Что такое технически чистое железо

По своей распространённости в недрах Земли железо уступает только алюминию. Причём в земной коре железа меньше (около 5%), тогда как в мантии – 12%. Однако месторождения железосодержащих руд легкодоступны для разработки, что объясняет очень широкое применение данного металла в машино- и приборостроении, металлообработке и строительстве.

Железо – основной компонент многочисленных марок сталей. Постоянно усложняющиеся условия эксплуатации стальных деталей и конструкций требуют их надёжной защиты от неблагоприятных внешних факторов, в частности, коррозии, к которой склонно железо. Но это если речь идёт об обычном состоянии металла, содержащего многочисленные примеси. Технически чистое железо (ТЧЖ) обладает совсем другими характеристиками, о которых и рассказывается далее.

Почему проявился интерес к чистому железу

Мы привыкли говорить о таких самородных металлах, как медь, золото, серебро, но только не о железе. Между тем оно существует! Отличные экземпляры были найдены, например, в базальтовых породах Хунтукана (Якутия), вылившихся и застывших на земной поверхности миллиарды лет тому назад.. По-видимому, расплавленная, богатая железом масса проникла сквозь другие породы, столкнулась с углеродом в форме угля и после восстановительной реакции образовала самородное железо в виде шариков.

Формирование обособлений железа происходило за счет слипания отдельных капель металла до скоплений различной формы в расплаве при температурах близких к 1500°С.

Подобные открытия были сделаны не только в Сибири, но также в Гренландии, Сенегале, Франции. Всё это дало возможность к концу XVIII века определить самородное железо как особый вид металла очень высокой пластичности, который можно ковать, даже предварительно не переплавляя его в слитки.

Вскоре, впрочем, выяснилось, что самородное железо природного происхождения встречается крайне редко, а потому в промышленных масштабах использовать его нет смысла.

Метеоритное и земное железо: различия

В распоряжении кузнецов далекого прошлого было и железо космического происхождения, так называемое метеоритное. Это объясняет, почему некоторые артефакты – топоры, кулоны, бусы, найденные на Кавказе, а также в Анатолии (современная Турция) были изготовлены из железа около 1200 года до нашей эры, когда металлургии ещё не существовало. Используя методы неразрушающего химического анализа образцов с помощью высокоточных рентгенофлуоресцентных спектрометров, современные учёные установили, что все найденные изделия имеют немало отличий от обычного железа.

Выводы исследователей базировались на следующем. Когда формируются крупные небесные тела, почти весь никель дрейфует к ядру расплавленного железа, и на поверхности встречается крайне редко. Поэтому если метеориты состоят из материала ядра, они в основном содержат железо с высоким содержанием никеля и кобальта. ТЧЖ метеоритного происхождения, таким образом, находится в металлическом состоянии, готовом к использованию. Напротив, соединения железа в земных рудах сначала должны пройти процесс восстановления, в результате которого удаляется связанный кислород.

Это – основа плавки в печах, с помощью которой культура железного века смогла забыть редкий внеземной металл и использовать более распространённые и доступные железосодержащие ископаемые.

Технологии производства ТЧЖ

Метод пирометаллургии

Это – исторически первый высокотемпературный процесс, необходимый для восстановления железа и окисления известняка. Доменная печь заполняется:

• любым оксидом железной руды, чаще всего гематитом (Fe2O3), либо магнетитом (Fe3O4);
• коксом;
• известняком (CaCO3).

Чтобы начать процесс, поток горячего воздуха нагнетается в нижнюю часть печи, что помогает создать большие колебания температуры. Количество кислорода строго контролируется, для того чтобы основным продуктом реакции был угарный газ СО. По мере продолжения процесса расплавленное железо стекает в нижнюю часть печи и собирается на дне, где удаляется через отверстие в боковой части.

Полученное таким образом железо не является химически чистым, поэтому обязательно подлежит последующей очистке в кислородной печи, куда вдувается кислород. Он окисляет фосфор, серу, а также преобладающую часть примесей.

