تفاوت های آهن و فولاد و چدن

آهن چیست؟

فلزات آهنی فلزاتی هستند که از آهن (سنگ آهن) تولید می شوند و شامل آهن، چدن و فولاد می باشند. با گداختن سنگ آهن در کوره های آهن گدازی، آهن خام تولید می کنند و با آهن خام نیز آهن معمولی، چدن و فولاد می سازند. در واقع چدن و فولاد آلیاژهایی از آهن هستند. آلیاژ (چند جوش) ترکیبی از فلزات مختلف است که در صورت لزوم مواد افزودنی غیر فلزی نیز به آن افزوده می شود. کاربرد فلزات آهنی از تمامی فلزات بیشتر است و 95 درصد فلزات تولید شده در سراسر جهان را تشکیل می دهند. این عنصر یکی از رایج ترین عناصر زمین است که تقریبا 5 درصد پوسته زمین را تشکیل می دهد. این عنصر فلزی سنگین، درخشان و خاکستری رنگ است که از سنگ معدن آهن استخراج می گردد و به ندرت به حالت آزاد (عنصری) در طبیعت یافت می شود. کاربرد آهن از همه فلزات بیشتر است ( با توجه به اینکه چدن و فولاد را نیز از آهن خام می سازند. قیمت پایین و مقاومت بالای ترکیبات آن، استفاده از آن ها را در صنایع مختلف و نیز ساختمان سازی اجتناب ناپذیر می کند. این فلز در ساختمان به صورت نبشی، ناودانی، ورق، میخ، پیچ و مهره و … به کار می رود.

تعریف سنگ آهن

برای تولید، سنگ آهن را در کوره های گداز حرارت داده و محصول خام می سازند. سپس از محصول خام انواع مختلف آهن و آلیاژهای آن را تولید می کنند. سنگ آهن مخلوطی از اکسیدهای این عنصر، نمک های معدنی، سنگ آهک، سیلیس، آلومین و … است. از چهار نوع سنگ می توان در کوره آهن گدازی استفاده کرد.

اکسیدها: سنگ آهن مغناطیسی با مگنتیت که 68 درصد وزنش آهن دارد و سنگ آهن سرخ یا هماتیت که 60 درصد وزنش این عنصر را دارد.

هیدروکسید: سنگ آهنی لیمویی تا قهوه ای که 50 درصد وزنش این عنصر دارد.

کربنات

سولفور

سنگ آهن را پس از استخراج از معدن در سنگ شکن خرد کرده و با انجام عملیات خاص آن را برای ورود به کوره آماده می کنند.

آهن گدازی و تولید محصول خام
سنگ آهن را در کوره با حرارت بالا ذوب می کنند. ماده مذاب حاصل شامل فلز آهن و ناخالصی های سنگ آهن است ولی چون وزن مخصوص این ناخالصی ها با فلز مذاب متفاوت است، بنابراین ناخالصی ها از آهن مذاب جدا شده و روی سطح آن شناور می شوند. از این رو آن ها را سرباره یا تفاله کوره آهن گدازی می نامند. سرباره را توسط شیر تخلیه فوقانی و آهن مذاب را توسط شیر تخلیه تحتانی از کوره خارج می کنند.

فلز به دست آمده را آهن خام می نامند. هنگام تخلیه آهن خام مقداری ناخالصی هم همراه آن تخلیه می شوند به طوری که آهن خام 10-5 درصد ناخالصی هایی نظیر گوگرد، سیلیس، فسفر، منگنز و کربن دارد. آهن خام بدون حالت خمیری از جامد به مایع تبدیل می شود. بنابراین قابلیت چکش خواری ندارد و قابل نورد شدن هم نیست. برای اینکه سنگ آهن در درجه حرارت پایین تر ذوب شود، به آن گدازآور می افزایند.

مواد گدازآور باید به گونه ای انتخاب شوند که با آهن ترکیب نشده و واکنش ندهند. چون سنگ آهن دارای ناخالصی های سیلیسی، آهکی یا رسی است، بنابراین جسم گدازآور باید طوری انتخاب شود که تفاله آهن گدازی، سیلیکات کلسیم شود تا در ساخت مصالح مختلف به کار رود. اگر ناخالصی سنگ آهن، آهکی باشد، باید گدازآور سیلیسی یا رسی استفاده شود و اگر ناخالصی آن سیلیس باشد، باید گدازآور آهکی مصرف شود.

اگر کوره آهن گدازی، مبدل آهن به چدن یا آهن به فولاد داشته باشد، آهن خام مذاب را مستقیما به مبدل می فرستند. در غیر این صورت آن را به شکل قرص، سرد می کنند. سرعت سرد شدن و میزان ناخالصی ها در آهن خام، در جنس آن موثر است. جنس سرباره کوره آهن گدازی سیلیکات کلسیم و سیلیکات آلومینیوم است و از آن در ساخت مصالح ساختمانی مختلف استفاده می کنند. از جمله کاربردهای آن می توان به موارد زیر اشاره کرد:

مصارف سرباره کوره آهن گدازی
نقاله آبکی را به شکل سنگ پله و جدول در می آورند یا از آن برای سنگ فرش راه های با شیب زیاد استفاده می کنند.

خرد شده آن را به عنوان سبک دانه در ساخت بتن سبک مصرف می کنند.

در صورتی که روی سرباره خرد شده با فشار، آب پاشیده شود، به شکل ماسه در می آید که آن را در روکاری آسفالتی و رومالی آسفالتی به کار می برند.

از گرد سرباره در تولید سیمان (سیمان سرباره) استفاده می کنند.

سرباره را به شکل تار و الیاف در می آورند و از آن در ساخت عایق حرارتی و صوتی استفاده می کنند.

