Jern. Forskjellige typer eldre og nyere stålovner.

Jern av Kunnskapsforlaget/※. Gjengitt med tillatelse

Jern. Produksjonsgangen i et stålverk.

Jern av Kunnskapsforlaget/※. Gjengitt med tillatelse

Jern. Smeltehytte fra 1500-tallet.

Jern av Kunnskapsforlaget/※. Gjengitt med tillatelse

grunnstoff i gruppe 8 i grunnstoffenes periodesystem, tilhører jernmetallene (jern, kobolt og nikkel). Atomsymbol Fe, atomnummer 26, elektronkonfigurasjon [Ar]4s23d6.

Jern er det teknisk og økonomisk viktigste av alle metaller.

Jern antas å være det grunnstoffet som det er mest av på Jorden, ca. 37 vektprosent, i vesentlig grad i Jordens indre. I selve jordskorpen, det ytterste 16 km lag av Jorden, antar man at 5,0 vektprosent er jern. Kun oksygen (48,3 vektprosent), silisium (27,7 vektprosent) og aluminium (8,4 vektprosent) er mer hyppig forekommende. Jern har reagerer lett med oksygen og forekommer normalt ikke fritt (gedigent) i naturen. Et unntak er jernmeteorittene hvor jern finnes fritt, og dette er antagelig det første jernet som ble kjent og tatt i bruk.

De viktigste jernmineralene er forskjellige vannholdige og vannfrie oksider, men også karbonater og sulfider er av betydning (se jernmalm, jernoksider). Av oksidene nevnes hematitt, Fe2O3, magnetitt, Fe3O4, goethitt, FeOOH, og limonitt, som kan oppfattes som goethitt med udefinert innhold av vann. Limonitt finnes bl.a. i den sjø- og myrmalm som tidligere ble brukt for fremstilling av jern. Andre viktige jernmineraler er sideritt, FeCO3, pyritt, FeS2 og pyrrhotitt, Fe1−xS (se jernsulfider). De sistnevnte er ikke lenger viktige råstoffer for fremstilling av jern. Drivverdige jernmalmforekomster finnes i mange land, Jordens totale reserver er ca. 250 milliarder tonn.

13 isotoper av jern er kjent. 91,7 % foreligger som 56Fe, 5,8 % som 54Fe og 2,2 % som 57Fe. 56Fe har den mest stabile konfigurasjon av alle nuklider uttrykt som bindingsenergi per nukleon. Dette kan være forklaringen til den store utbredelsen i kosmos.

Rent jern er sølvhvitt, relativt mykt og lar seg lett både smi og trekke ved vanlige temperaturer.

Jern foreligger i flere allotroper avhengig av temperatur. Under 911 °C har man såkalt α-jern, ferritt, med en romsentrert kubisk struktur. I temperaturområdet 911–1400 °C har rent jern en flatesentrert kubisk struktur. Allotropen betegnes som γ-jern eller austenitt. Mellom 1400 °C og smeltepunktet er strukturen romsentrert kubisk struktur, og fasen betegnes som δ-jern. Særlig viktig for jernets mekaniske egenskaper er dets evne til å løse karbon i interstitielle hulrom, γ-jern kan løse betydelig større mengder karbon enn α-jern.

Rent jern er ferromagnetisk under 760 °C (Curie-temperatur) og paramagnetisk ved høyere temperaturer. Pga. strukturen taper tilsynelatende rent jern sin ferromagnetisme når det ytre magnetfeltet fjernes (temporær magnetisme). Karbonholdig jern beholder de ferromagnetiske egenskapene når det ytre feltet fjernes (permanent magnetisme).

I ren tilstand er jern forholdsvis bestandig. Det korroderer ikke i tørr luft og i karbondioksidfritt vann fordi det dannes en sammenhengende, beskyttende oksidfilm på overflaten. I fuktig luft og i vann med oppløst luft og/eller karbondioksid ruster jern. Rusten består hovedsakelig av jern(III)oksidhydroksid, FeOOH, med varierende innhold av vann. Rusten danner ikke et sammenhengende, beskyttende belegg, den skaller av, og mer jern kan bli angrepet (se rust).