Электролитический метод

Производство чистого железа осуществляется при температуре анода 70–85°С. Основным компонентом электролита являются гигроскопичные двойные соли хлоридов железа, к которым добавляют сильно диссоциированные кислоты – серную или соляную. Результирующий продукт содержит до 99,7 мас.% Fe, однако для стабильного протекания процесса в раствор необходимо постоянно добавлять хлориды натрия и кальция. Эти добавки уменьшают растворимость хлорида железа (что негативно сказывается на производительности процесса), а состав электролита приходится постоянно контролировать из-за растворения материала анода.

Метод прямой сепарации

Высокочистое железо, содержащее 99,987 мас.% Fe, получают с использованием процесса прямого восстановления с рафинированием шлака. Железная руда после окомкования и обжига восстанавливается водородом с получением ТЧЖ. На этом этапе удаляют углерод и серу, а из металлического железа – другие примеси: кремний, марганец, титан и алюминий.

Дефосфоризация осуществляется на этапе разделения плавления с использованием закиси-окиси железа (FeO), содержащейся в исходной руде. Этим решается проблема раскисления, а содержание кислорода в чистом железе снижается за счёт рафинирования шлаком с высокой основностью. Чистое железо, полученное этим методом, имеет огромные преимущества в стоимости и масштабах производства.

Характеристики ТЧЖ

Железо высокой чистоты ARMCO Pure Iron, которое содержало более 99,85 % Fe, было впервые выплавлено в 1909 году компанией American Rolling Mill Company (США). Пионером производства ТЧЖ в Европе стала германская сталелитейная корпорация Vereinigte Stahlwerke AG.

Химический состав

Определяется способом получения металла, его сортаментом и техническим предназначением продукции. Показано наибольшее значение, % основных химических элементов, входящих в ТЧЖ.

Остальное – Fe. При всех способах выплавки в составе ТЧЖ присутствует до 0,008–0,010 % связанного кислорода.

Физико-механические свойства

Механические свойства приводятся для металла, прошедшего прокатку:

• предел временного сопротивления, МПа – 320;
• граничное сопротивление текучести, МПа – 200;
• относительное удлинение при растяжении, % - 40;
• твёрдость по Бринеллю, НВ, не менее – 131.

Основные физические характеристики АРМКО-железа:

1. Плотность при 20 °C – 7860 кг/мі.
2. Модуль упругости – 207 кН/ммІ.
3. Коэффициент линейного теплового расширения в температурном диапазоне от 0°C до 100°C – 12,10-6 1/°C.
4. Точка плавления – 1536 °C.
5. Коэффициент Пуассона – 0,291.
6. Коэффициент теплового расширения в температурном диапазоне 20–100°С – 12,2 мкм/м°C.
7. Удельная теплопроводность – 76,2 Вт/м К.

Востребованными характеристиками железа повышенной чистоты являются также его электрические и магнитные свойства. В частности, чистота металла определяет его электропроводность. Удельная электропроводность ТЧЖ при температуре материала 20°С составляет 0,11 Ом ммІ/м.

Благодаря высокой магнитной проницаемости, АРМКО-железо считается предпочтительным материалом для изготовления деталей электротехнического применения, которые подвергаются намагниченности деталей постоянным током. Материал обладает насыщенностью около 21 000 Гс и, таким образом, может использоваться везде, где требуется максимальная индукция. Важными параметрами чистого железа выступают также его высокая магнитная проницаемость и очень низкая коэрцитивная сила, особенно в средних индукционных диапазонах.

Технологические свойства ТЧЖ отечественного производства регламентируются нормативными требованиями ГОСТ Р 8.992-2020, среди которых:

• структурная однородность (феррит 100%);
• повышенная стойкость к коррозии, окислению и химическому воздействию;
• устойчивость от старения;
• отличная свариваемость и обрабатываемость давлением.

АРМКО-железо не следует отождествлять с качественной конструкционной сталью 05кп, которая поставляется по ГОСТ 1050-2013. Она имеет другое применение и соответственно иной химический состав с нормированным присутствием кобальта, меди, а также ряда других элементов.

