آهن خام

باسلام خدمت دوستان و همراهان همیشگی پارس بوته. امروز هم با یک مقاله آموزشی در خدمت شما هستیم. آهن خام (Pig iron) یکی از مواد اولیه اصلی در صنایع فلزی و فولادسازی است که به عنوان پایه‌ای برای تولید فولاد و چدن شناخته می‌شود.

این ماده از فرآیند ذوب سنگ آهن در کوره‌های بلند و عموما داخل بوته گرافیتی تولید شده و به دلیل داشتن درصد بالایی از کربن و ناخالصی‌ها، نمی‌توان از آن به صورت مستقیم استفاده کرد. با این حال نقش حیاتی این ماده در زنجیره تولید فولاد، آن را به یکی از عناصر کلیدی در صنایع مختلف تبدیل کرده است. در این مقاله به بررسی کامل تعریف آهن خام، انواع و ویژگی‌های آن خواهیم پرداخت.

آهن خام چیست

آهن خام به محصول اولیه فرآیند ذوب سنگ آهن در کوره‌های بلند گفته می‌شود که از ترکیب با کک و آهک در دمای بسیار بالا تولید می‌گردد. این ماده ترکیبی از آهن، کربن، سیلیسیم و مقدار کمی عناصر دیگر مانند منگنز، گوگرد و فسفر است.

کربن موجود در این ماده اولیه معمولاً بین 3.5 تا 4.5 درصد است که آن را نسبت به آهن خالص شکننده می‌کند و باعث می‌شود که قابلیت چکش‌خواری و انعطاف‌پذیری بالایی نداشته باشد.

از این ماده به عنوان ماده اولیه برای تولید فولاد یا چدن استفاده می‌شود. فرآیندهای متالورژیکی مانند اکسیژن زدایی یا تبدیل کربن در کارخانه‌های فولادسازی روی آلیاژ آهن انجام می‌گیرد تا ناخالصی‌ها کاهش یابد و به فولاد تبدیل شود. در کوره‌های بلند برای تولید این ماده، سنگ آهن، کک و مواد آهکی به طور متناوب به داخل کوره اضافه می‌شوند.

واکنش‌های شیمیایی در این کوره‌ها باعث تجزیه سنگ آهن و ترکیب آن با کک و آهک می‌شود که در نتیجه نوع خام آهن تولید شده به همراه مقدار قابل توجهی سرباره از کوره خارج می‌شود.

انواع آهن خام

با توجه به نوع سرد شدن و ترکیب شیمیایی، این ماده به سه دسته تقسیم می‌شود که هر یک دارای ویژگی‌ها و کاربردهای متفاوتی هستند که عبارتند از:

آهن خام خاکستری

آلیاژ آهن خاکستری به دلیل درصد بالای سیلیسیم و سرعت کند سرد شدن، دارای گرافیت‌های آزاد در ساختار خود است که به آن رنگ خاکستری می‌بخشد. این نوع آهن چکش‌خوارتر است و در هنگام شکستن، سطح مقطع خاکستری رنگی از خود نشان می‌دهد.

همچنین به دلیل خصوصیات مکانیکی خوب و قابلیت ماشین‌کاری مناسب، برای تولید چدن خاکستری که در صنعت خودروسازی و ساخت قطعات ماشین‌آلات استفاده می‌شود، کاربرد دارد.

آهن خام سفید

آلیاژ آهن سفید به دلیل داشتن سرعت بالای سرد شدن و مقدار پایین‌تر سیلیسیم، کربن را به صورت کاربید آهن یا سمنتیت حفظ می‌کند. این نوع آهن بسیار سخت و شکننده بوده و در برابر ضربه مقاوم نیست.

به دلیل ساختار ریزدانه و سطح شکسته سفید رنگ، به آن آهن خام سفید گفته می‌شود. این نوع آهن برای تولید چدن سفید و همچنین به عنوان ماده اولیه در فرآیند تولید فولاد به کار می‌رود.

آهن خام نیمه‌ خاکستری

آلیاژ آهن نیمه‌خاکستری ترکیبی از خواص آلیاژ آهن سفید و خاکستری است. این نوع آهن دارای نواحی سفید و خاکستری است و ساختاری ترکیبی از گرافیت و کاربید آهن دارد.

در فرآیند سرد شدن، بخشی از کربن به صورت گرافیت و بخشی به صورت سمنتیت باقی می‌ماند. این نوع آهن در تولید برخی از انواع چدن‌هایی که به خواصی میان چدن سفید و خاکستری نیاز دارند، استفاده می‌شود.