Jern løses i ikke-oksiderende syrer, f.eks saltsyre og fortynnet svovelsyre, under dannelse av Fe2+-ioner og hydrogen:

Fe(s) + 2H+(aq) → Fe2+(aq) + H2(g)

Tilsvarende skjer i kald, fortynnet salpetersyre. Dersom syren er varm og sterkere, er reaksjonsproduktene Fe3+-ioner og nitrogenoksider. Konsentrert svovelsyre korroderer ikke jern pga. dannelse av beskyttende overflatebelegg. Svovelsyre kan derfor transporteres i ståltanker. I konsentrert salpetersyre dannes en tynn, beskyttende (passiverende) oksidfilm. Samme virkning kan oppnås med andre oksidasjonsmidler. Ved behandling med reduksjonsmidler fjernes den passiverende virkningen.

Ved oppvarming av jern i tørr luft dannes oksidbelegg. Ved temperaturer over 150 °C dannes et lag av jern(II,III)oksid, Fe3O4, nærmest metallet innenfor et ytre skall av jern(III)oksid, Fe2O3. Ved temperaturer over 570 °C vil ikke-støkiometrisk jern(II)oksid, Fe1xO, dannes mellom metallet og de tynne ytre lagene av Fe3O4 og Fe2O3. Ved høye temperaturer (1200–1300 °C) oksiderer jern raskt.

Finfordelt jernpulver er pyrofort og oksideres allerede ved romtemperatur.

Ved oppvarming reagerer jern også med andre ikke-metaller og danner tilsvarende jernforbindelser, f.eks. FeCl3 og FeI2.

Jern er hovedsakelig to- og treverdig i sine kjemiske forbindelser, men det finnes også forbindelser hvor jern har oksidasjonstall +I, +IV, V og VI (i sammensatte oksider og fluorider). Tidligere ble forbindelser av to- og treverdig jern henholdsvis betegnet ferro- og ferriforbindelser.

Jern(II)forbindelser er generelt lite stabile i luft og vann siden de lett oksideres av oksygen til jern(III)forbindelser. Jern(II)sulfat er et viktig jernsalt (se jernsulfater). Det er bl.a. et biprodukt ved fremstilling av titandioksid, TiO2, fra ilmenitt. Av halogenidene er jern(II)- og jern(III)klorid de viktigste. Jern(II)klorid er et biprodukt ved beising av stål med saltsyre. Vannløsninger av jern(II)salter er vanligvis blekgrønne, mens jern(III)løsninger er gulbrune. To- og treverdige jernioner danner i løsning cyanokomplekser med sammensetningen Fe(CN)64 og Fe(CN)63. Berlinerblått og Turnbulls blått, begge KFeIIFeIII(CN)6, brukes bl.a. som blått fargestoff. Jernkarbonyler, f.eks. Fe(CO)5, dannes ved å reagere karbonmonoksid med finfordelt jern. Det spaltes igjen til Fe og CO ved oppvarming til over ca. 250 °C. Tilsetting av tiocyanat til løsning av Fe(III) gir intenst røde komplekser av [Fe(H2O)5(CNS)]2+, noe som blir anvendt for både kvalitativ og kvantitativ analyse av jern. En rekke jernforbindelser er omtalt separat.

Bare en liten del av det jernet som produseres er rent metall i den forstand at det inneholder mer enn 99,9 % jern. Resten av produksjonen gir i første hånd råjern, dvs. jern med varierende innhold av karbon og andre grunnstoffer. Råjern er utgangsmaterialet for stålproduksjonen.

