آهن

راهنمای خرید انواع آهن آلات

kianborna

digikala

آهن یکی از عناصر مهم در گروه 8 جدول تناوبی بوده و به عنوان فلز طبقه بندی می شود. این ماده از تولید فولاد گرفته تا کمک به حمل اکسیژن در خون انسان، همه جوره به حفظ حیات زمین و بشر کمک می کند.

آهن چهارمین عنصر رایج در پوسته زمین از نظر وزنی و ششمین عنصر از لحاظ فراوانی در جهان است، به گونه ای که تصور می شود بیشتر هسته زمین از آهن تشکیل شده باشد. در ادامه این متن از ساختمانچی با ما همراه باشید تا با آهن، کاربرد و هر چیزی که به آن مربوط است آشنا شوید.

آهن چیست؟

همان طور که گفته شد، آهن فلزی در گروه 8 و دوره 4 جدول تناوبی با عدد اتمی 26 است. نقش این ماده در بقای موجودات زنده بسیار مهم است. نقش این فلز در تولید کلروفیل گیاهان، هموگلوبین حیوانات و هم چنین حمل اکسیژن از ریه ها به تمام بافت های بدن انکار نشدنی است.

آهن های تازه استخراج شده سطحی صاف و نقره ای مایل به خاکستری دارند که با آب و اکسیژن واکنش نشان داده و به شکل آهن هیدراته یا زنگ آهن قرمز و قهوه ای تبدیل می شود. برخی فکر می کنند که این لایه اکسید شده مانع زنگ زدگی درونی فلز نمی شود، اما باید گفت که علاوه بر این که این لایه از زنگ زدی جلوگیری نمی کند، بلکه با ادامه نفوذ حجم بیشتری از فلز خورده و زنگ می زند.

کریستال‌ های خالص آهن نرمه (نرم‌تر از آلومینیوم) و با اضافه کردن مقدار کمی ناخالصی مانند کربن مقدار قابل توجهی تقویت می‌شود. مقادیر مناسب و کمی (تا چند درصد) از فلزات دیگر و کربن، تولید فولاد می‌کند که می‌ تواند ۱۰۰۰ بار سخت‌ تر از آهن خالص باشد.

تاریخچه آهن

نام کسی که آهن را کشف کرد همچنان نامشخص است اما همه این عنصر را عنصری باستانی و بسیار قدیمی می دانند. گفته می شود که اولین قطعه آهنی که انسان ها از آن استفاده کردند از شهاب سنگ ها آمده بوده است. ذوب آهن در کوره ها نیز در هزاره دوم پیش از میلاد شروع شد.

مصریان باستان از آهن به عنوان یک جسم مقدس و دارای قدرت سری در مراسم های مذهبی شان استفاده می کردند و آن را هدیه ای از طرف خدا می دانستند. اما اولین آثار ذوب شدن آهن را می توان به 1200 تا 1800 سال پیش در هند و در مشرق از حدود 1500 سال پیش دانست.

منابع آهن

همان طور که در بالا هم به آن اشاره شد، اولین قطعه آهن مورد استفاده انسان ها ابتدا از شهاب سنگ ها آمده بود. بنابراین منبع عنصر آهن را می توان در شهاب سنگ و هسته فلز متراکم و سیاراتی مانند زمین و محیط های کم اسیژن است.

برای مثال این فرضیه وجود دارد که رنگ قرمز سطح مریخ ناشی از اکسید آهن است. در پروسه همجوشی نیز، آهن آخرین عنصری‌ است که با آزادسازی انرژی، پیش از فروپاشی انفجاری آن ستاره به صورت یک نو اختر یا ابرنواختر و پراکندن آهن در فضا، ایجاد می‌ شود.

بنابراین فراوانی آهن در زمین و دیگر سیاره های مشابه را می توان به خاطر پدیدهٔ هم جوشی هسته‌ ای در ستاره‌ ها دانست. اما هسته زمین از چه چیزی تشکیل شده است؟ عمده هسته زمین را آهن و نیکل تشخیص می دهد. این فلز از دیدگاه جرم، بزرگ ترین عنصر سازندهٔ کرهٔ زمین است. آهن را نیز می توان در بیشتر رس ها، گرانیت ها و ماسه سنگ ها نیز پیدا کرد. در میان کانه های مهم آن نیز می توان از هماتیت، مگنتیت، پیریت و کالکوپیریت را نام برد.

