معرفی آهن خام ، چدن و فولاد و انواع مختلف هرکدام

آهن خام

آهن خام از ذوب کردن و گداختن سنگ آهن در کوره‌های آهن‌گدازی به‌دست می‌آید. جهت تهیه‌ی آهن خام در کوره‌ی آهن‌گدازی بلند، نیاز مبرمی به سنگ آهن، سوخت و گدازآور وجود دارد…

آهن خام علاوه بر کربن، دارای ناخالصی‌های دیگری همچون مگنز، گوگرد و فسفر است که مقادیر آن‌ها به جنس سنگ آهنی بستگی دارد که به منظور تهیه‌ی آهن خام استفاده شده است.

عناصر موجود در آهن خام تأثیر به‌سزایی در جنس آن دارد. به عنوان مثال وجود فسفر و گوگرد باعث ترد بودن و شکنندگی آن می‌شود. آهن خام جوش نمی‌شود و به طور مستقیم هم در صنعت و امور ساختمانی مورد استفاده قرار نمی‌گیرد بلکه با بهره‌گیری از آن چدن یا فولاد می‌سازند. آهن خام به هنگام ذوب شدن دارای حالت خمیری می‌شود و مثل یخ آب می‌گردد. در شکل زیر می‌توانید شمایی از کوره‌ی بلند ذوب‌آهن را مشاهده نمایید.

انواع آهن خام

• آهن خام سفید: رنگ این آهن برخلاف نامش نقره‌ای بوده و وزن مخصوصش نیز 4/7 می‌باشد. سطح شکست آن هم ریزدانه و روشن است. در آهن خام سفید، منگنز به فراوانی یافت می‌شود و خمش آن هم خیلی سخت و ترد است. گرمای ذوب این آهن حدود 1100 درجه سانتی‌گراد بوده و در صنعت فولادسازی از آن بهره می‌گیرند.
• آهن خام خاکستری: رنگ این آهن همان‌طور که از اسمش پیداست، خاکستری بوده و وزن مخصوص آن هم 2/7 می‌باشد. سطح شکست آهن خام خاکستری درشت دانه و خاکستری رنگ بوده و سیلیسم زیادی هم در آن وجود دارد. شکست آهن خاکستری ترد نمی‌باشد و از آهن سفید به مراتب نرم‌تر است. گرمای ذوب این آهن حدود 1200 درجه‌ی سانتی‌گراد بوده و کاربرد آن هم در چدن‌ریزی می‌باشد.
• آهن خام نیمه‌خاکستری: جنس این آهن تلفیقی از دو آهن خام سفید و خاکستری است و از آن در تهیه‌ی فولاد و چدن سخت استفاده می‌کنند.

در جدول بعدی می‌توانید درصد عناصر سیلیسیم، فسفر، گوگرد و منگنز را در آهن خام ملاحظه کنید.

جدول درصد عناصر ناخالصی در آهن خام

ناخالصی	درصد
سیلیسیم	2/0 تا 5/3
فسفر	2/0 تا 1
گوگرد	06/0 تا 15/0
منگنز	6/0 تا 8/3

همان‌طور که در ابتدا هم بیان شد، آهن خام از ذوب سنگ‌آهن و گداختن آن‌ها در کوره‌های آهن پ‌گدازی حاصل می‌شود. در اینجا بایستی به خطور مختصر اطلاعاتی در مورد انواع سنگ‌های آهن ارائه گردد.

• اکسید مغناطیسی آهن (Fe₃O₄) که آهن 70 درصد وزنی آن را در بر می‌گیرد. (ماگنتیت)
• اکسید مغناطیسی آهن (Fe₂O₃) که حدود 60 درصد وزنی آن را آهن تشکیل می‌دهد (هماتیت قرمز).
• سنگ آهن قهوه‌ای – اکسید آبدار آهن (3H₂O و 2Fe₂O₃) که تقریباً 50 درصد وزنی آن از آهن است (لیمونیت)
• کربنات آهن (CO₃) که تقریباً 45 درصد وزنی آن از آهن است (پریت آهن).

نکته: بایستی به این موضع دقت کرد که گداختن و ذوب نمودن سنگ‌های آهنی که کمتر از 25 درصد وزن خود آهن دارند، مقرون به صرفه نمی‌باشد.

