آهن

آهن چیست؟

آهن که در زبان انگلیسی با نام Iron شناخته می شود، یکی از رایج ترین عناصر موجود در پوسته زمین است که تقریباً ۵% پوسته زمین را تشکیل می دهد. این عنصر با فرمول شیمایی Fe، فلزی سنگین، درخشان و خاکستری رنگ است که از سنگ معدن آهن استخراج می گردد و به ندرت به حالت آزاد (عنصری) در طبیعت یافت می شود.

کاربرد آهن از همه فلزات در صنعت ساخت و ساز بیشتر است. (با توجه به اینکه چدن و فولاد را نیز از آهن خام می سازند.) قیمت پایین و مقاومت بالای ترکیبات آهن، استفاده از آن ها را در صنایع مختلف و نیز ساختمان سازی اجتناب ناپذیر می کند. این فلز در ساختمان به صورت نبشی، ناودنی، ورق، میخ، پیچ و مهره و… به کار می رود.

مشخصات سنگ خام

سنگ آهن مهمترین ماده اولیه برای تولید فولاد می باشد. به طور کلی قسمت عمده سنگ آهن در روش سنتی تولید آهن و فولاد (کوره بلند / کنورتور) و فقط قسمت جزئی از آن در سایر روشها بخصوص احیای مستقیم مصرف می شود،‌ به طوری که از کل مقدار سنگ آهن که در جهان مورد استخراج قرار می‌گیرد، کمتر از ۱۰ درصد آن به منظور کاربرد در روش احیای مستقیم و بیش از ۹۰ درصد آن در کوره بلند مصرف می گردد.

مشخصات لازم برای سنگ آهن با توجه به نوع مصرف و منطقه تولید و تهیه، متفاوت می باشد. مثلاً سنگ آهنی که بخوبی در روش سنتی قابلیت کاربرد دارد ممکن است به هیچ وجه قابل مصرف در روش های احیای مستقیم نباشد و یا مشخصات لازم برای مصرف خاک سرخ در رنگ سازی کاملاً متفاوت از مصارف متارلوژی آن است. بدین ترتیب ملاحظه می شود که نه تنها مشخصات لازم برای سنگ آهن در مصارف مختلف و همچنین نقاط مختلف یکسان نیست حتی در مورد هر کوره بلند و یا روش احیای مستقیم باید مشخصات سنگ آهن با نوع کوره ، ظرفیت ، ارتفاع آن و غیره مطابقت داشته باشد. در جدول ۲ـ۱ مواد اصلی لازم برای تولید یک تن فولاد را نشان می دهد.

جدول ۲ـ۱ مواد اولیه اصلی لازم هر تن فولاد

مشخصات هریک از مواد اولیه جدول ۲ـ۱ به نوع روش و عوامل بستگی دارد که در این بخش فقط مشخصات مربوط به سنگ آهن مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

کاربرد برای تولید آهن و فولاد به طور معمول به یکی از اشکال زیر صورت می گیرد:

• سنگ دانه بندی شده

سنگ آهن دانه بندی شده امروزه کمتر مورد مصرف می باشد. علت این امر را در خاصیت احیاپذیری کم آن، می توان توجیه کرد. در هر حال برای مصرف سنگ آهن به صورت مستقیم در تهیه آهن باید ابعاد آن کاملاً مشخص باشد.

• سنگ بصورت کلوخه

کلوخه متداولترین روش کاربرد سنگ آهن می باشد. همه ساله حدود ۷۰۰ میلیون تن کلوخه تولید و در صنایع تولید آهن و فولاد مصرف می شود.

• سنگ به صورت گندله

تولید گندله در حال حاضر حدود ۳۰۰ میلیون تن در سال می باشد که بیش از ۸۰ درصد آن در کوره بلند و بقیه در احیای مستقیم مصرف می شود. بدیهی است مشخصات گندله برای مصرف در هریک از روشها متفاوت می باشد.

طرز تشکیل سنگ‌های معدنی در طبیعت

به طور کلی می توان گفت که چگونگی تشکیل سنگهای معدنی آهن و خواص کانی های متشکله آن از نظر فیزیکی و شیمیایی (‌پرعیار کردن ،‌کلوخه کردن و غیره) بستگی به تشکیل و تغییرات آنها در دورانهای زمین شناسی دارد. لذا چگونگی تشکیل سنگ آهن در طبیعت بسیار مهم می باشد. تشکیل کانسارهای آهن به صورتهای مختلف انجام گرفته و از نظر زمین شناسی به چهاردسته تقسیم شده اند که عبارتند از :

• کانسارهای رسوبی
• کانسارهای آتشفشانی یا هیدروترمال،
• کانسارهایی که از پرعیار شدن آهن محتوای آنها ناشی از حلالیت و خروج ناخالصی های موجود در سنگ بوجود آمده اند.
• کانسارهایی که منشاء سولفوری داشته و در اثر تغییرات فیزیکی و شیمیایی آنها، تبدیل به کانسارهای آهنی شده اند. که به طور مختصر به شرح هریک از آنها پرداخته.