ویژگی های آهن

جرم یک اتم معمولی آهن 56 برابر جرم یک اتم معمولی هیدروژن است. عقیده بر این است که آهن (FE) دهمین عنصر فراوان در جهان است. این فلز، از سنگ معدن آهن استخراج شده و به ندرت به حالت آزاد یا عنصری یافت می شود. برای تهیه آهن، باید ناخالصی های آن را به روش کاهش شیمیایی از بین برد. از آهن برای تولید فولاد استفاده می شود.

همان طور که می دانید آهن و آلیاژهای آن پرکاربردترین نوع فلزات می باشند. یکی از این موارد فولاد است که از آلیاژ فلزات متفاوت (تعدادی غیر فلز بخصوص کربن) بدست می آید. هسته اتم آهن دارای بیشترین نیروی همگیر در هر نوکلئون هست، بنابراین آهن با روش همجوشی، سنگین ترین و با روش شکافت اتمی، سبک ترین عنصری است که بصورت گرمازایی تولید می شود.

خواص مکانیکی آهن و آلیاژهای آن عمدتا به درجه خلوص آن وابسته است. این خواص با استفاده از آزمون‌ هایی از قبیل برنیل و راکول یا آزمایش‌ مقاومت کششی ارزیابی می‌شود. آهن با درجه خلوص بالا دارای سختی 20–30 برنیل است. چگالی آهن 7874 کیلوگرم بر مترمکعب، وزن اتمی آن 55.847 گرم بر مول و دمای جوش آن به ترتیب برابر 2750 درجه سانتی گراد است.

ویژگی ها و خواص آهن

خواص اتمی، فیزیکی و شیمیایی آهن

  • عدد اتمی ( تعداد پروتون های هسته): 26
  • نماد اتمی (در جدول تناوبی عناصر) : FE
  • وزن اتمی (جرم متوسط اتم): 55.845
  • تراکم: 7.874 گرم در سانتی متر مکعب
  • فاز در دمای اتاق: جامد
  • نقطه ذوب: 2.800.4 درجه فارنهایت یا 1.538 درجه سانتی گراد
  • نقطه جوش: 51818 فارنهایت یا 2861 درجه سانتی گراد
  • تعداد ایزوتوپ ها (اتم های همان عنصر با تعداد نوترون متفاوت): 33
  • تعداد ایزوتوپ پایدار: 4
  • رایج ترین ایزوتوپ آن: Iron_56

کاربردهای آهن

قیمت ارزان و مقاومت بالای این عنصر، آن را به یکی از پر کاربردترین عنصرها تبدیل می کند. در ادامه به معرفی تعدادی از این کاربردها می پردازیم:

  • بدنه کشتی ها
  • درون اتومبیل ها
  • اسکلت ساختمان ها
  • چارچوب تجهیزات
  • ریل آهن
  • ساخت ذخیره مغناطیسی کامپیوتر

فرآورده های تولید شده از آهن

  • آهن خام
  • چدن
  • چدن چکش خوار
  • چدن سفید
  • آهن کار شده
  • فولاد
  • فولاد کربن
  • آهن قراضه
  • و…

آهن خام، مرحله میانی مسیر سنگ آهن تا چدن و فولاد، آهن خام می باشد: آهن خام شامل 5-4% کربن و مقادیر متفاوتی ناخالصی از قبیل گوگرد، سیلیکون و فسفر است.

چدن از طریق ذوب کردن آهن، ریحتن آن در قاب هاب فلزی یا ماسه ای و سپس سرد کردن آن بدست می آید. این آلیاژ شامل 2 تا 3% کربن و مقدار کمی منگنز می باشد. همچنین ناخالصی های موجود در آهن خام مانند گوگرد و فسفر که تاثیر منفی بر خواص آن دارد، در چدن تا حد قابل قبولی کاهش می یابد.

چدن چکش خوار تفاوت زیادی با چدن داشته و می توان گفت که نرم تر از چدن است. این نمونه از چدن مقاومت کششی بالاتری داشته و  نسبت به چدن استفاده بیشتری در صنعت دارد. روش تولید آن نیز به این صورت است که وقتی بر روی چدن عملیاتی از قبیل اضافه کردن منیزیم و سیلیکات آهن و بلوری شدن کربن انجام میشود، چدن چکش خوار بدست می آید.

