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.
P 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3
As 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 4p3
Sb 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 4p6 5s2 5p3
Bi 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 4p6 5s2 5p6 6s2 6p3