آهن فلزِ عصر جدید

آهن فلزی است که کشف و استفاده از آن زندگی بشر را دگرگون کرد, این دگرگونی از سه هزار سال قبل از میلاد آغاز شد و با پیشرفته شدن علوم طبیعی به خصوص علم شیمی گسترش زیادی پیدا کرد آهن و صنایع مربوط به آن به خصوص در دوره مدرن زندگی بشر بسیار تاثیر گذار بوده و هست این مسئله تنها در ساختن برج های عظیم تاثیر گذار نیست این فلز در تمامی ابعاد زندگی بشر حضور دارد

با نگاه کلی به کارآیی این عنصر حیاتی ، می توان به نقش سازنده آن پی برد؛ زیرا علاوه بر کاربرد آن در امر ورق های فلزی , ساختمان سازی ، پل سازی و غیره یکی از کالاهای اساسی درصنایع اتومبیل سازی ، کشتی سازی و لوکوموتیو سازی است و به صورت آلیاژهای مختلف ،اساس تکنولوژی ماشین آلات را تشکیل می دهد.

آهن چیست

عنصر شیمیایی است که در جدول تناوبی با نشان Fe و عدد اتمی ۲۶ وجود دارد. آهن فلزی است که در گروه ۸ و دوره ۴ جدول تناوبی قرار دارد.

آهن یکی از رایج ترین عناصر زمین است که تقریبا” ۵% پوسته زمین را تشکیل می دهد.

این فلز از سنگ معدن هماتیت که عمدتا”Fe2O3″ می باشد، استخراج می گردد. این فلز را بوسیله روش کاهش با کربن که عنصری واکنش پذیرتر است جدا می کنند. این عمل در کوره بلند در دمای تقریبا” ۲۰۰۰″ درجه سانتی گراد انجام می پذیرد.

در سال ۲۰۰۰ ، تقریبا ” ۱۱۰۰ ” میلیون تن سنگ معدن آهن با رشد ارزش تجاری تقریبا “۲۵ میلیارد دلار” آمریکا استخراج شد. درحالی که استخراج سنگ معدن اهن در ۴۸ کشور صورت می گیرد، چین ، برزیل ، استرالیا ، روسیه و هند با تولید ۷۰% سنگ اهن جهان پنج کشور بزرگ تولید کنندگان آن به حساب می آیند. برای تولید تقریبا ” ۵۷۲ میلیون تن” اهن خام “۱۱۰۰ میلیون تن” سنگ آهن مورد نیاز است.

تاریخچه آهن

سومریان و مصریان اولین نشانه ها برای استفاده ازآهن می باشند که تقریبا ” ۴۰۰۰ سال” قبل از میلاد باآهن کشف شده و از شهاب سنگها اقلام کوچکی مثل سر نیزه و زیور آلات تولید می کردند. از ۲۰۰۰ تا ۳۰۰۰ سال قبل از میلاد ، تعداد فراینده ای از اشیاء ساخته شد که باآهن مذاب ، این محصولات را ازآهن شهاب سنگی متمایز می کند. که در بین النهرین ، آسیای صغیر و مصر به چشم می خورد؛ اما ازآهن تنها در تشریفات استفاده می شود وآهن فلزی گرانبها حتی باارزش تر از طلا به حساب می آید.

از منابع اهن ، به عنوان یک محصول جانبی از تصفیه مس تولید می شود- مثل آهن اسفنجی که بوسیله متالوژی آن زمان قابل تولید مجدد نبوده است. از ۱۲۰۰تا ۱۶۰۰ قبل از میلاد در خاورمیانه بطور روز افزون از این فلز استفاده می شد، اما جایگزین کابرد برنز در آن زمان نشده است.

درعصرآهن سوئد در گاتلند تبراهنی متعلق به سوئد یافت شده است که از قرن ۱۰ تا ۱۲ در خاورمیانه یک جابجایی سریع در تبدیل ابزار و سلاحهای برنزی به آهنی صورت گرفت. عامل مهم در این جابجایی ، آغاز ناگهانی تکنولوژیهای پیشرفته کار باآهن نبود، بلکه عامل اصلی ، مختل شدن تامین قلع بود. این دوره جابجایی که در زمانهای مختلف و در نقاط مختلفی از جهان رخ داد، دوره ای از تمدن به نام عصرآهن را بوجود آورد.

