金属プロファイル: 鉄
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人間による鉄の使用は、約 5,000 年前にさかのぼります。地球の地殻で 2 番目に豊富な金属元素であり、主に生産に使用されます。 鋼 、世界で最も重要な構造材料の 1 つ。
プロパティ
鉄の歴史と現代の用途に深く入り込む前に、基本をおさらいしましょう。
- 原子記号: Fe
- 原子番号: 26
- 要素カテゴリ: 遷移金属
- 密度: 7.874g/cm3
- 融点: 2800°F (1538°C)
- 沸点: 5182°F (2862°C)
- モース硬度：4
特徴
純鉄は熱や電気をよく通す銀色の金属です。鉄は単独で存在するには反応性が高すぎるため、ヘマタイト、マグネタイト、シデライトなどの鉄鉱石として地球の地殻に自然にしか発生しません。
鉄の識別特性の 1 つは、それが強いことです。 磁気 .強い磁場にさらされると、どんな鉄片も磁化できます。科学者たちは、地球のコアは約 90% の鉄でできていると考えています。この鉄によって生成される磁力は、磁気の北極と南極を作り出すものです。
歴史
鉄は、鉄を含む鉱石の上で木を燃やした結果として発見され、抽出された可能性があります。 木材中の炭素が鉱石中の酸素と反応し、柔らかく、 可鍛性 鉄の金属。鉄の製錬と道具や武器を作るための鉄の使用は、紀元前 2700 年から 3000 年の間にメソポタミア (現在のイラク) で始まりました。次の 2,000 年以上にわたって、鉄の時代として知られる時期に、鉄製錬の知識が東方のヨーロッパとアフリカに広がりました。
17 世紀から 19 世紀半ばに鉄鋼を生産する効率的な方法が発見されるまで、鉄は船、橋、建物を作るための構造材料としてますます使用されていました。 1889 年に建設されたエッフェル塔は、700 万キログラムを超える錬鉄を使用して作られました。
さび
鉄の最も厄介な特性は、錆びやすいことです。さび (または酸化鉄) は、鉄が酸素にさらされると生成される茶色のもろい化合物です。水に含まれる酸素ガスは、腐食.さびの速度 (鉄が酸化鉄に変化する速さ) は、水の酸素含有量と鉄の表面積によって決まります。塩水には淡水よりも多くの酸素が含まれているため、塩水は淡水よりも早く鉄を錆びさせます。
さびは、化学的に酸素に対してより魅力的な他の金属で鉄をコーティングすることによって防ぐことができます。 亜鉛 （鉄を亜鉛でコーティングするプロセスは「亜鉛メッキ」と呼ばれます）。ただし、さびを防ぐ最も効果的な方法は、スチールを使用することです。
鋼
スチールは 合金 鉄の特性（強度、耐腐食性、耐熱性など）を高めるために使用される鉄および他のさまざまな金属の。鉄と合金化する元素の種類と量を変えることで、さまざまな種類の鋼を製造できます。
最も一般的な鋼は次のとおりです。
鉄の生産
ほとんどの鉄は、地表近くにある鉱石から生成されます。 現代の抽出技術は高炉を使用しており、高い煙突 (煙突のような構造) が特徴です。鉄は、コークス (炭素が豊富な石炭) と石灰岩 (炭酸カルシウム) と共に煙突に注がれます。現在、鉄鉱石は通常、スタックに入る前に焼結のプロセスを経ます。焼結プロセスでは、10 ～ 25 mm の鉱石の破片が形成され、これらの破片はコークスと石灰岩と混合されます。
次に、焼結鉱、コークス、石灰岩がスタックに注がれ、摂氏 1,800 度で燃焼します。コークスは熱源として燃焼し、炉内に吹き込まれる酸素とともに、還元ガスの一酸化炭素の形成を助けます。石灰岩は鉄中の不純物と混ざり合い、スラグを形成します。スラグは溶鉄鉱石に比べて軽いため、浮上して容易に除去できます。次に、熱した鉄を型に流し込んで銑鉄を製造するか、製鋼用に直接準備します。
銑鉄にはまだ 3.5% から 4.5% の炭素が含まれています。 他の不純物と一緒に、もろくて扱いにくいです。銑鉄中のリンと硫黄の不純物を減らし、鋳鉄を製造するために、さまざまなプロセスが使用されます。炭素含有量が 0.25% 未満の錬鉄は、丈夫で可鍛性があり、簡単に溶接できますが、低炭素鋼よりもはるかに手間とコストがかかります。
2010 年の世界の鉄鉱石生産量は約 24 億トンでした。最大の生産国である中国は全生産量の約 37.5% を占め、他の主要生産国にはオーストラリア、ブラジル、インド、ロシアが含まれます。米国地質調査所は、世界で生産される金属総トン数の 95% が鉄または鋼鉄であると推定しています。
アプリケーション
鉄はかつて主要な構造材料でしたが、その後ほとんどの用途で鋼に置き換えられました。それにもかかわらず、パイプや、シリンダー ヘッド、シリンダー ブロック、ギアボックス ケースなどの自動車部品には、依然として鋳鉄が使用されています。錬鉄は、ワインラック、キャンドルホルダー、カーテンロッドなどの室内装飾品の製造に今でも使用されています.