تحقیق رایگان

سایت علمی و پژوهشی اسمان

تحقیق درباره آهن و تاریخچه استفاده از آن

تاريخچه آهن:

قدمت استفاده بشر از آهن به ماقبل تاريخ برمي گردد. كشف ابزارهاي فلزي، سلاح هاي جنگي و لوازم زينتي- كه به وسيلة انسانهاي ماقبل تاريخ مورد استفاده بوده است- دليل اين مدعاست.

تصور بر اين است كه اولين نوع آهني را كه انسان استفاده كرده است منبع شهاب سنگي داشته است زيرا بابليان و آشوريان آهن را پارزيلو، سومريان و كلدانيان آن را بارسا، عبريان آن را بارزل و مصريان آن را با- ان- پت مي ناميدند كه همة اين لغات به معني فلز بهشتي به كار رفته است كه بيانگر ريشة شهاب سنگي اين فلز است. بشر اوليه علاوه بر منبع شهاب سنگي، آهن را به صورت خالص و نيز بعدها از احياي سنگ آهن توليد و استفاده نموده است از آن جايي كه دو منبع اولي كمبود و ناياب بودند، روش سوم يعني: احياي سنگ آهن توسعه و گسترش يافت، ولي دقيقاً مشخص نيست كه در چه تاريخي انسان، آهن را از سنگ معدن به دست آورده است. همچنين اشيايي از جنس طلا، نقره، مس و برخي فلزات ديگر كشف شده اند كه در حد بسيار اعلا و خالص بوده اند. طلا و نقره به دليل نرمي براي ساخت ابزار جنگي و وسايل معمولي نامناسب بوده اند، از اين رو از آنها براي ساخت ظروف و لوازم زينتي استفاده مي شده است. باستان شناسان معتقدند كه انسان قبل از كشف آهن به استخراج مس كاملاً آشنا بوده است و از مخلوط (آلياژ) مس و قلع (برنز) و مس و روي (برنج) آلياژهايي با كاربردهاي وسيع به دست مي‌آورده، آنها را در كوره هاي موجود ذوب و لوازم مختلف مي ساخته است.

استخراج و تصفيه آهن:

بخش اعظم ميليونها تن آهن و فولادي كه روزانه در جهان توليد مي شود به مصرف ساختماني مي رسد كه به شكلهاي مختلف از قبيل تيرآهن، نبش، ناوداني، سپري، تسمه، ورق، لوله ميلگرد، ريل و ديگر پروفيلهاي ساختماني عرضه مي شود. فولاد آهن را از احياي اكسيد آهن به دست مي آورند.

شمش ريزي آهن:

مقدار عمدة فولادهاي توليدي به روش هاي متعدد عمدتاً به روش ريخته گري مداوم به شمش تبديل، كه متعاقباً به روش نورد به مقاطع تجارتي تبديل مي شود. اندازه و شكل شمشهاي فولادي به محصولاتي كه بايد توليد شود بستگي دارد. براي توليد تيرآهن، ميلگرد و امثال آن، مقطع شمش مربع است. اما براي توليد ورق يا تسمه مقطع شمش مستطيلي است. در فرآيند نورد طول شمش افزايش و ضخامت آن كاهش مي يابد، اما عرض آن به دليل محدوديت حاصل از غلتكهاي نورد چندان تفاوتي نمي كند؛ مگر اين كه در جهت عرض نورد شود.

توليد محصولات نيمه ساخته:

شمشها در مراحل متعدد نورد به محصولات نيمه ساخته (مقاطع ساختماني) از قبيل تيرآهن استاندارد، تيرآهن بال پهن ريل و غيره تبديل مي شوند.

مقاطع فولادهاي ساختماني چقدر است:

مقاطع فولادهاي ساختماني معمولاً با يك حرف كه بيانگر مقطع و دو عدد (براي نبش سه عدد) است، مشخص مي شوند. عدد اول، عمق مقطع بر حسب اينچ يا ميليمتر و عدد دوم وزن مقطع در واحد طول برحسب پوند در هر فوت يا كيلوگرم در هر متر است؛ براي مثال  87*14w مقطعي بال پهن، با عمق 14 اينچ و وزن 87 پوند در هر فوت است. مقطع  نيز نبش با دو ساق مساوي با طول 8 اينچ و ضخامت يك دوم اينچ است كه آن را به صورت نيز مشخص مي كنند. در شكل برخي مقاطع نوردي نشان داده شده است.