چدن سفید نیز یکی دیگر از فرآورده های آهن خام است که از سرد شدن مذاب به دست می آید. کربن این چدن به صورت کربن سمانتیک بوده و در صد شکنندگی آن را نیز می توان با نرم کردن آن کاهش داد.

برای تولید آهن کار شده ابتدا آن را ذوب کرده و سپس اسفنجی شکل در می آورند. برای بدست آوردن این نمونه از آهن، ناخالصی های موجود در آن همچون سیلیسیم، منگنز، کربن باید تصفیه می شود. فولاد یکی از مهم آلیاژهای آهن است که از ترکیب آلیاژهای آهن با کربن بدست می آید. مقاومت فولاد پس از تولید بیشتر از حالت اولیه خواهد بود.

فولاد کربن نیز شامل 0.5-1.5% کربن و مقادیر کمی منگنز، گوگرد، فسفر و سیلیکون است. آهن قراضه نیز همان طور که از اسم آن نیز مشخص است به اضافات و قراضه های فولاد گفته می شود. در این نمونه به کمک تکنولوژی بازیافت و استفاده مجدد از آهن، مواد مذاب را به صورت شمش های کوچک و بزرگ تبدیل کرده تا دوباره به چرخه تولید وارد شوند.

اکسید آهن یا زنگ زدگی آهن چیست؟

اکسید آهن چگونه انجام می شود؟ زنگ زدگی زمانی رخ می دهد که آهن یا آلیاژ حاوی آهن مثل فولاد برای مدت زمان طولانی در برابر رطوبت قرار بگیرد. در این صورت با گذشت زمان اکسیژن با فلز در سطح اتمی ترکیب شده و ترکیب جدیدی را تشکیل می دهد که به آن اکسید گفته می شود. این ترکیب جدید باعث تضعیف پیوندهای فلز می شود.

آب در این قسمت با شکستن مولکول های اکسیژن به واکنش دهی آهن و اکسیژن کمک می کند و در ابتدای کار آهن الکترون‌ های خود را به اکسیژن می‌دهد؛ سپس یون‌ های آهن با آب واکنش می‌دهند تا هیدروکسید آهن و هیدروژن تشکیل شوند.

با انجام اکسایش بر سطح یک جسم آهنی، آند شکل می‌گیرد. در قسمت دیگری از این سطح که آب و اکسیژن حضور دارند، کاتد تشکیل می‌شود. فرآیند صورت گرفته باعث شکل‌ گیری یک سلول ولتایی  کوچک شده که با حرکت آندها به سمت کاتدها زنگ خوردگی صورت می‌ گیرد.

زنگ زدگی یا اکسید آهن چیست؟

ایزوتوپ های آهن

آهن به طور طبیعی دارای 4 ایزوتوپ پایدار Fe-54 ،Fe56 ،Fe-57 ،Fe-58 است. درصد فراوانی این ایزوتوپ ها نیز به ترتیب 3.0%، 2.2%، 7.91% و 8.5% است. Fe-60 که نوکلید پرتوزای غیر فعال است، دارای نیمه عمر 5,1 (Myr) می باشد.

در گذشته تلاش بیشتر افراد، اندازه گیری ترکیبات ایزوتوپی آهن بوده است، چرا که فرآیندهایی که توام با نوکلئوسنتز (مانند مطالعات شهاب سنگ ها) و شکل گیری کانی ها هستند، حول محور تعیین انواع مختلف Fe-60 صورت گرفته است. در بین ایزوتوپ های پایدار فقط آهن 57 دارای اسپین اتمی است,(2/1-). به همین خاطر آهن 57 در شیمی و بیوشیمی به عنوان یک ایزوتوپ اسپینی دارای کاربرد است.

آلوتروپ های آهن

آلوتروپ یا دیگر شکل، شکل های مختلفی از یک عنصر است. نحوه تشکیل پیوندهای مختلف میان اتم‌ها موجب تشکیل موادی با ساختار و خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوت می‌شود. «آلوتروپ‌‌ها» (Allotropes) تنها در برخی عناصر یافت می‌ شوند. این عناصر بین گروه‌ های ۱۳ تا ۱۶ جدول تناوبی عناصر قرار دارند.

