Dzelzs (Fe) — ķīmiskais elements
Dzelzs — mūsdienu melnās metalurģijas pamats
Dzelzs (Fe) ir ķīmiskais elements ar atomskaitli 26, kas atrodas periodiskās tabulas 8. grupā. Tas ir sudrabaini pelēks metāls ar labu siltumvadītspēju un izteiktām magnētiskajām īpašībām. Ķīmiskais simbols Fe ir cēlies no latīņu nosaukuma ferrum. Dzelzs ir viens no nozīmīgākajiem metāliem cilvēces vēsturē un mūsdienu melnās metalurģijas pamats.
Ikdienā par dzelzi bieži sauc metāla konstrukcijas, instrumentus un dažādus izstrādājumus. Tomēr lielākā daļa šo priekšmetu ir izgatavota nevis no tīras dzelzs, bet gan no tērauda vai čuguna — materiāliem, kuru pamatā ir dzelzs. Arī tīrai dzelzij ir rūpnieciska nozīme, īpaši elektrotehnikā, magnētiskajos materiālos un specializētos tehnoloģiskajos procesos.
Dzelzs galvenie raksturlielumi
Dzelzs fizikālās īpašības
Tīra dzelzs ir sudrabaini pelēks metāls ar raksturīgu metālisku spīdumu. Tās blīvums istabas temperatūrā ir aptuveni 7,87 g/cm³. Dzelzs ir plastiska, to var kalt un velmēt, un tai ir salīdzinoši augsta kušanas temperatūra — aptuveni 1538 °C. Metāla mehāniskās īpašības būtiski ietekmē tā tīrība, temperatūra un iekšējā struktūra.
Dzelzs labi vada siltumu un elektrisko strāvu, lai gan tās elektrovadītspēja ir zemāka nekā varam un alumīnijam. Mainoties temperatūrai, metāls var pāriet starp dažādām kristāliskajām modifikācijām. Šīm pārvērtībām ir liela nozīme metalurģijā, termiskajā apstrādē un dzelzi saturošu materiālu īpašību veidošanā.
Dzelzs magnētiskās īpašības
Viena no pazīstamākajām dzelzs īpašībām ir feromagnētisms. Temperatūrā zem aptuveni 770 °C parastā dzelzs α-modifikācija spēj spēcīgi magnetizēties ārējā magnētiskajā laukā. Šo temperatūru sauc par Kirī punktu. To pārsniedzot, dzelzs zaudē feromagnētiskās īpašības un kļūst paramagnētiska.
Dzelzs magnētiskās īpašības izmanto elektromagnētu, elektrotehnisko ierīču serdeņu, magnētisko ķēžu un specializēta aprīkojuma ražošanā. Šādiem lietojumiem īpaši svarīga ir materiāla tīrība, struktūra un spēja efektīvi magnetizēties un atmagnetizēties.
Ķīmiskās īpašības un korozija
Dzelzs ir ķīmiski aktīvs metāls. Mitrā gaisā tā pakāpeniski oksidējas, veidojot korozijas produktus, kurus parasti sauc par rūsu. Rūsa ir hidratētu dzelzs oksīdu un oksihidroksīdu maisījums. Atšķirībā no dažu citu metālu aizsargājošajām oksīdu kārtiņām parastā rūsa nenodrošina drošu virsmas aizsardzību pret turpmāku bojāšanos.
Karsējot dzelzs aktīvi reaģē ar skābekli, veidojot dažādus oksīdus. Tā reaģē arī ar atšķaidītām neoksidējošām skābēm, izdalot ūdeņradi. Dzelzs izstrādājumu aizsardzībai pret koroziju izmanto krāsošanu, metāla pārklājumus, īpašus aizsargmateriālus un elektroķīmiskās metodes.
Kur izmanto dzelzi
Melnā metalurģija
Dzelzs ir tērauda un čuguna galvenā sastāvdaļa. Šos materiālus plaši izmanto būvniecībā, mašīnbūvē, transporta rūpniecībā, enerģētikā un iekārtu ražošanā. Tieši dzelzi saturošu materiālu ražošana veido pasaules melnās metalurģijas pamatu.
Elektrotehnika un magnētiskie materiāli
Augstas tīrības pakāpes dzelzi un specializētus dzelzi saturošus materiālus izmanto magnētisko ķēžu, elektromagnētu serdeņu un citu elektrotehnisko iekārtu izgatavošanā. To īpašības ļauj efektīvi vadīt magnētiskos laukus.