مقاطع W :

اين مقطع تقارن دوطرفه دارد و بال پهن است كه از آن براي ستون يا تير حمال استفاده مي شود و سطح مقطع آن مربع است؛ يعني عرض و طول آن مساوي است و سطح داخلي بالها شيب بسيار كمي دارد.

مقاطع HP :

مقاطع بال پهني است كه ضخامت بال و جان مساوي است و نيز مقطع آن مانند مقطع W مربع است.

مقاطع S :

اين مقطع تقارن دوطرفه دارد و سطوح داخلي بال ها (براساس استاندارد آمريكايي) داراي شيب تقريبي  درصد است.

مقاطع M :

اين مقطع تقارن دوطرفه دارد كه در دسته بنديهاي S , W يا HP قرار نمي گيرد.

مقاطع C :

مقطع ناوداني است كه مطابق استاندارد شيب سطحي داخلي بال هاي آن  درصد است.

مقاطع MC :

مقطع ناوداني است كه نمي توان آن را در گروه C دسته بندي كرد.

مقاطع L :

مقطع نبشي است كه داراي دو ساق مساوي يا نامساوي است. بزرگترين مقطع نوردي فولادي 300*36W است حمالها و ستونهاي بزرگتر را با جوشكاري ورق به يكديگر توليد مي كنند كه مقاطع WW معروفند.

سيم، ميلگرد و مفتول:

سيم داراي مقطعي برابر حداكثر  اينچ است و ميلگرد نيز داراي مقطع دايره اي است. مقاطع ديگري از قبيل مفتول چهار گوش يا مفتول ش گوش نيز توليد مي شود. ميلگردهايي را كه در بتن مصرف مي شوند با عددي مشخص مي كنند كه برابر تعداد  اينچ هاي موجود در قطر است؛ براي مثال قطر ميلگرد شمارة 5 (#5) برابر   اينچ است ميلگردها در شماره هاي 3 تا 11 به صورت ساده يا آجدار توليد و عرضه مي شوند ميلگردهاي آجدار معمولاً داراي آجهاي طولي و عرضي مي باشند و در سه گروه psi (kg/cm² 3870) ، psi 70000 (kg/cm² 4926) و psi 80000 (kg/cm² 5930) توليد مي شوند. مقدار كربن تعيين كننده اين مقاومت است.

در جدول خواص مكانيكي ميلگردهاي ساده و آجدار گرم نورد كارخانه ذوب آهن اصفهان كه براي بتن مسلح به كار مي روند، داده شده است.

ورق:

يكي ديگر از محصولات آهن و فولاد، ورقهاي فولادي ضخيم و ورق هاي فولادي نازك است كه به صورت ورقهاي تخت يا موجدار و به حالتهاي ساده، روغني يا گالوانيزه به بازار عرضه مي شوند. اگر ضخامت اين محصولات بالاتر از 25/0 ميليمتر و كمتر از 35/6 ميليمتر باشد (شيت) و اگر ضخيم تر از 35/6 ميليمتر باشد (پلت) ناميده مي شود.

ورق گالوانيزه:

محافظت در برابر خوردگي فولادهايي كه داراي مقاطع نازك اند بسيار بااهميت است. يكي از طرق بسيار موثر و اقتصادي پوشش دادن فولاد يا آهن با فلز روي است. اين پوشش را معمولاً با فرو بردن قطعه تميز و آماده شده به داخل مذاب روي ايجاد مي كنند كه به فرآيند گالوانيزه گرم معروف است. فرايندي را كه فلز روي با استفاده از جريان الكتريكي بر روي فولاد لايه گذاري شود، گالوانيزه سرد مي نامند.

مهمترين عامل در مورد ورقهاي گالوانيزه ضخامت فلز روي است كه هر چقدر بيشتر باشد عمر فلز افزايش مي يابد. اين پوشش در مورد ورقها از 4/0 تا 75/2 اونس بر هر فوت مربع 7 برابر عمر پوشش 4/0 اونس بر فوت مربع در شرايط مساوي است. ورقهاي گالوانيزه در موارد متعددي كاربر دارند كه از آن جمله، قطعات ماشين مانند اگزوز، چراغهاي جلو و عقب، سقف و ديوار ساختمان- كانالهاي هوا، بدنه يخچالها، ماشين لباسشويي، مخازن ذخيره مايعات و امثالهم مي باشد.

