همه چیز درباره فولاد ساختمانی

محصول کوره ذوب آهن، چدن است که معمولاً دارای ناخالصی کربن و مقادیر جزیی ناخالصی*های دیگر است که به نوع سنگ معدن و ناخالصی*های 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 ناخالصی*های کربن و دیگر ناخالصی*ها به مقدار ممکن کاهش *یابند.
روشهای تهیه فولاد روش بسمه:
در این روش ناخالصی*های موجود در چدن مذاب را به کمک سوزاندن در اکسیژن کاهش داده و آن را به فولاد تبدیل می*کنند. پوشش جدار داخلی کوره بسمه از سیلیس یا اکسید منیزیم و گنجایش آن در حدود 15 تن است. نحوه کار کوره به این ترتیب است که جریانی از هوا را به داخل چدن مذاب هدایت می*کنند، تا ناخالصی*های کربن و گوگرد به صورت گازهای SO2 و CO2 از محیط خارج شود و ناخالصی*های فسفر و سیلیس موجود در چدن مذاب در واکنش با اکسیژن موجود در هوا به صورت اکسیدهای غیر فرار P4O10) و (SiO2 جذب جدارهای داخلی کوره شوند و بهترکیبات زودگداز Mg3(PO4)2 و MgSiO3 تبدیل و سپس به صورت سرباره خارج شوند. سرعت عمل این روش زیاد است، به همین دلیل کنترل مقدار اکسیژن مورد نیاز برای حذف دلخواه ناخالصی*های چدن غیرممکن است و در نتیجه فولاد با کیفیت مطلوب و دلخواه را نمی*توان به این روش بدست آورد.
روش کوره باز (یا روش مارتن) : در این روش برای جدا کردن ناخالصی*های موجود در چدن، از اکسیژن موجود در زنگ آهن یا اکسید آهن به جای اکسیژن موجود در هوا در روش بسمه (به منظور سوزاندن ناخالصی*هایی مانند کربن، گوگرد و غیره) استفاده می*شود. برای این منظور از کوره باز استفاده می*شود که پوشش جدار داخلی آن از MgO و CaO تشکیل شده است و گنجایش آن نیز بین 50 تا 150 تن چدن مذاب است. حرارت لازم برای گرم کردن کوره از گازهای خروجی کوره و یا مواد نفتی تأمین می*شود. برای تکمیل عمل اکسیداسیون، هوای گرم نیز به چدن مذاب دمیده می*شود. زمان عملکرد این کوره طولانی*تر از روش بسمه است. از این نظر می*توان با دقت بیشتری عمل حذف ناخالصی*ها را کنترل کرد و در نتیجه محصول مرغوب*تری به دست آورد.
روش الکتریکی : از این روش در تهیه فولادهای ویژه*ای که برای مصارف علمی *و صنعتی بسیار دقیق لازم است، استفاده می*شود که در کوره الکتریکی با الکترودهای گرافیت صورت می*گیرد. از ویژگی*های این روش این است که احتیاج به ماده سوختنی و اکسیژن ندارد و دما را می*توان 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 می*رود. برای این کار مقدار محاسبه شده*ای از زنگ آهن را به فولاد به دست آمده از روشهای دیگر، در کوره الکتریکی اضافه کرده و حرارت می*دهند. در این روش، برای جذب و حذف گوگرد موجود در فولاد مقدار محاسبه شده*ای اکسید کلسیم و برای جذب اکسیژن محلول در فولاد مقدار محاسبه شده*ای آلیاژ فروسیلیسیم (آلیاژ آهن و سیلیسیم) اضافه می*کنند.
انواع فولاد و کاربرد آنها
از نظر محتوای کربن، فولاد به سه نوع تقسیم می*شود:
فولاد نرم : این نوع فولاد کمتر از 2/0 درصد کربن دارد و بیشتر در تهیه پیچ و مهره، سیم خاردار و چرخ دنده ساعت و... بکار می*رود.
فولاد متوسط : این فولاد بین 2/0تا 6/0 درصد کربن دارد و برای تهیه ریل و راه آهن و مصالح ساختمانی مانند تیرآهن مصرف می*شود.
فولاد سخت : فولاد سخت بین 6/0 تا 6/1 درصد کربن دارد که قابل آب دادن است و برای تهیه فنرهای فولادی، تیر، وسایل جراحی، مته و... بکار می*رود.
اصطلاح فولاد (Steel) برای آلیاژهای آهن که تا حدود 1،5 درصد کربن دارند و غالبا با فلزهای دیگر همراهند، بکار می*رود. 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 انواع مختلف فولاد
از فولادی که تا 0. 2 درصد کربن دارد، برای ساختن سیم، لوله و ورق فولاد استفاده می*شود. فولاد متوسط 0. 2 تا 0. 6 درصد کربن دارد و آن را برای ساختن ریل، دیگ بخار و قطعات ساختمانی بکار می*برند. فولادی که 0. 6 تا 1. 5 درصد کربن دارد، سخت است و از آن برای ساختن ابزارآلات، فنر و کارد و چنگال استفاده می*شود.
ناخالصی*های آهن و تولید فولاد
آهنی که از کوره بلند خارج می*شود، چدن نامیده می*شود که دارای مقادیری کربن،گوگرد،فسفر، سیلیسیم، منگنز و ناخالصی*های دیگر است. در تولید فولاد دو هدف دنبالمی*شود:

1- سوزاندن ناخالصی*های 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 می*شوند و با کمک ذوب مناسبی ترکیب شده، به صورت سرباره خارج می*شوند. گوگرد به صورت سولفید وارد سرباره می*شود و کربن هم می*سوزد و مونوکسید کربن (CO) یا دی*اکسید کربن (CO2) در می*آید. چنانچه ناخالصی اصلی منگنز باشد، یک کمک ذوب اسیدی که معمولاً دی*اکسید سیلسیم (SiO2) است، بکار می*برند:
MnO + SiO2 -------> MnSiO3

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 می*کنند:
(MgO + SiO2 -------> MgSiO2
6MgO + P4O10 -------> 2Mg3(PO4)2
کوره تولید فولاد و جدا کردن ناخالصی*ها
معمولاً جداره داخلی کوره*ای را که برای تولید فولاد بکار می*رود، توسط آجرهایی که از ماده کمک ذوب ساخته شده*اند، می*پوشانند. این پوششی مقداری از اکسیدهایی را که باید خارج شوند، به خود جذب می*کند. برای جدا کردن ناخالصی*ها، معمولاً از روش کوره باز استفاده می*کنند. این کوره یک ظرف بشقاب مانند دارد که در آن 100 تا 200 تن آهن مذاب جای می*گیرد.
بالای این ظرف، یک سقف مقعر قرار دارد که گرما را روی سطح فلز مذاب منعکس می*کند. جریان شدیدی از اکسیژن را از روی فلز مذاب عبور می*دهند تا ناخالصی*های موجود در آن بسوزند. در این روش ناخالصیها در اثر انتقال گرما در مایع و عمل پخش به سطح مایع می*آیند و عمل تصفیه چند ساعت طول می*کشد، البته مقداری از آهن، اکسید می*شود که آن را جمع*آوری کرده، به کوره بلند باز می*گردانند.
روش دیگر جدا کردن ناخالصی*ها از آهن
در روش دیگری که از همین اصول شیمیایی برای جدا کردن ناخالصی*ها از آهن استفاده می*شود، آهن مذاب را همراه آهن قراضه و کمک ذوب در کوره*ای بشکه مانند که گنجایش 300 تن بار را دارد، می*ریزند. جریان شدیدی از اکسیژن خالص را با سرعت مافوق صوت بر سطح فلز مذاب هدایت می*کنند و با کج کردن و چرخاندن بشکه، همواره سطح تازه*ای از فلز مذاب را در معرض اکسیژن قرار می*دهند.

اکسایش ناخالصی*ها بسیار سریع صورت می*گیرد و وقتی محصولات گازی مانند CO2 رها می*شوند، توده مذاب را به هم می*زنند، بطوری که آهن ته ظرف، رو می*آید. دمای توده مذاب، بی آنکه از گرمای خارجی استفاده شود، تقریبا به دمای جوش آهن می*رسد و در چنین دمایی، واکنشها فوق*العاده سریع بوده، تمامی* این فرایند، در مدت یک ساعت یا کمتر کامل می*شود ومعمولاً محصولی یکنواخت و دارای کیفیت خوب بدست می*آید.
تبدیل آهن به فولاد
آهن مذاب تصفیه شده را با افزودن مقدار معین کربن و فلزهای آلیاژ دهنده مثل وانادیم،کروم،تیتانیم، منگنز و نیکل به فولاد تبدیل می*کنند. فولادهای ویژه ممکن است مولیبدن،تنگستن یافلزهای دیگر داشته باشند. این نوع فولادها برای مصارف خاصی مورد استفاده قرارمی*گیرند. در دمای زیاد، آهن و کربن با یکدیگر متحد شده، کربید آهن (Fe3C) به نام «سمانتیت» تشکیل می*دهند. این واکنش، برگشت*پذیر و گرماگیر است:
Fe3C <-------گرما + 3Fe + C
هرگاه فولادی که دارای سمانتیت است، به کندی سرد شود، تعادل فوق به سمت تشکیل آهن و کربن، جابجا شده، کربن به صورت پولکهای گرافیت جدا می*شود و به فلز، رنگ خاکستری می*دهد. برعکس، اگر فولاد به سرعت سرد شود، کربن عمدتا به شکل سمانتیت که رنگ روشنی دارد، باقی می*ماند. تجزیه سمانتیت در دمای معمولی به اندازه*ای کند است که عملا انجام نمی*گیرد.
فولادی که دارای سمانتیت است، از فولادی که دارای گرافیت است، سخت*تر و خیلی شکننده*تر است. در هر یک از این دو نوع فولاد، مقدار کربن را می*توان در محدوده نسبتاً وسیعی تنظیم کرد. همچنین، می*توان مقدار کل کربن را در قسمتهای مختلف یک قطعه فولاد تغییر داد و خواص آن را بهتر کرد. مثلاً بلبرینگ از فولاد متوسط ساخته شده است تا سختی و استحکام داشته باشد و لیکن سطح آن را در بستری از کربن حرارت می*دهند تا لایه نازکی از سمانتیت روی آن تشکیل گردد و بر سختی آن افزوده شود