מה זה ברזל? עמוד השדרה של התעשייה המודרנית

ברזל הוא יסוד מתכתי חיוני ביותר ואשר בהחלט עיצב את הציוויליזציה האנושית לאורך אלפי שנים וגם היום, כאשר הוא משמש כבסיס נפוץ וקריטי לתעשייה המודרנית ולכמעט כל ענף שניתן לחשוב עליו. ברזל הוא מתכת כמובן, אשר קיימת בכמויות גדולות בכדור הארץ ומאפשרת מגוון שיטות של עיבוד וחישול, כאשר המין האנושי החל להשתמש במתכת זו בעידני הברזל והברונזה ועד היום היא מהווה את השלד של התרבות והתעשייה האנושית. נסביר מה זה ברזל, מאיפה ואיך הוא מופק ומה השימושים של מתכת חשובה ונפוצה זו.

אודות היסוד המתכתי ברזל

ברזל הוא יסוד כימי בסיסי בטבע של כדור הארץ, כאשר הוא משתייך כמובן למשפחת המתכות. סמלו הכימי של ברזל הוא Fe, זה נובע מהמילה בלטינית Ferrum. הברזל הוא אחד היסודות הנפוצים ביותר בקרום כדור הארץ – הראשון מבחינת מסה והרביעי מבחינת הרכב קרום הפלנטה (אחרי חמצן, סיליקון ואלומיניום). מרבית מסת הברזל בכדור הארץ נמצאת למעשה בליבה החיצונית והפנימית של כוכב הלכת שלנו, כך שלרוב החומר אנו בפועל לא יכולים להגיע כלל. הברזל נחשב למתכת פרו-מגנטית, כלומר מתכת עם משיכה חזקה לכוחות מגנטיים.

לצד היותו מתכת מרכזית לשימושים תעשייתיים רבים מאוד בתרבות האנושית, מהפרה-היסטוריה ועד ימינו, הברזל הוא כאמור יסוד כימי בטבלה המחזורית, כך שלא מפתיע שבעולם החיים (כולל בבני אדם כמובן) הברזל הוא גם מינרל חיוני הדרוש לבניה ותפקוד של מערכות אורגניות שונות. כך למשל, עיקר השימוש הביו-כימי של מינרל הברזל הוא לבניית התרכובת Heme (הם), אשר מהווה מרכיב מרכזי בהובלת חמצן ע"י תאי הדם האדומים ומולקולות ההמוגלובין.

האם הברזל הוא מתכת ספציפית או שם גנרי למתכות?

לא פעם, אנשים מערבבים בין השם ברזל לבין התייחסות כללית למתכות באשר הן, כנראה לאור התפוצה הרחבה שלו בכדור הארץ ובעיקר היקף השימושים האדיר של הברזל בתעשייה, בנייה, מוצרים ומערכות. אך כפי שכבר הוסבר, הברזל הוא יסוד מתכתי נפוץ וחשוב, אך ספציפי וייחודי והוא לא כולל בתוכו את כל יתר המתכות. בטבע יש עוד מגוון רחב של יסודות כימיים מתכתיים, חלקם נפוצים וחלקם נדירים מאוד.

הברזל, כמתכת ספציפית, נבדל מסוגים רבים אחרים של מתכות בכך שהוא גם גמישה מספיק מבנית כך שאפשר (בעזרת חום) לחשל אותה לצורות ויישומים שונים וגם לשנות את צורתו בעזרת הפעלת לחץ ומבלי לקרוע או לשבור אותו.

יתכן שגורם נוסף לבלבול היחסית נפוץ בין התייחסות לברזל כמתכת ספציפית ונפרדת לבין התייחסות לכלל המתכות תחת המונח ברזל הוא שהברזל הוא מרכיב מרכזי ועיקרי גם ברוב סגסוגות המתכת הנפוצות והשימושיות ביותר בעולם האנושי. סגסוגת היא חיבור של כמה מתכות יחד בכדי לקבל תכונות מסוימות.

תכונות של ברזל

הברזל הפך למתכת הכי חשובה ומרכזית בתעשייה האנושית גם בזכות העובדה שזהו יסוד כה נפוץ ושיחסית קל להפיקו, אבל בהחלט גם הודות לתכונות המכאניות והפיזיקליות שלו. התכונות העיקריות של ברזל הן:

• חוזק מכאני גבוה
• יכולת לעבד ולעצב את הברזל לצורות ויישומים שונים , בעזרת חום או לחץ
• עמידות גבוהה מאוד לשחיקה כימית, מכאנית ופיזית
• הולכת חום טובה
• הולכת חשמל טובה

אחת התגובות הכימיות הכי ידועות ומוכרות של ברזל היא חלודה, מה שנותן לברזל בטבע וגם ליישומי ברזל מסוימים את הגון החום-אדמדם הכה מזוהה. חלודה היא למעשה תגובת חמצון המתרחשת כאשר הברזל בא במגע ישיר עם חמצן, כאשר היווצרות החלודה מיועדת, כימית, ליצור שכבת הגנה על הברזל.

