همه چیز درباره انواع آهن ها در صنعت

بیشتر دانشمندان معتقدند که معادن زمین شامل مقادیر زیادی آهـن است. آهـن همچنین در خورشید، سیاره ها و ستاره های خارج سیاره شمسی موجود می باشد.

چهارمین عنصر فراوان در پوسته زمین است.

فراوانی آن در حدود ۵%، قابل تخمین می باشد. بیشتر دانشمندان معتقدند که معادن زمین شامل مقادیر زیادی آهـن است. آهـن همچنین در خورشید، سیاره ها و ستاره های خارج سیاره شمسی موجود می باشد.

متداول ترین کانی های آهن هماتیت یا اکسید آهـن (Fe2O3)، لیمونیت یا اکسید آهن (Fe2O3)، مگنتیت یا اکسید آهـن (Fe3O4) و سیدریت یا کربنات آهن (FeCO3­) می باشند. یکی از منابع مهم فزاینده آهن تکونیت است که ترکیبی از هماتیت و سیلیس (ماسه) میباشد. این کانی تنها شامل ۲۵% آهن است.

بزرگترین منابع آهن در جهان در کشورهای چین، برزیل، کانادا، استرالیا و هندستان و بیشترین تولیدات آهن از سنگ معدن آن نیز در کشورهای چین، ژاپن، آمریکا، روسیه، آلمان و برزیل می باشد.

آهن فلز بسیار فعالی می­ باشد و به سرعت با اکسیژن موجود در هوای مرطوب ترکیب می شود. محصول این واکنش اکسید آهن (Fe2O3) می باشد. آهن همچنین با آب های خیلی داغ و بخار برای تولید گاز هیدروژن واکنش می دهد. همچنین در بیشتر اسیدها حل شده و با سایر عناصر واکنش می­ دهد

 آهن زنگ نزن

اصطلاح آهن زنگ نزن به چه معناست؟ به علت فعال بودن فلز آهن وقتی در مجاورت اکسیژن و رطوبت قرار می گیرد ، اصطلاحا ((زنگ می زند)). در واقع آهن با اکسیژن تشکیل اکسید آهن داده که قرمز رنگ بوده و روی آن را می پوشاند. برای استفاده بهتر از آهن و جلوگیری از زنگ زدن آن، آن را گالوانیزه می کنند . در این روش آهن را با فلز روی پوشش می دهند و در نتیجه زمانی که آهن گالوانیزه در معرض محیط مرطوب قرار می گیرد زنگ نمی زند.

اصطلاح آهن زنگ نزن در مورد این فلز اشتباه رایجی است. زمانی که کربن به آهن اضافه شود ، تبدیل به آلیاژ می شود و از حالت عنصری خارج می شود. به این آلیاژ، فولاد گفته می شود که خواصی بهتر از آهن دارد. یک نوع از این فولادها، فولاد زنگ نزن هستند که علاوه بر آهن و کربن عناصری دیگری مانند کروم به آن اضافه شده که باعث ایجاد مقاومت در برابر زنگ زدن در آنها می شود.

پس اصطلاح آهن زنگ نزن اشتباه بوده و فولاد زنگ نزن صحیح می باشد.

استخراج آهن از کوره بلند

هوا در پایین کوره دمیده شده و با استفاده از گازهای گرم خارج شده از بالای کوره بلند، گرم می­ شود. کک (کربن خالص) که با حرارت دادن ذغال سنگ در غیاب هوا تشکیل می ­شود، در حین دمش هوای گرم می سوزد و توسط یک واکنش شدیدا گرمازا، دی اکسید کربن تشکیل می شود. این واکنش منبع مهم حرارتی در کوره بلند است:

C + O2 = CO2

در پایین کوره در دمای بالا، دی اکسید کربن، برای تولید مونوکسید کربن با کربن واکنش می دهد:

C + CO2 = 2CO

مونوکسید کربن تشکیل شده عامل اصلی احیاء برای تولید آهـن در کوره می باشد:

Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2

در بخش های گرم تر کوره، خود کربن نیز به عنوان عامل احیاء واکنش می دهد. با توجه به این دماها، محصول دیگر واکنش، به جای دی اکسید کربن، مونوکسید کربن است:

Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO

دمای کوره برای ذوب آهـن کافی می باشد تا به عنوان آهــن خام چکه کند.