اولین تبرآهنی متعلق به ۳۰۰۰ سال پیش از میلاد است که درداخل یکی از قبرهای سومریان واقع در شهر اور که در جنوب بین النهرین قرار داشت،که نشان می دهد استفاده ازآهن توسط انسان از حدود ۳۰۰۰ سال پیش از میلاد مسیح آغاز و عمدتاً در کشورهای مصر ،آشور ، چین و هندوستان رواج داشته است.

در آغاز انسان ازآهن طبیعی که به صورت سنگ معدن آهن با درجات خلوص متفاوت بدست می آمد، استفاده می کرد.با این حال ، نظر دیگری وجود دارد که انسانهای آنروزگاران از شهاب سنگ ها به عنوان اهن خالص تر استفاده می کردند. استفاده از آهن خالص درحدود ۱۳۰۰ سال پیش از میلاد امکان پذیر شد که به ظن قوی بطور تصادفی بر اثرگرما دادن شدید صخره های کانی ، آهن خالص توسط ذغال صورت گرفت با حرارت دادن گلاخری و ذغال نیز آهن استخراج می کردند.

همزمان با جایگزینی آهن به جای برنز ، فرآیند کربوریزاسیون کشف شد که بوسیله آن به اهن موجود در آن زمان ، کربن اضافه می کردند. اهن را بصورت اسفنجی که مخلوطی از آهن و سرباره به همراه مقداری کربن یا کاربید است، بازیافت کردند. سپس سرباره آنرا با چکش کاری جدا نموده ومحتوی کربن را اکسیده می کردند تا بدین طریق آهن نرم تولید کنند.

مردم خاور میانه دریافتند که با حرارت دادن طولانی مدت آهن نرم در لایه ای از ذغال و آب دادن آن در آب یا روغن می توان محصولی بسیار محکم تر بدست آورد. محصول حاصله که دارای سطح فولادی است، از برنزی که قبلا کاربرد داشت محکمتر و مقاوم تر بود. در چین اولین بار از آهن شهاب سنگی استفاده شد و اولین شواهد باستان شناسی برای اقلام ساخته شده باآهن نرم در شمال شرقی نزدیک Xinjiang مربوط به قرن ۸ قبل از میلاد بدست آمده است. این وسایل ازآهن نرم و با همان روش خاورمیانه و اروپا ساخته شده بودند که برای مردم غیر چینی هم ارسال می کردند.

به سبب پیشرفت زیاد تکنولوژی کوره که در سالهای آخر پادشاهی سلسله ژو ( حدود ۵۵۰ قبل از میلاد) ، قابلیت تولید آهن جدیدی بوجود آمد. ساخت کوره های بلندی که توانایی حرارتهای بالای ۱۳۰۰k را داشت، و باعث تولیدآهن خام یا چدن توسط چینِی ها شد. اگر سنگ معدن اهن را با کربن ۱۴۷۰-۱۴۲۰ k حرارت دهیم، مایع مذابی بدست می آید که آلیاژی با ۵/۹۶% آهن و ۵/۵۳% کربن است. این محصول محکم را می توان به شکلهای ریز و ظریفی در آورد. اما برای استفاده ، بسیار شکننده می باشند، در صورتی که بیشتر کربن آن از بین رفته شود.

پس از سلسله ژو به بعد اکثر تولیدات اهن در چین به شکل چدن است. اما با این حال اهن بعنوان یک محصول عادی مورد استفاده کشاورزان قرار گرفته است، باقی ماند و تا زمان سلسله شین ( حدود ۲۲۱ قبل از میلاد ( عظمت چین را واقعا تحت تاثیر قرار نداد.

