Trouver du fer dans la nature. Fer - caractéristiques générales de l'élément, propriétés chimiques du fer et de ses composés
Le fer est un élément chimique bien connu. Il fait partie des métaux à réactivité moyenne. Nous examinerons les propriétés et l'utilisation du fer dans cet article.
Prévalence dans la nature
Il existe un assez grand nombre de minéraux qui incluent du ferrum. Tout d'abord, c'est de la magnétite. C'est soixante-douze pour cent de fer. Sa formule chimique est Fe 3 O 4 . Ce minéral est aussi appelé minerai de fer magnétique. Il possède gris clair, parfois avec du gris foncé, jusqu'au noir, avec un éclat métallique. Son plus grand gisement parmi les pays de la CEI est situé dans l'Oural.
Le prochain minéral à haute teneur en fer est l'hématite - il se compose de soixante-dix pour cent de cet élément. Sa formule chimique est Fe 2 O 3 . On l'appelle aussi minerai de fer rouge. Il a une couleur allant du rouge-brun au rouge-gris. Le plus grand gisement sur le territoire des pays de la CEI est situé à Krivoy Rog.
Le troisième minéral en termes de teneur en fer est la limonite. Ici, le fer représente soixante pour cent de la masse totale. C'est un hydrate cristallin, c'est-à-dire dans sa réseau cristallin les molécules d'eau sont entrelacées, sa formule chimique est Fe 2 O 3 .H 2 O. Comme son nom l'indique, ce minéral a une couleur jaune-brunâtre, parfois brune. C'est l'un des principaux composants de l'ocre naturelle et il est utilisé comme pigment. On l'appelle aussi pierre de fer brune. Les occurrences les plus importantes sont la Crimée, l'Oural.
Dans la sidérite, le soi-disant minerai de fer spath, quarante-huit pour cent de fer. Sa formule chimique est FeCO 3 . Sa structure est hétérogène et se compose de cristaux réunis couleur différente: gris, vert pâle, gris-jaune, brun-jaune, etc.
Le dernier minéral naturel à haute teneur en fer est la pyrite. Il a un tel formule chimique FeS2. Le fer qu'il contient représente quarante-six pour cent de la masse totale. En raison des atomes de soufre, ce minéral a une couleur jaune doré.
Bon nombre des minéraux considérés sont utilisés pour obtenir du fer pur. De plus, l'hématite est utilisée dans la fabrication de bijoux à partir de pierres naturelles. Des inclusions de pyrite peuvent être trouvées dans les bijoux en lapis-lazuli. De plus, le fer se trouve dans la nature dans la composition des organismes vivants - c'est l'un des composants les plus importants de la cellule. Cet oligo-élément doit être apporté au corps humain en quantité suffisante. Propriétés médicales le fer est en grande partie dû au fait que cet élément chimique est à la base de l'hémoglobine. Par conséquent, l'utilisation de ferrum a un bon effet sur l'état du sang, et donc sur l'ensemble de l'organisme dans son ensemble.
Fer : propriétés physiques et chimiques
Examinons ces deux sections principales dans l'ordre. le fer est à lui apparence, densité, point de fusion, etc. C'est-à-dire toutes les caractéristiques distinctives de la matière associées à la physique. Les propriétés chimiques du fer sont sa capacité à réagir avec d'autres composés. Commençons par le premier.
Propriétés physiques du fer
À forme pure dans des conditions normales, il solide. Il a une couleur gris argenté et un éclat métallique prononcé. Les propriétés mécaniques du fer incluent un niveau de dureté She égal à quatre (moyen). Le fer a une bonne conductivité électrique et thermique. La dernière caractéristique peut être ressentie en touchant un objet en fer dans une chambre froide. Étant donné que ce matériau conduit rapidement la chaleur, il en retire une grande partie de votre peau en peu de temps, c'est pourquoi vous avez froid.
En touchant, par exemple, un arbre, on peut constater que sa conductivité thermique est beaucoup plus faible. Les propriétés physiques du fer sont ses points de fusion et d'ébullition. Le premier est de 1539 degrés Celsius, le second est de 2860 degrés Celsius. On peut conclure que propriétés caractéristiques fer - bonne ductilité et fusibilité. Mais ce n'est pas tout.
Les propriétés physiques du fer comprennent également son ferromagnétisme. Ce que c'est? Le fer, dont on peut observer les propriétés magnétiques sur exemples pratiques chaque jour, est le seul métal qui a une telle poinçonner. Cela s'explique par matériel donné capable d'être magnétisé par champ magnétique. Et après la fin de l'action de ce dernier, le fer, dont les propriétés magnétiques viennent de se former, reste longtemps un aimant. Ce phénomène peut s'expliquer par le fait que dans la structure de ce métal, il existe de nombreux électrons libres capables de se déplacer.
En termes de chimie
Cet élément appartient aux métaux d'activité moyenne. Mais les propriétés chimiques du fer sont typiques de tous les autres métaux (sauf ceux qui se trouvent à droite de l'hydrogène dans la série électrochimique). Il est capable de réagir avec de nombreuses classes de substances.
Commençons simplement
Le ferrum interagit avec l'oxygène, l'azote, les halogènes (iode, brome, chlore, fluor), le phosphore, le carbone. La première chose à considérer est les réactions avec l'oxygène. Lorsque le ferrum est brûlé, ses oxydes se forment. Selon les conditions de la réaction et les proportions entre les deux participants, elles peuvent être variées. Comme exemple de telles interactions, les équations de réaction suivantes peuvent être données : 2Fe + O 2 = 2FeO ; 4Fe + 3O 2 \u003d 2Fe 2 O 3; 3Fe + 2O 2 \u003d Fe 3 O 4. Et les propriétés de l'oxyde de fer (à la fois physiques et chimiques) peuvent varier en fonction de sa variété. Ces réactions ont lieu à des températures élevées.
Vient ensuite l'interaction avec l'azote. Cela peut également se produire uniquement dans des conditions de chauffage. Si nous prenons six moles de fer et une mole d'azote, nous obtenons deux moles de nitrure de fer. L'équation de la réaction ressemblera à ceci : 6Fe + N 2 = 2Fe 3 N.
Lors de l'interaction avec le phosphore, un phosphure se forme. Pour mener à bien la réaction, les composants suivants sont nécessaires: pour trois moles de ferrum - une mole de phosphore, une mole de phosphure se forme. L'équation peut s'écrire comme suit : 3Fe + P = Fe 3 P.
De plus, parmi les réactions avec des substances simples, on peut également distinguer l'interaction avec le soufre. Dans ce cas, du sulfure peut être obtenu. Le principe selon lequel se produit le processus de formation de cette substance est similaire à ceux décrits ci-dessus. A savoir, une réaction d'addition se produit. Pour tous interactions chimiques ce genre de conditions spéciales, principalement des températures élevées, moins souvent - des catalyseurs.
