стали, и имеет слегка белёсый цвет. Дело в том, что на алюминии, как и на других металлах, на воздухе всегда образуется белёсая оксидная плёнка (оксид алюминия), которая отлично защищает металл от коррозии. Такие плёнки называются пассивными, а металлы, на которых они самопроизвольно образуются, — пассивирующимися. Если же алюминиевую кастрюльку почистить металлической щёткой, налёт исчезнет и появится металлический блеск. Но очень быстро поверхность вновь покроется плёнкой оксида алюминия и станет белёсой.

Укрощение активных

Перевести металл в пассивное состояние можно принудительным образом. Например, железо помимо незащитных гидроксида железа или же низших оксидов (закиси и закиси-окиси) при определённых условиях образует высший оксид — окись железа (Fe₂О₃). Этот оксид неплохо защищает металл и его сплавы при высоких температурах на воздухе, он же (одна из его форм) «ответственен», как считают специалисты, за пассивное состояние железных сплавов во многих водных средах.

Устойчивость нержавеющей стали в крепкой серной кислоте связана именно с пассивированием стали в этой весьма агрессивной среде. Если же поместить нержавейку в слабый раствор серной кислоты, сталь начнёт корродировать. Парадокс объясняется просто: крепкая серная кислота обладает сильными окислительными свойствами, благодаря чему на поверхности нержавеющей стали образуется пассивирующая плёнка, а в слабой кислоте не образуется.

В случаях, когда агрессивная среда недостаточно «окислительная», используют специальные химические добавки, помогающие образованию на поверхности металла пассивной плёнки. Такие добавки называют ингибиторами или замедлителями коррозии.

Не все металлы способны образовывать пассивные плёнки, даже принудительно. В этом случае добавление в агрессивную среду ингибитора, напротив, удерживает металл в «восстановительных» условиях, в которых его окисление подавляется (оно энергетически невыгодно).

Жертвоприношение

Искусственно поддерживать металл в «восстановительных» условиях можно и иным способом, ведь не всегда есть возможность добавить ингибитор. Возьмём, к примеру, обычное оцинкованное ведро. Оно сделано из углеродистой стали, а сверху покрыто слоем цинка. Цинк — более активный металл, чем железо, значит, он охотнее вступает в химические реакции. Поэтому цинк не просто механически изолирует стальное ведро от окружающей среды, но и «принимает огонь на себя», то есть корродирует вместо железа.

Похожим способом нередко защищают днища кораблей. Только их не покрывают сплошным слоем цинка, марганца или алюминия — это было бы очень дорого да и сложно, а прикрепляют к днищу солидный кусок более активного металла (протектора). В итоге протектор разрушается, а днище корабля остаётся целым и невредимым.

Для подземных коммуникаций «восстановительные» условия создают с помощью электрохимической защиты: накладывают на защищаемый металл отрицательный (катодный) потенциал от внешнего источника тока, так что на металле прекращается процесс окисления.

Однако зачем нужно столько разных сложных способов защиты металлов? Разве нельзя просто покрасить металл или нанести на него эмаль?

Во-первых, всё покрасить невозможно. А во-вторых… Возьмём для примера эмалированную кастрюлю или автомобиль. Если кастрюля, вырвавшись из рук, с грохотом упадёт на пол и отшибёт себе эмалированный бочок, то под отколовшейся эмалью будет зиять «чёрный глаз», края которого постепенно окрасятся в предательский рыжий цвет — скол покроется ржавчиной. Не лучшая судьба ждёт и автомобиль, если вдруг в его лаковом боку (а чаще на стыке с днищем) образуется небольшая дырочка в слое лака. Этот канал поступления к корпусу агрессивных агентов — воды, кислорода воздуха, сернистых соединений, соли — немедленно заработает, и корпус начнёт ржаветь. Вот и приходится владельцам автомобилей делать дополнительную антикоррозионную обработку.

Невидимый злодей

Так, может, проблема коррозии металлов решена? Увы, не всё так просто. Любые коррозиестойкие сплавы устойчивы только в определённых средах и условиях, для которых они разработаны. Например, большинство нержавеющих сталей отлично выдерживают кислоты, щёлочи и очень «не любят» хлориды, в которых они часто подвергаются местным видам коррозии — язвенной, точечной и межкристаллитной. Это очень коварные коррозионные разрушения. Конструкция из красивого, блестящего металла без намёка на ржавление может однажды рухнуть или рассыпаться. Всё дело в мельчайших точечных, но очень глубоких поражениях. Или же в микротрещинах, не видимых глазом на поверхности, но пронизывающих буквально всю толщу металла. Не менее опасно для многих сплавов, не подверженных общей коррозии, так называемое коррозионное растрескивание, когда внезапно конструкцию пронизывает огромная трещина. Такое случается с металлами, испытывающими длительные механические нагрузки — в самолётах и вертолётах, в различных механизмах и строительных конструкциях.

Крушение поездов, падение самолётов, разрушение мостов, выбросы газа и разливы нефти из трубопроводов — причиной подобных катастроф нередко становится коррозия. Чтобы её укротить, предстоит ещё много узнать о сложнейших природных процессах, происходящих вокруг нас.

