فصل دوم:

 

فلزات آهنی

 

آهن، فولاد ، چدن

 

آهن(F): آهن به عنوان یک عنصر شیمیایی،در طبیعت به ندرت به صورت خالص یافت می شود.این عنصر بعد از آلومینیم فراوانترین عنصر است وحدود 5 درصد از قشر جامد کره زمین را تشکیل می دهد.آهن اغلب به صورت اکسید در معادن وجود دارد ولی به صورت کربنات،سیلیکات وسولفید آهن نیز در طبیعت یافت می شود.آهن خالص بعلت نرم بودن ونداشتن استحکام کافی در صنایع مورد استفاده ندارد و معمولاً آن را همراه با عناصر دیگر مانند غیر فلزات (کربن،گوگرد،فسفر،سیلیسیم) و در بعضی موارد با فلزات (کرم، نیکل،وانادیم،مولبیدن و...)به صورت آلیاژ به کار می برند که به نام های اصلی فولاد و چدن  نامیده می شوند.

بقیه متن در ادامه مطلب...

 


فولاد و چدن:

فولاد وچدن ها آلیاژهایی هستند از آهن وکربن که عناصر دیگری نیز به همراه دارند در این میان کربن نقش مهمی دارد ومقدار آن تعیین کننده قسمت اعظم خصوصیات آنها( قابلیت کوره کاری،آبکاری،ریخته گری،نقطه ذوب و...) است.اگر مقدار کربن از 2.06 کمتر باشد محصول فولاد نامیده می شود.واگر از 2.06 تا 6.67 در صد باشد آن را چدن میگویند.البته برخی فولاد های آلیاژی یافت می شودتا 2.2 در صد کربن دارد.نمودار 1 طبقه بندی فولاد وچدن و درصد کربن آن ها را نشان می دهد. فولادها وچدنها بیشرین کاربرد را دارند ، ماده اولیه فولادها وچدنها ، آهن خام است.

تهیه آهن با روش احیای غیر مستقیم: در این روش سنگ آهن را پس از آماده کردن،در کوره بلند به کمک کک و کلوخه و آهک احیا و تصفیه می کنند.

سنگ آهن: سنگ معدن آهن ازقسمت های اصلی سنگ( اکسید های آهن) ومواد زائدوناخالصی های مختلف تشکیل شده است. ناخالصی هایی که همراه سنگ معدن آهن وجود دارند عبارتند از (اکسید سیلیسیم،مخلوط گل رس ودر بعضی مواردکربنات کلسیم،کلسیم،گوگرد،منگنز،ترکیبات فسفر و...) تشکیل شده است.سنگ آهن هایی که در طبیعت یافت می شوند انواع مختلفی دارند که در جدول 1  نام و خوصوصیات پرمصرفترین آن رامشاهده می کنید.ارزش سنگ معدن آهن به درصد وترکیبات دیگر آن ، مقدار ذخیره وموقعیت محلی بستگی دارد. سنگ آهن مصرفی کارخانه ذوب آهن اصفهان  مخلوطی از سنگ های معدن مگنتیت و هماتیت است که از مرغوب ترین نوع سنگ های آهن به حساب می آید.  قسمت اعظم سنگ آهنی کهبرای تصفیه در این کارخانه مورد استفاده قرار می گیرد  از معادن چغارت واقع در 14 کیلومتری شمال شرقی بافق یزد استخراج می شود.   

جدول 1

نام سنگ آهن

فورمول شیمیایی

درصد آهن

مغناطیسی (ماگنتیت)

4O3 Fe

60تا70

قرمز(هماتیت)

3o 2Fe 

40تا60

قهوهای (لیمونیت)

  O 2H3، 3O 2Fe2

30تا50

کربنات آهن (سیدریت)

3FeCO

30تا40

 

 

آماده کردن سنگ آهن: هرگاه سنگ آهن استخراج شده از معدن را مستقیماَ وارد کوره کنیم، در کار ذوب و تصفیه ایجاد اختلات فرائانی می کند واز نظر اقتصادی نیز مقرون به صرفه نیست. مثلاََ قطعات بزرگ سنگ معدن دیرتر ذوب می شود و عمل تصفیه را به تاخیره می اندازند؛ همچنین خا که ها و پودر ها نیز مسیر گاز های گرم را در کوره مسدودمی کنند و مانع ذوب وتصفیه در سطوح بالاتر کوره می شود. از طرف دیگر مواد اضافی موجود در سنگ آهن ، علاو بر تقلیل مرغو بیت آهن خام ، با عث ایجاد صدمه به لایه نسوز کوره نیز می شود . بنابر این لازم است که سنگ معدن را قبل از ورود به کوره آماده کنند .آماده کردن سنگ معدن در چند مرحله انجام می گیرد که عبارتند از غربال کردن ، خرد کردن  تغلیظ وپر عیار کردن.

سوخت کوره بلند: درکوره بلند،برای ذوب و تصفیه،نیاز به سوختی است که علاوه بر تامین حرارت لازم،بتواند کربن مورد نیاز برای احیاء اکسید آهنرانیز دراختیار بگذارد. این سوخت می باید ارزش حرارتی زیادی داشته باشد و در ضمن سوختن به هم نچسبد وبرای اینکه بتواند گاز هارا از بین خود عبور دهد و عمل احتراق را تسهیل کند ، بهتر است که متخلخل نیز باشد . برای این منظور از کک استفاده می کنند که علاو بر مزایای فوق استحکام زیادی دارد و خاکستر کمی نیز (کمتر از 11درصد) از خود به جای می گذارد. کک مصرفی  کارخانه ذوب آهن ایران مرغوب چندانی نداشته و 1 درصد گوگرد ،3درصد رطوبت ،15 درصد خاکستر وفقط 81 درصد کربن دارد.زغال سنگ مصرفی برای تهیه کک از معادن سنگرود ، زیر آب ،شاهرود وکرمان استخراج و به وسیله قطار به اصفهان حمل می شود.