Commun aussi dans industrie chimique réactions entre le fer et les halogènes. Ce sont la chloration, la bromation, l'iodation, la fluoration. Comme il ressort clairement des noms des réactions elles-mêmes, il s'agit du processus d'ajout d'atomes de chlore / brome / iode / fluor à des atomes de fer pour former respectivement du chlorure / bromure / iodure / fluorure. Ces substances sont largement utilisées dans diverses industries. De plus, le fer est capable de se combiner avec le silicium à des températures élevées. Grâce à Propriétés chimiques le fer est diversifié, il est souvent utilisé dans l'industrie chimique.
Ferrum et substances complexes
De substances simples passons à ceux dont les molécules sont constituées de deux ou plusieurs éléments chimiques différents. La première chose à mentionner est la réaction du ferrum avec l'eau. Voici les principales propriétés du fer. Lorsque l'eau est chauffée, elle se forme avec le fer (on l'appelle ainsi car, en interagissant avec la même eau, elle forme un hydroxyde, c'est-à-dire une base). Ainsi, si vous prenez une mole des deux composants, des substances telles que le dioxyde de fer et l'hydrogène se forment sous la forme d'un gaz à l'odeur âcre - également dans des proportions molaires de un pour un. L'équation de ce type de réaction peut s'écrire comme suit: Fe + H 2 O \u003d FeO + H 2. Selon les proportions dans lesquelles ces deux composants sont mélangés, on peut obtenir du di- ou du trioxyde de fer. Ces deux substances sont très courantes dans l'industrie chimique et sont également utilisées dans de nombreuses autres industries.
Avec des acides et des sels
Étant donné que le fer est situé à gauche de l'hydrogène dans la série électrochimique de l'activité des métaux, il est capable de déplacer cet élément des composés. Un exemple de ceci est la réaction de substitution qui peut être observée lorsque du fer est ajouté à un acide. Par exemple, si vous mélangez du fer et de l'acide sulfurique (alias acide sulfurique) de concentration moyenne dans les mêmes proportions molaires, le résultat sera du sulfate de fer (II) et de l'hydrogène dans les mêmes proportions molaires. L'équation d'une telle réaction ressemblera à ceci: Fe + H 2 SO 4 \u003d FeSO 4 + H 2.
Lors de l'interaction avec des sels, les propriétés réductrices du fer se manifestent. C'est-à-dire qu'avec l'aide de celui-ci, un métal moins actif peut être isolé du sel. Par exemple, si vous prenez une mole et la même quantité de fer, vous pouvez obtenir du sulfate de fer (II) et du cuivre pur dans les mêmes proportions molaires.
Signification pour le corps
L'un des plus répandus en la croûte terrestreéléments chimiques - fer. nous l'avons déjà considéré, nous allons maintenant l'aborder d'un point de vue biologique. Ferrum remplit des fonctions très importantes tant au niveau cellulaire qu'au niveau de l'organisme entier. Tout d'abord, le fer est la base d'une protéine telle que l'hémoglobine. Il est nécessaire au transport de l'oxygène dans le sang depuis les poumons jusqu'à tous les tissus, organes, jusqu'à chaque cellule du corps, principalement jusqu'aux neurones du cerveau. C'est pourquoi caractéristiques bénéfiques le fer ne peut pas être surestimé.
En plus d'affecter la formation du sang, le ferrum est également important pour fonctionnement complet glande thyroïde (cela nécessite non seulement de l'iode, comme certains le pensent). Le fer participe également au métabolisme intracellulaire, régule l'immunité. Le ferrum est également présent en quantités particulièrement importantes dans les cellules hépatiques, car il aide à neutraliser substances dangereuses. C'est également l'un des principaux composants de nombreux types d'enzymes dans notre corps. À régime journalié une personne doit contenir de dix à vingt milligrammes de cet oligo-élément.
Aliments riches en fer
Il y a beaucoup de. Ils sont à la fois d'origine végétale et animale. Les premiers sont les céréales, les légumineuses, les céréales (surtout le sarrasin), les pommes, les champignons (blancs), les fruits secs, les églantines, les poires, les pêches, les avocats, le potiron, les amandes, les dattes, les tomates, le brocoli, le chou, les myrtilles, les mûres, le céleri, etc. La seconde - foie, viande. L'utilisation d'aliments riches en fer est particulièrement importante pendant la grossesse, car le corps du fœtus en développement a besoin d'une grande quantité de cet oligo-élément pour une croissance et un développement appropriés.
Signes de carence en fer dans le corps
Les symptômes d'une trop faible pénétration de ferrum dans l'organisme sont la fatigue, le gel constant des mains et des pieds, la dépression, les cheveux et les ongles cassants, une activité intellectuelle réduite, des troubles digestifs, de faibles performances et des troubles de la thyroïde. Si vous remarquez plusieurs de ces symptômes, cela vaut la peine d'augmenter la quantité d'aliments riches en fer dans votre alimentation ou d'acheter des vitamines ou compléments alimentaires contenant du fer. Assurez-vous également de consulter un médecin si l'un de ces symptômes vous semble trop aigu.
L'utilisation du fer dans l'industrie
Les utilisations et les propriétés du fer sont étroitement liées. En raison de son ferromagnétisme, il est utilisé pour fabriquer des aimants - à la fois plus faibles à des fins domestiques (aimants de réfrigérateur de souvenirs, etc.) et plus forts - à des fins industrielles. En raison du fait que le métal en question a une résistance et une dureté élevées, il est utilisé depuis l'Antiquité pour la fabrication d'armes, d'armures et d'autres objets militaires et outils ménagers. D'ailleurs, même dans L'Egypte ancienne On connaissait le fer météorique dont les propriétés sont supérieures à celles du métal ordinaire. En outre, un tel fer spécial était utilisé dans la Rome antique. Ils en ont fait des armes d'élite. Seule une personne très riche et noble pouvait avoir un bouclier ou une épée en métal de météorite.
En général, le métal que nous considérons dans cet article est le plus polyvalent parmi toutes les substances de ce groupe. Tout d'abord, l'acier et la fonte en sont fabriqués, qui sont utilisés pour fabriquer toutes sortes de produits nécessaires à la fois dans l'industrie et dans la vie quotidienne.
La fonte est un alliage de fer et de carbone, dans lequel le second est présent de 1,7 à 4,5 %. Si la seconde est inférieure à 1,7 %, ce type d'alliage est appelé acier. Si environ 0,02% de carbone est présent dans la composition, il s'agit déjà de fer technique ordinaire. La présence de carbone dans l'alliage est nécessaire pour lui donner une plus grande résistance, stabilité thermique et résistance à la rouille.
De plus, l'acier peut contenir de nombreux autres éléments chimiques sous forme d'impuretés. Il s'agit de manganèse, de phosphore et de silicium. Aussi, du chrome, du nickel, du molybdène, du tungstène et bien d'autres éléments chimiques peuvent être ajoutés à ce genre d'alliage pour lui donner certaines qualités. Les types d'acier dans lesquels une grande quantité de silicium est présente (environ quatre pour cent) sont utilisés comme aciers de transformateur. Ceux qui contiennent beaucoup de manganèse (jusqu'à douze à quatorze pour cent) trouvent leur utilisation dans la fabrication de pièces les chemins de fer, broyeurs, concasseurs et autres outils dont certaines parties sont soumises à une abrasion rapide.