کانسارهای رسوبی

این کانسارها منشاء رسوبی دارند و معمولا به صورت لایه ای هستند. عیار آهن آنها بستگی به رسوب هم زمان کانی آهن دار با سایر ناخالصی ها دارد و معمولا همراه با کانی های رسی و سیلیسی می باشد. مشخصه عمومی سنگهای رسوبی، تراکم و سختی نسبتا زیاد آنهاست.

مهمترین این کانسارها عبارتند از :

تاکونیت و نیمه تاکونیت

لغت تاکونیت به سنگهای آهنی اطلاق می شود که کاملا متراکم و معمولا بسیار سخت می باشند. اکثرا سنگ به همان شکل اولیه باقیمانده و اثر عوامل طبیعی در تخریب و هوازدگی آنها ناچیز می باشند. نیمه تاکونیت ها سنگهایی هستند که کم و بیش مورد عمل هوازدگی قرار گرفته اند.

به طور کلی تاکونیت های دارای قابلیت پرعیار شدن بالا می باشند. کانی آهن دار در این سنگها می تواند مختلف و شامل کانی های اکسیدی، اکسیدهای آبدار،‌سیدریت و غیره باشد و معمولا بر حسب نوع کانی اصلی آن دسته بندی می شوند، مانند تاکونیت های مگنتیتی ،‌تاکونیت سیدریتی ،‌تاکونیت گوتیتی و غیره.

کانسارهای تاکونیت در کشورهایی مانند ونزوئلا ـ آمریکای شمالی ( معادن آهن مزابی در ایالت مینسوتا) دیده می شود.

ژاسپیلت ها

این سنگها که از رسوب هم زمان اکسید آهن و کانی ژاسپر (کانی های سیلیسی) تشکیل شده اند معمولابه صورت لایه های منظم کانی ژاسپر و اکسید آهن در طبیعیت یافت می شود. این سنگها مانند تاکونیت ها می‌باشند، با این تفاوت که حاوی سیلیس بیشتر بوده و نوع کانی آهن دار آن معمولا هماتیت است.

ایتابریت ها

در این سنگها کانی آهن دار اغلب هماتیت بوده و گاهی نیز سیدریت در آنها دیده می شود. معمولاً این کانسارها فاقد کانی های رسی می باشد. مشخصه اصلی این سنگها توزیع بسیار دانه ریز سیلیس در آنها می‌باشد این کانسارها در برزیل به وفور یافت می شود و قسمت عمده معادن سنگ آهن برزیل در ایالت  Minas – gerais از این نوع بوده که اغلب به صورت شیست می باشند.

لاتریت ها

لاتریت ها نیز معمولا متراکم و سخت بوده و کانی آهن دار در این سنگها معمولاً اکسیدهای آهنی آب دار مانند لیمونیت می باشد. این سنگها معمولا همراه با سایر کانی های منگنز دار، کرم و نیکل دار مانند معادن سنگ آهن ونزوئلا ،‌فیلیپین ، و غیره دیده می شوند.

اوولیتیک

در این کانسارها به طور کلی کانی آهن دار ،‌لیمونیت بوده و قسمت عمده معادن سنگ آهن لرن (فرانسه) از این نوع می باشد.

معادن سیدریتی

در این کانسارها کانی آهن دار به طور عمده از سیدریت تشکیل شده و معادن آهن پنسیلوانیا در آمریکا از این نوع است.

معادن شنی

در این نوع کانسارها سنگ آهن خرد شده و به صورت دانه های نسبتاً ریز در آمده اند و اکثر معادن کانادا، زلاندنو و هندوستان از این نوع می باشند.

کانسارهای آتشفشانی یا هیدروترمال

این کانسارها اکثراً حاوی کانی های سایر عناصر مانند تیتان می باشند. اگر منشاء آتشفشانی داشته باشند به صورت عدسی یا توده های بزرگ در طبیعت یافت شده و اگر منشاء آنها هیدروترمال باشد معمولا به صورت رگه ای دیده می شوند. کانی آهن دار معمولا منگنیت می باشد که گاهی در سطح اکسید شده و قسمتی از مگنتیت به هماتیت تبدیل شده است. این نوع کانسارها را می توان در ایالت میسوری آمریکا ،‌آلاسکا ،‌کانادا و سوئد مشاهده نمود.

کانسارهای پر عیار شده در اثر حلالیت ناخالصی ها و خروجی آنها از سنگ

این نوع کانسارها می توانند منشاء رسوبی یا آتشفشانی داشته باشند. قسمتی از ناخالصی های آنها در دورانهای زمین شناسی توسط آبهای سطحی بتدریج حل شده و از سنگ خارج شده اند و بدین ترتیب عیار آهن بتدریج افزایش یافته و کانسارهای بزرگ آهن نسبتاً‌غنی را تشکیل داده اند. از این نوع کانسارها در برزیل، استرالیا ،‌بیهار هندیوتان و کانادا (لابرادور) دیده می شود.

کانسار با منشاء سولفور

در این کانسارها کانی اصلی و اولیه به صورت سولفور بوده و در شرایط اکسید کننده این سولفورها که بطور عمده از پیریت و پیروتیت تشکیل می شده اند تجزیه و اکسید شده اند. مشخصه اصلی این نوع معادن وجود گوگرد باقیمانده در آنها می باشد. از این نوع کانسار در کشورهای اروپایی مانند اسپانیا و معادن آنتاریو کانادا یافت می شود.

