آشنایی با فلزات آهنی و روش های تولید فولاد پودمان های کار با فلز کاروفناوری هشتم

مطالب آموزشی پودمان های کار با فلز کاروفناوری هشتم

آشنایی با فلزات آهنی

آهن ماده ى جديدى نيست و انسان از زمان هاى بسيار دور با آن آشنا بوده است. هرچند استفاده از آن بسيار محدود بوده و خصوصاً در ساختمان به ندرت به کار مى رفته است. آهن ارزان ترين و بعد از آلومينيوم فراوان ترين فلز دنياست. در حدود ٩٠ درصد توليدات فلزات دنيا را آهن و آلياژهاى آن تشکيل مى دهد. آهن خالص بيش تر به صورت فولادهاى ساده ى کربنى و چدن استفاده مى شود.

مصرف اين فلز از ابتداى قرن 18 و با انقلاب صنعتى روبه فزونى گذاشت و از زمانى که تهيه ى آهن به نحو صنعتى مقدور گرديد، اهميتى کاملاً تازه يافت. افزايش ناگهانى عرضه ى آهن که به دليل توليد کارخانه اى صورت گرفت سيماى جهان را تغيير داد و اين ماده را، که ابتدا فقط براى ساخت ماشين آلات به کار مى رفت، وارد عرصه ى ساختمان نمود.

استفاده از آهن، به عنوان يک مصالح ساختمانى، ابتدا در ساختن شيروانى ها در کشورهاى اروپايى معمول شد، زيرا بام هاى چوبى مرتباً طعمه ى حريق مى شد. پس از آن روش هاى صنعتى جديد امکان تهيه ى ستون چدنى را براى استفاده در ساختمان ميسر کرد.

آهن خام

براى تهيه ى آهن ابتدا از طريق گداختن سنگ آهن در کوره هاى آهن گدازى؛ آهن خام اسفنجى به دست مى آورند و سپس با استفاده از آن چدن و فولاد مى سازند. آهن در هواى مرطوب زنگ مى زند و به هيدرواکسيد آهن تبديل مى شود. آهن خالص مصرف ساختمانى ندارد. سنگ هاى آهن معمولاً خالص نيستند و داراى ناخالصى هاى سيليسى، رسی يا آهکى اند. لازمه ى توليد آهن خام فراهم نمودن موارد اساسى زير است:

الف) سنگ آهن، که ممکن است به صورت سنگ آهن مغناطيسى (مگنتيت) يا هيدرواکسيد آهن، کربنات آهن و يا سولفور آهن باشد. استحصال آهن از سنگ هاى آهنى که کم تر از 25 ٪ وزنشان آهن داشته باشند مقرون به صرفه نيست. سنگ آهن از اجزاى مهم تهيه فولاد است که از معادن روباز استخراج و توسط بلدوزر يا بيل جابه جا مى شود و با کاميون به محل موردنظر انتقال مى يابد.

ب) کک، که براى سوخت کوره و ترکيب شدن با آهن به منظور ايجاد کربور آهن استفاده مى شود.

ج) کوره آهن گدازى، که براى جدا کردن آهن از سنگ هاى آهن مورد استفاده قرار مى گيرد.

آهن خام در مواجهه با حرارت بالا بدون آن که خميرى شود ذوب مى شود (مانند يخ) و خاصيت چکش خوارى ندارد. هم چنين ضربه پذير نيست و زير ضربه مى شکند. اين آهن براى آهنگرى مناسب نيست و چون خميرى نمى شود نمى توان آن را نورد داد.

بنابراين بايد ترکيب و ميزان عناصر تشکيل دهنده آن را به گونه اى تنظيم نمايند تا قابليت کاربرد ساختمانى پيدا نمايد. (به عنوان مثال چنان چه مقدارى از کربن آن را بسوزانند و سيليس آن را بگيرند تبديل به چدن مى شود.)

انواع کوره های ذوب آهن:

کوره آهن گدازى بلند: اين کوره از سه قسمت تنوره، آتش خانه و بوته تشکيل شده و سوخت آن کک است.تنوره در بالا، آتشخانه در ميانه و بوته در پايين کوره جا دارند. در بالاى تنوره درپوشى است که از بيرون رفتن گاز کوره و حرارت آن جلوگيرى مى کند. دور اين درپوش سکوى بزرگى وجود دارد که کوره از آن جا بارگيرى مى شود. سوخت کوره هاى آهن گدازى بلند بايد سخت باشد تا در اثر سنگينى بار کوره خرد نشود. در صورت خرد شدن، سوخت هوا به راحتى در کوره جريان پيدا نمى کند و کوره اصطلاحاً خفه مى کند و خاموش مى شود.

کوره هاى آهن گدازى برقى که براى ذوب سنگ آهن از برق استفاده مى شود.

کوره هاى تنوره اى يا خفته، که با استفاده از گاز کربن يا هيدروژنى که از گاز نفت مى گيرند آهن خام اسفنجى توليد مى کنند.

مشتقات آهن

مهم ترين مشتقات آهن شامل چدن و انواع فولاد است.

فولاد : فولاد يا پولاد از آلياژهاى آهن است که از زمان هاى گذشته شناخته شده بود و براى توليد جنگ افزار از آن استفاده مى کردند. اصطلاحاً زمانى که درصد کربن در آلياژ آهن کربن کم تر از دو درصد باشد به آن فولاد مى گويند. براى اين منظور کربن موجود در آهن خام سفيد را مى سوزانند تا ميزان آن کاهش يابد. معمولاً نسبت کربن در اکثر فولادها کم تر از يک درصد است.

