Železo

Výroba železa a oceli

Suroviny Železná ruda (je tvořena převážně kyslíkatými sloučeninami železa): Fe2O3 – krevel (hematit) Fe3O4 – magnetovec (magnetit) Fe2O3 . nH2O – hnědel (limonit) FeS2 – pyrit Vysoušení surovin: Fe2O3 . nH2O → Fe2O3 + nH2O

Železná ruda

Suroviny Koks (z černého uhlí) - je to téměř čistý uhlík a slouží k redukci oxidů železa Vápenec CaCO3 – napomáhá utvoření tzv. strusky z hornin, které doprovázejí železnou rudu. Doprovodné horniny železné rudy se nazývají hlušina a z větší části se před navážkou do vysoké pece odstraňují.

Vysoká pec Až 40m vysoká, 15m široká šachtová pec z oceli uvnitř je vyzděna ohnivzdornými cihlami Pracuje nepřetržitě až 10 let. Ostravsko (vysoké pece v Třineckých železárnách a v ostravské Nové huti), dříve Kladensko

Vysoká pec kychta šachta nístěj Rozpora Zarážka ruda, koks, struskotvorné přísady Vysoká pec odcházející kychtové plyny kychta 200 °C 400 °C 900 °C šachta Rozpora 1400 °C Zarážka 1600 °C nístěj 2000 °C

http://www.bbc.co.uk/history/interactive/animations/blast_furnace/index_embed.shtml

Reakce, které probíhají ve vysoké peci Spalování koksu: C + O2 → CO2 +393 kJ/mol CO2 + C → 2 CO - 172 kJ/mol Redukce železa (nepřímá redukce): 3 Fe2O3 + CO → 2 Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + 4 CO → 3 Fe + 4 CO2 FeO + CO → Fe + CO2 Redukce železa (přímá redukce): Fe2O3 + 3 C → 2 Fe + 3 CO Fe3O4 + 4 C → 3 Fe + 4 CO FeO + C → Fe + CO

Kychtové plyny Oxid uhelnatý (25 – 30 %) Oxid uhličitý (8 – 12 %) Vodík (1,5 – 4 %) Methan (0,2 – 0,4 %) Dusík (58 – 60 %) k vytápění předehřívačů vzduchu zbytek se používá v ocelárnách

Surové železo Obsahuje příměsi: asi 4% C (jako grafit a karbid triželeza Fe3C) dále hlavně Mn, Si, P, S. Je velmi tvrdé, ale křehké; není pružné ani kujné Odlévá se do forem (litina) a vyrábějí se z něj části strojů, potrubí, dříve topná tělesa; ale většina (cca 60%) se dále upravuje na ocel. Největší část vzniká přímou redukcí

Struska vzniká při redukci rudy reakcí hlušiny se struskotvornými přísadami chemické složení CaSiO3 chrání povrch roztaveného železa před oxidací horkým vzduchem, nemísí se s ním používá se ve stavebnictví – cement, tvárnice

Vypouštění (tzv. odpich) surového železa a strusky ze spodní části vysoké pece se provádí vždy po čtyřech až šesti hodinách.

Odpich železa

Výroba oceli Pro zlepšení vlastností surového železa se provádí v ocelárnách tzv. zkujňování (odstraňování většiny příměsí uhlíku (na 1,7 – 0,2 %) a dalších prvků). Základní způsoby výroby oceli: a) v konvertorech, b) v Martinských pecích, c) v elektrických pecích.

spalování Si, Mn, Fe (propal), C Konvertor pro výrobu oceli - nejnižší kvalita, nejlevnější; nástrojové oceli - odstranění uhlíku vzdušným kyslíkem surové železo (1200 °C) přívod vzduchu spalování Si, Mn, Fe (propal), C 30 min

Siemens-Martinská pec (nístějová) - kvalitní ocel 4 - vsádka – surové železo, šrot, vápenec

Elektrická pec (oblouková, indukční) - nejkvalitnější ocel, drahé

Ocel Podíl uhlíku je maximálně 1,7%. Čím více uhlíku ocel obsahuje, tím je tvrdší. Vlastnosti oceli se vylepšují také přidáním malých množství některých dalších kovů (chromu, niklu, vanadu, wolframu aj.).

Další úpravy oceli Legování (výroba ušlechtilé oceli) Přídavek kovů pro zlepšení vlastností Nerezová ocel – Cr, Ni, Mo Pancéřová ocel – Mn Magnetická ocel – Al, Co, Ni Pružinová ocel – Cr Karoserie aut - V

Další úpravy oceli Kalení Rychlé chlazení –velmi tvrdá, odolná, pružná, ale křehká ocel – nástroje, ocelové konstrukce Popouštění Pomalé chlazení – tvrdá, méně pružná, snadno ohybatelná ocel – nástroje, strojní součásti

Druhy ocelí prvek podíl využití Chromová ocel Cr 2%   prvek podíl využití Chromová ocel Cr 2% řezací nástroje, ložiska Niklová ocel Ni 5% namáhané součástky automobilů Wolframová ocel W řezací nástroje Chromniklová ocel 20% Cr + 8% Ni nerezavějící konstrukční materiály Kobaltová ocel Co magnety Křemíková ocel mostní konstrukce

Vlastnosti železa

Čisté železo měkký, kujný kov stříbřité barvy taje při teplotě 1535°C

Čisté železo tři alotropické modifikace (liší se krystalovou strukturou), závislé na teplotě: do teploty 768 °C feromagnetické 968 °C 1401 °C γ Fe α Fe δ Fe

Chemické vlastnosti neušlechtilý kov (se zředěnými kyselinami reaguje za vývoje vodíku) hydroxidy na něj nepůsobí slučování s nekovy (kyslík, síra, chlor) – koroze stabilní oxidační čísla II, III

Koroze železa souhrnná rovnice: 4 Fe + 3 O2 + 2x H2O  2 Fe2O3 . x H2O elektrochemický děj => může probíhat velmi dlouhou dobu téměř konstantní rychlostí ochrana vhodnými nátěry (Cr, Ni, Zn, aj.) rez

Sloučeniny železa

Železnaté sloučeniny FeO - na vzduchu se oxiduje na Fe2O3

FeSO4 . 7H2O – zelená skalice bezvodý je bílý Fe + H2SO4 + 7 H2O  FeSO4 . 7 H2O + H2

(NH4)2Fe(SO4)2 ∙ 6H2O – Mohrova sůl - v analytické chemii

Železité sloučeniny

Fe2O3 – v přírodě jako krevel pigment rozkladem zelené skalice

Fe3O4 (magnetit) - vzniká působením vodní páry na rozžhavené železo

Komplexní sloučeniny

V oxidačním stavu II i III tvoří železo velké množství rozmanitých komplexních sloučenin:

Krevní soli FeIII: K3[Fe(CN)6] . 3 H2O FeII: K4[Fe(CN)6] . 3 H2O červená krevní sůl žlutá krevní sůl

Thurnbullova a Berlínská modř pravděpodobně shodná struktura dříve jako pigmenty při výrobě inkoustů a nátěrových hmot vznik: Thurnbullova modř: Fe2+3[Fe3+(CN)6]3-2 Berlínská modř: Fe3+4[Fe2+(CN)6]4-3