کانسارهای کنگلومرا

این کانسارها به صورت کنگلومرا بوده و دانه های اکسید آهن که بیشتر هماتیت است توسط سیمان لیمونیتی به یکدیگر اتصال می یابند. قسمتی از معادن برزیل از این نوع می باشد.

کانی شناسی سنگ‌ها

کانی شناسی در کاربرد سنگهای معدن اهمیت فراوانی دارد. بسیاری از کانی ها که ممکن است عیار بالایی نیز از آهن داشته باشند به علت نوع ترکیب کانی به عنوان ماده اولیه آهن و فولاد قابل مصرف نیستند. مثلا فایالیتFeO)2 (SiO2. با وجود آنکه از آهن نسبتا غنی می باشد (عیار آهن حدود ۵۵ درصد) ولی به علت ترکیب سیلیکاته آن که عملاً در روشهای تولید آهن و فولاد غیر قابل احیا می باشد، در متالورژی آهن قابل کاربرد نیست. در بین انواع کانی های آهن دار تعداد محدودی از آنها از نظر متالورژی آهن مهم و قابل مصرف می باشند.

مهمترین آنها کانی های اکسیدی و سیدریت است. در بین کانی ها اکسیدی بعضی از آنها به علت خاصیت احیاپذیری کم (مگنتیت) به صورت مستقیم کاربرد ندارند و باید مورد عملیات کلوخه سازی یا گندله سازی قرار گیرند تا شکل کانی شناسی آن در جریان این عملیات تغییر یابد و سپس بکار برده شوند. سرانجام در بعضی از کانی ها وجود عناصری که می توانند نقش مهمی در آلودگی محیط زیست داشته باشند، مانند کانی ها ارسنیک دار مانع از کاربرد آنها می باشد.

ارزشیابی سنگ معدن

عوامل بسیاری در ارزشیابی سنگ معدن مؤثر می باشند که به طور خلاصه عبارتند از :‌

رطوبت و آب تبلور

مقدار رطوبت سنگ معدن بین ۰ تا ۲۰ درصد تغییر می کند،‌آب موجود در سنگهای معدن ممکن است رطوبت یا آب تبلور باشد. در بعضی از کانی های لیمونیتی مقدار آب تبلور می تواند به ۱۵ الی ۱۶ درصد نیز برسد. هرقدر آب موجود در سنگ معدن بیشتر باشد ارزش آنرا بیشتر کاهش می دهد. وجود آب در سنگ معدن باعث گران شدن حمل و نقل و همچنین افزایش مصرف انرژی برای بی آب کردن آن می گردد.

بخصوص در مورد آب تبلور باید در نظر داشت که حذف آن در درجه حرارت بالاتری نسبت به رطوبت انجام گرفته و هزینه انرژی مصرفی برای حذف آن بالاتر خواهد بود.

عیار آهن

عیار سنگ آهن عامل اصلی در ارزش آن می باشد. معمولا عیار پایه ای برای سنگ آهن در نظر گرفته می شود و سنگهای پرعیار مشمول اضافه قیمت تصاعدی شده و سنگ با عیار کمتر مشمول جریمه می شود . عیار پایه برای سنگهای مصرفی در کوره بلند ۵/۵۱ درصد و در مورد کنستانتره های احیای مستقیم حدود ۶۷ درصد است.

اندیس بازی

اندیس بازی سنگ یعنی در حقیقت نسبت  نیر در ارزشیابی سنگ معدن موثر بوده و با افزایش عددی این نسبت ارزش سنگ نیز بالا خواهد بود. همچنین نسبت  نیز در ارزشیابی موثر بوده و با افزایش آن ، قیمت سنگ نیز بالا می رود.

ناخالصی ها

ناخالصی ها موجود در سنگ معدن روی ارزشیابی آن اثر عمده دارند. در بین این ناخالصی ها عنصر فسفر بسیار مهم می باشد و با افزایش مقدار فسفر در سنگ معدن ارزش سنگ کاهش می یابد. همچنین وجود سایر ناخالصی های نامطلوب باعث کاهش قیمت سنگ معدن می گردد. سرانجام وجود ناخالصی های مطلوب مانند کانی های منگنز دار و یا افزایش اندیس بازی سنگ معدن باعث افزایش قیمت می شود.

ابعاد

ابعاد سنگ معدن خود عامل مؤثری در ارزشیابی آن می باشد. با کاهش ابعاد سنگ بر ارزش آن افزوده می شود. کاهش ابعاد سنگ معدن باعث صرفه جویی در هزینه خردایش بعدی آن شده و همچنین به علت آنکه وزن مخصوص ظاهری سنگ را افزایش می دهد،‌لذا سنگ حجم کمتری را اشغال کرده و هزینه حمل و نقل آن کاهش می یابد.

خرد بودن ابعاد سنگ محدود بوده و چنانچه از حدی کمتر باشد به علت مشکلات مربوط به حمل و نقل مواد بسیار دانه ریز ، از ارزش سنگ کاسته می گردد. ذرات بسیار دانه ریز بخصوص در حجم های کوچک هزینه حمل و نقل بالایی دارند، در صورتی که در حجم های بزرگ می توان آنها را توسط لوله جابجا کرد و هزینه حمل و نقل را بسیار کاهش داد.