دانشمندان معتقدند شاید این روش بعد از این دو مکان تا مغولستان آن سوی روسیه ادامه یافته باشد، اما دلیل محکمی برای اثبات این فرضیه وجود ندارد. تا اواخر قرن نوزدهم در هر رویدادی یک بازار برای کالاهای چدنی بوجود آمد، مانند درخواست برای گلوله های توپ چدنی.در ابتدا برای ذوب آهن از زغال چوب بعنوان منبع حرارتی و عامل کاهنده مورد استفاده قرار می گرفت. در قرن ۱۸ در انگلستان تامین کنندگان چوب کاهش یافت و از زغال سنگ که یک سوخت فسیلی است، بعنوان منبع جانشین استفاده شد. این نوآوری بوسیلـــه Abraham Darby که همین امر انرژی لازم برای انقلاب صنعتی را تامین نمود.

استخراج آهن

مرحله استخراج اهن از ترکیبهای طبیعی آهن به مرور زمان ،راه تکامل را پیمود تا اینکه اولین کوره استخراج اهن به سبک امروزی که بهکوره کانالانیمعروف بود، رونمایی شد. این کوره دارای آتش دانی به ابعاد ۷۵×۶۰×۶۰ سانتی مترمی باشد. سیر تکاملی این مرحله به آنجایی رسید که امروزه ، کارخانه های بزرگ استخراج و ذوب آهن و فولاد با ظرفیت چندین میلیون تن به وجود آمده است.

سنگ معدن های آهن

سنگ معدن هایی که آهن از آن استخراج می شود، بیشتر به صورت اکسیدهای آهن ، مانند مگنتیت یا هماتیت است که با ۲ تا ۲۰ درصد ناخالصی (نظیر سیلیکات ها و آلومینات ها) همراه است. این ناخالصی ها در کوره ازآهن جدا می شود و به صورت تفاله خارج می شوند. سنگ معدن تصفیه شده و تغلیظ شده به صورت پودر یا دانه های ریز در کوره وارد می شود. مناسب ترین اندازه ذرات آن بین ۶ تا ۲۵ میلی متر است.

امروزه از سولفید طبیعی آهن (پیریت) در استخراج آهن استفاده نمی شود، بلکه مصرف بیشتر آن دراسید سولفوریک سازی است.

آهن در طبیعت بصورت ترکیب با مواد دیگر وجود دارد و کانی های مختلف آهن را شکل می دهد.

کانیهای آهن

کانیهای اهن به چهارقسمت دسته بندی می شوند.

1. کانیهای اکسیدی

2. کانیهای کربناتی

3. کانیهای سولفیدی

4. کانیهای سیلیکاتی

مهمترین کانیهای آهن مورد استفاده در صنایع فولاد مگنتیت Fe3O4 با ۷۲% آهن و هماتیت Fe2O3 با ۷۰% آهن می باشد که در حال حاضر از معادن چغارت قابل استحصال می باشد.

اندازه و نوع دانه بندی سنگ اهن برای استفاده در کوره بلند فولاد با کیفیت مطلوب بسیار مهم است.برای احیاء کامل سنگ اهن باید حداقل اندازه دانه مصرفی در کوره بلند ۱۰ میلی متر باشد.

روزانه ۲۰۰۰ تن سنگ اهن در سایت مخصوص توسط سه دستگاه سرند ویبراتوری دانه بندی و برای بخش های آگلومراسیون و کوره بلند ارسال می گردد .

چگونه آهن تولید میشود

انسان اولیه معلوم نیست چگونه و از کجا سنگ آهن را کشف ، ذوب و فلز آهن را بدست آورده است. اما از شواهد امر پیداست که از2400 سال پیش و شاید هم بیشتر ، انسانهای اولیه آهن را شناخته اند. بنظر می رسد ابتدا شهاب های ثابت آسمانی که حاوی آهن و است، مورد استفاده انسانهای اولیه قرار گرفته باشد و اطلاق سنگ و فلز آسمانی به آهن توسط انسانهای اولیه موید همین امر است. بعدها سنگ آهن شناخته شد.

دید کلی

استخراج فلز آهن از سنگ آهن با یک عمل شیمیایی انجام می گیرد، باین معنی که سنگهای اکسیدی آهن بوسیله کربن ، احیا و عنصر آهن آزاد می شود. قرن ها زغال چوب بعنوان احیا کننده بکار می رفته، ولی از سال 1907، که نقطه عطفی در کار ذوب آهن پدید آمده، کک جای آنرا گرفت که بعنوان مهمترین سوخت کوره بلند نیز بکار می رود.

