همه چیز درباره­‌ی آهن، شیوه‌­ی استخراج و تولید فولاد به صورت کامل

عنصر آهن که با نماد Fe در جدول مندلیف شناخته می­شود، پس از آلومینیوم فراوان­ترین عنصر جهان است. به­طوری که حدود 5 درصد از قشر کره­ی زمین را آهن تشکیل می­دهد. البته آهن در طبیعت عموماً به صورت ترکیبی با عناصر دیگر می­باشد و به ندرت می­توان آهن کاملا خالص را در طبیعت پیدا کرد.

غالباً آهن به صورت سیلیکات، کربنات و سولفید آهن یافت می­شود اما در معادن استخراج، آهن به­صورت اکسید وجود دارد. آهن خالص را نمی­توان در صنعت مورد استفاده قرار داد زیرا علاوه بر نرم بودن بیش از حد، استحکام مناسبی نیز برای کاربری­های صنعتی ندارد و اغلب به صورت ترکیب با عناصر دیگر (آلیاژ) مورد استفاده قرار می­گیرد. این ترکیب می­تواند با عناصر غیر فلزی و شبه فلزی مانند ( کربن، گوگرد، سیلیسیم و فسفر) و یا با عناصر فلزی مانند ( وانادیم، مولیبدن کرم، نیکل و…) صورت بپذیرد.

آلیاژهای نهایی و مهم آهن که از این ترکیبات بدست آمده و در صنعت هم در موارد بسیاری مورد استفاده قرار می­گیرد، فولاد و چدن نام دارند. در ادامه به معرفی و نحوه­ی استخراج مهمترین آلیاژ آهن یعنی فولاد می­پردازیم.

حتما ببینید: نقاشی منزل

فولاد

آلیاژ آهن و کربن به همراه برخی عناصر دیگر را فولاد می­نامند که در این بین کربن دارای نقشی اساسی و مهم بوده و درصد آن در آلیاژ، خواص اعظم فولاد را اعم از قابلیت ریخته­گری، کوره­کاری، آبکاری، نقطه­ ذوب، استحکام، سختی، مقاومت به ضربه و… معین می­کند. به عنوان مثال اگر درصد کربن در آلیاژ از 06/2 درصد کمتر باشد، آلیاژ فولاد بوده و اگر بین 06/2 تا حدود 5/4 درصد باشد، محصول را چدن می­نامند.

در فولادهایی که برای ساختمان سازی استفاده می­شود مانند فولاد st37، درصد کربن در حدود 65/0 درصد است. در شکل زیر تصویری از یک کارخانه­ی فولادسازی به­نمایش درآمده است.

در قسمت قبل اشاره کردیم که آهن در طبیعت به ندرت به صورت خالص وجود دارد و به صورت سنگ آهن یافت می­گردد. سنگ آهن متشکل از اکسیدهای آهن و ناخالصی­های گوناگون می­باشد. اکسید سیلیسیوم، گوگرد، منگنز، ترکیبات فسفر، مخلوط گل رس و در بعضی موارد کربنات کلسیم و… از جمله ناخالصی­های موجود در سنگ­آهن هستند. آماده­سازی سنگ آهن استخراج شده از معدن، در چند مرحله شامل صورت می­پذیرد که این مراحل عبارتند از: غربال کردن، خرد کردن، تغلیظ و پر عیار کردن.

معمولاً سنگ آهن به صورت روباز از معادن استخراج می­شود و پس از خرد شدن در سنگ شکن به صورت پودر در می­آید. بعداً آن را با آب مخلوط می­کنند تا به صورت دوغآب تبدیل شود و سرانجام با استفاده از روش­های تغلیظ، عیار سنگ آهن را به حدود 65 درصد می­رسانند. امروزه بحث استخراج، نگهداری و حمل­ونقل سنگ ­آهن از منظر اقتصادی بخش مهمی از چرخه­ی تولید فولاد را تشکیل می­دهد.. شکل زیر به صورت خلاصه و شماتیک مراحل تولید فولاد از سنگ آهن را نمایش می­دهد.

