عنصر آهن كه با نماد Fe در جدول مندليف شناخته ميشود، پس از آلومينيوم فراوانترين عنصر جهان است. بهطوري كه حدود ۵ درصد از قشر كرهي زمين را آهن تشكيل ميدهد. البته آهن در طبيعت عموماً به صورت تركيبي با عناصر ديگر ميباشد و به ندرت ميتوان آهن كاملا خالص را در طبيعت پيدا كرد.
غالباً آهن به صورت سيليكات، كربنات و سولفيد آهن يافت ميشود اما در معادن استخراج، آهن بهصورت اكسيد وجود دارد. آهن خالص را نميتوان در صنعت مورد استفاده قرار داد زيرا علاوه بر نرم بودن بيش از حد، استحكام مناسبي نيز براي كاربريهاي صنعتي ندارد و اغلب به صورت تركيب با عناصر ديگر (آلياژ) مورد استفاده قرار ميگيرد. اين تركيب ميتواند با عناصر غير فلزي و شبه فلزي مانند ( كربن، گوگرد، سيليسيم و فسفر) و يا با عناصر فلزي مانند ( واناديم، موليبدن كرم، نيكل و…) صورت بپذيرد.
آلياژهاي نهايي و مهم آهن كه از اين تركيبات بدست آمده و در صنعت هم در موارد بسياري مورد استفاده قرار ميگيرد، فولاد و چدن نام دارند. در ادامه به معرفي و نحوهي استخراج مهمترين آلياژ آهن يعني فولاد ميپردازيم.
حتما ببينيد: نقاشي منزل
فولاد
آلياژ آهن و كربن به همراه برخي عناصر ديگر را فولاد مينامند كه در اين بين كربن داراي نقشي اساسي و مهم بوده و درصد آن در آلياژ، خواص اعظم فولاد را اعم از قابليت ريختهگري، كورهكاري، آبكاري، نقطه ذوب، استحكام، سختي، مقاومت به ضربه و… معين ميكند. به عنوان مثال اگر درصد كربن در آلياژ از ۰۶/۲ درصد كمتر باشد، آلياژ فولاد بوده و اگر بين ۰۶/۲ تا حدود ۵/۴ درصد باشد، محصول را چدن مينامند.
در فولادهايي كه براي ساختمان سازي استفاده ميشود مانند فولاد st37، درصد كربن در حدود ۶۵/۰ درصد است. در شكل زير تصويري از يك كارخانهي فولادسازي بهنمايش درآمده است.
تصويري از يك كارخانه ي فولاد سازي
در قسمت قبل اشاره كرديم كه آهن در طبيعت به ندرت به صورت خالص وجود دارد و به صورت سنگ آهن يافت ميگردد. سنگ آهن متشكل از اكسيدهاي آهن و ناخالصيهاي گوناگون ميباشد. اكسيد سيليسيوم، گوگرد، منگنز، تركيبات فسفر، مخلوط گل رس و در بعضي موارد كربنات كلسيم و… از جمله ناخالصيهاي موجود در سنگآهن هستند. آمادهسازي سنگ آهن استخراج شده از معدن، در چند مرحله شامل صورت ميپذيرد كه اين مراحل عبارتند از: غربال كردن، خرد كردن، تغليظ و پر عيار كردن.
معمولاً سنگ آهن به صورت روباز از معادن استخراج ميشود و پس از خرد شدن در سنگ شكن به صورت پودر در ميآيد. بعداً آن را با آب مخلوط ميكنند تا به صورت دوغآب تبديل شود و سرانجام با استفاده از روشهاي تغليظ، عيار سنگ آهن را به حدود ۶۵ درصد ميرسانند. امروزه بحث استخراج، نگهداري و حملونقل سنگ آهن از منظر اقتصادي بخش مهمي از چرخهي توليد فولاد را تشكيل ميدهد.. شكل زير به صورت خلاصه و شماتيك مراحل توليد فولاد از سنگ آهن را نمايش ميدهد.