Le molybdène est introduit dans la composition de l'alliage pour le rendre plus stable thermiquement - ces aciers sont utilisés comme aciers à outils. De plus, pour obtenir des couteaux bien connus et souvent utilisés dans la vie de tous les jours sous forme de couteaux et autres outils ménagers aciers inoxydables il est nécessaire d'ajouter du chrome, du nickel et du titane à l'alliage. Et pour obtenir de l'acier ductile à haute résistance et résistant aux chocs, il suffit d'y ajouter du vanadium. Lorsqu'il est introduit dans la composition du niobium, il est possible d'obtenir une résistance élevée à la corrosion et aux effets de substances chimiquement agressives.
La magnétite minérale, qui a été mentionnée au début de l'article, est nécessaire à la fabrication de disques durs, de cartes mémoire et d'autres appareils de ce type. En raison de ses propriétés magnétiques, le fer peut être trouvé dans la construction de transformateurs, de moteurs, de produits électroniques, etc. De plus, le fer peut être ajouté à d'autres alliages métalliques pour leur donner une plus grande résistance et stabilité mécanique. Le sulfate de cet élément est utilisé en horticulture pour la lutte antiparasitaire (avec le sulfate de cuivre).
Ils sont indispensables à la purification de l'eau. De plus, la poudre de magnétite est utilisée dans les imprimantes noir et blanc. voie principale La pyrite est utilisée pour en produire de l'acide sulfurique. Ce processus se déroule dans conditions de laboratoire en trois étapes. Dans la première étape, la pyrite de fer est brûlée pour produire de l'oxyde de fer et du dioxyde de soufre. Au deuxième stade, la conversion du dioxyde de soufre en son trioxyde se produit avec la participation de l'oxygène. Et au stade final, la substance résultante est traversée en présence de catalyseurs, obtenant ainsi de l'acide sulfurique.
Obtenir du fer
Ce métal est principalement extrait de ses deux principaux minéraux : la magnétite et l'hématite. Cela se fait en réduisant le fer de ses composés avec du carbone sous forme de coke. Cela se fait dans des hauts fourneaux, dont la température atteint deux mille degrés Celsius. De plus, il existe un moyen de réduire le ferrum avec de l'hydrogène. Cela ne nécessite pas de haut fourneau. Pour la mise en œuvre cette méthode ils prennent de l'argile spéciale, la mélangent avec du minerai concassé et la traitent avec de l'hydrogène dans un four à cuve.
Conclusion
Les propriétés et les utilisations du fer sont variées. C'est peut-être le métal le plus important dans nos vies. Devenir connu de l'humanité, il a pris la place du bronze, qui était à cette époque le matériau principal pour la fabrication de tous les outils, ainsi que des armes. L'acier et la fonte sont à bien des égards supérieurs à l'alliage de cuivre et d'étain en termes de propriétés physiques, de résistance aux contraintes mécaniques.
De plus, le fer est plus répandu sur notre planète que de nombreux autres métaux. il dans la croûte terrestre est de près de cinq pour cent. C'est le quatrième élément chimique le plus abondant dans la nature. De plus, cet élément chimique est très important pour le fonctionnement normal de l'organisme des animaux et des plantes, principalement parce que l'hémoglobine est construite sur sa base. Le fer est l'oligo-élément le plus important ce qui est important pour le maintien de la santé et fonctionnement normal organes. En plus de ce qui précède, c'est le seul métal qui possède des propriétés magnétiques uniques. Sans fer, il est impossible d'imaginer notre vie.
Beaucoup plus tôt que le fer, les gens ont appris à extraire et. Il y a tout juste 450 ans, les Espagnols, qui ont débarqué dans le Centre et Amérique du Sud, y découvrit de riches cités aux immenses édifices publics, palais et temples. Cependant, il s'est avéré que les Indiens ne connaissaient pas encore le fer. Leurs outils et leurs armes n'étaient faits que de pierre.
Il est connu de l'histoire que les peuples d'Egypte, de Mésopotamie et de Chine pendant 3-4 mille ans avant JC. e. produit gigantesque travaux de construction pour exploiter la puissance des puissants fleuves et diriger les eaux vers les champs. Pour tous ces travaux, de nombreux outils étaient nécessaires - pioches, houes, charrues, et pour se protéger contre les raids nomades, de nombreuses armes - épées et flèches. Dans le même temps, le cuivre et l'étain n'étaient pas tellement extraits. Par conséquent, le développement de la production a nécessité un nouveau métal, plus commun dans la nature. La recherche de ce métal n'a pas été facile : les minerais de fer ont peu de ressemblance avec le métal, et dans les temps anciens, bien sûr, il était difficile pour une personne de deviner que c'était eux qui contenaient le métal dont il avait besoin. De plus, il est très mou en soi, c'est un matériau médiocre pour la fabrication d'outils et d'armes.
Beaucoup de temps s'est écoulé jusqu'à ce qu'une personne apprenne à extraire le fer des minerais et à en fabriquer.
Il est possible que les premières découvertes du fer comme matériau de fabrication Divers articles associé aux découvertes de météorites de fer, constituées de fer natif avec un mélange de nickel. Peut-être qu'en observant comment le fer météorique rouille, les gens ont deviné que le fer était contenu dans les ocres terreuses jaunes, que l'on trouve souvent à la surface de la terre, puis ont découvert des moyens de fondre le fer.
Selon les données historiques, environ mille ans avant JC. e. en Assyrie, en Inde, en Urartu et dans quelques autres pays, ils savaient déjà comment extraire et traiter le fer. Il servait à fabriquer des outils et diverses armes. Au 7ème siècle avant JC e. la population agricole, qui vivait le long du Dniepr et dans les steppes de la mer Noire, extrayait aussi habilement le fer. À partir de là, les Scythes fabriquaient des couteaux, des épées, des pointes de flèches et des lances, ainsi que d'autres articles militaires et ménagers.
L'extraction et l'art du traitement du fer étaient répandus dans toute la Russie antique.
Les forgerons, communément appelés "rusés" à l'époque, non seulement transformaient, mais généralement eux-mêmes extrayaient le fer des minerais. Ils étaient très respectés. Dans les contes populaires, le forgeron bat le serpent Gorynych, qui personnifiait forces du mal, et accomplit de nombreux autres actes héroïques.
Le fer est un métal mou qui se prête bien au forgeage, mais à l'état pur inadapté à la fabrication d'outils.Seuls les alliages du fer avec d'autres substances lui confèrent les propriétés nécessaires, dont la dureté. Le plus important pour économie nationale deux alliages de fer et de carbone - fonte contenant plus de 2 % (jusqu'à 6 %) de carbone, et acier contenant de 0,03 à 2 % de carbone.