Kjemisk rent jern kan fremstilles i laboratorieskala ved å redusere rene jernoksider med hydrogen (ferrum reductum). Teknisk viktigere er elektrolyse av jern(II)kloridløsninger som gir elektrolyttjern, og termisk spaltning av pentakarbonyljern, Fe(CO)5, ved ca. 250 °C som gir karbonyljern. Dette jernet har en renhetsgrad på ca. 99,85 % og anvendes for spesielle formål, f.eks. som katalysator.

Fremstillingen av råjern foregår i såkalte masovner. Det er høye, tårnlignende sjaktovner hvor oksidisk jernmalm etter rensing og røsting fylles i ovnen ovenfra sammen med koks og slaggdannende stoffer, oftest kalkstein og/eller kvarts (tilslaget). Temperaturen i masovner varierer fra 1500–1600 °C nederst til ca. 500 °C øverst i ovnene.

I Norge produseres i dag råjern kun fra skrapjern.

Koksens forbrenning foregår ved at det blåses inn varm trykkluft nedenfra. Det viktigste reaksjonsmiddelet er gassen CO. Den dannes ved reaksjon mellom den innblåste luften og overskudd av karbon. Karbonmonoksidet strømmer opp gjennom ovnen og reduserer jernoksidet til jern i de ovenforliggende lag, summarisk angitt ved ligningen:

Fe2O3(s)+ 3CO(g) → 2Fe(s) + 3CO2(g)

For å få reduksjonen mest mulig fullstendig er et stort overskudd av karbonmonoksid nødvendig. Gassen som forlater ovnen øverst, giktgassen, er så rik på karbonmonoksid (25–30 %) at den er brennbar og kan anvendes til å forvarme luften som blåses inn i masovnen. Jernet som dannes ved reduksjonen av de oksidiske malmene i masovnens mellomste og nedre deler, er meget fint fordelt og har et svamplignende utseende. Det virker som en utmerket katalysator for reaksjonen 2CO(g) ⇆ C(s) + CO2(g).

Ved de moderate temperaturene (500–900 °C) i ovnens øvre og mellomste deler er denne reaksjonen skjøvet over mot høyre, dvs. at noe karbonmonoksid spaltes under utskillelse av fint fordelt karbon.Dette karbonet virker dels reduserende på jernoksid:

Fe2O3(s)+ 3C(s) ⇆ 2Fe(s) + 3CO(g)

dels løser det seg i det fremstilte, metalliske jernet. Sammen med utskilt karbon og dannet slagg synker jernet etter hvert nedover mot varmere områder av ovnen, det smelter, og kan oppta nye mengder av utskilt karbon. Det smeltede tunge jernet synker helt ned i bunnen av ovnen. Fra tid til annen tappes det enten i store beholdere for i flytende form å tilføres stålverket, eller i sandformer, hvor det under avkjølingen blir til barrer.

Slagget flyter ovenpå jernet og beskytter det mot oksidasjon fra blåseluften. Slagget tappes ut kontinuerlig eller med korte mellomrom. Det støpes ofte i former til slaggstein som blir brukt til bygningsstein, til brolegging osv. Slagget anvendes også til veifyll, som tilsats til betong og som råstoff ved sementbrenning.

En moderne masovn er opptil 70 m høy og kan nedentil ha en diameter på ca. 14 m. Den produserer daglig 3000–5000 tonn råjern, de største opp til 10 000 tonn. Til hvert tonn produsert råjern går det med ca. 2 tonn jernmalm og ca. 550 kg koks.

Etter hvert har man gått over til å erstatte koksen med olje eller naturgass. Da kan også hydrogen brukes som reduksjonsmiddel ved siden av karbonmonoksid. I elektromasoven brukes elektrisk energi til oppvarmingen, mens selve reduksjonen av jernoksidene foregår ved hjelp av koks. Koksforbruket er ca. halvparten av det man finner i en alminnelig masovn.