به طور کلی از نظر ابعاد، سنگ‌های آهن به چند دسته تقسیم می شوند که عبارتند از :

• سنگ درشت که معمولا متوسط ابعاد آن از ۵۰ میلیمتر بزرگتر است.
• سنگ متوسط که دارای ابعادی بین ۱ تا ۵۰ میلیمتر می باشد.
• سنگ خرد که ابعاد آن ۱ تا ۱۰  میلیمتر می باشد.
• سنگ دانه ریز با ابعاد ۱/۰ تا ۱ میلیمتر .
• نرمه یا پودر که معمولاً ابعاد آن کمتر از ۷۴ میکرون (۲۰۰ مش ) است.

ارزش سنگ معدن از سنگ درشت تا سنگ دانه ریز افزایش یافته و در مورد نرمه مسائل بسیاری از قبیل حجم، چگونگی حمل و نقل و غیره روی ارزش آن اثر می گذارند.

چگونگی حمل و نقل نیز خود در ارزش سنگ معدن در محل معدن اثر می گذارد. با توجه به اینکه حمل و نقل دریایی ۵ الی ۱۰ بار ارزانتر از حمل توسط کامیون و راه آهن می باشد و حمل توسط کشتی های بزرگ با ظرفیت های بالا (بالغ بر صد هزار تن) حداقل ۳۰ تا ۴۰ درصد ارزانتر از حمل با کشتی های کوچک است، لذا معادن سنگ آهن که در نزدیکی دریاها بخصوص دریاهای عمیق قرار گرفته اند از ارزش بالاتری برخوردارند. حمل نرمه سنگهای معدنی توسط لوله نیز راه حل جالبی برای جابجایی مواد بسیار ریز می باشد ولی دامنه کاربرد آن به نواحی گرمسیر( نقاطی که امکان یخ زدن وجود ندارد ) و مسطح ( غیر کوهستان) محدود می شود. همچنین خاصیت فرسایشی ذرات، شکل آنها (گرد و یا گوشه دار بودن) و غیره اثر روی انتقال آنها توسط لوله به منظور حمل و نقل دارد.

قابلیت پر عیار شدن

بیشتر سنگهای آهن امروزه عملا مورد عملیات کانه آرایی به منظور پر عیار شدن ویا حذف ناخالصی های نامطلوب آن قرار می گیرند. لذا قابلیت پرعیار شدن و هزینه آن در ارزشیابی سنگ معدن مؤثر خواهد بود . به طور کلی روشهای فیزیکی و مغناطیسی ارزانتر از روش فلوتاسیون می باشند،‌لذا کانی های آهن دار که خاصیت مغناطیسی باشند با هزینه کمتری قابل پرعیار شدن هستند. سرانجام توزیع ناخالصی ها در سنگ معدن نیز در هزینه پرعیار کردن اثر می گذارد.

هر قدر توزیع ناخالصی ها دانه درشت تر باشد امکان عمل پرعیار کردن در ابعاد درشت تری وجود داشته و هزینه آن کمتر خواهد بود. در هر حال قابلیت پرعیار شدن سنگ و هزینه آن از عوامل مهم در ارزشیابی سنگ آهن می باشد.

قابلیت خردایش

خردایش سنگ یکی از گرانترین عملیات کانه آرایی می باشد. عملا بیش از ۵۰ درصد هزینه و ۷۰ درصد انرژی مصرفی در هر کارگاه کانه ‌آرایی صرف خردایش می گردد. لذا قابلیت خردایش سنگ آهن روی ارزشیبای آن اثر بسیار مهم دارد.

در خردایش سختی سنگ یکی از عوامل اصلی بوده و هرقدر سختی سنگ بیشتر باشد هزینه خردایش آن بالاتر خواهد بود. بسیاری از سنگهای معدنی به آسانی تا ابعاد کوچک ( حدود ۱ میلیمتر) خرد می شوند ولی خردایش نرم آنها مواجه با اشکال و هزینه و مصرف انرژی زیاد می باشد. قابلیت خردایش سنگ را می‌توان به دو قسمت تقسیم کرد که عبارتند از :

• قابلیت خردایش درشت

قابلیت خردایش درشت که مربوط به خردکردن سنگ تا ابعاد حدود ۱ میلیمتر می باشد. در این قابلیت وجود درز، ترک ،‌شکاف ، تراکم ، تخلخل صفحات کلیواژ، رگه های ناخالصی و سرانجام سختی از عوامل مهم هستند.

• قابلیت خردایش نرم

قابلیت خردایش نرم مربوط به خردایش سنگ از ابعاد حدود ۱ میلیمتر به ابعاد مورد نظر می باشد. معمولا خردایش نرم برای تولید گندله بکار گرفته می شود و حد خردایش نرم در حدود ۴۴ میکرون قرار د ارد. در این خردایش سختی سنگ و شکل بلوری و خواص فیزیکی آن از عوامل اصلی می باشند. لذا بسته به نوع عملیاتی که باید روی سنگ معدن انجام شود و نوع مصرف سنگ آهن قابلیت خردیاش درشت و یا نرم در ارزشیابی سنگ موثر خواهد بود.

