Какова температура кипения железа?

23 ноября 2021

Металлы плавятся, как правило, при очень высокой температуре, которая может достигать более 3 тыс. градусов. Хотя некоторые из них можно расплавить в домашних условиях, например, свинец или олово. А вот ртуть плавят при температуре минус 39 градусов. В домашних условиях этого добиться не удастся. Температура плавления — это один из важных показателей производства не только самого металла, но и его сплавов. Выплавляя сырье, специалисты учитывают и другие физические и химические свойства руды и металла.

Что такое железо?

С точки зрения промышленности, железо является главным соорудительным материалом в мире. Его использование повсеместно – от ручки двери до двигателей межпланетных ракет. Причинность подобной популярности проста – распространенность и дешевизна сырья, ведь железо находится на втором месте по доле в земной коре после алюминия. Символьное обозначение железа «Fe»? а его порядковый номер у Менделеева 26.

Важно: не путайте сталь и железо – это совсем разные термины. Железо является чистым химическим элементом, а сталь – сплав ферума и углерода.

Иногда железом в промышленности называют высококонцентрированный сплав с долевым содержанием примесей менее 0.7% от общей массы. В таком случае, физические свойства вещества почти не теряются. Большинство сплавов на основе железа относят к группе черных металлов.

В чистой форме железо обладает хорошей пластичностью, что позволяет его легко ковать, но тяжело лить. Структура металла – это 5 фаз, у каждой из которых собственная кристаллическая структура и решеточные параметры. Детальнее в таблице ниже.

Физические особенности железа напрямую зависят от чистоты вещества. Помимо полезных легирующих компонентов, что позитивно сказываются на свойствах металла, имеются и отрицательные элементы, способные ухудшить его характеристики. Примерами таковых может быть та же сера с фосфором, которые снижают показатели пластичности, взамен не предоставляя сплаву ничего из положительных свойств.sostav-zheleza

Базовые характеристики железа:

  • вариативная плотность, зависящая от фазы пребывания металла. Обобщенный промежуток – от 7.4 до 7.9 грамма/кубический сантиметр;
  • стойкость железа в чистом виде небольшая. Предел прочности у рядового технического железа – 299 МПа, но если речь о быстрорежущей стали, то здесь предел прочности возрастает до значения в 2.7 ГПа;
  • чистое железо по шкале Мооса тянет на оценку в 4 балла;
  • проводимость чистого ферума ниже нежели у алюминия/меди – 9.7*10^(-8);
  • металл поддается ковке, но в чистом виде не поддается литью;
  • низкая токсичность, но не биологическая инертность.

Усвоение железа человеческим организмом составляет всего ½ от получаемого, что делает металл для человека менее опасным, нежели другие элементы группы металлов. Главный вред окружающей среде несет не железо в чистом виде, а отходы во время производства – газы и выделяющиеся шлаки. Детальнее о производстве, тепловых характеристиках и областях применения будет рассказано далее.

Свойства и характеристики железа

Железо – достаточно легкий, умеренно тугоплавкий металл, серебристо-серого цвета. Легко реагирует с разбавленными кислотами и поэтому считается элементом средней активности. На воздухе – сухом, металл постепенно покрывается пленкой оксида, которая препятствует дальнейшей реакции.

Но при самой небольшой влажности вместо пленки появляется ржавчина – рыхлая и неоднородная по составу. Ржавчина дальнейшей коррозии железа не препятствует. Однако физические свойства металла, а, главное, его сплавов с углеродом таковы, что, несмотря на низкую коррозийную стойкость, использование железа более чем оправдано.

Состав и структура железа

Железо – типичный металл, причем химически активный. Вещество вступает в реакцию при нормальной температуре, а нагрев или повышение влажности значительно увеличивают его реакционноспособность. Железо корродирует на воздухе, горит в атмосфере чистого кислорода, а в виде мелкой пыли способно воспламениться и на воздухе.

Чистому железу присуща ковкость, однако в таком виде металл встречается очень редко. На деле под железом подразумевают сплав с небольшими долями примесей – до 0,8%, которому присущи мягкость и ковкость чистого вещества. Значение для народного хозяйства имеет сплавы с углеродом – сталь, чугун, нержавеющая сталь.

