Surové železo a korózia: premena na oceľ a ochrana pred hrdzou

Typ úlohy: Slohová práca

Pridané: predvčerom o 16:34

Zhrnutie:

Objavujte premenu surového železa na oceľ a naučte sa, ako korózia vzniká a ako chrániť železo pred hrdzou pre dlhšiu životnosť.

Úvod

Železo patrí medzi najstaršie a najvýznamnejšie kovy v dejinách ľudstva. Už v staroveku, keď naši predkovia prelúskali základy hutníctva, začali využívať železo na výrobu nástrojov, zbraní, či rôznych potrieb každodenného života. Na Slovensku zohrávalo železiarstvo významnú úlohu najmä v oblastiach Slovenského rudohoria, kde v 19. storočí vznikali významné hute a železiarske železničné trate. V súčasnosti by si život bez železných konštrukcií, áut, strojov či domácich spotrebičov predstaviť nevedel azda nikto. Aj v bežnom školskom laboratóriu je železo jedným z najčastejších prvkov, s ktorými sa žiaci stretávajú pri pokusoch alebo poznávaní chemických vlastností látok.

Táto esej sa bude zaoberať surovým železom, jeho vlastnosťami a cestou, ktorou sa mení na oceľ – materiál s výnimočnými vlastnosťami, bez ktorého by moderná spoločnosť neexistovala. Dôležité je tiež venovať pozornosť korózii, teda prirodzenému procesu, pri ktorom železo pod vplyvom okolitého prostredia degraduje a stráca svoje úžitkové vlastnosti. Cieľom tejto práce je pochopiť vlastnosti surového železa, priblížiť jeho premenu na oceľ a analyzovať prečo a ako korózia vzniká, ako aj predstaviť možnosti ochrany železa pred týmto fenoménom.

Surové železo – základ hutníckeho priemyslu

Vznik a výroba surového železa

Výroba surového železa je stará ako civilizácia, avšak jej podstata je rovnaká už stáročia. V slovenských školách je fascinujúci zážitok navštíviť bývalé hute, napríklad v Podbrezovej alebo Smolníku, kde sa v minulosti vyrábalo železo vo vysokých peciach. Základom je železná ruda, ktorá sa ťaží spravidla z hornín bohatých na oxidy železa – hematit a magnetit. Rudu je potrebné pred spracovaním podrviť, očistiť a následne vkladať do vysokej pece spolu s uhlíkom (najčastejšie vo forme koksu) a prísadami, ktoré slúžia na viazanie nežiaducich nečistôt.

Vysoká pec je veža, v ktorej sa za vysokých teplôt (cez 1500 °C) mení železná ruda chemickou reakciou s uhlíkom na surové železo. Proces je založený na redukcii oxidov železa pomocou uhlíkového monoxidu, pričom vzniká tekuté surové železo. Na povrch vypláva troska – vedľajší produkt, ktorý chráni tekuté železo pred ďalšou oxidáciou a umožňuje ľahšie oddeľovať nečistoty. Tento proces je kľúčom k získaniu relatívne lacného a široko dostupného železa, ktoré však nie je vhodné na väčšinu finálnych aplikácií.

Chemické zloženie a vlastnosti surového železa

Surové železo obsahuje okolo 2 – 4,5 % uhlíka, pričom presné množstvo závisí od druhu železnej rudy, technológie a ďalších prímesí. Najčastejšími prímesami sú mangán, kremík, síra a fosfor. Ich množstvo ovplyvňuje kvalitu železa a konečné použitie výrobku. Napríklad zvýšený obsah síry spôsobuje krehkosť a znižuje mechanickú pevnosť; mangán naopak môže zlepšiť niektoré vlastnosti.

Z hľadiska fyzikálnych vlastností je surové železo veľmi krehké, ľahko lámateľné a jeho spracovanie je komplikované - nie je vhodné na kovanie ani ďalšie tvarovanie. Obsah uhlíka ho robí tvrdým, no zároveň náchylným na prasknutie a nemožno z neho jednoducho vytvoriť pružné alebo odolné súčiastky. Práve tieto nevýhody viedli k rozvoju technológií, ktorých cieľom bolo odstrániť nadbytok uhlíka a nežiaduce prímesi.

Typy surového železa

Surové železo možno deliť aj podľa spôsobu tuhnutia a obsahu uhlíka. Najznámejšie je sivé železo (liatina), ktoré obsahuje okolo 3,5 % uhlíka a používa sa na výrobu liatych súčiastok – napríklad radiátorov alebo strojových častí. Prítomnosť uhlíka v podobe grafitu spôsobuje, že má špecifickú farbu a dobrú zlievateľnosť. Oproti tomu biele surové železo má až 4,6 % uhlíka a je tvrdšie, ale menej vhodné na strojové opracovanie.

