Из этого материала вы узнаете:
- История изучения чистого железа в природе
- Свойства технически чистого железа
- Применение технически чистого железа ARMCO
- Как получают самое чистое железо на производстве
Чистое железо найти невозможно. Даже в железной руде присутствуют различные примеси. И потому профессор В. С. Меськин в труде о производстве высококачественной стали утверждал, что мы до сих пор не знаем до конца все технические свойства чистого железа, ведь даже в лабораторных условиях его еще ни разу не получали.
И действительно, большинство данных были получены на недостаточно чистых образцах, поэтому в современных условиях эти сведения устарели. Потому мы можем достоверно говорить лишь о технически чистом железе. При этом востребованность стали особой чистоты в отдельных отраслях подразумевает более пристальный интерес к получению этого материала. Но возможно ли это?
История изучения чистого железа в природе
Коммерческий словарь, переведенный с французского Василием Левшиным в конце XVIII века, упоминает о самородном железе, чистота которого позволяет выковать из него готовые изделия, не переплавляя. Металл, о котором идет речь, был привезен из Сенегала, где его находили в виде больших глыб. В России, по словам авторов словаря, местом находок подобного «чистого» железа (как на фото) часто служила Сибирь.
В 1870 г. Норденшельд открыл большие залежи самородного железа на острове Диско (Гренландия). Металл нашли в базальтовой породе среди залежей каменного угля. Это были как мелкие зерна и блестки, так и крупные самородки. Встречались такие виды, как природное «сварочное железо» или «натуральная сталь».
Также природное железо нашли у Касселя в Германии и во французской Оверни. Обнаруженная в Коннектикуте (США) и пролегавшая в слюдяных сланцах жила имела около 5 см в толщину.
Крайне редко встречающееся самородное железо, которое ошибочно считать чистым, не имеет какой-либо промышленной ценности. Также очень редко его находят в сплавах аварюста и жозефинита.
От метеоритного самородное железо отличает относительно низкое содержание никеля, достигающее 2 %. Содержание кобальта доходит до 0,3 %, меди – до 0,4 % и платины – до 0,1 %. Также металл отличает низкая углеродистость.
В случаях, когда руда в природе контактирует с углеродом при экстремальных температурах, из сплава может образовываться самородный чугун. В начале прошлого века на острове Русский геологом Александром Иностранцевым были открыты пласты самородного чугуна. Они залегали в нескольких десятках метров от поверхности в скальной породе на берегу моря. При бурении из скважины извлекли образцы природного сплава с содержанием 3,2 % углерода, 1,55 % кремния и 0,6 % марганца.
В земной коре самородное железо образуется в процессе застывания магмы. Восстановительные процессы с участием углерода приводят к его выделению из оксидов и сульфитов. По этой причине в полученных образцах металл нередко соседствует с когенитом – железоникелевым карбидом (Fe, Ni, Co)3C. Иностранцев предполагал, что к образованию чугуна привело соприкосновение расплавленной горной породы или кварцевого порфира с содержащим прослойки железной руды каменным углем.
Присутствие природной шихты, экстремальная температура и отсутствие контакта с воздухом привели к выделению оксида углерода и углеводородов, воздействие которых и превратило руду в самородки чугуна.
Уже давно люди стали искать ответ на вопрос о том, как получить чистое железо, и неплохо продвинулись в решении этой задачи. Какой же степени чистоты железа удалось достигнуть на современном производстве, ржавеет чистое железо или нет? Особо чистое карбонильное железо, полученное в наши дни, содержит мизерные 0,00016 % примесей, что в 4,5 тысячи раз ниже этого показателя в знаменитом Делийском столбе с содержанием примесей 0,28 %.
Первое, что поражало людей в колонне, сотни лет стоящей в Дели, ее устойчивость к коррозии во влажном климате. Получается, что сделать чистое железо человек пытался еще 1 600 лет назад.
Свойства технически чистого железа
Первым делом следует определить само понятие технической чистоты. Сегодня технически чистое железо является наиболее свободным от примесей.
Технически чистой принято называть низкоуглеродистую сталь, не содержащую легирующих добавок. Общее содержание примесей, включая углерод (не более 0,02 %), в таком металле не должно превышать 0,008–0,1 %. Это и есть ответ на вопрос о том, чистым ли веществом является такое железо или же смесью.
Технически чистое железо, или ARMCO Pure Iron, очень пластично, хорошо проводит электрический ток и отличается высокой коррозионной стойкостью. Этот металл нашел широкое применение в металлургии, приборостроении, электротехнике, медицине и многих других областях.
Благодаря низкому удельному сопротивлению, высокой индуктивности при намагничивании и высокой устойчивости к размагничиванию технически чистое железо используют при изготовлении компонентов магнитопроводов, реле, сердечников и проволоки для обмотки катушек электродвигателей, генераторов и другой электротехники.
ТЧЖ – наиболее чистый металл, полученный в современной металлургии, с содержанием железа до 99,92 % отличается:
- малой коэрцитивной силой,
- отличными магнитными свойствами,
- высокой проводимостью,
- стойкостью к коррозии,
- пластичностью,
- хорошей свариваемостью.