Råjern inneholder opptil 10 % forurensninger, mest karbon (2,5–4,5 %) som skriver seg fra koksen, dessuten silisium, fosfor, svovel og mangan (se råjern). Man skjelner mellom grått og hvitt råjern. Grått råjern fås ved langsom avkjøling. Det inneholder karbon i form av grafitt og er forholdsvis rikt på silisium (2–3 %). Grått råjern smelter alt ved 1100–1200 °C. Smelten er tyntflytende og utvider seg noe ved størkning. Det grå råjernet blir brukt som støpejern, foruten at det også kan forarbeides til stål. Hvitt råjern fås ved hurtig avkjøling av råjern. Det inneholder interstitielt karbon samt sementitt, Fe3C (se jernkarbid). Silisiuminnholdet er forholdsvis lite, mindre enn 0,5 %, derimot er manganinnholdet forholdsvis stort, over 4 %. Hvitt råjern er meget hardt og sprøtt. Det egner seg ikke til støping og blir i sin helhet forarbeidet videre til stål.

Stål er betegnelse på smibare jernlegeringer med karboninnhold mindre enn 1,7–2 %. Det er duktilt og valsbart, og disse egenskapene øker jo mindre karbon det er i stålet. Jern med mindre enn 0,5 % karbon kalles smijern eller bløtt stål. Se også stål.

Fremstillingen av stål skjer generelt ved at man minsker karboninnholdet i råjern og fjerner andre forurensninger som silisium, mangan, svovel og fosfor. Opprinnelig varmet man opp råjern med trekull i åpne esser under kraftig innblåsing av luft slik at karbon, svovel og fosfor forsvant i gassform, og et karbonfattig jern ble tilbake. Prosessen ble kalt fersking. Fra 1784 ble prosessen erstattet av såkalt flammeovnsfersking, puddling (av eng. paddle, 'røre'), hvor råjernet ble smeltet i en steinkullsflammeovn sammen med rene, oksidiske malmer. Jern fremstilt ved puddling ble kalt sveisjern.

En viktig periode i jernets foredling begynte 1855 da den engelske metallurgen Henry Bessemer tok ut patent på såkalt vindfersking (se bessemerprosessen). Prosessen består i at luft blåses inn nedenfra gjennom det smeltede råjernet i en såkalt konverter. Luften gjør at forurensningene, særlig karbon, silisium og mangan, forbrenner. I løpet av 15–20 minutter kunne mange tonn råjern overføres i smibart jern. Fordi det ferskede produkt var flytende, ble det kalt flussjern eller flusstål.

Ved den opprinnelige bessemerprosessen var det umulig å fjerne råjernets innhold av fosfor, noe som kan gjøre stålet sprøtt (kaldskjørt). I 1878 fant den engelske gruveingeniøren S. G. Thomas at problemet med fosfor kunne fjernes ved å fôre konverteren med basiske stoffer, f.eks. kalk, i stedet for silika, og samtidig blande brent kalk i råjernet. Det dannede fosforpentoksid, P2O5, går da over i slagget i form av kalsiumfosfat (thomasfosfat), Ca3(PO4)2, som etter knusing og maling kunne anvendes som gjødselstoff (se thomasprosessen).

Bessemer–thomasprosessen er nå praktisk talt erstattet av nyere metoder, hvor man istedenfor å blåse luft gjennom konverteren bruker rent oksygen eller luft tilsatt oksygen (LD-prosessen etter Linz–Donawitz-verkene i Østerrike, BOF-prosessen (Basic-Oxygen-Furnace) eller BOP (Basic-Oxygen-Process), kaldoprosessen m.fl.).

I LD-prosessen blir rent oksygen (99,8 %) under høye trykk (6–9 atm) blåst mot overflaten av det flytende råjernet. Er råjernet særlig fosforrikt (inntil 2 % fosfor), blir brent kalk blåst inn i smelten sammen med oksygenet (LD-AC-prosessen). Fordeler ved metoden er at opptak av nitrogen fra luft forhindres samt at varmetapet ved prosessen reduseres. For at temperaturen ikke skal stige for høyt, tilsettes til dels store mengder stålskrap og malm. Ved kaldoprosessen brukes en skråttstilt konverter som roterer mens oksygen blåses over overflaten til en smelte av råjern, stålskrap og kalk.

