تاریخچه کشف و پیدایش آهن از صفر تا صد
ممکن است امروزه آهن یک فلز شکننده با خاصیت
تردی و ضعف در برابر عوامل خوردگی، زنگ زدگی و اکسیداسیون به شمار آید، اما بهتر
است بدانید در گذشته یکی از با ارزش ترین فلزات با خلوص 55 تا 69 درصد، آهن به
شمار می آمد. ارزشمندی این فلز حتی بیشتر از طلا بود. از سوی دیگر سنگ معدنی آهن
بیشتر دارای دو کانی با نام های هماتیت (Fe2O3) و مگنتیت (Fe3o4)
می باشد که هر کدام خواص و ویژگی هایی را در آن به وجود می آورند.
علاوه بر این موضوع سنگ آهن همراه با دو
کانی که به آن ها اشاره کردیم، از عناصر دیگری همانند آلومینیوم، فسفر، سیلیسیم و
منگنز نیز برخوردار می باشد. با این وجود باید گفت قدمت استفاده از آهن به سبب ضعف
هایی که در حال حاضر دارد، مشخص نیست، اما بر اساس نمونه هایی که از آهن کشف شده و
در موزه بریتانیا قرار دارند، می توان گفت قدمت این ماده پرکاربرد به حدود 3500 تا
4000 سال پیش از میلاد باز می گردد.
در ادامه جزئیات این موضوع بیشتر مورد بررسی
قرار گرفته اند. همچنین در آن زمان با استفاده از زغال چوب در دمای بالاتر از 1000
درجه سانتی گراد احیا سنگ آهن صورت گرفته و بر اساس برخی منابع در زمان روشن کردن
آتش این موضوع کشف شده است.
نحوه کشف شدن
آهن
همان طور که اشاره شد، کشف آهن در زمانی
صورت گرفته که انسان ها در حین روشن کردن آتش، شاهد سوختن زغال چوب و احیا سنگ
معدنی برای تولید آهن بودند. در واقع می توان گفت نحوه کشف این ماده بر اساس
فرآیندهای ناگهانی بوده که در آن زمان صورت می گرفته است. از این رو شواهد کشف این
ماده به حدود 1500 سال پیش از میلاد مسیح و در زمان احیا سنگ آهن بر می گردد.
دمای ذوب این ماده نیز پس از جذب کربن کاهش می
یابد. از این رو در صورتی که دمای ذوب در ابتدا 1536 درجه سانتی گراد باشد، اگر
حدود 26/4 درصد کربن به آن اضافه شود، دمای ذوب آن به 1153 درجه خواهد رسید. کشف
آهن نیز سبب شد تا یک سری کوره بسیار کوچک در جهت احیا سنگ آهن مورد استفاده قرار
بگیرند.
البته منظور از کوره یک سری کاسه های عمیق
تا ارتفاع 1 و 5/1 متر بودند که قطری در حدود 4/0 تا 8/0 متر نیز داشتند. همچنین جنس
روی این کوره ها به طور معمول از گل رس خشک ساخته می شد. یکی از مهم ترین اقداماتی
که پس از کشف آهن انجام شد، تولید آهن چکش خوار بود که در زمان گداختن آهن به
همراه کربن به دست می آید. در واقع این محصول به شکل کاملاً تصادفی در زمان تماس
زغال چوب با آتش مذاب به دست آمد.
با این حال آهن چکش خوار ساخت سخت تری نسبت
به سایر محصولات داشت، اما سازگاری آن در محیط ها و آب و هوای نامساعد سبب شده بود
کاربردهای بسیاری در موارد مختلف داشته باشد. به تدریج سازگاری آهن با سایر عناصر
سبب شد تا این فلز در ترکیب با سایر عناصر و طی فرآیندهای مختلف به محصولات متعددی
تبدیل شود.
کاشف آهن
همان طور که می دانید کاشف آهن نامشخص می
باشد و اغلب افراد این فلز را عنصری باستانی می دانند که از سنگ گرفته شده است. با
این وجود ابتدایی ترین آثار این ماده بیشتر به هند و مشرق بر می گردد. اولین قطعه
آهنی نیز که توسط بشر در ساخت ماشین آلات و ابزارها مورد استفاده قرار گرفت، حاصل
برخورد شهاب سنگ ها به زمین بود. با این وجود همان گونه که اشاره کردیم، ذوب آهن
در کوره ها در هزاره دوم پیش از میلاد مسیح آغاز شد و در حدود 1400 سال پیش از
میلاد نیز ساخته های آهنی در قلمرو هیتی ارمنستان استفاده شدند. از این رو این
موضوع به عنوان نخستین شواهد کشف آهن در نظر گرفته شد.
تاریخچه آهن
از ابتدا
تاریخچه آهن و فولاد و صنعت آن ها به صورت
کلی از اواخر قرن 19 میلادی آغاز شد و در آن زمان بود که ابتدایی ترین شرکت فولادی
در آمریکا توسط مدیریت اندرو کارنگی شروع به فعالیت کرد. با این حال از دیگر مهم
ترین اقداماتی که پس از این موضوع انجام شد، طراحی و ساخت کوره و مهندسی فرآیندهای
احیا را می توان نام برد. این فرآیندها نیز در بازه زمانی سال های 1880 تا 1950
انجام گرفت.
به کارگیری ترمودینامیک و توسعه آن نیز از
سال 1930 آغاز شد. همچنین بهتر است بدانید علم و دانش کارشناسان در زمینه واکنش
های آهن با سایر مواد و انتقال آن ها کافی نبود و پس از گذشت زمان در سال های 1950
تا 1960 تغییرات قابل توجهی در این زمینه به وجود آمد. برخی از این تغییرات شامل
افزایش دما کوره، تجهیزات شارژ بیشتر، موتورهای دمنده بهتر، افزایش حجم کوره ها،
حذف ریز دانه مواد، به کارگیری مواد دیرگداز با کیفیت بهتر و ... می باشند.
در نهایت پس از این پیشرفت ها تا سال 1950 و
احیا سنگ معدنی آهن با استفاده از کوره بلند، اصلاحاتی نیز در فرایندهای متالورژی
صورت گرفت. این موضوع به سبب درک بهتر کارشناسان از عملیات های پیش از احیا و پس
از احیا بود.
برخی از این اصلاحات نیز شامل به کارگیری کک
در سایز مناسب، بارهای آماده در قالب گندله و کلوخه، افزودن مایع، گاز، گرد زغال
سنگ یا هیدروکربن های جامد به وسیله دهانه لوله، دمیدن بیشتر اکسیژن و ... هستند.
حال تغییرات شاخص عملکرد کوره ها سبب شده تا نرخ مواد اولیه تحت تأثیر قرار بگیرد
و امروزه نیاز چندانی به پیشرفت آن ها نباشد؛ زیرا بیشتر از کوره های میدرکس یا
فولاد سبز استفاده می کنند.
تأثیر کشف
آهن در تمدن بشری
همان طور که اشاره شد، کشف آهن و انجام
عملیات های مختلف بر روی آن سبب شد تا قیمت بسیاری از مواد اولیه از جمله کک، سوخت
های فسیلی، احیا و ... تحت تأثیر قرار بگیرد. طبیعی است که این موضوع سبب افزایش
قیمت بسیاری از محصولات نیمه نهایی و نهایی آهنی و فولادی و سایر آلیاژهای این
مواد شده است، اما بهتر است بدانید کشف آهن سبب گسترش و شکل گیری بسیاری از تمدن
ها، صنایع، راه اندازی آن ها و تأمین نیازهای اصلی بشر شده است.
از سوی دیگر نیز فراوانی سنگ معدنی آهن در
کشور های مختلف و از طریق طبیعت و همچنین قابلیت های منحصر به فرد آن سبب شده تا
از آن حتی در زندگی روزمره ما در قالب قطعات لوازم خانگی، بسته بندی مواد غذایی،
وسایل و تجهیزات خانه، سقف و نمای ساختمان، ماشین آلات و ابزارها، خودروهای سواری
و ... استفاده کنند.
از این رو می توان گفت تمامی این ها سبب شده
تا کشف آهن تأثیر به سزایی در ساختارهای تمدن بشری به خصوص از نظر اقتصادی،
صادراتی و تعاملی داشته باشد. همچنین طی سالیان بسیار در میان تمامی فلزات آهن یکی
از سخت ترین و در عین حال مقرون به صرفه ترین فلزات شناخته می شود. از این رو
ابتدایی ترین استفاده از آن در ساخت سلاح ها و ابزارهای آهنی بود.