کاربردهای آهن خام

این ماده به عنوان یکی از مواد اولیه مهم در صنعت فلزات کاربردهای گسترده‌ای دارد. با وجود اینکه نوع خام آهن از شکنندگی بالا و درصد کربن زیاد برخوردار است و قابل استفاده مستقیم نیست، در تولید انواع چدن و فولاد نقش اساسی ایفا می‌کند. برخی از کاربردهای این ماده اولیه عبارتند از:

• این ماده با کاهش درصد کربن و حذف ناخالصی‌هایی مثل فسفر و گوگرد، به فولاد با کیفیت تبدیل می‌شود که در صنایعی مانند ساختمان‌سازی، خودروسازی، تولید لوازم خانگی و زیرساخت‌های صنعتی استفاده می‌شود.
• برای تولید انواع چدن مانند چدن خاکستری و سفید به کار می‌رود. چدن خاکستری در ساخت قطعات موتور، بلوک‌های سیلندر و دیگر اجزای ماشین‌آلات و چدن سفید در تولید قطعات مقاوم در برابر سایش و ضربه مانند ابزارهای صنعتی استفاده می‌شود.
• این ماده به عنوان ماده اولیه در تولید قطعات فلزی با اشکال پیچیده و دقیق مانند لوله‌ها، پمپ‌ها و دریچه‌ها در صنایع نفت و گاز و زیرساخت‌های شهری استفاده می‌شود.
• از آن برای تولید قطعات چدنی مانند دیسک‌های ترمز، بلوک‌های سیلندر و اجزای موتور استفاده می‌شود.
• این ماده در تولید برخی فروآلیاژها مانند فروسیلیس و فرومنگنز استفاده می‌شود که این مواد افزودنی در فرآیند تولید فولاد، خواصی مکانیکی مانند سختی و مقاومت به خوردگی را در فولاد بهبود می‌بخشند.

تفاوت آهن خام و آهن

آهن خام و آهن تفاوت‌های اساسی در ترکیب شیمیایی، خواص و کاربردهایشان دارند که آن‌ها را از هم متمایز می‌کند. این ماده خام دارای درصد بالای کربن (بین 3.5 تا 4.5 درصد) و ناخالصی‌هایی مانند سیلیسیم، گوگرد، فسفر و منگنز است که آن را شکننده و غیرقابل استفاده به صورت مستقیم می‌کند.

در مقابل آهن خالص دارای کربن کمتر از 0.1 درصد است که آن را بسیار مقاوم و انعطاف‌پذیر می‌کند.

این ماده به دلیل درصد بالای کربن و ناخالصی‌ها، بسیار سخت، شکننده و فاقد چکش‌خواری بوده، در صورتی که آهن دارای انعطاف‌پذیری و مقاومت بالایی است و قابلیت شکل‌دهی و چکش‌خواری را دارد. علاوه‌براین نوع خام آهن در تولید فولاد و چدن استفاده می‌شود و کاربرد صنعتی مستقیمی ندارد.

این ماده باید در فرآیندهای متالورژیکی مانند تصفیه در کنورتورها یا کوره‌های قوس الکتریکی تبدیل به فولاد یا چدن شود. در مقابل آهن خالص در صنایع مختلف مانند ساختمان‌سازی، خودروسازی، تولید لوازم خانگی و صنایع سنگین مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ویژگی‌های آهن خام

این ماده خام دارای ویژگی‌های خاصی است که آن را از آهن خالص و سایر فلزات متمایز می‌کند. در ادامه به برخی از ویژگی‌های این نوع آهن پرداخته شده است:

• معمولاً حاوی 3.5 تا 4.5 درصد کربن است که باعث ایجاد ساختاری سخت و شکننده می‌شود که به راحتی قابلیت شکل‌دهی یا چکش‌خواری ندارد. کربن در این نوع آهن به شکل کاربید آهن (سمنتیت) یا گرافیت ظاهر می‌شود.
• شامل مقادیر زیادی از ناخالصی‌هایی مانند سیلیسیم، منگنز، گوگرد و فسفر است. این عناصر به خواص فیزیکی و شیمیایی این نوع آهن تأثیر می‌گذارند و باعث می‌شوند برای استفاده مستقیم در ساخت و ساز مناسب نباشد.
• این ماده به تنهایی در مصارف مهندسی و ساختاری استفاده نمی‌شود و نیاز به تصفیه دارد که دلیل آن شکنندگی راحت این ماده در برابر فشار و تنش‌های مکانیکی است.
• نوع خام آهن نسبت به آهن خالص نقطه ذوب پایین‌تری دارد (حدود 1150 تا 1200 درجه سانتی‌گراد) که به دلیل وجود کربن و ناخالصی‌های دیگر است.
• رنگ و ساختار متفاوت این ماده به طوری که به دلیل وجود گرافیت آزاد از رنگی خاکستری برخوردار بوده، در حالی که در نوع دیگر به دلیل وجود کاربید آهن، رنگی سفید و ساختاری سخت دارد.
• این نوع آهن به دلیل شکنندگی بالا، قابلیت چکش‌خواری و شکل‌دهی را ندارد.

جمع‌ بندی

آهن خام به عنوان یک ماده اولیه اساسی در زنجیره تولید انواع فلزات، نقش بسیار مهمی در صنایع مختلف دارد. هرچند به دلیل شکنندگی بالا و وجود ناخالصی‌ها استفاده مستقیم از آن ممکن نیست، اما با تصفیه و فرآوری می‌توان آن را به فولاد و چدن تبدیل کرد که در صنایع مختلف مانند ساختمان‌سازی، خودروسازی و تولید تجهیزات سنگین کاربرد گسترده‌ای دارند.

فرآیندهای متالورژیکی بر روی این ماده، آن را به محصولاتی با خواص مکانیکی بهبود یافته تبدیل می‌کند که پایه‌ای برای توسعه زیرساخت‌های صنعتی مدرن است.