Pulvermetalurģija
Dzelzs pulverus izmanto detaļu ražošanā ar presēšanas un saķepināšanas metodēm. Šī tehnoloģija ļauj iegūt noteiktas formas un struktūras izstrādājumus ar minimālu materiāla zudumu.
Ķīmiskā rūpniecība
Dzelzi un tās savienojumus izmanto dažādos ķīmiskajos procesos, pigmentu, reaģentu, katalizatoru un ūdens attīrīšanas materiālu ražošanā. Metālisku dzelzi izmanto arī kā reducētāju atsevišķos tehnoloģiskajos procesos.
Ar ko atšķiras dzelzs, tērauds un čuguns
Dzelzs ir ķīmiskais elements Fe. Tērauds un čuguns ir sakausējumi uz dzelzs bāzes, kas satur oglekli un atkarībā no pielietojuma arī citus elementus. Tieši oglekļa saturs, papildu komponenti un materiāla struktūra lielā mērā nosaka tā mehāniskās un tehnoloģiskās īpašības.
Tērauds parasti satur mazāk nekā aptuveni 2,1 % oglekļa, un tam ir plašas apstrādes, formēšanas un termiskās stiprināšanas iespējas. Čuguns parasti satur vairāk nekā 2,1 % oglekļa, un tam raksturīgas labas liešanas īpašības. Robežu starp šīm materiālu grupām nosaka pieņemtā metalurģiskā klasifikācija un sastāva īpatnības.
Tīra dzelzs parasti ir mīkstāka un plastiskāka par lielāko daļu konstrukciju tēraudu. Tāpēc nesošo konstrukciju, instrumentu un mašīnu detaļu izgatavošanai biežāk izmanto tēraudu vai čugunu, nevis ķīmiski tīru dzelzi. Visus šos materiālus vieno dzelzs kā galvenā metāliskā sastāvdaļa.
Dzelzs dabā un dzelzsrūdas
Dzelzs ir viens no izplatītākajiem Zemes garozas elementiem. Dabā tā sastopama galvenokārt minerālu sastāvā, no kuriem svarīgākie ir hematīts (Fe₂O₃), magnetīts (Fe₃O₄), getīts un siderīts (FeCO₃). Dzelzsrūdas ir galvenā izejviela metalurģijas rūpniecībai.
Dabīga metāliska dzelzs uz Zemes virsmas sastopama reti. Īpašu interesi rada meteorītu dzelzs, kas parasti satur niķeli un citus elementus. Dzelzij ir svarīga nozīme arī dzīvajos organismos: tā ietilpst hemoglobīna sastāvā un piedalās skābekļa transportēšanā.
Dzelzs iegūšana
Galvenais rūpnieciskais dzelzs iegūšanas veids ir tās oksīdu reducēšana no dzelzsrūdas. Tradicionālajā domnas procesā izmanto dzelzsrūdas izejvielas, koksu un kušņus. Augstā temperatūrā dzelzs oksīdi tiek reducēti, bet iegūtais šķidrais metāls piesātinās ar oglekli un veido domnas čugunu.
Lai iegūtu tēraudu, domnas čugunu tālāk pārstrādā, samazinot oglekļa saturu un atdalot nevēlamos piemaisījumus. Pastāv arī dzelzs tiešās reducēšanas tehnoloģijas, kas ļauj iegūt porainu dzelzi bez tradicionālās domnas kausēšanas. Īpaši tīru dzelzi ražo, izmantojot papildu attīrīšanas metodes.
Dzelzs un otrreizējā pārstrāde
Dzelzi saturoši materiāli ir vieni no visvairāk pārstrādātajiem metāliskajiem materiāliem. Tērauda un čuguna lūžņus izmanto atkārtotai metāla ražošanai, galvenokārt elektriskajās tērauda kausēšanas krāsnīs. Pateicoties magnētiskajām īpašībām, daudzus dzelzi saturošus atkritumus var efektīvi atdalīt no citiem materiāliem.
Otrreizējā pārstrāde ļauj atgriezt dzelzi rūpnieciskajā apritē, samazināt nepieciešamību pēc dzelzsrūdas ieguves un primāro resursu patēriņu. Vienlaikus ir svarīgi atšķirt ķīmisko elementu dzelzi no reālajiem pārstrādei nodotajiem materiāliem: lielākā daļa no tiem ir dažādu marku tērauds un čuguns.
