راهنمای جامع انواع آهن، مشخصات و کاربردهای آن

آهن به صورت خالص، ماده‌ای شکننده و سخت بوده که به عنوان فلز گروه هشتم جدول تناوبی عناصر، طبقه‌بندی شده و چهارمین عنصر رایج در پوسته زمین شناخته می‌شود. فرض بر این است که بیشترین بخش هسته زمین (پنج درصد) و آهن حدود ۹۵ درصد از کل فلزات تولیدی در جهان است؛ به همین دلیل به عنوان پرکاربردترین فلز شناخته می‌شود.در این مطلب قصد داریم بعد از معرفی کوتاهی در مورد آهن، انواع آن را بررسی کرده، به دلایل و راه‌های رفع زنگ‌زدگی بپردازیم و در نهایت کاربردهای آهن‌آلات را معرفی کنیم. لازم به ذکر است که همیشه می‌توانید جهت مشاهده آخرین تغییرات قیمت آهن، به سایت آهن آنلاین مراجعه کنید.

تاریخچه‌ آهن

براساس تحقیقاتی که انجام شده این عنصر نه تنها در زمین وجود دارد، بلکه در خورشید و سایر ستاره‌ها نیز به فراوانی یافت می‌شود. وجود آهن برای بقای موجودات زنده بسیار اهمیت دارد؛ به این دلیل که این فلز در تولید کلروفیل یاهمان سبزینه برای گیاهان نقش داشته و همچنین در حیوانات نیز عنصری از هموگلوبین است. (هموگلوبین پروتئینی در خون است که اکسیژن را از ریه‌ها به بافت‌های بدن منتقل می‌کند)

باستان‌شناسان تخمین می‌زنند، بیش از پنج هزار سال است که بشر از آهن استفاده می‌کند. شاید برای شما هم سوال باشد که اولین آهن مورد استفاده بشر از کجا آمده است؟ بر اساس تحقیقی که در سال ۲۰۱۳ انجام شد، دریافتند در مصر باستان و بین‌النهرین از آهن در ابزارها، محصولات و مصنوعات خود استفاده می‌کردند. این ماده به عنوان سلطان فلزات در میان جوامع مختلف شناخته می‌شود. عده‌ای از پژوهشگران بر این باور هستند که کلمه آهن از کلمه‌ای به نام «اوستا» گرفته شده که خود این کلمه نیز از «اسمن» به معنی آسمان می‌آید. امروزه هموطنان کُرد به آن «آسن» می‌گویند.

استخراج سنگ آهن

انسان‌های اولیه آهن را به صورت خالص از سنگ آهن تولید می‌کردند؛ با این حال هنوز مشخص نشده که انسان اولیه از چه تاریخی این فلز را از سنگ معدن تولید و استفاده نموده است. طبق تحقیقات به عمل آمده، در گذشته اسلحه استفاده شده توسط سرداران و فرمانروایان از جنس آهن بوده و حتی دریافته‌اند که کمربند پادشاه سیلک نیز از این ماده ساخته شده است. در همان زمان، آهن فلزی تشریفاتی و بسیار گران محسوب می‌شد و تولید آن کم ولی قیمت بسیار زیادی داشت. به صورتی که در دوره پارت‌ها تولید این ماده فلزی به قدری کاهش یافت که تنها از راه چین وارد کشور می‌شد.

طبق تحقیقات به عمل آمده اولین نوع از این ماده حدود ۵۵۰ سال پیش از میلاد در چین تولید شد؛ در حالی‌که اروپائیان در تمامی این سال‌ها، از طریق ریخته‌گری، زیور آلات آهنی تولید می‌کردند و سوخت مورد استفاده در طی این فرآیند نیز ذغال چوب بوده است. در دوره‌ی انقلاب صنعتی، روش‌های جدیدی برای تولید انواع آهن بدون استفاده از ذغال چوب کشف شد؛ این روش‌ها بعد از مدت‌ها در تولید فولاد نیز مورد استفاده قرار گرفت.
امروزه تولید سنگ آهن در ۴۸ کشور به انجام می‌رسد. در میان این‌ها، پنج کشور هستند که ۷۰ درصد سنگ آهن مورد نیاز در جهان از جانب آن‌ها تامین می گردد. این کشورها عبارتند از: چین، برزیل، استرالیا، روسیه و هند.

