تعریف آهن و فولاد چیست؟
آهن و فولاد دو عنصر اساسی در صنعت فلزی هستند. آهن، فلزی است که در طبیعت به صورت خام وجود دارد و برای تولید فولاد مورد استفاده قرار می‌گیرد. در حالت آزاد، آهن برای انسان‌ها ضروری نیست، اما وجود آن در انواع زیادی از مواد به ظهور می‌آید، از جمله دانه‌های مشغول، نقره، سنگ‌های قیمتی، شن و ماسه و بسیاری از سنگ‌های دیگر.
فولاد به‌عنوان یک آلیاژ از آهن، در مقایسه با آهن خام، خواص فیزیکی و مکانیکی بهتری دارد، به طوری که مورد استفاده در انواع مختلف صنایع، از جمله خودروسازی، ساخت و ساز، صنایع دریایی، خدمات ریلی و معدنی، صنایع دفاعی و غیره قرار می‌گیرد. با ترکیب آهن با کربن، آلیاژ فولاد تولید می‌شود، که شامل حدود ۰.۰۴ تا ۲٪ وزنی کربن است و متغیرهای دیگری مثل نیکل، کروم، و مولیبدن نیز ممکن است به‌طور جزئی در فولاد دخیل شوند.
تولید فولاد به صورت صنعتی، با استفاده از فرآیند ذوب و ریخته‌گری انجام می‌شود. در این فرآیند، آهن ابتدا در کوره‌های ذوب قرار می‌گیرد و با اضافه کردن بعضی از آلیاژهای مختلف، و علاوه بر آن، با استفاده از فناوری‌های جدید و دستگاه‌های پیشرفته دیگر، به فولاد مناسب تبدیل می‌شود. برای کنترل خواص فولاد و تولید فولاد‌های خاص، روش‌های پیشرفته‌ای مانند حرارت‌درمانی، شبیه‌سازی فرآیند و برش و تیزکاری همچنان در حال توسعه هستند.
انواع آهن و فولاد
آهن و فولاد از مهمترین فلزات مورد استفاده در صنعت و ساختمان‌سازی هستند. آهن از سنگ آهن به دست می‌آید و بعد از ذوب شدن به فولاد تبدیل می‌شود. آهن دارای خواصی مانند سختی، تحمل فشار، مقاومت در برابر گرما و سایش است. در ادامه به بررسی انواع آهن و فولاد پرداخته می‌شود.
1- آهن سفید: دارای خواص فوق‌العاده سختی است و برای تولید تیغه‌های چاقو، برش سیم فلزی و تولید تجهیزات جوشکاری استفاده می‌شود.
2- آهن خاکستری: دارای خواص انعطاف پذیری بالا است و برای تولید قطعات ماشین‌آلات، پیچ و مهره و نوار فولادی استفاده می‌شود.
3- فولاد دوار: دارای سختی بالایی است و در تولید شفت‌ها و بلبرینگ‌ها به کار می‌رود.
4- فولاد ضدزنگ: دارای مقاومت بالا در برابر زنگ زدگی است و برای تولید تجهیزات پزشکی، صنعت خودروسازی و صنایع شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
5- فولاد ابزار: دارای خواص فوق‌العاده سختی و مقاومت در برابر سایش است و برای تولید ابزارهای دقیق مانند سرگرد برقی و لبه‌یاب استفاده می‌شود.
6- فولاد آلیاژی: این نوع فولاد شامل آهن و فلزات دیگری مانند کروم، نیکل، مولیبدن و وانادیوم است. برای تولید انواع ابزارهای فلزی و تجهیزات خودروسازی به کار می‌رود.
همچنین برای نوع دیگری از آهن به نام آهن زمینی و فولاد به نام فولاد ساختمانی نیز در صنعت ساختمان‌سازی به کار می‌رود که به عنوان بستر و اسکلت ساختمان‌ها به کار می‌رود.
مزایای فولاد نسبت به آهن
فولاد به عنوان یکی از انواع فلزات است که از آهن بهره می‌گیرند و با اضافه کردن عناصر دیگر ایجاد می‌شود. این فلزات از مزایای بسیاری نسبت به آهن برخوردار هستند.
