Железная окалина

Методы удаления

Удаление окалины осуществляют тремя способами. Механический метод включает следующие варианты: пропускание материала через ряд роликов, обработку дробью и прочими абразивными материалами. Первая технология основана на деформации металла скручиванием, изгибом, растяжением. Такой способ позволяет убрать большую часть окалины. Его считают черновой обработкой, и после очищают материал дополнительно. Во втором случае осуществляют механическое воздействие на железную окалину металлической дробью, песком и прочими абразивными материалами. Наконец, существуют механизированные технологии, связанные с применением микрорезцовых инструментов, проволочных щеток, наждачных лент и т. д.

Химические методы подразумевают обработку деталей в кислотах, солях, щелочах, называемую травлением. При этом большое значение имеет растворимость составляющих железную окалину соединений в кислотах. Так, вюстит легко подвержен ему, в отличие от магнетита. Гематит считают нерастворимым. Травление дифференцируют на химическое и электрохимическое. Далее рассмотрены некоторые варианты.

Травление серной кислотой связано с образованием водорода и проникновением его в металл, что ведет к водородной хрупкости, снижающей механические параметры и затрудняющей последующую обработку материала. Поэтому с целью сокращения наводораживания приходится долго выдерживать металл по завершении травления либо нагревать при сушке. К тому же во избежание разрушения металла кислотой после растворения железной окалины используют ингибиторы. Нужно отметить, что в нагретом растворе сталь разрушается быстрее.

Травление соляной кислотой идет по тем же закономерностям. Однако, в отличие от серной, для этого не требуется нагрев. Напротив, при температуре более 40°C выделяются хлороводородные соединения. В процессе травления формируются хлористые соли железа. В целом обработка соляной кислотой, в сравнении с серной, обеспечивает лучшую очистку при меньшем наводораживании стали.

Электрохимический способ существенно повышает скорость очистки металла от окалины и сокращает водородную хрупкость, а также расход раствора. Его дифференцируют на анодный, катодный и смешанный варианты.

Выбор способа очистки определяется многими факторами, среди которых состав изделия, целевые параметры, последующая обработка и т. д.

Железная окалина формула химическая

Ключевые слова конспекта: железо, характеристика элемента железо, свойства железа, ферраты, оксиды железа, железная окалина, взаимодействие с неметаллами, гидрооксиды железа, сульфид железа, ржавление.

Железо Fe – элемент № 26, 4-го периода, VIIIB группы. Электронная конфигурация атома железа в стационарном состоянии 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 .

Электронная конфигурация валентного слоя атома железа изображена также на схеме:

Наиболее устойчивые электронные конфигурации ионов железа: Fe 2+ – 3d 6 4s 0 ; Fe 3+ – 3d 5 4s 0 .

Жeлeзо проявляет следующие степени окисления:

• 0 – в простых веществах;
• +2 – в оксиде FeO, в гидроксиде Fe(OH)₂ и солях, например FeCl₂, FeSO₄ и т. д.;
• +3 – в оксиде Fe₂O₃, в гидроксиде Fe(OH)₃ и солях, например FeCl₃, Fe(NO₃)₃ и т. д.

Можно окислить жeлeзо до степени окисления +6, которую оно проявляет в ферратах, например K₂FeO₄. Несмотря на существование ферратов калия и бария, железная кислота H₂FeO₄ не получена – под действием кислот ферраты разлагаются.

Железо образует оксиды FeO и Fe₂O₃. Кроме того, существует оксид Fe₃O₄, оксид дижелеза (III) – железа (II), или железная окалина.

Формулу оксида Fe₃O₄ можно записать по-другому:

Желeзo образует гидроксиды Fe(OH)₂ и Fe(OH)₃. Оба они являются слабыми электролитами, проявляют амфотерные свойства, но основные заметно преобладают над кислотными.

Жeлезo образует несколько кристаллических модификаций, устойчивых при определённых температурах.

При обычных условиях чистое железо – мягкий, ковкий серебристо–серый металл, относится к тяжёлым (р = 7,87 г/см 3 ), тугоплавким (t°_пл. = 1539 °С) металлам.

В электрохимическом ряду напряжений металлов жeлезо находится в его средней части, железо – металл средней активности.