شکل و چگونگی عملیات انجام شده بر روی سنگ معدن

عملیات قبلی انجام شده بر روی سنگ معدن یکی دیگر از عوامل ارزشیابی سنگ آهن می باشد.

سنگ به صورت مستقیم

سنگ معدنی آهن دار به صورت مستقیم سنگی است که از معدن استخراج و پس از خردایش تا میزان معینی مستقیما به بازار عرضه می گردد.

آشنایی با آهن معمولی و خالص

آهن خالص و آهن معمولی دارای یک تفاوت ویژه هستند و این تفاوت در میزان کرین موجود در آن‌ها است. میزان کربن در آهن، چدن و فولاد نیز نشان دهنده جنس آن‌هاست. چون میزان کربن در آهن خام زیاد است (۴ تا ۵% وزن آن)، بنابراین ترد بوده و قابلیت چکش خواری و نورد شدن ندارد زیرا در اثر ضربه خرد میشود. کربن همچنین دمای ذوب فلزات را نیز کاهش می‌دهد. بر همین مبنا با کاهش میزان کربن در آهن خام، دو نوع آهن به شرح زیر تولید می‌کنند:

• آهن معمولی: این کالا حدود ۲% کربن دارد و از طریق کربنیزاسیون آهن خام به همراه مقداری آهن قراضه در کوره به دست می‌آید. وزن مخصوص آن ۷٫۷۸ gr/cm^۳ و دمای ذوب آن پایین و حدود ۱۱۳۰ درجه سانتیگراد است. آهن در هوای نمناک و مرطوب زنگ می‌زند، بنابراین نیاز به ضد زنگ و پوشش‌های محافظ دارد. این فلز مصارف متعددی در صنایع مختلف، ساخت ماشین آلات صنعتی و نیز ساختمان سازی دارد.
• آهن خالص (نرم – ورزیده – Wrought Iron):  این محصول فقط ۰٫۰۲% کربن دارد و به دلیل مخلوط شدن مقداری سرباره با آن، حالت فیبری پیدا کرده است. دمای ذوب آن بالا و حدود ۱۵۴۰ درجه سانتیگراد است به همین علت جوشکاری با آن امکان پذیر نیست. آهن خالص انعطاف‌پذیر است و مقاومت کششی بالایی دارد (۳۵۰۰ kg/cm^۲) مقاومت آن در برابر خوردگی و زنگ‌زدگی نیز زیاد است. آهن خالص مصرف ساختمانی ندارد بلکه از آن در ساخت چدن و فولاد استفاده می‌کنند.

اکسید آهن – اکسید آهن در سیمان سفید و سیمان خاکستری

اکسید آهن به انگلیسی Iron-Oxide

اکسید فریک جزء اصلی تشکیل دهنده اغلب سنگ آهن هاست که غالبا بصورت خالص یعنی زنگ نیزیافت می شود هم چنین به مقدار کم و زیاد در اغلب کانی ها خصوصا” در خاک رس نیز وجود دارد لذا به دلیل وجود آن در اغلب مواد اولیه بطور اجتناب ناپذیری در سیمان های هیدرولیک نیز وجود دارد سیمان سفید فاقد اکسید آهن است و قیمت بالای آن ناشی از کمیاب بودن نسبی مواد اولیه مناسب و عاری از اکسید آهن برای ساخت سیمان سفید است. جدا از امکان دسترسی به مواد اولیه مناسب ساخت  سیمان فاقد اکسید آهن همراه با مشکلاتی است زیرا که درفرایند پخت کلینکر, سنگ آهن نقش کمک ذوب را دارد باعث سهولت تشکیل ترکیبات شیمیایی که پایه سیمان هستند در درجه حرارت پایین ترمی شود. 

آلیاژها

فلز پایه در این آلیاژها آهن است. بسته به میزان کربن ترکیب شده در آن، به دو دسته فولادها و چدن ها تقسیم می‌ شوند.

وجود کمتر از ۰٫۰۲ تا ۲ درصد کربن در آهن، فولاد را به وجود می‌ آورد. اضافه کردن عناصر دیگر غیر از کربن، هرکدام خواص متفاوتی و ویژه ای به فولاد خواهد داد. منگنز سبب سختی فولاد، نیکل باعث جلوگیری از خوردگی فولاد، تنگستن باعث محکمی و وجود کروم و نیکل سبب ضدزنگ شدن فولاد می‌ شود. آهن ورزیده نیز آلیاژی است با کربن کم که در ساختن میخ پرچ، لوله آب، زنجیر و غیره به کار می‌ رود. از فولاد در سازه های زیادی مانند پل ها، ساختمان ها و بنا های عظیم استفاده می شود.

وجود بیشتر از ۲ تا ۶ درصد کربن در آهن، تشکیل چدن می‌دهد.

فولاد و چدن، دو مورد از پرکاربردترین آلیاژهای ساخته شده از این فلز می باشند که عمده مصرف فلزات صنعتی و ساختمانی را تشکیل می دهند. از بین این دو آلیاژ، فولاد به دلیل برخورداری از مقاومت بسیار بالا، کاربرد بیشتری در صنایع مخنلف از جمله صنعت ساختمان پیدا کرده است.