Siemens–martinprosessen skriver seg omtrent fra samme tid som bessemer-thomas-prosessen (1864). Prosessen foregår ved ca. 1600 °C, og man fremstiller flussjern. Den høye temperaturen oppnås ved å la en forvarmet, brennende gass–luftblanding komme i kontakt med det smeltede jernet, hvorved karbon og øvrige forurensninger forbrenner som beskrevet for bessemerprosessen. Den oksiderende virkning på forurensningene økes ved at man blander råjern med jern- og stålskrap som avgir oksygen ved oppvarming.

Også for siemens–martinprosessen er det utarbeidet en sur og en basisk prosess. Prosessen ble tidligere mest brukt til raffinering av råjern, til fremstilling av støpestål og andre høyverdige stålsorter, men er nå på vikende front. Den arbeider forholdsvis langsomt og tillater derfor en nøye kontroll av det fremstilte produktet. Særlig høyverdige stålsorter fremstilles ved omsmelting av råjern med jernskrap, jernsvamp og jernmalm i elektriske ovner, enten lysbueovner eller induksjonsovner. I disse ovnene blir det smeltede jernet utsatt for flammegass, og man kan lettere og meget nøyaktig oppnå den sammensetning av stålet man ønsker. Det er derfor særlig legerte stålsorter som fremstilles i elektriske ovner. Slikt stål kalles også elektrostål, og utgjør ca. 17 % av verdens råstålproduksjon.

En del jern blir fremstilt teknisk ved direkte reduksjon av jernmalm i virvelsjiktreaktorer eller i roterende ovner tilført jordgass, petroleumsprodukter, hydrogen, karbonmonoksid eller mindreverdig kull uten at det foregår noen smeltning. Resultatet er et porøst, svamplignende produkt som går under betegnelsen av jernsvamp og som blir brukt ved stålfremstillingen.

Jern med karboninnhold 0,5–1,7 % kan herdes. Herdingen foretas ved at det karbonholdige jernet varmes til lys rødglød, f.eks. til 800–900 °C, og deretter avkjøles hurtig ved f.eks. å dyppes ned i kaldt vann eller kald olje. Man får da et meget hardt, men samtidig sprøtt materiale. Ved forsiktig å varme opp det bråkjølte stålet til 250–300 °C går sprøheten vekk, samtidig tapes noe av hardheten, mens seigheten økes. Man får da det typiske stålet. Ved å variere innholdet av legeringsgrunnstoffer, temperatur, oppvarmings- og avkjølingshastighet, kan man innen vide grenser variere hardhet, seighet, elastisitet og andre egenskaper, slik at stål med høyst forskjellige kjemiske, fysiske og mekaniske egenskaper kan fremstilles.

Størstedelen av jernproduksjonen går til stål som er vårt viktigste konstruksjonsmateriale og har utallige anvendelser. Små mengder rent jern benyttes som katalysator, og ellers inngår jern i en rekke viktige tekniske forbindelser.

De eldste funn av jern, bl.a. fra egyptiske graver, skriver seg fra ca. 4000 år f.Kr. Dette dreier seg trolig om meteorittjern. Jern var et sjeldent metall helt frem til 2000–1000 år f.Kr. En større bruk av jern ble først mulig da man lærte å fremstille det av jernmalmer. Dette antar man skjedde i Lilleasia ca. 1300–1200 år f.Kr. eller noe tidligere. Derfra spredte kunsten å fremstille jern seg til Egypt og videre til Hellas og Europa.