برای تحصیل یک تن آهن خام ، حدود 3- 5/1 تن سنگ آهن ، 1000-900 کیلوگرم کک و 6-5 تن هوا لازم است و سنگ آهک نیز بعنوان ماده گداز آور در کوره بلند بکار می رود. در ابتدا ذوب آهن در کوره های ابتدائی که از سنگ یا آجر ساخته می شد و از هوای دم برای جریان هوا استفاده می شد، انجام می گرفت و ارتفاع کوره نیز ، حداکثر به 10 متر می رسید.

ولی امروزه با اختراع ماشین و وارد کردن هوای تحت فشار به کوره ، ارتفاع و قطر کوره افزایش یافته و کوره های بلند جدید از ورقه های آهنی که روی ستونهایی استوار گردیده و ارتفاع بدنه کوره به حدود 30 متر می رسد، ساخته شده است. بدین ترتیب ، پیشرفت صنعت و احتیاج روز افزون بشر به نوع بهتر آهن ، کوره های بلند جدید را بوجود آورده است.

سنگهای معدنی آهن

سنگهای معدنی آهن ، که می توان از آنها با صرفه اقتصادی استخراج کرد، باید بیش از 20 درصد آهن داشته باشد. با ارزش ترین سنگهای معدنی ، سنگ آهن مغناطیسی یا مگنتیت (Fe3O4) و هماتیت (Fe2O3) می باشند که مقدار آهن در آنها تا 70% می باشد و بقیه عبارتند از: لیمونیت (Fe2O3,3H2O) و اسپانیک (FeCO3) ، پیریت (Fe2S) ، ایلمینت (FeTiO3) و غیره. مقادیر عمده ای از سنگهای معدنی بهمان شکلی که از معدن استخراج شده اند، در کوره ها بکار برده میشوند، ولی بسیاری از سنگهای معدنی را ، برای اینکه آسانتر در کوره ها ذوب شوند، قبلا آرایش کرده و آماده می سازند.

مراحل مختلف آرایش سنگهای معدنی عبارتند از: خرد کردن سنگهای معدنی ، دانه بندی سنگهای معدنی ، پر عیار کردن سنگهای معدنی ، گرفتن آب مواد معدنی ، تکلیس ، اگلومراسیون ، مخلوط کردن مواد معدنی.

سوخت کوره

سوخت ها ، در کوره بلند ، دو عمل را انجام می دهند: عمل ایجاد گرما و عمل احیا کنندگی و به دو دسته عمده طبیعی و مصنوعی تقسیم می شوند. بعضی از سوخت های طبیعی از قبیل ذغال سنگ آنتراسیت و زغال سنگ قیری و لینیت ، بیشتر جنبه تاریخی دارند تا جنبه اقتصادی و از سوخت های مصنوعی که زغال چوب و کک می باشند، کک اهمیت زیادی داشته و در اکثر کارخانه ها بکار می رود.

مزایای کک عبارت از تخلخل ، سختی ، فراوانی ، قابلیت احتراق بیشتر و ارزانی آن می باشد. برای تهیه کک باید چند نوع زغال سنگ را که مواد فرار موجود در آنها متفاوت می باشد، با یکدیگر مخلوط و در کوره های مخصوص به کک تبدیل نمود. این عمل را کربنیزاسیون می نامند. ترکیب شیمیایی کک عبارت است از 94-85 درصد کربن و بقیه شامل مواد فرار ، خاکستر ، گوگرد و رطوبت می باشد.

هوای لازم برای احتراق و ایجاد حرارت

همانطور که قبلا گفته شد، برای تحصیل یک تن آهن خام ، حدود 6-5 تن هوا لازم است که این هوا از مخلوط دو گازاکسیژن و ازت به نسبت 1و 4 تشکیل شده است. در کوره های بلند جدید ، هوا بوسیله کمپرسورهای توربینی به داخل کوره دمیده می شوند. این توربین ها با بخار یا برق کار کرده و فشار دم بیشتر و یکنواختی تولید می کنند. همچنین جهت تهیه هوای دم بعضی از کوره های بلند ، کمپرسورهای گازی نیز بکار برده می شود.