مراحل توليد فولاد از سنگ آهن
در داخل كوره‌هاي ذوب، مواد معدني را نميتوان به شكل پودري استفاده كرد، بنابراين بايد آن‌ها را به صورت كلوخه يا گلوله و يا اصطلاحاً گُندُله تبديل كرد كه به اين پروسه، آگلومراسيون مي گويند.
براي گندله كردن پودر سنگ آهن، آن را با پودر كك (نوعي زغال‌سنگ) مخلوط ميكنند. سپس مخلوط را مرطوب كرده و آن را روي تمسه نقاله‌ي فولادي مي‌ريزند. به مخلوطي كه روي تسمه نقاله قرار دارد، حرارت مي‌دمند تا پس از سوختن پودر كك، به يكديگر چسبيده و كاملاً يك تكه شوند. در قسمتي كه تسمه نقاله‌ي فولادي به زير مي‌چرخد، سنگ آهنِ يك تكه شده، شكسته ميشود و به شكل گندله با قطر ۱۰ تا ۱۵ ميليمتر تبديل ميگردد.
دو روش اساسي در صنعت براي توليد فولاد وجود دارد. در روش اول با احيا كردن و ذوب سنگ آهن در كوره‌ي بلند (Blast Furnace) آهن خام را بدست مي‌آورند اما در روش دوم با استفاده از احياي مستقيم و بدون ذوب كردن از سنگ آهن ، آهن اصطلاحاً اسفنجي حاصل ميشود. از آهن خام و آهن اسفنجي ميتوان فولاد و چدن را توليد كرد. اشكال زير تعداي از كوره‌هاي بلند موجود در صنعت را نشان ميدهد.
برخي كوره‌هاي بلند موجود در صنعت
بد نيست بدانيد كه در ايران توليد فولاد خام در ۶ واحد توليدي، فولاد مباركه، ذوب آهن اصفهان، فولاد خوزستان، گروه ملي صنعتي، فولاد آلياژي و فولاد خراسان انجام ميگيرد كه اكثر اين واحدهاي صنعتي از روش دوم براي توليد فولاد استفاده ميكنند. در حالي كه در كشورهاي اصلي توليدكننده‌ي فولاد مانند كانادا و ژاپن از كوره‌ي بلند براي توليد فولاد بهره مي‌گيرند. همچنين بيشتر توليدات فولاد در جهان به كشور چين تعلق دارد به طوري كه در سال ۲۰۰۵ حدود ۳۱ درصد از فولاد جهان را چين توليد كرده است.
در ادامه به تشريح هر دو روش خواهيم پرداخت.
تهيه آهن خام با روش احياي غير مستقيم يا روش كوره بلند
براي استفاده از اين روش، سنگ آهن را پس از آماده‌سازي‌هاي لازم، در كوره بلند به كمك كك، گندله و آهكِ احيا تصفيه ميكنند. مواد اوليه‌ي لازم براي كوره بلند عبارتند از:
سنگ آهن: همانطور كه گفتيم، سنگ معدن آهن از اكسيدهاي آهن و ناخالصيهاي گوناگون تشكيل شده است كه پس از انجام مراحل آماده سازي روي آن، مهياي استفاده كردن خواهد بود. جدول زير انواع سنگ-آهن هاي موجود در طبيعت را به همراه تركيب شيميايي و درصد خلوصشان نشان ميدهد.
| نام سنگ آهن | فرمول شيميايي | درصد آهن |
| مغناطيسي (مگنتيت) | Fe3O4 | ۶۰ تا ۷۰ |
| قرمز (هماتيت) | Fe2O3 | ۴۰ تا ۶۰ |
| قهوهاي (ليمونيت) | ۲Fe2O3.3H2O | ۳۰ تا ۵۰ |
| كربنات آهن( سيدريت) | FeCO3 | ۳۰ تا ۴۰ |
| سولفور آهن | FeS2 |
۴۲ تا ۴۵ |
سوخت كوره بلند: براي ذوب و تصفيه‌ي كوره بلند، به سوختي نياز است كه هم بتواند حرارت لازم را فراهم كند و همچنين كربن موردنياز براي احياي اكسيد آهن را نيز تأمين كند.