مشخصات فیزیکی و شیمیایی

تا این‌جا مروری از تاریخچه این محصول براساس فرضیات باستان‌شناسان و باورهای مردم عام از گذشته تاکنون ارائه دادیم. حال وقت آن رسیده نماد و عدد اتمی و چگالی این ماده فلزی را مورد بررسی قرار دهیم. نماد شیمیایی این فلز Fe و چگالی آن ۸۶/۷ گرم بر سانتی‌متر مکعب می‌باشد. همان‌طور که قبلا هم اشاره کردیم، این فلز در جدول تناوبی عناصر در گروه هشتم و دوره چهارم قرار گرفته همچنین عدد اتمی، وزن اتمی و دمای جوش آن به ترتیب برابر ۲۶، ۸۴۷/۵۵ گرم بر مول و ۲۷۵۰ درجه سانتی‌گراد است. این فلز سطحی صاف و رنگ نقره‌ای مایل به خاکستری دارد.

دگرگونی‌های آهن

منظور از دگرگونی همان تغییر فاز با تغییر دما است. بهترین مثال از دگرگونی‌های یک فلز، دگرگونی‌های آن می‌باشد. این محصول به سه صورت بتا، گاما و دلتا موجود است. وقتی آهن ذوب‌شده کم‌کم سرد می‌شود، در دمای ۱۵۳۸ به آهن دلتا تبدیل می‌شود. ثابت شبکه‌ای آن ۹۳/۲ آنگستروم است، خاصیت پارامغناطیس دارد و ساختمان بلوری آن به شکل مکعبی مرکزپر یا همان BCC است.
به همین صورت که سرد شدن ادامه می‌یابد در دمای ۱۳۹۴ ساختمان کریستالی موجود به مکعبی با وجوه پر یا همان FCC تغییر حالت می‌دهد. به این نوع از آهن شکل گرفته شده استنیت یا گاما می‌گویند. این فاز در دمای ۱۳۹۴ تا ۹۱۲ به حالت پایدار می‌رسد. در دمای ۹۱۲ درجه سانتی‌گراد، دگرگونی دیگر این فلز یعنی آهن آلفا شکل می‌گیرد که به آن فریت می‌گویند. این آلوتروپ از دمای ۹۱۲ تا ۲۷۳- درجه سانتی‌گراد به حالت پایدار می‌رسد و از نظر ساختار بلوری مشابه با آهن دلتا است.

آهن در اشکال مختلفی تولید می‌شود که هرکدام دارای کاربردهای متنوعی در صنایع، از ساختمان‌سازی گرفته تا سازه‌های عظیم مانند ساخت تانک و هواپیما، می‌باشند. انواع آهن‌آلات عبارتند از: پروفیل، تیرآهن، میلگرد، ورق، نبشی و ناودانی، لوله، شمش و قراضه! با شناخت هرکدام از این محصولات می‌توان در مورد کاربردهای آن‌ها نظر داد.

انواع آهن‌آلات

با شناخته شدن آهن و به منظور رفع عیوبی مثل شکننده بودن آن در حالت خالص، به مرور عناصر دیگر به آن افزوده شدند و آلیاژهای آهن را پدید آوردند. بنابراین آهن به دو صورت فولاد و چدن توسعه یافت که امروزه سهم فولاد در صنایع مختلف بالای ۹۰ درصد است. در این بین، اشکال مختلف آهن توانسته پاسخگوی کاربردهای متنوعی نیز باشد. در ادامه به معرفی اجمالی مقاطع مختلف فولاد می‌پردازیم.

• پروفیل یا قوطی

پروفیل مقطع فلزی توخالی به شکل‌های مختلف که کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف از جمله ساختمان‌سازی دارد؛ به طوری‌که بزرگترین مشتریان این محصول، ساختمان‌سازها هستند. سطح مقطع مربع یا مستطیل دو نوع رایج پروفیل هستند که در بازار با نام قوطی نیز شناخته می‌شوند. قیمت پروفیل در بازار براساس ضخامت و سطح آن مشخص می شود.

• تیرآهن

تیرآهن دارای سطح مقطعی به دو شکل I و H است که استفاده گسترده و فراوانی در ساختمان‌سازی دارد به صورتی که اسکلت سازه‌های فولادی بدون این محصول وجود نخواهند داشت. وظیفه اصلی تیرآهن تحمل بار وارده بر ساختمان است. انواعی که از این محصول در بازار وجود دارند عبارتند از تیرآهن IPE، تیرآهن INP، تیرآهن بال پهن یا هاش و تیرآهن لانه زنبوری! با توجه به گستردگی این محصول و اهمیت بالای آن، اگر کنجکاو هستید تا بیشتر در مورد آن بدانید، پیشنهاد می‌کنیم مقاله «تیرآهن چیست و انواع آن» را مطالعه کنید.

