اطلاعات اوليه آهن
عنصر شيميايي است که در جدول تناوبي با نشان Fe و عدد اتمي 26 وجود دارد. آهن فلزي است که در گروه 8 و دوره 4 جدول تناوبي قرار دارد.
تاريخچـــــه
اولين نشانه‌هاي استفاده از آهن به زمان سومريان و مصريان بر مي‌گردد که تقريبا" 4000 سال قبل از ميلاد با آهن کشف شده از شهاب سنگها اقلام کوچکي مثل سر نيزه و زيور آلات مي‌ساختند. از 2000 تا 3000 سال قبل از ميلاد ، تعداد فزاينده اي از اشياء ساخته شده با آهن مذاب ( فقدان نيکل ، اين محصولات را از آهن شهاب سنگي متمايز مي‌کند ) در بين‌النهرين ، آسياي صغير و مصر به چشم مي‌خورد؛ اما ظاهرا" تنها در تشريفات از آهن استفاده مي‌شد و آهن فلزي گرانبها حتي باارزش‌تر از طلا به‌حساب مي‌آمد.
بر اساس تعدادي از منابع آهن ، بعنوان يک محصول جانبي از تصفيه مس توليد مي‌شد - مثل آهن اسفنجي – و بوسيله متالوژي آن زمان قابل توليد مجدد نبوده است. از 1600 تا 1200 قبل از ميلاد در خاورميانه بطور روز افزون از آين فلز استفاده مي‌شد، اما جايگزين کابرد برنز در آن زمان نشد.
تبر آهني متعلق به عصر آهن سوئد در گاتلند سوئد يافت شده است. از قرن 10 تا 12 در خاورميانه يک جابجايي سريع در تبديل ابزار و سلاحهاي برنزي به آهني صورت گرفت. عامل مهم در اين جابجائي ، آغاز ناگهاني تکنولوژيهاي پيشرفته کار با آهن نبود، بلکه عامل اصلي ، مختل شدن تامين قلع بود. اين دوره جابجايي که در زمانهاي مختلف و در نقاط مختلفي از جهان رخ داد، دوره اي از تمدن به نام عصر آهن را بوجود آورد.
همزمان با جايگزيني آهن به جاي برنز ، فرآيند کربوريزاسيون کشف شد که بوسيله آن به آهن موجود در آن زمان ، کربن اضافه مي‌کردند. آهن را بصورت اسفنجي که مخلوطي از آهن و سرباره به همراه مقداري کربن يا کاربيد است، بازيافت کردند. سپس سرباره آنرا با چکش‌کاري جدا نموده وم حتوي کربن را اکسيده مي‌کردند تا بدين طريق آهن نرم توليد کنند.
مردم خاور ميانه دريافتند که با حرارت دادن طولاني مدت آهن نرم در لايه اي از ذغال و آب دادن آن در آب يا روغن مي‌توان محصولي بسيار محکم‌تر بدست آورد. محصول حاصله که داراي سطح فولادي است، از برنزي که قبلا" کاربرد داشت محکمتر و مقاوم‌تر بود. در چين نيز اولين بار از آهن شهاب سنگي استفاده شد و اولين شواهد باستان شناسي براي اقلام ساخته شده با آهن نرم در شمال شرقي نزديک Xinjiang مربوط به قرن 8 قبل از ميلاد بدست آمده است. اين وسايل از آهن نرم و با همان روش خاورميانه و اروپا ساخته شده بودند و گمان مي‌رفت که براي مردم غير چيني هم ارسال مي‌کردند.