سنگ آهک برای تبدیل ناخالصی های سیلیسی به سرباره (بعنوان سیلیکات کلسیم) افزوده شده تا ذوب شده و به پایین رانده شود. سیلیکات کلسیم ذوب شده و به پایین کوره حرکت می کند تا یک لایه روی آهن مذاب تشکیل شود:

CaCO3 + O2 = CaO + CO2. CaO + SiO2 = CaSiO3

شکل زیر فرایند تولید آهن در کوره بلند را نشان می دهد.

 احیاء مستقیم آهن (DRI)

فرایندهای تولید فولاد نیاز به ورود مواد آهنی به عنوان مواد خام فرایند دارند. برای ساخت فولاد در یک کوره اکسیژنی پایه، مواد تغذیه آهنی معمولا فلزات گرم و قراضه های فولادی هستند. یک رنج وسیع از منابع آهنی مصرفی، محصولی به نام DRI است که بوسیله احیاء حالت جامد سنگ معدن آهن به آهن فلزی شده بدون تشکیل آهن مایع می باشد. این کاهش حالت جامد سنگ معدن آهن، آهن اسفنجی نامیده می شود.

آهن اسفنجی

آهن اسفنجی محصولی است که وقتی سنگ معدن آهن در حضور زغال سنگ، در دماهای زیر نقطه ذوب آهن، به آهن فلزی کاهش می یابد، بوجود می آید. شکل خارجی سنگ معدن، با ۳۰% کاهش وزن که در نتیجه کاهش اکسید است و نتیجه آن تغییر در چگالی از ۴٫۴ به ۷٫۸ گرم بر سانتی متر مکعب در این محصول می باشد، حفظ می شود. در این فرایند ۵۴% کاهش حجم اتفاق می افتد که به صورت تشکیل حفره ­ها در محصول کاهش یافته خود رانشان می دهد و بنابراین آهن اسفنجی نام دارد. برتری این تکنیک این است که آهن می تواند در دمای کوره کمتر (تنها در حدود ۱۱۰۰ درجه سانتی گراد) بدست آید. مهمترین عیب این روش این است که تنها مقادیر کمتر آهن اسفنجی می تواند در یک زمان قابل مقایسه با فرایند کوره بلند ساخته شود.

در این روش سنگ معدن آهن با ذغال سنگ در بخش بالایی منطقه کاهش کوره دوار شارژ می شود، که این ذرات که بوسیله نیروی ثقل پایین می آیند بوسیله گازهای کاهش­دهنده گرم با مونوکسید کربن و هیدروژن ترکیب می شوند. نهایتا آهن اسفنجی تولید شده از بخش پایینی منطقه تخلیه کوره، تخلیه شده و پس از سرد شدن منتقل می شوند.

ذکر تمامی کاربردهای آهن و محصولات فولادی غیر ممکن است. بطور کلی این محصولات می توانند در گروه های زیر طبقه بندی شوند:

صنایع اتومبیل

ساختمان

کانتینرها، بسته بندی، کشتیرانی

ماشین آلات و تجهیزات صنعتی

حمل و نقل ریلی

صنایع نفت و گاز

تجهیزات الکتریکی

تجهیزات و وسایل آشپزخانه

تجهیزلت و وسایل کارخانه های کاغذ سازی مانند:سرند-دیگ های مخصوص خمیرسازی-دستگاه چوب خردکن و…. 

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 می‌کنند. فولادهای ویژه ممکن است مولیبدن، تنگستن یا فلزهای دیگر داشته باشند. این نوع فولادها برای مصارف خاصی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در دمای زیاد، آهن و کربن با یکدیگر متحد شده، کاربید آهن (Fe۳C) به نام «’سمنتیت» تشکیل می‌دهند. این واکنش، برگشت‌پذیر و گرماگیر است: Fe۳C <——- گرما + ۳Fe + C 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 می‌شود. این مکانیزم در چدن‌ها که درصد کربن در آنها بیشتر است، اهمیت بیشتری دارد. برعکس، اگر فولاد به سرعت سرد شود، کربن عمدتاً به شکل سمنتیت باقی می‌ماند. تجزیه سمنتیت در دمای معمولی به اندازه‌ای کند است که عملا انجام نمی‌گیرد.