چدن: به منظور تهیه‌ی چدن، آهن خام را دومرتبه ذوب می‌کنند و پس از تصفیه و تنطیم کردن عناصر موجود در آن نظیر کربن، فسفسر، مگنز و سیلیسیم، چدن را تولید می‌کنند. این کار عمدتاً در کوره‌های برقی، شعله‌ای یا کوپُل انجام می‌شود. نقطه‌ی ذوب چدن بین 1100 تا 1300 درجه‌ی سانتی‌گراد می‌باشد. همان‌طور که قبلاً هم بیان کردیم، ماثل یخ آب می‌شود و در زمان فرایند ذوب ابتدا به حالت خمیر تبدیل نمی‌گردد.

برخی از ویژگی‌های چدن عبارتند از:

-تردی و شکنندگی

-دیر زنگ زدن (نسبت به فولاد کمتر زنگ می‌زند)

-مقاومت فشاری نسبتاً خوب (البته مقاومت کششی آن کم است)

مقدار کربن چدن بین 7/2 تا 4 درصد می‌باشد. جنس چدن به جنس آهن خامی که برای ساخت آن مورد استفاده قرار گرفته، وابسته است. البته به نحوه‌ی سرد کردن و بستن چدن آبکی هم بستگی دارد. از چدن به صورت مصالح و باربر در ساختمان استفاده نمی‌شود، بلکه از آن به شکل لوله‌ها و اتصلات چدنی در فاضلاب‎‌ها، در پوش‌ها، شبکه چدنی و موارد مشابه آن بهره می‎‌گیرند.

انواع چدن

• چدن خاکستری
• چدن سفید
• چدن نیمه خاکستری
• چدن سخت
• چدن نرم

فولاد: به منظور تهیه و ساخت فولاد، آهن خام را ذوب می‌کنند و کربن آن را می‌سوزانند. در ادامه مقدار مشخصی کربن (کمتر از 2/1 درصد) به آن می‌افزایند و عناصر دیگر را هم در حد مجاز تنظیم می‌کنند تا فولاد مدنظر به‌دست آید. جهت تهیه‌ی فولاد، روش‌های صنعتی مختلفی مرسوم می‌باشد که هرکدام مزایا منحصر به فرد خود را دارا هستند و فولاد به‌دست آمده از آن‌ها هم دارای خواص و کاربرد ویژه‌ای است. این روش‌ها بدین شرح می‌باشند:

• روش بسمر
• روش توماس
• روش زیمنس مارتینی (کوره‌های باز)
• روش کوره‌ی الکتریکی
• روش LD

در شکل زیر، شمایی از یک کوره‌ی الکتریکی به نمایش درآمده است.

بایستی به این موضوع دقت داشت که مقدار کربن، عامل اصلی تعیین‌کننده‌ی خواص مکانیکی فولاد به‌شمار می‌آید و دارای نقش مهمی بر ساختمان و خواص فولاد است. در حقیقت با افزایش و کاهش کربن می‌توان فولاد با مقاومت و شکل‌پذیری متفاوت به‌دست آورد. زمانی که درصد کربن فولاد زیاد شود، استحکام فولاد بالا می‌رود و مقاومت به ضربه و قابلیت شکل‌پذیری آن کم می‌شود.

گوگرد و فسفر باید به مقدار بسیار اندکی در فولاد وجود داشته باشند اما مقدار زیاد آن‌ها بسیار مضر است. گوگرد زیاد موجب کاهش تاب ضربه‌ای فولاد می‌شود؛ به نحوی که فولاد سرخ شده‌ی دارای گوگرد تحت تأثیر ضربه‌ی پتک می‌شکند. مقدار گوگرد فولاد بین 05/0 تا 07/0 درصد وزنی می‌باشد. وجود فسفر هم در فولاد باعث تردی و شکنندگی آن می‌شود؛ اما منگنز سختی فولاد را افزایش می‌دهد و تاب کششی آن را نیز بالا می‌برد. مقدار منگنز در فولاد بین 5/0 تا 1/1 درصد وزنی است. سیلیسیم هم موجب افزایش تاب کششی فولاد شده و سختی آن را هم بالا می‌برد. نورد فولاد دارای سیلیسیم بسیار دشوار است. مقدار سیلیسیم در فولاد حدوداً 35/0 درصد وزنی می‌باشد.

تقسیم‌بندی فولاد‌ها از لحاظ میزان کربن

الف فولاد نرمه معمولی: کربن این فولاد بین 09/0 تا 22/0 درصد است (فولاد با کربن کم).