Польза железной руды

Считается, что человек познакомился с железом метеоритного происхождения раньше, чем с другими металлами. В древности и в средние века семь известных тогда металлов сопоставляли с семью планетами, что символизировало связь между металлами и небесными телами и небесное происхождение металлов. Затем железо сопоставлялось с Меркурием и называлось меркурием, но позднее его стали сопоставлять с Марсом и называть марс, что, в частности подчеркивало внешнее сходство красноватой окраски Марса с красными железными рудами.

Вначале люди узнали метеоритное железо. В переводе со многих языков древнего мира оно означало «небесный металл». Метеоритное железо всегда самородное. Оно сверх чистое, его можно ковать холодным. Чистое железо не ржавеет, примером этого служит колонна в Индии, которая стоит уже много столетий несмотря на влажный и жаркий климат. Самым крупным железным метеоритом является метеорит, найденный в 1920 году на юго-западе Африки весом 60т. Самородное железо обнаружено на Марсе и на Луне.

Впрочем, некоторые народы не связывали название железа с небесным происхождением металла. Так, у славянских народов название «железо» прямо указывает на функцию предметов, изготовлявшихся из железа, режущих инструментов и оружия.

Позднее изобрели способ получения железа непосредственно из руды в специальных печах (доменные печи). Способ этот назывался «сыродутным», так как «сырую» болотную или луговую руду закладывали в обмазанную глиной яму вместе с древесным углем, а затем через отверстие в нижней части ямы дули ручными, а позднее механическими мехами. В результате этого, окись железа превращалась в металл, а пустая порода стекала вниз.

Таким образом, анализ происхождения слова «железо» в различных языках подтверждает тот факт, что впервые на Земле было обнаружено метеоритное железо, попавшее к нам из космоса, а в дальнейшем люди научились получать его из руды.

Ученые открыли важную роль железа в жизни растений, животных и человека. Железо обусловливает красную окраску гемоглобина, от которого зависит цвет крови человека и животных. В организме взрослого человека содержится 3 г чистого железа, входящего в состав гемоглобина. Основная роль гемоглобина — перенос кислорода из легких к тканям, а в обратном направлении – углекислого газа. В организм железо поступает вместе с пищей. Если человек плохо пережевывает пищу, железо не усваивается организмом.

Железо необходимо и растениям. Растения, выращенные без железа, имеют белые листья. Маленькая добавка железа и они приобретают зеленый цвет. Если белый лист смазать раствором соли, содержащей железо, то вскоре смазанное место зеленеет.

Так от одной и той же причины – наличия железа в соках и тканях — весело зеленеют листья растений и ярко румянятся щеки человека.

Почти все используемые человечеством металлы – это сплавы на основе железа. Железа выплавляется в мире очень много, гораздо больше, чем других металлов. Сплавы на основе железа универсальны, технологичны, доступны, дешевы. Железу еще долго быть фундаментом цивилизации.

Более того, в последнее время некоторые ученые полагают, что в ядре Земли находится расплавленное железо, которое способствует поддержанию магнитного поля планеты.

Известный микробиолог Майкл Дентон в своей книге “Предназначение природы” приводит такой комментарий:

“Среди всех металлов железо является самым жизненно необходимым и важным для человека. Накопление железа в ядре звезды провоцирует её взрыв и, таким образом, дает возможность распространяться по всей Вселенной атомам железа, необходимым для жизни. Температура, которую формировали атомы железа, и сила гравитации внутри ядра на первоначальной стадии формирования Земли стали причиной химических изменений нашей планеты и в результате обеспечили предпосылки для развития атмосферы и гидросферы. Расплавленное железо, находящееся внутри ядра Земли, исполняет функцию мощнейшего магнита и формирует магнитный пояс Земли. Благодаря этому поясу Земля защищена от воздействия испепеляющей космической радиации и от разрушения озонового слоя Земли под воздействием космических лучей. »

Если бы не существовало атомов железа, то невозможно было бы само возникновение жизни, не было бы сверхновых звезд, Земля не достигла бы той температуры, что существовала на первоначальном этапе ее формирования, не было бы атмосферы и гидросферы, не было бы защитного магнитного пояса, не существовало бы озонового слоя, не было бы никаких металлов.

Таинственная и теснейшая связь между существованием жизни, красным цветом крови и железом, находящемся в ядре Земли, показывает степень важности данного металла для жизни.

До 20-го века люди не располагали информацией о том, что железо присутствует и в ядре земли, и в крови человека, не знали и о роли железа в поддержании жизни. Однако, в наше время медики открыли еще одно удивительное свойство железа – способность излечивать некоторые тяжелые заболевания у людей..

Таким образом, железо играет значительную роль в нашей жизни, поскольку при недостаточном содержании данного химического элемента в крови, человек может заболеть; растения теряют свою окраску и гибнут; при отсутствии его в ядре Земли пропадет магнитный пояс нашей планеты, что приведет к исчезновению защиты от воздействия космической радиации и от разрушения озонового слоя Земли.