سیا له ها ومواد گدازآور: مواد سیاله وگدازآور، موادی هستند که در کوره به جریان ذوب کمک وجدا کردن  ناخالصی ها از فلز مذاب را آسان می کنند . برای این منظور از آهک استفاده می شود. آهک با ناخالصی های موجود در سنگ آهن(سلیسیم، منگنز،گوگرد) ترکیب شده وآن ها را به صورت سرباره به سطح مذاب می راند. سنگ آهک کارخانه اصفهان از پیر بکران اصفهان و کوارتزیت ازمنگستانه یزد تامین می گردد.

کوره بلند: معمولاَََََ برای احیاء و تصفیه سنگ آهن از کورهبلند استفاده می شود. این کوره از دو مخروط ناقص تشکیل شده است که در قاعده بزرگ با هم مشترکند. جدار خارجی کوره را از صفحات فولادی درست می کنند وقسمت داخلی آن را با لایه ای از مواد نسوز می پوشانند. برای خنک کردن، معمولاً از جریان آبی که در بین دیواره کوره وجود دارد استفاده می شود. کوره های بلند را به ارتفاع   30 تا 80   متر می سازندودر بزرگترین قسمت، قطری از   10تا 14 متر دارند.

قسمت تحتانی کوره، استوانه ای شکل وبه بوته معروف است ؛ در این محل مواد مذاب و سرباره جمع می شود. بوته معمولاً دارای دو محل خروج است که یکی در بالا، برای خروج سرباره ودیگری در قسمت پایین ، برای خروج آهن خام مذاب در نظر گرفته شده است. در پیرامون قسمت بالای بوته ،شیپورک هایی وجود دارند که از آن ها هوای گرم (حدود  800 تا 1200   درجه سانتی گراد) مورد نیاز برای احتراق کک ، به داخل کوره دمیده می شود.مخروط ناقصی که در بالی بوته قرار دارد شکم کوره نام دارد وبه منطقه ذوب نیز معروف است.

مخروط فوقانی کوره رابرای بارگیری در نظر می گیرند . در بالای این قسمت دهانه قیفی شکلی قراردارد که هنگام ریختن مواد بداخل کوره، دَرِ آن باز می شود وپس از تکمیل بار کوره، مجدداً مسدود می گردد.در کنار کوره بلند ، بالابر مایلی قرار دارد که از آن برای بالا بردن واگن های مخصوص حمل مواد کمک گرفته می شود.

هرکوره بلند معمولاً  4 واحد هوا گرم کن به ضمیمه دارد که متناوباً برای گرم کردن هوای ورودی کوره ، مورد استفاده قرار می گیرد. خود این گرم کن ها را نیز به وسیله گاز های قابل اشتعالی که از کوره بلند متصاعد می شوند و یا گاز کک سازی می توان گرم کرد. از آنجا که همرا ه گاز خروجی از کوره بلند ،گرد وغبار وذرات ریز سنگ آهن، کک ویا آهک وجود دارد،می باید ابتدا ذرات را به وسیله جدا کننده هایی از یکدیگر تفکیک شده را معمولاً برای استفاده مجدد به قسمت کلوخ سازی می برند و از گاز باقیمانده که حاوی مقدارزیادی منو اکسید کربن می باشد ،برای مصارف حرارتی استفاده می کنند.

بار کردن کوره بلند:

پس از آماده کردن سنگ آهن ، کلوخه، کک و آهک، آن ها را با نسبت های معینی، به صورت لایه لایه از بالا ی کوره به داخل آن می ریزند. وجود پخش کن مخروطی شکلی که در زیر قیف وجود دارد با عث می شود که مواد به صورت یکنواخت در داخل کوره پخش شوند ودر آن انباشته نشوند. البته  کوره های بلندی نیز یافت می شوند که در آن ها فقط از کلوخه هایی که قبلاً با کک و آهک و سایر مواد سیاله با نسبت های معینی مخلوط شده اند، به همراه کک اضافی ، استفاده می شود. نسبت هر یک از مواد ریخته شده در کوره بلند به نوع وجنس سنگ آهن ، کلوخ ومواد سیاله وگداز آور بستگی دارد. به عنوان مثال در کارخانه ذوب آهن اصفهان  برای تولید  یک تن آهن خام،599 کیلو گرم سنگ آهن، 1082 کیلو گرم کلوخ ،2/12 کیلو گرم آهک و مواد گدازآور و 459 کیلو گرم کک،به داخل کوره ریخته و در هر دقیقه  به طور متوسط 1600 متر مکعب هوا مورد نیاز است . به طوریکه ملا حظه می شود حدود نصف محصول خام ، به صورت کلوخه در کوره ریخته می شود که از مزایای کارخانه است.

 

 

 

فعل و انفعا لات داخل کو ره بلند:

 عملیات ذوب و تصفیه سنگ آهن در داخل کوره بلند درچهار منطقه به شرح زیر انجام می گیرد:

1- منطقه خشک کردن : این منطقه که در قسمت بالا ی کوره قرار دارد منطقه ای است که درجه حرارت آن تقریباً 300 در جه سانتی گراد است .در این منطقه عبور گاز های گرم باعث افزایش درجه حرارت مواد ریخته شده به داخل کوره می شود و رطوبت آن ها را نیز تبخیر می کند.

2- منطقه احیاء(احیای غیر مستقیم): در این منطقه با افزایش درجه حرارت ،کک و مواد سیاله و گدازآور شروع به تأثیر می کند وگاز منواکسید کربن (co) متصاعد شده از طریق احتراق ناقص کک، بر روی اکسید آهن اثر و آن را در چند مرحله احیاء می کند.

                      

3- منطقه کربنیزه شدن: دراین  منطقه که درجه حرارت آن حدود 1000 درجه سانتی گراد است ،آهن خالصی که از احیای سنگ آهن حاصل شده  است، ضمن فرود به سمت پایین کوره ، با کک گداخته بر خورد می کند و با کربن موجود در آن ترکیب می شود .

