مقدمه
در دنیای امروز صنایع آهن و فولاد به عنوان یکی از ارکان حیاتی اقتصاد و توسعه اجتماعی کشورها شناخته می شوند. این اهمیت از آن جهت است که انسان برای دستیابی به پیشرفت های صنعتی و تحقق اهداف زندگی روزمره، نیاز گسترده ای به این عناصر دارد. مروری بر کاربردهای گوناگون و حیاتی آهن، نقش کلیدی آن را در عرصه های مختلف نمایان می سازد.
آهن نه تنها نقشی محوری در ساخت و ساز ساختمان ها، پل ها و سایر زیرساخت های عمرانی ایفا می کند، بلکه یکی از اجزای اساسی در صنایعی مانند خودروسازی، ساخت کشتی و تولید لکوموتیو محسوب می شود. از طرفی، آلیاژهای متنوعی که از ترکیب آهن و سایر عناصر به دست می آیند، مبنای تولید بسیاری از ماشین آلات صنعتی را فراهم می سازند.
روش های مختلفی برای استخراج و تولید آهن و فولاد وجود دارد که هر یک بسته به نوع ماده اولیه و فناوری مورد استفاده، ویژگی های خاص خود را دارد. در این تحقیق، تمرکز بر فرآیند تولید آهن از طریق کوره بلند است؛ روشی که از مراحل ابتدایی تا محصول نهایی به طور کامل بررسی خواهد شد.
آهن، عنصری شیمیایی با نماد Fe و عدد اتمی ۲۶ است که در گروه هشتم و دوره چهارم جدول تناوبی جای گرفته است. این فلز به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی ویژه، به عنوان ماده ای بنیادین در بسیاری از صنایع نقش آفرینی می کند.
تاریخچه آهن (Fe)
اولین مدارک مربوط به استفاده از آهن به دوران سومریان و مصریان بازمی گردد، یعنی حدود ۴۰۰۰ سال پیش از میلاد. آنها از قطعات آهنی که از شهاب سنگ ها به دست می آمد، برای ساخت اشیاء کوچک مانند سرنیزه و زیورآلات بهره می بردند. بین سال های ۳۰۰۰ تا ۲۰۰۰ قبل از میلاد، در مناطق میان رودان، آسیای صغیر و مصر اشیاء ساخته شده از آهن مذاب که فاقد نیکل بود و از آهن شهاب سنگی متفاوت بود، بیشتر دیده می شد؛ اما این فلز در آن دوران تنها برای مراسم ویژه به کار می رفت و به دلیل کمیابی، حتی از طلا هم ارزشمندتر شمرده می شد.
مطابق با برخی منابع، آهن در ابتدا به صورت جانبی در فرایند تصفیه مس تولید می شد، مانند آهن اسفنجی که به دلیل فناوری محدود آن زمان، امکان بازیافت مجدد نداشت. در بازه زمانی ۱۶۰۰ تا ۱۲۰۰ قبل از میلاد، کاربرد آهن در خاورمیانه افزایش یافت، هرچند هنوز نتوانست جایگزین برنز شود. نمونه ای از تیرآهن های آهنی در گاتلند سوئد یافت شده است. در قرون ۱۰ تا ۱۲ میلادی در خاورمیانه، تغییرات سریعی در جایگزینی ابزار و سلاح های برنزی با نمونه های آهنی رخ داد که دلیل اصلی آن، قطع ناگهانی تامین قلع بود، نه پیشرفت ناگهانی در فنون آهنگری. این دوره که در نقاط مختلف جهان به صورت های گوناگون اتفاق افتاد، عصر آهن نامیده می شود.
همزمان با رواج آهن، فرایندی به نام کربوریزاسیون کشف شد که طی آن کربن به آهن افزوده می شد. آهن را به صورت اسفنجی، ترکیبی از آهن، سرباره و مقادیری کربن یا کاربید، بازیابی می کردند. سپس با کوبیدن آن، سرباره جدا شده و کربن اضافی اکسیده می شد تا آهن نرم حاصل شود.
ساکنان خاورمیانه متوجه شدند با حرارت دادن طولانی آهن نرم در لایه ای از ذغال و سپس آب دادن آن، می توان محصولی بسیار مقاوم تر تولید کرد که سطحی فولادی داشت و از برنزهای پیشین محکم تر بود. در چین نیز نخستین بار آهن شهاب سنگی به کار رفت و شواهد باستان شناسی اشیاء ساخته شده از آهن نرم در شمال شرقی نزدیک به سین کیانگ به قرن هشتم پیش از میلاد تعلق دارد. این ابزارها با روش های مشابه خاورمیانه و اروپا ساخته شده و احتمال می رود به مناطق خارج از چین نیز ارسال می شد.
در دوره پایانی سلسله ژو (حدود ۵۵۰ پیش از میلاد)، پیشرفت های قابل توجهی در فناوری کوره رخ داد که امکان تولید آهن جدید را فراهم کرد. کوره های بلندی که دمایی بیش از ۱۳۰۰ درجه سانتی گراد ایجاد می کردند، تولید چدن یا آهن خام را ممکن ساختند. اگر سنگ معدن آهن را در دمای بین ۱۴۲۰ تا ۱۴۷۰ درجه سانتی گراد همراه با کربن حرارت دهند، مذابی حاصل می شود که تقریباً شامل ۹۶.۵ درصد آهن و ۵.۳۵ درصد کربن است. این ماده بسیار سخت است و می توان آن را به اشکال ظریف ساخت، ولی شکننده است مگر اینکه میزان کربن کاهش یابد.
پس از سلسله ژو، بیشتر آهن تولیدی در چین به شکل چدن بود. با این حال، آهن به عنوان کالایی روزمره در میان کشاورزان کاربرد داشت و تا زمان سلسله شین (حدود ۲۲۱ قبل از میلاد) تاثیر عمیقی بر عظمت چین نداشت.
در اروپا، توسعه چدن دیرتر اتفاق افتاد زیرا کوره های ذوب تنها قادر به رسیدن به دمای حدود ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد بودند. در دوران قرون وسطی، آهن اسفنجی به آهن نرم تبدیل می شد و بین سال های ۱۱۵۰ تا ۱۳۵۰ میلادی، قالب ریزی آهن در دو منطقه سوئد به نام های Lappyttan و Vinarhyttan رواج داشت.
دانشمندان بر این باورند که احتمالاً این تکنیک از این مناطق به سمت مغولستان و شرق روسیه گسترش یافته، اما مدارک قطعی در این باره وجود ندارد. تا اواخر قرن نوزدهم، بازارهای قابل توجهی برای محصولات چدنی مانند گلوله های توپ ایجاد شد.
در آغاز، زغال چوب هم به عنوان منبع گرما و هم عامل کاهنده در ذوب آهن به کار می رفت. اما در قرن هجدهم در انگلستان با کاهش منابع چوب، زغال سنگ به عنوان جایگزین سوخت فسیلی مورد استفاده قرار گرفت. این نوآوری که توسط آبراهام داربی معرفی شد، انرژی لازم برای انقلاب صنعتی را تامین کرد.
فهرست مطالب
مقدمه ۱
تاریخچه آهن (Fe) 2
پیدایش : ۶
خصوصیات قابل توجه : ۷
کاربردها ۸
ترکیبات ۹
بیولوژی ۱۰
ایزوتپها ۱۰
سنگ معدن های آهن ۱۲
فرآیندهای اولیه استخراج آهن ۱۳
مواد اولیه مورد نیاز استخراج آهن ۱۴
سنگ معدن آهن: ۱۴
زغال کک ۱۴
سنگ آهک: ۱۵
واکنش های کوره استخراج آهن ۱۵
احیای مستقیم ۱۷
کوره بلند: ۱۷
کارگاه چدن ریزی ۱۹
مراحل تولید آهن درکوره بلند ۲۰
نقش سرباره ۲۱
نقش مقدار زیاد کک درکوره ۲۱
گاز خروجی از بالای کوره ۲۱
جایگزین هوا در بعضی از کوره ها ۲۲
ناخالصی های آهن و تولید فولاد ۲۲
کوره تولید فولاد و جداکردن ناخالصی ها ۲۴
روش بسمه: ۲۵
روش کوره باز (با روش مارتن): ۲۶
روش الکتریکی: ۲۶
انواع فولاد و کاربرد آنها ۲۷
تبدیل آهن به فولاد آلیاژی ۲۸
بزرگترین عملیات نصب تجهیزات کوره بلند ذوب آهن اصفهان : ۳۰
کوره بلند ۳۱
شارژ کردن ۳۲
منابع بالقوه جانبی : ۳۲
کنترل های احتمالی درمورد مهندسی و کارهای عملی: ۳۳
پرسازی: ۳۴
منابع بالقوه درمعرض : ۳۴
کنترل های ممکن برای مهندسی و کارهای علمی : ۳۵
سوارخ کردن Tuyere (پانچ کردن): ۳۶
منابع بالقوه درمعرض : ۳۶
فهرست منابع : ۳۸