ورق موجدار يا كركره اي:

اگر ورق تخت، موجدار شود، سفتي و استحكام آن افزايش مي يابد. ورقهاي فولادي موجدار بيش از يكصد سال است كه در دنيا توليد مي شوند. از اين ورقها براي ساخت كانالهاي زيرزميني آب، فاضلاب و نيز ايجاد تونل استفاده مي شود موجها (چين ها) مي تواند به صورت پروفيل هاي مستطيلي، ذوزنقه اي، وي (V) شكل يا شكلهاي ديگر توليد شود. از اين ورقها براي سقفهاي شيرواني و ديوارها استفاده مي شود. ورقهايي كه براي ايجاد ديوار استفاده مي شوند، هر دو لبة موج به يك جهت خم مي شود و عرض كل ورق كركره شده 66 سانتيمتر است اين ورقها به طولهاي مختلفي توليد مي شوند ولي در ورقهاي سقف، موجهاي لبه در جهت مخالف صفر مي شوند و عرض كل حدود 70 س است. اين ورقها به طولهاي مختلفي توليد مي شوند.

اين فلز در طبيعت به صورت آزاد و خالص يافت نمي شود. در حدود 8 درصد وزن پوستة زمين از اين فلز تشكيل شده است. از اين رو از فراوانترين فلزها مي باشد. اما از نظر مصرف كلي بعد از فولاد و مس و از نظر مصرف در كارهاي ساختماني و يا وابسته به آن در مقام دوم بعد از فولاد قرار دارد. آلومينيوم با ساير فلزات، همچنين غيرفلزات به صورت آلياژ در مي آيد كه از آن آلياژهاي سبك و مقاوم مي سازند.

از اين فلز در تهيه اجناس و وسايل خانگي مانند ورقهاي نازك آلومينيومي (فويل)، قوطي، ورق و پروفيلهاي ساختماني، خرپاها و پايه هاي برق رساني، ابزار برقي، بدنه كشتي، هواپيما و واگن راه آهن و غيره استفاده مي كنند. در اينجا نحوه توليد و همچنين خواص و ويژگيهاي آلومينيوم مورد بررسي قرار مي گيرد.

خواص و ويژگيهاي آلومينيوم:

همان طور كه بيان شد جرم مخصوص آلومينيوم حدود 7/2 گرم بر سانتيمتر مكعب است و از فلزات سبك به شمار مي آيد. قابليت هدايت گرمايي آن در مقايسه با فولاد بسيار بالا است و به چهار برابر آن مي رسد. ولي در مقايسه با مس از آن كمتر و حدود دوسوم است. قابليت هدايت الكتريسيته آن نيز در مقايسه با فلزات نامبرده مناسب است به طوري كه سطح يك سيم آلومينيومي براي يك جريان برق معين 6/1 برابر سطح سيم مسي مي باشد. اما بايد توجه داشت كه در اين صورت وزن سيم آلومينيومي نصف وزن سيم مسي است. فلز آلومينيوم در گرماي 658 درجه سانتيگراد ذوب مي شود. گرد آن با شعله سفيد رنگي مي سوزد و گرماي زياد توليد مي كند. مقاومت كششي فلز آلومينيوم ريخته شده بين 90 تا 120 نيوتن بر ميليمتر مربع و فلز آلومينيوم نورد و يا كشيده شده برابر 130 تا 180 نيوتن بر ميليمتر مربع و آلياژهاي مس و منيزيم آن تا 580 نيوتن بر ميليمتر مربع مي رسد كه برابر مقاومت كشش فولاد است. آلومينيوم در برابر هواي خشك، اسيد كربن، گاز انيدريد سولفوريك و جوهر شوره پرمايه پايدار است. در مقابل جوهر گوگرد، جوهر نمك، جوهر شوره كم مايه، آب دريا، قلياها و ملات تازه آهك و ملات تازة سيمان آسيب پذير سات و اين مواد در آن اثر مي كنند. سولفات ها بر آلومينيوم بي اثر مي باشند، ولي اسيد كربن و به ويژه جوهر گوگردي كه در دود است بر آلومينيوم اثر كرده سولفات آلومينيوم توليد مي شود، بنابراين نبايد در ساخت دودكش ها از ورق آلومينيوم استفاده كرد. به طور كلي مهمترين خواص آلومينيوم كه باعث استفاده گسترده از آن در صنايع و ساختمان مي شود عبارتند از جرم مخصوص كم، مقاومت در مقابل اكسيد شدن و خوردگي، همچنين قابليت ريخته گري آلومينيوم و آلياژهاي آن.