Сферы применения чистого железа

Металл используется в качестве основного компонента чёрных металлов/сплавов и сталей, при легировании углеродом, никелем, хромом и различными другими элементами – для получения чугуна, в транспортном оборудовании, в игрушках и спортивных товарах. Отметим, что на практике чистое железо используется реже, чем сталь, из-за его более низкой прочности. Наиболее известные применения данного металла:

1. Электротехника. ТЧЖ используется, например, при производстве трансформаторов и электрических сердечников, где его магнитные свойства особенно полезны.
2. Искусство и украшения. Чистое железо часто применяется в художественных целях, включая скульптуры и декоративные элементы, благодаря его пластичности и способности придавать сложные формы.
3. Химические и лабораторные процессы. В некоторых химических технологиях и опытных производствах чистое железо применяется в качестве восстановителя.
4. Как основная составляющая магнитомягких материалов при изготовлении промышленных индукторов и в магнитном экранировании.

Чистое железо (в листовом или порошковом виде) используется в аккумуляторах, в частности, оксидно-никелевых. Несмотря на сравнительно небольшую ёмкость, такие батареи до сих пор имеют некоторое нишевое применение.

Порошок ТЧЖ используется в экспериментальных проточных батареях, важными компонентами которых являются мембраны из твёрдого электролита, а также жидкие аноды и катоды. Преимущество железа и солей железа в таких батареях заключается в том, что соединения данного металла, растворённые в воде, можно хранить в огромных резервуарах, что обеспечивает высокую общую ёмкость для работы в промышленных электросетях. Железный порошок хранится в виде суспензии при условии отсутствия кислорода и высокого pH.

В отличие от некоторых металлов – кобальта, никеля или ванадия, чистое железо дёшево, нетоксично и не представляет серьёзных проблем с очисткой в случае непредвиденного разлива раствора.

Некоторые интересные факты о ТЧЖ

Столб Кутб-Минар

Железная колонна, возвышающаяся над центральным двором мечети Куват-уль-Ислам в комплексе Кутб Минар в Дели, Индия, известна тем, что практически не имеет ржавчины, несмотря на то, что была создана более 1600 лет назад.

Столб изучен многими металлургами-исследователями. Артефакт состоит из железа с небольшим количеством фосфора (0,25 %), углерода (0,15 %), марганца (0,05 %), никеля (0,05 %), кремния (0,05 %), меди (0,03 %), азота (0,02 %) и серы (0,005 %). Столб, вероятно, был создан в горизонтальном положении, с использованием техники кузнечной сварки. Этот метод включал в себя использование интенсивного нагрева для объединения кусков железа весом 18–23 кг каждый.

Отсутствие ржавчины на столбе объясняется двумя обстоятельствами – постоянным уровнем относительной влажности (менее 70%) в данной местности и особенностями старения материала колонны: по мере развития этого процесса сформировался тонкий антикоррозийный гидрат железогидрофосфата, который полностью покрыл поверхность колонны. Свойства столба могут послужить моделью для развития технологий получения коррозионностойкого железа.

Чистое железо в пищевой индустрии

Небольшие количества мелкодисперсного порошка ТЧЖ используются в качестве пищевой добавки в крупах и некоторых других продовольственных товарах. Причина, по которой используется металлическое железо, заключается в том, что оно не ускоряет черствение или порчу продуктов, в отличие от большинства соединений железа.

Химические соединения железа, как правило, являются хорошими катализаторами окисления. В частности, они ускоряют процессы, приводящие к прогорклости масел и белков в зёрнах, в то время как металлическое железо этого не делает.

Одновременно чистое железо не способствует росту грибков или бактерий, в отличие от других форм железа. Железосодержащие добавки нетоксичны, поскольку, когда железный порошок подвергается воздействию желудочной кислоты, он ржавеет и образует хлорид железа, который затем легко перерабатывается белками, имеющимися в кишечнике.