آهن چیست؟

یکی از پرکاربردترین و مهم ترین فلزات جهان، آهن نامیده می شود که در جدول تناوبی و گروه 8 قرار گرفته است. ماده اولیه برای تولید آهن، سنگ آهن استخراجی از معادن می باشد و در نهایت سبب تولید آلیاژهای متعددی خواهد شد. این سنگ آهن از نظر ظاهری و نوع کانی درونی به انواع مختلفی تقسیم بندی می شود.

از مهم ترین کانی های سنگ آهن می توان به مگنتیت و هماتیت اشاره کرد. اشکال ظاهری سنگ آهن نیز پس از فراوری شامل سنگ آهن دانه بندی شده، کلوخه، کنسانتره و گندله می باشند. بر اساس گزارشات، آهن  (metal – iron) چهارمین عنصر پرکاربرد در پوسته زمین به شمار می آید، اما جالب است بدانید این فلز در خورشید و ستارگان نیز فراوان یافت می شود.

امروزه آهن نقش مهمی را در بقای موجودات زنده و انسان ها ایفا می کند. با یک مثال ساده می توان گفت این عنصر برای گیاهان سبب تولید کلروفیل شده و در حیوانات بخشی از هموگلوبین آن ها را تأمین می کند. بر اساس آمارها و اطلاعات به دست آمده از سمت انجمن شیمی، امروزه حدود 90 درصد فلز استخراج شده از معادن، آهن است که برای ساخت آلیاژهای مختلفی از جمله چدن و فولاد به کار برده می شود.

در واقع از ترکیب آهن با سایر عناصر، آلیاژ ها به وجود می آیند. فولاد نیز آلیاژی است که از طریق افزودن عناصری مانند کربن به آهن تولید شده و محصولات حاصل از آن، مقاطع و ورق های تخت فولادی هستند که کاربردهای بسیاری را در صنعت به خود اختصاص می دهند. برای درک بهتر این موضوع می توانید ورق های سیاه، روغنی، گالوانیزه، میلگرد، نبشی و ... را در نظر بگیرید. مشخصات آهن از نظر نحوه معرفی، وزن، چگالی، دمای ذوب و ... در ادامه آورده شده است.

• عدد اتمی یا تعداد پروتون های هسته آهن: 26
• نماد اتمی در جدول تناوبی : Fe
• فراوانی طبیعی: 91.754 درصد
• وزن اتمی یا جرم متوسط اتم: 55.845
• نقطه ذوب: 1.538 درجه سانتی گراد
• نقطه جوش: 2.861 درجه سانتی گراد
• چگالی: 7.874 گرم در سانتی متر مکعب
• حالت آهن در دمای اتاق: جامد
• تعداد ایزوتوپ ها: 33
• ایزوتوپ های پایدار: 4
• رایج ترین ایزوتوپ ها: آهن_56،

تاریخچه آهن

در مورد تاریخچه آهن بهتر است بدانید بر اساس آمار ها و اطلاعات باستان شناسان، این فلز حدود 5000 سال پیش کشف و تا به امروز مورد استفاده قرار گرفته است. در سال 2013 نیز پژوهشی بر روی قطعات آهنی به دست آمده از مصر باستان انجام شد که بنا بر آن مشخص گردید که قدمت آن ها به حدود 3200 سال قبل از میلاد باز می گردد. جالب است بدانید این قطعات به وسیله شهاب سنگ های آهنی ساخته شده و در کتاب مقدس مسیحیان نیز به این عنصر اشاره شده است.

در آن زمان نیز با کشف معادن سنگ آهن بود که این عنصر شناخته شد. ابتدا سنگ آهن به صورت خام مورد استفاده قرار می گرفت، اما با گذشت زمان با جدا کردن عناصر اضافی از آن، آهن در اشکال مختلف تولید و مورد استفاده قرار گرفت. امروزه این فلز دارای آلیاژهای متعددی است که از فرآوری سنگ آهن و سپس ترکیبات مختلف تولید می شوند؛ در نتیجه می توان گفت آهن در گذشته فلزی کمیاب و حتی با ارزش تر از طلا شناخته شده و امروزه به عنوان ماده اصلی تولید بسیاری از آلیاژها و محصولات به کار برده می شود.

خواص آهن

آهن یکی از مهم ترین فلزات دوران زندگی بشر به شمار می آید و از این رو خواص زیادی را به خود اختصاص می دهد. این خواص از فرآوری سنگ آهن و قابلیت ترکیب شدن عناصر مختلف با آهن تا قابلیت بازیافت صد درصد و خلوص این ماده ادامه دارند. از جمله این ویژگی ها می توان به توانایی فرومغناطیسی، نرمی، چکش خواری، هزینه کم، حل پذیری و رسانایی اشاره داشت که در ادامه به شرح جداگانه هر کدام می پردازیم.

توانایی فرومغناطیسی

همان طور که اشاره شد، کانی های درونی سنگ آهن سبب ایجاد خواص مختلف در آهن خام خواهند شد. معمولاً آهن خام دارای عیار 68 درصد است. اگر سنگ آهن استخراجی از معادن، از نوع مگنتیت باشد، خاصیت آهن ربایی داشته و سبب تولید آهن با خاصیت فرومغناطیسی خواهد شد.

نرمی

بدیهی است که آلیاژهای آهن مانند فولاد و چدن با داشتن ترکیبات عناصر مختلف، دارای استحکام و مقاومت فوق العاده ای در برابر عوامل مختلف هستند، اما آهن خالص به تنهایی نوعی فلز نرم به شمار می آید که برای افزایش استحکام نیاز به ترکیب شدن با عناصر دیگر دارد.

قیمت مقرون به صرفه

آهن خام امروزه از طریق معادن سنگ آهن با بهترین خلوص توسط منابع کشورهای مختلف به دست می آید و قیمت مقرون به صرفه ای دارد. با این حال بدیهی است که قیمت آهن بر تمامی آلیاژهای آن از جمله مقاطع فولادی و چدنی تأثیر داشته، اما نرخ آن بسته به درصد خلوص سنگ آهن، کشور تولید کننده، کاربری نهایی، نوسانات ارزی، میزان بهره برداری از معادن، نحوه استخراج و فراوری متغیر است.

قابلیت چکش خواری

چکش خواری آهن به علت نبودن کربن در عناصر تشکیل دهنده آن نیز به راحتی امکان پذیر است. در واقع این فلز به راحتی تحت فشار تغییر شکل می دهد.

خاصیت حل شونده

آهن به راحتی در اسیدهای رقیق حل شده و از این رو خاصیت تطبیق پذیری به آن اختصاص داده شده است.

رسانایی

در نهایت باید گفت آهن از نظر الکتریسیته و گرما رسانا بوده و نوع مگنتیت آن نیز به راحتی خواص آهن ربایی و مغناطیسی ایجاد می کند.

بزرگترین منابع آهن در جهان

آهن خالص از طریق معادن سنگ آهن، استخراج و فراوری این ماده حاصل می شود. درصد خلوص آهن خروجی بسته به سنگ آهن استخراجی داشته و متغیر می باشد. بزرگ ترین منابع سنگ آهن در جهان، داخل کشورهای برزیل، استرالیا و آمریکا هستند. با این حال با گذشت زمان معادن مختلف در سرتاسر جهان از جمله کشور ایران کشف شد و همین موضوع سبب پیشرفت و وارد شدن کوره های مذاب با تکنولوژی به روز در این صنعت شده است. بزرگ ترین منابع تولید کننده آهن جهان در ادامه آورده شده اند:

• کشور چین
• کشور برزیل
• کشور کانادا
• کشور استرالیا
• کشور هندستان
• کشور ژاپن
• کشور آمریکا
• کشور روسیه
• کشور آلمان

روش­ های استخراج آهن

به طور کلی بسته به معدن سنگ آهن، عمق سنگ، شکل آن، مسائل اقتصادی، ماشین آلات و کشور تولید کننده آهن، دو روش اصلی برای استخراج سنگ آهن وجود دارد حکه شامل استخراج رو باز یا سطحی و زیر زمینی هستند. بیشترین معادن دنیا به صورت سطحی و رو باز کشف شده و از این رو استخراج در آن ها نیز به صورت سطحی انجام می گیرد. با این وجود روش های استخراج در هر عملیات 4 مرحله دارد:

حفاری

ابتدا چند چاله را با الگوی مشخص شده از قبل و ماشین آلات مخصوص حفاری، ایجاد کرده و مواد منفجره را درون آن ها قرار می دهند.

