همه چیز درباره فولاد ساختمانی
محصول کوره ذوب آهن، چدن است که معمولاً دارای ناخالصیکربن و مقادیر جزیی ناخالصی‌های دیگر است که به نوع سنگ معدن و ناخالصی‌های همراهآن و همچنین به چگونگی کار کوره بلند ذوب آهن بستگی دارد. از آنجایی که مصرف عمدهآهن در صنعت بصورت فولاد است، از این رو، باید به روش مناسب چدن را به فولاد تبدیلکرد که در این عمل ناخالصی‌های کربن و دیگر ناخالصیها به مقدار ممکن کاهش یابند.
روشهای تهیه فولاد روش بسمه:
در این روش ناخالصی‌های موجود در چدن مذابرا به کمک سوزاندن در اکسیژن کاهش داده و آن را به فولاد تبدیل می‌کنند. پوشش جدارداخلی کوره بسمه از سیلیس یا اکسید منیزیم و گنجایش آن در حدود 15 تن است. نحوه کارکوره به این ترتیب است که جریانی از هوا را به داخل چدن مذاب هدایت می‌کنند، تاناخالصی‌های کربن و گوگرد به صورت گازهای SO2 و CO2 از محیط خارج شود و ناخالصی‌هایفسفر و سیلیس موجود در چدن مذاب در واکنش با اکسیژن موجود در هوا به صورت اکسیدهایغیر فرار P4O10) و (SiO2 جذب جدارهای داخلی کوره شوند و بهترکیبات زودگداز Mg3(PO4)2 و MgSiO3 تبدیل و سپس به صورت سرباره خارج شوند. سرعت عمل این روش زیاداست، به همین دلیل کنترل مقدار اکسیژن مورد نیاز برای حذف دلخواه ناخالصی‌های چدنغیرممکن است و در نتیجه فولاد با کیفیت مطلوب و دلخواه را نمی‌توان به این روش بدستآورد.
روش کوره باز (یا روش مارتن) : در این روش برای جدا کردن ناخالصی‌هایموجود در چدن، از اکسیژن موجود در زنگ آهن یا اکسید آهن به جای اکسیژن موجود در هوادر روش بسمه (به منظور سوزاندن ناخالصی‌هایی مانند کربن، گوگرد و غیره) استفادهمی‌شود. برای این منظور از کوره باز استفاده می‌شود که پوشش جدار داخلی آن از MgO و CaO تشکیل شده است و گنجایش آن نیز بین 50 تا 150 تن چدن مذاب است. حرارت لازم برایگرم کردن کوره از گازهای خروجی کوره و یا مواد نفتی تأمین می‌شود. برای تکمیل عملاکسیداسیون، هوای گرم نیز به چدن مذاب دمیده می‌شود. زمان عملکرد این کورهطولانی‌تر از روش بسمه است. از این نظر می‌توان با دقت بیشتری عمل حذف ناخالصی‌هارا کنترل کرد و در نتیجه محصول مرغوب‌تری به دست آورد.
روش الکتریکی : ازاین روش در تهیه فولادهای ویژه‌ای که برای مصارف علمی و صنعتی بسیار دقیق لازماست، استفاده می‌شود که در کوره الکتریکی با الکترودهای گرافیت صورت می‌گیرد. ازویژگی‌های این روش این است که احتیاج به ماده سوختنی و اکسیژن ندارد و دما رامی‌توان نسبت به دو روش قبلی، بالاتر برد. این روش برای تصفیه مجدد فولادی که ازروش بسمه و یا روش کوره باز بدست آمده است، به منظور تبدیل آن به محصول مرغوبتر،بکار می‌رود. برای این کار مقدار محاسبه شده‌ای از زنگ آهن را به فولاد به دست آمدهاز روشهای دیگر، در کوره الکتریکی اضافه کرده و حرارت می‌دهند. در این روش، برایجذب و حذف گوگرد موجود در فولاد مقدار محاسبه شده‌ای اکسید کلسیم و برای جذب اکسیژنمحلول در فولاد مقدار محاسبه شده‌ای آلیاژ فروسیلیسیم (آلیاژ آهن و سیلیسیم) اضافهمی‌کنند.