היווצרות, הפקה ועיבוד של ברזל

רוב הברזל בכדור הארץ הגיע לכאן מהחלל, על ידי פגיעת מטאורים ואסטרואידים בפלנטה, בעיקר בשלבי ההיווצרות הראשונים של הכדור הכחול עליו אנו חיים. הברזל עצמו נוצר בתהליך היתוך, המתרחש בליבות של כוכבים (שמשות), לרוב כאשר הגרעינים של אטומי מימן והליום משתלבים ויוצרים יסוד חדש וכבד יותר – הברזל. כאשר כוכה כזה מסיים את חייו, הוא מתפוצץ בסופר נובה ומפזר למרחבי החלל ברזל ויסודות אחרים.

כיצד מפיקים ומעבדים ברזל?

לצד שכיחותו הגבוהה בליבות החיצונית והפנימית של כדור הארץ, הברזל נמצא יחסית בשפע גם בקרום הפלנטה, למשל בסלעים ומרבצי מחצבים, בעיקר עפרות (ores) הנקראות המטייט ומגנטייט. כדי להפיק ברזל, יש לכרות אותו מהאדמה, במכרות ברזל או מתכת ייעודיים.

עפרות ברזל נכרות בתהליך מורכב הכולל קידוחים, חפירות ופיצוצים. לאחר הכרייה, העפרות מועברות למפעל עיבוד שבו מרסקים אותן ומפרידים את המתכת מפסולת הסלעים.

בתהליך תעשייתי מקיף ורחב היקף, מפרידים ומנקים עד כמה שניתן מהברזל, כאשר בשלב כזה או אחר חייב להיות שימוש בתנורים חזקים וענקיים, המגיעים לטמפרטורה של לפחות 1500 מעלות צלזיוס, כדי להמיס את הברזל, להפריד אותו מיתר החומרים וחומרי האדמה וליצור ממנו צורות שאיתן ניתן לעבוד ולעבוד בהמשך הדרך.

ברזל וסגסוגות ברזל

כאמור, מיצוי עפרות הברזל שנכרות במכרות ברחבי העולם נעשה בתנורי כבשן ענקיים וייעודיים, כאשר לרוב מוסיפים לתהליך גם פחמן ואוויר חם, מה שמשפיע על התגובה הכימית הנוצרת והדרושה. בתוך כך, התוצאה התעשייתית הראשונית והעיקרית של ברזל – מה שבהמשך משתמשים בו בפועל לאינספור יישומים ותוצרים – היא בעיקר סגסוגות מתכתיות שרובן ברזל – מה שמוכר יותר בשם הגנרי של "פלדה". אלו התוצרים העיקריים של הפקה ועיבוד של ברזל:

• ברזל גולמי – כמויות מזעריות של מתכות אחרות, עד 5% פחמן.
• ברזל ליציקה – פחות פחמן ופחות זיהומים מזעריים של מתכות וחומרים אחרים.
• פלדת פחמן – הפלדה הנפוצה ביותר, ברזל עם עד 1.5% פחמן וכמויות מזעריות של מתכות אחרות, בהתאם לסגסוגות המדויקת שרוצים ליצור.
• ברזל מחושל – ברזל ייעודי לנפחים ועבודות עדינות ומדויקות, סגסוגת פלדה רכה יותר, מיועדת לנפחים.

שימושים עיקריים של ברזל בתעשייה

כמעט 95% מכלל המתכת המופקת בעולם היא ברזל, בגלל תפוצה רחבה, מחיר יחסית נמוך ועמידות וקשיחות המתאימות להמוני יישומים ושימושים.

• מרכיב מרכזי בתעשיית הבנייה – לשלד מבני, בטון מזוין, גימורים ואינסוף דוגמאות ושימושים.
• בניית כלי תחבורה – מאוניות ענק ועד מכוניות פרטיות וכדומה.
• בניית מכונות ומערכות תעשייתיות מכל הסוגים והיישומים.
• ייצור מערכות חשמליות ולייצור חשמל – טורבינות, מנועים, גנרטורים, שנאים, אלקטרו-מגנטים ועוד.
• חומר גלם מרכזי וקריטי לייצור רכיבים, מוצרים, מערכות ותוצרים לכל תחום ותעשייה בעולם – ייצור ביציקה או בטכניקות של עיבוד שבבי בעיקר.