Dans les temps anciens, les gens n'avaient aucune idée de la fonte, mais ils ont appris à fabriquer de l'acier à partir de fer. Ils fondaient le fer dans des forges primitives, mélangeant du minerai de fer avec du charbon de bois. Ils obtenaient la haute température nécessaire à la fusion du minerai de fer à l'aide de soufflets de soufflage ordinaires. Ils ont été mis en mouvement par les mains, et plus tard par la puissance de l'eau, en installant des moulins à eau. Après la fusion du minerai de fer, une masse frittée de fer granulaire a été obtenue, qui a ensuite été forgée sur des enclumes.
Pour obtenir de l'acier à partir de fer, de fines bandes de fer forgé étaient recouvertes de charbon de bois et calcinées avec du charbon pendant plusieurs jours. Bien sûr, peu d'acier a été obtenu de cette manière, et c'était cher. Les secrets de la fabrication de l'acier étaient gardés de la manière la plus stricte. Elle était surtout célèbre acier damas- bulat, - la méthode d'obtention qui a été développée, apparemment, par d'anciens maîtres indiens, puis maîtrisée par des maîtres arabes.
Cependant, toutes ces méthodes de traitement du minerai de fer et de fabrication de l'acier produisaient peu de métal. Le besoin toujours croissant de celui-ci a forcé les gens à chercher de nouvelles façons d'obtenir des quantités beaucoup plus importantes de métal. À la fin du XIVe - début du XVe siècle, des fours pour la fonte du fer ont commencé à être construits déjà à 2-3 m de haut afin d'obtenir plus de métal. Les maîtres qui ont fondu dans ces fours ont remarqué que certaines fusions étaient infructueuses. Au lieu de fer, une masse ressemblant à du fer s'est formée dans le four qui, une fois refroidie, a donné une substance cassante et infalsifiable. Mais, contrairement au fer et à l'acier, cette masse avait une propriété remarquable: elle était obtenue dans le four à l'état fondu sous forme de liquide, elle pouvait être libérée par les trous du four et coulée à partir de celui-ci. formes différentes. C'était de la fonte.
Bien sûr, autrefois, les métallurgistes n'étaient pas en mesure d'expliquer pourquoi, dans certains cas, de la fonte malléable frittée se trouvait dans le four, et dans d'autres, de la fonte liquide. La chimie en tant que science n'existait pas à cette époque, et aucun des maîtres qui fabriquaient le fer ne pouvait savoir que tout consistait dans la proportion entre le minerai, le charbon et l'air entrant dans le four lors de la fusion. Plus on introduit d'air (plus précisément d'oxygène) dans le four, plus le carbone brûlera et se transformera en dioxyde de carbone, qui s'évaporera, et il restera peu de carbone dans le fer : c'est ainsi que l'on obtient l'acier. S'il y a moins d'air, alors beaucoup de carbone se dissout dans le fer : la fonte se forme.
Assez rapidement, les gens ont appris à utiliser la fonte non seulement pour les pièces moulées, mais aussi pour en faire de la fonte malléable. Pour ce faire, un morceau de fonte a été chauffé dans des fours et a ainsi brûlé l'excès de carbone.
Invention machine à vapeur et métier au XVIIIe siècle. et surtout la construction de voies ferrées début XIX dans. demandait une énorme quantité de métal. Encore une fois, des changements fondamentaux étaient nécessaires dans la production de fer et d'acier.
Dès 1784, en Angleterre, Cort introduit le traitement de la fonte dans les fours dits à flamme ou à réverbère. Ce procédé a été nommé flaque. Dans un four à réverbère, ils ont commencé à utiliser à la place du bois. L'utilisation du charbon dans les fonderies était entravée par le soufre contenu dans le charbon. Il a pénétré le fer lorsqu'il est entré en contact avec le charbon. Et le fer contenant du soufre est devenu cassant dès qu'il a été chauffé.
Dans un four à réverbère, le foyer est séparé par un seuil du bain où la fonte est fondue, et donc le charbon n'entre pas directement en contact avec. La fonte est chauffée par une flamme et de l'air chaud passant dessus depuis le four et réfléchi par le toit du four. Parallèlement à l'amélioration de la méthode de production de la fonte, les recherches de nouvelles méthodes de fabrication de l'acier se sont intensifiées.
Le secret de la fabrication de l'acier de Damas - l'acier damassé - a été découvert par le célèbre métallurgiste russe Pavel Petrovich Anosov, qui a travaillé dans la première moitié du XIXe siècle à l'usine métallurgique de Zlatoust. Il fondit le fer dans de petits creusets avec du graphite, qui est aussi du carbone, et obtint un merveilleux acier de Damas. Le cliché fait de cet acier était plus solide que l'acier anglais le plus solide, qui à l'époque était considéré comme le meilleur au monde.
En 1856, l'ingénieur anglais Bessemer a suggéré de souffler de l'air dans les "buses" - des trous au fond de la cornue - à travers de la fonte en fusion, grâce à quoi, en 10 à 20 minutes, tout l'excès de charbon s'est transformé en dioxyde de carbone et en fonte en acier.
Plus tard large utilisation a reçu une méthode de fusion de l'acier dans des fours à réverbère, appelée à foyer ouvert. Les fours à réverbère à foyer ouvert sont bien meilleurs que les anciens fours à réverbère. Dans les appareils spéciaux des fours à foyer ouvert - les régénérateurs - l'air et le gaz combustible obtenus à partir du charbon sont préchauffés à 1000 °. Le chauffage est dû à la chaleur gaz de combustion provenant du même four. Le chauffage du gaz et de l'air contribue au développement (lors de la combustion du gaz) d'une température d'environ 1800°. C'est suffisant pour faire fondre la ferraille et la ferraille.
L'acier particulièrement de haute qualité est maintenant fondu dans des fours électriques, où le métal est obtenu par fusion dans un arc voltaïque, dont la température atteint 3000 °. Les avantages de la fusion électrique sont que le métal n'est pas contaminé impuretés nocives, toujours présent dans les gaz des combustibles brûlés dans les fours conventionnels.
La fonte est fondue dans des hauts fourneaux. La hauteur d'un haut fourneau moderne, avec ses dispositifs auxiliaires, est de 40 mètres ou plus. Pour abaisser le point de fusion du minerai de fer, il est ajouté flux, ou cerf d'étain, est une substance qui, en se combinant avec parties constitutives minerai, forme un laitier fusible. Habituellement, le spath fluor ou la fluorite, etc. sont utilisés comme fondant. Un mélange de minerai et de fondant est appelé charge. Le mélange est versé dans un autre four, entrecoupé de coke, qui, lorsqu'il est brûlé, chauffe et fait fondre l'ensemble du mélange. Le coke ne brûle normalement que si de l'air y est insufflé, préchauffé à 600-850 °. L'air est chauffé par les gaz sortant du haut fourneau dans les tours en acier - cauiopax, - bordée de briques à l'intérieur.
Dans la partie la plus basse du four, rouge, rencontrant de l'air chaud, s'éteint. Cela produit du dioxyde de carbone (CO2). En s'élevant, il se transforme en un autre gaz - le monoxyde de carbone (CO), qui se caractérise par une activité chimique élevée.