انفجار

در این مرحله، مکان مورد نظر کاملاً تخلیه شده و کارکنان در محل ایمن قرار می گیرند تا انفجار صورت گیرد. به طور معمول مواد منفجره در استخراج سنگ آهن و خرد کردن آن، می توانند امولسیون و مخلوط نیترات آمونیوم و بنزین (آنفو) باشند.

بارگیری

سنگ های خرد شده پس از مرحله انفجار به وسیله کامیون و شاول های مخصوص بارگیری می شوند. شاول وسیله ای است که توسط آن سنگ های خرد شده از روی زمین به داخل قسمت باربری کامیون منتقل می شوند. گنجایش آن ها نیز بسته به مدل ماشین از 2 تا 10 متر مکعب متغیر است.

باربری

آخرین مرحله باربری است که با استفاده از کامیون ها یا دامپتراک ها که ظرفیتی در حدود 100 تن دارند، سنگ ها را به کارخانه های تولید کننده آهن ارسال می کنند.

فرآیند تولید آهن

به طور کلی دو روش برای فراوری سنگ آهن و تولید آهن در انواع مختلف وجود دارد که شامل روش کوره بلند و قوس الکتریکی می باشند:

روش کوره­ بلند

اغلب کشورهای تولید کننده آهن، این فلز را به روش کوره بلند تولید می کنند. در این روش یک سری مواد اولیه افزودنی به همراه سنگ آهن استخراج شده از معادن درون کوره های بلند ریخته می شوند. از جمله این مواد می توان به آهک و کک اشاره کرد که به تدریج و به صورت لایه لایه به سنگ آهن داغ شده در دمای 300 درجه سانتی گراد اضافه می شوند.  

در این دما کک با استفاده از دمش هوا و اکسیژن حرارت دیده تا گرمای لازم برای ذوب و احیای سنگ آهن به وجود آید. با افزایش درجه حرارت کوره، مونواکسید کربن آزاد شده و در نهایت آهن خالص با عیار مشخص که معمولاً حدود 68 درصد است، به دست می آید. در مورد کک باید گفت، یک ماده جامد و متخلخل بوده که با سوختن آن، کربن مورد نیاز فرآیند احیا تأمین می شود و در زمان سوخت نیز مواد به یک دیگر نمی چسبند.

روش قوس الکتریکی

روش قوس الکتریکی با وجود جدیدتر بودن، کمتر مورد استفاده کشور های تولید کننده آهن قرار می گیرد. در این روش معمولاً از آهن اسفنجی و قراضه فولاد استفاده می کنند. آهن اسفنجی دارای عناصر کربن در حدود 1/7 درصد و عیار آهن 92 درصدی است و ساختاری متخلخل دارد. این ماده از طریق روش احیا مستقیم سنگ آهن تولید می شود و به همراه آهک و کک داخل کوره قوس الکتریکی ریخته می شود. حذف ناخالصی های این ماده سبب استفاده از آن به عنوان شمش فولاد در واحد های ریخته گری خواهد شد.

انواع آهن

ابتدا بهتر است بدانید آهن از نظر ترکیبات شیمیایی و محصولات نهایی به انواع مختلفی تقسیم بندی می شود که در ادامه به شرح اختصاری هر کدام پرداخته ایم. لازم به ذکر است این فلز هم به صورت ترکیبی و هم به صورت خالص در صنایع مورد استفاده قرار می گیرد، اما بخش مهمی از آن برای تولید آلیاژهای مختلف به کار برده می شود.

آهن خالص:

این آهن ابتدایی و خام بوده و درون آن ممکن است عناصری مانند کربن (C)، کربوران (Cr)، منگنز (Mn)، نیکل (Ni)، فسفر، گوگرد، سیلیکون و ... وجود داشته باشند. این نوع آهن خام بوده و ترکیبات عمومی آن شامل این عناصر هستند. این آهن در مرحله میانی تبدیل سنگ آهن به چدن و فولاد اهمیت دارد.

اکسیدهای آهن:

این نوع از آهن در زمان ترکیب شدن با عناصر دیگر، خواص مغناطیسی و آهن ربایی خود را حفظ کرده و از این رو برای ساخت ذخیره مغناطیسی کامپیوترها به کار برده می شود.