خوردگی

خوردگی به تغییر خواص فلز در اثر واکنش الکتروشیمیایی بین آن و محیط اطراف اشاره دارد. خوردگی یک پدیده کاملاً طبیعی است که خود به خود صورت می گیرد و از گذشته تا امروز همواره در فلزات رخ می دهد. در واقع فرآیند اکسیداسیون فلز منجر به خورده شده آن می شود و خواص فیزیکی و شیمیایی آن را تحت تاثیر قرار می دهد.

فلزات به صورت یکسری ترکیبات شیمیایی در سنگ های موجود در سطح زمین یافت می شوند. این فلزات پایدار هستند و اگر از محیط پیرامون سنگ به آنها نیرویی وارد نشود ترکیب اولیه خود را حفظ می نماید. اما پس از آنکه فلزات از سنگ های معدنی استخراج شدند به فلز خالص تبدیل شده و برای مصارف گوناگون مورد استفاده قرار می گیرند. از نظر شیمیایی استخراج فلز از سنگ نوعی فرآیند الکترون گیری است. بدین صورت که ترکیبات فلزی درون سنگ با جذب الکترون به فلز خالص تبدیل می شوند. این الکترون ها نقش عنصری میهمان را برای فلز ایفا می کنند و فلز با دریافت آنها خود را از سنگ جدا می کند اما پس از تبدیل به فلز خالص به دنبال فرصت برای بیرون کردن الکترون ها از خود می گردد. اگر این الکترون ها از فلز خارج شوند, فرآیند اکسیداسیون رخ می دهد که همان خوردگی و تغییر رنگ فلز می باشد. فلز پس از خورده شدن به حالت پایدار اولیه بازگشته و ترکیبی همانند زمانی که در سنگ بوده به خود می گیرد.

راه های جلوگیری از خوردگی فلزات

رنگ آمیزی

با استفاده از رنگ آمیزی می توان مانع از انتقال الکترون شد، در نتیجه خوردگی اتفاق نخواهد افتاد. رنگ نوعی عایق برای جلوگیری از واکنش بین آند و کاتد محسوب می شود که از گذشته تا امروز مورد استفاده قرار گرفته است.

پوشش کروماتی و فسفاتی

این پوشش ها از خود فلز تولید می شوند و به پوشش های تبدیلی معروف هستند. محلول های اسید سولفوریک به همراه نمک های فسفات منجر به تبدیل سطح فلزات به فسفات یا کرومات می گردد که آنها به عنوان لایه ای محافظ برای فلز به شمار می آیند.

پوشش گالوانیزه

در این روش از روی برای روکش کاری آهن و فولاد استفاده می شود.

پوشش قلع

در این روش از روکش قلع برای فلزات استفاده می شود. قلع بسیار آسان اکسید می شود و همین اکسید آن را در برابر عوامل خورنده محافظت می نماید.

پوشش کادمیوم

پوشش کادمیوم با استفاده از آبگیری بر روی فولاد اعمال می شود.

پوشش اکسید فلزات

اکسیدی که بر روی برخی فلزات ایحاد می شود آنها را در برابر عوامل خورنده محافظت می نماید. برای مثال برای محافظت از آلومینیوم در برابر خوردگی لایه ای از اکسید آلومینیوم بر روی آن قرار می دهند.

انواع آهن خام

آهن خام نام محصول خارج شده از کوره‌های آهن گدازی می‌باشد و انواع مختلف آن به ساختارهای کریستالی آن بستگی دارد:

• آهن خام سفید: هر گاه سنگ آهن مذاب را زود سرد کنند، کربن آن به شکل گرافیت در نمی‌آید. بنابراین رنگ آن روشن (سفید نقره‌ای) می‌شود که به آن آهن خام سفید می‌گویند و در فولاد سازی کاربرد فراوان دارد. مقدار سیلیسیم در آهن سفید کم است، وزن مخصوص آن بین ۷٫۵ تا ۷٫۸ gr/cm^۳ و جنس آن سخت و ترد است. سطح شکسته آن دارای دانه‌های ریز و روشن می‌باشد.
• آهن خام خاکستری: هر گاه سنگ آهن مذاب را به آهستگی سرد کنند، کربن آن به شکل گرافیت در می‌آید. بنابراین رنگ آن تیره (خاکستری) می‌شود که به آن آهن خاکستری می‌گویند و در چدن سازی مصرف می‌شود. مقدار سیلیسیم در آهن خام خاکستری زیاد است (۲ تا ۴% وزن آن)، وزن مخصوص آن بین ۷ تا ۷٫۳ gr/cm^۳ است، ترد نیست و از آهن خام سفید نرمتر است. سطح شکسته آن دارای دانه‌های درشت و خاکستری می‌باشد.
• آهن خام نیمه خاکستری: جنس این آهن خام مابین آهن خام سفید و خاکستری است و در ساختن فولاد و چدن سخت به کار می‌رود.

فراورده‌های آهن خام

از جمله مهم‌ترین فراورده‌های تولید شده از این محصول می‌توان به چدن، چدن چکش خوار، آهن کار شده، چدن سفید، فولاد و آهن قراضه را می توان نام برد که در ادامه به معرفی انواع آن خواهیم پرداخت.

