Metallprofil: Eisen

Der Gebrauch von Eisen durch Menschen reicht ungefähr 5000 Jahre zurück. Es ist das zweithäufigste Metallelement in der Erdkruste und wird hauptsächlich zur Herstellung von Stahl verwendet , einem der wichtigsten Baumaterialien der Welt.

Eigenschaften

• Atomsymbol: Fe
• Atomzahl: 26
• Element Kategorie: Übergangsmetall
• Dichte: 7,874 g / cm ³
• Schmelzpunkt: 2800 ° F (1538 ° C)
• Siedepunkt: 5182 ° F (2862 ° C)
• Mohs Härte: 4

Eigenschaften

Reines Eisen ist ein silberfarbenes Metall, das Wärme und Elektrizität gut leitet.

Eisen ist zu reaktiv, um allein zu existieren, daher kommt es in der Erdkruste nur natürlich vor wie Eisenerze wie Hämatit, Magnetit und Siderit.

Eine der charakteristischen Eigenschaften von Eisen ist, dass es stark magnetisch ist . Ausgesetzt auf ein starkes Magnetfeld kann jedes Eisenstück magnetisiert werden. Wissenschaftler glauben, dass der Erdkern zu etwa 90% aus Eisen besteht. Die von diesem Eisen erzeugte magnetische Kraft erzeugt die magnetischen Nord- und Südpole.

Geschichte

Wahrscheinlich wurde Eisen ursprünglich entdeckt und extrahiert, weil Holz auf eisenhaltigen Erzen verbrannt wurde. Der Kohlenstoff im Holz hätte mit dem Sauerstoff im Erz reagiert und ein weiches, formbares Eisenmetall hinterlassen. Die Eisenschmelze und die Verwendung von Eisen zur Herstellung von Werkzeugen und Waffen begannen in Mesopotamien (dem heutigen Irak) zwischen 2700 und 3000 v. In den folgenden 2000 Jahren verbreitete sich das Eisenschmelzwissen in einer Zeit, die als Eisenzeit bekannt ist, nach Europa und Afrika.

Seit dem 17. Jahrhundert, als in der Mitte des 19. Jahrhunderts eine effiziente Methode zur Herstellung von Stahl entdeckt wurde, wurde Eisen zunehmend als Baumaterial für Schiffe, Brücken und Gebäude verwendet. Der 1889 erbaute Eiffelturm wurde mit über 7 Millionen Kilogramm Schmiedeeisen hergestellt.

Rost

Die störendste Eigenschaft des Eisens ist seine Tendenz, Rost zu bilden.

Rost (oder Eisenoxid) ist eine braune, bröckelige Verbindung, die entsteht, wenn Eisen Sauerstoff ausgesetzt wird. Das im Wasser enthaltene Sauerstoffgas beschleunigt den Korrosionsprozess . Die Rostgeschwindigkeit - wie schnell Eisen zu Eisenoxid wird - wird durch den Sauerstoffgehalt des Wassers und die Oberfläche des Eisens bestimmt. Salzwasser enthält mehr Sauerstoff als Frischwasser, weshalb Salzwasser Eisen schneller als Frischwasser rostet.

Rost kann verhindert werden, indem Eisen mit anderen Metallen, die chemisch anziehender für Sauerstoff sind, wie z. B. Zink, beschichtet wird (das Beschichten von Eisen mit Zink wird als " Verzinken " bezeichnet). Die effektivste Methode zum Schutz vor Rost ist jedoch die Verwendung von Stahl.

Stehlen

Stahl ist eine Legierung aus Eisen und verschiedenen anderen Metallen, die zur Verbesserung der Eigenschaften (Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Wärmebeständigkeit usw.) von Eisen verwendet werden. Die Änderung der Art und Menge der Elemente, die mit Eisen legiert sind, kann verschiedene Arten von Stahl erzeugen.

