آهن

آهن یک فلز نقره ای-سفید یا مایل به خاکستری است که با علامت اختصاری Fe در گروه هشتم عناصر واسطه قرار دارد. فلزی داکتیل و چکش خوار است. داکتیل یعنی قابلیت تبدیل شدن به سیم های نازک را دارد و چکش خوار یعنی قابلیت چکش خواری برای تبدیل شدن به ورق های نازک را دارد. آهن یکی از سه عنصری است که بطور طبیعی مغناطیسی می شود. عناصر دیگر که این خاصیت را دارند نیکل و کبالت هستند. آهن دارای استحکام کششی بسیار بالایی است یعنی بدون اینکه پاره شود، می­ تواند تحت کشش قرار گیرد. آهن همچنین کارپذیر است یعنی قابلیت خم شدن، نورد شدن، برشکاری، شکل پذیری و سایر فرایندهایی که فلزات را به شکل و ضخامت دلخواه تبدیل می­ کند را دارد.

فراوانی آهن در طبیعت

آهن چهارمین عنصر فراوان در پوسته زمین است. فراوانی آن در حدود 5%، قابل تخمین می باشد. بیشتر دانشمندان معتقدند که معادن زمین شامل مقادیر زیادی آهن است. آهن همچنین در خورشید، سیاره ها و ستاره های خارج سیاره شمسی موجود می باشد.

متداول ترین کانی های آهن هماتیت یا اکسید آهن (Fe2O3)، لیمونیت یا اکسید آهن (Fe2O3)، مگنتیت یا اکسید آهن (Fe3O4) و سیدریت یا کربنات آهن (FeCO3­) می باشند. یکی از منابع مهم فزاینده آهن تکونیت است که ترکیبی از هماتیت و سیلیس (ماسه) میباشد. این کانی تنها شامل 25% آهن است.

بزرگترین منابع آهن در جهان در کشورهای چین، برزیل، کانادا، استرالیا و هندستان و بیشترین تولیدات آهن از سنگ معدن آن نیز در کشورهای چین، ژاپن، آمریکا، روسیه، آلمان و برزیل می باشد.

خواص اتمی، فیزیکی و شیمیایی آهن

 

خواص اتمی، فیزیکی  و شیمیایی آهن
26	عدد اتمی
55.847g.mol -1	وزن اتمی یا عدد جرمی
126 pm	شعاع اتمی
26	تعداد پروتون ها /الکترون ها
30	تعداد نوترون ها
7.86 g.cm -3­­	چگالی در 20°C
6.98 g.cm -3	چگالی مایع در نقطه ذوب
1535 °C	نقطه {{ذوب}}
2750 °C	نقطه جوش
0.126 nm	شعاع وان دروالس
117 pm	شعاع کوالانسی
0.05 nm	شعاع یونی
8	ایزوتوپ
16	ایزوتوپ مصنوعی
[Ar]4s23d6	پوسته الکترونی
2,8,14,2	الکترون ها در هر پوسته
فرومغناطیس	حالت مغناطیسی
761 kJ.mol -1	انرژی اولین یونیزاسیون
1556.5 kJ.mol -1	انرژی دومین یونیزاسیون
kJ.mol -1 2951	انرژی سومین یونیزاسیون
1.8	الکترونگاتیویته
– o.44 V (Fe2+/ Fe ) ; 0.77 V ( Fe3+/ Fe2+ )	پتانسیل استاندارد
82 GPa	مدول برشی
211 GPa	مدول یانگ
170 GPa	مدول بالک
0.29	نسبت پواسون
4	سختی موس
490 MPa	سختی برینل
608 MPa	سختی ویکرز

آهن فلز بسیار فعالی می­ باشد و به سرعت با اکسیژن موجود در هوای مرطوب ترکیب می شود. محصول این واکنش اکسید آهن (Fe2O3) می باشد. آهن همچنین با آب های خیلی داغ و بخار برای تولید گاز هیدروژن واکنش می دهد. همچنین در بیشتر اسیدها حل شده و با سایر عناصر واکنش می­ دهد.