در داخل کوره‌های ذوب، مواد معدنی را نمی‌توان به شکل پودری استفاده کرد، بنابراین باید آن‌ها را به صورت کلوخه یا گلوله و یا اصطلاحاً گُندُله تبدیل کرد که به این پروسه، آگلومراسیون می  ‌گویند.

برای گندله کردن پودر سنگ آهن، آن را با پودر کک (نوعی زغال‌سنگ) مخلوط می‌کنند. سپس مخلوط را مرطوب کرده و آن را روی تمسه نقاله‌ی فولادی می‌ریزند. به مخلوطی که روی تسمه نقاله قرار دارد، حرارت می‌دمند تا پس از سوختن پودر کک، به یکدیگر چسبیده و کاملاً یک تکه شوند. در قسمتی که تسمه نقاله‌ی فولادی به زیر می‌چرخد، سنگ آهنِ یک تکه شده، شکسته می‌شود و به شکل گندله با قطر 10 تا 15 میلیمتر تبدیل می‌گردد.

دو روش اساسی در صنعت برای تولید فولاد وجود دارد. در روش اول با احیا کردن و ذوب سنگ آهن در کوره‌ی بلند (Blast Furnace) آهن خام را بدست می‌آورند اما در روش دوم با استفاده از احیای مستقیم و بدون ذوب کردن از سنگ آهن ، آهن اصطلاحاً اسفنجی حاصل می‌شود. از آهن خام و آهن اسفنجی می‌توان فولاد و چدن را تولید کرد. اشکال زیر تعدای از کوره‌های بلند موجود در صنعت را نشان می‌دهد.

بد نیست بدانید که در ایران تولید فولاد خام در 6 واحد تولیدی، فولاد مبارکه، ذوب آهن اصفهان، فولاد خوزستان، گروه ملی صنعتی، فولاد آلیاژی و فولاد خراسان انجام می‌گیرد که اکثر این واحدهای صنعتی از روش دوم برای تولید فولاد استفاده می‌کنند. در حالی که در کشورهای اصلی تولیدکننده‌ی فولاد مانند کانادا و ژاپن از کوره‌ی بلند برای تولید فولاد بهره می‌گیرند. همچنین بیشتر تولیدات فولاد در جهان به کشور چین تعلق دارد به ‌طوری که در سال 2005 حدود 31 درصد از فولاد جهان را چین تولید کرده است.

در ادامه به تشریح هر دو روش خواهیم پرداخت.

تهیه آهن خام با روش احیای غیر مستقیم یا روش کوره بلند

برای استفاده از این روش، سنگ آهن را پس از آماده‌سازی‌های لازم، در کوره بلند به کمک کک، گندله و آهکِ احیا تصفیه می‌کنند. مواد اولیه‌ی لازم برای کوره بلند عبارتند از:

سنگ آهن: همانطور که گفتیم، سنگ معدن آهن از اکسیدهای آهن و ناخالصی‌های گوناگون تشکیل شده است که پس از انجام مراحل آماده ‌سازی روی آن، مهیای استفاده کردن خواهد بود. جدول زیر انواع سنگ-آهن ‌های موجود در طبیعت را به همراه ترکیب شیمیایی و درصد خلوصشان نشان می‌دهد.

نام سنگ  آهن	فرمول شیمیایی	درصد آهن
مغناطیسی (مگنتیت)	Fe3O4	60 تا 70
قرمز (هماتیت)	Fe2O3	40 تا 60
قهوه­ای (لیمونیت)	2Fe2O3.3H2O	30 تا 50
کربنات آهن( سیدریت)	FeCO3	30 تا 40
سولفور آهن	FeS2	42 تا 45

سوخت کوره بلند: برای ذوب و تصفیه‌ی کوره بلند، به سوختی نیاز است که هم بتواند حرارت لازم را فراهم کند و همچنین کربن موردنیاز برای احیای اکسید آهن را نیز تأمین کند.

این سوخت باید ارزش حرارتی بالایی داشته باشد و در حین سوختن به هم نچسبد؛ همچنین بهتر است متخلخل باشد تا بتواند با عبور گازهای خروجی از خود، عملیات احتراق را آسان‌تر کند. با توجه به شرایطی که ذکر شد، مناسب‌ترین سوخت برای کوره بلند، کک است زیرا علاوه بر داشتن مزایای فوق، استحکام بالایی نیز دارد و چیزی در در حدود 11 درصد خاکستر پس از سوختن از خود برجای می‌گذارد.

سیاله ‌ها و مواد گدازآور: این مواد در داخل کوره به جریان ذوب کمک می‌کنند و باعث آسان‌تر شدن جداسازی ناخالصی از فلز مذاب می‌شوند. بدین منظور از آهک استفاده می‌کنند و این آهک با ناخالصی‌های موجود در سنگ آهن مانند سیلیسیم، گوگرد و منگنز مخلوط شده و آن را به ‌صورت سرباره به سطح مذاب می-برد.

همچنین بخوانید: پنجره

کوره بلند

همانطور که بیان کردیم که در روش احیای غیر مستقیم از کوره ‌ بلند استفاده می‌شود. کوره بلند از دو مخروط ناقص تشکیل شده که در قاعده‌ی بزرگ باهم مشترک‌اند. ارتفاع کوره‌های بلند بین 30 تا 80 متر است و قطر بزرگترین قسمتشان نیز بین 10 تا 14 متر می‌باشد.

دیواره‌ی خارجی کوره از صفحات فولادی ساخته شده و بخش داخلی آن را نیز با لایه‌ای از مواد نسوز که دمای ذوب بسیار بالایی دارند، می‌پوشانند. اصولاً از آبی که در درون سیستم آبگرد داخل دیواره‌ی کوره در جریان است، برای سرد کردن کوره استفاده قرار می‌کنند.

قسمت‌های زیرین کوره، بوته نام دارد که شکل آن شبیه به استوانه است و در آن مواد مذاب و سرباره جمع می-شوند. بوته اغلب دارای دو محل خروجی است که یکی در قسمت پایین برای خروج آهن مذاب، و یکی در بالا برای خروج سرباره تعبیه شده است. در اطراف قسمت‌های بالای بوته، شیپورک ‌هایی قرار گرفته‌اند که از آن‌ها هوای داغ با دمای 800 تا 1200 درجه سانتیگراد به داخل کوره دمیده می‌شود تا حرارت مورد نیاز برای سوختن کک را فراهم کند. شکل زیر شمای کلی یک کوره بلند و قسمت‌های مختلفان را نشان می‌دهد.

به مخروط ناقصی که در بالای بوته قرار دارد، شکم کوره می ‌گویند که البته به ناحیه‌ی ذوب نیز مشهور است. وظیفه‌ی مخروط بالایی کوره، بارگیری است. در بالای این مخروط، یک دهانه‌ی قیفی شکل وجود دارد که در زمان ریختن مواد به داخل کوره، درب آن باز می‌شود و پس از کامل ‌شدن بارگیری کوره، دوباره مسدود می‌گردد. در نزدیکی کوره بلند، بالابر مایلی قرار گرفته است که از آن برای بالا بردن واگن‌های مخصوص حمل مواد کوره استفاده می‌شود.

محصولات کوره بلند

مجموعاً محصولات کوره بلند شامل آهن خام، گاز و سرباره است. آهن خام حدوداً 3 تا 4 درصد کربن داشته و نقطه ذوبان تقریباً 1300 درجه‌ی سلسیوس است. این محصول را نمی‌توان مستقیماً در صنعت استفاده کرد زیرا نه استحکام مناسبی دارد و هم به دلیل داشتن ناخاصی ‌های بسیار دارای مقاومت به ضربه پایینی بوده و بسیار شکننده است. با تنظیم درجه حرارت کوره و کنترل میزان منگنز و سیلیسیوم  موجود در داخل آن، می‌توان دو نوع آهن خام تولید کرد که به نام‌های آهن خام خاکستری و آهن خام سفید مشهور هستند.

سرباره که به عنوان یکی دیگر از محصولات کوره بلند مطرح است، در اثر ذوب اکسیدهای ناخالصی مانند اکسیدهای کلسیم، منیزیم، آلومینیوم یا سیلیسیوم و خاکستر کک و مواد گداز آور تشکیل می‌گردد. عموماً حجم سرباره ‌  تقریباً سه برابر حجم آهن خام تولیدی است که در نهایت به حالت مذاب از کوره خارج می‌شود. شاید در ابتدا تصور این باشد که سرباره تنها یک ماده‌ی دور ریختنی است و هیچ کاربردی ندارد اما این چنین نیست و می‌توان محصولاتی را مانند آجرهای نسوز، سیمان، کود شیمیایی، پوکه، عایق حرارتی و سنگ‌های بتنی متخلخل و شکسته برای زیرسازی جاده‌ها و … از آن بدست آورد.

هر ساله حجمی در حد پنج میلیون متر مکعب گاز آر هر کوره بلند خارج می‌شود. این گاز حاوی مقادیری گردوغبار و ذرات معلق است و باید تصفیه گردد. مخلوطی از کربن  منواکسید ، کربن دی اکسید، متان و هیدروژن گازهای خروجی کوره بلند را تشکیل می‌دهد. از این گازها هم می‌توان برای کک سازی، گندله سازی، گرم ‌کن‌های کوره، توربین‌های گازی و … استفاده کرد.

تولید فولاد از آهن خام

آهن خامی که از کوره بلند بدست می‌آید، دارای ناخالصی‌های بسیاری است و به دلیل بالا بودن درصد کربن آن ( حدود 3 تا 4 درصد) قابلیت چکش ‌خواری، شکل ‌پذیری و جوش ‌کاری مناسبی ندارد؛ لذا انجام عملیاتی برای کاهش درصد کربن و سایر عناصر موجود در آهن خام مانند منگنز، فسفر، سیلیسیوم و گوگرد تا یک حد قابل قبول مورد نیاز است.

برای بدست آوردن فولاد از آهن خام سفید، روش‌های گوناگونی استفاده می‌شود که در تمامی این روش‌ها سعی بر این است که با سوزاندن و یا خارج کردن عناصر اضافی، فولاد را بدست آورند. رایج‌ترین روش‌های مورد استفاده  برای امر عبارتند از: روش اکسیژن قلیایی (LD)، روش توماس – بسمر و روش زیمنس – مارتین یا کوره باز.

تولید آهن خام با روش احیای مستقیم

در طی دو دهه اخیر و در اکثر کشورهایی که گاز طبیعی ارزان قیمتی را در اختیار دارند، مجموعه‌های زیادی برای  بدست آوردن آهن و فولاد بر پایه‌ی روش‌های احیای مسقیم کانه‌های آهن با گاز طبیعی و سپس ذوب و پالایش آن بوسیله ‌ی کوره‌ی قوس الکتریکی، تأسیس شده است.

در این روش بدون انجام عملیات ذوب، احیای سنگ معدن صورت می‌پذیرد و آهن خام حاصل از این کوره‌ها به آهن اسفنجی مشهور است که از آن با عیاری در حدود 92 تا 96 درصد در کوره‌های قوس الکتریکی برای تولید فولاد استفاده می‌کنند. در ایران نیز همزمان با توسعه‌ی کارخانه‌ی ذوب آهن اصفهان و تولید آهن و فولاد، به دلیل عدم مرغوبیت کافی زغال ‌سنگ‌های استخراجی و کک تولیدی برای دو کوره بلند کارخانه‌ی ذکر شده و همچنین وجود منابع غنی گاز طبیعی در کشور، بررسی‌های زیادی برای تأسیس مراکز تولیدی آهن و فولاد با استفاده از روش احیای مستقیم و با بهره ‌گیری از گاز طبیعی از اوایل سال 1350خورشیدی شروع شد و نخستین مجموعه‌ی تولید آهن و فولاد به روش احیای مستقیم در اهواز، احداث گردید. اشکال زیر واحدهای مختلف کارخانه فولاد خوزستان را نمایش می‌دهد.