مس و آلياژهاي آن:

مس فلزي است سرخ رنگ، جلاپذي، نرم، شكل پذير و با چكش فوري مناسب، قابليت جوش دادن و لحيم كاري، جرم مخصوص آن 9/8 تن در مترمكعب و در گرماي 1083 درجه سانتيگراد ذوب مي شود و نقطة جوش آن 2310 درجه سانتيگراد مي باشد. مس نخستين فلزي است كه انسان از آغاز تاريخ خود، با آن آشنايي داشته است. اين فلز به حالت خالص در طبيعت يافت مي شود و شايد به همين دليل بشر قبل از آشنايي به فن ذوب فلزات، از اين فلز در ساخت بعضي از ابزارهاي اوليه استفاده كرده است. بعد از دستيابي انسان به انرژي الكتريسيته و ضرورت انتقال و جابه جايي آن، خاصيت با ارزش اين فلز از نظر قابليت فراوان هدايت الكتريسيته كشف گرديد و از اينرو مس به صورت فلز اصلي صنعت برق جهان درآمد. در حال حاضر بيش از نيمي از مصرف مس جهان در اين صنعت مصرف مي شود. مس با ساير فلزات از قبيل روي، قلع، آلومينيوم و نيكل به صورت آلياژ در مي آيد. علاوه بر مصرف گسترده اين فلز در صنعت برق و نظاير آن، از اين فلز و آلياژهاي آن در ساختمان سازي نيز به طور وسيع استفاده مي شود از آن براي پوشاندن و آب بندي كردن بام ها و محل هاي مرطوب و لوله هاي آب، بخار آب و گاز، بخصوص گازهاي طبي، بيشتر استفاده مي شود. در اين جا نحوة استفاده و همچنين خواص و ويژگي هاي مس مورد بررسي قرار مي گيرد.

خواص و ويژگيهاي مس:

همان طور كه بيان شد مس فلزي است سرخ رنگ، جلاپذير، نرم و شكل پذير و با چكش خوري مطلوب، داراي جرم مخصوص 9/8 گرم بر سانتيمتر مكعب، همچنين قابليت هدايت گرمايي آن بسيار مطلوب است به گونه اي كه از قابليت هدايت گرمايي آلومينيوم به مراتب بيشتر است. قابليت هدايت الكتريكي مس خالص عالي است و بعد از نقره هادي ترين فلز مي باشد. فلز مس در گرماي 1083 درجه سانتيگراد ذوب مي شود و در درجه حرارت 2310 درجه سانتيگراد به جوش مي آيد. مس در هوا اكسيد مي شود و يك پوستة نازك اكسيد مس سياه رنگ روي آن را مي پوشاند. اكسيد مس به دست آمده به كندي از هوا گاز كربنيك مي گيرد و به كربنات مس كه سبز رنگ است و در آب حل نمي شود تبديل مي شود از اين رو از زنگ زدن لايه هاي زيرين مس جلوگيري مي كند. مس در مقابل اسيدها آسيب پذير است به طوري كه آب نمك خوراكي نيز در برابر هوا در مس اثر كرده و نمك مس ايجاد مي گردد.

آلياژهاي مس:

آلياژهاي مس با استفاده از مس و بعضي از فلزهاي ديگر نظير روي، قلع و آلومينيوم ساخته مي شوند. اين آلياژها به دو دسته برنجها و برنزها تقسيم مي شوند. در اين جا به بررسي هر يك از اين آلياژها مي پردازيم.

برنجها:

برنجها، آلياژهاي مس و روي هستند كه به نسبت هاي مختلف و حداكثر تا حدود 40 درصد روي با مس ذوب مي گردد برنج به آساني شكل مي گيرد، پرس و منگنه مي شود و قابل چكش كاري مي شود، از برنج براي زدن سكه، ساختن لوله، ميله و نيمرخهاي گوناگون برنجي، پيچ و مهره، شيرآلات و مانند اينها استفاده مي كنند.

مفرغ يا برنز:

برنز يا مفرغ آلياژي از مس و قلع است كه خواص آن به مقدار قلع آلياژ بستگي دارد. با افزايش درصد قلع استحكام آلياژ افزايش مي يابد. رنگ آن قهوه اي روشن و خوشرنگ است. از اين رو از آن در ساختن چيزهاي هنري استفاده مي شود. از اين آلياژ در ساخت چرخ دنده ها، ياتاقان ها، سكه سازي، زنگ و پمپ هاي آب نيز استفاده مي شود.

لوله چدني:

لولة چدني، به دليل ديوارة ضخيم و مقاومت ذاتي بالا در برابر خوردگي، عمر نسبتاً طولاني دارند و از اين لوله ها براي توزيع آب، گاز، مايعات و فاضلاب شهري يا صنعتي به صورت زيرزميني يا روكار استفاده مي شود. اين لوله ها به گونه اي طراحي و ساخته مي شوند كه بتوانند نيروهاي وارده را كه شامل موارد زير است تحمل كنند.

-         فشار كاري (فشار طراحي)

-         ضربه هاي حاصل از موج سيال حدود kpa 690 (psi100)

-         فشار حاصل از خاكريزي گودال

-         فشار حاصل از عبور و مرور وسائط نقليه (ترافيك)

براي توليد اين لوله ها از دو نوع چدن، چدن خاكستري و چدن داكتايل استفاده مي شود.

قطر لوله هايي كه از چدن خاكستري توليد مي شوند 3 تا 24 اينچ و طول 18 تا 20 فوت (5/5 تا 6 متر) است. اين لوله ها با لايه اي از قير به ضخامت 25% ميليمتر (1 mil) در سطح خارجي و پوشش سيماني يا قير در سطح داخلي به بازار عرضه مي شود.

لوله چدني داكتايل (نشكن)

امروزه لوله هاي چدن داكتايل جاي لوله هاي چدن خاكستري را گرفته اند. اين لوله ها در اندازه هاي استاندارد به قطرهاي 3 تا 5 اينچ توليد مي شوند عليرغم چدن خاكستري، چدن داكتايل تنش تسليم معيني دارد و براساس حداقل خواص مكانيكي درجه بندي مي شود.

لوله چدني لوله اي است كه بيشترين مصرف را دارد. اين لوله به دليل قابليت ماشينكاري به سهولت بريده شده و رزوه مي شود اين لوله قبل از استفاده تحت آزمايشات مختلفي از قبيل كشش، ضربه، فشار هيدرواستاتيكي، تعيين تركيب شيميايي قرار مي گيرند. براي اتصال اين لوله ها از روشهاي مختلف منجمله استفاده از پشم سرب، تركيبات گوگرد، سيمان پرتلند، ريخته گري سرب+ كنف و اتصالات چدني مختلف رزوه دار و بدون رزوه استفاده مي شود.

لوله ها و كانال هاي اسپيرال و موجدار:

اين لوله ها و كانالها كاربردهاي مختلفي دارند كه از آن جمله زه كشي جاده ها، ساخت تونلهاي خدمات رساني بين بخشهاي مختلف صنايع، شاهراهها، خيابانها، راه آهن، فرودگاهها، شهرداريها، مناطق تفريحي، پاركهاي صنعتي، هدايت سيلابها، كاهش آلودگي هوا، پلها، سدها، خطوط آبرساني به نيروگاهها، كانالهاي حمل و نقل مواد و هدايت نوار نقاله، كانالهاي تاسيسات و تهويه، كانالهاي هوايي آب و فاضلابها را مي توان نام برد.

آلومينيوم و آلياژهاي آن:

آلومينيوم فلزي است نقره اي رنگ، جلاپذير، نرم و سبك و به آساني شكل پذير كه جرم مخصوص آن حدود 7/2 تن بر متر مكعب است و در دماي 6/658 درجه سانتيگراد ذوب و در دماي 2270 درجه سانتيگراد به جوش مي آيد.