در این ماشین ها ، گاز کوره های بلند همراه با هوا وارد ماشین شده و پس از متراکم شدن توسط جرقه الکتریکی آتش زده می شود و فشار حاصله باعث حرکت موتور کمپرسور می گردد.

کاربردها

کاربرد آهن از تمامی فلزات بیشتر است و 95 درصد فلزات تولید شده در سراسر جهان را تشکیل می دهد. قیمت ارزان و مقاومت بالای ترکیب آن استفاده از آنرا بخصوص در اتومبیلها , بدنه کشتی های بزرگ و ساختمانها اجتناب ناپذیر می کند. فولاد معروف ترین آلیاژ آهن است و تعدادی از گونه های آهن به شرح زیر می باشد:

• آهن خام که دارای 5%-4% کربن و مقادیر متفاوتی ناخالصی از قبیل گوگرد , سیلیکون و فسفر است و اهمیت آن فقط به این علت است که در مرحله میانی مسیر سنگ آهن تا چدن و فولاد قرار دارد.

• چدن , شامل 5/3%-2% کربن و مقدار کمی منگنز می باشد. ناخالصی های موجود در آهن خام مثل گوگرد و فسفر که خصوصیات آنرا تحت تاثیر منفی قرار می دهد, در چدن تا حد قابل قبولی کاهش می یابند. نقطه ذوب چدن بین k 1470-1420 می باشد که از هر دو ترکیب اصلی آن کمتر است و آنرا به اولین محصول ذوب شده پس از گرم شدن همزمان کربن و آهن تبدیل می کند. چدن بسیار محکم , سخت و شکننده می باشد. چدن مورد استفاده حتی چدن گرمای سفید موجب شکستن اجسام می شود.

• فولاد کربن شامل 5/1% – 5/0% کربن و مقادیر کم منگنز , گوگرد , فسفر و سیلیکون است.

• آهن ورزیده ( آهن نرم) دارای کمتر از 5/0% کربن می باشد و محصولی محکم و چکش خوار است, اما به اندازه آهن خام گدازپذیر نیست. حاوی مقادیر بسیار کمی کربن است ( چند دهم درصد). اگر یک لبه آن تیز شود, به سرعت تیزی خود را از دست می دهد.

• فولادهای آلیاژ حاوی مقادیر متفاوتی کربن بعلاوه فلزات دیگر مانند کروم , وانادیم , مولیبدن , نیکل , تنگستن و … می باشد.

• اکسیدهای آهن برای ساخت ذخیره مغناطیسی در کامپیوتر مورد استفاده قرار می گیرند. آنها اغلب با ترکیبات دیگری مخلوط شده و خصوصیات مغناطیسی خود را بصورت محلول هم حفظ می کنند.

کانی ها

در اغلب رس ها, ماسه سنگها و گرانیت ها وجود دارد. در میان کانه های مهم آن می توان از هماتیت, مگنتیت, پیریت و کالکوپیریت را نام برد.

انواع آهن از لحاظ تولید :

آهن گاما چیست

آهن گاما یکی از آلوتروپ های آهن است که در محدودهٔ دمایی ۹۱۲ تا ۱۳۹۴ درجه سانتیگراد پایدار بوده و ساختمان بلوری(fcc مکعبی مرکزپر) دارد.

آهن دلتا چیست

آهن دلتا یکی از آلوتروپ های آهن است که از دمای ۱۴۰۱ درجه سانتیگراد تا ۱۵۳۹ درجه سانتیگراد (نقطهٔ ذوب آهن) پایدار است.

آهن دلتا دارای ساختمان بلوری مکعبی مرکزپر است. آهن دلتا دارای خاصیت پارامغناطیس بوده و ثابت شبکه ی آن بزرگ تر از آهن آلفا است.

ثابت شبکهٔ آهن دلتا, ‎۲/۹۳ آنگستروم است.

آهن آلفا چیست

آهن آلفا یکی از آلوتروپ های آهن است. این آلوتروپ از دمای ۲۷۳- درجه سانتیگراد تا ۹۱۰ درجه سانتیگراد پایدار است. این آلوتروپ دارای ساختمان بلوری مکعبی مرکزپر است.

