فولاد یکی از عناصر بسیار محکم و خشن است که در برخی از کسب و کارها از آن استفاده زیادی می شود. آهن، ماده اصلی فولاد می باشد. برای آشنایی با فولاد این بخش گهر را بخوانید. در ادامه مطالبی در مورد فولاد و فولاد سازی و موارد استفاده فولاد و کاربرد فولاد می خوانید.
فولاد چیست و کاربرد فولادسازی چیست؟
فولاد چیست
اصطلاح فولاد یا پولاد برای آلیاژهای آهن که بین ۰٫۰۰۲ درصد تا ۲٫۱ درصد وزن خود کربن دارند بکار می‌رود. فولادهای آلیاژی غالباً با فلزهای دیگری نیز همراهند. خواص فولاد به درصد کربن موجود در در دوران باستان، فولاد هندی بنام بوده‌است. 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 شده‌است: کربن :با آهن ترکیب می‌شود و نشان دهنده جنس فولاد می‌باشد. کربن فولاد را ترد می‌کند و انبساط فولاد را بالا می‌برد و سختی آن را زیاد می‌کند. ه ب 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 شده‌است 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 می‌سوخت، 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 نور ن 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 می‌ریزند. 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
در این فرایند با کار بر روی فولاد طی یک یا چند مرحله توسط پتک کاری یا پرس کاری شکل مطلوب نهایی ایجاد می‌گردد. برای افزایش قابلیت شکل‌پذیری معمولاً به فولاد گرما می‌دهند تا به حالت خمیری در آید، سپس آن را با پتک می‌کوبند. یا چکش کاری می‌کنند تا به شکل خواسته شده در آید.
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، سیلیسی
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 + SiO2 —-> MnSiO3(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 + SiO2 —-> MgSiO2(l
(6MgO + P۴O10 —-> ۲Mg3(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 بازمی‌گردانند.
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 (Fe3C) به نام «’سمنتیت» تشکیل می‌دهند. این واکنش، برگشت‌پذیر و گرماگیر است:
Fe3C <—- 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.