خواص حرارتی و الکتریکی آهن

خواص حرارتی و الکتریکی آهن
25.1 J·mol−1·K−1	ظرفیت گرمایی مولی
13.81 kJ/mol	گرمای ذوب
340 kJ/mol	گرمای تبخیر
80.4 W·m−1·K−1	هدایت حرارتی
11.8 µm·m−1·K−1	انبساط حر ارتی در 25°C
96.1 nΩ·m	مقاومت الکتریکی در  20°C

خواص کریستالی آهن

پلی مورفی، یک پدیده فیزیکی است که یک ماده ممکن است دارای بیش از یک ساختار کریستالی باشد. ماده ای که پلی موفی نشان می دهد در بیش از یک نوع شبکه فضایی در حالت جامد وجود دارد. اگر تغییر در ساختار برگشت پذیر باشد، تغییر پلی مورفی بعنوان آلوتروپی شناخته می شود. ساختار کریستالی، معمولا وابسته به دما و فشار خارجی می باشد. آهن نیز دارای خاصیت آلوتروپی می باشد. هنگامی که آهن در دمای 2800 درجه فارنهایت متبلور می شود ساختار BCC (آهن δ) دارد. در دمای 2554 درجه فارنهایت تغییرات ساختاری به FCC (آهن γ یا آستنیت) می دهد و در دمای 1670 درجه فارنهایت دوباره به BCC (آهن ∝ یا فریت) تبدیل می شود.

شکل زیر نمودار سرمایش آهن خالص (رفتار آلوتروپی آهن خالص) را نشان می دهد.

آهن ∝:

نام دیگر آهن ∝ ، فریت است که دارای ساختار کریستالی مکعبی مرکز دار می باشد. سلول واحد و میکروگراف این کریستال در زیر نشان داده شده است.

آهن γ:

نام دیگر آهن γ آستنیت است که دارای ساختار بلوری FCC است. سلول واحد و میکروگراف آن در شکل زیر نشان داده شده است.

آلیاژهای آهن

آلیاژهای آهن، ترکیبات، خواص و کاربردهای آنها در جدول زیر نشان داده شده است.

نام ترکیب آهنی	ترکیبات اصلی	خواص	کاربردها
چدن	آهن با بیش از 5% کربن و در برخی موارد بین 3-1% سیلیسیوم	به راحتی زنگ می زند، سخت و ترد است	سیلندر موتور، قالب های ماهیتابه های چدنی، اجزاء خودرو
فولاد	آهن با کمتر از 1% کربن	سخت، مستحکم، چکش خوار	ساختمان ها، ماشین آلات، حمل و نقل، کنسروها و کانتینرها، لوازم خانگی
فولاد زنگ نزن	آهن بعلاوه کربن، نیکل، کروم	زنگ نزن، چکش خوار	کارد و چنگال، تجهیزات بیمارستانی، بخش های وسایل نقلیه موتوری
فولاد ابزار	آهن بعلاوه کربن، وانادیم،کروم، تنگستن و یا مولیبدن	بسیار سخت و ترد	ابزار برش فلزی، ابزار سوراخ کاری
آهن گالوانیزه	آهن به علاوه پوشش روی	مقاوم در برابر زنگ زدگی، چکش خوار	سقف ها، اجزاء موتور، بدنه ها، قایق ها

• آهن زنگ نزن ؟؟؟

اصطلاح آهن زنگ نزن به چه معناست؟ به علت فعال بودن فلز آهن وقتی در مجاورت اکسیژن و رطوبت قرار می گیرد ، اصطلاحا ((زنگ می زند)). در واقع آهن با اکسیژن تشکیل اکسید آهن داده که قرمز رنگ بوده و روی آن را می پوشاند. برای استفاده بهتر از آهن و جلوگیری از زنگ زدن آن، آن را گالوانیزه می کنند . در این روش آهن را با فلز روی پوشش می دهند و در نتیجه زمانی که آهن گالوانیزه در معرض محیط مرطوب قرار می گیرد زنگ نمی زند.

اصطلاح آهن زنگ نزن در مورد این فلز اشتباه رایجی است. زمانی که کربن به آهن اضافه شود ، تبدیل به آلیاژ می شود و از حالت عنصری خارج می شود. به این آلیاژ، فولاد گفته می شود که خواصی بهتر از آهن دارد. یک نوع از این فولادها، فولاد زنگ نزن هستند که علاوه بر آهن و کربن عناصری دیگری مانند کروم به آن اضافه شده که باعث ایجاد مقاومت در برابر زنگ زدن در آنها می شود.

