آهن خام ماده اولیه برای تولید مقاطع و مصالح ساختمانی نظیر میلگرد، تیرآهن، ورق و ... می‌باشد. اما در تولید هیچ مصالح و ابزاری در صنعت از آهن خام به صورت خالص استفاده نمی‌شود و حتما از آلیاژهایی برای تغییر در استحکام آهن و خصوصیات فیزیکی و مکانیکی آن استفاده می‌شود. در ادامه تمامی روش‌ها و آلیاژهایی که موجب افزایش استحکام آهن می‌شوند بررسی خواهد شد.
فهرست مطالب
استخراج آهن خام
سنگ آهن پس از استخراج از معدن به کوره انتقال داده می‌شود و بعد از احیا و ذوب، آهن خام حاصل می‌گردد. ناخالصی‌های موجود در سنگ آهن مثل سیلیکات و آلومینات در کوره از آن جدا می‌شود و بعد از ذوب جزئی سنگ آهن و چسبیدن سنگ‌ها به هم، کک زغال سنگ که ماده‌ای حاوی کربن زیاد است اضافه شده و بعد از این مرحله به کوره پخت انتقال می‌شوند.
برای تصفیه و تغییر سنگ آهن گاها بجای فرآیند ذوب از روش احیای مستقیم سنگ آهن استفاده می‌نمایند که با حذف اکسیژن سنگ آهن با استفاده از مونوکسید کربن و هیدروژن (دو عامل کاهنده در این روش) انجام می‌گیرد و محصول به دست آمده آهن اسفنجی نام دارد. آهن اسفنجی به عنوان ماده اولیه در ساخت بسیاری از مقاطع فولادی به کار می‌رود. همچنین در تولید شمش بویژه شمش تختال و میلگرد کاربرد بسیاری دارد. لازم به ذکر است که آهن خالص به همراه آلیاژها به ماده مناسب برای مصرف تبدیل می‌شود.
بخوانید: آهن اسفنجی چیست و چگونه ساخته می‌شود؟
آلیاژهای افزودنی به آهن
آهن خام و خالص به ندرت مورد استفاده قرار می‌گیرد، در واقع می‌توان گفت به دلیل نرم و بسیار شکل پذیر بودن، آهن خام کاربرد چندانی ندارد. آلیاژها و برخی عناصر جهت افزایش استحکام آهن، ضد زنگ کردن آن، افزایش انعطاف پذیری و ... به آهن مذاب در کوره اضافه می‌شود.
از جمله افزودنی‌های بسیار ضروری برای افزایش استحکام آهن، افزودن کربن به آن برای تولید فولاد و انواع مقاطع مورد استفاده در صنعت می‌باشد. کربن آهن را تا حدودی مستحکم تر می‌کند. و با ایجاد تغییر در شبکه کریستالی این فلز را تقویت کرده و ترد بودن آن را از بین می‌برد.
سختی نهایی به درصد کربنی که اضافه می‌شود، مرتبط است. در واقع فولاد متشکل از آهن و کربن در سه نوع دسته بندی می‌شود؛ فولاد با میزان کربن کم، کربن متوسط و فولاد با کربن بالا. بیشترین فولاد مصرفی در صنعت ساخت و ساز و دیگر صنایع، با درصد کربن کم است که اصطلاحا فولاد نرم نامیده می‌شود. در ترکیبات فولاد علاوه بر کربن مقداری منگنز، نیکل، سیلسیم و مس نیز وجود دارد.
تفاوت آهن و فولاد در این است که آهن یک عنصر می‌باشد و فولاد آلیاژی از جنس آهن و کربن است. فولاد از مقاومت بالایی برای استفاده در صنعت ساختمان برخوردار است.
جهت افزایش استحکام آهن در برابر خوردگی و زنگ زدن، به فولاد به دست آمده عناصری نظیر کروم، نیکل و مولیبدن اضافه می‌کنند. این آلیاژ در محیط‌های اسیدی و یا مرطوب مقاومت خوبی از خود نشان می‌دهد و در صنعت ساختمان سازی بسیار پر کاربرد است.
افزودنی دیگری که به فولاد آهنی می‌توان اضافه کرد، منگنز می‌باشد. میزان زیاد منگنز موجب تولید کردن فولاد ضد مغناطیس می‌شود که در حالت سرد بسیار فرم پذیر است و در ساخت ظروف تزئینی، محفظه ساعت و قطب‌نما به کار برده می‌شود.
بخوانید: آشنایی با آهن، فولاد و چدن | بررسی کاربرد و تفاوت هر یک از آنها
تاثیر فرآیندهای تولید و ساخت بر استحکام آهن
فرآیند تولید بر روی خصوصیات شیمیایی و مکانیکی اعضای فولادی تاثیرگذار است. استفاده از کوره، نورد سرد و گرم و دیگر روش‌های تولید تغییراتی مهم بر روی فلزات به جا می‌گذارد. تفاوت آهن و فولاد در حین فرآیند تولید با افزودن برخی عناصر و آلیاژها به وجود می‌آید.