در سالهاي آخر پادشاهي سلسله ژو ( حدود 550 قبل از ميلاد) به سبب پيشرفت زياد تکنولوژي کوره ، قابليت توليد آهن جديدي بوجود آمد. ساخت کوره‌هاي بلندي که توانايي حرارتهاي بالاي k 1300 را داشت، موجب توليد آهن خام يا چدن توسط چينِي‌ها شد. اگر سنگ معدن آهن را با کربن k 1470-1420 حرارت دهيم، مايع مذابي بدست مي‌آيد که آلياژي با 5/96% آهن و 5/53% کربن است. اين محصول محکم را مي‌توان به شکلهاي ريز و ظريفي در آورد. اما براي استفاده ، بسيار شکننده مي‌باشند، مگر آنکه بيشتر کربن آنرا از بين ببرند.
از زمان سلسله ژو به بعد اکثر توليدات آهن در چين به شکل چدن است. با اين همه آهن بعنوان يک محصول عادي که براي صدها سال مورد استفاده کشاورزان قرار گرفته است، باقي ماند و تا زمان سلسله شين ( حدود 221 قبل از ميلاد ) عظمت چين را واقعا" تحت تاثير قرار نداد.
دانشمندان مي‌پندارند شايد اين روش بعد از اين دو مکان تا مغولستان آن سوي روسيه ادامه يافته باشد، اما دليل محکمي براي اثبات اين فرضيه وجود ندارد. تا اواخر قرن نوزدهم در هر رويدادي يک بازار براي کالاهاي چدني بوجود آمد، مانند درخواست براي گلوله‌هاي توپ چدني.در آغاز براي ذوب آهن از زغال چوب هم بعنوان منبع حرارتي و هم عامل کاهنده استفاده مي‌شد. در قرن 18 در انگلستان تامين کنندگان چوب کم شدند و از زغال سنگ که يک سوخت فسيلي است، بعنوان منبع جانشين استفاده شد. اين نوآوري بوسيلـــه Abraham Darby انرژي لازم براي انقلاب صنعتي را تامين نمود.
پيدايـــــــش
آهن يکي از رايج‌ترين عناصر زمين است که تقريبا" 5% پوسته زمين را تشکيل مي‌دهد.
آهن از سنگ معدن هماتيت که عمدتا" Fe2O3 مي‌باشد، استخراج مي‌گردد. اين فلز را بوسيله روش کاهش با کربن که عنصري واکنش‌‌پذيرتر است جدا مي‌کنند. اين عمل در کوره بلند در دماي تقريبا" 2000 درجه سانتي‌گراد انجام مي‌پذيرد.
در سال 2000 ، تقريبا" 1100 ميليون تن سنگ معدن آهن با رشد ارزش تجاري تقريبا" 25 ميليارد دلار آمريکا استخراج شد. درحاليکه استخراج سنگ معدن آهن در 48 کشور صورت مي‌گيرد، چين ، برزيل ، استراليا ، روسيه و هند با توليد 70% سنگ آهن جهان پنج کشور بزرگ توليد کنندگان آن به‌حساب مي‌آيند. براي توليد تقريبا" 572 ميليون تن آهن خام 1100 ميليون تن سنگ آهن مورد نياز است.