آشنایی با انواع فلزات آهنی

فلزات آهنی به طور مختصر در بخش مربوط به خواص فلزات معرفی گردیدند. در اینجا به بررسی دقیق تر خواص فلزات تولید شده از آهن خواهیم پرداخت.

فلزات آهنی در واقع فلزاتی هستند که از آهن (سنگ آهن) تولید می شوند و شامل آهن، چدن و فولاد می باشند. در بخش های بعدی هریک از این محصولات را بطور جداگانه بررسی خواهیم کرد.

روش تولید این محصولات فلزی به این صورت است که، با گداختن سنگ آهن در کوره های آهن گدازی، آهن خام تولید می کنند و با آهن خام نیز آهن معمولی، چدن و فولاد می سازند. در واقع چدن و فولاد آلیاژهایی از آهن هستند.

آلیاژ (چند جوش) ترکیبی از فلزات مختلف است که در صورت لزوم مواد افزودنی غیر فلزی نیز به آن افزوده می شود.

کاربرد این محصولات فلزی از تمامی سایر انواع فلزات بیشتر است و ۹۵% فلزات تولید شده در سراسر جهان را تشکیل می دهند.

ضرورت استفاده و کاربرد فلزات

کاربرد فلزات مختلف در صنایع مختلف بسیار متنوع بوده و این کاربرد فلزات حتی در ساختمان بعنوان مصالح ساختمانی دارای گستره وسیعی می باشد. در این بخش به شرح برخی از کاربردها و ضرورت استفاده از فلزات خواهیم پرداخت.

امروزه با مشاهده ساختمان های بدیع و آسمان خراش های عظیم، بازتاب تأثیر فلزات و فولاد ها در زندگی انسان کاملاً آشکار است. در واقع اگر فلز نبود، زندگی و تمدن بشری به چنین مرحله نمی رسید.

معرفی مختصر فلزات

فلزات گروهی از عناصر هستند که خواص مشترک معینی دارند. این مواد گرما و الکتریسیته را به خوبی هدایت میکنند، بر همین مبنا ظروف آشپزی و سیم های انتقال برق از فلز ساخته می شوند. فلزات همچنین بسیار محکم هستند، لذا از آن ها در ساخت سازه های ساختمانی استفاده می کنند. فلزات به راحتی قابل شکل دادن هستند، بنابراین میتوان از آن ها مفتول های ظریف سیمی تا قطعات بزرگ آهنی و فولادی را تولید کرد. علاوه بر این ویژگی ها، قابل بازیافت بودن فلزات، مزیت های استفاده و بهره برداری از آن ها را دو چندان کرده است. انواع مختلف فلزات شباهت های زیادی با هم دارند ولی در عین حال تفاوت هایی نیز دارند که مشخص می کند یک فلز تا چه حد برای یک کاربرد خاص مناسب است.

از ۱۰۹ عنصری که امروزه شناخته شده است، ۸۷ عنصر فلز است. از فلزات به ندرت به شکل خالص آن ها در صنعت ساختمان استفاده می شود؛ معمولاً با مخلوط کردن یک فلز با فلزات دیگر یا غیر فلزات، آلیاژی از آن را تولید کرده و مورد استفاده قرار می دهند.

آهن و فولاد

آهن معروفترین و  آشناترین فلز در سیاره ما می باشد. آهن با نماد شیمیایی Fe (به لاتین: Ferrum)، نام یک عنصر شیمیایی با عدد اتمی ۲۶ و چگالی ۷۸۷۴kg/m^۳ است. آهن یک فلز است که در نخستین دورهٔ فلزهای واسطه جای دارد. آهن از دیدگاه جرم، بزرگترین عنصر سازندهٔ کرهٔ زمین است. آهن اصلی‌ترین عنصر سازندهٔ هستهٔ بیرونی ودرونی زمین و چهارمین عنصر متداول در پوسته‌ است. فراوانی آهن در سیاره‌ های زمین‌ سان و دیگر کره‌ های سنگی مانند ماه، به خاطر پدیده ی همجوشی هسته‌ ای در ستاره‌ ها است به این معنی که در پروسهٔ همجوشی، آهن آخرین عنصری‌ است که با آزادسازی انرژی، پیش از فروپاشی انفجاری آن ستاره به صورت یک نو اختر یا ابرنواختر، و پراکندن آهن در فضا، ایجاد می‌ شود.

فولاد یا پولاد (به انگلیسی: Steel) آلیاژی از آهن است که بین ۰٫۰۰۲ تا ۲٫۱ درصد وزن آن کربن است. خواص فولاد به کمک تغییر در درصد کربن، عناصر آلیاژی و عملیات حرارتی قابل کنترل است.

آشنایی با خواص عمومی فلزات

خواص فلزات  مختلف در بخش های مختلف دسته بندی می شود که در این بخش به بررسی این خواص فلزات خواهیم پرداخت.