اين سوخت بايد ارزش حرارتي بالايي داشته باشد و در حين سوختن به هم نچسبد؛ همچنين بهتر است متخلخل باشد تا بتواند با عبور گازهاي خروجي از خود، عمليات احتراق را آسان‌تر كند. با توجه به شرايطي كه ذكر شد، مناسب‌ترين سوخت براي كوره بلند، كك است زيرا علاوه بر داشتن مزاياي فوق، استحكام بالايي نيز دارد و چيزي در در حدود ۱۱ درصد خاكستر پس از سوختن از خود برجاي مي‌گذارد.
سياله ها و مواد گدازآور: اين مواد در داخل كوره به جريان ذوب كمك ميكنند و باعث آسان‌تر شدن جداسازي ناخالصي از فلز مذاب مي‌شوند. بدين منظور از آهك استفاده ميكنند و اين آهك با ناخالصيهاي موجود در سنگ آهن مانند سيليسيم، گوگرد و منگنز مخلوط شده و آن را به صورت سرباره به سطح مذاب مي-برد.
همچنين بخوانيد: پنجره
كوره بلند
همانطور كه بيان كرديم كه در روش احياي غير مستقيم از كوره بلند استفاده ميشود. كوره بلند از دو مخروط ناقص تشكيل شده كه در قاعده‌ي بزرگ باهم مشترك‌اند. ارتفاع كوره‌هاي بلند بين ۳۰ تا ۸۰ متر است و قطر بزرگترين قسمتشان نيز بين ۱۰ تا ۱۴ متر ميباشد.
ديواره‌ي خارجي كوره از صفحات فولادي ساخته شده و بخش داخلي آن را نيز با لايه‌اي از مواد نسوز كه دماي ذوب بسيار بالايي دارند، مي‌پوشانند. اصولاً از آبي كه در درون سيستم آبگرد داخل ديواره‌ي كوره در جريان است، براي سرد كردن كوره استفاده قرار ميكنند.
قسمت‌هاي زيرين كوره، بوته نام دارد كه شكل آن شبيه به استوانه است و در آن مواد مذاب و سرباره جمع مي-شوند. بوته اغلب داراي دو محل خروجي است كه يكي در قسمت پايين براي خروج آهن مذاب، و يكي در بالا براي خروج سرباره تعبيه شده است. در اطراف قسمت‌هاي بالاي بوته، شيپورك هايي قرار گرفته‌اند كه از آن‌ها هواي داغ با دماي ۸۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتيگراد به داخل كوره دميده ميشود تا حرارت مورد نياز براي سوختن كك را فراهم كند. شكل زير شماي كلي يك كوره بلند و قسمت‌هاي مختلفان را نشان ميدهد.
شماي كلي يك كوره بلند
به مخروط ناقصي كه در بالاي بوته قرار دارد، شكم كوره مي گويند كه البته به ناحيه‌ي ذوب نيز مشهور است. وظيفه‌ي مخروط بالايي كوره، بارگيري است. در بالاي اين مخروط، يك دهانه‌ي قيفي شكل وجود دارد كه در زمان ريختن مواد به داخل كوره، درب آن باز ميشود و پس از كامل شدن بارگيري كوره، دوباره مسدود ميگردد. در نزديكي كوره بلند، بالابر مايلي قرار گرفته است كه از آن براي بالا بردن واگن‌هاي مخصوص حمل مواد كوره استفاده ميشود.
محصولات كوره بلند
مجموعاً محصولات كوره بلند شامل آهن خام، گاز و سرباره است. آهن خام حدوداً ۳ تا ۴ درصد كربن داشته و نقطه ذوبان تقريباً ۱۳۰۰ درجه‌ي سلسيوس است. اين محصول را نميتوان مستقيماً در صنعت استفاده كرد زيرا نه استحكام مناسبي دارد و هم به دليل داشتن ناخاصي هاي بسيار داراي مقاومت به ضربه پاييني بوده و بسيار شكننده است. با تنظيم درجه حرارت كوره و كنترل ميزان منگنز و سيليسيوم موجود در داخل آن، ميتوان دو نوع آهن خام توليد كرد كه به نام‌هاي آهن خام خاكستري و آهن خام سفيد مشهور هستند.