شناسایی خواص آلوتروپ‌ های آهن در ساخت انواع فولاد حائز اهمیت می باشد، چرا که ساختمان فلز آهن دارای دگروارگی می باشد. علاوه بر این فولاد را می توان یکی از آلیاژهای مهم آهن دانست. اما آلوتروپ های آهن کدامند؟ آهن از لحاظ تولید به چهار دسته گاما، آلفا، دلتا و اپسیلون تقسیم می شود.

آهن گاما یکی از آلوتروپ های آهن است که در محدوده دمایی ۹۱۲ تا ۱۳۹۴ درجه سانتی گراد پایدار بوده و ساختمان بلوری(مکعبی مرکزپر) دارد. آهن دلتا یکی از آلوتروپ های آهن است که از دمای ۱۴۰۱ درجه سانتیگراد تا ۱۵۳۹ درجه سانتی گراد (نقطهٔ ذوب آهن) پایدار است. آهن دلتا دارای ساختمان بلوری مکعبی مرکزپر و دارای خاصیت پارامغناطیس است. ثابت شبکه ی این آلوتروپ نیز بزرگ تر از آهن آلفا است.

آهن آلفا یکی از آلوتروپ های آهن است. این آلوتروپ از دمای ۲۷۳- درجه سانتیگراد تا ۹۱۰ درجه سانتی گراد پایدار است. این آلوتروپ دارای ساختمان بلوری مکعبی مرکزپر بوده و ثابت شبکهٔ فرومغناطیس آن ۲/۸۶ آنگستروم است.

آلوتروپ‌ های آلفا، گاما و دلتا در فشار معمول حضور دارند. خواص فیزیکی آهن در فشارهای بسیار زیاد نیز مورد مطالعه قرار گرفته است. در فشار 10 GPA آهن آلفا به آلوتروپ آهن «اپسیلون» تبدیل می‌ شود.

انواع آهن آلات

با شناخته شدن آهن و رفع عیوب آن مانند شکنندگی، به مرور زمان عناص دیگری نیز به آن افزوده شد و آلیاژهای آهن را بوجود آورد. آهن به دو صورت فولاد و چدن توسعه پیدا کرد. امروزه سهم فولاد در صنایع مختلف به بالای نود درصد می رسد. در این بین، شکل های مختلف آهن توانسته پاسخگوی نیازها و کاربردهای مختلفی باشد. در ادامه برخی از انواع آهن آلات را برای شما معرفی می کنیم:

  • پروفیل یا قوطی

پروفیل نوعی مقطع فلزی توخالی است که به شکل های مختلفی تولید می شود و در صنایعی چون ساختمان، کاربردهای فراوانی دارد. بزرگ ترین مشتریان پروفیل ها، ساختمان سازها می باشند. دو نوع رایج پروفیل ها شامل پروفیل هایی با سطح مقطع مربعی یا مستطیلی می باشند که در بازار آن ها را با نام قوطی نیز می شناسند.

  • تیرآهن

تیرآهن ها دارای دو نوع سطح مقطع به شکل های I و H می باشند و کاربردهای فراوانی در صنعت ساختمان دارند. همانطور که می دانید اسکلت سازه های فولادی بدون وجود تیرآهن اصلا تشکیل نخواهد شد.

وظیفه اصلی تیرآهن تحمل بارهای وارده بر ساختمان می باشد. تیرآهن ها انواع مختلفی دارند که از جمله می توان به یرآهن IPE، تیرآهن INP، تیرآهن بال پهن یا هاش و تیرآهن لانه زنبوری اشاره نمود. در صورتی که تمایل دارید مطالب بیشتری در مورد “تیرآهن” بدانید، به نوشته مربوطه در سایت مراجعه فرمایید.

تیرآهن

  • میلگرد

میلگرد محصولی با سطح مقطع دایره ای شکل می باشد که توپر است و از معروف ترین انواع آهن آلات محسوب می شود. از میلگرد در بخش های مختلف ساختمان از جمله ستون ها، پی ساختمان و بتن آرمه استفاده می شود.

میلگردها از لحاظ شکل ظاهری به دو دسته آج دار و بدون آج یا ساده تقسیم می شوند. میلگردهای آجدار دارای برآمدگی هایی بر روی بدنه خود می باشند در حالی که میلگردهای بدون آج یا ساده این گونه نیستند و سطحی صاف و صیقلی دارند.