Le monoxyde de carbone absorbe avidement l'oxygène des oxydes de fer. Ainsi, le fer métallique contenant du carbone est libéré, t. fonte, qui coule ensuite dans partie inférieure hauts fourneaux. De temps en temps, il est libéré par un trou spécial dans le four et coule dans des moules où il refroidit.
Le fer est un élément d'un sous-groupe secondaire du huitième groupe de la quatrième période du système périodique des éléments chimiques de numéro atomique 26. Il est désigné par le symbole Fe (lat. Ferrum). L'un des métaux les plus courants de la croûte terrestre (deuxième place après l'aluminium).
La substance simple fer (numéro CAS : 7439-89-6) est un métal blanc argenté malléable à haute réactivité chimique : le fer se corrode rapidement à haute température ou à humidité élevéeà l'antenne. Dans l'oxygène pur, le fer brûle et, à l'état finement dispersé, il s'enflamme spontanément dans l'air.
En fait, le fer est généralement appelé ses alliages à faible teneur en impuretés (jusqu'à 0,8%), qui conservent la douceur et la ductilité d'un métal pur. Mais dans la pratique, les alliages de fer avec du carbone sont plus souvent utilisés: acier (jusqu'à 2,14% en poids de carbone) et fonte (plus de 2,14% en poids de carbone), ainsi que de l'acier inoxydable (allié) avec l'ajout d'un alliage métaux (chrome, manganèse, nickel, etc.). La combinaison des propriétés spécifiques du fer et de ses alliages en font le "métal n°1" en importance pour l'homme.
Dans la nature, le fer est rarement trouvé sous sa forme pure, le plus souvent il fait partie des météorites fer-nickel. La prévalence du fer dans la croûte terrestre est de 4,65% (4ème place après O, Si, Al). On pense également que le fer constitue la majeure partie du noyau terrestre.
origine du nom
Il existe plusieurs versions de l'origine du mot slave "fer" (zhalez biélorusse, zalіzo ukrainien, zhelѣzo vieux slave, zhelyazo bulgare, zhelљzo serbo-chorvien, żelazo polonais, železo tchèque, železo slovène).
L'une des étymologies relie Praslav. *želězo avec le mot grec χαλκός, qui signifiait fer et cuivre, selon une autre version *želězo est lié aux mots *žely "tortue" et *glazъ "roche", avec le sème commun "pierre". La troisième version suggère un emprunt ancien à une langue inconnue.
Les langues romanes (italien ferro, français fer, espagnol hierro, port ferro, rhum fier) continuent lat. ferreux. Le latin ferrum (les langues germaniques ont emprunté le nom du fer (gothique eisarn, anglais fer, allemand Eisen, néerlandais ijzer, danois jern, suédois järn) au celtique.
Le mot pro-celtique *isarno- (> OE iarn, OE Bret. hoiarn) remonte probablement à Proto-IE. *h1esh2r-no- « sanglant » avec développement sémantique « sanglant » > « rouge » > « fer ». Selon une autre hypothèse, ce mot remonterait à pra-i.e. *(H)ish2ro- "fort, saint, possédant un pouvoir surnaturel."
Le mot grec ancien σίδηρος peut avoir été emprunté à la même source que les mots slaves, germaniques et baltes pour l'argent.
Le nom du carbonate de fer naturel (sidérite) vient du lat. sidereus - étoilé; en effet, le premier fer qui est tombé entre les mains des gens était d'origine météorique. Cette coïncidence n'est peut-être pas fortuite. En particulier, le mot grec ancien sideros (σίδηρος) désignant le fer et le latin sidus signifiant « étoile » ont probablement une origine commune.
Reçu
Dans l'industrie, le fer est obtenu à partir de minerai de fer, principalement à partir d'hématite (Fe 2 O 3) et de magnétite (FeO·Fe 2 O 3).
Exister différentes manières extraction du fer des minerais. Le plus courant est le processus de domaine.
La première étape de production est la réduction du fer avec du carbone dans un haut fourneau à une température de 2000 °C. Dans un haut fourneau, le carbone sous forme de coke, le minerai de fer sous forme d'aggloméré ou de boulettes et le fondant (par exemple le calcaire) sont alimentés par le haut et sont accueillis par un flux d'air chaud injecté par le bas.
Dans le four, le carbone sous forme de coke est oxydé en monoxyde de carbone. Cet oxyde se forme lors de la combustion en l'absence d'oxygène. À son tour, le monoxyde de carbone récupère le fer du minerai. Pour accélérer cette réaction, du monoxyde de carbone chauffé est passé à travers de l'oxyde de fer (III). Le flux est ajouté pour se débarrasser des impuretés indésirables (principalement des silicates, par exemple du quartz) dans le minerai extrait. Un flux typique contient du calcaire (carbonate de calcium) et de la dolomie (carbonate de magnésium). D'autres flux sont utilisés pour éliminer d'autres impuretés.
Action de flux (en ce cas carbonate de calcium) réside dans le fait que lorsqu'il est chauffé, il se décompose en son oxyde. L'oxyde de calcium se combine avec le dioxyde de silicium, formant un laitier - métasilicate de calcium. Le laitier, contrairement au dioxyde de silicium, est fondu dans un four. Plus léger que le fer, le laitier flotte à la surface - cette propriété permet de séparer le laitier du métal. Le laitier peut ensuite être utilisé dans la construction et agriculture. La fonte en fusion obtenue dans un haut fourneau contient beaucoup de carbone (fonte). Sauf dans de tels cas, lorsque la fonte est utilisée directement, elle nécessite un traitement supplémentaire.
Le carbone en excès et les autres impuretés (soufre, phosphore) sont éliminés de la fonte par oxydation dans des fours à foyer ouvert ou dans des convertisseurs. Fours électriques sont également utilisés pour la fusion des aciers alliés.
En plus du processus de haut fourneau, le processus de production directe de fer est courant. Dans ce cas, le minerai pré-concassé est mélangé avec de l'argile spéciale pour former des boulettes. Les granulés sont torréfiés et traités dans un four à cuve avec des produits chauds de conversion du méthane contenant de l'hydrogène. L'hydrogène réduit facilement le fer sans contaminer le fer avec des impuretés telles que le soufre et le phosphore, qui sont des impuretés courantes dans le charbon. Le fer est obtenu à partir de forme solide, et ensuite fondu dans des fours électriques.
Le fer chimiquement pur est obtenu par électrolyse de solutions de ses sels.
Le fer sous sa forme pure est un métal ductile couleur grise, facile à traiter. Et pourtant, pour l'homme, l'élément Fe est plus pratique en combinaison avec le carbone et d'autres impuretés qui permettent la formation d'alliages métalliques - aciers et fontes. 95% - c'est combien de tous les produits métalliques fabriqués sur la planète contiennent du fer comme élément principal.