سرباره كه به عنوان يكي ديگر از محصولات كوره بلند مطرح است، در اثر ذوب اكسيدهاي ناخالصي مانند اكسيدهاي كلسيم، منيزيم، آلومينيوم يا سيليسيوم و خاكستر كك و مواد گداز آور تشكيل ميگردد. عموماً حجم سرباره تقريباً سه برابر حجم آهن خام توليدي است كه در نهايت به حالت مذاب از كوره خارج ميشود. شايد در ابتدا تصور اين باشد كه سرباره تنها يك ماده‌ي دور ريختني است و هيچ كاربردي ندارد اما اين چنين نيست و ميتوان محصولاتي را مانند آجرهاي نسوز، سيمان، كود شيميايي، پوكه، عايق حرارتي و سنگ‌هاي بتني متخلخل و شكسته براي زيرسازي جاده‌ها و … از آن بدست آورد.
هر ساله حجمي در حد پنج ميليون متر مكعب گاز آر هر كوره بلند خارج ميشود. اين گاز حاوي مقاديري گردوغبار و ذرات معلق است و بايد تصفيه گردد. مخلوطي از كربن منواكسيد ، كربن دي اكسيد، متان و هيدروژن گازهاي خروجي كوره بلند را تشكيل ميدهد. از اين گازها هم ميتوان براي كك سازي، گندله سازي، گرم كن‌هاي كوره، توربين‌هاي گازي و … استفاده كرد.
توليد فولاد از آهن خام
آهن خامي كه از كوره بلند بدست ميآيد، داراي ناخالصيهاي بسياري است و به دليل بالا بودن درصد كربن آن ( حدود ۳ تا ۴ درصد) قابليت چكش خواري، شكل پذيري و جوش كاري مناسبي ندارد؛ لذا انجام عملياتي براي كاهش درصد كربن و ساير عناصر موجود در آهن خام مانند منگنز، فسفر، سيليسيوم و گوگرد تا يك حد قابل قبول مورد نياز است.
براي بدست آوردن فولاد از آهن خام سفيد، روشهاي گوناگوني استفاده ميشود كه در تمامي اين روش‌ها سعي بر اين است كه با سوزاندن و يا خارج كردن عناصر اضافي، فولاد را بدست آورند. رايج‌ترين روشهاي مورد استفاده براي امر عبارتند از: روش اكسيژن قليايي (LD)، روش توماس – بسمر و روش زيمنس – مارتين يا كوره باز.
توليد آهن خام با روش احياي مستقيم
در طي دو دهه اخير و در اكثر كشورهايي كه گاز طبيعي ارزان قيمتي را در اختيار دارند، مجموعه‌هاي زيادي براي بدست آوردن آهن و فولاد بر پايه‌ي روشهاي احياي مسقيم كانه‌هاي آهن با گاز طبيعي و سپس ذوب و پالايش آن بوسيله ي كوره‌ي قوس الكتريكي، تأسيس شده است.
در اين روش بدون انجام عمليات ذوب، احياي سنگ معدن صورت ميپذيرد و آهن خام حاصل از اين كوره‌ها به آهن اسفنجي مشهور است كه از آن با عياري در حدود ۹۲ تا ۹۶ درصد در كوره‌هاي قوس الكتريكي براي توليد فولاد استفاده ميكنند. در ايران نيز همزمان با توسعه‌ي كارخانهي ذوب آهن اصفهان و توليد آهن و فولاد، به دليل عدم مرغوبيت كافي زغال سنگ‌هاي استخراجي و كك توليدي براي دو كوره بلند كارخانهي ذكر شده و همچنين وجود منابع غني گاز طبيعي در كشور، بررسي‌هاي زيادي براي تأسيس مراكز توليدي آهن و فولاد با استفاده از روش احياي مستقيم و با بهره گيري از گاز طبيعي از اوايل سال ۱۳۵۰خورشيدي شروع شد و نخستين مجموعه‌ي توليد آهن و فولاد به روش احياي مستقيم در اهواز، احداث گرديد. اشكال زير واحدهاي مختلف كارخانه فولاد خوزستان را نمايش ميدهد.