آهن ورزیده:

این نوع با نام آهن نرم نیز شناخته شده و درصد کربن آن کمتر از 5/0 درصد است. البته بهتر است بدانید آهن ورزیده به اندازه نوع خام آن گدازپذیر نبوده و قابلیت چکش خواری و تحمل ضربه را دارد.

آهن ترکیبی یا آلیاژی:

همان طور که از نام این فلز پیداست، از طریق ترکیب آهن با عناصر مختلف، تولید می شود و آهن ترکیبی یا آلیاژ نام دارد. یکی از تفاوت های بارز این نوع آهن با سایر انواع آن، در میزان به کار رفتن عناصری مانند کربن، وانادیوم، مولیبدن، کروم ، تنگستن، نیکل و... است. حال می توان آهن را از نظر آلیاژ به انواع مختلفی تقسیم بندی کرد:

• فولاد
• فولاد ضد زنگ (دارای عناصری مانند کروم و نیکل است.)
• آهن مس ( مورد استفاده در ساختارهای فضایی مغناطیسی متغیر )
• آهن و نیکل:  یک نوع آهن آلیاژی مقاوم در برابر اسید و حرارت
• آهن و منگنز (Manganese):که دارای دوام و استحکام بالایی است.
• آهن و تنگستن:  افزودن تنگستن (Tungsten) به آهن، سبب تولید یک آلیاژ با قابلیت حفظ سختی به خصوص در دمای زیاد خواهد شد.

فرفورژه یا گل آهن:

یکی از اولین آهن هایی که توسط سازندگان و آهنگران ساخته شد و مورد استفاده قرار گرفت فرفورژه یا گل آهن نام دارد. در واقع این آهن همان آهن خالص است که قبل از چکش خواری، در کوره گرم می شود. کاربرد های بسیاری برای این نوع آهن به خصوص در زمان انقلاب صنعتی وجود داشت که به سبب مقاومت کششی بالای آن به خصوص در برابر فشار بود؛ بنابراین از آن برای تولید تیرها در ساخت و سازهای بزرگ مانند پل ها و ساختمان های مرتفع استفاده می کردند.

چدن (Cast Iron):

چدن یکی از آلیاژهای اصلی آهن به شمار می آید که از ترکیب کردن این فلز و کربن و مقداری منگنز تولید می شود. میزان کربن در این ماده بیشتر از 2 درصد بوده و از این رو سختی بالایی را به خود اختصاص می دهد. این ترکیب پس از ذوب داخل قالب مخصوص ریخته می شود. تفاوت چدن با آهن خالص نیز در نیاز نداشتن به چکش و ابزارهای دیگر در طی فرآیند تولید است.

همچنین چدن به سبب داشتن ترکیبات عناصر مختلف درون خود، ناخالصی ها و در نتیجه ویژگی های منفی بسیار کمتری دارد. این ماده بسیار سخت و شکننده بوده و از سوی دیگر مقاومت بالایی در برابر سایش دارد.

فولاد ((Steel

مهم ترین و پرکاربردترین آلیاژ آهن فولاد نام دارد. بهتر است بدانید 90 درصد آهن های تولید شده توسط کشورهای مختلف برای تولید فولاد و محصولات متنوع آن به کار برده می شوند. این ماده دسته بندی های زیادی داشته و از ترکیبات عناصری مانند کربن (در حدود 5/0 تا 5/1 درصد)، گوگرد، سیلیکون، منگنز، کروم، فسفر و ... است. این آلیاژ به سه دسته کم کربن، کربن متوسط و پرکربن تقسیم بندی شده که هر کدام کاربردهای مختلفی را در صنایع (به عنوان ورق های سیاه، روغنی، گالوانیزه، قلع اندود، رنگی، میلگرد، نبشی، تیرآهن و ...) به خود اختصاص می دهند، اما دسته بندی اصلی آن به صورت زیر است:

• فولاد ضد زنگ: این نوع فولاد دارای حداقل 5/10 درصد عنصر کروم در درون خود می باشد که سبب مقاومت محصول در برابر عوامل زنگ زدگی، رطوبت و خوردگی خواهد شد. کاربرد فولاد ضد زنگ در موارد و مکان هایی است که در معرض این عوامل قرار داشته باشند.
• فولاد کربنی: این آلیاژ خیلی شکننده یا انعطاف پذیر نیست، چکش خوار است و استحکام کششی کمی دارد.