 

باید توجه داشت که در این مرحله سیلیسیم ، گوگرد ، منگنز و فسفر نیز به همراه C 3 Fe به سمت پایین حرکت می کنند؛ که بخشی از آن با C 3Fe آلیاژ می شود.

4- منطقه ذوب (احیای مستقیم): در این مرحله ترکیبات ذوب شده به سمت پایین حرکت می کنند؛ وچون تمام اکسید آهن(FeO) در قسمت های بالا فرصت کافی برای احیاء شدن را پیدا نمی کنند؛ باقیمانده آن ها در این مرحله، به وسیله ی کربن جامد احیاء می شوند. این عمل در درجه حرارت بین 1200تا1400 درجه سانتی گراد انجام می گیرد. شکل 2 فعل و انفعالات داخل کوره بلند را نشان می دهد.

 

پس از منا طق گفته شده، بوته قرار دارد که مواد مذاب در آن جمع می شود و مضا فات آن، به علت داشتن وزن مخصوص کمتر، به صورت سرباره در بالا ی آن قرار  می گیرد.

حال می توان سرباره را از محل خروجی که در قسمت بالی بوته قرار دارد خارج کرد وسپس از سوراخ زیر بوته، مواد مذاب را که آهن خام نامیده می شود خارج نمود. عمل تخلیه آهن خام رادر هر 4تا5 ساعت یکبار انجام می دهند و به همان نسبت بار کوره را از بالا به آن اضافه می کنند به این ترتیب کار کوره بلند مداوم است ودر تمام 24 ساعت شبانه روز عملیات فوق در آن انجام می گیرد.

محصولات کوره بلند:

محصولات اصلی کوره بلند را آهن خام می نامند . آهن خام دارای 3تا4 در صد کربن و نقطه ذوب آن در حدود 1300 درجه سانتی گراد  است . این محصول را به دلیل شکنندگی زیاد وناخالصی های فراوان ،نمی توان در صنعت مورد استفاده قرار داد.با تنظیم درجه حرارت کوره بلند و کنترل مقدار سیلیسیم و منگنز موجود در آن می توان دو نوع آهن خام به دست آورد که به نام های آن خام سفید و آهن خام خاکستری معروفند.

آهن خام سفید: آهن خام سفید دارای 3.5 تا4 درصد کربن، 1/0 تا2/0 درصد سلیسیم ،   0.1 تا 4 درصدمنگنز ،0.04 درصد گوگرد و0.3 درصدفسفر است.

در این محصول منگنز نقش عمده ای را بازی می کند و باعث می شود که آهن با کربن، به صورت کاربید آهن (C 3Fe) در آن با قی بماند . به دلیل وجود کاربید آهن ومنگنز،مقطع شکسته آن رنگ سفید ودرخشان دارد.آهن خام سفید را پس از خروج از کوره بلند به داخل مخلوط کننده هایی که وظیفه همگن کردن آهن خام را به عهده دارند می ریزند و سپس آن رابه صورت مذاب و یا سرد شده  به شکل بلوک، برای تهبه انواع فولاد وچدن های مخصوص به کارگاههای فولادسازی حمل می کنند.شکل  3 مقطع شکسته آهن خام سفید را نشان می دهد.

آهن خام خاکستری: این محصول دارای 3.5 تا 4 درصد کربن،1.5 تا 3 درصدسیلیسیم،1 درصدمنگنز ،0.3 تا 2 درصدفسفر و 0.06 درصد گوگرد است.وجود سیلیسیم زیاد در آهن خام خاکستری باعث می شود در هنگام سرد شدن کربن از کاربید آهن(C 3Fe) جدا و به صورت گرافیت مطبق در محصول ظاهر شود. آهن خام خاکستری شکننده است و مقطع شکسته آن رنگ خاکستری دارد. (شکل 4- الف) شکسته آهن خام خاکستری را نشان می دهداز آهن خام خاکستری به دلیل  قابلیت خوب ریخته گری،برای تهیه انواع چدن ها اسفاده می کنند.آهن خام خاکستری مذاب را پس از خروج از کوره ذوب آهن، به داخل حوضچه های هدایت می کنند که در کف کارگاه واز ماسه ساخته شدهان. پس از سرد شدن، آهن خام به صورت شمش هایی با مقطع ذوزنقه شکل در می آید که آن ها را اصطلاحاً «ماسل» گویند.از کوره بلند به جز آهن خام ، محصولات فرعی دیگری نیز به صورت سرباره و گاز به دست می آید.

سرباره: از ذوب اکسید ناخالصی ها ومواد گدازآور و خاکستر کک، سرباره تشکیل می شود .معمولاً حجم سرباره ای که از کوره بلند به دست می آید سه برابر حجم آهن خام تولیدی است . از سرباره برای تهیه آجرهای نسوز، سیمان، عایق حرارتی(شبیه پشم شیشه) ، کود شیمیایی وزیرسازی جاده ها استفاده می کنند.

گاز کوره بلند: این گاز مخلوطی از گاز های مخطلف مانند دی اکسید کربن ، منواسید کربن، متان، هیدوژن وازت است که در هنگام خروج از کوره بلند ، ذرات معلقی نیز به همراه دارد.

گازخروجی از کوره بلند را پس از عبور دادن از غبار گیر وبرج شستشو دهنده وفیلتر های الکترو استا تیکی برای مصارف حرارتی مانند گرم کردن هوا گرم کن های کوره بلند، کک سازی، کلوخه سازی، توربین های گازی ، دیگ بخار ومنازل به کار می برند. 