• میلگرد

میلگرد محصولی با سطح مقطع دایره‌ای شکل و توپر است و یکی از معروف‌ترین پروفیل‌ها به حساب می‌آید. این محصول در بخش‌های مختلف ساختمان از جمله فونداسیون، بتن آرمه و ستون‌ها کاربرد دارد. از نظر شکل ظاهری به دو دسته آجدار و ساده تقسیم شده که نوع ساده سطحی صاف و صیقلی دارد در حالی‌که نوع آجدار دارای برآمدگی‌هایی روی بدنه خود است. قیمت میلگرد به سایز و برند آن بستگی دارد.

• ورق

ورق به 4 دسته ورق اکسین، ورق آلومینیوم رنگی و آجدار، ورق سرد و گرم تقسیم می‌شود. هرکدام از انواع مختلف این محصول کاربردهای متفاوتی دارند که در سازه‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. برای مثال از ورق سرد یا روغنی برای سازه‌هایی که ظاهر آن‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است، استفاده می‌شود در حالی که از ورق گرم در سازه‌هایی که مقاومت آن‌ها دارای اولویت بالایی مانند تانک است، استفاده می‌شود.

• نبشی و ناودانی

نبشی با سطح مقطعی که از دو ضلع که با زاویه‌ای خاص در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند، تشکیل شده است. این محصول به دو نوع بال مساوی و بال نامساوی در بازار وجود دارد. ناودانی نیز نوعی پروفیل باز به حساب می‌آید که از نظر هندسی شبیه U انگلیسی است. این محصول نیز انواع مختلفی دارد که بسته به کاربرد موردنظر دارای قیمت‌های متفاوتی است.

• لوله

لوله محصولی با سطع مقطع دایره‌ای شکل است که علاوه‌بر نوع فلزی در انواع غیرفلزی نیز تولید شده و کاربردهای متنوعی دارد؛ ولی معمولا برای انتقال مایعات از آن استفاده می‌شود. لازم به ذکر است که نوع فلزی لوله به دو دسته درزدار و بدون درز تقسیم و معمولا از آهن و مس ساخته می‌شود. مجموعه آهن آنلاین جدول وزنی آهن‌ آلات را فراهم آورده که با مراجعه به آن می‌توانید اطلاعات بیشتری را در مورد هرکدام از انواع محصولات فولادی مورد نظر خود به دست آورید.

• شمش

در نهایت شمش که از فرآورده‌های میانی نورد فولاد محسوب می‌شود سه نوع مختلف دارد. بیلت یا شمشال، بلوم یا شمشه و اسلب یا تختال. تفاوت این سه نوع در ابعاد و شکل سطع مقطع آن‌هاست. سطح مقطع بیلت کمتر از ۱۵ سانتی‌متر ولی بلوم بیشتر از ۱۵ سانتی‌متر می‌باشد. همچنین سطح مقطع بلوم و بیلت مربعی ولی اسلب به شکل مستطیل است. قیمت شمش آهن، براساس کارخانه تولیدی آن در بازار تعیین می‌شود.

• قراضه

به باقی‌مانده و اضافه‌های فولاد، قراضه یا ضایعات آهنی (scrap) گفته می‌شود. از آن‌جایی که ضایعات آهن خود قابل بازیافت و استفاده مجدد هستند، به همین دلیل کاربرد فراوانی در صنایع مختلف دارند. اگر می‌خواهید بدانید چطور از آهن قراضه استفاده می‌کنند، مطلب «ضایعات چیست و انواع آن» را مطالعه کنید.

زنگ‌زدن آهن

شاید بارها واژه زنگ زدگی آهن به گوشتان خورده باشد اما معنی علمی آن را ندانید. در این بخش، اصطلاح زنگ‌زدگی آهن را با هم بررسی می‌کنیم.اصطلاح زنگ‌زدگی آهن، نام دیگر اکسید آهن و به معنی اکسیده شدن است. این اتفاق زمانی می‌افتد که آهن یا آلیاژهای آن برای مدت طولانی در معرض اکسیژن و رطوبت قرار بگیرند. اکسیژن و آب موجود در هوا باعث به وجود آمدن اکسیداسیون و تغییر رنگ آهن به قرمز و قهوه‌ای می‌شوند.زنگ‌زدگی آهن شامل اکسید آهن هیدراته (Fe2O3·nH2O) و اکسید هیدروکسید آهن (FeO(OH), Fe(OH)3) می‌باشند که مشهورترین حالت آن، رنگ قرمز یعنی Fe2O3 است.

اما این فلز ممکن است در اثر واکنش با کلر نیز زنگ بزند که به آن در اصطلاح زنگ سبز می‌گویند. این ماده به صورت خالص در طبیعت به مقدار بسیار کمی یافت می‌شود؛ زیرا به سرعت با اکسیژن واکنش نشان می‌دهد. زنگ‌زدگی می‌تواند باعث منبسط شدن فلز شده و در نهایت بر کل سازه آسیب وارد کند. هم‌زمان با این اتفاق، آهن سست شده، شکننده و پوسته پوسته می‌شود.