Fer : histoire
Les premiers produits en fer fabriqués par l'homme sont datés par les scientifiques du 4e millénaire avant notre ère. e., et des études ont montré que du fer météorique était utilisé pour leur production, qui se caractérise par une teneur en nickel de 5 à 30 %. Fait intéressant, jusqu'à ce que l'humanité maîtrise l'extraction de Fe en le fondant, le fer était plus valorisé que l'or. Cela s'expliquait par le fait que l'acier plus solide et plus fiable était beaucoup plus adapté à la fabrication d'outils et d'armes que le cuivre et le bronze.
Les anciens Romains ont appris à fabriquer la première fonte : leurs fours pouvaient élever la température du minerai à 1400°C, alors que 1100-1200°C suffisaient pour la fonte.Par la suite, ils ont également reçu de l'acier pur, le point de fusion de qui, comme vous le savez, est de 1535 degrés Celsius.
Propriétés chimiques du Fe
Avec quoi le fer interagit-il ? Le fer interagit avec l'oxygène, ce qui s'accompagne de la formation d'oxydes ; avec de l'eau en présence d'oxygène; avec les acides sulfurique et chlorhydrique :
- 3Fe + 2O 2 \u003d Fe 3 O 4
- 4Fe + 3O 2 + 6H 2 O \u003d 4Fe (OH) 3
- Fe + H 2 SO 4 \u003d FeSO 4 + H 2
- Fe + 2HCl \u003d FeCl 2 + H 2
De plus, le fer ne réagit aux alcalis que s'il s'agit de fusions d'agents oxydants puissants. Le fer ne réagit pas avec les agents oxydants à température ordinaire, mais commence toujours à réagir lorsqu'il est soulevé.
L'utilisation du fer dans la construction
L'utilisation du fer par l'industrie de la construction aujourd'hui ne peut être surestimée, car les structures métalliques sont à la base de toute structure moderne. Dans ce domaine, le Fe entre dans la composition des aciers conventionnels, de la fonte et du fer forgé. Cet élément est partout, des structures critiques aux des boulons d'ancrage et les ongles.
érection structures de construction de l'acier est beaucoup moins cher, d'ailleurs, ici, nous pouvons parler de taux de construction plus élevés. Cela augmente nettement l'utilisation du fer dans la construction, tandis que l'industrie elle-même maîtrise l'utilisation de nouveaux alliages plus efficaces et plus fiables à base de Fe.
L'utilisation du fer dans l'industrie
L'utilisation du fer et de ses alliages - fonte et acier - est à la base des machines modernes, des machines-outils, des avions, de la fabrication d'instruments et de la fabrication d'autres équipements. Grâce aux cyanures et aux oxydes de Fe, l'industrie des peintures et vernis fonctionne, les sulfates de fer sont utilisés dans le traitement des eaux. L'industrie lourde est totalement impensable sans l'utilisation d'alliages à base de Fe + C. En un mot, le fer est un indispensable, mais en même temps abordable et relativement métal bon marché, qui dans la composition des alliages a une portée presque illimitée.
L'utilisation du fer en médecine
On sait que chaque adulte contient jusqu'à 4 grammes de fer. Cet élément est extrêmement important pour le fonctionnement du corps, en particulier pour la santé. système circulatoire(hémoglobine dans les érythrocytes). Il y a beaucoup de médicamentsà base de fer, qui permettent d'augmenter la teneur en Fe afin d'éviter le développement de l'anémie ferriprive.
La technologie du fer dans l'Antiquité
Pour obtenir du fer à partir de minerai, vous devez d'abord obtenir une floraison. Pour cela, le minerai de fer oxydé a d'abord été utilisé, ce qui se produit le plus souvent près de la surface. Après la découverte de ses propriétés, ces gisements se sont rapidement épuisés en raison de leur développement intensif.
Les minerais des marais sont beaucoup plus répandus. Ils se sont formés à l'époque subatlantique, lorsque, au cours de l'envahissement, le minerai de fer s'est déposé au fond des réservoirs. Tout au long du Moyen Âge, la métallurgie ferreuse utilisait les minerais des marais. Ils étaient même payés des droits. La production de fer à partir de minerai en quantité relativement importante est devenue possible après l'invention de la forge à fromage. Ce nom est apparu après l'invention du sablage à l'air chaud dans les hauts fourneaux. Dans les temps anciens, les métallurgistes introduisaient de l'air brut (froid) dans le four. A une température de 900 o en utilisant gaz carbonique, qui enlève l'oxygène de l'oxyde de fer, le fer est réduit du minerai et on obtient une pâte ou une pièce poreuse informe imprégnée de laitier - kritsa. Pour mener à bien ce processus, le charbon de bois était nécessaire comme source de dioxyde de carbone. Le kritz était ensuite forgé afin d'en retirer les scories. La méthode de soufflage à cru, parfois appelée fusion du fer, n'est pas économique, mais elle est restée longtemps la seule et inchangée méthode de production de métal ferreux.
Au début, le fer était fondu dans des fosses ordinaires fermées par le haut, puis ils ont commencé à construire des fours en argile. Le minerai concassé et le charbon ont été chargés dans l'espace de travail du four en couches, tout cela a été incendié et de l'air a été injecté à travers les trous de la buse avec des soufflets spéciaux (en cuir). La roche se dépose dans les scories à une température de 1300-1400 o , à laquelle l'acier-fer est obtenu, contenant de 0,3 à 1,2%. carbone. En refroidissant, il devient très dur. Pour obtenir de la fonte - du fer fusible avec une teneur en carbone de 1,5 à 5% - il vous en faut plus structure complexe forge avec grand espace de travail. Dans le même temps, le point de fusion du fer s'est avéré plus bas et il s'est partiellement écoulé du foyer avec les scories. Quand il a refroidi, il est devenu cassant et a d'abord été jeté, mais ils ont ensuite appris à l'utiliser. Pour obtenir de la fonte malléable à partir de fonte, il faut en retirer le carbone.
Technologie de création d'alliages de ferLe premier appareil permettant d'obtenir du fer à partir de minerai était un haut-fourneau à fromage jetable. Avec un grand nombre de lacunes, c'était pendant longtemps le seul moyen d'obtenir du métal à partir de minerai.
Les anciens ont vécu richement et heureux pendant longtemps - les haches de pierre étaient fabriquées à partir de jaspe et la malachite était brûlée pour obtenir du cuivre, mais toutes les bonnes choses ont tendance à se terminer. L'une des raisons de l'effondrement de la civilisation antique de la Méditerranée a été l'épuisement des ressources minérales. L'or s'est épuisé non pas dans le trésor, mais dans les entrailles, l'étain s'est épuisé même sur les îles de l'étain. Bien que le cuivre soit toujours exploité dans le Sinaï et à Chypre, les gisements en cours de développement n'étaient pas disponibles pour les Romains. Entre autres choses, le minerai adapté au traitement des matières premières est également épuisé. Il y avait juste trop de plomb.