یکی از اصلی‌ترین مزایای فولاد نسبت به آهن این است که فولاد بسیار سخت‌تر و مقاومت بیشتری نسبت به آهن دارد. این مزیت فولاد، به دلیل خاصیت‌هایی است که به آن اضافه می‌شوند. برای مثال، با اضافه کردن کروم به فولاد، مقاومت فلز بسیار بیشتر می‌شود و می‌توان از آن برای ساخت لوازمی مانند دستگیره‌های دروازه‌ها و پنجره‌ها استفاده کرد.
آهن به دلیل شکل‌پذیری بالای خود، بسیار راحت‌تر است در صنایع مختلف (مانند ساختار بناها) استفاده شود اما در این میان مشکلاتی دارد، برای مثال کمی برای جلوگیری از خوردگی در برابر خوردگی کروی سطح آن باید آن را رنگ کنید یا از روش‌های دیگر استفاده کنید. در صنایعی مانند اپلیکیشن‌های خودرو، نمای ساختمان و ابزار دفاعی نیاز به فلزی مقاوم تر دارند. در چنین مواردی، استفاده از فولاد جایگزین مناسبی برای آهن است. فولاد دارای مقاومت بالا در برابر خوردگی است و این مزیت آن را مناسب برای صنایعی مانند خودروسازی و صنایع دفاعی می‌کند.
همچنین فولاد دارای طول عمر بسیار بالاتری است نسبت به آهن. به عنوان مثال، یک ساختمان ساخته شده از فولاد می‌تواند تا ۵۰ سال و حتی بیشتر همچنان به صورت قابل استفاده باشد، در حالی که ساختمان ساخته شده از آهن در اغلب موارد به مدت کمتر از ۲۰ سال استفاده می‌شود.
در نهایت، باید اشاره کرد که فولاد از لحاظ استحکام و مقاومت، در نظر گرفتن نیازهای بالقوه صنایع مختلف به کیفیت باالتر و خدمات طولانی‌مدت و هزینه‌های نگهداری کمتر، گزینه بهتری برای آهن است. همچنین، فولاد به دلیل مقاومت بسیار بالا در برابر خوردگی و ضربه‌های قوی، در پروژه‌هایی مانند ساخت برج‌های بلند، پل‌های بلند و ساختمان‌های امنیتی امن و کارآمد بوده و به‌عنوان یکی از مواد اصلی در این پروژه‌ها استفاده می‌شود.
فرایند تولید آهن و فولاد
فرایند تولید آهن و فولاد یکی از مهمترین فرایندهای صنعتی در دنیا است. این فرایند با استفاده از مواد اولیه مانند سنگ آهن، ذوب و خوراک شدن، فولاد را تولید می‌کند. این فرایند ترکیبی از شیمی، فیزیک و مهندسی است.
در فرایند تولید آهن، ابتدا سنگ آهن از معادن استخراج می‌شود. سنگ آهن از ترکیبات شیمیایی مختلفی تشکیل شده است، که باید پس از استخراج، تصفیه و آماده سازی گردد. سپس، با استفاده از فرآیند سنگ شکنی و سرند کردن، سنگ آهن به اندازه کافی کوچک شده و آماده خوراک شدن می‌گردد.
سپس، خوراک سنگ آهن به کوره ذوب منتقل می‌شود. در این کوره، سنگ آهن با استفاده از گاز جاذب (به عنوان مثال، بوکسیت یا دولومیت) و بعضی از مواد شیمیایی، آهن را آزاد می‌کند. سپس، آهن ذوب‌شده به خنک کننده انتقال داده می‌شود و به صورت بلوک‌هایی به نام‌های «انگشت آهنی» درمی‌آید.
در فرآیند تولید فولاد، آهن به همراه شیمی‌ای‌های دیگر (به عنوان مثال، کربن، نیکل، کروم و...) و با استفاده از کوره‌های خاص، به فولاد تبدیل می‌شود. در اینجا، سطح کربن موجود در آهن را می‌توان کنترل کرد و به اندازه دلخواه برای تولید فولاد به کار گرفت.