انواع فولاد و کاربرد آنها
از نظر محتوای کربن، فولاد بهسه نوع تقسیم می‌شود:
فولاد نرم : این نوع فولاد کمتر از 2/0 درصد کربن داردو بیشتر در تهیه پیچ و مهره، سیم خاردار و چرخ دنده ساعت و... بکار می‌رود.
فولاد متوسط : این فولاد بین 2/0تا 6/0 درصد کربن دارد و برای تهیه ریل وراه آهن و مصالح ساختمانی مانند تیرآهن مصرف می‌شود.
فولاد سخت : فولاد سختبین 6/0 تا 6/1 درصد کربن دارد که قابل آب دادن است و برای تهیه فنرهای فولادی،تیر، وسایل جراحی، مته و... بکار می‌رود.
اصطلاح فولاد (Steel) برایآلیاژهای آهن که تا حدود 1،5 درصد کربن دارند و غالبا با فلزهای دیگر همراهند، بکارمی‌رود. خواص فولاد به درصد کربن موجود در آن، عملیات حرارتی انجام شده بر روی آن وفلزهای آلیاژ دهنده موجود در آن بستگی دارد.
کاربرد انواع مختلف فولاد
از فولادی که تا 0. 2 درصد کربن دارد، برای ساختن سیم، لوله و ورق فولاداستفاده می‌شود. فولاد متوسط 0. 2 تا 0. 6 درصد کربن دارد و آن را برای ساختن ریل،دیگ بخار و قطعات ساختمانی بکار می‌برند. فولادی که 0. 6 تا 1. 5 درصد کربن دارد،سخت است و از آن برای ساختن ابزارآلات، فنر و کارد و چنگال استفاده می‌شود.
ناخالصی‌های آهن و تولید فولاد
آهنی که از کوره بلند خارج می‌شود،چدن نامیده می‌شود که دارای مقادیری کربن،گوگرد،فسفر، سیلیسیم، منگنز و ناخالصی‌هایدیگر است. در تولید فولاد دو هدف دنبالمی‌شود:
1- سوزاندن ناخالصی‌های چدن
2- افزودن مقادیر معین از مواد آلیاژ دهنده به آهن
منگنز، فسفر وسیلیسیم در چدن مذاب توسط هوا یا اکسیژن به اکسید تبدیل می‌شوند و با کمک ذوبمناسبی ترکیب شده، به صورت سرباره خارج می‌شوند. گوگرد به صورت سولفید وارد سربارهمی‌شود و کربن هم می‌سوزد و مونوکسید کربن (CO) یا دی‌اکسید کربن (CO2) در می‌آید. چنانچه ناخالصی اصلی منگنز باشد، یک کمک ذوب اسیدی که معمولاً دی‌اکسید سیلسیم (SiO2) است، بکار می‌برند:
MnO + SiO2 -------> MnSiO3
وچنانچه ناخالصی اصلی سیلسیم یا فسفر باشد (و معمولاً چنین است)، یک کمک ذوب بازی کهمعمولاً اکسید منیزیم (MgO) یا اکسید کلسیم (CaO) است، اضافه می‌کنند:
(MgO + SiO2 -------> MgSiO2
6MgO + P4O10 -------> 2Mg3(PO4)2
کورهتولید فولاد و جدا کردن ناخالصیها
معمولاً جداره داخلی کوره‌ای را که برایتولید فولاد بکار می‌رود، توسط آجرهایی که از ماده کمک ذوب ساخته شده‌اند،می‌پوشانند. این پوششی مقداری از اکسیدهایی را که باید خارج شوند، به خود جذبمی‌کند. برای جدا کردن ناخالصیها، معمولاً از روش کوره باز استفاده می‌کنند. اینکوره یک ظرف بشقاب مانند دارد که در آن 100 تا 200 تن آهن مذاب جای می‌گیرد.