راه‌های جلوگیری از زنگ‌زدن آهن

بهترین راه‌ها برای جلوگیری از زنگ‌زدن آهن عبارتند از:

• گالوانیزه کردن

 گالوانیزه روشی برای جلوگیری از زنگ‌زدن آهن در طولانی مدت است؛ به این دلیل که عنصر روی از دو طریق از زنگ‌زدن آهن جلوگیری می‌کند. در این روش نخست آهن یا فولاد توسط لایه نازکی از روی پوشانده می‌شود و به این ترتیب به عنوان فلز قربانی از رسیدن اکسیژن و آب یا رطوبت به آهن جلوگیری می‌کند. دوم اینکه روی نسبت به آهن واکنش‌پذیرتر است، بنابراین نسبت به آهن زودتر اکسیده می‌شود. از نمونه‌های این روش می‌توان به گالوانیزه کردن ورق اشاره کرد. اگر می‌خواهید بدانید که این ورق‌ها چگونه تولید می‌شوند و چه کاربردهایی دارند، به مقاله «ورق گالوانیزه چیست و انواع آن» مراجعه کنید.

• ایجاد پوشش: برای جلوگیری از زنگ زدن آهن می‌توان آن را به سه روش مختلف پوشش داد که عبارتند از:
• رنگ کردن: پوشش آهن با لایه‌ای از رنگ موجب می‌شود که بین سطح فلز و اکسیژن مانعی قرار گیرد و در نتیجه از زنگ‌زدگی آن جلوگیری شود. لازم به ذکر است که نباید از رنگ‌های محلول در آب استفاده کنید؛ زیرا باعث شکل‌گرفتن زنگ در زیر رنگ می‌شوند و مشکل را به مراتب بدتر می‌کنند.
• پوشاندن با روغن: استفاده از روغن یا گریس احتمال زنگ‌زدگی در آهن را به طرز قابل توجهی کاهش می‌دهد. به این دلیل که روغن مانند رنگ، یک لایه محافظ بر روی آهن ایجاد می‌کند تا تماس کمتری با اکسیژن و رطوبت داشته باشد.
• استفاده از پودر: پودر خشک به طور مساوی روی سطح تمیز آهن اعمال می‌شود. سپس آن را گرم می‌کنند و این پودر تبدیل به لایه نازکی می‌شود. از جمله این‌گونه پودرها می‌توان به پودرهای آکریلیک، پلی استر، نایلون، وینیل، اپوکسی و اورتان اشاره کرد.
•  محافظت کاتدی: این روش عبارت است از اعمال جریان الکتریکی روی سطح فلز برای جلوگیری از زنگ‌زدگی آهن! محافظت کاتدی یکی از موثرترین روش‌ها در جلوگیری از زنگ‌زدگی محسوب می‌شود. فلزاتی که معمولا برای این روش استفاده می‌شوند، عبارتند از منیزیم، روی و آلومینیوم.
• مراقبت و نگه‌داری به صورت منظم: از آن‌جایی که زنگ‌زدگی به سرعت پخش می‌شود، باید به محض ظاهر شدن آن را از بین برد. سپس با آب و صابون آن را شست و از نرم‌کننده‌های فلزی و یا از پوشش محافظ دیگری استفاده کرد تا از زنگ‌زدگی بیشتر جلوگیری شود.

کاربردهای آهن

آهن در حوزه‌های مختلف کاربردهای فراوانی دارد. به دلیل استحکام و مقاومت بالا نسبت به سایز فلزات و همچنین ارزان‌تر بودن، در ماشین‌آلات صنعتی، تجهیزات حمل و نقل، ساخت سازه‌ها، بدنه کشتی‌های بزرگ و ساخت اتومبیل‌ها استفاده می‌شود. لازم به ذکر است که از انواع آهن (که در بالا اشاره کردیم) تیرآهن و میلگرد بیشترین استفاده را در ساختمان‌سازی دارند. قیمت آهن کیلویی، براساس کاربرد آن مشخص می شود.

همان‌طور که توضیح دادیم آهن یکی از مهم‌ترین و پرکاربرترین فلزات موجود در جهان است. به طوری‌که اگر روزی این فلز به اتمام برسد، با مشکلات متعددی در صنایع مختلف روبه‌رو خواهیم شد. به همین دلیل امروزه تلاش می‌شود تا آهن را بازیافت کرده و بتوان از ضایعات آن بیشترین بهره را برد.