ب فولاد با کربن متوسط: کربن این فولاد بین 25/0 تا 50/0 درصد می‌باشد (فولاد متوسط).

ج فولاد با کربن زیاد: کربن این فولاد بین 60/0 تا 2/1 درصد است (فولاد سخت).

فولادهای موارد «الف» و «ب» از مقاومت و شکل‌پذیری مطلوبی برخوردارند و همچنین خاصیت چقرمگی خوبی نیز دارند. از این فولادهای در امروز ساختمانی و صنعتی استفاده می‌شود.

فولاد با کربن زیاد با عنوان «فولاد ابزار» مشهور می‌باشد و دارای مقاومت و سختی زیادی است، اما چقرمگی آن کم بوده و از آن در تهیه‌ی ابزاری همچون چاقو، ارّه، ساچمه و … بهره می‌گیرند.

آلیاژها یا هم‌بسته‌های فولاد: جهت حصول خواص مکانیکی بهتر از فولاد و بالا بردن کیفیتش، به آن عناصری را اضافه می‌کنند. در این حالت فولادی که به‌دست می‌آید را «فولاد آلیاژدار» یا «هم‌بسته‌های فولاد» می‌نامند که عمدتاً نسبت به فولادهای کربن‌دار معمولی دارای استحکام بیشتری هستند. فولادهای آلیاژی از نظر شکل‌پذیری و مشخضات شیمیایی و مکانیکی دارای خواص خوبی می‌باشند که در فولادهای معمولی وجود ندارد؛ اما در عوض، قیمت آن‌ها نسبت به فولادهای معمولی بیشتر است. از فولادهای آلیاژدار در امور ساختمانی و صنعتی استفاده می‌شود و عمدتاً در پوشش با دهانه‌های بزرگ و در جایی که به مقاومت مصالح زیادی نیاز است، کاربرد دارند، زیرا به دلیل داشتن مقاومت زیاد، ابعاد مقطع قطعات باربر کاهش می‌یابد که به نوبه‌ی خود موجب کم شدن وزن و کاهش بار مرده‌ی ساختمان می‌گردد.

البته فولادهای آلیاژی با توجه به نوعشان، موارد کاربردی دیگری نیز می‌توانند داشته باشند. عناصر مهمی که غالباً در فولادهای آلیاژی استفاده می‌شوند بدین شرح می‌باشند: سیلیسیم، منگنز، نیکل، کُرُم، مولیبدن، تنگستن، آلومینیوم، تیانیوم و وانادیم.

نکته: با افزودن 2/0 درصد مس به فولاد می‌توان مقاومت آن را در برابر زنگ‌زدگی و خوردگی افزایش داد.

شکل دادن به فولاد: برای شکل دادن به فولاد و تبدیل آن به شکل مدنظر، از این روش‌ها بهره می‌گیرند:

• فولاد ریزی
• آهنگری
• نورد زدن
• کشیدن
• پرس‌کردن

در این جا صرفاً به توضیح روش نورد اکتفا می‌کنیم. در صورت تمایل برای آگاهی از چگونگی روش‌های دیگر می‌توانید به کتب مرجع رشته‌ی مهندسی مواد مراجعه نمایید.

نورد زدن (نورد دیدن): در فرایند نورد، شمش‌های داغ و سرخ (با درجه حرارت 1050 تا 1150 سانتی‌گراد) فولادی که دارای حرارت یکنواختی است (با درجه‌ی حرارت 1050 تا 1150 سانتی‌گراد) به ترتیب معینی از داخل استوانه (قرقره و غلتک) در حال چرخش که به شکل خاصی مستقر شده‌اند، عبور می‌دهند و این عمل را تا جایی که لازم باشد تکرار می‌کنند. در نتیجه‌ی این فرآیند، قطعات نورد شده با تدریج به اشکال نیم‌رخ‌های مدنظر مانند ریل، تیرهای ساختمانی I و … تبدیل می‌گردند. نوردکاری را از لحاظ نیم‌رخ‌ها به 4 دسته می‌توان تقسیم‌بندی کرد:

• نیمرخ‌های فولادی مورد استفاده در کارهای ساختمانی و صنعتی.
• صفحات و ورق فولادی و تسمه‌ی فولادی.
• نیمرخ‌های مخصوص مثل فولاد گرد آجدار و نیمرخ‌های مخصوص پنجره و موارد مشابه آن.
• لوله‌هایی که به صورت بی‌درز، با جوش در کوره و جوش الکتریکی ساخته می‌شوند.

عملیات اصلی نوردکاری دارای مراحلی است که بدین‌شرح می‌باشند:

• آماده‌سازی مصالح جهت نورد: در این مرحله باید عیوب کلی و سطحی مصالح پیش از نورد به طور کامل کنترل و برطرف گردد.
• گرم کردن مصالح پیش از نورد: حرارت شروع و پایان نورد تأثیر بسیار مهمی در خواص مکانیکی مصالح حاصل دارند؛ لذا این حرارت باید با دقت زیادی کنترل شود.
• فرایند نورد: همان‌طور که پیش‌تر نیز بیان شد نورد یعنی عبور مصالح از داخل کالیبره‌های مختلف و قرقره‌های گوناگون. عواملی همچون ترتیب و تعداد عبورهاس متوالی و میزان تغییر ابعاد در هر عبور، چگونگی برخورد و درجه‌ی حرارت در زمان نورد، وضع قرقره‌ها و سطح هدایت پروفیل‌ها همگی در در بازدهی و خواص محصولات تأثیرگذارند. همچنین بارگذاری روی غلتک‌ها، نحوه‌ی نورد، سلسله مراتب کشیدن تدریحی و تعداد عبور در راندمان کار دارای تأثیر به‌سزایی هستند. در شکل بعدی می‌توانید تهیه‌ی مقاطع فولادی را روش نورد دین، مشاهده نمایید.

• صاف‌کاری، برش و تنظیم و اتمام در مرحله‌ی تنظیم، در این مرحله قطعات نورد شده را به اندازه‌ای مشخص برش داده و راست می‌کنند؛ همچنین عیوب مختلف آن را کنترل و برطرف می‌نمایند.

در زمان نوردکاری از مصالح نمونه‌گیری می‌کنند و آن‌ها را به روش‌های مختلفی مورد بررسی قرار می‌دهند. همچنین پس از پایان نوردکاری، خواص مکانیکی و بافت مولکولی نمونه‌ها را با تجزیه‌های شیمیایی و آزمایش‌های گوناگون بررسی می‌کنند تا مشخصات آن با استاندارد و آیین‌نامه‌های موردنطر مطابقت یابد.

غلتک‌های دستگاه نورد با توجه به شکل فرآورده‌های نورد دیده می‌توانند به شکل پایه‌دار، تخت، شیار دار و یا به شکل مخصوص مانند خمره‌ای باشند. به عنوان مثال از غلتک‌های تخت برای نورد ورق، تسمه و صفحات، از غلتک‌های شیاردار جهت تهیه‌ی مقاطع و از غلتک‌های دارای شکل مخصوص برای نورد لوله، دیسک و موارد مشابه آن بهره می‌گیرند.

برای تهیه‌ی تیر INP، فرآیند نورد در هر مرحله، با استفاده از دو غلتک انجام می‌پذیرد و در نتیجه سطوح داخلی بال‌ها شیب‌دار می‌گردد، اما برای تیر IPA و مشابه آن از شیوه‌ی جدید در مرحله‌ی پایانی نورد یعنی چهار غلتک استفاده می‌شود. بدین ترتیب تیر با سطح موازی بال و عرض تقریباً پهن حاصل می‌گردد و تهیه‌ی تیر با ضخامت جان و بال باریک نیز میسّر می‌باشد.

تهیه‌ی تیرهای بال‌پهن نورد با استفاده از 4 غلتک صورت می‌پذیرد تا شکل موردنظر به‌دست بیاید. به این نورد «نورد انیورسال» می‌گویند. در شکل بعدی مقاطع مختلف فولادی به نمایش درآمده است.