تولیدآهن خام با روش احیای مستقیم:

در سال های اخیر برای ذوب وتصفیه سنگ آهن از کوره های مخصوصی استفاده می کنند که در آن عمل احیا به صورت مستقیم انجام می شود. روش ها یی که برای این منظور مورد بهره برداری قرار می گیرند متنوع اند و در آن ها ممکن است که از سوخت های جامد (کک) و یا گازی استفاده شود استفاده از روش احیای مستقیم با گاز ،در کشور هایی که دارای منابع گازطبیعی هستند باعث می شودکه بتوان با سرعت بیشتروهزینه کمترسنگ آهن را به آهن خام تبدیل کرد.اتوماتیک کردن وکنترل تاسیسات آن به مراتب ساده تر از کوره بلند است.در این روش احیای سنگ آهن بدون ذوب ا نجام می شود وآهن خامی که از این نوع کوره ها  به دست آمده آهن اسفنجی نام دارد؛ که 92 تا 96 درصد آهن خالص داردواز آن در کوره های الکتریکی برای تهیه فولاد استفاده می کنند.تولید آهن اسفنجی هم اکنون در شرکت فولاد مبارکه اصفهان صورت می گیرد.

 

 

تولید چدن از آهن خام:

چدن ها را اکثراً به کمک کوره کوپل از طریق ذوب شمش های آهن خام خاکستری به دست می آورند.در این کوره کربن اضافی و مواد مضرموجود در آهن خام  را تقلیل می دهند و در صورت لزوم عناصر دیگری به آن اضافه می کنند. کوره کوپل استوا نه ای است فولادی به قطر تقریبی 1و ارتفاع 6تا8 متر که قسمت داخلی آن را به وسیله ی مواد نسوز پوشا نیده اند. در قسمت پایین کوره کوپل مجرایی برای ورود و جمع شدن مواد مذاب در جمع کننده نیز دارای دو خروجی است که یکی در بالا برای خروج سرباره ودیگری در پایین برای خروج چدن مذاب در نظر گرفته شده است. در قسمت بالای کوره ، ایوانی جهت ریختن بار کوره به داخل آن وجود دارد که از آنجا شمش های آهن خام را به تنهایی و یا به همراه آهن قراضه و یا ریخت وریز های ریخته گری، به صورت  لایه لایه همراه با کک (سوخت) و آهک (کمک ذوب) به داخل کوره می ریزند. کمی بالاتر از قسمت تحتانی کوره لوله هایی برای رسیدن هوای گرم به داخل آن تعبیه شده است . شکل 5 تاسیسات کوره کوپل را نشان می دهد. محصولات کوره کوپل را چدن می نامند.چدن  ها خصوصیات مختلفی دارند کهدر زیر به شرح  مهمترین آنها می پردازیم.

1 چدن خاکستری با گرافیت مطبق:  اگر مقدار سیلیسیم موجود درمحصول کوره کپل زیاد باشد و آن را آهسته سرد کنند، کربن موجود در ترکیبات آهن

 (C 3Fe ) به صورت گرافیت مطبق از آن خارج شده ودر لابلای کریستال ها قرار می گیرد .مقدار ، اندازه و فرم(شکل) گرافیت تاحد زیادی به سرعت سرد کردن  مذاب بستگی دارد. هر چه سرعت سرد کردن کمتر و مقدار سیلیسیم در محصول بیشتر باشد،گرافیت حاصله زیادتر خواهد بود و برعکس سرد کردن سریع وافزایش مقدار منگنز با عث تقلیل در آن می شود.  وجود گرافیت قابلیت براده برداری را افزایش می دهد وضریب اصطکاک را کم می کند.همچنین باعث می شودچدن بتواند ارتعاشات رانیز در خود خفه کند.وجود کربن زیاد در چدن خاکستری (2.6 تا3.6 درصد) عامل اصلی تقلیل نقطه ذوب چدن( 1250 درجه سانتیگراد) است. و علاوه  بر آن قابلیت ریخته گری آن را نیز افزایش می دهد .چدن خاکستری در مقابل فشار وفرسودگی مقاوم است ولی قابلیت چکش خواری ندارد. شکل 6 ساختار میکروسکپی چدن خاکستری با گرافیت مطبق را نشان می دهد.

2 چدن خاکستری با گرافیت کروی (چدن داکتیل)(GGG) :  اگر به چدن مذاب ، پس از خروج از کوره کوپل آلیاژ نیکل- منیزیم یا آلیاژ سلیسیم آهن منیزیم اضافه کنند، کربن در هنگام سرد شدن به صورت گرافیت مطبق جدانمی شود بلکه به شکل کره هایی جدا می شود و در بین کریستال قرار می گیرد. وجود گرافیت کروی در چدن باعث می شود که قابلیت انبساط،خمکاری واستحکام آن به اندازه ی سه  تا پنج برابر نسبت به چدن خاکستری با گرافیت مطبق ،افزایش یابد. این چدن در برابر حرارت مقاوم است  ونقطه ذوب آن در حدود 1400 درجه سانتیگراد است. از این چدن برای تهیه میل لنگ ها،محفظه جعبه دنده ها،چرخ دنده ها،قرقره ها،ماشین الات کشاورزی،پوسته پمپ ها وتوربین ها استفاده می شود.

3 چدن سخت (GH) : در این نوع چدن کربن به صورت گرافیت وجود نداردبلکه با آهن یک پیوند شیمیایی درست می کند.تشکیل گرافیت در این چدن را می توان با سرد کردن سریع وکم کردن مقدار سیلیسیم وازدیادمقدار منگنزاز بین برد.چدن سخت از 8.2 تا4 درصد کربن ، 2.0 تا 1 درصد سلیسیم ، 6.0تا5.1 درصد منگنز، 2.0 تا 5.0 درصد فسفر و 8.0 درصد گوگرد دارد. اگر این چدن ها را در قالب هی فلزی و یا در ماسه مرطوب بریزیم، در اثر سرد شدن سریع ، سطح قطعه ریخته شده سختر شده و مقاومت آن در مقابل سایش افزایش پیدا می کند. برا ی سخترکردن قطعات بزرگ بایستی سیلیسیم موجود در چدن را تقلیل داد و یا در هنگام ذوب تا جایی به آن منگنز اضافه کرد که از تاثیر سیلیسیم (تشکیل گرافیت ) جلوگیری کند. این چدن بسیار سخت  است و فقط با افزارها یی از جنس فلزات سخت (الماسه ها) و سنگ های سنباده ، قابل براده برداری است . معمولاً در سمت راست علامت اختصاری این چدن ها عددی وجئد دارد که نشان دهنده ی عمق سختی آن ها است . مثلاً علامت 25-GH نشان دهندهی چدن سختی است که تا عمق 25 میلیمتر سخت شده است.   به دلیل مقاوم بودن این نوع چدن ها در مقابل سایش،از آنهابرای تهیه قطعاتی مانند چرخ واگن ها،پیستون های هیدرولیکی ،انواع نوردهامخصوصاًنورد های ماشین چاپ ،کاغذسازی،لاستیک سازی وآسیلبها کمک میگیرند.