حتما بخوانید:تفاوت آهن و فولاد

کاربرد آهن

همان طور که ذکر شد، آهن با داشتن ترکیبات عناصر مختلف و فراوری سنگ آهن مگنتیت یا هماتیت، انواع مختلفی داشته و از این رو کاربردهای بسیاری را در نهایت به خود اختصاص می دهد. البته در درجات کمتر هم می توان آهن را از مواد معدنی تاکونیت، لیمونیت و سیدریت استخراج کرد. از مهم ترین کاربردهای آهن می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• ساخت مقاطع و ورق های تخت فولادی و در نتیجه به کارگیری آن ها در صنایعی مانند ساخت و ساز، پتروشیمی، ساخت مخازن، لوله سازی، خودروسازی، لوازم خانگی، بسته بندی، الکترونیک، برق و ...
• ساخت فولاد آلیاژی مانند فولادهای کربنی به همراه عناصر افزودنی مانند نیکل، کروم، وانادیوم، تنگستن، منگنز و...
• از این آلیاژها برای ساخت پل، دکل برق، زنجیر دوچرخه، ابزار برش و لوله تفنگ استفاده می شود.
• در ساخت چدن با درصد کربن 3 تا 5 و به این عنوان برای ساخت لوله ها، شیرآلات و پمپ ها استفاده می شود.
• کاتالیزورهای آهن هم در فرآیند هابر و برای تولید آمونیاک به کار برده می شوند.
• ساخت آهن ربا
• ورق های فولادی (سیاه، گالوانیزه، روغنی، اسیدشویی و ...)
• ورق آجدار
• تیرآهن
• میلگرد
• نبشی
• ناودانی
• پروفیل
• لوله و…

جمع بندی

در نهایت باید گفت آهن یکی از رایج ترین فلزات در دنیای امروزی و در اشکال مختلف شناخته می شود. این فلز 90 درصد محصولات صنایع را تشکیل می دهد و در جدول تناوبی گروه 8 قرار گرفته است. بهتر است بدانید که هر کدام از ترکیبات مختلف آهن، بسته به اندازه و نوع ترکیبات، خواص و کاربردهای مختلفی در صنایع و فناوری‌های امروزی دارد. ماده اولیه برای تولید آهن، سنگ آهن است که از معادن استخراج شده و پس از فراوری ناخالصی های آن جدا شده تا در نهایت آهن خام با خلوص 90 درصد به دست آید.

جالب است بدانید سنگ آهن دارای کانی های مختلفی می باشد که ویژگی این کانی ها بر آهن خام به دست آمده، مؤثر است. به طور مثال می توان مگنتیت را مثال زد که با داشتن خاصیت مغناطیسی سبب ایجاد این ویژگی در آهن خالص نیز می شود. همچنین به سبب ویژگی هایی مانند چکش خواری، نرمی، قیمت مقرون به صرفه، خاصیت حل شوندگی و رسانایی از آهن برای ساخت فولاد و چدن و آلیاژهای آن ها استفاده می کنند.

آهن انواع مختلفی داشته از مهم ترین آن می توان به آهن خالص، ورزیده و ترکیبی اشاره شد. آهن ترکیبی مانند آلیاژ از ترکیب این ماده با یک ماده یا عناصر آلیاژی دیگر تولید می شود. به طور مثال فولاد به عنوان مهم ترین آلیاژ این ماده نیز از ترکیب آهن با کربن به دست می آید. لازم به ذکر است تولید آهن به سادگی نیز نبوده و این ماده از طریق روش های کوره بلند، کوره قوس الکتریکی و القایی ساخته می گردد. در پایان می توان گفت امروزه آهن به عنوان ابتدایی ترین فلز کاربردهای بسیاری را در صنعت به خود اختصاص داده است. از جمله این صنایع نیز می توان به فولادسازی و محصولات و مقاطع آن، ساخت ماشین آلات، تولید دستگاه های مختلف صنعتی، ساخت آلیاژهای متفاوت و ... اشاره کرد.