فرایند تولید آهن و فولاد پر از چالش‌های فیزیکی، شیمیایی و مهندسی است. با استفاده از فناوری‌های بروز و استفاده از مواد اولیه با کیفیت تر، عملکرد و کیفیت فولاد بهبود می‌یابد و جایگاه آن در صنعت جهانی، تقویت می‌شود.
واکنش آهن و فولاد با آب و هوا
Vocabulary:
واکنش آهن و فولاد = Reaction of iron and steel
آب و هوا = Water and air
واکنش آهن و فولاد با آب و هوا
آهن و فولاد بی نهایت مهم در ساختمان و صنایع استفاده می‌شوند. این مواد با شرایط مختلف آب و هوایی در تماس هستند و واکنشی با آب و هوا ایجاد می‌کنند.
یکی از واکنش‌های اولیه با آب و هوا، رویش و خوردگی آهن و فولاد است. این واکنش باعث ایجاد خوردگی و تخریب آن‌ها خواهد شد. در صورتی که حفاظت ضدخوردگی به درستی انجام نشود، با گذر زمان، فولاد و آهن برای مدت طولانی قابل استفاده نخواهند بود.
عامل اصلی این واکنش، اکسیژن موجود در هوا است که با سطح فولاد و آهن واکنش دارد. اگر آب نیز در تماس با فلز باشد، به‌صورت پخشی خوردگی ایجاد می‌شود، زیرا آب به‌صورت یون‌های هیدروژن و هیدروکسیل با فلز واکنش داشته و از آن باعث خوردگی می‌شود.
برای جلوگیری از خوردگی، روش‌های مختلفی اعمال می‌شود. یکی از روش‌های آسان، استفاده از رنگ‌های حفاظتی برای روکش دادن روی آن است. این رنگ‌ها به عنوان یک لایه پوششی روی فولاد و آهن تأثیر مثبت داشته و باعث کاهش واکنش با آب و هوا می‌شوند. همچنین، به جای آهن قابل خوردگی، از فولاد ضدزنگ استفاده می‌شود که در برابر خوردگی و واکنش‌های شیمیایی مقاوم است.
به عنوان نتیجه، واکنش آهن و فولاد با آب و هوا عاملی مهم در تخریب آن‌هاست. با استفاده از روش‌های حفاظتی، فولاد و آهن به‌صورت بلندمدت، می‌توانند قابل استفاده باشند و از تخریب و خوردگی جلوگیری شود.
مقایسه مقاومت و سختی آهن و فولاد
آهن و فولاد با داشتن خواص فیزیکی و مکانیکی متفاوتی از یکدیگر متمایز می‌شوند. مقاومت و سختی این دو فلز نیز با هم تفاوت دارد. مقاومت به میزان توانایی فلز در برابر خوردگی و خرابی شدن تحت تاثیر توانه‌های خارجی می‌گویند. برای مقایسه مقاومت آهن و فولاد باید دانست که آهن می‌تواند تحت تاثیر اکسیداسیون و خوردگی قرار گیرد در حالی که فولاد نسبت به آهن در برابر خوردگی و خرابی‌های دیگر مقاوم‌تر است.
سختی نیز یکی دیگر از خصوصیات فیزیکی مهم در فلزات است. سختی به میزان توانایی فلز در برابر حملات فشاری و خردکننده‌ها گفته می‌شود. آهن در این زمینه سختی کمتری دارد و فولاد به دلیل داشتن آلیاژهایی همچون کروم، وانادیوم و مولیبدن، سختی بیشتری دارد. به همین دلیل، فولاد برای استفاده در مواردی که نیاز به سختی بیشتری دارند، مثل بدنه خودروها، کالاهای صنعتی و ساختمان‌ها استفاده می‌شود.
به طور کلی می‌توان گفت که فولاد نسبت به آهن در برابر خوردگی و خرابی‌های دیگر مقاوم‌تر است و همچنین دارای سختی بیشتری است. در این راستا فولاد به عنوان یکی از مهمترین مواد اولیه در صنایع مختلفی استفاده می‌شود که نیاز به مقاومت و سختی بالا دارند.