فولاد

 

اصطلاح فولاد یا پولاد برای آلیاژهای آهن که بین ۰٫۰۰۲ درصد تا ۲٫۱ درصد وزن خود کربن دارند بکار می‌رود. فولادهای آلیاژی غالبا با فلزهای دیگری نیز همراهند. خواص فولاد به درصد کربن موجود در آن، عملیات حرارتی انجام شده بر روی آن و فلزهای آلیاژ دهنده موجود در آن بستگی دارد.

فولاد پر مصرف ترین فلز صنعتی است و مصرفش پیوسته افزایش می‌یابد. امروزه تولید فولاد جهان نزدیک به هزار و سیصد میلیون تن در سال است. گفته می‌شود فولاد سازی از هندوستان به ایران آمده است، زیرا در دوران باستان، فولاد هندی بنام بوده است. فولاد چند جوشی است. برای ساختن فولاد، کربن آهن خامِ سفید را می‌سوزانند، تا از۵/۳ تا ۶٪ به ۲/۰ تا ۵/۱٪ وزنش کاهش یابد، عنصر‌های دیگر را در آن اندازه می‌کنند تا فولاد خواسته شده ساخته شود .

.

 

عنصرهای هم جوش شده با فولاد

عنصرهای همجوش شده با فولاد، به فولاد خاصیت‌های گوناگون می‌دهند، که در زیر نوشته شده است: کربن :با آهن ترکیب می‌شود و نشان دهنده جنس فولاد می‌باشد. کربن فولاد را ترد می‌کند، به تاب کششی آن می‌افزاید، مرز تناسب میان تنش و انبساط فولاد را بالا می‌برد و سختی آن را زیاد می‌کند. هر چه کربن در فولاد کمتر باشد، جنس آن نرم تر و چکش خوری آن بیشتر است. کربن در گرمای ۱۵۲۰ درجه و فولاد با ۸۵٪ کربن، در ۱۴۶۰ درجه آب می‌شود. اگر کربن در فولاد از ۳٪ وزن آن کمتر باشد، دیگر نمی‌توان آن را آب داد و به کار افزار سازی نمی‌خورد. منگنز: تاب کششی فولاد را زیاد و آن را سخت می‌کند، به اندازه‌ای که شکل دادن به آن سخت می‌شود، به فولاد از ۵/۰ تا ۱٪ وزنش منگنز می‌زنند. با فولاد منگنزی؛ تکه‌های فولادی سخت مانند ساچمه فلزی می سازنند. سیلیسیم: تاب کششی فولاد را بالا می‌برد و سختی آن را زیاد می‌کند. فولاد سیلیسیمی ترد و نورد زدنش دشوار است، به فولاد تا ۳۵٪ وزنش سیلیسیم می‌زنند. گوگرد: فولاد آب شده را کند روان می‌کند و از تاب ضربه‌ای آن می‌کاهد، تا آنجا که فولاد گوگرد دار سرخ شده با ضربه پتک می‌شکند. به فولاد از ۰۶/۰ با ۲/۰٪ وزنش گوگرد می‌زنند. فسفر :فولاد را ترد می‌کند، اگر فولاد بیش از اندازه فسفر داشته باشد، شکننده می‌شود تا جایی که در سرمای زمستان، ریل‌های فسفر دار راه آهن زیر ضربهٔ چرخ‌های قطار راه آهن می‌شکنند. کرم: به تاب کششی فولاد می‌افزاید و از زنگ زدن آن جلوگیری می‌کند. کارد، قاشق، چنگال و ظرف‌های فولادی زنگ نزن را از فولاد کرم دار می‌سازند. مس: برای جلوگیری از زنگ زدن فولاد در آب دریا، به آن مس می‌افزایند. فولاد مس دار، در ساختن سپر‌ها و شمع‌های فولادی سکوها و اسکله‌های بندری و ساختمان‌های دریایی مصرف می‌شود .

