آهن؛ کاربردها و انواع آن
آهن چیست؟
آهن فلزی واسطه در گروه ۸ و دوره ۴ جدول تناوبی با عدد اتمی ۲۶ است. این فلز اصلیترین عنصر سازنده هسته بیرونی و درونی زمین، چهارمین عنصر متداول در پوسته (حدود ۵%) و ششمین عنصر از لحاظ فراوانی در جهان است و دارای ۴ ایزوتوپ طبیعی می باشد. اکثر آن به شکل ترکیبی با اکسیژن به صورت سنگهای معدنی مثل هماتیت و مگنتیت یافت میشود.
این عنصر مانند عناصر هم گروه خود، دارای طیف گستردهای از حالتهای اکسیداسیون از ۲- تا ۶ است که حالت اکسایش ۲ و ۳ متداولتر است. ترکیبات آهن (II) فروس و ترکیبات آهن (III) فریک نامیده میشود.
دارای سطحی صاف و نقرهای درخشان مایل به خاکستری است. اما نسبت به اکسیژن و آب در هوای عادی واکنش داده و به شکل اکسید آهن هیدراته یا زنگ آهن قرمز یا قهوهای رنگ تبدیل می گردد. لایه اکسید شده سطح، مانع زنگ زدگی درون قطعه فلز نشده و با ادامه نفوذ حجم بیشتری از فلز خوردگی ادامه می یابد.
تاریخچه
اولین نشانه های استفاده از این فلز به زمان سومریان و مصریان بر می گردد که تقریبا ۴۰۰۰ سال قبل از میلاد با این فلز کشف شده از شهاب سنگها اقلام کوچکی مثل سر نیزه و زیور آلات می ساختند. از ۲۰۰۰ تا ۳۰۰۰ سال قبل از میلاد , تعداد فزاینده ای از اشیاء ساخته شده با آهن مذاب ( فقدان نیکل , این محصولات را از آهن شهاب سنگی متمایز می کند ) در بین النهرین , آسیای صغیر و مصر به چشم می خورد اما ظاهرا تنها در تشریفات استفاده می شد و فلزی گرانبها حتی باارزش تر از طلا به حساب می آمد.
خواص
این فلز و آلیاژهای آن پرکاربردترین نوع فلزات می باشند .هستهٔ اتمهای آن تقریباً دارای بالاترین انرژیهای اتصال در هر نکلئون است. بنابراین این فلز با روش همجوشی , سنگین ترین و با روش شکافت اتمی , سبکترین عنصری است که بصورت گرمازایی تولید می گردد. خواص مکانیکی این فلز و آلیاژهای آن عمدتاً به درجه خلوص آن وابسته است. این خواص با استفاده از آزمونهایی از قبیل برنیل و راکول یا آزمایش مقاومت کششی ارزیابی میشود.این فلز با درجه خلوص بالا دارای سختی۲۰–۳۰ برنیل است. چگالی آهن ۷۸۷۴ کیلوگرم بر مترمکعب، وزن اتمی آن ۵۵٫۸۴۷گرم بر مول و دمای جوش آن به ترتیب برابر ۲۷۵۰ درجه سانتیگراد است.
کریستالهای آهن خالص که برای مقاصد تحقیقاتی تولید شدهاند از آلومینیوم نرم ترند. اما افزودن مقادیر اندکی ناخالصی از قبیل کربن مقاومتش را دو برابر میکند و سختی نیز افزایش مییابد. به گونه ای که مقادیر مناسب (تا چند درصد) کربن و دیگر فلزات تولید فولاد میکند که میتواند ۱۰۰۰بار سختتر از آهن خالص باشد. خواص آن را میتوان با تولید آلیاژهایی از آن با استفاده از عناصر مختلف (به ویژه کربن و سیلیکون) اصلاح نمود و فولادها را ایجاد کرد.