4 تمپرگوس  (چدن مالیبل):  برای تهیه تمپر گوس که بنام چدن چکش خوار یا مالیبل نیز معروف است ، آهن خام سفیدی را که درصد معینی از کربن، سلیسیم ،منگنز، فسفر وگوگرد به همراه دارد در کوره کوپل و یا کوره الکتریکی ذوب می کنند وپس از ریختن آن در قالب و سرد شدن، قطعات ریخته شده را در کوره های مخصوصی به مدت  چند روز حرارت می دهند.عمل حرارت دادن بوسیله کوره را تمپرکردن می گویند.در نتیجه آن چدن خاصیت شکنندگی خود را از دست می دهدواستحکام کششی ،قابلیت کوره کاری و انعطاف آن افزایش می یابد. مالیبل ها قابلیت براده برداری خوبی دارند و می توان آنها را لحیم نرم کرد . این چدن ها قابلیت سخت شدن وبهسازی دارند.

5 چدن مخصوص: انواع چدن ها را می توان با فلزلتی مانند نیکل،کرم، مولیبدن و وانادیم آلیاژ کرد . چدن هایی که فلز یا فازات دیگری در آنها به صورت آلیاژ وجود داشته باشدچدن های مخصوص نامیده می شوند. این چدن ها استحکام زیادی دارندو در مقابل عوامل شیمیایی (اسید ها وبازها )وهمچنین حرارت زیاد مقاومند..

تولید فولاد از آهن خام:

آهن خام به دست آمده از کوره بلند محصولی است که ناخالصی های زیادی دارد و به خاطر داشتن کربن زیاد (3تا 4درصد) ،قابلیت شکلپذیری ، چکش خواری و جوشکاری ندارد؛ بنا براین لازم است که طی عملیاتی مقدار کربن آن را کا هش داد و سایر عناصر موجود در آهن خام (گوگرد ، فسفر ، سیلیسیم و منگنز ) رابه حد قابل قبولی رساند. برای تهیه فولاد از آهن خام سفید،در تمام روش ها مختلفی به کار می رود که در تمام آنها سیع بر این است که با سوزاندن  ویا خارج کردن عناصر غیر ضروری ،فولاد مورد نظر را بدست آورد.

روش توماس بسمر: مبدل توماس به شکل گلابی است وکنورتور نامیده می شود. ساختمان خارجی آن از فولادوپوشش داخلی آن از دلمیت ساخته می شود.دلمیت ماده ای نسوز که از کربنات های مضاعف کلسیم ومنیزیم تشکیل شده است.کنورتور توماس حول محور افقی قابل حرکت است و کف آن سوراخ هایی برای دمیده هوا وجود دارد . روش کاربه این ترتیب است که ابتدا آن را در وضغیت بارگیری قرار می دهندوداخل آن را از آهن خام تا حدمعینی پر وبه آن آهک اضافه می کنند.سپس کنورتور را در وضعیت عمودی قرار می دهندودر ضمن این حرکت عمل دمیدن هوا با فشاری معادل 2 باربه داخل آن شروع می شود. عبور هوایا دمیده آن به کنورتور ،باعث سوختن(اکسیداسیون) کربن،سیلیسیم و منگنزمی شود.در این حال اکسیدهای سیلیسیم و منگنز به سمت بالای مواد مذاب هدایت و اکسیدهای کربن به صورت گاز خارج می شوند.وفسفر موجود نیز اکسید میگردد.آهک باعث جذب اکسید فسفرمی شودوآن را در سطح مذاب به صورت سرباره نگه می دارد . دمیدن هوااز 15 تا 20 دقیقه ادامه می یابد و این عمل باعث می شودکه هنگام اکسیده شدن عناصر اضافی،درجه حرارت آهن خام مذاب از 1300 درجه به 1600 درجه سانتیگرادافزایش پیداکند..فولادی که از این روش بدست می آیدبه فولاد توماس معروف است و 0.05 تا 0.5 در صدکربن دارد.قابلیت آهنگری وجوشکاری خوبی داردواز آن برای تهیه انواع پروفیل ها،میله ها،ورق ها، نبشی ، تیرآهن و... استفاده می شود.. چون در کنورتور توماس ویا بسمر عمل تازه شدن بوسیله هوا انجام می شود بخشی از ازت موجود در هوا جذب فولاد شده وباعث افزایش شکنندگی آن در هنگام تغییر فرم به حالت سرد می شود.تفاوت کوره بسمر با توماس در جنس پوشش عایق آن می باشدکه از آجر نسوز سیلیکات تشکیل شده است.وبرای تازه کردن آهن های خامی که خاصیت اسیدی (فسفر وگوگرد کم،سیلیسیم زیاد)داشته باشند از کوره بسمر استفاده می شود.

روش l-D :از آنجا که وجود ازت در فولاد های کم کربن باعث افزایش شکنندگی آنها در هنگام تغیر فورم در حالت سرد می شود ، لذا در روشهای جدید تهیه فولاد ،که روش D-L  یکی از اقتصادی ترین آنها است ، به جای هوا که در حدود  چهار پنجم آن را ازت تشکیل داده است ، از اکسیژن خالص استفاده می کنند . یکی از روش های جدید واقتصادی تهیه فولادمی باشدکه به جای هوا از اکسیژن استفاده می شود.اکسیژن خالص از بالابه وسیله لوله مخصوصی که با آب خنک می شودبا فشار 4 تا 12 بار به سطح مذاب دمیده می شود . روش کار کنور تر به این ترتیب است که ابتدا آن ها را در وضع بار گیری قرار  می دهد وآهن خام مذاب، آهک و قراضه آهن(در حدود   30 درصد) رابه داخل آن می ریزند . سپس آن را به حالت عمودی برمیگردانند وبه سطح آن اکسیژن خالص می دمند . استفاده از اکسیژن باعث سوختن سریع مواد اضافی وکربن شده ودرجه حرارت کنورتور رابه سرعت تا حدود 2000 درجه افزایش می دهد.وجود این حرارت بالاست که نه تنها استفاده از آهن قراضه را امکان پذیر می سازد،بلکه به عنوان سرد کننده، برای جلوگیری از سوختن مذاب، استفاده از آن را الزامی می کند.عمل تازه کردن برحسب ظرفیت کنور تر از 20 تا 45 دقیقه ادامه می یابد وبرای تهیه هر تن فولاد 85 متر مکعب کسیژن مورد نیاز است.پس از عمل تازه کردن و نمونه برداری ، وهمچنین اطمینان از درصد عناصر مورد لزوم در مذاب ، کنور تر را به حالتی در میآورند که بتوان به سهلت سرباره ها راتخلیه کرد. پس از این مرحله ، عمل تخلیه فولاد مذاب با چرخش کنورتر در جهت مقابل انجام می شود وبرای این منظور سوراخ موربی بالای بدنه آن تعبیه شده است. فولادی که از این روش تهیه می شود مرغوب تر وبدون ازت است.

روش زیمنس مارتین: دراین روش آهن خام را به صورت مذاب و یا جامد به همراه آهن قراضه و سنگ آهن از طریق دریچه های متعددی که روی دیواره کوره وجود دارد ، به داخل آن می ریزد وبرای تصفیه ناخالصی ها ، آهک نیز به آن اضافه می کنند.  در کوره زیمنس مارتین  برای تولید حرارت ، از گاز وهوای گرمی که از گرم کن ها عبور داده می شوند ، استفاده می کنند .معمولاً هر کوره دارای دو سری گرم کن است که در هر سری آن ها یک گرم کن بزرگتر برای گرم کردن هوا و یک گرم کن کوچکتر برای گرم کردن گاز سوختنی وجود دارد .  استفاده از گرم کن ها به تناوب انجام  می شود وزمانی که یک سری از آنها برای گرم کردن هوا وگاز به کر می رود ، سری دیگر به وسیله دود گرم کوره ، گداخته می شود . به این ترتیب عمل احتراق در کوره به تناوب انجام می گیرد . کف کوره را به فرم قوس دار ساخته وبرای خروج راحت تر فولاد مذاب آن را از یک طرف شیب دار انتخاب می کنند .

احتراق گاز وهوای گرم وهمچنین سوختن مواد اضافی و کربن ،باعث می شود که درجه حرارت کوره تا 2000 درجه سانتی گرات  بالا رفته وتولید فولاد های کربنی و فولادهای آلیا ژ ی را امکان پذیرسازد. عمل تازه کردن در این کوره ها بر حسب ظرفیت از 6تا10 ساعت ادامه دارد. مزیت عمده این روش در استفاده زیاد از آهن قراضه است .پوشش داخلی نسوز این کوره ها نیز مانند کنور تر ها بر حسب نوع مواد مذاب ، ممکن است که اسیدی ویا قلیایی انتخاب شود. فولادی که از این روش به دست می آید فولاد زیمنس مارتین (SM) نام دارد . باروش زیمنی-مارتین می توان فولاد های غیر آلیاژی و یاآلیاژی تهیه کرد. برای تهیه فولاد های آلیاژی می توان عناصری مانند کرم،نیکل ، وانادیم را در کوره زمنس- مارتین ذوب و با فولاد آلیاژی کرد. این فولاد ها استحکام و سمجی زیادتری دارند ودر مقابل خوردگی نیز مقاومند. فولاد غیر آلیاژی (کربنی) زمنس مارتین قابلیت چکش خواری وجوشکاری دارد وچنانچه مقدار کربن آن ها از 5/0 درصد باشد قابلیت آبکاری و بهسازی نیز دارند.

کوره قوس الکتریکی: کوره های قوس الکتریکی مدرن معمولاًبا جریان برق سه فاز کار می کنندوسه الکترود گرافیتی دارندکه در اثر عبور جریان برق از الکترود ها (از طریق موادی که در کوره ریخته میشود)،تشکیل قوس الکتریکی می دهد وحرارتی تا 3500 درجه سانتی گراد را امکانپذیر می سازد . به دلیل این درجه حرارت است که می توان در آن ها حتی فلزات دیر گدازی مانند ولفرام، تا نتل و مولیبدن را نیز ذوب و با فولاد آلیاژ کرد واز این طریق، فولادهای آلیاژی بسیار مرغوب که بنام فولادهای نجیب نیز معروفند، به دست آورد. بار این کوره ها را از فولادهای تازه شده (توماس بسمر، D-L وزیمنس مارتین ) انتخاب می کنند . به همراه آن می توان آهن قراضه نیز در کوره ریخت. در اینجا نیز برای تصفیه و جذب نا خالصی ها وتشکیل سرباره از

آهک استفاده می شود . شکل 16 تهیه فولاد با روش قوس الکتریکی را نشان می دهد .از این محصول این کوره می توان فولادهای مقاوم در مقابل حرارت ، خوردگی و همچنین فولاد های فنر با استحکام زیاد را نام برد. امروزه تقریباً تمام  فولاد های ابزار سازی آلیاژی را با این روش تولید می کنند.

 

تاثیر عناصر در فولاد ها :  

 عناصری که به همراه آهن در فولاد های آلیاژی و غیر آلیازی وجود دارن شامل دو گروه فلزات وغیر فلزات هستند.ومی توانندبر حسب مورد استفاده روی خواص فولاد ها اثر مطلوب یا نامطلوب داشته باشند.