پس اصطلاح آهن زنگ نزن اشتباه بوده و فولاد زنگ نزن صحیح می باشد.

مباحث کامل تری در این زمینه را می توانید در این قسمت دریافت کنید.

استخراج آهن

1- استخراج آهن از کوره بلند

هوا در پایین کوره دمیده شده و با استفاده از گازهای گرم خارج شده از بالای کوره بلند، گرم می­ شود. کک (کربن خالص) که با حرارت دادن ذغال سنگ در غیاب هوا تشکیل می ­شود، در حین دمش هوای گرم می سوزد و توسط یک واکنش شدیدا گرمازا، دی اکسید کربن تشکیل می شود. این واکنش منبع مهم حرارتی در کوره بلند است:

C + O2 = CO2

در پایین کوره در دمای بالا، دی اکسید کربن، برای تولید مونوکسید کربن با کربن واکنش می دهد:

C + CO2 = 2CO

مونوکسید کربن تشکیل شده عامل اصلی احیاء برای تولید آهن در کوره می باشد:

Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2

در بخش های گرم تر کوره، خود کربن نیز به عنوان عامل احیاء واکنش می دهد. با توجه به این دماها، محصول دیگر واکنش، به جای دی اکسید کربن، مونوکسید کربن است:

Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO

دمای کوره برای ذوب آهن کافی می باشد تا به عنوان آهن خام چکه کند.

سنگ آهک برای تبدیل ناخالصی های سیلیسی به سرباره (بعنوان سیلیکات کلسیم) افزوده شده تا ذوب شده و به پایین رانده شود. سیلیکات کلسیم ذوب شده و به پایین کوره حرکت می کند تا یک لایه روی آهن مذاب تشکیل شود:

CaCO3 + O2 = CaO + CO2. CaO + SiO2 = CaSiO3

شکل زیر فرایند تولید آهن در کوره بلند را نشان می دهد.

2- احیاء مستقیم آهن (DRI)

فرایندهای تولید فولاد نیاز به ورود مواد آهنی به عنوان مواد خام فرایند دارند. برای ساخت فولاد در یک کوره اکسیژنی پایه، مواد تغذیه آهنی معمولا فلزات گرم و قراضه های فولادی هستند. یک رنج وسیع از منابع آهنی مصرفی، محصولی به نام DRI است که بوسیله احیاء حالت جامد سنگ معدن آهن به آهن فلزی شده بدون تشکیل آهن مایع می باشد. این کاهش حالت جامد سنگ معدن آهن، آهن اسفنجی نامیده می شود.

آهن اسفنجی محصولی است که وقتی سنگ معدن آهن در حضور زغال سنگ، در دماهای زیر نقطه ذوب آهن، به آهن فلزی کاهش می یابد، بوجود می آید. شکل خارجی سنگ معدن، با 30% کاهش وزن که در نتیجه کاهش اکسید است و نتیجه آن تغییر در چگالی از 4.4 به 7.8 گرم بر سانتی متر مکعب در این محصول می باشد، حفظ می شود. در این فرایند 54% کاهش حجم اتفاق می افتد که به صورت تشکیل حفره ­ها در محصول کاهش یافته خود رانشان می دهد و بنابراین آهن اسفنجی نام دارد. برتری این تکنیک این است که آهن می تواند در دمای کوره کمتر (تنها در حدود 1100 درجه سانتی گراد) بدست آید. مهمترین عیب این روش این است که تنها مقادیر کمتر آهن اسفنجی می تواند در یک زمان قابل مقایسه با فرایند کوره بلند ساخته شود.

در این روش سنگ معدن آهن با ذغال سنگ در بخش بالایی منطقه کاهش کوره دوار شارژ می شود، که این ذرات که بوسیله نیروی ثقل پایین می آیند بوسیله گازهای کاهش ­دهنده گرم با مونوکسید کربن و هیدروژن ترکیب می شوند. نهایتا آهن اسفنجی تولید شده از بخش پایینی منطقه تخلیه کوره، تخلیه شده و پس از سرد شدن منتقل می شوند.