Metalen profiel: ijzer eigenschappen en kenmerken

Het gebruik van ijzer door mensen dateert van ongeveer 5.000 jaar. Het is het op één na meest voorkomende metalen element in de aardkorst en wordt voornamelijk gebruikt om te produceren staal, een van de belangrijkste structurele materialen ter wereld.

Voordat we te diep ingaan op de geschiedenis en het moderne gebruik van ijzer, laten we de basis bekijken:

• Atoomsymbool: Fe
• Atoomnummer: 26
• Element categorie: overgangsmetaal
• Dichtheid: 7,874 g / cm³
• Smeltpunt: 2800 ° F (1538 ° C)
• Kookpunt: 5182 ° F (2862 ° C)
• De hardheid van Moh: 4

Zuiver ijzer is een zilverkleurig metaal dat warmte en elektriciteit goed geleidt. IJzer is te reactief om alleen te bestaan, dus komt het alleen van nature voor in de aardkorst als ijzererts, zoals hematiet, magnetiet en sideriet.

Een van de identificerende kenmerken van ijzer is dat het sterk is magnetisch. Blootgesteld aan een sterk magnetisch veld, kan elk stuk ijzer worden gemagnetiseerd. Wetenschappers geloven dat de kern van de aarde voor ongeveer 90% uit ijzer bestaat. De magnetische kracht die door dit ijzer wordt geproduceerd, is wat de magnetische noord- en zuidpool creëert.

Waarschijnlijk werd ijzer oorspronkelijk ontdekt en gewonnen als gevolg van houtverbranding bovenop ijzerhoudende ertsen.De koolstof in het hout zou hebben gereageerd met de zuurstof in het erts, waardoor een zachte, kneedbaar ijzer metaal. Het smelten van ijzer en het gebruik van ijzer om gereedschappen en wapens te maken, begon in Mesopotamië (het huidige Irak) tussen 2700 en 3000 voor Christus. In de daaropvolgende 2000 jaar verspreidde de kennis van ijzersmelten zich oostwaarts naar Europa en Afrika in een periode die bekend staat als de ijzertijd.

Vanaf de 17e eeuw, totdat er halverwege de 19e eeuw een efficiënte methode voor het produceren van staal werd ontdekt, werd ijzer steeds meer gebruikt als structureel materiaal om schepen, bruggen en gebouwen te maken. De Eiffeltoren, gebouwd in 1889, werd gemaakt met meer dan 7 miljoen kilogram smeedijzer.

Het meest lastige kenmerk van ijzer is de neiging om roest te vormen. Roest (of ijzeroxide) is een bruine, kruimelige verbinding die wordt geproduceerd wanneer het ijzer wordt blootgesteld aan zuurstof. Het zuurstofgas in water versnelt het proces van corrosie. De snelheid van roest - hoe snel ijzer in ijzeroxide verandert - wordt bepaald door het zuurstofgehalte van het water en de oppervlakte van het ijzer. Zout water bevat meer zuurstof dan zoet water. Daarom roest zout water sneller dan zoet water.

Roest kan worden voorkomen door ijzer te coaten met andere metalen die chemisch aantrekkelijker zijn voor zuurstof, zoals zink (het proces van het bekleden van ijzer met zink wordt "verzinken" genoemd). De meest effectieve manier om tegen roest te beschermen is het gebruik van staal.

Staal is een legering van ijzer en diverse andere metalen, die worden gebruikt om de eigenschappen (sterkte, weerstand tegen corrosie, tolerantie voor hitte, enz.) van ijzer te verbeteren. Door het type en de hoeveelheid van met ijzer gelegeerde elementen te veranderen, kunnen verschillende staalsoorten ontstaan.

De meest voorkomende staalsoorten zijn:

• Koolstofstaal, die tussen 0,5% en 1,5% koolstof bevatten: dit is het meest voorkomende type staal, gebruikt voor carrosserieën, scheepsrompen, messen, machines en alle soorten structurele steunen.
• Laaggelegeerd staal, die 1-5% andere metalen bevatten (vaak nikkel of wolfraam): Nikkelstaal is bestand tegen hoge spanningen en wordt daarom vaak gebruikt bij de constructie van bruggen en voor het maken van fietskettingen. Wolfraamstaal behoudt zijn vorm en sterkte in omgevingen met hoge temperaturen en wordt gebruikt in impact, roterende toepassingen, zoals boren.
• Hooggelegeerd staal, die 12-18% andere metalen bevatten: dit soort staal wordt vanwege de hoge kosten alleen gebruikt in speciale toepassingen. Een voorbeeld van hooggelegeerd staal is roestvrij staal, dat vaak bevat chroom en nikkel, maar het kan ook worden gelegeerd met verschillende andere metalen. Roestvrij staal is zeer sterk en zeer goed bestand tegen corrosie.

Het meeste ijzer wordt geproduceerd uit ertsen in de buurt van het aardoppervlak.Moderne extractietechnieken maken gebruik van hoogovens, die worden gekenmerkt door hun hoge stapels (schoorsteenachtige structuren). Het ijzer wordt samen met cokes (koolstofrijke steenkool) en kalksteen (calciumcarbonaat) in de stapels gegoten. Tegenwoordig doorloopt het ijzererts normaal gesproken een proces van sinteren voordat het de stapel binnengaat. Het sinterproces vormt stukken erts van 10-25 mm, die vervolgens worden vermengd met cokes en kalksteen.

Het gesinterde erts, cokes en kalksteen worden vervolgens in de stapel gegoten waar het brandt bij 1.800 graden Celsius. Coke brandt als warmtebron en helpt samen met zuurstof die in de oven wordt gestoten, het reducerende gas koolmonoxide te vormen. De kalksteen vermengt zich met onzuiverheden in het ijzer om slak te vormen. Slak is lichter dan gesmolten ijzererts, dus stijgt naar de oppervlakte en kan gemakkelijk worden verwijderd. Het hete ijzer wordt vervolgens in vormen gegoten om ruwijzer te produceren of direct voorbereid op staalproductie.

Ruw ijzer bevat nog steeds tussen 3,5% en 4,5% koolstof,samen met andere onzuiverheden, en het is broos en moeilijk om mee te werken. Er worden verschillende processen gebruikt om de fosfor- en zwavelverontreinigingen in ruwijzer te verlagen en gietijzer te produceren. Smeedijzer, dat minder dan 0,25% koolstof bevat, is taai, smeedbaar en gemakkelijk te lassen, maar het is veel bewerkelijker en duurder om te produceren dan koolstofarm staal.

In 2010 bedroeg de wereldwijde ijzerertsproductie ongeveer 2,4 miljard ton. China, de grootste producent, was goed voor ongeveer 37,5% van alle productie, terwijl andere grote producerende landen Australië, Brazilië, India en Rusland omvatten. De U.S.Geological Survey schat dat 95% van alle in de wereld geproduceerde metalen tonnages ijzer of staal zijn.

IJzer was ooit het belangrijkste structurele materiaal, maar is in de meeste toepassingen vervangen door staal. Niettemin wordt gietijzer nog steeds gebruikt in buizen en auto-onderdelen zoals cilinderkoppen, cilinderblokken en versnellingsbakkasten. Smeedijzer wordt nog steeds gebruikt voor het maken van woonaccessoires, zoals wijnrekken, kandelaars en gordijnroeden.