  • ورق آهن

ورق های آهنی انواع مختلفی دارند و به دسته های ورق آلومینیوم رنگی و آجدار، ورق اکسین، ورق سرد و ورق گرم تقسیم بندی می شوند. ورق های آهنی کاربردهای گوناگونی دارند و در سازه های مختلف مورد استفاده قرار می گیرند.

به طور مثال، ورق های سرد یا روغنی برای سازه هایی که اهمیت زیبایی نما در آن ها اولویت دارد، مناسب است، در حالی که از ورق های گرم در مکان هایی که به مقاومت زیادی نیاز دارند، مانند تانک ها، استفاده می شود.

  • نبشی

نبشی ها از سطح مقطعی با دو ضلع که با زاویه ای خاص در کنار یکدیگر قرار گرفته اند، ساخته شده است. نبشی ها در انواع بال مساوی و بال نامساوی در بازار وجود دارند.

نبشی

  • ناودانی

ناودانی، نوعی پروفیل محسوب می ود که از نظر هندسی شبیه به حرف U انگلیسی است. این محصول انواع مختلف و قیمت های متفاوتی دارد که بسته به کاربرد، می توانید نمونه موردنیاز خود را خریداری نمایید.

  • لوله

لوله ها محصولاتی با سطح مقطع دایره ای هستند که علاوه بر انواع فلزی، در انواع غیرفلزی نیز تولید می شوند. از لوله ها برای انتقال آب و سایر مایعات در صنایع مختلف استفاده می شود. لوله های فلزی معمولا به دو دسته درزدار و بدون درز تقسیم می شوند.

  • شمش

شمش از فراورده های میانی نورد فولاد می باشد و دارای سه دسته بندی است. بیلت یا شمشال، اسلب یا تختال و بلوم یا شمشه از انواع شمش محسوب می شوند. تفاوت این نوع شمش ها در ابعاد و شکل مقطع آن ها است.

سطح مقطع بیلت کمتر از 15 سانتی متر می باشد در حالی که بلوم ها بیش از این اندازه می باشند. همچنین سطح مقطع بلوم و بیلت مربعی بوده ولی اسلب به شکل مستطیلی می باشد.

شمش آهن

قیمت آهن آلات

آهن آلات قیمت ثابتی ندارند و با توجه به عوامل بسیار زیاد و متعددی قیمت گذاری می شوند. قیمت آهن آلات معمولا روزانه و یا حتی ساعتی نیز ممکن است تغییر کند. از عوامل موثر بر قیمت آهن آلات می توان موارد زیر را نام برد:

  • قیمت نفت
  • هزینه های حمل و نقل
  • تاثیر تورم جهانی در بازارهای داخلی
  • سیاست های داخلی کشور
  • میزان عرضه و تقاضا
  • نوسانات دلار و ارز
  • قیمت اولیه مواد
  • نوع محصول آهنی (به طور مثال میلگرد، تیرآهن، شمش، نبشی و …)
  • وزن و اندازه محصولات
  • کیفیت متریال ساخت
  • درجه بندی
  • نورد
  • شرایط فصلی و آب و هوایی که سبب کاهش یا افزایش تولیدات می شوند
  • و …

کلام آخر

آهن که یکی از مهم ترین عناصر جدول تناوبی و یکی از فراوان ترین عنصرهای موجود در زمین است. یکی از دلایل فراوانی آهن در زمین را می توان هم جوشی هسته ای در ستاره ها دانست.

این عنصر کاربردهای زیادی دارد که از نمونه آن می توان به کشتی های بزرگ، ریل آهن، اسکلت ساختمان ها و هم چنین درون اتومبیل دانست. از فرآورده های آهن نیز می توان به آهن خام، چدن، چدن چکش خوار، چدن سفید، فولاد، کربن فولاد و آهن قراضه اشاره کرد که هر کدام برای کاربردهای متفاوتی ساخته شده اند.

kianborna

توییتر لینکداین تلگرام واتس اپ فیسبوک

برای اطلاع از جدیدترین اخبار و آموزش های ساختمانی، در خبرنامه ساختمانچی عضو شوید



پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *