Skripta - Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava

8. Železo a ocel.
8. ŽELEZO A OCEL
8.1. Výroba železa
Čas ke studiu: 2 hodiny
Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete umět
• Vyjmenovat nejdůležitější sirné látky v přírodě a osvětlit jejich význam
• Popsat vysokou pec
• Pojmenovat a vysvětlit hlavní proudy surovin a produktů vysoké pece
Železo je jedním z prvků, hojně se vyskytujícím v zemské kůře (4,7 %) a ještě hojněji v jádru
Země. Jako ryzí kov se nalezne jen výjimečně ve formě meteoritického železa. Většina výskytu je v
oxidických železných rudách různé čistoty. Nejkvalitnější surovinou bývá magnetovec Fe 3 O 4 , krevel
(hematit) Fe 2 O 3 , dále hydratované oxidy – hnědel (limonit) (FeO(OH).nH 2 O). Zajímavou surovinou
je i ocelek (siderit) FeCO 3 . I malé množství železa v horninách a zeminách se projevuje načervenalým
zabarvením, které se zvýrazní žíháním a dává charakteristickou barvu cihlářským a keramickým
výrobkům. Dostupnost železa, získávaného redukcí rud, znamenalo zásadní změny ve stylu života a
proto se podle něj datují historické epochy: začátek doby železné se klade asi od doby 700 let před
našim letopočtem.
Předcházející doba bronzová (slitiny Cu a Sn) se rozvinula ve střední Evropě o tisíc let dříve, ale na
Blízkém Východě asi o tři tisíciletí dříve. Předkolumbovská Amerika železo neznala a ochotně je
vyměňovala s dobyvateli za zlato. Grónští Eskymáci vyráběli nástroje z obrovského meteoritu, dokud
nebyl odcizen pro newyorské muzeum.
V ČR se chudé železné rudy vyskytují na mnoha místech. Avšak v současné době se zde netěží ani ty
kvalitnější železné rudy v malých lokalitách v Podyjí a v Krušných horách.
Železo se vyrábí hlavně jako základ pevných konstrukčních materiálů nazývaných oceli.
Průmyslová chemie železa se zabývá téměř výhradně redukčními a oxidačními procesy výroby oceli a
oxidačními procesy koroze.
Redukce železné rudy
Do historické železářské pece se vsazovala železná ruda a dřevěné uhlí. Dmýcháním vzduchu se
vyvíjelo teplo hořením
C + O 2 → CO 2
∆H= -393 kJ/mol
ale při vzniklé vysoké teplotě neprobíhá exotermní reakce do rovnováhy, produktem je jen oxid
uhelnatý (podobně jako při hoření síry nevzniká za vysokých teplot oxid sírový)
CO 2 + C ↔ 2CO
∆H= +93 kJ/mol
Oxid uhelnatý je rozhodujícím redukčním činidlem a reakce podle složení výchozí vsádky probíhají
jedním nebo více z kroků vesměs endotermních reakcí
3Fe 2 O 3 + CO → CO 2 + 2 Fe 3 O 4 (450 o C)
Fe 3 O 4 + CO → CO 2 + 3FeO (600 o C)
FeO + CO → CO 2 + Fe(s) (700 o C)
Při těchto teplotách vzniká v pevném skupenství porézní "železná houba".
Železná houba obsahuje vměstky nečistot z rudy. Mechanickým kováním za tepla (ručně, nebo později v
hamrech, poháněných vodním kolem) se vytvářelo kompaktní železo kovového vzhledu. Ohřevem železa v
rozpáleném uhlí se měnily i vlastnosti jeho povrchu, který se stával tvrdším. Dnes to jsme schopni vysvětlit
tvorbou krystalických struktur, obsahujících vedle atomů železa také uhlík, případně sloučeniny těchto prvků
(karbid železa). Vzniká slitina vyšších užitných vlastností, nazývaná ocel. Je typickou vlastností slitin, že mívají
nižší bod tání a vyšší tvrdost. Ostatně předchůdcem oceli byl první uměle připravený konstrukční materiál bronz,
který byl pro výrobě nástrojů podstatně vhodnější, než dříve známé jeho složky Cu, Sn, nebo čisté Au, Ag.
72