Cependant, les tribus barbares qui ont colonisé l'Europe, devenue sans propriétaire, n'ont pas su pendant longtemps que ses entrailles étaient épuisées par leurs prédécesseurs. Compte tenu de l'énorme baisse du volume de la production de métal, ces ressources que les Romains dédaignaient ont longtemps suffi. Plus tard, la métallurgie a commencé à renaître principalement en Allemagne et en République tchèque - c'est-à-dire là où les Romains n'ont pas atteint avec des pioches et des brouettes.
niveau de développement plus élevé métallurgie ferreuseétaient des hauts fours permanents appelés shtukofen en Europe. C'était vraiment un grand four - avec un tuyau de quatre mètres pour améliorer la traction. Les soufflets du gadget étaient pompés par plusieurs personnes, et parfois par un moteur à eau. Shtukofen avait des portes à travers lesquelles le poussin était extrait une fois par jour.
Les shtukofen ont été inventés en Inde au début du premier millénaire avant notre ère. Au début de notre ère, ils sont venus en Chine, et au 7ème siècle, avec les chiffres "arabes", les Arabes ont emprunté cette technologie à l'Inde. À la fin du XIIIe siècle, le shukofen a commencé à apparaître en Allemagne et en République tchèque (et même avant cela, ils se trouvaient dans le sud de l'Espagne) et s'est répandu dans toute l'Europe au cours du siècle suivant.
Les performances du shukofen étaient incomparablement supérieures à celles d'un haut fourneau à fromage - il produisait jusqu'à 250 kg de fer par jour et la température de fusion s'avérait suffisante pour carburer une partie du fer à l'état de fonte le fer. Cependant, lorsque le four a été arrêté, la fonte de stuc s'est solidifiée à son fond, se mélangeant aux scories, puis ils ont su nettoyer le métal des scories uniquement par forgeage, mais la fonte n'y a pas succombé. Il a fallu le jeter.
Parfois, cependant, ils ont essayé de trouver une utilisation pour la fonte de stuc. Par exemple, les anciens Indiens ont coulé des cercueils en fer sale et les Turcs au début du XIXe siècle ont coulé des boulets de canon. Il est difficile de juger comment les cercueils, mais les noyaux en ont été obtenus - tant bien que mal.
Les boulets de canon ont été coulés à partir de scories ferrugineuses en Europe dès la fin du XVIe siècle. Les routes étaient faites de blocs de pierre coulés. Des bâtiments avec des fondations en blocs de laitier coulé sont encore conservés à Nizhny Tagil.
Les métallurgistes ont depuis longtemps remarqué la relation entre le point de fusion et le rendement du produit - plus il était élevé, plus la plus grande partie du fer contenu dans le minerai pouvait être récupérée. Par conséquent, tôt ou tard, ils ont eu l'idée de forcer le shtukofen en préchauffant l'air et en augmentant la hauteur du tuyau. Au milieu du XVe siècle, un nouveau type de four est apparu en Europe - le blauofen, qui a immédiatement présenté aux sidérurgistes une mauvaise surprise.
Suite Chauffer la fusion a augmenté de manière significative le rendement en fer du minerai, mais elle a également augmenté la proportion de fer carburé à l'état de fonte. Maintenant, ce n'est plus 10%, comme à shtukofen, mais 30% de la production était en fonte - «fonte brute», ne convenant à aucune entreprise. En conséquence, le gain n'a souvent pas payé la modernisation.
Fonte Blauofen, comme la fonte de stuc, solidifiée au fond du four, se mélangeant avec du laitier. Il est sorti un peu mieux, car lui-même était plus gros, par conséquent, le contenu relatif des scories est sorti moins, mais a continué à être peu utile pour la coulée. La fonte obtenue à partir de blauofen s'est avérée déjà assez solide, mais est restée très hétérogène - seuls des objets simples et rugueux en sont sortis - marteaux, enclumes. Les boulets de canon étaient déjà bien sortis.
De plus, si seulement du fer pouvait être obtenu dans des hauts-fourneaux bruts, qui étaient ensuite carburés, puis dans des shtukofen et des blauofen, les couches externes de la floraison se sont avérées être en acier. Il y avait encore plus d'acier dans le blauofen kritz que de fer. D'une part, cela semblait bien, mais, maintenant, il s'est avéré très difficile de séparer l'acier et le fer. La teneur en carbone est devenue difficile à contrôler. Seul un long forgeage pourrait atteindre l'uniformité de sa distribution.
A un moment, face à ces difficultés, les Indiens n'ont pas bougé, mais se sont livrés à une subtile amélioration de la technologie et sont parvenus à obtenir de l'acier damassé. Mais, les Indiens à cette époque ne s'intéressaient pas à la quantité, mais à la qualité du produit. Les Européens, expérimentant la fonte, ont rapidement découvert un procédé de conversion qui élève la métallurgie du fer à un niveau qualitativement nouveau.
L'étape suivante du développement de la métallurgie est l'apparition des hauts fourneaux. En augmentant la taille, en préchauffant l'air et le souffle mécanique, dans un tel four, tout le fer du minerai était transformé en fonte brute, qui était fondue et périodiquement libérée à l'extérieur. La production est devenue continue - le four a fonctionné 24 heures sur 24 et ne s'est pas refroidi. Pendant la journée, elle a donné jusqu'à une tonne et demie de fonte. Il était beaucoup plus facile de distiller la fonte en fer dans les fours que de la faire sortir du craqueur, même si le forgeage était toujours nécessaire - mais maintenant, les scories étaient déjà éliminées du fer, et non du fer des scories.
Les hauts fourneaux ont été utilisés pour la première fois au tournant des XV-XVI siècles en Europe. Au Moyen-Orient et en Inde, cette technologie n'est apparue qu'au XIXe siècle (en grande partie, probablement parce que la machine à eau n'était pas utilisée en raison de la pénurie d'eau caractéristique au Moyen-Orient). La présence de hauts fourneaux en Europe lui a permis de dépasser la Turquie au XVIe siècle, sinon en termes de qualité du métal, du moins en termes de puits. Cela a eu une influence incontestable sur l'issue de la lutte, surtout lorsqu'il s'est avéré que les canons pouvaient être coulés en fonte.
DE début XVII siècle, la Suède est devenue la forge européenne, produisant la moitié du fer en Europe. Au milieu du XVIIIe siècle, son rôle à cet égard a commencé à décliner rapidement en relation avec une autre invention - l'utilisation du charbon dans la métallurgie.
Tout d'abord, il faut dire que jusqu'au XVIIIe siècle inclus, le charbon n'était pratiquement pas utilisé en métallurgie - en raison de la forte teneur en impuretés nocives pour la qualité du produit, principalement le soufre. Depuis le 17ème siècle en Angleterre, le charbon a cependant commencé à être utilisé dans les fours à puddler pour le recuit de la fonte, mais cela n'a permis de réaliser qu'une petite économie de charbon de bois - la majeure partie du combustible a été dépensée pour la fonte, là où c'était impossible pour exclure le contact entre le charbon et le minerai.