Slovenský priemysel využíva aj špeciálne zliatiny – ferosilícium (FeSi), feromangán (FeMn) či ferochróm (FeCr), ktoré slúžia ako prísady pri výrobe legovaných ocelí, kde zlepšujú špecifické vlastnosti kovu. Práve tieto typy sú základných pre výrobu kvalitných ocelí napríklad v košických železiarňach US Steel.

Oceľ – zlepšená podoba železa

Čo je oceľ a prečo je dôležitá

Oceľ predstavuje zliatinu železa s obsahom uhlíka do 2 % a dažších prvkov. Znížením obsahu uhlíka a ostatných prímesí sa výrazne menia vlastnosti materiálu – oceľ je pevná, húževnatá, tvarovateľná a možno ju kalit’ aj brúsiť. Oceľ je základom stavebníctva (mosty, budovy – napríklad nový Starý most v Bratislave), strojárstva (ozubené kolesá, ložiská), ale aj dopravného priemyslu (železničné koľaje, automobily, električky).

Premena surového železa na oceľ

Proces „skujňovania“ znamená odstránenie nadbytku uhlíka a prímesí zo surového železa. Na Slovensku je známy najmä konvertorový spôsob (tzv. Bessemerov alebo Thomasov konvertor), kde sa do roztaveného surového železa vháňa vzduch alebo kyslík, čím sa spaľuje prebytočný uhlík a ostatné prímesi. Tento proces urýchlil výrobu ocele a znížil jej cenu, čo umožnilo industrializáciu a rozvoj miest.

Popri konvertoroch sa využívajú aj plameňové pece (Martinov alebo Siemens-Marténov proces), kde sa do pece pridáva aj oceľový šrot, čím sa šetria prírodné zdroje. V súčasnosti sa v najnáročnejších a ekologicky citlivých prevádzkach používajú elektrické pece. V nich sa dá veľmi presne kontrolovať zloženie aj vlastnosti vznikajúcej ocele, čo je dôležité napríklad pre výrobu špeciálnych zariadení alebo chirurgických nástrojov.

Typy ocele podľa použitia

Oceľ možno deliť na uhlíkové a legované. Uhlíkové ocele (napr. nástrojové, konštrukčné) sa využívajú napríklad pri výrobe náradia alebo stavebných nosníkov. Legované ocele obsahujú ďalšie prvky – chróm, nikel, molybdén, volfrám, ktoré zabezpečujú ďalšie vlastnosti. Napríklad antikorózne ocele vďaka prídavku chrómu a niklu (známe aj ako „nerez“) používame na príbor, kuchynské zariadenia, alebo v Zlievarni Trnava na chemicky odolné nádoby.

Osobitnou kapitolou sú ocele odolné vysokým teplotám (volfrámové, molybdénové), ktoré sú potrebné pre žiaruvzdorné súčiastky – príkladom zo Slovenska je výroba žiaroviek v bývalých závodoch Tesla Bratislava. Magnetické zliatiny železa majú využitie v transformátoroch, elektromotoroch a ďalších elektrotechnických zariadeniach.

Korózia – neviditeľný nepriateľ železa

Prečo je korózia problém?

Korózia patrí medzi hlavné nepriatele kovových konštrukcií. Nejde len o estetickú vadu v podobe červenej hrdze – pri mostoch, automobiloch alebo stavebných oceľových konštrukciách ide tiež o bezpečnosť a ekonomickú stratu. Oprava alebo výmena skorodovaných častí je finančne náročná a často aj ekologicky problematická.

Ako korózia vzniká?

Na chemickej úrovni je korózia oxidácia železa, pričom v prítomnosti vody a kyslíka vzniká na povrchu železa tzv. hrdza (hydroxid železitý). Tento proces možno vidieť v domácich podmienkach napríklad na starej motyke alebo opustenej bráne. Elektrické procesy v mikroštruktúre kovu urýchľujú vznik galvanických článkov – v miestach, kde je nehomogénny povrch, dochádza k lokálnemu prúdu a tým aj k zrýchleniu korózie. Práve to je dôvod, prečo sa pri spájaní rôznych kovov do jedného celku (napr. oceľ a meď) korózia zrýchľuje – typický problém pri starých rozvodoch vody.

Rýchlosť korózie závisí na viacerých faktoroch – vlhkosť vzduchu, prítomnosť soli (napríklad posypovej soli v zime na cestách), teplota okolia a samozrejme na type použitého kovu. Nízko kvalitné ocele podľahnú korózii rýchlejšie ako nerezové ocele s ochrannou vrstvou chrómu.

Ochrana pred koróziou

Dočasné metódy ochrany

Najjednoduchším spôsobom je povrch železa pokryť ochrannou vrstvou, ktorá zabráni styku s kyslíkom a vodou. V domácnosti sa často používa natieranie kovových brán, plotov alebo záhradného náradia špeciálnymi nátermi (email, epoxidové farby, antikorózne základné nátery). Použiť možno aj olej alebo vazelínu, ktoré vytvoria mastný film a zabránia vnikaniu vlhkosti. Medzi nevýhody patrí potreba častého obnovovania takýchto náterov, keďže sú mechanicky a chemicky menej odolné.

Trvalé metódy ochrany

V priemysle aj domácnosti je spoľahlivejšie pokovovanie - napríklad galvanické zinkovanie (pozink) alebo chrómovanie. Pri galvanickom pokovovaní sa využíva elektrický prúd; železný predmet sa ponorí do kúpeľa s roztokom iónov ochranného kovu (napríklad zinku), kde sa na povrch usadí tenká ochranná vrstva. Zinok, chróm, nikel a cín majú schopnosť brániť oxidácii železa, či už pre tvorbu pasívneho povlaku alebo obetovanie sa voči korózii (zinok koroduje skôr ako železo).

Zaujímavým spôsobom je aj smaltovanie (povrchová úprava sklom), prípadne povlaky z plastu (teflón, polytetrafluóretylén), ktoré majú obrovskú odolnosť voči chemikáliám a vode. Takto sa chránia napríklad kuchynské hrnce alebo chemické nádoby v laboratóriách.

Moderné trendy v ochrane kovov

Posledné desaťročia sa aj slovenské výskumné pracoviská zapájajú do vývoja nanotechnológií a inteligentných povlakov, ktoré dokážu reagovať na zmenu prostredia. Povlaky obsahujúce inhibítory korózie, ktoré sa uvoľnia až pri poškodení povrchu, alebo vrstvy reagujúce na zmenu vlhkosti, predlžujú životnosť mostov, áut či strojov. Hoci je ich aplikácia zatiaľ cenovo náročná, trend smeruje k širšiemu využitiu aj mimo high-tech priemysel.

Porovnanie metód a údržba

Pri voľbe spôsobu ochrany je podstatné zvážiť dĺžku životnosti, cenu, náročnosť údržby a ekologické dôsledky. Galvanické pokovovanie je cenovo náročnejšie, ale výrazne predlžuje životnosť výrobkov. Nátery a olejovanie sú lacné, avšak treba ich obnovovať. Moderné povlaky sú zatiaľ finančne menej dostupné, ale ekologicky priaznivejšie – čím ďalej tým častejšie sa k nim prikláňa napríklad automobilový priemysel.

Záver

Železo je základom moderného života a priemyslu, no samotné surové železo má viaceré nevýhody, ktoré prekonáva oceľ – materiál, vďaka ktorému vznikli nové stavebné a technologické možnosti. Korózia je na druhej strane významná hrozba, ktorá skracuje životnosť a bezpečnosť železných výrobkov. Voľbou správnej metódy ochrany a pravidelnou údržbou možno výrazne predĺžiť životnosť kovových konštrukcií, čo má významný ekonomický aj ekologický dosah. Do budúcnosti bude dôležité rozvíjať efektívnejšie a ekologicky prijateľnejšie ochranné technológie, sústrediť sa na recykláciu a podporovať poznanie chemických a fyzikálnych vlastností materiálov nielen na škole, ale vo všetkých oblastiach spoločnosti. Výuka metalurgie tak ostáva dôležitou súčasťou slovenského vzdelávacieho systému a kľúčom k udržateľnému rozvoju našej krajiny aj priemyslu.

Ukážkové otázky

Odpovede pripravil náš učiteľ

Ako prebieha premena surového železa na oceľ a ochrana pred hrdzou?

Premena spočíva v odstránení nadbytočného uhlíka a prímesí zo surového železa, čo zabezpečí pevnosť ocele. Proti hrdzaveniu sa využívajú ochranné nátery, galvanizácia alebo legovanie.

Čo je surové železo a aké má vlastnosti podľa eseje?

Surové železo obsahuje 2–4,5 % uhlíka, je tvrdé, krehké a nevhodné na tvarovanie. Tieto vlastnosti vznikajú v procese redukcie oxidov železa vo vysokej peci.

Aké typy surového železa a ich využitie spomína článok?

Rozlišuje sa sivé železo (liatina), vhodné na liate súčiastky, a biele surové železo, ktoré je tvrdšie, no horšie spracovateľné. Liatina sa používa napríklad v radiátoroch a strojoch.

Ako vzniká korózia železa a prečo je nebezpečná pre oceľ?

Korózia vzniká pôsobením vlhkosti a kyslíka, čím železo degraduje a stráca pevnosť. Oceľ je vďaka zloženiu menej náchylná, no aj tak vyžaduje ochranu pred hrdzou.

Prečo je výroba a ochrana ocele pred hrdzou dôležitá v priemysle podľa eseje?

Oceľ je základom stavieb, áut a strojov, preto jej kvalita a ochrana ovplyvňuje životnosť. Ochrana pred hrdzou predlžuje jej použiteľnosť a znižuje náklady na údržbu.

Napíš za mňa slohovú prácu

Tagi:#metalurgia #korozia #domacaulaha