بالای این ظرف، یک سقف مقعر قرار دارد که گرما را روی سطح فلز مذاب منعکسمی‌کند. جریان شدیدی از اکسیژن را از روی فلز مذاب عبور می‌دهند تا ناخالصی‌هایموجود در آن بسوزند. در این روش ناخالصیها در اثر انتقال گرما در مایع و عمل پخش بهسطح مایع می‌آیند و عمل تصفیه چند ساعت طول می‌کشد، البته مقداری از آهن، اکسیدمی‌شود که آن را جمع‌آوری کرده، به کوره بلند باز می‌گردانند.
روش دیگر جداکردن ناخالصیها از آهن
در روش دیگری که از همین اصول شیمیایی برای جداکردن ناخالصیها از آهن استفاده می‌شود، آهن مذاب را همراه آهن قراضه و کمک ذوب درکوره‌ای بشکه مانند که گنجایش 300 تن بار را دارد، می‌ریزند. جریان شدیدی از اکسیژنخالص را با سرعت مافوق صوت بر سطح فلز مذاب هدایت می‌کنند و با کج کردن و چرخاندنبشکه، همواره سطح تازه‌ای از فلز مذاب را در معرض اکسیژن قرار می‌دهند.
اکسایش ناخالصیها بسیار سریع صورت می‌گیرد و وقتی محصولات گازی مانند CO2 رها می‌شوند، توده مذاب را به هم می‌زنند، بطوری که آهن ته ظرف، رو می‌آید. دمایتوده مذاب، بی آنکه از گرمای خارجی استفاده شود، تقریبا به دمای جوش آهن می‌رسد ودر چنین دمایی، واکنشها فوق‌العاده سریع بوده، تمامی این فرایند، در مدت یک ساعتیا کمتر کامل می‌شود ومعمولاً محصولی یکنواخت و دارای کیفیت خوب بدست می‌آید.
تبدیل آهن به فولاد
آهن مذاب تصفیه شده را با افزودن مقدار معینکربن و فلزهای آلیاژ دهنده مثل وانادیم،کروم،تیتانیم، منگنز و نیکل به فولاد تبدیلمی‌کنند. فولادهای ویژه ممکن است مولیبدن،تنگستن یافلزهای دیگر داشته باشند. ایننوع فولادها برای مصارف خاصی مورد استفاده قرارمی‌گیرند. در دمای زیاد، آهن و کربنبا یکدیگر متحد شده، کربید آهن (Fe3C) به نام «سمانتیت» تشکیل می‌دهند. این واکنش،برگشت‌پذیر و گرماگیر است:
Fe3C <-------گرما + 3Fe + C
هرگاه فولادیکه دارای سمانتیت است، به کندی سرد شود، تعادل فوق به سمت تشکیل آهن و کربن، جابجاشده، کربن به صورت پولکهای گرافیت جدا می‌شود و به فلز، رنگ خاکستری می‌دهد. برعکس،اگر فولاد به سرعت سرد شود، کربن عمدتا به شکل سمانتیت که رنگ روشنی دارد، باقیمی‌ماند. تجزیه سمانتیت در دمای معمولی به اندازه‌ای کند است که عملا انجامنمی‌گیرد.
فولادی که دارای سمانتیت است، از فولادی که دارای گرافیت است، سخت‌ترو خیلی شکننده‌تر است. در هر یک از این دو نوع فولاد، مقدار کربن را می‌توان درمحدوده نسبتاً وسیعی تنظیم کرد. همچنین، می‌توان مقدار کل کربن را در قسمتهای مختلفیک قطعه فولاد تغییر داد و خواص آن را بهتر کرد. مثلاً بلبرینگ از فولاد متوسطساخته شده است تا سختی و استحکام داشته باشد و لیکن سطح آن را در بستری از کربنحرارت می‌دهند تا لایه نازکی از سمانتیت روی آن تشکیل گردد و بر سختی آن افزوده شود