مراحل تهيه و توليد فولاد
تعريف فولاد:
اصطلاح فولاد (Steel) براي آلياژهاي آهن که تا حدود 1،5 درصد کربن دارند و غالبا با فلزهاي ديگر همراهند، بکار مي‌رود. خواص فولاد به درصد کربن موجود در آن ، عمليات حرارتي انجام شده بر روي آن و فلزهاي آلياژ دهنده موجود در آن بستگي دارد
اطلاعات اوليه :
محصول کوره ذوب آهن ، چدن است که معمولا داراي ناخالصي کربن و مقادير جزئي ناخالصي‌هاي ديگر است که به نوع سنگ معدن و ناخالصي‌هاي همراه آن و همچنين به چگونگي کار کوره بلند ذوب آهن بستگي دارد. از آنجايي که مصرف عمده آهن در صنعت بصورت فولاد است، از اين رو ، بايد به روش مناسب چدن را به فولاد تبديل کرد که در اين عمل ناخالصي‌هاي کربن و ديگر ناخالصي‌ها به مقدار ممکن کاهش ‌يابند .
روشهاي تهيه فولاد:
از سه روش براي تهيه فولاد استفاده مي‌شود :
روش بسمه
در اين روش ، ناخالصي‌هاي موجود در چدن مذاب را به کمک سوزاندن در اکسيژن کاهش داده ، آن را به فولاد تبديل مي‌کنند. پوشش جدار داخلي کوره بسمه از سيليس يا اکسيد منيزيم و گنجايش آن در حدود 15 تن است. نحوه کار کوره به اين ترتيب است که جرياني از هوا را به داخل چدن مذاب هدايت مي‌کنند تا ناخالصي‌هاي کربن و گوگرد به‌صورت گازهاي SO2 و CO2 از محيط خارج شود و ناخالصي‌هاي فسفر و سيليس موجود در چدن مذاب در واکنش با اکسيژن موجود در هوا به‌صورت اکسيدهاي غير فرار P4O10 و SiO2 جذب جدارهاي داخلي کوره شوند و به ترکيبات زودگداز Mg3(PO4)2 و MgSiO3 تبديل و سپس به‌صورت سرباره خارج شوند .
سرعت عمل اين روش زياد است، به همين دليل کنترل مقدار اکسيژن مورد نياز براي حذف دلخواه ناخالصي‌هاي چدن غيرممکن است و در نتيجه فولاد با کيفيت مطلوب و دلخواه را نمي‌توان به اين روش بدست آورد .
روش کوره باز - يا روش مارتن :
در اين روش براي جدا کردن ناخالصي‌هاي موجوددر چدن ، از اکسيژن موجود در زنگ آهن يا اکسيد آهن به جاي اکسيژن موجود در هوا درروش بسمه (به منظور سوزاندن ناخالصي‌هايي مانند کربن ، گوگرد و غيره) استفادهمي‌شود. براي اين منظور از کوره باز استفاده مي‌شود که پوشش جدار داخلي آن ازMgO وCaO تشکيل شده است و گنجايش آن نيز بين 50 تا 150 تن چدن مذاب است. حرارت لازم برايگرم کردن کوره از گازهاي خروجي کوره و يا مواد نفتي تأمين مي‌شود. براي تکميلعملاکسيداسيون، هواي گرم نيز به چدن مذاب دميده مي‌شود. زمان عملکرد اين کورهطولاني‌تر از روش بسمه است. از اين نظر مي‌توان با دقت بيشتري عمل حذف ناخالصي‌هارا کنترل کرد و در نتيجه محصول مرغوبتري بدست آورد.
روش الکتريکي:
از اين روش در تهيه فولادهاي ويژه‌اي که براي مصارف علمي ‌وصنعتي بسيار دقيق لازم است، استفاده مي‌شود که در کوره الکتريکي با الکترودهايگرافيتصورت مي‌گيرد. از ويژگي‌هاي اين روش اين است که احتياج به مادهسوختنيو اکسيژن ندارد ودمارا مي‌توان نسبت به دوروش قبلي ، بالاتر برد.