Сталь ARMCO Pure Iron, проходящая при выплавке очистку, отличается максимальной однородностью, крайне низким содержанием кислорода, полным отделением шлаков. Для того чтобы улучшить магнитные свойства ТЧЖ, его отжигают при +900 °С и постепенно охлаждают при +600 °С. Термообработка в вакуумной печи или защитной среде из инертного газа дает возможность предотвратить окисление металла.
Отжиг уменьшает внутреннее термическое напряжение, укрупняет зерна в структуре металла и снижает их суммарную площадь, что позволяет избежать образования микродефектов. Кроме того, термообработка облегчает дальнейшие работы с металлом и замедляет структурное старение.
Применение технически чистого железа ARMCO
ТЧЖ ARMCO Pure Iron, впервые полученное более века назад, в наши дни по-прежнему служит базовым компонентом в металлургии. Без него не обходится большинство сортов нержавеющей, кислотостойкой и жаростойкой стали и магнитных сплавов. Технически чистое железо служит шихтой при выплавке многих видов легированной стали, материалом для заготовок монет.
Этот металл используют в электротехнической промышленности, из него изготавливают:
- Сердечники, полюсные наконечники и якоря в машинах постоянного тока.
- Защитные экраны МРТ и рентгеновских аппаратов.
- Детали асинхронных двигателей.
- Провода обмоток электромагнитов, электродвигателей, катушек индуктивности, реле постоянного тока и т. д.
- Магнитные устройства.
Из ТЧЖ также производят специальную химически стойкую посуду, антикоррозионные шайбы для клемм, уплотнители и прокладки для работающих в агрессивной среде устройств.
Как получают самое чистое железо на производстве
По технологии выработки различают карбонильное и электролитическое технически чистое железо:
- Для получения карбонильного железа пентакарбонил железа подвергают температурному разложению с последующим восстановлением в водороде.
- Изготовление электролитического железа происходит путем очистки в расплаве солей. Его выпускают в виде порошка или кусков. Марки 005 и 008 ЖР изготавливают с применением продуктов прямого восстановления руды.
В отличие от карбонильного ТЧЖ, содержащего относительно большое количество углерода, в состав чистого железа, полученного с помощью электролиза, входит не более 0,05 % примесей.
При сравнительном химическом анализе ТЧЖ, полученного перечисленными выше способами, получаем следующие усредненные показатели:
Стандартный потенциал φ° Fe/Fe2 равен -0,44 B и близок к значению потенциала водородного электрода в нейтральных растворах. Обменный ток при этом мал, что приводит к выделению сильно химически поляризованного железа. В условиях относительно невысокого перенапряжения при выделении водорода на железе выделению металла сопутствует водород.
Читайте также: Тугоплавкие металлы: от рения до вольфрама
Для снижения поляризации и соответственного увеличения обменного тока с одновременным повышением положительного равновесного потенциала железа необходимо увеличивать концентрацию последнего в растворе.
Интенсивность выделения металла и водорода сильно зависит от температурного режима. Низкие температуры (менее +25 °С) приводят к превышению скорости разряда ионов железа над этим показателем для ионов водорода при невысокой плотности тока (≤ 100 А/м2). Для получения приемлемого выхода по току при плотности тока от 100 А/м2 следует увеличивать и удерживать температуру в диапазоне +85…+100 °С. В этом случае повышение плотности тока приводит к росту выхода.
Исходя из сказанного, электролиз производят при плотности тока в пределах от 500 до 1 000 А/м2. Скачкообразное снижение выхода по току при увеличении кислотности раствора приводит к необходимости ее поддержания на минимуме.
При этом следует помнить, что в растворе с близкой к нулю кислотностью начинается выпадение гидроокиси и основных солей железа, pН электролита обычно удерживают в диапазоне от 2 до 3, что все равно не даст возможности добиться прекращения выделения водорода на катоде.
Наряду с выделением водорода, катодный ток сильно зависит от реакции восстановления железа Fe3+до Fe2+.
Как основной компонент раствора при электролизе используют железный купорос или хлорид железа. Катодное железо, которое получают осаждением из хлорида, отличается от хрупкого сульфатного высокой прочностью. Чаще все же используют раствор хлорида железа из-за его хорошей растворимости в воде. Помимо этих компонентов, в электролит добавляют солевые добавки для повышения проводимости. Кислотность раствора регулируют кислотой или кислыми солями.
Для выработки катодного железа высокой чистоты в растворе нельзя допускать присутствия более электроположительных примесей металлов, чем железо. Также высокая поляризация железа может приводить к попутному осаждению электроотрицательных компонентов раствора. Эти особенности электролизного метода получения чистого железа делают процесс схожим с электролитическим рафинированием никеля.
Рекомендуем статьи
Чистое железо имеет сравнительно низкую твердость, всего 4 единицы по шкале Мооса.
Подводя итог, можно констатировать, что современные технологии не позволяют получить железо как абсолютно чистое вещество. Остается верить, что их дальнейшее развитие даст возможность получать такой металл. Но и современное технически чистое железо приносит человечеству огромную пользу.