بررسی تأثیر
ورود آهن به ایران
برخی از تاریخ نویسان بر این باورند که در
ابتدا قوم های ساکن آسیا صغیر یا همان کشور ترکیه برای اولین بار آهن را از سنگ
معدنی آن تولید کردند. این تصور به حدود 1200 سال پیش از میلاد بر می گردد. از این
رو به سبب همسایگی این منطقه با فلات ایران، به کارگیری آهن و اشیا حاصل از آن به
سرعت در کشور ما نیز توسعه یافت.
یکی از باستان شناسان مشهور با نام رابرت
دایسون همواره بر این باور بود که عصر آهن و ورود آن در ایران به حدود 3500 سال
پیش باز می گردد. از این رو می توان گفت تا سلسله هخامشی نیز ادامه دار بوده؛ زیرا
با رایج شدن تولید آهن در ایران، پیشرفت قابل توجهی در فناوری و رشد اقتصادی سیاسی
کشور و همچنین ظهور تمدن های محلی به وجود آمد.
بر اساس شواهد این موضوع نیز می توان به تپه
حسنلو در نزدیکی ارومیه اشاره داشت که یکی از مراکز تمدنی عصر آهن در کشور ما می
باشد. این تپه را رابرت دایسون به همراه بقایای یک تمدن پیشرفته مربوط به عصر آهن
و ابزارآلات آهنی کشف کرد.
بررسی
استفاده از آهن در تمدن های مختلف
به صورت کلی باستان شناسان نظریه های مختلفی
در مورد زمان کشف شدن آهن دارند، اما بهتر است بدانید استفاده از این فلز سخت و
مقرون به صرفه در تمامی تمدن ها سبب توسعه و پیشرفت شده است. از این رو در ادامه
به بررسی استفاده از آهن در مهم ترین تمدن های دنیا می پردازیم:
مصر
مورخان مصری همواره بر این باورند که یک
رخداد طبیعی مانند سقوط شهاب سنگ سبب شده تا کشف آهن توسط مصریان در حدود 3000 تا
5000 سال پیش از میلاد مسیح انجام گیرد. در واقع گفته می شود مصریان باستان آهن را
از شهاب سنگ هایی که به زمین برخورد کرده، یافته اند و از این سنگ معدنی با
استفاده از فرآیند چکش کاری یا آهنگری از آن سلاح هایی نظیر سرنیزه، چاقو، شمشیر،
سگک کمربند، سپر و مواردی از این قبیل می ساختند.
بهتر است بدانید مصریان نیز یکی از اصلی
ترین فرآیندهای احیا سنگ معدنی آهن را بین سال های 2000 تا 1200 سال پیش از میلاد
انجام دادند. در این فرآیند با استفاده از حرارت دهی سنگ آهن، ناخالصی های آن کم
کم جدا می شد و ماده باقی مانده آهن خام
بود. از این رو تولید آهن در آن زمان توسط مردمان مصری یک راز باقی ماند تا زمانی
که تقریباً 1000 سال پیش از میلاد مسیح، متالورژیست های چینی، خواص آهن را کشف
کردند. البته بهتر است بدانید ابزارآلات آهنی تا حدود 500 سال پیش از میلاد با
وجود تولید، در اختیار همه افراد قرار نمی گرفت و استفاده نمی شد.
چین
همان طور که اشاره شد، حدود 1000 سال پیش از
میلاد مسیح، متالوژیست های چینی کم کم به خواص منحصر به فرد سنگ آهن پی بردند و از
این رو می توان گفت پس از مصر، تمدن چین دومین تمدن در استفاده از آهن به شمار می
آید. ابتدایی ترین نمونه هایی که از این ماده می توان در چین باستان یافت، چهار
مجسمه آهنی هستند که در خارج از معبد ژونگویی در دنگ فنگ نگهداری می شوند. باستان
شناسان بر این باورند تاریخ ساخت این مجسمه ها مربوط به سال 1024 قبل از میلاد می
باشد.
از مهم ترین تأثیرات تمدن چین بر ریخته گری
آهن، استفاده از قالب گیری به وسیله شن و ماسه در سال 645 قبل از میلاد را می توان
نام برد. پیش از این اقدام برای ساخت قطعات ریخته گری، متالورژیست های چینی از
برنز و مس استفاده می کردند. تا این که گاو آهن اختراع شد و نقش مهمی را در شخم
زدن کشاورزان ایفا کرد.
در فرآیند قالب گیری شن و ماسه نیز باید
ماسه را در اطراف یک قطعه بسته بندی کرد تا قالب ایجاد شود. سپس فلز مذاب شده را
درون قالب می ریزند و پس از تشکیل قالب فلزی، آن را شکل می دهند. البته همان طور
که می دانید نقص نهایی این فرآیند اجتناب ناپذیر است.
