ГВОЖЂЕ

ГВОЖЂЕ (Fe, лат. ferrum), хемијски елемент, четврти по распрострањености у Земљиној кори, метал, редни бр. 26, густина 7,87 g/cm^3^, тачка топљења 1.538 ^o^C, атомска маса 55,845, електронска конфигурација [Ar] 3d^6^ 4s^2^. Због своје реактивности према кисеонику, у природи се не налази у чистом стању, осим у остацима метеора Најзначајнији минерали у рудама г. су: хематит (Fe2O3), магнетит (Fе3О4), сидерит (FеCО3), лимонит (Fе2О3∙nH2О) и пирит (FеS2). У Србији руде г. има у рудницима Стари Трг (Косово), Мачкатица и Крива Феја (Сурдулица) и Велики Кривељ (Бор). Сирово г., које садржи 2,14−5% угљеника, уз нешто силицијума, мангана, фосфора, сумпора и др., добија се поступком оксидационо-редукционог топљења уз помоћ кокса, кречњака и предгрејаног ваздуха у постројењу које се зове висока пећ (ВП). Као руде у ВП углавном се користе хематитне и магнетитне. ВП је противструјни реактор у којем се чврста шаржа креће на доле, а врели гасови на горе. Оксидни минерали г. бивају редуковани угљен-моноксидом и угљеником из кокса у елементарно г. То се дешава преко великог броја физичких промена и више стотина хемијских реакција које дају крајње производе: течно сирово г., шљаку (растоп трансформисаних пратећих састојака руде и топитеља) и горивни гас. При спором хлађењу сировог г. и уз присуство веће количине силицијума (2,5%) добија се сиво сирово г. са угљеником који се након очвршћавања лива издваја у облику љуспастог графита одакле му и потичу боја и име. Ово г. иде на даљу прераду у ливнице. Супротно томе, при брзом хлађењу и уз присуство мање количине силицијума добија се бело сирово г. код којег је угљеник везан са г. у виду карбида г. (цементит, Fе3C). Бело сирово г. иде на прераду у челичане где се претвара у челик, најважнији производ металургије г. Према последњим подацима, највећа ВП на свету има запремину 5.500 m^3^, производи 5 мил. т. сировог г. годишње и припада компанији „Shougang Jing Tang United Iron and Steel Ltd." у Кини. Чисто г. је релативно меко и има ограничену употребу, нпр. за електромагнете. Рекордна производња г. у железари у Смедереву била је 850.000 т/год.(„Сартид", 1998) и 1,68 мил. т/год.(„U. S. STEEL-Serbia", 2008. и 2009). У зависности од кретања цена на светском тржишту, рудне сировине и кокс су углавном увожени из Украјине, Перуа, Аустралије, Јужне Африке, Пољске, Румуније, Русије, Босне и Херцеговине (Омарска, Љубовија, Лукавац) итд. Прерађивана је и руда из Мајданпека. Због еколошких прописа, цене и дефицитарности кокса, развијене су алтернативне методе добијања г. непосредном редукцијом са гасовима (угљен-моноксидом -- CО и водоником -- H2), добијеним из угљоводоника, наjчешће из природног гаса -- CH4 у присуству катализатора (HYL, MIDREX, COREX), затим, редукцијом са чврстим редукционим средством или редукционим топљењем у плазма-пећима (PLASMA MELT, INRED) и др.

С. Марковић

У свакодневној пракси треба разликовати појам г., које се у области хемије и медицине односи на чист хемијски елемент Fe, и појам г. који се у металургији, инжењерству, свакодневној примени и говору односи на његове легуре. Из тог разлога у металургији и технологији се користи појам железо за хемијски елемент Fe, док се под појмом г. подразумева група легура на бази железа.

У периодном систему елемената Fe припада VIIIB групи прелазних метала. Алотропни је метал са три модификације. Алфа модификација (αFe) стабилна је до 912 °C и има запремински центрирану кубну структуру; гама модификација (γFe) стабилна је између 912 °C и 1.394 °C и има површински центрирану кубну структуру; док је делта модификација (δFe) стабилна изнад 1.394 °C па до тачке топљења и има запремински центрирану кубну структуру. Феромагнетично је до температуре од 770 °C (Киријева тачка) у алфа модификацији (αFe). Изузетно је важан биоелемент неопходан за живе организме, јер је саставни део хемоглобина који преноси кисеоник у телу. Чисто Fe (железо) припада групи материјала ниске чврстоће (<250 MPa) и нема значајну техничку примену. Користи се углавном за неке специјалне намене, као нпр. у хемији и хемијској индустрији, у облику разних једињења, код процеса производње или за готове производе (боје, електроде, инсектициде итд.). Користи се и у медицини и фармакологији у виду разноврсних хемијских једињења за разне врсте лекова (антианемици, адстрингенси и др.).