 

فولاد سازی

فولاد کربور آهن است که با عنصرهای دیگر هم جوش شده باشد. با سوزاندن کربن آهن خام سفید و همجوش کردن آن با کمی کربن و اندازه کردن عنصر‌های دیگر در آن، به دو روش خمیری کردن و آب کردن فولاد را می‌سازند. روش خمیری: در آغاز صنعت فولاد سازی، فولاد را به این روش می‌ساختند، که کهنه شده است و دیگر به کار نمی‌رود : آهن خام را در تشت کوره ی شعله‌ای می گذاشتندو روی آن شعله می‌دمیدند تا آب شود. آهن خام آب شده را به هم می‌زدند تا کربن آن بسوزد. کم‌کم که کربن آهن خام می سوخت، درجه آب شدنش بالا می‌رفت و خمیری می‌شد. خمیر فولاد را تکه‌تکه با گازانبر از کوره بیرون می‌آوردند و آنها را با پتک در هم می‌کوبیدند که سر باره شان بریزد و یکپارچه شوند. فولاد یکپارچه شده را نورد می‌زدند تا به شکل شمش در آید. چند شمش را دسته کرده در کوره گرما می‌دادند تا سرخ شود و با یک پتک سنگین آنها را در هم می‌کوبیدند تا یک تکه گردند و به آن شکل می‌دادند. سر بارهای که در کوره می‌ماند و آنچه هنگام کوبیدن خمیر فولاد از آن می‌ریخت چون آهن داشت از نو همراه مواد خام به کوره آهن گدازی می‌ریختند. روش آب کردن: امروزه همهٔ فولاد جهان به روش آب کردن ساخته می‌شود. آهن خام آبکی ای که از کورهٔ آهن گدتزی به بیرون روان می‌گردد، نخست به تغارهای فولادی می‌ریزد، از آنجا آن را در تانک مخلوط کن گهواره ای می ریزند. برای آن که گرمای آهن خام به بدنهٔ تغار و تانک فولادی نرسد، درون آنها را با آجر نسوز آستر می‌کنند .

 

فولاد ریزی

مانند چدن ریزی می‌باشد، چون فولاد آبکی هنگام سرد شدن و بستن کمی جمع می‌شود، باید مدل تکه فولادی را از هر سو ۵/۱ تا ۲٪ بزرگ‌تر ساخت تا پس از بستن فولاد آبکی، تکهٔ فولادی به اندازهٔ ساخته شده در آید .

 

آهنگری

به فولاد گرما می‌دهند تا خمیر سفت شود، سپس آن را با پتک می‌کوبند. یا چکش کاری می‌کنند تا به شکل خواسته شده در آید. برای شکل دادن خمیر فولاد را فشار تا پانزده هزار تن می‌گذارند.

 

کاربرد انواع مختلف فولاد

از فولادی که تا ۰٫۲ درصد کربن دارد، برای ساختن سیم، لوله و ورق فولاد استفاده می‌شود. فولاد متوسط ۰٫۲ تا ۰٫۶ درصد کربن دارد و آن را برای ساختن ریل، دیگ بخار و قطعات ساختمانی بکار می‌برند. فولادی که ۰٫۶ تا ۱٫۵ درصد کربن دارد، سخت است و از آن برای ساختن ابزارآلات، فنر و کارد و چنگال استفاده می‌شود. فولاد، انواع فراوانی دارد. که همه آن موارد در جدول کلید فولاد قابل دسترس می‌باشد.

 

ناخالصی‌های آهن و تولید فولاد

آهنی که از کوره بلند خارج می‌شود، چدن نامیده می‌شود که دارای مقادیری کربن، گوگرد، فسفر، سیلیسیم، منگنز و ناخالصی‌های دیگر است. در تولید فولاد دو هدف دنبال می‌شود:

• سوزاندن ناخالصی‌های چدن
• افزودن مقادیر معین از مواد آلیاژ دهنده به آهن

منگنز، فسفر و سیلیسیم در چدن مذاب توسط هوا یا اکسیژن به اکسید تبدیل می‌شوند و با کمک ذوب مناسبی ترکیب شده، به صورت سرباره خارج می‌شوند. گوگرد به صورت سولفید وارد سرباره می‌شود و کربن هم می‌سوزد و مونوکسید کربن (CO) یا دی‌اکسید کربن (CO۲) در می‌آید. چنانچه ناخالصی اصلی منگنز باشد، یک کمک ذوب اسیدی که معمولاً دی‌اکسید سیلسیم (SiO۲) است، بکار می‌برند:

• (MnO + SiO۲ ----> MnSiO۳(l

و چنانچه ناخالصی اصلی سیلسیم یا فسفر باشد (و معمولاً چنین است)، یک کمک ذوب بازی که معمولاً اکسید منیزیم (MgO) یا اکسید کلسیم (CaO) است، اضافه می‌کنند:

• (MgO + SiO۲ ----> MgSiO۲(l

(۶MgO + P۴O۱۰ ----> ۲Mg۳(PO۴)۲(l

 

کوره تولید فولاد و جدا کردن ناخالصی‌ها

معمولاً جداره داخلی کوره‌ای را که برای تولید 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 جذب می‌کند. برای جدا کردن ناخالصی‌ها، معمولاً از روش کوره باز استفاده می‌کنند. این کوره یک ظرف بشقاب مانند دارد که در آن ۱۰۰ تا ۲۰۰ تن آهن مذاب جای می‌گیرد.

بالای این ظرف، یک سقف مقعر قرار دارد که گرما را روی سطح فلز مذاب منعکس می‌کند. جریان شدیدی از اکسیژن را از روی فلز مذاب عبور می‌دهند تا ناخالصی‌های موجود در آن بسوزند. در این روش ناخالصیها در اثر انتقال گرما در مایع و عمل پخش به سطح مایع می‌آیند و عمل تصفیه چند ساعت طول می‌کشد، البته مقداری از آهن، اکسید می‌شود که آن را جمع‌آوری کرده، به کوره بلند باز می‌گردانند.

روش دیگر جدا کردن ناخالصی‌ها از آهن

در روش دیگری که از همین اصول شیمیایی برای جدا کردن ناخالصی‌ها از آهن استفاده می‌شود، آهن مذاب را همراه آهن قراضه وماده کمک ذوب در کوره‌ای بشکه مانند که گنجایش ۳۰۰ تن بار را دارد، می‌ریزند. جریان شدیدی از اکسیژن خالص را با سرعت مافوق صوت بر سطح فلز مذاب هدایت می‌کنند و با کج کردن و چرخاندن بشکه، همواره سطح تازه‌ای از فلز مذاب را در معرض اکسیژن قرار می‌دهند.

اکسایش ناخالصی‌ها بسیار سریع صورت می‌گیرد و وقتی محصولات گازی مانند CO۲ رها می‌شوند، توده مذاب را به هم می‌زنند، بطوری که آهن ته ظرف، رو می‌آید. دمای توده مذاب، بی آنکه از گرمای خارجی استفاده شود، تقریباً به دمای جوش آهن می‌رسد و در چنین دمایی، واکنشها فوق‌العاده سریع بوده، تمامی این فرایند، در مدت یک ساعت یا کمتر کامل می‌شود و معمولاً محصولی یکنواخت و دارای کیفیت خوب بدست می‌آید.

 

تبدیل آهن به فولاد آلیاژی

آهن مذاب تصفیه شده را با افزودن مقدار معین کربن و فلزهای آلیاژ دهنده مثل وانادیم، کروم، تیتانیم، منگنز و نیکل به فولاد تبدیل می‌کنند. فولادهای ویژه ممکن است مولیبدن، تنگستن یا فلزهای دیگر داشته باشند. این نوع فولادها برای مصارف خاصی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در دمای زیاد، آهن و کربن با یکدیگر متحد شده، کاربید آهن (Fe۳C) به نام «'سمنتیت» تشکیل می‌دهند. این واکنش، برگشت‌پذیر و گرماگیر است:

• Fe۳C <---- گرما + ۳Fe + C

هرگاه فولادی که دارای سمنتیت است، به کندی سرد شود، تعادل فوق به سمت تشکیل آهن و کربن، جابجا شده، کربن به صورت پولکهای گرافیت جدا می‌شود. این مکانیزم در چدن‌ها که درصد کربن در آنها بیشتر است، اهمیت بیشتری دارد. برعکس، اگر فولاد به سرعت سرد شود، کربن عمدتاً به شکل سمنتیت باقی می‌ماند. تجزیه سمنتیت در دمای معمولی به اندازه‌ای کند است که عملاً انجام نمی‌گیرد. وباسرد کردن سمنتیت فولاد را به وجود می‌آورند.