نرماله کردن
از جمله فرآیندهای مورد استفاده برای تولید فولاد ساخته شده از سنگ آهن، نرماله کردن می‌باشد. نرماله کردن فولاد عملیاتی حرارتی است که موجب شکل پذیری و سختی بیشتر فولاد می‌گردد. در این فرآیند فلز به دمای بسیار بالا می‌رسد و سپس در دمای محیط قرار گرفته و به آرامی سرد می‌شود. استفاده از این روش شکل پذیری محصول را افزایش داده و از سختی و شکنندگی آن می‌کاهد.
بخوانید: نرماله کردن فولاد | تفاوت آن با دیگر فرآیندهای تولید میلگرد
کوره بلند
متداول‌ترین روش تولید و تبدیل آهن استفاده از کوره بلند می‌باشد. در این روش سنگ آهن در کوره با دمای 300 درجه سانتی‌گراد ذوب می‌شود و با آزاد شدن مونوکسید کربن از آن فولاد کربن دار تولید می‌شود. در این روش از گاز اکسیژن استفاده می‌کنند.
روش قوس الکتریکی
در این فرآیند از آهن قراضه و آهن اسفنجی برای تولید فولاد استفاده می‌شود که به همراه آهک و کک به داخل کوره قوس الکتریکی ریخته شده و بعد از جدا شدن ناخالصی‌ها برای تولید شمش و مقاطع دیگر نورد می‌شوند. لازم به ذکر است افزودنی‌های لازم جهت افزایش استحکام آهن در کوره به آن اضافه می‌شود.
نوردکاری
شمش فولادی در عملیات نورد گرم تحت اثر دمای بالا تغییر شکل یافته و به مقطع دلخواه درمی‌آید. نورد گرم موجب کاهش سختی آهن و افزایش شکل‌پذیری آن می‌شود. این روش بیشتر برای تولید ورق فولادی به کار می‌رود. بعد از تولید، محصول در دمای محیط سرد می‌شود این سرد شدن تدریجی به افزایش مقاومت آهن کمک شایانی می‌کند. از نورد سرد نیز بیشتر برای صاف کردن سطح ورق فولادی استفاده می‌شود.
همچنین برای تولید میلگرد از عملیات حرارتی (QST) استفاده می‌شود. در این روش میلگرد پس از خارج شدن از مرحله نورد توسط اسپری فشار آب، سرد می‌شود. سپس میلگرد در دمای محیط قرار می‌گیرد. در این فرآیند لایه سطحی آرماتور فولادی سرد شده و هسته آن به آرامی شروع به سرد شدن می‌کند که مزیت آن افزایش استحکام فولاد می‌باشد.
بخوانید: ساخت میلگرد | آشنایی جامع با فرآیند تولید میلگرد
مقایسه استحکام فلزات
استحکام فلز آهن به همراه آلیاژ در مقایسه با فلزات دیگر از مقاومت کمتری برخوردار است. به عنوان مثال فلز تیتانیوم در صورت آلیاژ با وانادیوم و یا آلومینیوم، ساختاری بسیار مقاوم‌تر از فولاد خواهد داشت. همچنین اینکونل هم استحکام بالایی دارد و هم در برابر حرارت مقاوم است. امروزه با استفاده از الیاف فایبر و رزین میلگرد FRP ساخته می‌شود که در برابر خوردگی مقاومت بسیار خوبی دارد. روش‌های مختلف دیگری برای سخت شدن فلزات وجود دارد به عنوان مثال افزودن مس به آلومینیوم آن را بسیار سخت‌تر می‌کند. این فلزات در عین مقاومت زیاد هزینه تهیه و تولید زیادی دارند به همین علت در ساخت سازه‌ها ترجیح داده نمی‌شوند.
بخوانید: فلز تیتانیوم و بررسی جایگزینی آن بجای میلگرد فولادی
جمع بندی
افزایش استحکام آهن به دلایل زیادی از جمله افزودنی‌های آلیاژی، میزان کربن، روش تولید و نوردکاری مرتبط می‌باشد. با بررسی این عوامل راهکارهای بهبود مقاومت آهن و فولاد بیان شد، با مطالعه دانشنامه اطلاعات جامع‌تری در این زمینه کسب کنید.
برای خرید و اطلاع از قیمت آهن به وبسایت عصرآهن مراجعه کنید، همچنین می‌توانید از طریق شماره تماس ۰۴۱۳۳۲۵۰۲۸۰ با مشاورین ما در تماس باشید تا خریدی مناسب و مقرون به صرفه را تجربه کنید.
