Metallprofil: Jern

sdlgzps / Getty Images

Bruken av jern av mennesker går tilbake rundt 5000 år. Det er det nest mest tallrike metallelementet i jordskorpen og brukes først og fremst til å produsere stål , et av de viktigste strukturelle materialene i verden.

Eiendommer

Før vi går for dypt inn i historien og moderne bruksområder for jern, la oss gå gjennom det grunnleggende:

• Atomsymbol: Fe
• Atomnummer: 26
• Elementkategori: Overgangsmetall
• Tetthet: 7,874 g/cm³
• Smeltepunkt: 2800°F (1538°C)
• Kokepunkt: 5182 °F (2862 °C)
• Mohs hardhet: 4

Kjennetegn

Rent jern er et sølvfarget metall som leder varme og elektrisitet godt. Jern er for reaktivt til å eksistere alene, så det forekommer bare naturlig i jordskorpen som jernmalm, som hematitt, magnetitt og sideritt.

En av jernets identifiserende egenskaper er at det er sterkt magnetisk . Utsatt for et sterkt magnetfelt kan et hvilket som helst jernstykke magnetiseres. Forskere tror at jordens kjerne består av omtrent 90 % jern. Den magnetiske kraften som produseres av dette jernet er det som skaper de magnetiske nord- og sørpolene.

Historie

Jern ble sannsynligvis opprinnelig oppdaget og utvunnet som et resultat av vedfyring på toppen av jernholdige malmer. Karbonet i treet ville ha reagert med oksygenet i malmen, og etterlot seg en myk, formbar jern metall. Jernsmelting og bruk av jern til å lage verktøy og våpen begynte i Mesopotamia (dagens Irak) mellom 2700 og 3000 fvt. I løpet av de følgende 2000 årene spredte kunnskapen om jernsmelting seg østover til Europa og Afrika i en periode kjent som jernalderen.

Fra 1600-tallet, til en effektiv metode for å produsere stål ble oppdaget på midten av 1800-tallet, ble jern i økende grad brukt som et strukturelt materiale for å lage skip, broer og bygninger. Eiffeltårnet, bygget i 1889, ble laget med over 7 millioner kilo smijern.

Rust

Jerns mest plagsomme egenskap er dets tendens til å danne rust. Rust (eller jernoksid) er en brun, smuldrende forbindelse som produseres når jernet utsettes for oksygen. Oksygengassen som finnes i vann fremskynder prosessen medkorrosjon. Rusthastigheten – hvor raskt jern blir til jernoksid – bestemmes av oksygeninnholdet i vannet og jernets overflate. Saltvann inneholder mer oksygen enn ferskvann, og derfor ruster saltvann jern raskere enn ferskvann.

Rust kan forebygges ved å belegge jern med andre metaller som er mer kjemisk attraktive for oksygen, som f.eks sink (prosessen med å belegge jern med sink blir referert til som 'galvanisering'). Den mest effektive metoden for å beskytte mot rust er imidlertid bruk av stål.

Stål

Stål er en legering av jern og forskjellige andre metaller, som brukes til å forbedre egenskapene (styrke, motstand mot korrosjon, varmetoleranse, etc.) til jern. Endring av type og mengde av elementene legert med jern kan produsere forskjellige typer stål.

De vanligste stålene er:

Karbonstål, som inneholder mellom 0,5 % og 1,5 % karbon: Dette er den vanligste typen stål som brukes til karosserier, skipsskrog, kniver, maskineri og alle typer konstruksjonsstøtter. Lavlegert stål, som inneholder 1-5 % andre metaller (ofte nikkel eller wolfram ): Nikkelstål tåler høye spenningsnivåer og brukes derfor ofte i konstruksjon av broer og til å lage sykkelkjeder. Wolframstål beholder formen og styrken i miljøer med høy temperatur, og de brukes i slag, roterende applikasjoner, for eksempel bor. Høylegerte stål, som inneholder 12-18 % andre metaller: Denne typen stål brukes kun i spesialapplikasjoner på grunn av den høye kostnaden. Et eksempel på høylegert stål er rustfritt stål, som ofte inneholder krom og nikkel, men det kan også legeres med forskjellige andre metaller. Rustfritt stål er veldig sterkt og meget motstandsdyktig mot korrosjon.

Jernproduksjon

Mesteparten av jern produseres fra malm som finnes nær jordoverflaten. Moderne utvinningsteknikker bruker masovner, som er preget av sine høye stabler (skorsteinslignende strukturer). Jernet helles i stablene sammen med koks (karbonrikt kull) og kalkstein (kalsiumkarbonat). I dag går jernmalmen normalt gjennom en sintringsprosess før den kommer inn i stabelen. Sintringsprosessen danner malmbiter som er 10-25mm, og disse bitene blandes deretter med koks og kalkstein.

Den sintrede malmen, koksen og kalksteinen helles deretter i stabelen der den brenner ved 1800 grader Celsius. Koks brenner som varmekilde og bidrar sammen med oksygen som skytes inn i ovnen til å danne den reduserende gassen karbonmonoksid. Kalksteinen blander seg med urenheter i jernet for å danne slagg. Slagg er lettere enn smeltet jernmalm, så det stiger til overflaten og kan lett fjernes. Det varme jernet helles deretter i former for å produsere råjern eller klargjøres direkte for stålproduksjon.

Råjern inneholder fortsatt mellom 3,5 % og 4,5 % karbon, sammen med andre urenheter, og det er sprøtt og vanskelig å jobbe med. Ulike prosesser brukes for å senke fosfor- og svovelurenheter i råjern og produsere støpejern. Smijern, som inneholder mindre enn 0,25 % karbon, er seigt, formbart og lett sveiset, men det er mye mer arbeidskrevende og kostbart å produsere enn lavkarbonstål.

I 2010 var den globale produksjonen av jernmalm rundt 2,4 milliarder tonn. Kina, den største produsenten, sto for omtrent 37,5 % av all produksjon, mens andre store produserende land inkluderer Australia, Brasil, India og Russland. U.S. Geological Survey anslår at 95 % av all metalltonnasje som produseres i verden er enten jern eller stål.

applikasjoner

Jern var en gang det primære strukturelle materialet, men det har siden blitt erstattet av stål i de fleste bruksområder. Likevel brukes støpejern fortsatt i rør og bildeler som sylinderhoder, sylinderblokker og girkassekasser. Smijern brukes fortsatt til å produsere hjemmeinnredningsartikler, for eksempel vinstativer, lysestaker og gardinstenger.