Parmi les nombreuses professions métallurgiques de cette époque, la plus difficile était peut-être la profession de puddleur. La formation de flaques a été la principale méthode d'obtention du fer pendant presque tout le XIXe siècle. C'était un processus très difficile et laborieux. Le travail sous lui s'est déroulé comme suit : des lingots de fonte étaient chargés sur le foyer de la fournaise ardente ; ils ont été fondus. Au fur et à mesure que le carbone et d'autres impuretés brûlaient du métal, le point de fusion du métal augmentait et des cristaux de fer assez pur commençaient à "geler" à partir du liquide fondu. Un morceau de masse pâteuse collante a été recueilli sur le fond du four. Les ouvriers du pudding ont commencé l'opération de rouler la fleur à l'aide d'un pied de biche en fer. En remuant une masse de métal avec un pied de biche, ils ont essayé de recueillir un morceau, ou kritsa, de fer autour du pied de biche. Une telle masse pesait jusqu'à 50 à 80 kg ou plus. Le kritsa a été retiré du four et introduit immédiatement sous le marteau - pour le forgeage afin d'éliminer les particules de laitier et de compacter le métal.
Ils apprirent à éliminer le soufre par cokéfaction en Angleterre en 1735, après quoi la possibilité d'utiliser d'importantes réserves de charbon pour la fonte du fer. Mais en dehors de l'Angleterre, cette technologie ne s'est répandue qu'au XIXe siècle.
La consommation de combustible dans la métallurgie était déjà énorme à cette époque - le haut fourneau dévorait une charretée de charbon par heure. Le charbon de bois est devenu une ressource stratégique. C'est l'abondance de bois en Suède même et en Finlande, qui lui appartient, qui a permis aux Suédois d'étendre la production à une telle échelle. Les Britanniques, qui possédaient moins de forêts (et même celles-ci étaient réservées aux besoins de la flotte), furent contraints d'acheter du fer en Suède jusqu'à ce qu'ils sachent se servir du charbon.
Méthodes électriques et par induction de fusion du fer
La variété des compositions d'acier rend leur fusion très difficile. En effet, dans un four à sole et un convertisseur, l'atmosphère est oxydante, et des éléments comme le chrome s'oxydent facilement et se transforment en laitier, c'est-à-dire en Sont perdus. Cela signifie que pour obtenir de l'acier avec une teneur en chrome de 18 %, il faut introduire dans le four beaucoup plus de chrome que 180 kg par tonne d'acier. Le chrome est un métal cher. Comment trouver un moyen de sortir de cette situation?
Une issue a été trouvée au début du XXe siècle. Pour la fusion des métaux, il a été proposé d'utiliser la chaleur d'un arc électrique. Au four section ronde de la ferraille a été chargée, de la fonte a été coulée et des électrodes en carbone ou en graphite ont été descendues. Entre eux et le métal dans le four ("bain") a surgi arc électrique avec une température d'environ 4000°C. Le métal fondait facilement et rapidement. Et dans un tel four électrique fermé, vous pouvez créer n'importe quelle atmosphère - oxydante, réductrice ou complètement neutre. En d'autres termes, les objets de valeur peuvent être empêchés de s'épuiser. C'est ainsi qu'est née la métallurgie des aciers de haute qualité.
Plus tard, une autre méthode de fusion électrique a été proposée - l'induction. De la physique, on sait que si un conducteur métallique est placé dans une bobine traversée par un courant à haute fréquence, un courant y est induit et le conducteur s'échauffe. Cette chaleur est suffisante pour faire fondre le métal en un certain temps. Le four à induction est constitué d'un creuset avec une spirale encastrée dans le revêtement. Un courant haute fréquence traverse la spirale et le métal dans le creuset est fondu. Dans un tel four, vous pouvez également créer n'importe quelle atmosphère.
Dans les fours à arc électrique, le processus de fusion se déroule généralement en plusieurs étapes. Tout d'abord, les impuretés inutiles sont brûlées du métal, les oxydant (période d'oxydation). Ensuite, les scories contenant des oxydes de ces éléments sont retirées (téléchargées) du four et des ferroalliages sont chargés - des alliages de fer avec des éléments qui doivent être introduits dans le métal. Le four est fermé et la fusion se poursuit sans accès d'air (période de récupération). En conséquence, l'acier est saturé avec les éléments requis dans une quantité donnée. Le métal fini est libéré dans une poche et coulé.
Réactions chimiques dans la production de fer
À industrie moderne le fer est obtenu à partir de minerai de fer, principalement à partir d'hématite (Fe 2 O 3) et de magnétite (Fe 3 O 4).
Il existe différentes manières d'extraire le fer des minerais. Le plus courant est le processus de domaine.
La première étape de production est la réduction du fer avec du carbone dans un haut fourneau à une température de 2000 °C. Dans un haut fourneau, le carbone sous forme de coke, le minerai de fer sous forme d'aggloméré ou de boulettes et le fondant (par exemple le calcaire) sont alimentés par le haut et sont accueillis par un flux d'air chaud injecté par le bas.
Dans le four, le carbone du coke est oxydé en monoxyde de carbone (monoxyde de carbone) par l'oxygène atmosphérique :
2C + O2 → 2CO.
À son tour, le monoxyde de carbone récupère le fer du minerai :
3CO + Fe 2 O 3 → 2Fe + 3CO 2.
Le fondant est ajouté pour extraire les impuretés indésirables du minerai, principalement des silicates tels que le quartz (dioxyde de silicium). Un flux typique contient du calcaire (carbonate de calcium) et de la dolomie (carbonate de magnésium). D'autres fondants sont utilisés contre d'autres impuretés.
Action fondante : le carbonate de calcium sous l'action de la chaleur se décompose en oxyde de calcium (chaux vive) :
CaCO3 → CaO + CO2.
L'oxyde de calcium se combine avec le dioxyde de silicium pour former des scories :
CaO + SiO 2 → CaSiO 3.
Le laitier, contrairement au dioxyde de silicium, est fondu dans un four. Plus léger que le fer, le laitier flotte à la surface et peut être drainé séparément du métal. Le laitier est ensuite utilisé dans la construction et l'agriculture. La fonte en fusion obtenue dans un haut fourneau contient beaucoup de carbone (fonte). Sauf lorsque la fonte est utilisée directement, elle nécessite un traitement supplémentaire.
Le carbone en excès et les autres impuretés (soufre, phosphore) sont éliminés de la fonte par oxydation dans des fours à foyer ouvert ou dans des convertisseurs. Les fours électriques sont également utilisés pour fondre les aciers alliés.
En plus du processus de haut fourneau, le processus de production directe de fer est courant. Dans ce cas, le minerai pré-concassé est mélangé avec de l'argile spéciale pour former des boulettes. Les pastilles sont torréfiées et traitées dans un four à cuve avec des produits chauds de conversion du méthane contenant de l'hydrogène. L'hydrogène réduit facilement le fer, alors qu'il n'y a pas de contamination du fer par des impuretés telles que le soufre et le phosphore - impuretés courantes dans le charbon. Le fer est obtenu sous forme solide, puis fondu dans des fours électriques.
Le fer chimiquement pur est obtenu par électrolyse de solutions de ses sels.