انواع فولادها

• فولادهای استاندارد اروپایی
• فولادهای نُرم آلمان که عبارتند از:
• فولاد St33: فولاد ساختمان تجارتی
• فولاد St34: برای تهیه‌ی میخ پرچ جهت اتصال فولاد St37 استفاده می‌شود.
• فولاد St37 (فولاد نُرمه‌‎ی معمولی): در ساختمان‌های فلزی دارای کاربرد بسیاری است.
• فولاد St38: جهت تهیه‌ی پیچ برای اتصال فولاد St37 مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• فولاد St42: در تهیه‌ی ورق‌های نوع خوب و هنچنین در کشتی‌سازی استفاده می‌شود.
• فولاد St44: در کارهای ساختمانی و در ساختن میخ پرچ جهت اتصال فولاد St52-3 مورد استفاده قرار می‌گیرد و جزء فولادهای اعلا محسوب می‌شود.
• فولاد St52 یا St53-2: فولادی بسیار اعلا بوده که دارای استحکام فوق‌العاده‌ای است و از آن در ساختمان‌های فلزی بسیار مهم و در پل‌های بزرگ بهره می‌گیرند.
• فولادهای St33 – St37 و St52: بیش از انواع دیگر در امورد ساختمانی از آن استفاده می‌شود.
• فولادهای St33 – St37 و St52: بیش از انواع دیگر در امور ساختمانی استفاده می‌شود.

بایستی به این موضع دقت کرد که اندیس‌های St نشان‌دهنده‌ی حداقل مقاومت نهایی کششی در آزمایش کششی نمونه‌ی فولاد برحسب kg/mm² است؛ به عنوان مثال St37، فولادی است که حداقل مقاومت نهایی این فولاد در آزمایش کششی ساده (استاندارد) برابر با kg/mm² 37 می‌باشد.

• فولادهای استاندارد آمریکایی

فولادهای ساختمانی مطابق مشخصات AISC بدین شرح می‌باشند:

فولاد ASTM A7: برای پل‌سازی و ساختمان.

فولاد ASTM A373: فولاد ساختمانی برای جوشکاری.

فولاد ASTM A36: فولاد ساختمانی.

فولاد ASTM A440: فولاد با مقاومت بالای ساختمانی.

فولاد ASTM A441: فولاد با مقاومت زیاد (آلیاژی منگنز و واندایم) ساختمانی.

فولاد ASTM A242: فولاد با مقاومت بالای ساختمانی.

فولادهای اول تا سوم از نوع فولاد کربن‌دار معمولی ساختمانی و فولاد چهارم و پنجم از نوع آلیاژی با استحکام زیاد و فولاد ششم از نوع مقاومت زیاد است. همچنین فولاد A36 یکی از پرکاربردترین فولادها به شمار می‌آید که جایگزین فولاد A7 شده است. فولاد A373 هم فولاد کربن‌دار ساختمانی است که قابلیت جوشکاری بسیار مناسبی دارد.

• فولادهای روسی: فولادها در کشور روسیه دارای انواع و اقسام مختلفی می‌باشند ولی در مجموع به دو گروه «فولادهای ساختمانی» و «فولادهای ابزار» تقسیم‌بندی می‌شوند. همچنین فولادها به صورت فولاد کربن‌دار معمولی و هم‌بسته‌های فولاد هستند. فولادهای ساختمانی که درصد کربنشان از 6/0 درصد کمتر است، به دو مدل «ساده‌ی معمولی» و «مرغوب» طبقه‌بندی می‌شوند.

در روسیه فولادهای کربن‌دار معمولی را حرفت CT و عدد 0 تا 7 نمایش می‌دهند که عدد، بیانگر نمره‌ی فولاد است. هر چقدر نمره‌ی فولاد بالاتر باشد، کربن آن بیشتر بوده و به همان نسبت سخت‌تر و قوی‌تر است. فولادهای ساختمانی مرغوب را با عدد مشخص می‌کنند که نشان‌دهنده‌ی درصد متوسط کربن (برحسب صدم درصد) می‌باشد. به عنوان مثال منظور از فولاد نمره‌ی 15، فولادی است که 15/0 درصد کربن دارد.

برای نمایش فولادهای آلیاژی در روسیه از حروف و اعداد بهره می‌گیرند. حروف، عناصر اضافی و ارقام، شاخص مقدار کربن و عناصر آلیاژی را مشخص می‌کنند. ارقام ماقبل حروف بیانگر درصد کربن (برحسب صدم‌درصد) و ارقام مابعد حروف نشان‌دهنده‌ی مقدار عناصری است که با این حروف مشخص گردیده‌اند؛ مانند 40XH و…

فولادهای آلیاژی را با توجه به کاربردشان به انواع «ساختمانی»، «ابزار» و «ویژه» گروه‌بندی می‌نمایند.

مطلب قبلی

بتن ریزی در هوای سرد و 6 نکته مهم

مطلب بعدی

طراحی نورپردازی داخلی لوکس | جدیدترین تکنیک ها