تاریخچه کشف و پیدایش آهن از صفر تا صد

به طور کلی آهن یکی از اصلی ترین و ابتدایی ترین فلزاتی است که توسط بشر کشف گردید. برای استخراج این ماده به شکل اقتصادی، معمولاً از ذخایر سنگ آهن با خلوص آهن بیشتر از 55 تا 69 درصد استفاده می شود. سنگ معدنی آهن نیز معمولاً همراه با دو کانی اصلی هماتیت(Fe2O3)  و  مگنتیت (Fe3o4) در معادن یافت می شود. در این سنگ آهن هایی که حاوی کانی های ذکر شده هستند، معمولاً عناصری مانند آلومینیوم، سیلیسیم، فسفر و منگنز نیز یافت می گردد.

این کانی ها به صورت کلی با کانی های فراوان زمین مانند شن، صخره و خاک رس ترکیب شده که برخی از آن ها ویژگی های منفی داشته و باید طی فرآیند فراوری همراه با ناخالصی های سنگ آهن جدا شوند. از سوی دیگر آهن بسیار سازگار با عناصر دیگر می باشد و آلیاژهای مختلفی از آن تولید می شود، اما ممکن است بگویید این ماده به همراه آلیاژهایش از چه زمانی کشف شدند؟ به طور کلی بهتر است بدانید فلزاتی که به وسیله آهن ساخته شده اند، شامل آهن کار شده یا شهاب سنگ، چدن و فولاد هستند که از مهم ترین آن ها در زندگی امروزه می توان به فولاد و سپس چدن اشاره کرد.

با این وجود باید گفت آهن به دلیل ضعفی که در برابر زنگ زدگی و خوردگی دارد، قدمت استفاده از آن مشخص و دقیق نیست. همچنین ابتدایی ترین نمونه هایی که از آهن وجود دارد، در موزه بریتانیا هستند و به 3500 تا 4000 سال قبل از میلاد باز می گردند. همچنین به وسیله زغال چوب در دمای بالاتر از 1000 درجه سانتی گراد، احیا اکسید آهن انجام گرفته و گفته می شود این موضوع در زمان روشن کردن آتش کشف شده است.

نخستین شواهد کشف آهن

به طور کلی اولین شواهد از کشف آهن مربوط به 1500 سال پیش از میلاد است که به وسیله احیا سنگ آهن، آهن ساخته شد. دمای ذوب آهن پس از جذب کردن کربن کاهش می یابد؛ در صورتی که در ابتدا دمای ذوب آهن خالص حدود 1536 درجه سانتی گراد می باشد و در زمانی که حدود 26/4 درصد کربن جذب کند، دمای ذوب به 1153 درجه سانتی گراد می رسد.

جالب است بدانید در آن زمان کوره هایی بسیار کوچک برای احیا سنگ آهن به کار برده می شدند و شبیه به یک کاسه عمیق با ارتفاع 1 تا 5/1 متر بودند. قطر این کوره ها نیز در حدود 4/0 تا 8/0 متر بود و پوشش آن ها نیز از گل رس خشک ساخته شده بود. همچنین فرآیند احیا به وسیله ذغال چوب انجام می گرفت.

در این کوره ها اکسیژن به وسیله دمیدن هوا از دهان داخل یک سری لوله به وجود می آمد که پس از گذشت مدتی به جای آن از دمنده استفاده می کردند. این هوا سبب سوختن ناقص کربن و تولید مونوکسید کربن و حرارت شده تا دمای کوره نیز به تدریج بیشتر شود. واکنش مونوکسید کربن نیز به صورت زیر نمایش داده می شود:

Fe-oxide(s) + Co(g) = Fe(s) + CO2(g)

البته این معامله تنها شکل کلی فرآیند را نشان داده است؛ زیرا در کوره های کوچک قدیمی رسیدن به دمای بالا در حدود 1100 درجه سانتی گراد مشکل بود و کربن زیادی توسط آهن جذب نمی شد. عمل ذوب در این عملیات به خوبی انجام نمی گرفت و آهن به صورت داغ و به شکل جامد با برخی از سرباره هایی که ذوب سریع تری داشتند، ترکیب می شد و آهن بسیاری در خود داشت. سپس با استفاده از عملیات چکش خواری و گرمادهی متوالی، حجم زیادی از سرباره ها خارج می شد و آهن جامد یا همان اسفنجی به صورت خالص باقی می ماند. البته این آهن درصد کربن پایینی داشت و بعدها با نام آهن کار شده شناخته شد.

ساخت آهن در سال های 1880 تا 1950

صنعت آهن و فولاد در آمریکا از اواخر قرن 19 میلادی شروع به فعالیت و رشد کرد. اولین شرکت فولادی نیز در آمریکا توسط اندرو کارنگی به همراه صنعت فولاد در اروپا تأسیس شد که از مهم ترین اقدامات تولیدات فولاد و آهن در این دوره بود. با این حال بیشترین کارهایی که در زمینه تولید آهن و فولاد انجام گرفت مربوط به طراحی کوره ها، مهندسی فرآیند احیا و ... بود که از سال 1880 تا 1950 به طور انجامید و تأثیر خاصی در روند تولیدات ایجاد نشد. علت این موضوع مربوط به ویژگی های متالورژیکی و فیزیکوشیمیایی واکنش های کوره بلند بود که دانش بسیار محدودی برای آن ها وجود داشت.هن

همچنین استفاده از ترمودینامیک و توسعه آن در سال 1930 شروع شد. علم و دانش کارشناسان نیز در زمینه سینتیک واکنش ها و انتقال تا سال 1950 پیشرفت خاصی نداشت، اما پس از گذشت زمان بین سال های 1950 تا 1960 تغییرات قابل توجهی در این زمینه ها به وجود آمد.