Железу присущ полиморфизм: выделяют целых 4 модификации, отличающиеся структурой и параметрами решетки:

  • α-Fe – существует от нуля до +769 С. Имеет объемно-центрированную кубическую решетку и является ферромагнетиком, то есть, сохраняет намагниченность в отсутствие внешнего магнитного поля. +769 С – точки Кюри для металла;
  • от +769 до +917 С появляется β-Fe. От α-фазы она отличается лишь параметрами решетки. Практически все физические свойства при этом сохраняются за исключением магнитных: железо становится парамагнетиком, то есть, способность намагничиваться оно утрачивает и втягивается в магнитное поле. Металловедение β-фазу как отдельную модификацию не рассматривает. Поскольку переход не влияет на значимые физические характеристики;
  • в диапазоне от 917 до 1394 С существует γ-модификация, которой присуща гранецентрированная кубическая решетка;
  • при температуре выше +1394 С появляется δ-фаза, для которой характерна объемно-центрированная кубическая решетка.

Способы получения металла

Есть несколько способов получения железа:

  1. Прямые способы. Это производство губчатого железа в шахтных и тоннельных печах. Производство железной крицы во вращающихся печах. Возможно получение железа в реакторах кипящего слоя и химико-термический способ.
  2. Доменный процесс — распространенный метод. Железная руда и флюс восстанавливаются углеродом кокса, в результате получаем чугун. При надобности из чугуна удаляют примеси (фосфор, сера) и избытки углерода в мартеновских печах или в конвертерах. Легированную сталь получают в электрических печах (ЭПС).
  3. Химически чистое железо можно получить из раствора его солей с помощью электролиза.

Добыча железа из полезных ископаемых

Руд, в которых присутствует железо, существует несколько. Однако, в качестве сырья для производства железа в промышленности используют в основном следующие:

  • магнезитовую руду;
  • гетитовую руду;
  • гематитовую руду.

А также часто встречаются такие разновидности руды:

  • леллингит;
  • сидерит;
  • марказит;
  • ильменит;
  • ярозит.

Существует еще минерал под названием мелантерит. Его используют преимущественно в фармацевтической промышленности. Из себя он представляет зелёного цвета хрупкие кристаллы, в которых присутствует стеклянный блеск. Из него производят лекарственные препараты, в составе которых имеется ферум.

Основным месторождением этого металла является Южная Америка, а именно Бразилия.

Получение железа в промышленности

В промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe2O3) и магнетита (FeO·Fe2O3).

Существуют различные способы извлечения железа из руд. Наиболее распространённым является доменный процесс.

Первый этап производства — восстановление железа углеродом в доменной печи при температуре 2000 °C. В доменной печи углерод в виде кокса, железная руда в виде агломерата или окатышей и флюс (например, известняк) подаются сверху, а снизу их встречает поток нагнетаемого горячего воздуха.

В печи углерод в виде кокса окисляется до монооксида углерода. Данный оксид образуется при горении в недостатке кислорода:

2C + O2   ⟶   2CO↑ 

В свою очередь, монооксид углерода восстанавливает железо из руды. Чтобы данная реакция шла быстрее, нагретый угарный газ пропускают через оксид железа(III):

3CO + Fe2O3   ⟶   2Fe + 3CO2

Флюс добавляется для избавления от нежелательных примесей (в первую очередь от силикатов; например, кварц) в добываемой руде. Типичный флюс содержит известняк (карбонат кальция) и доломит (карбонат магния). Для устранения других примесей используют другие флюсы.

Действие флюса (в данном случае карбонат кальция) заключается в том, что при его нагревании он разлагается до его оксида:

CaCO3   →1000∘C CaO + CO2

Оксид кальция соединяется с диоксидом кремния, образуя шлак — метасиликат кальция:

CaO + SiO2   →>1000∘C CaSiO3

Шлак, в отличие от диоксида кремния, плавится в печи. Более лёгкий, чем железо, шлак плавает на поверхности — это свойство позволяет разделять шлак от металла. Шлак затем может использоваться при строительстве и сельском хозяйстве. Расплав железа, полученный в доменной печи, содержит довольно много углерода (чугун). Кроме таких случаев, когда чугун используется непосредственно, он требует дальнейшей переработки.

