تاریخچه
اولین نشانه‌های استفاده از آهن به زمان سومریان و مصریان بر می‌گردد که تقریبا” ۴۰۰۰ سال قبل از میلاد با آهن کشف شده از شهاب سنگها اقلام کوچکی مثل سر نیزه و زیور آلات می‌ساختند. از ۲۰۰۰ تا ۳۰۰۰ سال قبل از میلاد ، تعداد فزاینده ای از اشیاء ساخته شده با آهن مذاب ( فقدان نیکل ، این محصولات را از آهن شهاب سنگی متمایز می‌کند ) در بین‌النهرین ، آسیای صغیر و مصر به چشم می‌خورد؛ اما ظاهرا” تنها در تشریفات از آهن استفاده می‌شد و آهن فلزی گرانبها حتی باارزش‌تر از طلا به‌حساب می‌آمد.
بر اساس تعدادی از منابع آهن ، بعنوان یک محصول جانبی از تصفیه مس تولید می‌شد – مثل آهن اسفنجی – و بوسیله متالوژی آن زمان قابل تولید مجدد نبوده است. از ۱۶۰۰ تا ۱۲۰۰ قبل از میلاد در خاورمیانه بطور روز افزون از آین فلز استفاده می‌شد، اما جایگزین کابرد برنز در آن زمان نشد.
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 می‌کردند. آهن را بصورت اسفنجی که مخلوطی از آهن و سرباره به همراه مقداری کربن یا کاربید است، بازیافت کردند. سپس سرباره آنرا با چکش‌کاری جدا نموده وم حتوی کربن را اکسیده می‌کردند 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 می‌توان محصولی بسیار محکمتر بدست آورد. محصول حاصله که دارای سطح فولادی است، از برنزی که قبلا” کاربرد داشت محکمتر و مقاوم‌تر 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 می‌رفت که برای مردم غیر چینی هم ارسال می‌کردند.
در سالهای آخر پادشاهی سلسله ژو ( حدود ۵۵۰ قبل از میلاد) به سبب پیشرفت زیاد تکنولوژی کوره ، قابلیت تولید آهن جدیدی بوجود آمد. ساخت کوره‌های بلندی که توانایی حرارتهای بالای k 1300 را داشت، موجب تولید آهن خام یا چدن توسط چینِی‌ها شد. اگر سنگ معدن آهن را با کربن k 1470-1420 حرارت دهیم، مایع مذابی بدست می‌آید که آلیاژی با ۵/۹۶% آهن و ۵/۵۳% کربن است. این محصول محکم را می‌توان به شکلهای ریز و ظریفی در آورد. اما برای استفاده ، بسیار شکننده می‌باشند، 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.
دانشمندان می‌پندارند 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 گلوله‌های توپ چدنی.در آغاز برای ذوب آهن از زغال چوب هم بعنوان منبع حرارتی و هم عامل کاهنده استفاده می‌شد. 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.
پیدایـــــــش
آهن یکی از رایج‌ترین عناصر زمین است که تقریبا” ۵% پوسته زمین را تشکیل می‌دهد.
آهن از سنگ معدن هماتیت که عمدتا” Fe2O3 می‌باشد، استخراج می‌گردد. این فلز را بوسیله روش کاهش با کربن که عنصری واکنش‌‌پذیرتر است جدا می‌کنند. این عمل در کوره بلند در دمای تقریبا” ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد انجام می‌پذیرد.
در سال ۲۰۰۰ ، تقریبا” ۱۱۰۰ میلیون تن سنگ معدن آهن با رشد ارزش تجاری تقریبا” ۲۵ میلیارد دلار آمریکا استخراج شد. درحالیکه استخراج سنگ معدن آهن در ۴۸ کشور صورت می‌گیرد، چین ، برزیل ، استرالیا ، روسیه و هند با تولید ۷۰% سنگ آهن جهان پنج کشور بزرگ تولید کنندگان آن به‌حساب می‌آیند. برای تولید تقریبا” ۵۷۲ میلیون تن آهن خام ۱۱۰۰ میلیون تن سنگ آهن مورد نیاز است.