از سوی دیگر کوره شبیه به یک جعبه سیاه که وضعیت داخلی آن ناشناخته بود، دیده می شد. تنها برخی اطلاعات در مورد ورودی و خروجی آن وجود داشت، اما نخست تغییرات در این مورد در دهه 50 میلادی در زمانی که ژاپن به وسیله گاز نیتروژن سرد کردن کوره بلند را انجام داده بود، اتفاق افتاد. در نهایت کوره به بخش های گوناگون تقسیم شد تا آزمایش ها در هر قسمت به صورت جداگانه انجام شوند. با این حال تغییرات تکنولوژی تا سال 1950 به شرح زیر بود:

 

 

·         موتورهای دمنده بهتر

·         افزایش دما کوره

·         افزایش اندازه و حجم کوره ها

·         تجهیزات شارژ بیشتر

·         مواد خام اولیه آزمایش شده

·         حذف ریزدانه های مواد به وسیله غربالگری

·         پاکسازی گاز کوره بلند

·         استفاده از مواد دیرگداز بهتر

·         اصلاح پوشش کوره

·         بهبود تأسیسات چند کاره

·         اندازه گیری دقیق و سریع دمای ترکیبات ورودی و خروجی به کوره

ساخت آهن پس از سال 1950

همان طور که اشاره شد، تا سال 1950، پیشرفت های قابل توجهی در ساخت کوره بلند جهت احیا سنگ معدنی آهن انجام شد و این موضوع به علت پیشرفت علم و به دست آوردن درک بهتر کارشناسان این زمینه از عملیات های داخل و خارج کوره ها بود. با این وجود بسیاری از اصلاحات هم در زمینه مهندسی و طراحی و هم در فرآیندهای متالورژی انجام گرفت که برخی از آن ها شامل استفاده از کک در سایز و کیفیت مناسب، استفاده از بارهای آماده شده در قالب کلوخه و گندله، افزودن مایع، گاز، گرد زغال سنگ یا هیدروکربن های جامد با استفاده از دهانه لوله، دمیدن بیشتر اکسیژن سیستم شارژ بهتر و کنترل فرآیندها به وسیله مانیتورهای مخصوص می باشند.

برخی از منابع و تحقیقات نشان می دهند به سبب تغییراتی که در شاخص عملکرد کوره ها در سال 1960 تا 1990-2000 انجام گرفته است، شاخص هایی مانند قیمت سوخت، بهره وری، طول عمر کوره ها، سطح سیلیسیم و ... نیز تحت تأثیر قرار گرفته است. حتی امروزه این کوره ها به نقطه اوج عملکرد خود رسیده اند و نیازی به پیشرفت بیشتری نیست؛ زیرا در بیشتر کشورها فولاد سبز یا استفاده از کوره های میدرکس رواج یافته است.

تاریخچه کشف آهن در مصر

برخی از تحقیقات در زمینه کشف آهن نشان می دهند کشف آهن در ابتدا به دست مصریان حدود 3000 تا 5000 سال پیش از میلاد مسیح صورت گرفته است و به وسیله چکش کاری آن، ابزار، سلاح، سرنیزه، چاقو، سگک کمربند و ... ساخته می شد. برخی از باستان شناسان به این دوران، عصر آهن می گویند.

آهن در چین

چین اثرات بزرگی در سیر تکامل ریخته گری آهن داشته که در سال 645 پیش از میلاد اتفاق افتاده است. در این فرآیند ماسه به شکل محکم در اطراف یک قطعه بسته بندی شده و سبب ایجاد یک قالب خواهد شد. سپس فلز مذاب در قالب ریخته شده و اشکال متنوع در اندازه های مختلف به وجود آمدند. این مورد اولین استفاده از فرآیند قالب گیری به وسیله شن و ماسه است.

آهن در اروپا

تعدادی از تاریخ نویسان متالورژی می گویند تاریخچه ریخته گری آهن در اروپا در دهه 1400 پس از میلاد شروع شده است و اولین شواهد این اتفاق، یک لوله چدنی می باشد که برای انتقال آب در قلعه دیلنبرگ آلمان مورد استفاده قرار گرفته است. گفته می شود ریخته گری این لوله در سال 1455 انجام گرفته است. پس از این اتفاق نیز در بورگوندی، فرانسه و انگلیس نیز از قطعات چدنی برای ساخت توپ در قرن 16 استفاده می شد که نقطه عطف کشف آهن و کاربرد آن است.

آهن در 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. 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) 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

در نهایت باید گفت آهن یکی از مهم ترین و اصلی ترین فلزاتی است که توسط بشر کشف گردیده است؛ زیرا 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. با این وجود تاریخچه کشف آن به حدود 4000 سال پیش از میلاد بازمی گردد.