ثابت شبکهٔ آهن آلفای فرومغناطیس, ۲/۸۶ آنگستروم است.

آهن بتا چیست

در دمای ۷۶۸ درجه سانتیگراد, آهن آلفای فرومغناطیس به آهن آلفای پارامغناطیس تبدیل می شود. این تحول, تحول آلوتروپیک نیست.

گاهی این آهن آلفای پارامغناطیس, آهن بتا خوانده می شود.

ثابت شبکهٔ این نوع آهن, ۲/۹ آنگستروم است.

تبر آهنی متعلق به عصر آهن سوئد در گاتلند سوئد یافت شده است. از قرن ۱۰ تا ۱۲ در خاورمیانه یک جابجایی سریع در تبدیل ابزار و سلاحهای برنزی به آهنی صورت گرفت. عامل مهم در این جابجائی , آغاز ناگهانی تکنولوژیهای پیشرفته کار با آهن نبود, بلکه عامل اصلی , مختل شدن تامین قلع بود. این دوره جابجایی که در زمانهای مختلف و در نقاط مختلفی از جهان رخ داد, دوره ای از تمدن به نام عصر آهن را بوجود آورد

.

همزمان با جایگزینی آهن به جای برنز , فرآیند کربوریزاسیون کشف شد که بوسیله آن به آهن موجود در آن زمان , کربن اضافه می کردند. آهن را بصورت اسفنجی که مخلوطی از آهن و سرباره به همراه مقداری کربن یا کاربید است, بازیافت کردند. سپس سرباره آنرا با چکش کاری جدا نموده وم حتوی کربن را اکسیده می کردند تا بدین طریق آهن نرم تولید کنند.

مردم خاور میانه دریافتند که با حرارت دادن طولانی مدت آهن نرم در لایه ای از ذغال و آب دادن آن در آب یا روغن می توان محصولی بسیار محکم تر بدست آورد. محصول حاصله که دارای سطح فولادی است, از برنزی که قبلا کاربرد داشت محکمتر و مقاوم تر بود. در چین نیز اولین بار از آهن شهاب سنگی استفاده شد و اولین شواهد باستان شناسی برای اقلام ساخته شده با آهن نرم در شمال شرقی نزدیک Xinjiang مربوط به قرن ۸ قبل از میلاد بدست آمده است. این وسایل از آهن نرم و با همان روش خاورمیانه و اروپا ساخته شده بودند و گمان می رفت که برای مردم غیر چینی هم ارسال می کردند.

در سالهای آخر پادشاهی سلسله ژو ( حدود ۵۵۰ قبل از میلاد) به سبب پیشرفت زیاد تکنولوژی کوره , قابلیت تولید آهن جدیدی بوجود آمد. ساخت کوره های بلندی که توانایی حرارتهای بالای k 1300 را داشت, موجب تولید آهن خام یا چدن توسط چینِی ها شد. اگر سنگ معدن آهن را با کربن k 1470-1420 حرارت دهیم, مایع مذابی بدست می آید که آلیاژی با ۵/۹۶% آهن و ۵/۵۳% کربن است. این محصول محکم را می توان به شکلهای ریز و ظریفی در آورد. اما برای استفاده , بسیار شکننده می باشند, مگر آنکه بیشتر کربن آنرا از بین ببرند.

از زمان سلسله ژو به بعد اکثر تولیدات آهن در چین به شکل چدن است. با این همه آهن بعنوان یک محصول عادی که برای صدها سال مورد استفاده کشاورزان قرار گرفته است, باقی ماند و تا زمان سلسله شین ( حدود ۲۲۱ قبل از میلاد ) عظمت چین را واقعا تحت تاثیر قرار نداد.

توسعه چدن در اروپا عقب افتاد, چون کوره های ذوب در اروپا فقط توانایی k 1000 را داشت. در بخش زیادی از قرون وسطی در اروپای غربی آهن را همچنان با روش تبدیل آهن اسفنجی به آهن نرم بدست می آوردند. تعدادی از قالب گیریهای آهن در اروپا بین سالهای ۱۱۵۰ و ۱۳۵۰ بعد از میلاد در دو منطقه در سوئد به نامهای Lapphyttan و Vinarhyttan انجام شد.