به صورت آزاد به ندرت روی سطح زمین یافت میشود زیرا به آسانی رطوبت و اکسیژن محیط را جذب و اکسید میشود. به منظور به دست آوردن فلز آهن، اکسیژن باید از طریق واکنش کاهش شیمیایی از سنگ معدن طبیعی حذف شود.
خواص اتمی، فیزیکی و شیمیایی
- عدد اتمی :۲۶
- وزن اتمی یا عدد جرمی :۵۵٫۸۴۷g.mol -1
- شعاع اتمی:۱۲۶ pm
- تعداد پروتون ها /الکترون ها: ۲۶
- تعداد نوترون ها : ۳۰
- نقطه ذوب :۱۵۳۵ °C
- نقطه جوش : ۲۷۵۰ °C
- شعاع وان دروالس :۰٫۱۲۶ nm
- شعاع کوالانسی :۱۱۷ pm
- شعاع یونی :۰٫۰۵ nm
- ایزوتوپ :۸
- ایزوتوپ مصنوعی : ۱۶
منابع
منبع عنصر در شهابسنگها و هسته فلزی متراکم سیاراتی مانند زمین و سایر محیطهای کم اکسیژن است. فراوانی آن در سیارههای زمینسان و دیگر کرههای سنگی مانند ماه، به خاطر پدیده همجوشی هستهای در ستارهها است. زیرا در پروسه همجوشی، این فلز آخرین عنصریاست که با آزادسازی انرژی، پیش از فروپاشی انفجاری آن ستاره به صورت یک نو اختر یا ابرنواختر، و پراکندن آن در فضا، ایجاد میشود. این فرضیه وجود دارد که رنگ قرمز سطح مریخ ناشی از اکسید آهن است.
هسته زمین به طور عمده از آهن و نیکل تکیل شده است که بیش از ۳۵ درصد از جرم زمین را به خود اختصاص می دهد. این فلز از دیدگاه جرم، بزرگترین عنصر سازنده کره زمین است.آهن در اغلب رسها، ماسهسنگها و گرانیتها وجود دارد.برخی کانی های آن شامل هماتیت، مگنتیت، لیمونیت و گوتیت می باشد.دو کانی رایج و باارزش در ترکیب هماتیت و مگنتیت می باشد. هماتیت با فرمول شیمیایی Fe2O3 حاوی حدود ۷۰درصد (Fe) و ۳۰ درصد اکسیژن است. از این کانی در رنگ سازی و تولید ضد زنگها استفاده میکنند.
استخراج
این فلز از سنگ معدن هماتیت که عمدتا دارای نماد Fe2o3 است، تولید می گردد. این فلز را در کوره های بزرگ با دمای تقربی ۲۰۰۰ درجه سانتی گراد از طریق روش های کاهش شیمیایی با کربن که عنصری واکنش پذیرتر است جدا کرده و استخراج می کنند.۷۰% تولید سنگ معدن آهن در کشورهای چین , برزیل , استرالیا , روسیه و هند انجام می گیرد.مراحل آرایش سنگ های معدنی عبارت است از خرد نمودن سنگ های معدنی، دانه بندی سنگ های معدنی، پر عیارسازی (کنسانتره) سنگ های معدنی، آبگیری، تکلیس، اگومراسیون و مخلوط کردن مواد معدنی.
انواع آهن از لحاظ تولید
آهن گاما چیست؟
یکی از آلوتروپ های آهن است که در محدودهٔ دمایی ۹۱۲ تا ۱۳۹۴ درجه سانتیگراد پایدار بوده و ساختمان بلوری(fcc مکعبی مرکزپر) دارد.
آهن دلتا چیست؟
یکی از آلوتروپ های آهن است که از دمای ۱۴۰۱ درجه سانتیگراد تا ۱۵۳۹ درجه سانتیگراد (نقطهٔ ذوب) پایدار است.
دارای ساختمان بلوری مکعبی مرکزپر است. آهن دلتا دارای خاصیت پارامغناطیس بوده و ثابت شبکه ی آن بزرگ تر از آلفا است.
ثابت شبکهٔ آهن دلتا, ۲/۹۳ آنگستروم است.