الف) تخليه و بارگيري سنگ آهن در بندر
ب) گندله سازي
ج) كوره احيا مستقيم
د) ذوب و پالايش آهن اسفنجي
ه) ريختهگري مداوم شمشال و تمتال
براساس آمارهاي ثبت شده، توليد آهن اسفنجي در جهان به فاصله‌ي سال‌هاي ۲۰۰۶ تا ۲۰۰۷ حدود ۷/۴ افزايش داشته كه اين رقم در ايران براي همين فاصله‌ي زماني حدود ۶/۵ درصد رشد بوده است. به طور كلي ايران در بين كشورهاي توليد كننده‌ي آهن اسفنجي پس از هندوستان بيشترين درصد توليد را در سال ۲۰۰۷ داشته است.
مواد اوليه‌ي مورد نياز براي بدست آوردن آهن خام با استفاده از روش احياي مستقيم عبارتند از: سنگ آهن تغليظ شده، سنگ آهك، بتونيت، مواد كمك ذوب، مواد فروآلياژي و آهن قراضه. واحدهاي آماده سازي مواد خام به منظور توليد گندله، از مخلوط سنگ آهن‌هاي تغليظ شده داخلي و خارجي استفاده ميكنند.
تأثير عناصر در فولادها
عناصري كه همراه با آهن در فولادهاي آلياژي و يا غير آلياژي وجود دارند، به دو دسته‌ي فلزات و غير فلزات تقسيم مي‌شوند و مي‌توانند در كاربردهاي مختلفي روي خواص فولادها اثرات مثبت يا منفي داشته باشند. در در دو جدول بعدي تاثيرات عناصر غير فلزي بر فولادهاي غير آلياژي و همچنين تاثيرات عناصر فلزي روي فولادهاي آلياژي، آورده شده است.
| عناصر | افزايش ميدهد | كاهش ميدهد |
| كربن | استحكام، سختي، قابليت آبكاري | نقطه ذوب، طاقت، انبساط،
قابليت جوشكاري و كورهكاري |
|
سيليسيم |
الاستيسيسته، استحكام، قابليت آبكاري عمقي، سختي در حالت گرم، مقاومت در برابر خوردگي، جداشدن گرافيت در چدن خاكستري | قابليت جوشكاري |
| فسفر | شكنندگي در حالت سرد، سيلان، استحكام در حالت گرم | انبساط، مقاومت به ضربه |
| گوگرد | غلظت در حالت مذاب، شگنندگي براده، شكنندگي در حالت گداخته بودن | مقاومت به ضربه |
جدول تأثير عناصر غيرفلزي بر فولادهاي غير آلياژي
| عناصر | افزايش ميدهد | كاهش ميدهد |
| منگنز | قابليت آبكاري عمقي، مقاومت به ضربه، اسحتكام، مقاومت به سايش | قابليت برادهبرداري، جداشدن گرافيت در چدن خاكستري |
| كُرُم | سختي و استحكام، استحكام در حالت گرم، دماي آبكاري، مقاومت به سايش و مقاومت به خوردگي | انبساط (در حد كم) |
| موليبدن | سختي، استحكلم در حالت گرم، پايداري | انبساط، قابليت كورهكاري |
| تنگستن | سختي، استحكام، مقاومت به خوردگي، دماي آبكاري، پايداري در دماهاي بالا، برندگي | انبساط (در حد كم) |
| نيكل | استحكام، مقاومت به خوردگي، مقاومت الكتريكي، پايداري در دماهاي بالا، قابليت آبكاري عمقي | انبساط حرارتي |
| كبالت | سختي، پايداري، استحكام در حالت گرم، برندگي | پايداري، حساسيت در دماهاي بالا |
| واناديم | سختي، پايداري، استحكام در حالت گرم | حساسيت در دماهاي بالا |
جدول تأثير عناصر فلزي بر فولادهاي آلياژي
ساخت ویلا در مازندران