Насупрот томе, легуре на бази железа, челици и г., имају добра механичка својства и веома широко подручје употребе у свим гранама индустрије, грађевинарству, пољопривреди, саобраћају, занатству, као и у свакодневном животу. Њихов допринос развоју цивилизације огледа се у чињеници да је тренутна годишња количина произведених челика и ливених г. у свету око десет пута већа од укупне произведене количине свих осталих метала и легура (годишње се произведе више од 1.500 милиона т челика и 75 милиона т ливених г.).

Основне информације о односу железа, као главног елемента, и угљеника, као најважнијег легирајућег елемента, за индустријски произведене челике и г., даје двојни фазни дијаграм Fe-C. Овим дијаграмом су се бавили, а и данас се баве многи металурзи света. Први дијаграм експериментално је израдио В. Ч. Робертс-Остин (1897) по којем је γ-чврсти раствор добио име аустенит. Основни изглед дијаграма сада је тачно утврђен, али како због све чистијих легура и прецизнијих мерења, тако и због термодинамичких модела и прорачуна, тачке и температуре у дијаграму се константно коригују. Из дијаграма Fe-C се види да се угљеник, иако нема тачку топљена (сублимира), у течном стању неограничено раствара у железу. У чврстом стању, међутим, гради три ограничена интерстицијска чврста раствора: ферит (α‑чврсти раствор са макс. 0,02% C на 727 °C), аустенит (γ‑чврсти раствор са макс. 2,11% C на 1.148 °C) и делта ферит (δ‑чврсти раствор са макс. 0,09% C на 1.494 °C), чинећи тиме челике и г. полиморфним материјалима, што је изузетно значајно за њихову термичку обраду, топлу пластичну прераду и за примену. Угљеник може да буде и слободан у виду графита или везан у једињењу -- цементит (Fe3C са 6,67% C). При дугом загревању на повишеној температури Fe3C се распада на Fe и стабилнији графит, због чега се систем Fe-Cgr назива стабилни, а Fe-Fe3C метастабилни (потхлађени) систем. Поред подручја чврстих раствора (α, γ и δ), дијаграм показује и линије трансформације (ликвидус, солидус и солвус), као и три реакције са тројном равнотежом: перитектичка на 1.495 °C, када се ствара аустенит; еутектичка на 1.148 °C, где се ствара еутектикум ледебурит, као механичка смеша аустенита и цементита; и еутектоидна реакција на температури 727 °C, када настаје еутектоид перлит, такође механичка смеша између ферита и цементита. Легуре у Fe‑Fe3C систему, до 2,11%C називају се челици, а од 2,11% до 6,67%C зову се г., односно бела г. када припадају Fe-Fe3C систему, а сива за систем Fe‑Cgr. Г. се називају још и ливена г., јер се због кртости и недеформабилности обликују искључиво ливењем. За изучавање техничких челика који су вишекомпонентни (угљенични челик садржи C, Si, Mn, S, P, а легиран још и легирајуће елементе) дијаграм Fe-Fe3C, иако двокомпонентан ипак има велик практични значај. Познавањем механизама и процеса стварања фаза и микроструктура, при очвршћавању, легирању или пластичној деформацији и термичкој обради полупроизвода и готових производа са различитим хемијским саставима, може се утицати и усмерити ток стварања микроструктура, чиме се утиче на добијање техничких производа изузетних особина (затезна чврстоћа и до 3.000 MPa) са веома широким опсегом комбинација механичких својстава.

Производња челика и ливених г. започиње редукцијом железних руда у високој пећи. Основне сировине за добијање су оксидне руде хематит и магнетит, кокс или дрвени угаљ као гориво и креч као топитељ. Производи високе пећи су растопљено г., течна шљака и високопећни гас. Растопљено г. у ствари представља полазну сировину за добијање челика и ливова. Ако има више Мn онда је то бело г. и служи, један мањи део, за одливке од белог лива, а већи, за добијање челика у конверторима, Сименс-Мартиновим пећима и електропећима, те за добијање специјалних челика додатном рафинацијом у електропећима. Ако садржи више Si, онда служи за добијање ливеног г. са графитом, претапањем и ливењем. Полупроизводи од челика се добијају топлом прерадом (ваљање, ковање, пресовање и сл.), а мањим делом накнадним претапањем за добијање одливака од челичног лива.

Пошто су челици и г. суштински вишекомпонентне легуре, концентрација раздвајања челика и г. према ISO 4948/1 је 2%C. Такође, стандард одређује и граничне вредности за све друге елементе које дефинише као легирајуће елементе, пратиоце и нечистоће. Постоји више начина класификације и систематизација челика. Према намени челици се деле на конструкционе, алатне и специјалне; према хемијском саставу на угљеничне и легиране (ниско и високо легирани); а према положају у дијаграму Fe-Fe3C на подеутектоидне, еутектоидне и надеутектоидне. Према квалитету на обичне, квалитетне, племените и високо квалитетне челике; према начину производње на Сименс-Мартинов челик, Бесемеров, Томасов, ЛД-челик, електро-челик; према начину прераде, сирови челик, ливени челик, ковани, ваљани, вучени, пресовани; а према микроструктури на перлитни, ледебуритни, аустенитни, феритни, беинитни, мартензитни, феритно-мартензитни итд. Сматра се да тренутно постоји око 6.000 врста челика у употреби.

Код ливених г. се услед повећаног садржаја угљеника (>2%) путем еутектичке реакције може створити графит или цементит. Нуклеација и раст графита у течним ливовима су веома отежани, иако је графит термодинамички стабилна фаза. Због тога, да би се постигла већа температурна разлика између стабилне и метастабилне еутектичке реакције и да би се у техничким ливеним г. са графитом (сиви лив, нодуларни лив, компактни лив) са сигурношћу образовао графит, неопходан је додатак силицијума. С тиме, тројни дијаграм Fe‑C‑Si, за ливена г. постаје изузетно важан. Током еутектичке реакције да ли ће се створити различити облици графита или Fe3C, зависи од више фактора. Најважнији су количина Si, начин хлађења и додатак инокуланата (центра кристализације). У односу на бели лив, код ливова са графитом, количина Si је већа, хлађење је споро уз обавезан додатак инокуланата. У сивом ливу графит је у облику ламела, у нодуларном у облику нодула (сфера, куглица), а у компактном или вермикуларном, у облику вермикула (црвића). Метална основа ових ливова након ливења може да буде: феритна, феритно-перлитна, перлитна и аустенитна, а након термичке обраде, мартензитна, међустепена структура отпуштања, беинитна и аусферитна. Ако се садржај фосфора у сивом ливу повећа, онда се ствара фосфидни еутектикум у облику мреже, чиме се постиже велика отпорност на хабање. Темпер лив се добија жарењем одливака од белог лива на високој температури ради стварања графита у облику пахуљица. Жарењем у неутралној атмосфери добија се црни темпер лив са феритном или перлитном металном основом, док код белог темпер лива због оксидационе атмосфере током темперовања површина се разугљеничава и постаје феритна без угљеника, а средина перлитна, са темпер графитом. Постоји и тврдокорни бели лив, са Fe3C издвојеним само на површини, док је у унутрашњости издвојен графит. Производња ливених г. и челичног лива у Србији према подацима часописа Modern Casting за 2012. износи 37.251 т/год. сивог лива, 15.162 т/год. нодуларног лива, 10.328 т/год. темпер лива, и 9.050 т/год. челичног лива.

Л. Шиђанин

У Србији примена г. датира од најранијег периода металног доба, када се користи и као хладно ковано и као ливено за израду оружја и оруђа. Почев од друге половине XIV в. г. из рудника из околине Ђавоље Вароши употребљавало се за израду оруђа, оружја и употребних предмета, као и за ковање новца. У градитељству г. налази примену за затеге код лукова, као и за розете и решетке на прозорима и вратима цркава и манастира. Касније се највише примењује при изградњи мостова. За бродску преводницу у Бечеју и велики гвоздени мост у Зрењанину постоје индиције да су пројектовани у бироу чувеног Александра Густава Ајфела. Једно од врхунских техничких достигнућа са прелаза из XIX у XX в. јесте брана на ушћу Великог бачког канала у Тису из 1898, изграђена по плановима младог инжењера Алберта Хајнца. Ковано г. у српској архитектури у XIX в. примењује се углавном као декоративни елемент на оградама степеништа и балкона, као нпр. у Амиџином конаку у Крагујевцу (1818). Саграђен у балканском оријенталном стилу, он има подрумска врата са звекиром од кованог г., а лучни подрумски прозори украсне гвоздене решетке. Кућа Јеврема Обреновића на Великој пијаци (1835--1836) у Београду имала је капије и ограде на тераси од кованог г. Дворац у Савамали из 1837 (Министарство финансија), са балконима на конзолама од кованог г., одраз је утицаја ренесансног обликовања у рундбоген стилу. Ливница у Гајевој улици у Земуну, основана 1854, лила је звона за црквене торњеве и сатове. Позната је розета од кованог г. на цркви Св. Пантелејмона у селу Жлне, у близини Књажевца. Стигавши са дипломом грађевинског инжењера из Беча у Београд, Виктор Азриел у сецесионистичком стилу користи ковано г. на фасади Булијевог Робног магацина (1907). Зграда Ректората Београдског универзитета (1858--1863) грађена је по пројекту чешког архитекте Јана Неволе. У пространом холу некада су били метални стубови који су подупирали крстату таваницу. За своје време били су то прави архитектонски подвизи у једној од првих зграда изведених после турске епохе. Већ читав век примат у формирању конструкције објеката носи челик, док се г. и даље користи као декоративни елемент за капије, ограде, решетке, али и као омиљени материјал савремених скулптора.

С. Станковић

Г. се у народним обичајима најчешће користило као апотропејон у одбрани од злих сила, натприродних бића и демона. Магијска снага г. позната је готово свим народима у Европи. У критичним периодима живота заједнице или њених чланова прибегавало се ритуалним радњама заштите коришћењем различитих предмета од г. као што су вериге, звона, ножеви или други оштри метални предмети. Своју магијску снагу, како се верује, г. дугује вези са доњим светом, светом демона и мртвих, па као хтонски елемент одбија зле демоне. У традицијској култури Срба, у појединим крајевима, новорођенче су провлачили испод верига. Магијска снага верига појачана је симболиком домаћег огњишта и заштитном улогом предака јер се веровало да је огњиште место на којем бораве душе предака. Демони и змије одбијани су лупањем у металне предмете, а звоњава звона, лупање у оштре металне предмете или вериге имали су улогу одбијања града и других временских непогода. Ова претхришћанска веровања су пренета и у хришћанство па је звоњава црквених звона, између осталих, имала и ту улогу. У традицијској култури се веровало да одбојна снага г. може да отера и добре духове. Тако се у појединим крајевима Србије ни данас у обредима после сахране и на даћама не користе ножеви приликом обеда, јер би могли да отерају духове умрлих којима је намењено остављено јело и пиће. Иста забрана важи и за Бадње вече будући да се душе умрлих гласно позивају да дођу на гозбу. Г. се користило и као заштита од урока и злих очију. Комадићи г. или гвоздени предмети ушивани су у одећу или ношени као хамајлије од урока; израђивани су и минијатурни земљораднички алати, а у појединим крајевима се веровало да би требало да их изради ковач у глуво доба ноћи од потковице мртве кобиле. Најпознатија су веровања у заштитну моћ коњске потковице која се закивала на кућама или другим објектима, а веровало се да штити децу од епилепсије. Веровања у моћ потковице су редукована, премда се и данас, као симбол среће и заштите, могу видети окачене на аутомобилима или појединим објектима.

Л. Б. Радуловић

ЛИТЕРАТУРА: И. Бах, Б. Радојковић, Уметничка обрада метала, I--II, Бг 1956; Група аутора, Енциклопедија модерне архитектуре, Бг 1970; Д. Бандић, Табу у традиционалној култури Срба, Бг 1980; Ф. Харт, В. Хен, Х. Зонтаг, Атлас челичних конструкција: високоградња, Минхен--Бг 1987; H. Okamoto, „The C-Fe (Carbon-Iron) System", Phase Diagram Evaluations: Section II. Journal of Phase Equilibria, 1992, 13, 5; Б. Мишковић, „Гвожђе и челик", у: Д. Виторовић (ур.), Хемија и хемијска индустрија у Србији, Бг 1997; F. X. Kayser, J. W. Patterson, „Sir William Chandler Roberts-Austen -- His Role in the Development in Binary Diagrams and Modern Physical Metallurgy", Historical Paper in Journal of Phase Equilibria, 1998, 19, 1; Ш. Кулишић, П. Ж. Петровић, Н. Пантелић, Српски митолошки речник, Бг 1998; L. Greene, Ironmaking Process, I, Washington 2000; K. Bugayev и др., „Iron and Steel production'', у: Book for Business, New York 2001; J. Lamut, „Tehnološki razvoj metalurgije železa in jekla", Zbornik Med železom in kulturo: naša dediščina, naša pot, Ravne na Koroškem 2007; В. Трујић, Н. Митевска, Металургија гвожђа, Бор 2007; С. Зечевић, Српска етномитологија, Бг 2008.