Производство чугуна и железа

Истоки производства чугуна и черной металлургии приходятся на II-е тысячелетие до нашего времени, когда человечество начало получать сталь с применением доменной печи, которая впервые появилась в Европе в XIV — XV веках. В те времена чугун получали без добавок, это был обычный долговечный и нержавеющий металл, и особо его не ценили. Сегодня все изменилось: его используют, он востребован в быту и промышленных отраслях.

Выплавка чугуна из железной руды

Современное производство чугуна и стали, как и металлургическая индустрия в целом, и прочие сферы деятельности человека, развивается, поскольку спрос на металлопрокат сегодня очень высок. Самой востребованной технологией, применив которую можно восстановить железные руды, на сегодняшний день является доменная – плавка железа в специальном печном устройстве. Впрочем, как и несколько столетий назад.

Руды для изготовления чугуна и стали

Производственно-технический процесс изготовления долговечного и жаропрочного чугуна весьма энергоемкий и не бюджетный.

Для изготовления чугуна используют различные железняки:

• Гематитовый – 70% (Fe) и 30% (O).
• Магнетитовый – 72,4% (Fe), и 27,6% (O).
• Бурый – 59,8%.
• Сидеритовый – 48,3% (Fe).

Как конструктивно устроены домны для производства чугуна и стали?

Доменная печь – беспрерывно функционирующее промышленное устройство для металлургии – своеобразная шахта, тоннаж которой составляет 30 000 кг.

Технически домна устроена из нескольких составляющих деталей:

• Верхней цилиндрической.
• Конической.
• Широкой.
• Суженой– заплечики.
• Нижней – горна.

Все компоненты загружаются сверху через колошник, а готовая продукция и отходы по отдельности выходят через нижний горн.

Последовательность производства чугуна

Первый этап обязателен. Перед производством чугуна предусматривается подготовка металла, содержащего оксиды железа минимум 40% от всей массы. Руду измельчают. Для этого применяют метод дробления, огрохочения, смешивания. Далее ее промывают, обогащают, обжигают и устраняют неметаллические присадки – S, P, As. После этого повышают концентрацию основного металла в руде и модификаторы, загружают в печное оборудование.

Вместе с железом в печное устройство всыпаются топливные коксы (угли). Когда протекает горение коксов, смешивается углерод – элементы восстановители. Чтобы как можно быстрее высвободить металл из руды добавляются флюсы (горные породы с содержанием в составе оксидов кальция и магния).

После того как все компоненты загружены и началась выплавка, в ходе влияния высоких плюсовых температур они «переходят» в состояние сплава, газа и шлаковых отходов. Когда металл выплавляется, происходят физические и химические реакции, благодаря которым восстанавливаются окислы железа и окисляется восстановительный агент.

Как происходит плавка чугуна и железа?

Условно в печном устройстве протекают нижеперечисленные действия:

• Прогорание угля (уголь также называют коксирующим топливом).
• Растворение составляющих смеси исходных материалов.
• Химическо-физические реакции, восстанавливающие металл.
• Насыщение углерода железом.
• Восстановление компонентов.
• Шлаки.

При нагреве кокса выделяется органоген, который соединяется с кислородом, вследствие чего образуется углекислый газ.

Если плавку чугуна и все этапы производственного процесса описать в виде уравнений, то они выглядят таким образом:

Еще два уравнения:

После того как произойдет восстановление, металл становится насыщенным углеродом. При накаливании до 1150-1200°С он становится жидким и перемещается в горн.

Производство чугуна и стали в Екатеринбурге

• Состав чугуна – это железные руды, соединенные с углеродом, и добавленными в него модифицирующими добавками.
• Для черного металлопроката используют руды, которые предварительно подготавливаются и обогащаются.
• Тепловая обработка (плавка) выполняется в беспрерывно функционирующей доменной печи.

Производство чугуна стоит недешево и требует выполнения множества процессов. Поэтому в России, немногие металлургические заводы изготавливают его в домнах, поскольку в качестве альтернативы используются композитные недорогие материалы. Сам металл стоит тоже недешево, и это обусловлено его долговечностью. Именно чугун считается самым прочным, он не ржавеет, срок эксплуатации его не определен (десятки и сотни лет).

• Медный прокат
• Латунный прокат
• Бронзовый прокат
• Алюминиевый прокат
• Титановый прокат
• Свинец
• Металлы и сплавы
• Порошок металлический
• Нихром
• Фехраль
• Канат стальной
• Стальной прокат
• Резервуары и емкости стальные
• Барьерные ограждения
• Дорожные знаки
• Опоры, мачты освещения
• Сваи
• Быстровозводимые конструкции
• Шумозащитные экраны
• Трубный прокат
• Услуги
• Производство
• Асбестоцементные изделия
• Ферросплавы
• Взрывостойкая продукция, конструкции, защита
• Литье из цветных сплавов
• Нержавеющий прокат
• Подшипники
• Полимерные материалы
• Промышленные сита из брони С500
• Электроды
• Абразивные материалы
• Аноды, катоды
• Лигатура и сплавы металлов
• Люки чугунные, дождеприемники
• Оловянный прокат
• Оцинкованный прокат
• Проволока
• Химия промышленная
• Цепи