 

 

 

 

 

نوع فولاد

کاهش می دهد

افزایش می دهد

عناصر

فولادهای غیر آلیاژی

نقطه ذوب،،سمجی،انبساط،قابلیت جوشکاری وکوره کاری

استحکام ،سختی ، قابلیت آبکاری

کربن

غیرفلزات

قابلیت جوشکاری

استحکام، قابلیت آبکاری عمقی،سختی درحالت گرم،مقاومت در برابر خوردگی ،جداشدن گرافیت درچدن خاکستری

سیلیسیم

انبساط،استحکام در برابر ضربه

سیلان ،شکنندگی در حالت سرد،استحکام در حالت گرم

فسفر

استحکام در برابر ضربه

شکنندگی براده،غلظت در حالت مذاب،شکنندگی در حالت کداخته بودن

گوگرد

فولادهای آلیاژی

قابلیت براده برداری،جداشدن گرافیت در چدن خاکستری

قابلیت آبکاری عمقی، استحکام،استحکام در مقابل ضربه وسائیدگی

منگنز

فلزات

انبساط حرارتی

سمجی،ا ستحکام، مقاومت در برابر خوردگی ، مقاومت الکتریکی قابلیت آبکاری عمقی ،استحکام در مقابل سائیدگی

نیکل

انبساط به مقدار کم

سختی،استحکام،استحکام در حالت گرم

کرم

حساسیت در مفابل حرارت های بالا

دوام،سختی ،سمجی،استحکام در حالت گرم

وانادیم

انبساط،قابلیت کوره کاری

دوام،سختی ،استحکام در حالت گرم

مولبیدن

سمجی،حساسیت در مفابل حرارت های بالا

دوام برندگی،سختی ،استحکام در حالت گرم

کبالت

انبساط به مقدار کم

سختی،استحکام، مقاومت در برابر خوردگی ،درجه حرارت آبکاری، استحکام در حالت گرم،دوام در حرارت بالا، دوام برندگی

ولفرام (تنگستن)

 

فرم دادن فولاد ها وچدن ها: این محصولات را پس از خروج از کوره های مربوطه فرم می دهند ویا به صورت نیمه ساخته با توجه به خصوصیات ونیاز صنعت، به بازار عرضه می کنند.

فرم دادن چدن ها: چدن ها را باتوجه به قابلیت ریخته گری خوب وچکش کاری بد با روش ریخته گری فرم می دهند.ریخته گری در قالب های ماسه ای هنوز هم بیشترین کاربرد را دارد.در این روش بعد از تهیه قالب،چدن مذاب را از طریق راهگاهبه داخا قالب می ریزندوپس از سرد شدن،قطعه مورد نظر را بدست می آورند.قالب های بزرگ را در زمین وقلب های کوچک را در جعبه ای به نام درجه قالب گیری می کنند.اندازه مدل بایستی به اندازه انقیاضی که در هنگام سرد شدن پیدا می کند(در چدن خاکستری 1% )بزرگتراز قطعه سرد شده در نظر گرفت.

 فرم دادن فولادها:فولادها راپس از تهیه ریخته گری می کنند (فولادریخته )ویا در کارگاههای نورد به فرم های مختلف در می آورند.(نیمه ساخته ها)

فولاد ریختگی :قطعاتی از ماشینها و وسایل صنعتی که فرم پیچیده ای دارند ونیروهای گوناگون و زیادی رانیز باید تحمل کنند،از فولادبا روش ریخته گری تهیه می شوند.ریحته گری فولادها مشابه چدنهاست با این تفاوت که نقطه ذوب فولاد1300 تا 1400 درجه سانتیگرادو بیشتر از چدن هاست وانقباض زیادتر (2 درصد) فولادنسبت به چدن می باشد.از این روش برای تهیه قطعاتی مانند اسکلت توربین ها،چرخ توربین های آبی،بدنه چرس ها،سندان،چرخ دنده ها واهرم ها استفاده می کنند.

فولادهای نیمه ساخته:پروفیل ها،ورق ها،میله ها،نبشی ها وشمش هارا درصنعت نیمه ساخته گویند.برای تهیه نیمه ساخته ها ها روش های گوناگونی مانندنوردکاری،پرس کردن،کشیدن وآهنگری وجود دارد.در کلیه این روش ها بایستی ابتدافولاد مذاب رابه صورت بلوک هایی در آورد تا عملیات بعدی روی آن ها امکان پذیر باشد.برای این منظور از دو روش استفاده می کنند.

الف)تهیه بلوک در قالب : در این روش ابتدا فولادمذاب را در ظروف مخصوصی به نام پاتیل ریخته و سپس آن را در داخل قالب هایی به نام کوکیل می ریزند.

ب)تهیه بلوک با روش ریخته گری مداوم : در این روش نیزفلز مذاب را به وسیله پاتیل هایی به محل دستگاه حمل می کنند.فولادمذاب ابتدا به داخل ظرف تقسیم کننده ای ریخته شده وسپس وارد ظرفی به نام منجمد کننده می شود،که در ابتدای خطوط تولیدبلوک قرار دارند.این ظروف را از جنس مس می سازند و دائماً بوسیله آب خنک می شود. پس از آنکه فلز مذاب در قسمت پایین منجمد کننده به حالت انجماد در امد،توپی را خارج می کنند وفلز منجمد شده تحت تاثیر نیروی وزن خود به سمت نورد هایی که در زیر آن قرار گرفته اند هدایت می شود و بوسیله آن به سمت پایین کشیده می شود . در این حال از بالا به طور مداوم به آن فولاد مذاب اضافه می گردد.در مسیر نورد کوار هایی وجود دارند که فلز منجمد شده را خنک تر می کنند.پس از این مرحله قطع کننده ها قرار دارندکه ممکن است به صورت قیچی باشند یا با گاز اکسی استیلن عمل برش را انجام دهند. حال می توان بلوک های بریده شده راکه هنوز از درجه حرارت مطلوبی برخوردارند برای عملیات بعدی آماده کرد.در کارخانه ذوب آهن اصفهان برای تهیه بلوک از این روش استفاده می شود.

