فولاد

فولاد چیست؟

فولاد که در زبان انگلیسی با عبارت steel شناخته می‌شود، مهم‌ترین ماده ساختمانی و مهندسی عصر ما می‌باشد که تقریبا در هشتاد درصد محصولات فلزی به کار می‌رود. فولادها، به دلیلی داشتن استحکام، شکل‌پذیری آسان، هزینه کم و دیگر خواص مفید در سال‌های اخیر مورد توجه خاص قرار گرفته است. یکی از کاربردهای گسترده فولاد در تولید مصالح ساختمانی فلزی می‌باشد.

فولاد، آلیاژی است از آهن و کربن و ماده اصلی در تولید انواع فولادها، آهن است. فلزی سفید نقره ای و کم تنش که مالیبل و داکتیل است و تقریبا نرم . اما کربن این خصوصیبات را تغییر می دهد. اضافه کردن مقدار خیلی جزئی از کربن به آهن آن را به فولاد تغییر می دهد. آلیاژی سخت و خشن و قوی و شکل پذیر. بیشتر از ابزارها و تجهیزات ساختمانی فولادی برای هزاران سال استفاده می کرده است.

اصطلاح فولاد یا پولاد برای آلیاژهای آهن که بین ۰٫۰۲۵ تا حدود ۲ درصد 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.

کاربرد فولاد در صنعت ساختمان

کریستال‌های فلزی فولادها

برای فهمیدن اینکه طی عملیات حرارتی چه اتفاقاتی می افتد ، باید آنچه که طی پروسه گرم کردن و سرد کردن روی فلز اتفاق می افتد را به تصویر بکشیم. این تغییرات این مخلوط آهن و کربن ایجاد می شوند. درون هر اتم جداگانه در مولکول اتفاق می افتد. اتمهای آهن برای شکل دادن کریستال آن در طراحی خیلی ساده چیده شده اند. تمامی فلزات ساختاری کریستالی دارند. کریستالهای فلزی خیلی مشابه به شبکه سنگ و بقیه سنگهای متنوع هستند.

اما برای دیدن ساختاری کریستالی دارند. کریستالهای آهن ، ما باید یک نمونه فلزی را بررسی کنیم و با میکروسکوپ متالوژیکی سطح آن را ببینیم فلز را از سطح مقطع آن می بریم و پرداخت می کنیم اما به لایه ای صاف برسیم ، همچنین آنرا پوشش می کنیم با اسید اوج می می توانیم تا مرز دانه بین هر کریستال زیر میکروسکوپ کاملا واضح شود. هر کریستال جداگانه در نظر دانه نامیده می شود. اندازه دانه ها متفیر است چدن آنها هنگام بریده شدن در جهاتت مختلفی می چرخند کم می شود.

سایه بین دانه ها همچنین متفاوت است چون کریستال درجات مختلفی رشد می کند. و نور را درجات و با زاویه های مختلف و با طول مهرج های مختلفی منعکس می کنند. شکل آنها هم همچنین نامنظم ولی قاعده است چون آنها شکل گیری هم برخورد می کرده اند.

زمانیکه میکروسکوپ متالوژیکی یکی اختراع شد دانشمندان چیز زیادی درباره ساختار فلزات نمی دانستند. مرزهای بین دانه های فولادهای پر کربن به نظر می رسیدند که نقش چسب یا سیمان را ایفا می کنند و کریستالها را کنار هم نگه می دارند. آنها این ماده جدید را سمنیت نامیدند و حالا ما می دانیم که سمنیت ترکیبی از آهن و کربن است که همچنین به عنوان کاربید آهن شناخته می شود که حین سرد شدن فولاد شکل می گیرد. فرمول شیمیایی کابیت آهن Fe3 است.

هر دانه یا کریستال از یک فلز ، از میلیاردها اتم تشکیل شده برای دیدن اتمها نمونه نباید بیش از ۳۰ میلیون برابر بزرگ نمایی شود که کار خیلی مشکلی است. پس ما باید هر اتم آهن را و رسم کنیم و ساختار آنها را طی تغییرات دما در طول پروسه عملیات حرارتی به تصویر بکشیم این شبکه کریستالی به هم پیوسته آهن دارای بزرگنمایی یک میلیون برابر است. اتمها بصورت فشرده بسته بندی شده اند ولی بصورت منظمی بسته بندی نشده اند. اتمهای آهن دمای فلز در ساختاری بسیار مشخصی حل و چیده شده اند. دمای ۱۸۰۰ درجه کار نهایت تقریبا بیشترین دمایی است که ما توانسته ایم فولاد کربنی را در آن تحت عملیات حرارتی قرار دهیم.

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:

1. سوزاندن ناخالصی‌های چدن
2. 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 + SiO_۲ ——-> MnSiO_۳

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 + SiO_۲ ——-> MgSiO_۲

۶MgO + P_۴O_۱۰ ——-> ۲Mg_۳(PO_۴)_۲

کوره تولید فولاد و جدا کردن ناخالصی‌ها

در تولید فولاد دو هدف دنبال می‌شود:

1. سوزاندن مقداری کربن و نیز سوزاندن ناخالصی‌های آهن خام سفید یا خروج آن‌ها به صورت سرباره.
2. افزودن مقادیر معین از مواد آلیاژ دهنده (عناصر مورد نیاز در فولاد) به آهن خام سفید.

برای تولید فولاد از کوره‌ها و پاتیل‌های مختلفی استفاده می‌کنند که روش کار در هر یک از آن‌ها متفاوت است. در ادامه هر یک از کوره‌ها و پاتیل‌های فولاد سازی و روش‌کار آن‌ها مختصراً شرح داده خواهد شد:

• کوره شعله‌ای: این کوره همانند کوره شعله‌ای چدن سازی است. امروزه دیگر از این کوره برای فولاد سازی استفاده نمی‌شود.
• پاتیل بسمر: آستر این پاتیل از آجر نسوز اسیدی است که با سیلیس و خاک رس ساخته شده است. زیرا در این پاتیل فولاد اسیدی تولید می‌شود. در پاتیل بسمر، اکسیژن با فشار به روی آهن خام مذاب دمیده می‌شود و ناخالصی‌های آن را اکسید می‌کند. در پاتیل بسمر از آهک استفاده نمی‌کنند زیرا با سیلیس موجود در آستر، تولید سیلیکات کلسیم می‌کند و باعث خوردگی آن می‌شود.
• پاتیل توماس: آستر این پاتیل از آجر نسوز قلیایی است که با دولومیت ساخته شده است. زیرا در این پاتیل فولاد قلیایی می‌سازند. در پاتیل توماس برای گرفتن ناخالصی فسفر، به آهن خام مذاب آهک اضافه می‌کنند تا سرباره فسفات کلسیم تشکیل شود.
• کوره زیمنس مارتن (اُپن هارت): در این کوره با دمیدن هوای داغ، کربن آهن خام مذاب را می‌سوزانند. جنس فولاد تولید شده در این کوره ممتاز بوده و ناخالصی آن کم است زیرا در برابر حرارت به عمل می‌آید.
• کوره الکتریکی: در این کوره حرارت ناشی از ایجاد قوس الکتریکی بین الکترودهای گرافیتی و آهن خام مذاب درون کوره، سبب ذوب و اکسید شدن ناخالصی‌ها میشود. این کوره نیاز به ماده سوختی و اکسیژن ندارد و فولاد حاصل از آن نیز از کیفیت بالایی برخوردار است. از این کوره برای تصفیه فولاد به دست آمده از کوره‌ها و پاتیل‌های دیگر و تبدیل آن به فولاد مرغوب نیز استفاده می‌کنند.

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 و 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:

Fe_۳C <——- 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 عملا انجام نمی‌گیرد.

تهیه فولاد

محصول کوره ذوب آهن ، چدن است که معمولا دارای ناخالصی کربن و مقادیر جزئی ناخالصی‌های دیگر است که به نوع سنگ معدن و ناخالصی‌های همراه آن و همچنین به چگونگی کار کوره بلند ذوب آهن بستگی دارد. از آنجایی که مصرف عمده آهن در صنعت بصورت فولاد است، از این رو ، باید به روش مناسب چدن را به فولاد تبدیل کرد که در این عمل ناخالصی‌های کربن و دیگر ناخالصی‌ها به مقدار ممکن کاهش ‌یابند.

روش‌های تولید و تهیه فولاد

از سه روش برای تهیه فولاد استفاده می‌شود:

• روش بسمه

در این روش ، ناخالصی‌های موجود در چدن مذاب را به کمک سوزاندن در اکسیژن کاهش داده ، آن را به فولاد تبدیل می‌کنند. پوشش جدار داخلی کوره بسمه از سیلیس یا اکسید منیزیم و گنجایش آن در حدود ۱۵ تن است. نحوه کار کوره به این ترتیب است که جریانی از هوا را به داخل چدن مذاب هدایت می‌کنند تا ناخالصی‌های کربن و گوگرد به‌صورت گازهای SO2 و CO2 از محیط خارج شود و ناخالصی‌های فسفر و سیلیس موجود در چدن مذاب در واکنش با اکسیژن موجود در هوا به‌صورت اکسیدهای غیر فرار P4O10 و SiO2 جذب جدارهای داخلی کوره شوند و به ترکیبات زودگداز Mg3(PO4)2 و MgSiO3 تبدیل و سپس به‌صورت سرباره خارج شوند.

سرعت عمل این روش زیاد است، به همین دلیل کنترل مقدار اکسیژن مورد نیاز برای حذف دلخواه ناخالصی‌های چدن غیرممکن است و در نتیجه فولاد با کیفیت مطلوب و دلخواه را نمی‌توان به این روش بدست آورد.

• روش کوره باز (یا روش مارتن)

در این روش برای جدا کردن ناخالصی‌های موجود در چدن ، از اکسیژن موجود در زنگ آهن یا اکسید آهن به جای اکسیژن موجود در هوا در روش بسمه (به منظور سوزاندن ناخالصی‌هایی مانند کربن ، گوگرد و غیره) استفاده می‌شود. 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 ۵۰ تا ۱۵۰ تن چدن مذاب است. حرارت لازم برای گرم کردن کوره از گازهای خروجی کوره و یا مواد نفتی تأمین می‌شود. برای تکمیل عمل اکسیداسیون ، هوای گرم نیز به چدن مذاب دمیده می‌شود. زمان عملکرد این کوره طولانی‌تر از روش بسمه است. از این نظر می‌توان با دقت بیشتری عمل حذف ناخالصی‌ها را کنترل کرد و در نتیجه محصول مرغوب‌تری بدست آورد.

• روش الکتریکی

از این روش در تهیه فولادهای ویژه‌ای که برای مصارف علمی ‌و صنعتی بسیار دقیق لازم است، استفاده می‌شود که در کوره الکتریکی با الکترودهای گرافیت صورت می‌گیرد. از ویژگی‌های این روش این است که احتیاج به ماده سوختنی و اکسیژن ندارد و دما را می‌توان نسبت به دو روش قبلی ، بالاتر برد.

این روش برای تصفیه مجدد فولادی که از روش بسمه و یا روش کوره باز بدست آمده است، به منظور تبدیل آن به محصول مرغوبتر ، بکار می‌رود. برای این کار مقدار محاسبه شده ای از زنگ آهن را به فولاد بدست آمده از روشهای دیگر ، در کوره الکتریکی اضافه کرده و حرارت می‌دهند. در این روش ، برای جذب و حذف گوگرد موجود در فولاد مقدار محاسبه شده‌ای اکسید کلسیم و برای جذب اکسیژن محلول در فولاد مقدار محاسبه شده ای آلیاژ فروسیلیسیم (آلیاژ آهن و سیلیسیم) اضافه می‌کنند.

انواع فولاد و کاربرد آن‌ها

از نظر محتوای کربن ، فولاد به سه نوع تقسیم می‌شود:

• فولاد نرم

این نوع فولاد کمتر از ۰,۲ درصد کربن دارد و بیشتر در تهیه پیچ و مهره ، سیم خاردار و چرخ دنده ساعت و … بکار می‌رود.

• فولاد متوسط

این فولاد بین ۰,۲ تا ۰,۶ درصد کربن دارد و برای تهیه ریل و راه آهن و مصالح ساختمانی مانند تیرآهن مصرف می‌شود.

• فولاد سخت

فولاد سخت بین ۰,۶ تا ۱,۶ درصد کربن دارد که قابل آب دادن است و برای تهیه فنرهای فولادی ، تیر ، وسایل جراحی ، مته و … بکار می‌رود.

• فولاد ضدزنگ

بر روی کارد و چنگال آشپز خانه کلمات Stain steel را می بینید و همین طور در پشت ساعت ها . فولاد ضد زنگ را فولاد زنگ نزن نیز می گویند . فولاد ضد زنگ آلیاژی است که در آن کروم به کار رفته است . سه نوع فولاد ضد زنگ وجود دارد . نوع اول آن دارای ۱۳ درصد کروم و مقداری نیکل و بقیه آهن . نوع دوم آن دارای ۱۷ درصد کروم و ۲ درصد نیکل و بقیه آهن است . نوع سوم آن دارای ۱۸ درصد کروم و۶ درصد نیکل وبقیه آهن است . فولاد ضد زنگ در تهیه آلات برنده به کار می رود و علت آن مقاومت این آلیاژ در برابر خوردگی است . آلیاژ های کروم بدون آهن شامل آلیاژ نیکروم و کرومل است که در وسایل گرمایی مختلف به علت خاصیت مقاومت الکتریکی شان به کار می روند .کروم چون زنگ نمی زند برای روکش کردن سایر فلزات به کار می رود . ترکیبات کروم در رنگرزی و دباغی نیز به کار می روند . مواد نسوزی که به عنوان آستر کوره های الکتریکی مصرف می شوند از مخلوط کردن سنگ معدن کرومیت با خاک چینی یا اکسید منیزیم تهیه می شوند . فولاد کروم که دارای ۴ درصد کروم و ۱ در صد کربن است بسیار سخت بوده و موارد استعمال فراوان دارد . فولاد کروم ـ وانادیم خیلی سخت و محکم بوده و در ساختن فنرها و چرخ های اتومبیل به کار می رود . فولادکروم ـ نیکل در روکش کردن سلاح های جنگی و فولاد های کروم تنگستن و کروم مولیبدن در ساختن ابزار هایی که با سرعت خیلی زیاد کار می کنند مصرف می شود . نیکروم که قبلا به آن اشاره شد آلیاژی است که دارای ۱۱ تا ۲۵ درصد کروم و بقیه نیکل است . استلیت آلیاژی است که دارای کروم کبالت وتنگستن است و در وسایل جراحی و قسمت هایی از موتور اتوموبیل به کار رفته است . در شیشه های رنگی نیز مفداری از نمک های کروم دار مصرف شده است.

• فولاد کاغذی

نگرانی که ذهن اکثر فولادسازان جهان را به خود مشغول کرده، این است که هر چقدر افزایش تقاضا برای مصرف فولاد از میزان روزهای اوج خود کمتر شود، افزایش چشمگیر و قابل ملاحظه در ظرفیت تولید فولاد چین به سمت صادرات به بازارهای مصرف خارج گرایش پیدا خواهد کرد.

سال‌های آغازین قرن بیستم، تولید فولاد یکی از شاخص‌های مهم قدرت در عرصه بین‌المللی به شمار می رفت. در واقع، تولید فولاد نشان‌دهنده قدرت کشورهای تولیدکننده بود. در حال حاضر نیز با وجودی که بیشتر توجهات به سمت صنایع دانش‌محور نظیر صنایع مهندسی و نرم‌افزارهای رایانه‌ای معطوف شده است، ولی هنوز هم هر نوع تغییر و تحول در بازار فولاد، باعث خبرسازی در جهان اقتصاد می‌شود. البته دنیای امروز فولاد بیشتر تحت تأثیر انفجار اقتصادی چین قرار دارد، زیرا این کشور هم‌اکنون به تنهایی یک‌چهارم کل فولاد تولیدی جهان را مصرف می‌کند. در حقیقت، افزایش چشمگیر تقاضای مصرف فولاد این کشور در اواخر سال ۲۰۰۳، باعث خروج این صنعت از کسادی شد. این در حالی بود که در همان زمان آمریکا برای جلوگیری از ورشکستگی سریالی کارخانجات فولادسازی خود، اقدام به وضع تعرفه واردات بر فولاد کرده بود، ولی مصرف فولاد در چین در این فاصله زمانی آنچنان بالا ‌رفت که در نوع خود موجب افزایش قیمت فولاد در سراسر جهان گردید. برای مثال، ورق فولادی مورد استفاده در ساخت خودرو و یخچال از ۲۰۰ دلار در هر تن به بیش از ۶۰۰ دلار افزایش پیدا کرد.

صادرات محدود فولاد در جهان

تجارت جهانی فولاد(واردات-صادرات) سالیانه حدود ۳۰ الی ۳۵ درصد کل تولید جهانی آن می‌باشد. دلیل عمده کم ‌بودن حجم تجارت فولاد، مشکل حمل و نقل فولاد و هزینه‌بر بودن آن است. به همین دلیل، تولیدکنندگان فولاد سعی می‌کنند که عمده تولیداتشان را در داخل کشور خود عرضه نمایند و اگر بخواهند صادرات هم داشته باشند، به دنبال بازارهای نزدیک و محلی هستند. کشورهایی مثل ژاپن و ترکیه در دسته صادرکنندگان بزرگ فولاد هستند .آمریکا نیز با وجود صادراتی که دارد، جزو بزرگترین واردکنندگان فولاد می باشد.

رشد تولید در مناطق مختلف جهان

میزان رشد تولید فولاد در کشورهای مختلف صنعتی، در سال‌های بین ۲۰۰۰ تا ۲۰۰۴ نکته‌ای قابل تامل است؛ تولید فولاد ژاپن در این مدت حدود ۱٫۲ درصد افزایش داشته است. در همین مدت، رشد تولید در آمریکا منفی بوده است؛ البته این رشد منفی را باید به بحران‌های اقتصادی آمریکا نسبت داد که حتی سبب ورشکستگی بعضی از تولیدکنندگان آمریکایی نیز شده است. به طور کلی، تولید فولاد در آمریکای شمالی به سبب تأثیرپذیری از بحران‌های اقتصادی آمریکا، رشد منفی داشته است.

رشد تولید فولاد در اروپا، در سال‌های بین ۲۰۰۰ تا ۲۰۰۴ حدود ۰٫۹ درصد بوده،که یکی از دلایل آن واردات فولاد بویژه فولادهای با قیمت پایین از سایر کشورها می‌باشد. در مقابل، تولید فولاد در کشورهای اروپای شرقی، هنوز جای رشد دارد. میزان رشدی که طی ده سال آینده برای تولید فولاد جهان پیش‌بینی می‌شود، بین ۱٫۷ تا ۲٫۵ درصد است که بیشترین رشد مربوط به کشورهای در حال توسعه نظیر چین و هند خواهد بود. با در نظر داشتن جایگاه این دو کشور پرجمعیت در دسته‌بندی ارایه شده برای کشورهای مختلف، و در جهت رشد و توسعه آنها می‌توان گفت این کشورها در آینده نیاز به تولید فولاد بسیار زیادی خواهند داشت.

دلایل کاهش رشد تولید فولاد در کشورهای صنعتی

یکی از مسائلی که در زمینه تولید فولاد قابل توجه است، سعی کشورهای پیشرفته به انتقال تولید فولاد به کشورهای در حال توسعه است که یکی از دلایل مهم آنرا می‌توان آلاینده بودن صنعت فولاد ذکر نمود . لازم به توضیح است که، استانداردهای محیط زیست در کشورهای پیشرفته بسیار سخت‌گیرانه‌اند در حالیکه متاسفانه در کشورهای در حال توسعه توجه چندانی به استانداردها در این زمینه نمی‌شود. همچنین، ارزان بودن نیروی انسانی و فراوانی مواد اولیه در کشورهای در حال توسعه، قابل مقایسه با کشورهای پیشرفته نیست؛ به علاوه، تولیدکنندگانی چون کشورهای آسیای میانه، به علت مشکلات اقتصادی تمایل دارند تولیدات خود را در مراحل اولیه تولید (تولید شمش) سریع‌تر و با قیمت پایین به فروش برسانند. لذا میزان تولید بالا و قیمت پایین تولید در کشورهای مذکور و برخی کشورهای آمریکای جنوبی، تهدیدی جدی برای صنایع فولاد کشورهای پیشرفته به حساب می‌آید.

عوامل مذکور سبب شده است که آمریکا برای بقای صنایع فولاد خود مجبور به وضع قوانین تعرفه‌ای برای واردات فولاد شود. همچنین با توجه به این عوامل است که،کشورهای پیشرفته در صنعت فولاد به سمت سرمایه‌گذاری در بخشهایی از صنعت فولاد با آلایندگی کمتر و ارزش افزوده بیشتر مانند نورد، فولادهای آلیاژی و کیفی و محصولات نهایی جدیدحرکت مینمایند.

چالش‌های پیش رو در صنعت فولاد

تامین قراضه یکی از مسائل مهم صنعت فولاد ایران است جهت مقابله با این مشکل کنار گذاشتن تجهیزات فرسوده، احداث واحدهای جدید پلیت‌سازی و تولید آهن اسفنجی الزامی است.

در حال حاضر قراضه ایران جوابگو صنایع  فولاد کشور نمی باشد و از خارج نیز تامین می‌شود.

اتصالات در سازه‌های فولادی

با توجه به افزایش ساخت وساز، و پیشرفت روز افزون علم ،این انتظار میرود که سازه های اجرا شده ازمقاومت بالایی برخورد باشند ، لذا شناخت کافی از هر دو سازه فولادی و بتنی، مزیت ها و معایب ان امری بسیار مهم است.

مزایای سازه‌های فولادی

مقاومت زیاد، مقاومت مصالح مقاومت، خواص ارتجاعی، دوام، شکل پذیری، پیوستگی مصالح، تقویت پذیری ،ضریب نیروی لرزه ای، سرعت نصب، پرت مصالح، وزن کم، اشغال فضا و شرایط نصب اسان است،که به اختصار توضیح داده شده است.

معایب سازه‌های فولادی

ضعف در دمای زیاد، خوردگی و فساد در مقابل عوامل خارجی،جوش نا مناسب و تمایل قطعات فشاری به کمانش است.

از دیگر مواردیکه باعث کاهش مقاومت سازه های فلزی می شوند ، می توان به جوش نا مناسب اشاره کردکه علل ان را می توان در:

عدم انطباق اجرای سازه های فولادی با ایین نامه ها و دستور العمل ها

کیفیت پایین جوش به علت عدم اموزش کلاسیک کافی در این زمینه برای جوشکاران

نبود نظارت اصولی و دقیق بر اجرای جوشکاری در ساختمان شهری در کشور

در ساختمانهای فلزی اتصال قطعات به همدیگر با جوش ، پرچ ، پیچ صورت میگیرد . استفاده از پیچ و مهره وتهیه ، ساخت قطعات در کارخانجات اقتصادی ترین ، فنی ترین کار می باشد که در کشور ما برای ساختمانهای متداول چنین امکاناتی مهیا نیست . اتصال با جوش بعلت عدم مهارت جوشکاران ، استفاده از ماشین آلات قدیمی ، عدم کنترل دقیق توسط مهندسین ناظر ، گران بودن هزینه آزمایش جوش و …… برزگترین ضعف میباشد.

براساس تجربه های حاصل از زلزله های گذشته و مطالعات انجام گرفته سازه هایی در برابر زلزله دارای عملکرد بهتری هستند که بتوانند ضمن حفظ پایداری و انسجام کلی خود انرژی ناشی از زلزله را تا حد امکان جذب و مستهلک نمایند.با توجه به منحنی نیرو-تغییر مکان  سازه ها و توجه به  این مطلب که سطح بین منحنی نیرو-تغییرمکان و محور تغییرمکان نشان دهنده میزان انرژی جذب شده توسط سازه است.

هر چه سازه شکل پذیرتر باشد انرژی بیشتری را  هنگام زلزله جذب کرده و رفتار مطلوبتری دارد.فولاد نرمه به علت طبیعت شکل پذیر از این نظر ماده مناسبی می باشد و می تواند میزان زیادی انرژی جذب کند.

نحوه مقاوم ساختن سازه های فولادی در مقابل زلزله

روش اول

کلیه نیروهای زلزله را به تیر ها و ستون ها داد که در این صورت ابعاد ستون ها و تیر ها باید از حالت معمول قطورتر باشد که مقرون به صرفه نیست.

روش دوم

ابعاد باد بند تیرها و ستون ها که باد بندها معمولا از دو عدد پروفیل نبشی ودوعدد تیر آهن یا دو ناودانی تشکیل شده که بهتر است این باد بند ها بصورت ضربدری به اسکلت جوش داده شود. در صورتی که امکان ایجاد بادبند ضربدری نباشد، می توان از بادبند های ذوزنقه ای استفاده کرد.

با توجه به اینکه تیر موازی ورق اتصال که عمود بر ستون نصب شده است نیست، در یک جهت تیر طول بسیاری از آن غیر قابل جوش به ورق اتصال گیردار می باشد (فلش مشکی). بنا براین، طول جوش لازم برای انتقال لنگر گیرداری تیر به ستون کافی نخواهد بود (احتمالا اتصال برای این حالت طرح نشده است چون ورق اتصال مانند بقیه ورق های اتصال می باشد) وعملا تیر، لنگر مورد نظر  در تحلیل را درهنگام زلزله نمی تواند تحمل کند و سهم بیشتری از نیروی زلزله به تیرهای اطراف آن وارد میشود.

 اجزای سازه­ای تشکیل دهنده قاب فولادی سبک

اعضای این سیستم به صورت مقاطع سرد نورد شده و در مواردی مقاطع ترکیب شده از چند عضو با اتصالات پیچی هستند.

ستونک (وادار)

اعضای عمودی در این سیستم ستونک نام دارند و بارهای قائم را به شالوده انتقال می­دهند.

لاوک

اعضای افقی در این سیستم لاوک­ها هستند که ستونک­ها بر روی آنها قرار می­گیرند. انتهای ستون­ها در تراز سقف هم به وسیله همین اعضا به یکدیگر متصل می­شوند.

تیرچه

تیرچه­‌ها بار کف را به لاوک­ها انتقال می­دهند.

اتصال دهنده‌­های داخلی دیوارها

این اعضای افقی موجب اتصال ستونک­ها و رفتار یکپارچه این اعضا می­شوند. تعداد و موقعیت قرارگیری اعضای افقی، کاملاً وابسته به طراحی ستونک­ها است. این اعضای افقی معمولاً به هر دو طرف ستونک­ها در یک تراز پیچ می­شوند.

سخت کننده جان

این سخت کننده­ها در نقاطی که بار متمرکز بر تیر وارد می­شود برای افزایش مقاومت و سختی جان تیر یا تیرچه اجرا می­شوند.

نبشی اتصال

برای اتصال اعضا به یکدیگر در صورتی که اتصال سیستم کافی نباشد، از نبشی اتصال بین این قطعات استفاده می­شود.

پیچ­های اتصال دهنده

برای اتصال اعضا به یکدیگر از پیچ استفاده می­شود. این پیچ­ها در اندازه­ها و شکل­های مختلف موجودند. برای سوراخ کردن هم می­توان از مته­های مخصوص استفاده کرد. هر یک از این پیچ­ها برای شرایط خاص استفاده می­شوند.

ابزار ساخت و نصب

برای اتصال قطعات سازه­ای و غیرسازه­ای و اجرای عملیات نصب سازه فولادی سبک، ابزارهای مختلفی وجود دارد که می­تواند سبب سهولت عملیات ساخت، نصب و تکمیل قطعات شود.

بخش­های مختلف سیستم قاب فولادی سبک نورد سرد

شالوده

همواره برای انتقال بار یک سازه به خاک، نیاز به یک سازه میانی است که این بار را بدون ایجاد تغییر شکل­های زیاد به زمین منتقل کند. در سیستم قاب فولادی سبک به دلیل وزن کم سازه و دیوارها از شالوده­های گسترده استفاده می­شود. برای نمونه شالوده دیوارها برای زمین­های با مقاومت خاک حدود یک کیلوگرم بر سانتیمتر مربع در شکل نمایش داده شده است.

مقدار ضخامت شالوده با توجه به میزان بار موجود بر روی شالوده تعیین می­شود. به دلیل سبک بودن و کاهش بارهای وارده در این سیستم سازه­ای، ضخامت شالوده بسیار کم است، بنابراین مقدار حداقل برای ضخامت شالوده مطابق آیین­نامه در نظر گرفته می­شود، ضخامت شالوده باید در هر حال از بیرون­زدگی شالوده از دیوار بیشتر باشد (T>P).

اتصال اجزای قاب فولادی سبک (ستونک یا لاوک) به شالوده از طریق میله­های اتصال شالوده انجام می­شود. اتصال سازه فولادی سبک به شالوده با استفاده از یکی از دو روش زیر انجام می­شود:

• نصب ستونک به شالوده: در این روش، ستونک­ها به صورت مستقیم از طریق میله­های اتصال به شالوده وصل می­شوند.
• اتصال لاوک به شالوده: در این روش ابتدا لاوک­ها به میله­های اتصال شالوده بسته شده و سپس ستونک­ها به لاوک­ها وصل می­شوند.