При нагревании (особенно в измельчённом состоянии) железо взаимодействует практически со всеми неметаллами.

Железo взаимодействует с кислородом (при нагревании на воздухе), образуется двойной оксид Fe₃O₄:

Желeзо реагирует с галогенами (см. конспект «Галогены»).

При взаимодействии с азотом, фосфором и углеродом образуются металлообразные соединения нестехиометрического состава, например Fe₂N, Fe₃C (цементит).

При нагревании железа с серой образуются сульфид железа (II) FeS или дисульфид железа FeS₂:

Раскалённое желeзo реагирует с парами воды, при этом образуется двойной оксид железа (II, III) – железная окалина:

На влажном воздухе при условиях, близких к стандартным, железо окисляется кислородом (ржавление железа):

Жeлезo реагирует с кислотами, окисляющими металлы за счёт Н + , с выделением водорода. При этом железо окисляется до степени окисления +2 (если бы получились соли железа со степенью окисления +3, то водород в момент выделения восстановил бы железо до +2):

Концентрированные серная и азотная кислоты пассивируют железо, но с разбавленной азотной кислотой железо реагирует. При этом могут образоваться как Fe(NO₃)₂, так и Fe(NO₃)₃, в зависимости от концентрации кислоты (степени её разбавления) и от температуры:

Железо реагирует с растворами солей металлов, расположенных в ряду напряжений правее железа. При этом обычно железо окисляется до +2:

Конспект урока по химии «Жeлeзо: характеристика и свойства». Выберите дальнейшее действие:

голоса

Рейтинг статьи

Признаки и симптомы

Важно! Глаз человека крайне негативно реагирует на контакт даже с самой маленькой соринкой, проявляется это дискомфортом, обильной слезоточивостью и частым морганием. Однако аналогичные признаки могут наблюдаться и в совсем других ситуациях, например, если глаза просто устали или начинается конъюнктивит

Однако аналогичные признаки могут наблюдаться и в совсем других ситуациях, например, если глаза просто устали или начинается конъюнктивит.

Как же определить, что в орган зрения действительно попало инородное тело:

• При закрытии века и при частом моргании глазное яблоко чем-то царапается, так же параллельно может ощущаться жжение.

• Пострадавший глаз начинает опухать.
• Глазное яблоко краснеет.
• Зрение ухудшается и возникает болезненная реакция на свет.

Совокупность данных признаков практически в 100% случаев указывает на то, что органы зрения пытаются избавиться от инородного тела самостоятельно.

Имейте в виду! Если в кратчайшие сроки пострадавшему не будет оказана медицинская помощь, то существующая проблема усугубится в несколько раз.

В чем опасность?

Металлическая стружка – крайне опасный предмет.

может не только нарушать целостность кожных покровов, но и попадать внутрь человеческого организма

Однако, наибольшую опасность окалина несет тогда, когда застревает в тканях зрительных органов.

Ведь в этом случае глаз одновременно подвергается трем видам травмирования:

• механическому, при котором нарушается целостность нескольких слоев глазного яблока;
• химическому, когда маленький кусочек металла начинает ржаветь;
• термическому, когда нагретая окалина способствует еще большему нарушению структуры органов зрения.

Для информации! Если в глаз попала стружка, то первое, что необходимо сделать – это успокоиться и дать время инородному телу самостоятельно покинуть травмированный орган зрения.

Если по прошествии 5-10 минут ситуация не изменилась, то обращаться к врачу следует незамедлительно.

Характеристика Fe

• M (молярная масса) железа — 55, 872 а. е. м. В школьной химии это значение часто округляют: M (Fe) = 56 г/моль
• Электронная конфигурация валентного уровня: 3d6 4s2. Это значит, что на четвёртом электронном s-уровне находятся 2 электрона, а на третьем d-уровне — 6. Соответственно, наиболее устойчивым состоянием, с химической точки зрения, является: изначальное (все электроны атома находятся на своих электронных орбиталях), промежуточное (два или три электрона с валентного уровня переходят на электронные орбитали окислителя), в этом случае электроны могут как бы «метаться», не зная оставаться ли им на орбитали железа или переходить на электронное облако окислителя, сильно окисленное (все электроны переходят на электронные орбитали окислителя)
• Степени окисления железа: 0, +2, +3, +6
• Температура плавления железа — 1812 K (1538,85 °C)
• Температура кипения — 3134 K (2861 °C)

Термит своими руками

Для изготовления простой рецептуры термита в домашних условиях потребуется два ингредиента – железная окалина и металлический алюминий. Их следует брать в пирофорном (мелкодисперсном) виде – в этом состоянии вещества напоминают мелкую пыль. В зависимости от того, в каких объемах должна быть получена термитная смесь своими руками, готовится и специальная посуда – после всех операций приготовления можно использовать сосуд из алюминия или стали.

По массе пропорции ингредиентов будут следующими: 4 части алюминия к 3-м долям окалины. Компоненты тщательно перемешиваются. Далее будет не лишним добавление в смесь магнезии (жженая марганцовка), которая выполнит функцию катализатора. Ее можно внести в объеме, составляющем не более 20 % от общей массы из металлических веществ. Затем состав вновь перемешивается.

Как видно, ответ на вопрос о том, как сделать термитную смесь, довольно простой

Но важно предусмотреть и способ ее применения. Готовый состав можно поместить в сосуд

В нем смесь подвергается тщательной прессовке, уплотняется и закупоривается с целью исключения проникновения влаги

После этого следует проделать продолговатое отверстие для магниевой ленты, которая войдет в емкость на несколько сантиметров. Для активации состава достаточно поджечь ленту спичкой

В нем смесь подвергается тщательной прессовке, уплотняется и закупоривается с целью исключения проникновения влаги. После этого следует проделать продолговатое отверстие для магниевой ленты, которая войдет в емкость на несколько сантиметров. Для активации состава достаточно поджечь ленту спичкой.

Физические свойства

Оксид железа (II,III) при комнатной температуре образует чёрные кристаллы кубической сингонии, пространственная группа F d3m, параметры ячейки a = 0,844 нм, Z = 8 (структура шпинели). При 627 °С α-форма переходит в β-форму. При температуре ниже 120—125 К существует моноклинная форма.

Ферромагнетик с точкой Кюри 858 К (585 °С).

Обладает электрической проводимостью. Полупроводник. Электропроводность низкая. Истинная удельная электропроводность монокристаллического магнетита максимальна при комнатной температуре (250 Ом−1·см−1), она быстро снижается при понижении температуры, достигая значения около 50 Ом−1·см−1 при температуре перехода Вервея(фазового перехода от кубической к низкотемпературной моноклинной структуре, существующей ниже TV = 120—125 К). Электропроводность моноклинного низкотемпературного магнетита на 2 порядка ниже, чем кубического (~1 Ом−1·см−1 при TV); она, как и у любого типичного полупроводника, очень быстро уменьшается с понижением температуры, достигая нескольких единиц ×10−6 Ом−1·см−1 при 50 К. При этом моноклинный магнетит, в отличие от кубического, проявляет существенную анизотропию электропроводности — проводимость вдоль главных осей может отличаться более чем в 10 раз. При 5,3 К электропроводность достигает минимума ~10−15 Ом−1·см−1 и растёт при дальнейшем понижении температуры. При температуре выше комнатной электропроводность медленно уменьшается до ≈180 Ом−1·см−1 при 780—800 К, а затем очень медленно растёт вплоть до температуры разложения.

Кажущаяся величина электропроводности поликристаллического магнетита в зависимости от наличия трещин и их ориентировки может отличаться в сотни раз.

Образует кристаллогидрат состава Fe3O4·2H2O.

Состав

Наружный слой оксида железа — гематит. Он обладает большой твёрдостью (1030 ед. по шкале Виккерса), абразивностью и очень плохо растворяется в кислотах. Под ним в условиях частичной нехватки кислорода формируется более мягкий и почти нерастворимый в кислотах магнетит. Ближе всего к металлу находится рыхлый и мягкий вьюстит, который легко поддается устранению механическим путём или кислотным травлением.

Толщина каждого из трёх слоёв зависит от температуры обработки стали. Так, при превышении порога в 570 °C образуется чётко выраженная трёхслойная структура окалины. Дальнейшее повышение температуры ведёт к увеличению толщины вьюстита. Если же сталь обрабатывается при температурах ниже 570 °C, то в составе окалины преобладают магнетит и гематит.

По цвету железной окалины можно определить температуру обработки стали. Так, при температуре в 700–750 °C в составе окалины больше гематита, из-за чего она приобретает рыжевато-красный оттенок. Образовавшийся при высокотемпературном (900–1000 °C) прокате слой оксидов из-за более высокого процента вьюстита становится чёрным.

Процесс образования

Рассматриваемое покрытие представлено продуктом окисления металла. Его формирование связано с высокими температурами и происходит при обработке металла температурой либо давлением. Прокат в любом случае покрыт окисным слоем. Он образуется на открытом воздухе в сухих условиях в виде пленок. Изначально они невидимы даже под микроскопом. Под термическим воздействием толщина окисного слоя возрастает до видимых размеров. Железной окалиной называют толстое покрытие, формирующееся при термическом воздействии в условиях открытого воздуха.

Они представлены гематитом, магнетитом, вюститом. Первые два оксида железа характеризуются большой плотностью и соединены промежуточной структурой. Вюстит наоборот представлен пористым соединением. От названных выше оксидов он отличается большей диффузинной проницаемостью. Вюстит имеет с ними непрочную связь.

Структура железной оксидной пленки определяется окружающими условиями и температурой. Так, в кислородосодержащей среде при нагреве более 570 °C и быстром охлаждении формируется трехслойное покрытие. Внешний слой представлен гематитом, следующий – магнетитом и внутренний – вюститом. Как было отмечено, первые два имеют кристаллическую структуру и прочно взаимосвязаны. Внутренний слой пористой структуры непрочно контактирует с ними. Это обуславливает малое электросопротивление железной оксидной пленки и легкое ее отслаивание.

Так, при меньшем нагреве слой вюстита получается тонким. В случае формирования железной окалины при высокой концентрации пара либо окислов углерода при малом количестве кислорода и температурах более 1000 °C гематит восстанавливается, вследствие чего отсутствует в составе. Таким образом, соотношение слоев напрямую определяется температурой. Так, при 700 °C толщина вюстита составляет 100 мкм, в то время как для магнетита и гематита – 10 и 1 мкм соответственно. Другими словами, состав железной окалины в значительной степени зависит от температуры. Так, при 700-900 °C она представлена почти на 90% вюститом, примерно на 10% магнетитом и менее чем на 1% гематитом. При большем нагреве и избытке кислорода происходит замещение вюстита гематитом.

В любом случае формирование слоев железной окалины происходит последовательно в соответствии с их расположением. При охлаждении вюстит утрачивает устойчивость и распадается до железа и гематита. Ввиду этого пленка обретает гематит-магнетитовый состав. При восстановлении гематит и магнетит переходят в железо и воду. Следовательно, в результате получается прокатная окалина, состоящая из железа.

Выше приведены основные закономерности и факторы возникновения железной окалины. В промышленных условиях процесс ее образования весьма сложен и может происходить неоднократно.

Доменный процесс производства чугуна

Доменный процесс производства чугуна составляют следующие стадии:

а) подготовка (обжиг) сульфидных и карбонатных руд — перевод в оксидную руду:

FeS2→Fe2O3 (O2,800°С, -SO2) FeCO3→Fe2O3 (O2,500-600°С, -CO2)

б) сжигание кокса при горячем дутье:

С(кокс) + O2 (воздух) →СO2 (600—700°С) СO2 + С(кокс) ⇌ 2СО (700—1000 °С)

в) восстановление оксидной руды угарным газом СО последовательно:

Fe2O3→(CO)

(FeIIFe2III)O4→(CO) FeO→(CO) Fe

г) науглероживание железа (до 6,67 % С) и расплавление чугуна:

Fе(т)→(C(кокс)900—1200°С) Fе(ж) (чугун, t пл 1145°С)

В чугуне всегда в виде зерен присутствуют цементит Fe2С и графит.

Последствия

Помните! В случае, если вытащить инородное тело не получилось или пострадавший допустил ее длительное пребывание в глазу, возрастает риск развития таких опасных офтальмологических осложнений, как:

• инфицирование и воспаление;
• развитие синдрома сухого глаза;
• снижение зрительной функции;
• слипание слезоотводящих каналов;
• посттравматический кератит;
• развитие катаракты или глаукомы;
• образование рубцовой деформации в области века;
• увеличение показателя внутриглазного давления;
• язвы роговицы;
• появление ржавого осадка возле окалины, меняющего цвет глаз;
• потеря органа зрения.

У многих пациентов также наблюдаются изменения направления роста ресниц в неправильную сторону и невозможность полного отрывания пораженного органа.

Применение окалины

Опытными кузнецами давно было примечено повышение сопротивляемости металла коррозии при формировании на нём тонкого слоя окалины. Сейчас же воронение оружейной стали используется лишь в качестве декоративной отделки. Её цвет зависит от способа обработки (кислота, щёлочь, температура) и толщины оксидной плёнки, составляющей от 1 до 10 мкм.

Прокатная окалина, удельный вес которой достигает 3% от общего веса готовых изделий, является ценным сырьём для металлургического производства за счёт высокого содержания (до 75%) в ней железа. Основное направление её переработки — очистка от примесей и восстановление, после которого она превращается в низкоуглеродистую сталь.

Некоторые составы окалины успешно применяются в качестве красящих пигментов и активно используются в строительстве. Также из окалины производится железный порошок, применяемый в металлургии, при изготовлении самонагревающихся смесей и даже в пищевой промышленности.

Химический состав этого отхода металлургической промышленности стандартизирован. Её стоимость может колебаться в зависимости от преобладания определённых видов окислов и количества примесей. Усреднённая цена на начало 2019 года составляла 50 американских долларов за тонну железной окалины.

На поверхности изделий, получаемых путем горячей прокатки, присутствует железная окалина. Ее возникновение обусловлено особенностями данного производственного процесса. Окалина значительно сокращает коррозионную стойкость материала и усложняет последующую обработку, поэтому необходимо полное ее удаление.

Удаление окалины

Слой оксидов железа с прокатной стали удаляют со стальной заготовки несколькими способами.

• механическая;
• химическая;
• электрохимическая.

Возможно также сочетание вариантов.

Механическое воздействие на прокат сводится к пропуску проволоки или листа с окалиной через ряд роликов. При этом достигается частое изгибание заготовки, под воздействием которого железная окалина рассыпается на отдельные чешуйки и осыпается с металла. Для финишной очистки могут быть использованы абразивы, наждачные ленты, щётки из проволоки.

Достоинством этой технологии является сравнительная дешевизна и экологичность. Но поскольку отказ от смазки при такой обработке нецелесообразен, это приводит к замасливанию железной окалины, что затрудняет дальнейшую её переработку.

Химический и электрохимический способы очистки стали называют травлением. Для этих целей используются серная и соляная кислоты, реже — фосфорная, азотная, плавиковая или их смесь. Главными недостатками такого способа является одноразовое использование травильных растворов (не восстанавливаются) и низкий спрос на побочный продукт преобразования окалины — железный купорос. По этой причине травление применяется довольно редко, и ему обычно предшествует механическая очистка проката от окалины.

Удаление окалины

Слой оксидов железа с прокатной стали удаляют со стальной заготовки несколькими способами.

• механическая;
• химическая;
• электрохимическая.

Возможно также сочетание вариантов.

Механическое воздействие на прокат сводится к пропуску проволоки или листа с окалиной через ряд роликов. При этом достигается частое изгибание заготовки, под воздействием которого железная окалина рассыпается на отдельные чешуйки и осыпается с металла. Для финишной очистки могут быть использованы абразивы, наждачные ленты, щётки из проволоки.

Достоинством этой технологии является сравнительная дешевизна и экологичность. Но поскольку отказ от смазки при такой обработке нецелесообразен, это приводит к замасливанию железной окалины, что затрудняет дальнейшую её переработку.