تاریخچه
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 از ۲۴۰۰ سال پیش و شاید هم بیشتر ، انسانهای اولیه آهن را شناخته اند. بنظر می‌رسد ابتدا شهاب‌های ثابت آسمانی که حاوی آهن و نیکل 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
آهن عنصری است با حرف اتمی Fe ، وزن اتمی ۵۶ ، چهارمین عنصر موجود در پوسته زمین از نظر فراوانی و میزان آن در پوسته زمین در حدود ۵ درصد می‌باشد و سنگهائیکه بیشتر از ۲۰ درصد آهن داشته باشند سنگ معدنی آهن اصطلاح می‌شوند.استخراج فلز آهن از سنگ آهن با یک عمل شیمیایی انجام می‌گیرد، باین معنی که سنگهای اکسیدی آهن بوسیله کربن ، احیا و عنصر آهن آزاد می‌شود. قرن ها زغال چوب بعنوان احیا کننده بکار می‌رفته، ولی از سال ۱۹۰۷، که نقطه عطفی در کار ذوب آهن پدید آمده، کک جای آنرا گرفت که بعنوان مهمترین سوخت کوره بلند نیز بکار می‌رود.
برای تحصیل یک تن آهن خام ، حدود ۳- ۵/۱ تن سنگ آهن ، ۱۰۰۰-۹۰۰ کیلوگرم کک و ۶-۵ تن هوا لازم است و سنگ آهک نیز بعنوان ماده گداز آور در کوره بلند بکار می‌رود. در ابتدا ذوب آهن در کوره‌های ابتدائی که از سنگ یا آجر ساخته می‌شد و از هوای دم برای جریان هوا استفاده می‌شد، انجام می‌گرفت و ارتفاع کوره نیز ، حداکثر به ۱۰ متر می‌رسید.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 ۳۰ متر می‌رسد، ساخته شده است. بدین ترتیب ، پیشرفت صنعت و احتیاج روز افزون بشر به نوع بهتر آهن ، کوره‌های بلند جدید را بوجود آورده است.
سوخت کوره
سوخت‌ها ، در کوره بلند ، دو عمل را انجام می‌دهند: عمل ایجاد گرما و عمل احیا کنندگی و به دو دسته عمده طبیعی و مصنوعی تقسیم می‌شوند. بعضی از سوخت‌های طبیعی از قبیل زغال 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 می‌باشند، کک اهمیت زیادی داشته و در اکثر کارخانه ها بکار می‌رود.
مزایای کک عبارت از تخلخل ، سختی ، فراوانی ، قابلیت احتراق بیشتر و ارزانی آن می‌باشد. برای تهیه کک باید چند نوع زغال سنگ را که مواد فرار موجود در آنها متفاوت می‌باشد، با یکدیگر مخلوط و در کوره‌های مخصوص به کک تبدیل نمود. این عمل را کربنیزاسیون می‌نامند. ترکیب شیمیایی کک عبارت است از ۹۴-۸۵ درصد کربن و بقیه شامل مواد فرار ، خاکستر ، گوگرد و رطوبت می‌باشد.
هوای لازم برای احتراق و ایجاد حرارت
همانطور که قبلا گفته شد، برای تحصیل یک تن آهن خام ، حدود ۶-۵ تن هوا لازم است که این هوا از مخلوط دو گاز اکسیژن و ازت به نسبت ۱و ۴ تشکیل شده است. در کوره‌های بلند جدید ، هوا بوسیله کمپرسورهای توربینی به داخل کوره دمیده می‌شوند. این توربین‌ها با بخار یا برق کار کرده و فشار دم بیشتر و یکنواختی تولید می‌کنند. همچنین جهت تهیه هوای دم بعضی از کوره های بلند ، کمپرسورهای گازی نیز بکار برده می‌شود.
در این ماشین ها ، گاز کوره‌های بلند همراه با هوا وارد ماشین شده و پس از متراکم شدن توسط جرقه الکتریکی آتش زده می‌شود و فشار حاصله باعث حرکت موتور کمپرسور می‌گردد.
مواد گداز آور
بعد از سنگ آهن و سوخت ، مواد گداز آور مهمترین ماده تشکیل دهنده بار کوره بلند می‌باشد. این مواد دو کار انجام می‌دهند:ذوب کردن ناخالصیهای موجود در سنگ آهن که نقطه ذوب آنها بالاتر از درجه حرارت معمولی کوره است.
بعضی از عناصر که همزمان با سنگ آهن احیا می‌شود یا در آهن حل و یا با آن ترکیب شده و جدا کردن آن ممکن نمی‌گردد، مواد گداز آور با این ناخالصی‌ها ، قبل از ترکیب با آهن ، ترکیب می‌گردند. نوع مواد گداز آور بستگی به ترکیب مواد متشکله بار کوره دارد.در صورتیکه سنگ آهن ، آهکی (قلیایی) باشد، ماده گداز آور باید اسیدی (مثل SiO2 سیلیس) باشد.در صورتیکه سنگ آهن ، سیلیسی (اسیدی) باشد، ماده گداز آور باید قلیایی (مثل سنگ آهک ، دولومیت و سنگهای فسفاته) باشد.در مواردیکه بخواهند سرباره خیلی سیال باشد، از مواد گدازآور خنثی از جمله فلوراسپار که دارای نقطه ذوب پایینی می‌باشند، استفاده می‌شود.