I Norge regner man at jernutvinningen tok til 300–200 år f.Kr., men det var først i folkevandringstiden 400–500 år e.Kr. at den ble mer alminnelig utbredt for så i vikingtiden å anta et ganske stort omfang. Man benyttet myrmalm, en meget ren jernmalm som fremfor alt ikke inneholder de problematiske bestanddelene svovel og fosfor. Svært ofte inneholder myrmalmen mangan, som har gunstig virkning, og dette, sammen med at det ble brukt trekull ved fremstillingen, er kanskje årsaken til at gamle jerngjenstander har holdt seg helt til våre dager.

Under jernutvinningen ble en grop i jorden fylt med trekull eller ved, og det ble tent på. Når det så var blitt tilstrekkelig varmt, strødde man malmen ut i den glødende massen og holdt varmen ved like ved hjelp av en blåsebelg eller tråbelg. På bunnen av gropen dannet det seg en jernklump som ble hentet opp med tang og straks hamret og banket med slegge for å få skilt slagget fra jernet. Dette jernet, det såkalte blestringsjern eller blåsterjern, ble oppvarmet på nytt og omdannet til fellujern som ble smidd og herdet til emner for våpen og redskap, og som også ble brukt som byttemiddel istedenfor penger (se blester og jernvinna).

Gjennom hele vikingtiden ble storparten av det jernet man hadde bruk for rundt om på gårdene fremstilt etter denne jernblestringsmetoden. På 1300-tallet gikk det imidlertid tilbake med jernfremstillingen i Norge, men den fortsatte til eget bruk helt frem til 1800-tallet. Nå var ovnene blitt større og bedre, påvirket av utviklingen i andre land hvor man hadde begynt å bygge ovnene opp i høyden slik at det ble dannet en sjakt. Samtidig ble det tatt i bruk vanndrevne blåsebelger for å oppnå en kraftigere lufttilførsel og vanndrevne jernhammere for å banke slagget ut og gi jernet den ønskede form. Alkymistene betegnet grunnstoffet med symbolet ♂ for planeten Mars.

Som resultat av denne utviklingen oppstod etter hvert høyovnen eller masovnen og jernverkene. Til forskjell fra de gamle, primitive jernovnene, ble temperaturen i masovnen brakt opp så høyt at jernet smeltet og kunne tappes ut av ovnen. Ved stadig å fylle på malm og kull ovenfra kunne jernfremstillingen dessuten gjøres til en kontinuerlig prosess med de fordeler dette innebar. Det jernet masovnen leverte, var et karbonholdig råjern, som i motsetning til det gamle blestringsjernet, ikke uten videre lot seg smi og herde. Derimot lot det seg støpe.

Da de første jernverk ble anlagt her i landet på midten av 1500-tallet, først og fremst på de dansk-norske kongers initiativ, ble de alltid kombinert med jernstøperier. Disse gamle norske jernverkene førte en meget vekslende tilværelse. Sin siste store blomstringstid hadde de på slutten av 1700-tallet og fremover til krigsårene 1807–14. På dette tidspunkt var det her i landet i alt 17 jernverk med til sammen 22 masovner i drift. Etter 1814 gikk det imidlertid etter hvert nedover med de norske jernverkene, og fra 1860 raskt nedover. Fra 1870 ble det praktisk talt slutt med jernfremstillingen i Norge. Årsak til denne utviklingen var både konkurransen med Sverige og særlig det forhold at man i England i stigende utstrekning tok i bruk langt billigere koks i stedet for trekull. Det var først i mellomkrigsårene og i årene etter den annen verdenskrig at den norske jernproduksjonen igjen begynte å ta seg opp, delvis basert på nye metoder, f.eks. elektrisk nedsmeltning av malmen o.l. (se Norsk Jernverk.)

1000 tonn
Kina 170 745
Japan 80 979
Russland 46 160
USA 40 225
Tyskland 29 427
Verden 608 396
Relativ atommasse 55,847
Smeltepunkt 1536 °C
Kokepunkt 2880 °C
Densitet 7,873 g/cm3
Oksidasjonstall I, II, III, IV, V, VI

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål til artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.