تأثير عناصر آلياژی برخاصيت فولاد

فولاد ساختمانى زنگ نزن: براى اين منظور حداقل ١٢ ٪ وزن فولاد به آن کرم اضافه مى شود. علاوه بر اين آلياژهاى فولادى ديگرى که در برابر زنگ زدگى مقاوم اند نيز وجود دارد.

حلبى ورقى فولادى و نازک با پوشش قلع است و آهن سفيد ورق نازک فولادى با ضخامت کم و پوشش روى است و هر دو در برابر زنگ زدن مقاوم اند.

روش هاى ساخت فولاد

در گذشته از طريق خميرى کردن آهن خام و سوزاندن کربن آن اقدام به تهيه ى فولاد مى کردند. در حال حاضر اين روش استفاده چندانى ندارد و منسوخ شده است. در اين روش آهن خام را در تغار کوچک فولادى مى ريختند و به آن شعله مى دادند تا ذوب شود. اين آهن را هم مى زدند تا کربن آن بسوزد و درجه ى ذوب آن بالا برود و خميرى شود. خمير فولاد را تکه تکه با گازانبر از کوره بيرون مى آوردند و با پتک به آن مى کوبيدند تا سرباره ى آن بريزد و به شمش تبديل شود. چند شمش را به همين ترتيب با يک ديگر دسته مى کردند و مجدداً در کوره گرما مى دادند تا سرخ شود و با پتک سنگين آن ها را يک پارچه مى کردند. کوره هاى آهنگرى قديمى با همين روش فولاد تهيه مى کردند.

روش ديگر که امروزه براى توليد فولاد استفاده مى شود اکسيژن دهى يا شعله دادن به آهن مذاب است. در اين روش ابتدا آهن خام توليد شده را با تغارهاى فولادى به تانک مخلوط کن گهواره اى بسيار بزرگ با ظرفيت ١٠٠٠ تن و بيش تر منتقل مى کنند، تا سرباره ها را از آن جدا نمايند. پس از آن آهن خامى که سرباره ى آن گرفته شده است درتغارهاى فولادى ريخته مى شود و اين تغارها را در پاتيل هاى فولادسازى تخليه مى کنند و به آن اکسيژن وارد مى کنند تا کربن مازاد آن گرفته شود.

فولاد براى مقاصد و مصارف گوناگون آماده مى شود و بر اين اساس عناصر تشکيل دهنده ى آن را تنظيم مى کنند. مثلاً براى تهيه ى فولاد خشکه، که در صنايع نظامى و ساخت مته و … کاربرد دارد، فولاد به دست آمده از کوره هاى فولادسازى را در بوته هاى نسوزى به ظرفيت 40 تا 30 کیلوگرم ذوب مى کنند و ناخالصى هاى آن را با درست کردن سرباره از آن جدا مى نمايند. پس از آن ميزان سيليسيم، منگنز، نيکل و … را تنظيم مى کنند تا خشکه ى موردنظر درست شود.

شکل دادن به فولاد: فولاد با استفاده از روش هاى نورد زدن، ريختن، آهنگرى، کشيدن و پرس کردن شکل داده مى شود.

نورد زدن: امروزه بيش تر فرآورده هاى فولادى را از طريق نورد زدن به توليد مى رسانند و به بازار عرضه مى شوند. براى اين منظور فولاد را در گرماى 1100 درجه سرخ می کنند تا به خمير سفت تبديل شود. سپس اين خمير را نورد مى زنند. قطعه ى فولاد موردنظر بايد از قرقره هاى چنددستگاه نورد بگذرد تا به شکل مورد نظر درآيد

فولادريزى: در اين روش، قالب موردنظر را تهيه مى کنيم و فولاد مذاب درون قالب ريخته مى شود. چون فولاد هنگام سرد شدن اندکى جمع مى شود قالب را از هر طرف 1 تا 2 درصد بزرگتر مى سازند تا پس از سرد شدن فولاد ريخته شده اندازه موردنظر را پيدا کند.

آهنگری: آهنگرى و چکش کارى قديمى ترين روش شکل دادن به فلزات است. در قديم چون روش چکش کارى بيش تر براى شکل دادن قطعات آهنى نظير نيزه، شمشير، سپر و قطعات کشاورزى به کار برده مى شد به آن آهنگرى مى گفتند. براى اين منظور ابتدا به فولاد حرارت مى دهند تا به صورت خميرى سفت درآيد، سپس آن را با پتک مى کوبند يا چکش کارى مى کنند تا به شکل موردنظر در آيد.

کشيدن: ميله هاى فولادى و فولادهاى گرد ضخيم تر از 5 میلیمتر با نورد و کم تر از آن را با کشيدن به دست مى آورند. براى ساختن ميله يا سيم فولادى کم تر از 5 میلیمتر آن را می کشند چوم کشيدن فولاد سرد بر سختى آن تأثير مى گذارد و خطر پاره شدن را به همراه دارد، گاهى اوقات ابتدا به آن گرما مى دهند تا سرخ شود و سپس کشيده مى شود.

پرس کردن: در اين روش ورق هاى فولاد توسط پرس هاى چند تنى به شکل موردنظر درمى آيد. در صنايع اتومبيل سازى قسمت هاى مختلف بدنه ى اتومبيل را از طريق پرس کردن تهيه مى کنند.

لوله سازی: فولاد از طريق نورد زدن، يا جوش دادن درز تسمه يا ورق فولادى به شکل لوله درمى آيد. در روش ديگر از طريق مغزى گذارى و نورد زدن لوله بدون درز ساخته مى شود.