براساس آمارهای ثبت شده، تولید آهن اسفنجی در جهان به فاصله‌ی سال‌های 2006 تا 2007 حدود 7/4 افزایش داشته که این رقم در ایران برای همین فاصله‌ی زمانی حدود 6/5 درصد رشد بوده است. به  ‌طور کلی ایران در بین کشورهای تولید کننده‌ی آهن اسفنجی پس از هندوستان بیشترین درصد تولید را در سال 2007 داشته است.

مواد اولیه‌ی مورد نیاز برای بدست آوردن آهن خام با استفاده از روش احیای مستقیم  عبارتند از: سنگ آهن تغلیظ شده، سنگ آهک، بتونیت، مواد کمک ذوب، مواد فروآلیاژی و آهن قراضه. واحدهای آماده  ‌سازی مواد خام به منظور تولید گندله، از مخلوط سنگ آهن‌های تغلیظ شده داخلی و خارجی استفاده می‌کنند.

تأثیر عناصر در فولادها

عناصری که همراه با آهن در فولادهای آلیاژی و یا غیر آلیاژی وجود دارند، به دو دسته‌ی فلزات و غیر فلزات تقسیم می‌شوند و می‌توانند در کاربردهای مختلفی روی خواص فولادها اثرات مثبت یا منفی داشته باشند. در  در دو جدول بعدی تاثیرات عناصر غیر فلزی بر فولادهای غیر آلیاژی  و همچنین تاثیرات عناصر فلزی روی فولادهای آلیاژی، آورده شده است.

عناصر	افزایش می­دهد	کاهش می­دهد
کربن	استحکام، سختی، قابلیت آبکاری	نقطه ذوب، طاقت، انبساط، قابلیت جوشکاری و کوره­کاری
سیلیسیم	الاستیسیسته، استحکام، قابلیت آبکاری عمقی، سختی در حالت گرم، مقاومت در برابر خوردگی، جداشدن گرافیت در چدن خاکستری	قابلیت جوشکاری
فسفر	شکنندگی در حالت سرد، سیلان، استحکام در حالت گرم	انبساط، مقاومت به ضربه
گوگرد	غلظت در حالت مذاب، شگنندگی براده، شکنندگی در حالت گداخته بودن	مقاومت به ضربه

 جدول تأثیر عناصر غیرفلزی بر فولادهای غیر آلیاژی

عناصر	افزایش می­دهد	کاهش می­دهد
منگنز	قابلیت آبکاری عمقی، مقاومت به ضربه، اسحتکام، مقاومت به سایش	قابلیت براده­برداری، جداشدن گرافیت در چدن خاکستری
کُرُم	سختی و استحکام، استحکام در حالت گرم، دمای آبکاری، مقاومت به سایش و مقاومت به خوردگی	انبساط (در حد کم)
مولیبدن	سختی، استحکلم در حالت گرم، پایداری	انبساط، قابلیت کوره­کاری
تنگستن	سختی، استحکام، مقاومت به خوردگی، دمای آبکاری، پایداری در دماهای بالا، برندگی	انبساط (در حد کم)
نیکل	استحکام، مقاومت به خوردگی، مقاومت الکتریکی، پایداری در دماهای بالا، قابلیت آبکاری عمقی	انبساط حرارتی
کبالت	سختی، پایداری، استحکام در حالت گرم، برندگی	پایداری، حساسیت  در دماهای بالا
وانادیم	سختی، پایداری، استحکام در حالت گرم	حساسیت در دماهای بالا

جدول تأثیر عناصر فلزی بر فولادهای آلیاژی

ساختمان 115 » مرجع کفپوش سه بعدی

مطلب قبلی

نعل درگاه و انواع مختلف آن + اصول اجرا و شیوه‌ی پیاده سازی آن

مطلب بعدی

فرایند تولید نیمرخ (پروفیل) فولادی و نورد آن به صورت کامل