.تهیه نیمه ساخته ها: برای تهیه نیمه ساخته ها که حدد 97% محصولات فولادی را تشکیل می دهند، از روشهای مختلفی مانند نوردکاری،کشیدن،پرس کردن و...استفاده می کنند.

1- نورد کاری: شکل دادن در اثر عبور از بین دو استوانه گردان را نورد کاری می گویند.در اثر نیروی اعمالی مولکولها یه یکدیگر نزدیک می شوند واین عمل باعث استحکام فلز می گردد.نوردکاری ممکن است به صورت گرم (800 تا 1250 درجه سانتیگراد) ویا درحالت سرد انجام گیرد.نورد ها ممکن است دو سه ویا چهار استوانه باشند.در نورد کاری ابتدا می باید بلوک هایی را که از قالب ها ویا روش های ریخته گری مداوم بدست می آیند،آماده کرد وسپس به کارگاههای نورد برد.آماده کردن شامل مراحل گرم کردن تا درجه حرارت نورد کاری، نورد کاری اولیه برای تامین اندازه های کوچکتر،برش وتوزین،زنگ زدایی و زدودن پوسته های سطح بلوک ها، می شود.بلوک ها را پس از آماده کردن به محل نورد کاری نهایی حمل می کنندکه برحسب نوع تولید،ممکن است باوجود تشابه درساختمان کلی،فرم نورد های آن متفاوت باشند.

الف)نورد کاری میله ها تسمه ها وشمش های فرم دار:

فرم ایجادشده در نیمه ساخته ها بستگی به فرم سطح تماس آنهابا نوردخواهد داشت.با این روش می توان مفتول هایی تا قطر 5 میلی متر را تولید کرد.

ب )نوردکاری ورق ها :ورق ها را در سه گروه خشن،متوسط وظریف که به ضخامت آنها بستگی دارد،تولید می کنند.ضخامت ورق های خشن بیشتر از 4.75 ،ورق های متوسطاز 3 تا 4.75 و ورق های ظریف کمتر از 3 میلی متر انتخاب می شود.روش تولیدورق های ظریف به این ترتیب است که ابتدا بلوک های آماده شده را که دارای ضخامتی برابر 100 تا 250 میلی متر وطول آنها 6 متر است به داخل کوره هدایت می کنند.در این کوره بلوک ها را تا درجه حرارت نورد کاری (1200 تا 1250 درجه سانتی گراد)گرم واز کوره خارج می کنند.پس از آن وارد یک دستگاه نورد اکسید شدن می شوند تا پوسته وقشر اکسیدروی آنها برطرف شود.پس از عملیات فوق بلوک وارد نوردهای مقدماتی می شودوطی این مراحل ضخامت آن به  20  میلی متر می رسد.قبل از ورود به خط نهایی ناهمواری های کنار آن بوسیله قیچی های مخصوصی بریده می شود وبوسیله پاشیده آب با فشار زیاد،اکسید های آن برطرف می شود.وبالاخره ورق وارد خط نهایی می گردد و پس از نورد کاری ضخامت آن به 1.6 میلی متر می رسد.در این مرحله ورق با سرعت 12 متر بر ثانیه از آخرین نورد بیرون رانده می شود وبا پاشیدن آب، سردودور قرقره های فولادی پثچیده شده و با وسایل برش به اندازه دلخواه بریده می شود.طول این خط تولید حدود 600 متر است.

ج)نورد کاری پروفیل ها از نوار ورق:در اسکلت های فلزی معمولاً از پروفیل هایی استفاده می کنند که از ورق ساخته شده وبر حسب نیاز فرم های مختلفی دارند.این گونه پروفیل ها را می توان با روش نورد کاری تولید کرد.

نوردکاری لوله ها: لوله های فولادی به دو قسمت تقسیم می شوند:

1 لوله های درزدار:از آنجا که این لوله ها را از نوار ورق تهیه و درز آن را جوشکاری می کنند،به لوله های درز دار معروفند.

2 لوله های بدون درز:این لوله ها را از بلوک های گداخته تهیه می کنند و چون در هنگام تولید در آنها درز بوجود نمی آید،به لوله های مانسمان معروفند واز آنها در مواقعی که باید فشار زیادی تولید کنند،استفاده می شود.تهیه لوله های درز دار:برای تهیه این لوله ها ابتدانوارهای ورق را به عرض محیط قطر متوسط لوله بریده وسپس با یکی از روش های کشیدن ویا نوردکاری آن را به صورت لوله در می آورند و لبه های آنها در حین گذشتن از ماتریس جوشکاری می شود.

پرس کردن (اکستروژن):

بوسیله پرس کردن (رانش)می توان علاوه برشمش هایی که با روش نورد کاری تولید می شوند،شمش هایی را که فرم های پیچیده ای دارند می توان تولید کرد.این روش برای تولید پروفیل های غیرآهن است.

برای این منظور ابتدا ماتریسی به فرم مقطع مورد نظر تهیه و در پیشانی سیلندر پرس نصب می کنند.سپس بلوک استوانه ای شکل گداخته ای (1250 درجه سانتی گراد) را که هم قطر سوراخ پرس است به پودر آغشته می کنند و در داخل آن قرار می دهند.در این مرحله سنبه پرس هیدرولیکی از پشت به بلوک گداخته فشار می آوردو آن را از داخل ماتریس بیرون میراند وفرم ماتریس را به آن می دهد.استفاده از پودر شیشه باعث کم کردن اصطکاک شده وعمل رانش را به بیرون آسان می کند.دربعضی موارد به جای پودر شیشه می توان از یک صفحه شیشه ای که جلوی ماتریس قرار می گیرد نیز استفاده کرد.

 



تاريخ : ۱۳۸۸/۸/٢۸ | ۱:۱٦ ‎ب.ظ | نویسنده : م- مزارعی | نظرات ()
.: Weblog Themes By VatanSkin :.