اين روش براي تصفيه مجدد فولادي که از روش بسمه و ياروش کوره باز بدست آمده است، به منظور تبديل آن به محصول مرغوبتر ، بکار مي‌رود. براي اين کار مقدار محاسبه شده اي از زنگ آهن را به فولاد بدست آمده از روشهاي ديگر، در کوره الکتريکي اضافه کرده و حرارت مي‌دهند. در اين روش ، براي جذب و حذف گوگردموجود در فولاد مقدار محاسبه شده‌اي اکسيد کلسيم و براي جذب اکسيژن محلول در فولادمقدار محاسبه شده اي آلياژ فروسيليسيم (آلياژ آهن و سيليسيم) اضافه مي کنند.
انواع فولاد و کاربرد آنها:
از نظر محتواي کربن ، فولاد به سه نوع تقسيم مي‌شود :
فولاد نرم
اين نوع فولاد کمتر از 0,2 درصد کربن دارد و بيشتر در تهيه پيچ و مهره ، سيم خاردار و چرخ دنده ساعت و ... بکار مي‌رود .
فولاد متوسط
اين فولاد بين 0,2 تا 0,6 درصد کربن دارد و براي تهيه ريل و راه آهن و مصالح ساختماني مانند تيرآهن مصرف مي‌شود .
فولاد سخت
فولاد سخت بين 0,6 تا 1,6 درصد کربن دارد که قابل آب دادن است و براي تهيه فنرهاي فولادي ، تير ، وسايل جراحي ، مته و ... بکار مي‌رود .
از فولادي که تا 0.2 درصد کربن دارد، براي ساختن سيم ، لوله و ورق فولاد استفاده مي‌شود. فولاد متوسط 0.2 تا 0.6 درصد کربن دارد و آن را براي ساختن ريل ، ديگ بخار و قطعات ساختماني بکار مي‌برند. فولادي که 0.6 تا 1.5 درصد کربن دارد، سخت است و از آن براي ساختن ابزارآلات ، فنر و کارد و چنگال استفاده مي‌شود .
ناخالصي‌هاي آهن و توليد فولاد:
آهني که از کوره بلند خارج مي‌شود، چدن ناميده مي‌شود که داراي مقاديري کربن ، گوگرد ، فسفر ، سيليسيم ، منگنز و ناخالصي‌هاي ديگر است. در توليد فولاد ، دو هدف دنبال مي‌شود :
1-سوزاندن ناخالصي‌هاي چدن
2-افزودن مقادير معين از مواد آلياژ دهنده به آهن
منگنز ، فسفر و سيليسيم در چدن مذاب توسط هوا يا اکسيژن به اکسيد تبديل مي‌شوند و با کمک ذوب مناسبي ترکيب شده ، به صورت سرباره خارج مي‌شوند . گوگرد به صورت سولفيد وارد سرباره مي‌شود و کربن هم مي‌سوزد و منوکسيد کربن (CO) يا دي‌اکسيد کربن (CO2) در مي‌آيد. چنانچه ناخالصي اصلي ، منگنز باشد، يک کمک ذوب اسيدي که معمولا دي‌اکسيد سيلسيم (SiO2) است، بکار مي‌برند :
(MnO + SiO2 -------> MnSiO3(l
و چنانچه ناخالصي اصلي ، سيلسيم يا فسفر باشد (و معمولا چنين است)، يک کمک ذوب بازي که معمولا اکسيد منيزيم (MgO) يا اکسيد کلسيم (CaO) است، اضافه مي‌کنند :
(MgO + SiO2 -------> MgSiO2(l
(6MgO + P4O10 -------> 2Mg3(PO4)2(l
کوره توليد فولاد و جدا کردن ناخالصي‌ها:
معمولا جداره داخلي کوره اي را که براي توليد فولاد بکار مي‌رود، توسط آجرهايي که از ماده کمک ذوب ساخته شده‌اند، مي‌پوشانند. اين پوشش ، مقداري از اکسيدهايي را که بايد خارج شوند، به خود جذب مي‌کند. براي جدا کردن ناخالصي‌ها ، معمولا از روش کوره باز استفاده مي‌کنند. اين کوره يک ظرف بشقاب مانند دارد که در آن 100 تا 200 تن آهن مذاب جاي مي‌گيرد . بالاي اين ظرف ، يک سقف مقعر قرار دارد که گرما را روي سطح فلز مذاب منعکس مي‌کند. جريان شديدي از اکسيژن را از روي فلز مذاب عبور مي‌دهند تا ناخالصي‌هاي موجود در آن بسوزند. در اين روش ناخالصيها در اثر انتقال گرما در مايع و عمل پخش به سطح مايع مي‌آيند و عمل تصفيه ، چند ساعت طول مي‌کشد. البته مقداري از آهن ، اکسيد مي‌شود که آن را جمع‌آوري کرده ، به کوره بلند باز مي‌گردانند .
روش ديگر جدا کردن ناخالصي‌ها از آهن:
در روش ديگري که از همين اصولشيميايي براي جدا کردن ناخالصي‌ها از آهن استفاده مي‌شود، آهن مذاب را همراه آهنقراضه و کمک‌ذوب در کوره‌اي بشکه مانند که گنجايش 300 تن بار را دارد، مي‌ريزند. جريان شديدي از اکسيژن خالص را با سرعت مافوق صوت بر سطح فلز مذاب هدايت مي‌کنند وبا کج کردن و چرخاندن بشکه ، همواره سطح تازه‌اي از فلز مذاب را در معرض اکسيژنقرار مي‌دهند.
اکسايشناخالصي‌ها بسيار سريع صورت مي‌گيرد و وقتي محصولات گازي مانندCO2 رهامي‌شوند، توده مذاب را به هم مي‌زنند، بطوري که آهن ته ظرف ، رو مي‌آيد. دماي تودهمذاب ، بي آنکه از گرماي خارجي استفاده شود، تقريبا به دماي جوش آهن مي‌رسد و درچنين دمايي ،واکنشهافوق‌العاده سريع بوده ، تمامي‌ اين فرايند ، در مدت يک ساعت يا کمتر کامل مي‌شود ومعمولا محصولي يکنواخت و داراي کيفيت خوب بدست مي آيد.
تبديل آهن به فولاد:
آهن مذاب تصفيه شده را با افزودن مقدار معين کربن و فلزهاي آلياژ دهنده مثل واناديم ، کروم ، تيتانيم ، منگنز و نيکل به فولاد تبديل مي‌کنند. فولادهاي ويژه ممکن است موليبدن ، تنگستن يا فلزهاي ديگر داشته باشند. اين نوع فولادها براي مصارف خاصي مورد استفاده قرار مي‌گيرند. در دماي زياد ، آهن و کربن با يکديگر متحد شده ، کربيد آهن (Fe3C) به نام «سمانتيت » تشکيل مي‌دهند. اين واکنش ، برگشت‌پذير و گرماگير است :
Fe3C <------- گرما + 3Fe + C
هرگاه فولادي که داراي سمانتيت است، به‌کندي سردشود، تعادل فوق به سمت تشکيل آهن و کربن ، جابجا شده ،کربنبه‌صورت پولکهايگرافيتجدامي‌شود و به فلز ، رنگ خاکستري مي‌دهد. برعکس ، اگر فولاد به سرعت سرد شود، کربنعمدتا به شکل سمانتيت که رنگ روشني دارد، باقي مي‌ماند. تجزيه سمانتيت در دمايمعمولي به اندازه‌اي کند است که عملا انجام نمي‌گيرد. فولادي که دارايسمانتيت است، از فولادي که داراي گرافيت است، سخت‌تر و خيلي شکننده‌تر است. در هريک از اين دو نوع فولاد ، مقدار کربن را مي‌توان در محدوده نسبتا وسيعي تنظيم کرد. همچنين ، مي‌توان مقدار کل کربن را در قسمتهاي مختلف يک قطعه فولاد تغيير داد وخواص آن را بهتر کرد. مثلا بلبرينگ از فولاد متوسط ساخته شده است تا سختي و استحکام داشته باشد و ليکن سطح آن را در بستري از کربن حرارت مي‌دهند تا لايه نازکي ازسمانتيت روي آن تشکيل گردد و بر سختي آن افزودعه مي شود
 

