آهن

مقدمه

آهن یکی از رایج ترین عناصر روی زمین است. تقریبا هر ساخت و ساز انسان شامل حداقل یک آهن کوچک است. این یکی از قدیمی ترین فلزات است و برای اولین بار به ابعاد مفید و زینتی حداقل 3500 سال پیش ساخته شده است.

آهن خالص یک فلز نرم و خاکستری است. اگرچه آهن یک عنصر رایج است، آهن خالص تقریبا در طبیعت یافت نمی شود.

 تنها آهن خالص که شناخته شده به طور طبیعی وجود دارد از شهاب سنگ افتاده است. اکثر آهن موجود در مواد معدنی تشکیل شده توسط ترکیب آهن با عناصر دیگر است. 

اکسید آهن شایع ترین است. این مواد معدنی در نزدیکی سطح زمین که دارای بالاترین مقدار آهن هستند، به عنوان سنگ معدن آهن شناخته می شوند و به صورت تجاری استخراج می شوند.

سنگ آهن به چندین نوع از  تبدیل می شود. شایع ترین فرایند استفاده از کوره انفجاری برای تولید آهن خوک است که حدود 92 تا 94 درصد آهن و 3-5 درصد کربن با مقادیر کمتری از عناصر دیگر است. 

آهن چدن تنها استفاده محدودی دارد و اکثر این آهن به یک کارخانه فولاد تبدیل می شود که در آن به کاهش میزان کربن و اضافه کردن عناصر دیگر مانند منگنز و نیکل به خواص خاص فولاد تبدیل می شود.

تاریخچه

مورخان معتقدند که مصری ها اولین افرادی بودند که با مقادیر کم آهن، حدود پنج یا شش هزار سال پیش کار می کردند. 

فلز مورد استفاده آنها ظاهرا از شهاب سنگ ها استخراج شده است.

 شواهدی از اعتقاد بر این است که نخستین نمونه از معادن و ذوب آهن، اشاره به فرهنگ باستانی هیتی در آنچه در حال حاضر در ترکیه است. 

از آنجاییکه آهن برای ساخت سلاح و ابزار از ماده معروف فلزی بسیار عالی بود، تولید آن مخفیانه محرمانه بود.

 با این حال، روش اساسی ساده بود و استفاده از اطلاعات اولیه آهن به تدریج گسترش یافت.

 همانطور که در مقایسه با سایر مواد مفید بود، آهن دارای معایب بود. کیفیت ابزار ساخته شده از آن بسیار متغیر بود، بسته به منطقه ای که از سنگ آهن گرفته شده و روش مورد استفاده برای استخراج آهن. ماهیت شیمیایی تغییراتی که در طول استخراج اتفاق می افتد، درک نمی شود؛ به ویژه، اهمیت کربن به سختی فلز. 

تمرینات به طور گسترده در نقاط مختلف جهان متفاوت بود.

به عنوان مثال شواهدی وجود دارد که چینی ها قادر به ریختن و چنگ زنی بسیار زود است و ژاپنی ها نتایج شگفت انگیزی با مقادیر اندکی از فولاد تولید کرده اند، همانطور که از شمشیرهای قرون وسطی قدمت دارد.

 پیشرفت های مشابه در خاورمیانه و هند ساخته شده است، اما این فرآیند ها هرگز در سایر نقاط جهان ظاهر نشد. 

برای قرن ها، اروپایی ها روش هایی برای گرم کردن آهن به نقطه ذوب نداشتند. برای تولید آهن، آنها به آرامی سنگ آهن را با چوب در یک اجاق رس ریخته شده سوزاندند.

 آهن از سنگ اطراف جدا شده اما هرگز کاملا ذوب نشده است. 

در عوض، یک سرباره پوسته تشکیل داد که توسط چکش برداشته شد. این فرایند گرمایی و چکش مکرر اکسیژن را با اکسید آهن برای تولید آهن ترکیب کرده و کربن را از فلز حذف می کند.

 نتیجه تقریبا خالص آهن بود که به راحتی با چکش ها و انبرها شکل می گرفت اما برای گرفتن و حفظ لبه های خوب خیلی نرم بود. 

از آنجایی که فلزی شکل گرفته و یا به وسیله چکش ساخته شده بود، آن را تبدیل به فرانسوی نامید.

ابزار و سلاح هایی که از شرق به اروپا فرستاده می شد از آهن ساخته شده بود که ذوب شده و شکل گرفته بود. 

چسباندن بیشتر کربن، چدن سخت تر از آهن ساخته شده است و یک لبه برش را نگه می دارد. با این حال، آن نیز شکننده تر از آهن ساخته شده است.

 کارگران آهن اروپایی می دانستند که مردم شرقی دارای آهن بهتر هستند، اما نه فرایندهایی که در تولید محصولات قوی تر آهن نقش دارند.

 تمام کشورها تلاش های خود را برای کشف این روند آغاز کردند.

نخستین شناخته شده اروپایی پیشرفت در تولید چدن، که به سرعت به اولین فولاد منجر شد، تا سال 1740 به پایان نرسیده است. 

در آن سال، بنجامین هانتسممن یک اختراع را برای ذوب مواد برای تولید چشمه های فولادی به دست آورد استفاده شده در ساعت سازی. در طول 20 سال آینده یا بیشتر، این روش به طور گسترده تر به تصویب رسید.

 هانتسمن از یک کوره انفجاری برای ریختن کوره آهن در یک بوته رس استفاده کرد. سپس مقدار کربن خالصی را به فلز ذوب شده اضافه کرد.

 آلیاژ حاصل هر دو قوی و انعطاف پذیر بود وقتی که به چشمه های بازی می شود. 

از آنجایی که هانتسمن در ابتدا فقط علاقهمند به ساخت ساعتهای بهتر بود، فولاد منجیلش به طور مستقیم به توسعه زمان سنجی دریایی منجر شد، که به نوبه خود ناوبری جهانی را امکان پذیر ساخت و اجازه داد تا دریانوردان دقیقا موقعیت خود را در شرق / غرب تعیین کنند. 

این واقعیت که او همچنین متالورژی مدرن را اختراع کرده بود، یک اثر جانبی بود که او ظاهرا متوجه آن نشد.

مواد خام

مواد اولیه مورد استفاده برای تولید چدن در کوره انفجاری عبارتند از سنگ آهن، کک، آهک و سنگ آهک. 

سنگ آهن به طور عمده اکسید آهن است و شامل مگنتیت، هماتیت، لیمونیت و بسیاری از سنگ های دیگر است. 

مقدار آهن این سنگها از 70٪ تا 20٪ یا کمتر است. کک ماده ای است که توسط گرمای زغال سنگ تولید می شود تا زمانی که کربن تقریبا خالص شود. آهک کمتر ساخته شده است