Излишки углерода и другие примеси (сера, фосфор) удаляют из чугуна окислением в мартеновских печах или в конвертерах. Электрические печи используются и для выплавки легированных сталей.

Кроме доменного процесса, распространён процесс прямого получения железа. В этом случае предварительно измельчённую руду смешивают с особой глиной, формируя окатыши. Окатыши обжигают, и обрабатывают в шахтной печи горячими продуктами конверсии метана, которые содержат водород. Водород легко восстанавливает железо:

Fe2O3 + 3H2   →1000∘C  2Fe + 3H2O,

при этом не происходит загрязнения железа такими примесями, как сера и фосфор, которые являются обычными примесями в каменном угле. Железо получается в твёрдом виде, и в дальнейшем переплавляется в электрических печах.

Химически чистое железо получается электролизом растворов его солей.

Плавление железа

Точкой плавления металла называют такую минимальную температуру, при которой он переходит из твердого состояния в жидкое. При этом в объеме он практически остается неизменным.

Железо входит в группу среднеплавких металлов. Железо начинает переходить в жидкое состояние лишь при температуре 1539 градусов. Это один из самых распространенных металлов, используемых в промышленности, особенно в автомобильной. Однако железо подвержено коррозии, то есть ржавчине, поэтому ему требуется специальная поверхностная обработка. Его необходимо покрывать краской или олифой, и не допускать попадание влаги.

Температура плавления железа

Температура плавления химически чистого железа составляет 1539 о С. Технически чистое железо, полученное в результате окислительного рафинирования, содержит некоторое количество растворенного в металле кислорода. По этой причине температура его плавления понижается до 1530 о С.

Температура плавления стали всегда ниже температуры плавления железа в связи с наличием в ней примесей. Растворенные в железе металлы (Mn, Cr, Ni. Co, Mo, V и др.) понижают температуру плавления металла на 1 – 3 о С на 1% введенного элемента, а элементы из группы металлоидов (C, O, S, P и др.) на 30 – 80 о С.

На протяжении большей части общей продолжительности плавки температура плавления металла изменяется главным образом в результате изменения содержания углерода. При концентрации углерода 0,1 – 1,2%, которая характерна для доводки плавки в сталеплавильных агрегатах, температуру плавления металла с достаточной для практических целей точностью можно оценить из уравнения

Теплота плавления железа

Теплота плавления железа составляет 15200 Дж/моль или 271,7 кДж/кг.

Температура кипения железа

Температура кипения железа в изданиях последних лет приводится равной 2735 о С. Однако, опубликованы результаты исследований, согласно которым температура кипения железа значительно выше (до 3230 о С).

Теплота испарения железа

Теплота испарения железа составляет 352,5 кДж/моль или 6300 кДж/кг.

Плотность железа

Плотность железапри 1550 – 1650 о С равна 6700 – 6800 кг/м 3 . При температуре кристаллизации плотность жидкого металла близка к 6850 кг/м 3 . Плотность твердого железа при температуре кристаллизации равна 7450 кг/м 3 , при комнатной температуре – 7800 кг/м 3 .

Из обычных примесей наибольшее влияние на плотность расплавов железа оказывают углерод и кремний, понижая ее. Поэтому обычного состава жидкий чугун имеет плотность 6200 – 6400 кг/м 3 , твердый при комнатной температуре – 7000 – 7200 кг/м 3 .

 

Источники:

  • https://pressadv.ru/materialy/temperatura-kipeniya-zheleza-otvet.html
  • https://chem.ru/zhelezo.html
  • https://co-vally.ru/stanki/zhelezo-vikipediya-metall.html
  • https://spk-kovka.ru/materialy/1-kakova-temperatura-kipeniya-zheleza.html
  • https://wikimetall.ru/spravochnik/kakova-temperatura-kipenija-zheleza.html
Оцените статью:
[Всего голосов: 0    Средний: 0/5]