Die häufigsten Stähle sind:

1. Kohlenstoffstähle, die zwischen 0,5-1,5% Kohlenstoff enthalten. Dies sind die am häufigsten verwendeten Stähle und werden für Karosserien, Schiffsrümpfe, Messer, Maschinen und alle Arten von Strukturträgern verwendet.
2. Niedrig legierte Stähle, die 1-5% andere Metalle (oft Nickel oder Wolfram ) enthalten. Nickelstahl ist in der Lage, hohen Spannungen standzuhalten und wird daher oft bei der Konstruktion von Brücken und zur Herstellung von Fahrradketten verwendet. Wolframstähle behalten ihre Form und Festigkeit in Hochtemperaturumgebungen und werden in Schlag- und Rotationsanwendungen wie Bohrkronen verwendet.

1. Hochlegierte Stähle, die 12-18% andere Metalle enthalten, werden aufgrund ihrer hohen Kosten nur in Spezialanwendungen eingesetzt. Ein Beispiel für einen hochlegierten Stahl ist rostfreier Stahl, der oft Chrom und Nickel enthält, aber auch mit verschiedenen anderen Metallen legiert werden kann. Edelstahl ist sehr stark und sehr korrosionsbeständig.

Produktion

Das meiste Eisen wird aus Erzen produziert, die in der Nähe der Erdoberfläche gefunden wurden. Moderne Extraktionstechniken nutzen Hochöfen, die sich durch ihre hohen Schornsteine ​​(schornsteinartige Strukturen) auszeichnen. Das Eisen wird zusammen mit Koks (kohlenstoffreiche Kohle) und Kalkstein (Kalziumkarbonat) in die Schornsteine ​​gegossen. Heutzutage durchläuft das Eisenerz normalerweise einen Sinterprozess, bevor es in den Stapel eintritt. Dieser Prozess bildet Stücke von Erz, die zwischen 10-25mm sind, die dann mit Koks und Kalkstein gemischt werden.

Das gesinterte Erz, Koks und Kalkstein wird dann in den Stapel gegossen, wo es bei Temperaturen von 1800 ° C brennt. Koks brennt als Wärmequelle und hilft zusammen mit Sauerstoff, der in den Ofen geschossen wird, dabei, das reduzierende Gas Kohlenmonoxid zu bilden. Der Kalkstein vermischt sich mit Verunreinigungen im Eisen zu Schlacke. Schlacke ist leichter als geschmolzenes Eisenerz, daher steigt sie an die Oberfläche und kann leicht entfernt werden. Das heiße Eisen wird dann in Formen gegossen, um Roheisen herzustellen, oder direkt für die Stahlproduktion vorbereitet.

Roheisen enthält immer noch zwischen 3,5-4,5% Kohlenstoff zusammen mit anderen Verunreinigungen und ist spröde und schwer zu verarbeiten. Verschiedene Verfahren werden verwendet, um die Phosphor- und Schwefelverunreinigungen in Roheisen zu senken, um Gusseisen herzustellen. Schmiedeeisen, das weniger als 0,25% Kohlenstoff enthält, ist zäh, formbar und leicht zu verschweißen, ist jedoch viel aufwändiger und teurer herzustellen als kohlenstoffarmer Stahl.

Im Jahr 2010 betrug die weltweite Eisenerzproduktion rund 2,4 Milliarden Tonnen. China, der größte Produzent, machte etwa 37,5% der gesamten Produktion aus, während andere wichtige Produzentenländer Australien, Brasilien, Indien und Russland sind.

Anwendungen

Eisen war einst das primäre Strukturmaterial, wurde aber in den meisten Anwendungen schon lange durch Stahl ersetzt. Dennoch wird Gusseisen immer noch in Rohren und zur Herstellung von Automobilteilen wie Zylinderköpfen, Zylinderblöcken und Getriebegehäusen verwendet. Schmiedeeisen wird immer noch verwendet, um Wohnaccessoires wie Weinregale, Kerzenständer und Gardinenstangen herzustellen.

Verweise

Straße, Arthur. & Alexander, WO 1944. Metalle im Dienste des Menschen . 11. Ausgabe (1998).
Die Internationale Pig Iron Association.
Quelle: www.pigiron.org.uk
USGS. Mineral Commodity Summaries: Eisen und Stahl (2011).
Quelle: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/iron_&_steel