Gunnar Nordberg
Vorkommen und Verwendungen
Eisen ist unter den Metallen das zweithäufigste und unter den Elementen das vierte, nur übertroffen von Sauerstoff, Silizium und Aluminium. Die häufigsten Eisenerze sind: Hämatit oder rotes Eisenerz (Fe2O3), das zu 70 % aus Eisen besteht; Limonit oder braunes Eisenerz (FeO(OH)·nH2O), mit 42 % Eisen; Magnetit oder magnetisches Eisenerz (Fe3O4), die einen hohen Eisengehalt hat; Siderit oder spathisches Eisenerz (FeCO3); Pyrit (FeS2), das häufigste Sulfidmineral; und Pyrrhotit oder magnetischer Pyrit (FeS). Eisen wird zur Herstellung von Eisen- und Stahlguss verwendet und mit anderen Metallen zu Stählen legiert. Eisen wird auch verwendet, um die Dichte von Ölbohrflüssigkeiten zu erhöhen.
Legierungen und Verbindungen
Eisen selbst ist nicht besonders stark, aber seine Festigkeit wird stark erhöht, wenn es mit Kohlenstoff legiert und schnell abgekühlt wird, um Stahl zu erzeugen. Seine Präsenz in Stahl erklärt seine Bedeutung als Industriemetall. Bestimmte Eigenschaften von Stahl – also weich, mild, mittelhart oder hart – werden weitgehend durch den Kohlenstoffgehalt bestimmt, der zwischen 0.10 und 1.15 % variieren kann. Etwa 20 weitere Elemente werden in unterschiedlichen Kombinationen und Anteilen bei der Herstellung von Stahllegierungen mit vielen verschiedenen Eigenschaften verwendet – Härte, Duktilität, Korrosionsbeständigkeit und so weiter. Die wichtigsten davon sind Mangan (Ferromangan und Spiegeleisen), Silizium (Ferrosilizium) und Chrom, auf das weiter unten eingegangen wird.
Die wichtigsten industriellen Eisenverbindungen sind die Oxide und das Karbonat, die die Haupterze darstellen, aus denen das Metall gewonnen wird. Von geringerer technischer Bedeutung sind Cyanide, Nitride, Nitrate, Phosphide, Phosphate und Eisencarbonyl.
Gefahren
Industrielle Gefahren bestehen beim Abbau, Transport und der Aufbereitung der Erze, bei der Herstellung und Verwendung der Metalle und Legierungen in Eisen- und Stahlwerken und in Gießereien sowie bei der Herstellung und Verwendung bestimmter Verbindungen. Beim Eisenerzabbau kommt es zum Einatmen von Eisenstaub oder -dämpfen; Lichtbogenschweißen; Schleifen, Polieren und Bearbeiten von Metall; und in der Kesselsteinbildung. Beim Einatmen wirkt Eisen lokal reizend auf die Lunge und den Magen-Darm-Trakt. Berichte deuten darauf hin, dass eine langfristige Exposition gegenüber einer Mischung aus Eisen und anderen Metallstäuben die Lungenfunktion beeinträchtigen kann.
Beim Abbau, Transport und der Aufbereitung der Erze kommt es aufgrund der hierfür eingesetzten schweren Schneid-, Förder-, Brech- und Siebmaschinen zu Unfällen. Verletzungen können auch durch den Umgang mit Sprengstoffen entstehen, die im Bergbau verwendet werden.
Das Einatmen von kieselsäure- oder eisenoxidhaltigem Staub kann zu einer Pneumokoniose führen, es gibt jedoch keine eindeutigen Schlussfolgerungen zur Rolle von Eisenoxidpartikeln bei der Entstehung von Lungenkrebs beim Menschen. Aufgrund von Tierversuchen besteht der Verdacht, dass Eisenoxidstaub als „co-kanzerogener“ Stoff wirken und somit bei gleichzeitiger Exposition gegenüber krebserregenden Stoffen die Krebsentstehung fördern kann.
Sterblichkeitsstudien von Hämatit-Bergleuten haben in mehreren Bergbaugebieten wie Cumberland, Lorraine, Kiruna und Krivoi Rog ein erhöhtes Lungenkrebsrisiko gezeigt, im Allgemeinen bei Rauchern. Epidemiologische Studien an Arbeitern in Eisen- und Stahlgießereien haben typischerweise ein um das 1.5- bis 2.5-Fache erhöhtes Lungenkrebsrisiko festgestellt. Die Internationale Agentur für Krebsforschung (IARC) stuft das Gießen von Eisen und Stahl als krebserregenden Prozess für den Menschen ein. Die beteiligten spezifischen chemischen Mittel (z. B. mehrkernige aromatische Kohlenwasserstoffe, Kieselerde, Metalldämpfe) wurden nicht identifiziert. Eine erhöhte Inzidenz von Lungenkrebs wurde auch, wenn auch weniger signifikant, bei Metallschleifern berichtet. Die Schlussfolgerungen für Lungenkrebs unter Schweißern sind umstritten.
In experimentellen Studien hat sich Eisenoxid nicht als krebserregend erwiesen; die Versuche wurden jedoch nicht mit Hämatit durchgeführt. Das Vorhandensein von Radon in der Atmosphäre von Hämatitminen wurde als wichtiger krebserregender Faktor vermutet.
Bei der Eisenverarbeitung kann es zu schweren Unfällen kommen. Bei der Arbeit mit geschmolzenem Metall kann es zu Verbrennungen kommen, wie an anderer Stelle beschrieben Enzyklopädie. Fein verteiltes, frisch reduziertes Eisenpulver ist pyrophor und entzündet sich bei Kontakt mit Luft bei normalen Temperaturen. Brände und Staubexplosionen sind in Kanälen und Abscheidern von Entstaubungsanlagen im Zusammenhang mit Schleif- und Polierscheiben und Polierbändern aufgetreten, wenn Funken aus dem Schleifvorgang den feinen Stahlstaub in der Absauganlage entzündet haben.
Die gefährlichen Eigenschaften der restlichen Eisenverbindungen sind meist auf das Radikal zurückzuführen, mit dem das Eisen assoziiert ist. Daher Eisenarsenat (FeAsO4) und Eisenarsenit (FeAsO3·Fe2O3) besitzen die giftigen Eigenschaften von Arsenverbindungen. Eisencarbonyl (FeCO5) ist eines der gefährlicheren Metallcarbonyle mit toxischen und brennbaren Eigenschaften. Carbonyle werden an anderer Stelle in diesem Kapitel ausführlicher besprochen.
Eisensulfid (FeS) wird neben seinem natürlichen Vorkommen als Pyrit gelegentlich unbeabsichtigt gebildet, wenn schwefelhaltige Materialien in Eisen- und Stahlbehältern behandelt werden, beispielsweise in Erdölraffinerien. Wenn die Anlage geöffnet wird und die Eisen(II)-Sulfid-Lagerstätte der Luft ausgesetzt wird, kann ihre exotherme Oxidation die Temperatur der Lagerstätte auf die Zündtemperatur von Gasen und Dämpfen in der Umgebung erhöhen. Auf solche Ablagerungen sollte ein feiner Wasserstrahl gerichtet werden, bis brennbare Dämpfe durch Spülen entfernt wurden. Ähnliche Probleme können in Pyritminen auftreten, wo die Lufttemperatur durch eine kontinuierliche langsame Oxidation des Erzes erhöht wird.
Sicherheits- und Gesundheitsmaßnahmen
Die Vorkehrungen zur Verhütung mechanischer Unfälle umfassen die Einzäunung und Fernsteuerung von Maschinen, die Konstruktion von Anlagen (die in der modernen Stahlherstellung eine computergestützte Steuerung umfassen) und die Sicherheitsschulung der Arbeiter.
Der Gefährdung durch giftige und brennbare Gase, Dämpfe und Stäube wird durch örtliche Absaugung und allgemeine Belüftung gekoppelt mit den verschiedenen Formen der Fernsteuerung begegnet. Schutzkleidung und Augenschutz sollten bereitgestellt werden, um den Arbeiter vor den Auswirkungen heißer und ätzender Substanzen und Hitze zu schützen.
Besonders wichtig ist die regelmäßige Wartung der Abluftführung an Schleif- und Poliermaschinen sowie an Schleifbändern, um die Leistungsfähigkeit der Absaugung aufrechtzuerhalten und die Explosionsgefahr zu verringern.
Ferrolegierungen
Eine Ferrolegierung ist eine Legierung aus Eisen mit einem anderen Element als Kohlenstoff. Diese metallischen Mischungen werden als Vehikel zum Einführen spezifischer Elemente in die Stahlherstellung verwendet, um Stähle mit spezifischen Eigenschaften herzustellen. Das Element kann sich mit dem Stahl durch Lösung legieren oder schädliche Verunreinigungen neutralisieren.
Legierungen haben einzigartige Eigenschaften, die von der Konzentration ihrer Elemente abhängen. Diese Eigenschaften variieren direkt in Abhängigkeit von der Konzentration der einzelnen Komponenten und hängen zum Teil vom Vorhandensein von Spuren anderer Elemente ab. Obwohl die biologische Wirkung jedes Elements in der Legierung als Richtlinie verwendet werden kann, gibt es genügend Beweise für die Änderung der Wirkung durch die Mischung der Elemente, um äußerste Vorsicht bei kritischen Entscheidungen auf der Grundlage der Extrapolation der Wirkung des einzelnen Elements zu rechtfertigen.
Die Ferrolegierungen bilden eine breite und vielfältige Liste von Legierungen mit vielen verschiedenen Mischungen innerhalb jeder Legierungsklasse. Der Handel begrenzt im Allgemeinen die Anzahl der in einer Klasse verfügbaren Ferrolegierungstypen, aber metallurgische Entwicklungen können zu häufigen Ergänzungen oder Änderungen führen. Einige der gebräuchlicheren Ferrolegierungen sind wie folgt:
- Ferrobor – 16.2 % Bor
- Ferrochrom – 60 bis 70 % Chrom, das auch Silizium und Mangan enthalten kann
- Ferromangan – 78 bis 90 % Mangan; 1.25 bis 7 % Silizium
- Ferromolybdän – 55 bis 75 % Molybdän; 1.5 % Silizium
- Ferrophosphor – 18 bis 25 % Phosphor
- Ferrosilicium – 5 bis 90 % Siliciumdioxid
- Ferrotitan – 14 bis 45 % Titan; 4 bis 13 % Silizium
- Ferrowolfram – 70 bis 80 % Wolfram
- Ferrovanadium – 30 bis 40 % Vanadium; 13 % Silizium; 1.5 % Aluminium.
Gefahren
Obwohl bestimmte Ferrolegierungen nichtmetallurgische Verwendungen haben, sind die Hauptquellen einer gefährlichen Exposition bei der Herstellung dieser Legierungen und bei ihrer Verwendung während der Stahlproduktion anzutreffen. Einige Ferrolegierungen werden in feiner Partikelform hergestellt und verwendet; Staub in der Luft stellt eine potenzielle Toxizitätsgefahr sowie eine Brand- und Explosionsgefahr dar. Darüber hinaus wurde die berufliche Exposition gegenüber den Dämpfen bestimmter Legierungen mit ernsthaften Gesundheitsproblemen in Verbindung gebracht.
Ferrobor. Luftgetragener Staub, der während der Reinigung dieser Legierung entsteht, kann zu Reizungen der Nase und des Rachens führen, was möglicherweise auf das Vorhandensein eines Boroxidfilms auf der Legierungsoberfläche zurückzuführen ist. Einige Tierversuche (Hunde, die atmosphärischen Ferrobor-Konzentrationen von 57 mg/mXNUMX ausgesetzt waren3 für 23 Wochen) fanden keine nachteiligen Wirkungen.
Ferrochrom. Eine Studie in Norwegen über die Gesamtmortalität und die Krebsinzidenz bei Arbeitern, die Ferrochrom herstellen, hat eine erhöhte Inzidenz von Lungenkrebs in ursächlichem Zusammenhang mit der Exposition gegenüber sechswertigem Chrom in der Nähe der Hochöfen gezeigt. Bei einigen Arbeitern wurde auch eine Perforation der Nasenscheidewand festgestellt. Eine andere Studie kommt zu dem Schluss, dass eine übermäßige Sterblichkeit aufgrund von Lungenkrebs bei Arbeitern in der Stahlherstellung mit der Exposition gegenüber polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAKs) während der Ferrochromproduktion verbunden ist. Eine weitere Studie, die den Zusammenhang zwischen beruflicher Exposition gegenüber Dämpfen und Lungenkrebs untersuchte, ergab, dass Ferrochrom-Arbeiter übermäßig viele Fälle von Lungen- und Prostatakrebs aufwiesen.
Ferromangan kann durch Reduktion von Manganerzen in einem Elektroofen mit Koks und Zugabe von Dolomit und Kalkstein als Flussmittel hergestellt werden. Transport, Lagerung, Sortierung und Zerkleinerung der Erze erzeugen Manganstaub in Konzentrationen, die gefährlich sein können. Die pathologischen Wirkungen, die sich aus der Exposition gegenüber Staub ergeben, sowohl vom Erz als auch von der Legierung, sind praktisch nicht von denen zu unterscheiden, die im Artikel „Mangan“ beschrieben wurden. in diesem Kapitel. Sowohl akute als auch chronische Vergiftungen wurden beobachtet. Ferromanganlegierungen, die sehr hohe Anteile an Mangan enthalten, reagieren mit Feuchtigkeit, um zu produzieren Mangancarbid, die in Verbindung mit Feuchtigkeit Wasserstoff freisetzen, wodurch eine Brand- und Explosionsgefahr entsteht.
Ferrosilicium Bei der Herstellung können sowohl Aerosole als auch Stäube von Ferrosilizium entstehen. Tierversuche weisen darauf hin, dass Ferrosiliziumstaub eine Verdickung der Alveolarwände mit gelegentlichem Verschwinden der Alveolarstruktur verursachen kann. Die bei der Legierungsherstellung verwendeten Rohstoffe können auch freies Siliziumdioxid enthalten, wenn auch in relativ geringen Konzentrationen. Es besteht Uneinigkeit darüber, ob die klassische Silikose eine potenzielle Gefahr in der Ferrosiliziumproduktion darstellen könnte. Es besteht jedoch kein Zweifel, dass chronische Lungenerkrankungen, unabhängig von ihrer Klassifizierung, aus einer übermäßigen Exposition gegenüber Staub oder Aerosolen resultieren können, die in Ferrosiliziumanlagen angetroffen werden.
Ferrovanadium. Atmosphärische Kontamination mit Staub und Dämpfen ist auch eine Gefahr bei der Ferrovanadium-Produktion. Unter normalen Bedingungen erzeugen die Aerosole keine akute Vergiftung, können aber Bronchitis und einen pulmonalen interstitiellen Proliferationsprozess verursachen. Es wurde berichtet, dass das Vanadium in der Ferrovanadium-Legierung aufgrund seiner größeren Löslichkeit in biologischen Flüssigkeiten deutlich toxischer als freies Vanadium ist.
Verbleiter Stahl wird für Automobilbleche verwendet, um die Verformbarkeit zu erhöhen. Es enthält etwa 0.35 % Blei. Wann immer der bleihaltige Stahl hohen Temperaturen ausgesetzt wird, wie beim Schweißen, besteht immer die Gefahr der Bildung von Bleidämpfen.
Sicherheits- und Gesundheitsmaßnahmen
Die Kontrolle von Rauch, Staub und Aerosolen während der Herstellung und Verwendung von Ferrolegierungen ist von wesentlicher Bedeutung. Beim Transport und der Handhabung der Erze und Legierungen ist eine gute Staubkontrolle erforderlich. Erzhalden sollten angefeuchtet werden, um die Staubbildung zu reduzieren. Zusätzlich zu diesen grundlegenden Staubkontrollmaßnahmen sind besondere Vorsichtsmaßnahmen beim Umgang mit bestimmten Ferrolegierungen erforderlich.
Ferrosilizium reagiert mit Feuchtigkeit zu Phosphin und Arsenwasserstoff; Daher sollte dieses Material nicht bei feuchtem Wetter geladen werden, und es sollten besondere Vorkehrungen getroffen werden, um sicherzustellen, dass es während der Lagerung und des Transports trocken bleibt. Wann immer Ferrosilizium in bedeutenden Mengen transportiert oder gehandhabt wird, sollten Hinweise angebracht werden, die die Arbeiter vor der Gefahr warnen, und es sollten in regelmäßigen Abständen Erkennungs- und Analyseverfahren implementiert werden, um das Vorhandensein von Phosphin und Arsenwasserstoff in der Luft zu überprüfen. Für den Atemschutz ist eine gute Staub- und Aerosolkontrolle erforderlich. Für Notfälle sollte ein geeignetes Atemschutzgerät zur Verfügung stehen.
Arbeiter, die an der Herstellung und Verwendung von Ferrolegierungen beteiligt sind, sollten sorgfältig medizinisch überwacht werden. Ihr Arbeitsumfeld sollte je nach Gefährdungsgrad kontinuierlich oder periodisch überwacht werden. Die toxischen Wirkungen der verschiedenen Ferrolegierungen weichen ausreichend von denen der reinen Metalle ab, um eine intensivere medizinische Überwachung zu rechtfertigen, bis weitere Daten vorliegen. Wenn Ferrolegierungen Staub, Dämpfe und Aerosole verursachen, sollten die Arbeiter regelmäßig Röntgenaufnahmen des Brustkorbs erhalten, um Veränderungen der Atemwege frühzeitig zu erkennen. Lungenfunktionstests und Überwachung der Metallkonzentrationen im Blut und/oder Urin exponierter Arbeiter können ebenfalls erforderlich sein.