آهن آلفا چیست؟
یکی از آلوتروپ های آهن است. این آلوتروپ از دمای ۲۷۳- درجه سانتیگراد تا ۹۱۰ درجه سانتیگراد پایدار است. این آلوتروپ دارای ساختمان بلوری مکعبی مرکزپر است.
ثابت شبکهٔ آهن آلفای فرومغناطیس, ۲/۸۶ آنگستروم است.
آهن بتا چیست؟
در دمای ۷۶۸ درجه سانتیگراد, آلفای فرومغناطیس به آلفای پارامغناطیس تبدیل می شود. این تحول, تحول آلوتروپیک نیست.
گاهی این آهن آلفای پارامغناطیس, آهن بتا خوانده می شود.
ثابت شبکهٔ این نوع آهن, ۲/۹ آنگستروم است
کاربردها
به دلیل قیمت ارزان و مقاومت بالای آن نسبت به دیگر فلزات، کاربرد آن از تمامی فلزات بیشتر است. برخی از کاربردهای آن عبارت است از:
- اسکلت ساختمان ها (مهم ترین کاربرد)
- بدنه اتومبیل ها
- ریل آهن
- چارچوب تجهیزات
- کشتی های بزرگ
- اکسیدهای آهن مورد استفاده برای ساخت ذخیره مغناطیسی در کامپیوتر
فرآورده های تولید شده از آهن
فرآورده های را می توان به دسته های زیر تقسیم کرد:
آهن خام
مرحله میانی مسیر سنگ آهن تا چدن و فولاد،آهن خام میباشد;آهن خام شامل۵-۴%کربن و مقادیر متفاوتی ناخالصی از قبیل گوگرد,سیلیکون و فسفر است .
چدن
به منظور به دست آوردن چدن، آهن را ذوب و در قالب های ماسه ای یا فلزی میریزند. بنابراین اولین محصول ذوب شده پس از گرم شدن همزمان کربن و آهن که محصولی بسیار محکم , سخت و شکننده است به دست می آید. این آلیاژ شامل ۲-۳ درصد کربن و مقدار کمی منگنز می باشد. همچنین ناخالصی های موجود در این فلز مانند گوگرد و فسفر که تاثیر منفی بر خواص آن دارد، در چدن تا حد قابل قبولی کاهش می یابد.
چدن چکش خوار
این نوع چدن با افزودن موادی از قبیل منیزیم و سیلیکات آهن به چدن معمولی و سپس بلوری شدن کربن به دست می آید. چدن چکشخوار از خاصیت چکش خواری و کششی بیشتری نسبت به چدن معمولی برخوردار است و در صنعت پرکاربردتر است.
چدن سفید
با سردشدن آهن مذاب این نوع چدن بدست می آید.درصدد شکنندگی آن را میتوان تنها با نرم کردن آن کاهش داد.
آهن کارشده
برای بدست آوردن باید برخی از ناخالصی های موجود در آن همچون سیلیسیم،منگنز و کربن را تصفیه نمود و این فلز ذوب شده را به شکل اسفنجی تبدیل نمود.
فولاد
معروف ترین آلیاژ آهن می باشد که از ترکیب آلیاژهای آن به همراه کربن به دست می آید و مقاومت آن بسیار بیشتر از حالت اولیه است. میزان کربن موجود در فولاد های کربنی ساده تأثیر زیادی بر خواص فولاد و انتخاب عملیات حرارتی مناسب آن دارد. به دلیل اهمیت میزان کربن در فولادها، تقسیم بندی این فولادها براساس مقدار کربن شامل فولاد کم کربن یا نرم، فولاد متوسط کربن و فولاد ابزار می باشد. این فولاد شامل مقادیر خاصی از منگنز، و سلیکون و مقادیر بسیار کمی از فسفر و سولفور می باشد.