همان گونه که در بخش های قبل و در مباحث مربوط به فولاد ها و فلزات ذکر شد، فلزات گوناگون شباهت های زیادی با هم دارند که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• شکل ظاهری فلزات: این مواد ظاهری درخشنده و براق دارند و می توان آن ها را صیقل داد.
• ساختار فلزات: یکی از مهم ترین خواص فلزات ساختار مولکولی آن ها می باشد. ساختار و شکل واقعی فلزات به اندازه یون و تعداد الکترون هایی که هر یون در حوزه اشتراکی دارد و نیز انرژی یون ها و الکترون ها بستگی دارد. هر قدر فلز گرمتر شود، این انرژی افزایش خواهد یافت. بنابراین یک فلز ممکن است در حرارت های مختلف، شکل های متنوعی را اختیار کند. اما در بیشتر آرایش ها، یون ها کاملاً پهلوی هم قرار دارند و معمولاً تراکم در فلزات بیشتر از مواد دیگر است.
• تغییر شکل پذیری فلزات: بسیاری از فلزات هنگام سرد بودن، به سختی تغییر شکل می پذیرند. ولی اگر گرم شوند، به راحتی در اثر کوبیدن به صورت ورقه یا مفتنول سیمی در می آیند. علت این امر این است که بسیاری از فلزات در حرارت خاصی آرایش یون های خود را تغییر می دهند، بنابراین قابلیت شکل پذیری پیدا می کنند. البته ممکن است با تغییر آرایش یون ها، برخی از خصوصیات دیگر فلز نیز دگرگون شود.
• هدایت الکتریکی: تفاوت عمده فلزات با دیگر مواد، در توانایی هدایت الکتریسیته است. چون الکترون های آن ها برای حرکت مانعی ندارند.
• هدایت گرمایی: هادی خوب گرما جسمی است که ذرات آن طوری آرایش یافته باشند که بتوانند آزادانه نوسان یافته و به ذرات مجاور خود نیز امکان نوسان آزاد را بدهند. گرم شدن، همان نوسانات سریع یون ها و الکترون هاست. در فلزات چون گروه الکترون های غبار مانند یون ها را احاطه می کنند، حرارت به خوبی هدایت می شود.
• مقاومت فلزات: مقاومت بالا یکی دیگر از خواص فلزات می باشد. مقصود از مقاومت، میزان باری است که فلز می تواند تحمل کرده و نشکند. بسیاری از فلزات در زیر فشار متغیر مانند نوسانات، راحت تر از زمانی که باری سنگین را تحمل می  کنند، می شکنند.

فلزات را بر اساس منبع تولید آن ها به دو گروه عمده فلزات آهنی و فلزات غیر آهنی تقسیم می کنند. فلزات آهنی (آهن، چدن و فولاد) مصرف بیشتری در ساختمان سازی دارند.

تاریخچه کاربرد مصالح فلزی

مصالح فلزی به انواع مصالحی گفته می شود که از فلزات و آلیاژهای آن ها ساخته شده و در صنعت ساختمان سازی بکار می روند.

بشر از دیرباز با فلزات گوناگون آشنا بوده و از آن ها برای ساخت سلاح نیزه و دیگر ابزارهای دست ساز استفاده می کرده است. به طوری که اولین نشانه های استفاده از فلزات در ابزار سازی، در میان سومریان و مصریان به سال های قبل از میلاد مسیح باز می گردد.

اما تنها از اوایل قرن ۱۸ میلادی با پیشرفت صنعت، استفاده از فلزات وارد صنعت ساختمان سازی شد و کاربرد مصالح فلزی در ساختمان سازی متداول گردید. ابتدا از آهن برای تزئینات و کلاف بندی ساختمان ها استفاده می شد و در اواخر قرن ۱۸، اولین بناها با سازه فلزی ساخته شدند. بنای باشکوه کریستال پالاس که در سال ۱۸۵۱ در هایدپارک لندن ساخته شد، یکی از این ساختمان ها است.

کریستال پالاس (به انگلیسی: The Crystal Palace) به معنی کاخ بلورین بنایی از چدن و شیشه مسطح در هاید پارک لندن در انگلستان بود که برای میزبانی «نمایشگاه بزرگ» در ۱۸۵۱ (۱۲۳۳ شمسی) برپا شد. در مدت برگزاری این نمایشگاه حدود ۶ میلیون نفر (یک سوم جمعیت انگلستان در آن زمان) ازین بنا و نمایشگاه مذکور بازدید کردند. در ۱۸۵۴ کریستال پالاس به پارک سیدنهام هیل انتقال داده شد و تا اینکه در سال ۱۹۳۶ در اثر آتش‌سوزی ویران شد. محله‌ای که این بنا در آن مستقر بود کریستال پالاس نامیده شد و باشگاه فوتبال کریستال پالاس (تأسیس ۱۹۰۵) نیز به همین روی نامگذاری شده و تصویری از این بنا را نیز در لوگوی خود دارد.

بنای کریستال پالاس به عنوان نخستین و بزرگترین بنای ساخته شده از شیشه و مصالح فلزی فلزی ساخته شده بود. این بنا به عنوان اولین بنای برجسته در دوران مدرن معماری نامیده می‌شود.

به تدریج استفاده از فلزات دیگر نظیر چدن، فولاد (اواخر قرن ۱۹ میلادی، آلومینیوم، مس و … در ساختمان سازی رواج یافت به طوری که امروزه فلزات بخش مهمی از صنعت ساختمان را به خود اختصاص داده اند.