سرباره کوره بلند
سرباره ، عبارتست از ماده مذابی که بر اثر فعل و انفعال بین مواد گداز ، سنگ آهن ، سوخت و ناخالصیهای اکسید موجود در فلز بوجود می‌آید و در اثر این فعل انفعالات ، ناخالصی‌هایی که نباید در چدن وجود داشته باشد، از آهن خام جدا می‌شود.
مواد متشکله اصلی سرباره عبارت است از: MgO , Al2O3 , SiO2 , CaO که جمعا ۹۰ درصد سرباره را تشکیل می‌دهند. ۱۰ درصد بقیه عبارتند از: CaS , MnS, MnO , FeO و غیره.
موارد کاربرد سرباره
سرباره برحسب ترکیب شیمیایی ، خواص فیزیکی و نحوه سرد کردن آن ، موارد کاربرد مختلفی پیدا می‌کند. سرباره را به سه شکل سرد می‌کنند و بر حسب نحوه سرد کردن به سه شکل در می‌آید:
سرباره سرد شده با هوا ، خرد و غربال شده و جهت مصارف زیر بکار می‌رود: بلوک‌های ستونی توخالی ، زیرسازی جاده ، ماسه شیشه‌ای جهت ساختن سرامیک ، زه‌کشی فاضلاب ، آسفالت بیندر و غیره.سرباره دانه دانه شده با آب ، جهت موارد زیر بکار برده می‌شود: سیمان ، عایق‌کاری ، زیرسازی جاده ، مصالح بتون ، بلوک‌های ساختمانی خاکریزی راه آهن و سایر خاکریزیها و غیره.سرباره سبک ، موارد کاربرد آن به قرار زیر است: مصالح ساختمانی بتونی ، مصالح ضد حریق ، فرش کف ها ، محصولات ساختمانی بصورت قطعات پیش‌ساخته بتونی از جمله تیورستون و غیره ، آجر ، کاشی‌های عایق صدا ، دیوارهای تیغه ای.
فراورده های تولید شده از آهن خام
- چدن
هرگاه آهن خام را گداخته و در قالب هائی از ماسه یا فلز ریخته و سرد کنیم، چدن بدست می‌آید. در تبدیل آهن خام به چدن ، تصفیه دقیق و مخصوصی صورت نمی گیرد. - چدن چکش خوار
در صورتیکه روی چدن عملیاتی از قبیل اضافه کردن منیزیم و سیلیکات آهن ، بلوری شدن کربن و تبدیل به گره‌های گرافیت انجام گیرد، چدن چکش خوار بدست می‌آید که نسبت به چدن نرمتر بوده و مقاومت کششی بالا و مورد استفاده بیشتری دارد - آهن کار شده
هرگاه آهن خام را ذوب کرده و بگذاریم بصورت اسفنجی شکل در آید، ضمن آنکه ناخالصیهای آنرا از قبیل سیلیسیم ، منگنز و کربن بشکلی تصفیه می‌کنیم، آهن کار شده بدست می‌آید. - چدن سفید
کربن این چدن ، بصورت بلور سمانتیت (کربید آهن Fe3C) می‌باشد که از سرد شدن مذاب حاصل می‌شود. این ماده را می‌توان نرم کرد تا درجه شکنندگی آن کاهش یابد. - فولاد
آلیاژی است از آهن (چدن سفید) و کربن و سایر عناصر که از تصفیه دقیق آهن خام ضمن اختلاط با آهن قراضه بدست می‌آید. - آهن قراضه
به قراضه های فولاد ، آهن قراضه اطلاق می‌شود.
کاربرد انواع مختلف فولاد
از فولادی که تا ۰.۲ درصد کربن دارد، برای ساختن سیم ، لوله و ورق فولاد استفاده می‌شود. فولاد متوسط ۰.۲ تا ۰.۶ درصد کربن دارد و آن را برای ساختن ریل ، دیگ بخار و قطعات ساختمانی بکار می‌برند. فولادی که ۰.۶ تا ۱.۵ درصد کربن دارد، سخت است و از آن برای ساختن ابزارآلات ، فنر و کارد و چنگال استفاده می‌شود.
ناخالصیهای آهن و تولید فولاد
آهنی که از کوره بلند خارج می‌شود، چدن نامیده می‌شود که دارای مقادیری کربن ، گوگرد ، فسفر ، سیلیسیم ، منگنز و ناخالصیهای دیگر است.
منبع/فولادمبارکه اصفهان