Химический и электрохимический способы очистки стали называют травлением. Для этих целей используются серная и соляная кислоты, реже — фосфорная, азотная, плавиковая или их смесь. Главными недостатками такого способа является одноразовое использование травильных растворов (не восстанавливаются) и низкий спрос на побочный продукт преобразования окалины — железный купорос. По этой причине травление применяется довольно редко, и ему обычно предшествует механическая очистка проката от окалины.

Физические свойства

Оксид железа (II,III) при комнатной температуре образует чёрные кристаллы кубической сингонии, пространственная группа F d

3m , параметры ячейкиa = 0,844 нм,Z = 8 (структура шпинели). При 627 °С α-форма переходит в β-форму. При температуре ниже 120—125 К существует моноклинная форма.

Ферромагнетик с точкой Кюри 858 К (585 °С).

Обладает электрической проводимостью. Полупроводник. Электропроводность низкая. Истинная удельная электропроводность монокристаллического магнетита максимальна при комнатной температуре (250 Ом−1·см−1), она быстро снижается при понижении температуры, достигая значения около 50 Ом−1·см−1 при температуре перехода Вервея (фазового перехода от кубической к низкотемпературной моноклинной структуре, существующей ниже T

V = 120—125 К). Электропроводность моноклинного низкотемпературного магнетита на 2 порядка ниже, чем кубического (~1 Ом−1·см−1 приT V); она, как и у любого типичного полупроводника, очень быстро уменьшается с понижением температуры, достигая нескольких единиц ×10−6 Ом−1·см−1 при 50 К. При этом моноклинный магнетит, в отличие от кубического, проявляет существенную анизотропию электропроводности — проводимость вдоль главных осей может отличаться более чем в 10 раз. При 5,3 К электропроводность достигает минимума ~10−15 Ом−1·см−1 и растёт при дальнейшем понижении температуры. При температуре выше комнатной электропроводность медленно уменьшается до ≈180 Ом−1·см−1 при 780—800 К, а затем очень медленно растёт вплоть до температуры разложения.

Кажущаяся величина электропроводности поликристаллического магнетита в зависимости от наличия трещин и их ориентировки может отличаться в сотни раз.

Образует кристаллогидрат состава Fe3O4·2H2O.

Методы удаления

Удаление окалины осуществляют тремя способами. Механический метод включает следующие варианты: пропускание материала через ряд роликов, обработку дробью и прочими абразивными материалами. Первая технология основана на деформации металла скручиванием, изгибом, растяжением. Такой способ позволяет убрать большую часть окалины. Его считают черновой обработкой, и после очищают материал дополнительно. Во втором случае осуществляют механическое воздействие на железную окалину металлической дробью, песком и прочими абразивными материалами. Наконец, существуют механизированные технологии, связанные с применением микрорезцовых инструментов, проволочных щеток, наждачных лент и т. д.

Химические методы подразумевают обработку деталей в кислотах, солях, щелочах, называемую травлением. При этом большое значение имеет растворимость составляющих железную окалину соединений в кислотах. Так, вюстит легко подвержен ему, в отличие от магнетита. Гематит считают нерастворимым. Травление дифференцируют на химическое и электрохимическое. Далее рассмотрены некоторые варианты.

Травление серной кислотой связано с образованием водорода и проникновением его в металл, что ведет к водородной хрупкости, снижающей механические параметры и затрудняющей последующую обработку материала. Поэтому с целью сокращения наводораживания приходится долго выдерживать металл по завершении травления либо нагревать при сушке. К тому же во избежание разрушения металла кислотой после растворения железной окалины используют ингибиторы. Нужно отметить, что в нагретом растворе сталь разрушается быстрее.

Травление соляной кислотой идет по тем же закономерностям. Однако, в отличие от серной, для этого не требуется нагрев. Напротив, при температуре более 40°C выделяются хлороводородные соединения. В процессе травления формируются хлористые соли железа. В целом обработка соляной кислотой, в сравнении с серной, обеспечивает лучшую очистку при меньшем наводораживании стали.

Электрохимический способ существенно повышает скорость очистки металла от окалины и сокращает водородную хрупкость, а также расход раствора. Его дифференцируют на анодный, катодный и смешанный варианты.

Выбор способа очистки определяется многими факторами, среди которых состав изделия, целевые параметры, последующая обработка и т. д.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.