کوره آهن گدازی
کوره آهن گدازی کوره بلند نامیده می شود. این کوره استوانه بزرگی از جنس فولاد است که داخل آن با آجر نسوز آستر شده است. کوره بلند دارای تنوره، آتش خانه و بوته (ظرف مخصوصی که مواد مذاب داخل آن می ریزند) است. تنوره در بالا، آتش خانه در وسط و بوته در پایین کوره قرار دارد. مواد اولیه یعنی سنگ آهن و گدازآور از بالای کوره به داخل آن ریخته می شوند. این مواد در حین حرکت به سمت پایین کوره رفته رفته داغ شده و به حالت مذاب در می آیند و در نهایت به درون بوته می ریزند. آهن خام هر 6-4 ساعت و سرباره پیوسته با شیر تخلیه از بوته خارج می شوند.

سوخت کوره بلند در قدیم زغال چوب بوده ولی امروزه از کک و یا آنتراسیت به عنوان سوخت کوره استفاده می کنند. هوای گرم از طریق مجراهایی که در بالای بوته تعبیه شده به داخل کوره دمیده می شود. در دمای 1700-1600 درجه سانتی گراد کک به کمک اکسیژن موجود در هوا می سوزد.

C + O2 = CO2

CO2 + C = 2CO

مونوکسید کربن حاصل براساس واکنش های زیر، آهن را از سنگ آهن جدا می کند.

در قسمت بالای کوره درپوشی وجود دارد که از خارج شدن گازهای تولید شده در کوره جلوگیری می کند. از این گازها به عنوان منبع حرارت در قسمت های مختلف کارخانه استفاده می شود.

کوره بلند آهن گدازی هرگز خاموش نمی شود چون راه اندازی دوباره آن زمان بر و پر هزینه است. این کوره معمولا 10 سال بدون توقف کار می کند و روزانه حداکثر 5000 تن آهن خام تولید می کند. در مناطقی که برق ارزان است، حرارت کوره آهن گدازی را با برق تامین می کنند و از کک فقط برای گرفتن اکسیژن از سنگ آهن استفاده می کنند. این کوره را کوره آهن گدازی برقی (کوره الکتریکی) می نامند.

همچنین در سال 1340 در روشی نو، اکسیژن سنگ آهن در کوره تنوره ای یا کوره گردنده خفته در حرارت 1000 درجه سانتی گراد با گاز کربن یا گاز هیدروژن چاه نفت گرفته شد. آهن خامی که بدین طریق به دست آمد، حالت اسفنجی داشت و به همین دلیل آن را آهن خام اسفنجی نامیدند. آهن خام اسفنجی 95-93 درصد آهن دارد. هزینه تولید آهن خام بدین طریق از کوره آهن گدازی بلند کمتر است.

انواع آهن خام
انواع مختلف آهن خام به ساختارهای کریستالی آن بستگی دارد.

آهن خام سفید: هرگاه آهن خام مذاب را زود سرد کنند، کربن آن به شکل گرافیت در نمی آید. بنابراین رنگ آن روشن (سفید نقره ای) می شود که به آن آهن خام سفید می گویند و در فولادسازی به کار می رود. مقدار سیلیسیم در آهن خام سفید کم است و جنس آن سخت و ترد است. سطح شکسته آن دارای دانه های ریز و روشن می باشد.

آهن خام خاکستری: هرگاه آهن خام مذاب را به آهستگی سرد کنند، کربن آن به شکل گرافیت در می آید. بنابراین رنگ آن تیره می شود که به آن آهن خام خاکستری می گویند و در چدن سازی مصرف می شود. مقدار سیلیسیم در آهن خام خاکستری زیاد است، ترد نیست و از آهن خام سفید نرم تر است. سطح شکسته آن دارای دانه های درشت و خاکستری می باشد.

آهن خام نیمه خاکستری: جنس این آهن خام مابین آهن خام سفید و خاکستری است و در ساختن فولاد و چدن سخت به کار می رود.

تفاوت آهن معمولی و آهن خالص
تفاوت انواع مختلف آهن در میزان کربن آن هاست. میزان کربن در آهن، چدن و فولاد نیز نشانه جنس آن هاست. چون میزان کربن در آهن خام زیاد است بنابراین ترد بوده و قابلیت چکش خواری و نورد شدن ندارد زیرا در اثر ضربه خرد می شود. کربن همچنین دمای ذوب فلزات را نیز کاهش می دهد. بر همین مبنا با کاهش میزان کربن در آهن خام، دو نوع آهن به شرح زیر تولید می کنند:

آهن معمولی (آهن): این آهن حدود 2 درصد کربن دارد و از طریق کربونیزاسیون آهن خام به همراه مقداری آهن قراضه در کوره به دست می آید. دمای ذوب آن پایین و حدود 1130 درجه سانتی گراد است. آهن در هوای نمناک زنگ می زند بنابراین نیاز به ضد زنگ و پوشش های محافظ دارد. این فلز مصارف متعددی در صنایع مختلف، ساخت ماشین آلات صنعتی و نیز ساختمان سازی دارد.

آهن خالص (آهن نرم - آهن ورزیده): این آهن فقط 0٫02 درصد کربن دارد و به دلیل مخلوط شدن مقداری سرباره با آن، حالت فیبری دارد. دمای ذوب آن بالا و حدود 1540 درجه سانتی گراد است به همین علت جوشکاری با آن امکان پذیر نیست. آهن خالص انعطاف پذیر است و مقاومت کششی بالایی دارد، مقاومت آن در برابر خوردگی نیز زیاد است. آهن خالص مصرف ساختمانی ندارد بلکه از آن در ساخت چدن و فولاد استفاده می کنند.