دانشمندان می پندارند شاید این روش بعد از این دو مکان تا مغولستان آن سوی روسیه ادامه یافته باشد, اما دلیل محکمی برای اثبات این فرضیه وجود ندارد. تا اواخر قرن نوزدهم در هر رویدادی یک بازار برای کالاهای چدنی بوجود آمد, مانند درخواست برای گلوله های توپ چدنی.

در آغاز برای ذوب آهن از زغال چوب هم بعنوان منبع حرارتی و هم عامل کاهنده استفاده می شد. در قرن ۱۸ در انگلستان تامین کنندگان چوب کم شدند و از زغال سنگ که یک سوخت فسیلی است, بعنوان منبع جانشین استفاده شد. این نوآوری بوسیلـــه Abraham Darby انرژی لازم برای انقلاب صنعتی را تامین نمود.

فولاد چیست

اصطلاح فولاد برای آلیاژهای آهن که بین ۰/۰۲۵ تا حدود ۲ درصد کربن دارند بکار می رود فولادهای آلیاژی غالبا با فلزهای دیگری نیز همراهند. خواص فولاد به درصد کربن موجود در آن, عملیات حرارتی انجام شده بر روی آن و فلزهای آلیاژ دهنده موجود در آن بستگی دارد.

فولاد چیست

کاربرد انواع مختلف فولاد

از فولادی که تا ۰٫۲ درصد کربن دارد, برای ساختن سیم, لوله و ورق فولاد استفاده می شود. فولاد متوسط ۰٫۲ تا ۰٫۶ درصد کربن دارد و آن را برای ساختن ریل, دیگ بخار و قطعات ساختمانی بکار می برند. فولادی که ۰٫۶ تا ۱٫۵ درصد کربن دارد, سخت است و از آن برای ساختن ابزارآلات, فنر و کارد و چنگال استفاده می شود.

ناخالصی های آهن و تولید فولاد

آهنی که از کوره بلند خارج می شود, چدن نامیده می شود که دارای مقادیری کربن, گوگرد, فسفر, سیلیسیم, منگنز و ناخالصی های دیگر است. در تولید فولاد دو هدف دنبال می شود:

سوزاندن ناخالصی های چدن

افزودن مقادیر معین از مواد آلیاژ دهنده به آهن

منگنز, فسفر و سیلیسیم در چدن مذاب توسط هوا یا اکسیژن به اکسید تبدیل می شوند و با کمک ذوب مناسبی ترکیب شده, به صورت سرباره خارج می شوند. گوگرد به صورت سولفید وارد سرباره می شود و کربن هم می سوزد و مونوکسید کربن (CO یا دی اکسید کربن ) (CO۲) در می آید. چنانچه ناخالصی اصلی منگنز باشد, یک کمک ذوب اسیدی که معمولاً دی اکسید سیلسیم (SiO۲) است, بکار می برند. و چنانچه ناخالصی اصلی سیلسیم یا فسفر باشد معمولاً چنین است, یک کمک ذوب بازی که معمولاً اکسید منیزیم MgOیا اکسید کلسیم CaOاست, اضافه می کنند.

کوره تولید فولاد و جدا کردن ناخالصی ها

معمولاً جداره داخلی کوره ای را که برای تولید فولاد بکار می رود, توسط آجرهایی که از ماده کمک ذوب ساخته شده اند, می پوشانند. این پوششی مقداری از اکسیدهایی را که باید خارج شوند, به خود جذب می کند. برای جدا کردن ناخالصی ها, معمولاً از روش کوره باز استفاده می کنند. این کوره یک ظرف بشقاب مانند دارد که در آن ۱۰۰ تا ۲۰۰ تن آهن مذاب جای می گیرد.

