В чистом виде железо – блестящий серебристо-белый металл, плотность которого составляет 7,847 г/см3, а температура плавления 1539 С. Железо обладает небольшой твердостью, относительно низкой прочностью и высокой пластичностью. Примеси повышают прочность и твердость железа, но снижают его пластичность. Поэтому на практике используют не чистое железо, а его сплавы с другими элементами и в первую очередь с углеродом, которые получили название черные металлы. По свойствам черные металлы делят на три группы – в зависимости от содержания углерода: техническое железо (до 0,02 % С); сталь (от 0,02 до 2,14 % С) и чугун (от 2,14 до 7 % С). Доля черных металлов составляет около 95 % от общего объема производства всех металлов. Они, и, прежде всего, различные марки стали, успешно применяются в промышленности, транспорте, строительстве, и в быту. Такое широкое распространение черных металлов объясняется двумя обстоятельствами. Во-первых, в земной коре содержатся большие запасы железорудного сырья, а стоимость извлечения железа из них сравнительно невелика. Во-вторых, черные металлы удовлетворяют большинство требований, предъявляемых к конструкционным материалам в машиностроении, энергетике, строительстве и других отраслях промышленности. Введение в сталь легирующих добавок, а также применение термической обработки, позволяет получить необходимые механические, электрические, химические и другие свойства.
В химических соединениях железо двух- и трехвалентно. При взаимодействии с кислородом железо легко образует оксиды FeO, Fe2O3 и Fe3O4. Во влажном воздухе железо покрывается рыхлой ржавчиной (атмосферная коррозия), которая ежегодно уносит до 10 % выплавляемых черных металлов, нанося огромный ущерб. По химическому составу различают углеродистые и легированные стали. К углеродистым сталям относят сплавы, содержащие обычно до 1,3 % С, до 0,35 % Si, до 0,6 % Mn и ряд примесей. Легированными называют стали, в которые для получения заданных свойств вводят специальные добавки. В зависимости от количества добавок сталь подразделяют на низколегированную (суммарное содержание добавок до 2,5 %), среднелегированную (2,5-10 %) и высоколегированную (более 10 %). По основному легирующему компоненту стали называют хромистыми, кремнистыми, никелевыми, марганцовистыми и пр. По назначению стали подразделяют на конструкционные, инструментальные и специальные. По получения различают мартеновскую и конвертерную стали, а также электросталь. При производстве стали для ее раскисления (удаления воздуха из жидкого металла) и легирования находят широкое применение ферросплавы – сплавы железа с другими элементами. Наибольшее применение нашли ферросилиций (9-95 % Si), феррохром (до 70 % Cr), ферромарганец (70-80 % Mn) и другие сплавы. При производстве цветных металлов железо иногда используют в качестве легирующего компонента. Современная технологическая схема производства стали включает в себя четыре стадии:
I – механическое обогащение и окускование железных руд;II – восстановление оксидов железа и отделение железа от пустой породы пирометаллургическим доменной плавкой;III – очистка полупродукта – чугуна – от нежелательных примесей с получением стали заданного химсостава;IV – улучшение потребительских свойств стали путем дальнейшей ее очистки от газовых и неметаллических включений.Рассмотрим эти стадии производства железа.
1)PH3 H+1. P-3
2)Ca3(PO4)2 Ca2+. P+5 O-2
3)Fe2O3 Fe+3 O-2