هن گالوانيزه
آهني است که با روي پوشانده شده باشد. اين آهن ، حتي اگر پوشش آن هم شکستگي پيدا کند، از زنگ زدن محفوظ مي‌ماند.
ماهيت آهن گالوانيزه
در آهن گالوانيزه ، بين آهن و روي ، پيلي الکتروشيميايي تشکيل مي‌شود که در آن روي به جاي آهن به عنوان آند بکار مي‌رود و آهن به عنوان کاتد. روي در آند اکسيد مي‌شود چون فلزي پست‌تر يا فعالتر از آهن است و داراي پتانسيل احياء کمتري از آهن است و پتانسيل اکسيد بيشتري از آن دارد.
حلبي
در حلبي هايي که از آن ، قوطي مي‌سازند، عمل معکوسي انجام مي‌شود. در حلبي ، بر روي آهن ، پوشش قلع بکار رفته است و عمل معکوس آهن گالوانيزه انجام مي‌شود. چون آهن فلزي فعالتر از قلع است و پتانسيل احياء قلع بيشتر از آهن است و به عنوان کاتد در حلبي به کار مي‌رود و آهن آند مي‌شود. البته در صورتي که پوشش قلع بشکند، خوردگي آهن در زير اين پوشش پيش مي‌رود.
علت استفاده از آهن گالوانيزه
آهن گالوانيزه ، آهني است که با روي پوشانده شده باشد. اين آهن ، حتي اگر پوشش آن هم شکستگي پيدا کند، از زنگ زدن محفوظ مي‌ماند.
ماهيت آهن گالوانيزه
در آهن گالوانيزه ، بين آهن و روي ، پيلي الکتروشيميايي تشکيل مي‌شود که در آن روي به جاي آهن به عنوان آند بکار مي‌رود و آهن به عنوان کاتد. روي در آند اکسيد مي‌شود چون فلزي پست‌تر يا فعالتر از آهن است و داراي پتانسيل احياء کمتري از آهن است و پتانسيل اکسيد بيشتري از آن دارد.
خوردگي يا زنگ زدن آهن فقط در حضور اکسيژن و آب صورت مي‌گيرد. در جايي بر سطح جسم آهني، اکسايش آهن انجام مي‌شود و آند را تشکيل مي‌دهد و در جايي ديگر سطح آن جسم که (O2(g و H2O وجود دارد، کاهش انجام مي‌شود و کاتد را تشکيل مي‌دهد و در نتيجه اين عمل، ايجاد يک سلول ولتايي يا پيل ولتايي يا الکتروشيميايي بسيار کوچک است. الکترونهاي توليد شده در ناحيه آندي در ميان آهن بسوي ناحيه کاتدي حرکت مي‌کند.
روش گالوانيزاسيون
در گالوانيزاسيون ، فلز فاسد شدني را در مذاب يک فلز فاسد ناشدني فرو مي‌برند و بيرون مي‌آورند تا سطح آن از يک لايه فلز فاسد نشدني پوشيده شود. مثلا ورقه هاي نازک آهني را در مذاب فلز روي فرو مي‌برند و بيرون مي‌آورند تا سطح آنها از فلز روي پوشيده شود و آهن سفيد يا آهن گالوانيزه تهيه شود.
موارد استفاده از آهن گالوانيزه
از آهن گالوانيزه در ساختن لوازمي مثل لوله بخاري ، کانال کولر ، کابينت آشپزخانه ، شيرواني منازل ، لوله‌هاي آب و هر جا که احتمال خوردگي آهن و خسارت وجود دارد، استفاده مي‌شود.
اصطلاح فولاد (Steel ) براي آلياژهاي آهن که تا حدود 1،5 درصد کربن دارند و غالبا با فلزهاي ديگر همراهند، بکار مي‌رود. خواص فولاد به درصد کربن موجود در آن ، عمليات حرارتي انجام شده بر روي آن و فلزهاي آلياژ دهنده موجود در آن بستگي دارد.
کاربرد انواع مختلف فولاد
از فولادي که تا 0.2 درصد کربن دارد، براي ساختن سيم ، لوله و ورق فولاد استفاده مي‌شود. فولاد متوسط 0.2 تا 0.6 درصد کربن دارد و آن را براي ساختن ريل ، ديگ بخار و قطعات ساختماني بکار مي‌برند. فولادي که 0.6 تا 1.5 درصد کربن دارد، سخت است و از آن براي ساختن ابزارآلات ، فنر و کارد و چنگال استفاده مي‌شود.
ناخالصي‌هاي آهن و توليد فولاد
آهني که از کوره بلند خارج مي‌شود، چدن ناميده مي‌شود که داراي مقاديري کربن ، گوگرد ، فسفر ، سيليسيم ، منگنز و ناخالصي‌هاي ديگر است. 
 

برگرفته از انجمن متالوژی ایران

نظرات شما عزیزان:

نام :

آدرس ایمیل:

وب سایت/بلاگ :

متن پیام:

نظر خصوصی

 کد را وارد نمایید:

 

 

 

عکس شما

آپلود عکس دلخواه: