人类对铁的使用可以追溯到大约5000年前。它是地壳中含量第二丰富的金属元素,主要用于生产钢,钢是世界上最重要的结构材料之一。
在深入了解铁的历史和现代用途之前,让我们回顾一下基本知识:
纯铁是一种银色金属,导热和导电性能良好。铁的活性太强,无法单独存在,因此它只能作为铁矿石(如赤铁矿、磁铁矿和菱铁矿)自然存在于地壳中。
铁的鉴别特征之一是它具有强磁性。暴露在强磁场中,任何一块铁都可以被磁化。科学家们认为,地核大约由90%的铁组成。这种铁产生的磁力是产生南北磁极的原因。
铁很可能最初是在含铁矿石顶部燃烧木材后发现和提取的。 木材中的碳会与矿石中的氧发生反应,留下一种柔软、可锻的铁金属。从公元前2700年到公元前3000年,美索不达米亚(今天的伊拉克)开始炼铁以及使用铁制造工具和武器。在随后的2000年中,炼铁知识在铁器时代向东传播到欧洲和非洲。
从17世纪开始,直到19世纪中叶发现了一种生产钢铁的有效方法,铁越来越多地被用作制造船只、桥梁和建筑物的结构材料。埃菲尔铁塔建于1889年,由700多万公斤的熟铁制成。
铁最麻烦的特性是它容易生锈。铁锈(或氧化铁)是一种棕色、易碎的化合物,当铁暴露在氧气中时产生。水中所含的氧气加速了腐蚀过程。生锈的速度——铁转化为氧化铁的速度——取决于水的含氧量和铁的表面积。盐水比淡水含有更多的氧气,这就是为什么盐水比淡水更快地腐蚀铁。
用其他对氧更具化学吸引力的金属(如锌)涂覆铁可以防止生锈(用锌涂覆铁的过程称为“镀锌”)。然而,最有效的防锈方法是使用钢材。
钢是铁和其他各种金属的合金,用于增强铁的性能(强度、耐腐蚀性、耐热性等)。改变与铁合金化的元素的类型和数量可以生产不同类型的钢。
最常见的钢材有:
大多数铁是从地表附近发现的矿石中产生的。 现代提取技术使用高炉,其特点是高烟囱(烟囱状结构)。铁与焦炭(富碳煤)和石灰石(碳酸钙)一起倒入烟囱。现在,铁矿石通常在进入烟囱之前经过烧结过程。烧结过程形成10-25mm的矿石块,然后将这些块与焦炭和石灰石混合。
烧结矿、焦炭和石灰石然后倒入烟囱,在1800摄氏度下燃烧。焦炭作为热源燃烧,与喷入炉中的氧气一起,有助于形成还原性气体一氧化碳。石灰石与铁中的杂质混合形成炉渣。熔渣比熔融的铁矿石轻,所以它会浮到表面,很容易被清除。然后将热铁倒入模具中生产生铁或直接准备用于钢铁生产。
生铁仍然含有3.5%到4.5%的碳, 和其他杂质一起,它很脆,很难处理。采用各种工艺降低生铁中的磷和硫杂质,生产铸铁。熟铁含碳量不到0.25%,具有韧性、延展性和易焊接性,但其生产比低碳钢更费力,成本也更高。
2010年,全球铁矿石产量约为24亿吨。最大的生产国中国约占所有产量的37.5%,而其他主要生产国包括澳大利亚、巴西、印度和俄罗斯。美国地质调查局(U.S.Geological Survey)估计,世界上95%的金属产量是钢铁。
铁曾经是主要的结构材料,但在大多数应用中已被钢所取代。尽管如此,铸铁仍然用于管道和汽车零件,如气缸盖、缸体和齿轮箱壳体。熟铁仍然用于生产家居装饰物品,如酒架、烛台和窗帘杆。
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