اروپا
استفاده و به کارگیری آهن در اروپا نیز به
گفته تاریخ نویسان صنعت متالورژی و ریخته گری نیز به دهه 1400 پس از میلاد بر می
گردد. در واقع ابتدایی ترین شواهدی که نشان از انجام این فرآیند در اروپا است، یک
لوله چدنی برای انتقال آب در قلعه دیلنبرگ در آلمان می باشد. شواهد نشان از این
است که این قطعه در سال 1355 ریخته گری شده است، اما کمی پس از این موضوع در
فرانسه و انگلیس و همچنین بورگوندی برای ساخت توپ چدنی از آهن استفاده می کردند.
همان طور که می دانید چدن یکی از ابتدایی
ترین آلیاژهای آهنی است که در آن زمان کاربردهای منحصر به فردی را به خود اختصاص
می داده است. این کشف نیز به دوران اصلاحات قرن ششم برمی گردد که به زمان خود یکی
از نقاط عطف مهم در کاربرد و استفاده از آهن به شمار رفته است.
آمریکا
ریخته گری آهن در آمریکا با چالش های تاریخی
بسیاری همراه است. به طوری که ابتدایی ترین کارخانه آهن یعنی کریک در آمریکای
شمالی و در سال 1619 تأسیس شد. این اقدام توسط شرکت ویرجینیا لندن صورت گرفت و در
نزدیکی رودخانه جیمز قرار داشت. پس از گذشت زمان این مکان توسط استعمارگران به علت
ذخایر سنگ معدنی نزدیک و دسترسی آسان به آب و نیازهای کشتی رانی اشغال شد.
اسناد و مدارک حاصل از این کارگاه نشان
دهنده این است که تجهیزات آن برای تولید آهن کافی بود، اما باستان شناسان می گویند
این تولید هرگز کامل نشد. با این وجود پس از گذشت زمان در سال 1642 نخستین کارخانه
ریخته گری آهن آمریکا در نزدیکی لین احداث شد. در واقع در این مکان اولین ریخته
گری آهن آمریکایی با استفاده از یک دیگ صورت گرفت. این کارگاه در حال حاضر یک مکان
تاریخی ملی می باشد؛ زیرا نقش مهمی را در صنعت تولید و انقلاب صنعتی آمریکا ایفا
کرده است.
انگلستان
جالب است بدانید بریتانیا ذخایر سنگ آهن
بسیار فراوانی داشت، اما به علت ظرفیت محدود کوره ها و کوچک بودن آن ها، این کشور
به شدت در سال های 1700 تا 1750 به واردات چدن از سوئد متکی شد؛ زیرا قادر به
تولید ظرفیت مورد نیاز خود با سرعت بالا نبود. البته این دوران به پیش از انقلاب صنعتی
بریتانیا بر می گردد.
از سوی دیگر آهنی که در این فرآیند تولید می
شد، بسیار شکننده همراه با ناخالصی های فراوان بود. (سوخت کوره با استفاده از زغال
سنگ) به همین علت منابع محدودی برای تأمین نیاز های آب، سنگ آهک و زغال چوب وجود
داشت. با این حال پس از گذشت زمان و اتفاق افتادن انقلاب صنعتی انگلستان، آهن به
سنگ اصلی صنعت انگلستان تبدیل شد و تا سال 1800 به عنوان محصول اصلی این کشور در
صادرات به شمار می آمد.
جمع بندی
آهن یکی از سخت ترین فلزات و در عین حال
مقرون به صرفه ترین ها به شمار می آید. بر گفته باستان شناسان این فلز در حدود
3000 تا 5000 سال پیش از میلاد مسیح کشف شده است. خواص منحصر به فرد این ماده به
تدریج کشف شد و نقش مهمی را در پیشرفت و توسعه تمدن های مختلف ایفا کرد. این ماده
چه به صورت خام در گذشته و چه در ترکیب با سایر مواد در دنیای امروزی، نقش بسیار
مهمی را در صنایع ایفا می کند. امروزه این ماده یکی از مهم ترین فلزاتی است که از
طریق آن آلیاژ هایی از جمله فولاد و محصولات حاصل از آن کاربردهای به سزایی را در
راه اندازی و توسعه صنایع و همچنین زندگی روزمره ما دارند.