بیشترین حد کربن در فولاد که به ندرت اتفاق می افتد، تقریباً ۲ درصد می باشد و زمانی که مقدار کربن آن بیش از این باشد، آن را آلیاژ چدن می نامند. مقدار کربن در چدن ها، معمولاً بین ۳/۲ الی ۴ درصد می باشد.
فولاد کربن
شامل ۰٫۵-۱٫۵% کربن و مقادیر کم منگنز ، گوگرد ، فسفر و سیلیکون است.
آهن ورزیده (نرم)
دارای کمتر از۰٫۵ % کربن است. محصولی محکم و چکشخوار است، اما به اندازه آهن خام گدازپذیر نیست. اگر یک لبه آن تیز شود، بهسرعت تیزی خود را از دست میدهد.
فولاد آلیاژ
حاوی مقادیر متفاوتی کربن همراه با فلزات دیگر می باشد. بیشترین عناصر شامل کروم ، وانادیم ، مولیبدن ، نیکل ، تنگستن میباشد.
آهن قراضه
ضایعاتی های حاصل از تولید فولاد می باشد.عملیات حرارتی باید با دمای مناسب انجام گیرد. این عملیات موجب تنش گیری عملیات آماده سازی، بهینه سازی ساختار دانه، افزایش قابلیت شکل پذیری، افزایش مقاومت سایشی و چقرمگی فولاد، بهبود قابلیت ماشین کاری و خواص برش، بهینه سازی خواص مغناطیسی و الکتریکی فولاد می گردد.تکنولوژی بازیافت و استفاده مجدد از آن، مواد مذاب را به صورت شمش های کوچک و بزرگ تبدیل کرده تا دوباره به چرخه تولید وارد شوند.
مراحل تولید به زبان ساده
امروزه تولید صنعتی آهن یا فولاد از دو مرحله اصلی تشکیل شده است؛ در مرحله اول، سنگ آهن با کک در کوره کاهش یافته و فلز مذاب از ناخالصی هایی مانند مواد معدنی سیلیکات جدا می شود و در همین مرحله آلیاژی تولید می گردد که حاوی مقادیر نسبتاً زیادی کربن است. سپس در مرحله دوم، مقدار کربن موجود در آهن تولید شده با اکسیداسیون کاهش یافته تا فولاد یا چدن تولید شود. در چنین مرحله ای اجازه ی افزودن فلزات دیگر برای تشکیل فولادهای آلیاژی وجود دارد و محصولات فولادی به دست آمده اغلب بعد از شکل گیری تحت عملیات حرارتی و یا گرمایشی قرار می گیرند. گرم کردن آن ها در دمای ۷۰۰-۸۰۰ درجه سانتی گراد برای چندین ساعت و سپس خنک شدن تدریجی باعث می شود که فولاد نرم و قابل استفاده باشد.
کک که از آن نام برده شد در واقع یک ماده جامد متخلخل است که کربن را برای واکنش فراهم می آورد و همچنین سوخت اصلی مورد استفاده در کوره به حساب می آید. با حرارت دادن ذغال تا ۱۲۰۰ K در غیاب هوا به مدت بیست ساعت کک ساخته می شود و همچنین گاز زغال سنگ (عمدتاً مونوکسید کربن و هیدروژن) و یک قیر سیاه که می توان از آن ترکیبات مفیدی مانند بنزن بدست آورد، نیز تولید می شود. از گاز ذغال سنگ به عنوان سوخت در محل مورد استفاده قرار می گیرد.
برخی از تامین کنندگان آهن در سناماین👇
مطالب مرتبط
کاتد مس؛ کاربرد، فرآیند تولید و انواع
۵ خرداد ۱۴۰۰پوکه معدنی و صنعتی
۵ خرداد ۱۴۰۰گندله؛ خواص، مواد اولیه تولید و روش تولید
۵ خرداد ۱۴۰۰پلی یورتان؛ کاربردها و خواص
۴ اسفند ۱۳۹۹کک متالورژی چیست؟
۲۰ بهمن ۱۳۹۹پتاس؛ کاربردها و روش تولید
۲۰ بهمن ۱۳۹۹