بالای این ظرف, یک سقف مقعر قرار دارد که گرما را روی سطح فلز مذاب منعکس می کند. جریان شدیدی از اکسیژن را از روی فلز مذاب عبور می دهند تا ناخالصی های موجود در آن بسوزند. در این روش ناخالصیها در اثر انتقال گرما در مایع و عمل پخش به سطح مایع می آیند و عمل تصفیه چند ساعت طول می کشد, البته مقداری از آهن, اکسید می شود که آن را جمع آوری کرده, به کوره بلند باز می گردانند.

کوره تولید فولاد و جدا کردن ناخالصی ها

روش دیگر جدا کردن ناخالصی ها از آهن

در روش دیگری که از همین اصول شیمیایی برای جدا کردن ناخالصی ها از آهن استفاده می شود, آهن مذاب را همراه آهن قراضه و کمک ذوب در کوره ای بشکه مانند که گنجایش ۳۰۰ تن بار را دارد, می ریزند. جریان شدیدی از اکسیژن خالص را با سرعت مافوق صوت بر سطح فلز مذاب هدایت می کنند و با کج کردن و چرخاندن بشکه, همواره سطح تازه ای از فلز مذاب را در معرض اکسیژن قرار می دهند.

اکسایش ناخالصی ها بسیار سریع صورت می گیرد و وقتی محصولات گازی مانند CO۲ رها می شوند, توده مذاب را به هم می زنند, بطوری که آهن ته ظرف, رو می آید. دمای توده مذاب, بی آنکه از گرمای خارجی استفاده شود, تقریباً به دمای جوش آهن می رسد و در چنین دمایی, واکنشها فوق العاده سریع بوده, تمامی این فرایند, در مدت یک ساعت یا کمتر کامل می شود و معمولاً محصولی یکنواخت و دارای کیفیت خوب بدست می آید.

تبدیل آهن به فولاد آلیاژی

آهن مذاب تصفیه شده را با افزودن مقدار معین کربن و فلزهای آلیاژ دهنده مثل وانادیم, کروم, تیتانیم, منگنز و نیکل به فولاد تبدیل می کنند. فولادهای ویژه ممکن است مولیبدن, تنگستن یا فلزهای دیگر داشته باشند. این نوع فولادها برای مصارف خاصی مورد استفاده قرار می گیرند. در دمای زیاد, آهن و کربن با یکدیگر متحد شده, کاربید آهن) Fe۳( به نام ) سمنتیت( تشکیل می دهند. این واکنش, برگشت پذیر و گرماگیر است.

هرگاه فولادی که دارای سمنتیت است, به کندی سرد شود, تعادل فوق به سمت تشکیل آهن و کربن, جابجا شده, کربن به صورت پولکهای گرافیت جدا می شود. این مکانیزم در چدن ها که درصد کربن در آنها بیشتر است, اهمیت بیشتری دارد. برعکس, اگر فولاد به سرعت سرد شود, کربن عمدتاً به شکل سمنتیت باقی می ماند. تجزیه سمنتیت در دمای معمولی به اندازه ای کند است که عملا انجام نمی گیرد.

تبدیل آهن به فولاد آلیاژی

آهن چگونه زنگ میزند

زنگ نام متداول یکی از ترکیبات بسیار رایج یعنی اکسید آهن با فرمول Fe2O3 است. این نام رایج است زیرا آهن به سرعت با اکسیژن ترکیب شده و تشکیل زنگ آهن را می دهد. در حقیقت آهن را به ندرت می توان به صورت خالص در طبیعت پیدا کرد. زنگ آهن (یا فولاد) نمونه ای از فرایند خوردگی است: فرایند الکتروشیمیایی شامل آند (یک قطعه فلز که به راحتی الکترون از دست می دهد), الکترولیت (مایعی که به حرکت الکترون ها کمک می کند) و یک کاتد (یک قطعه فلز که به راحتی الکترون می پذیرد) است. وقتی فلزی خورده می شود, الکترولیت به تولید اکسیژن در آند کمک می کند. سپس اکسیژن با فلز ترکیب شده و الکترون آزاد می شود. وقتی الکترون ها از طریق الکترولیت به سمت کاتد جریان می یابند, آند با جریان الکتریکی حذف می شود یا به کاتیون های فلزی تبدیل شده و زنگ تشکیل می شود.

منابع: آهن آلات حیدری، گروه صنعتی آهنکو، دانشمند هفتم