آهن: ویژگی‌ها، تاریخچه، کاربردها و هر آنچه باید درباره این فلز بدانید
آهن، یکی از فراوان‌ترین عناصر فلزی در پوسته زمین، نقشی کلیدی در تمدن بشری ایفا کرده است. قدمت استفاده از آهن به حدود 5000 سال پیش بازمی‌گردد. این فلز به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد خود، همچون فراوانی، استحکام و خاصیت مغناطیسی، در صنایع مختلف کاربردهای گسترده‌ای دارد.
مهم‌ترین کاربرد آهن، تولید فولاد است. فولاد، آلیاژی از آهن و سایر عناصر فلزی، به عنوان یکی از اساسی‌ترین مصالح ساختمانی در جهان شناخته می‌شود. افزودن عناصر دیگر به آهن، خواص آن را بهبود می‌بخشد و فولادی مقاوم در برابر زنگ‌زدگی و با استحکام بالا ایجاد می‌کند. به این ترتیب، با وجود اینکه آهن به تنهایی در برابر زنگ‌زدگی آسیب‌پذیر است، با ترکیب آن با فلزات دیگر، می‌توان فولادی ساخت که هم قوی و هم مقاوم باشد.
ویژگی‌های اساسی آهن: نگاهی دقیق‌تر
پیش از آنکه به تاریخچه و کاربردهای مدرن آهن بپردازیم، مروری بر مشخصات و ویژگی‌های اساسی این عنصر ضروری است. شناخت این ویژگی‌ها به درک بهتر رفتار و کاربردهای آن کمک می‌کند.
- نماد اتمی: Fe
- عدد اتمی: 26
- دسته‌بندی عنصر: فلز واسطه
- چگالی: 7.874 گرم بر سانتی‌متر مکعب
- نقطه ذوب: 1538 درجه سانتیگراد
- نقطه جوش: 2862 درجه سانتیگراد
- سختی موس: 4
این ویژگی‌ها، آهن را به فلزی منحصربه‌فرد با کاربردهای فراوان تبدیل کرده‌اند. از استحکام بالا و چگالی مناسب گرفته تا نقطه ذوب و جوش قابل توجه، هر یک از این ویژگی‌ها در تعیین نحوه استفاده از آهن در صنایع مختلف نقش دارند.
ویژگی‌های کلیدی آهن: از ظاهر تا خاصیت مغناطیسی
آهن خالص، فلزی نقره‌ای‌رنگ با قابلیت رسانایی بالای گرما و الکتریسیته است. با این حال، آهن به دلیل واکنش‌پذیری زیاد، به صورت خالص در طبیعت یافت نمی‌شود و معمولاً به شکل سنگ‌های معدنی آهن مانند هماتیت، مگنتیت و سیدریت در پوسته زمین وجود دارد.
یکی از بارزترین ویژگی‌های آهن، خاصیت مغناطیسی قوی آن است. قرار گرفتن آهن در معرض میدان مغناطیسی قوی، آن را مغناطیسی می‌کند. دانشمندان بر این باورند که هسته زمین از حدود 90% آهن تشکیل شده است. نیروی مغناطیسی تولید شده توسط این آهن، عامل اصلی شکل‌گیری قطب‌های شمال و جنوب مغناطیسی زمین است. این خاصیت مغناطیسی، آهن را به عنصری حیاتی در بسیاری از فناوری‌ها و صنایع تبدیل کرده است.
تاریخچه آهن: از کشف تا عصر آهن
احتمالاً کشف و استخراج اولیه آهن به صورت تصادفی و در اثر سوزاندن چوب بر روی سنگ‌های معدنی حاوی آهن اتفاق افتاده است. کربن موجود در چوب با اکسیژن موجود در سنگ معدن واکنش داده و آهن فلزی نرم و چکش‌خوار به جا می‌گذاشت. ذوب آهن و استفاده از آن برای ساخت ابزار و سلاح، بین سال‌های 2700 تا 3000 قبل از میلاد در بین‌النهرین (عراق امروزی) آغاز شد. در طول 2000 سال بعد، دانش ذوب آهن به سمت شرق، اروپا و آفریقا گسترش یافت و دوره‌ای به نام عصر آهن را رقم زد.
از قرن هفدهم تا زمان کشف روشی کارآمد برای تولید فولاد در اواسط قرن نوزدهم، آهن به طور فزاینده‌ای به عنوان یک ماده ساختاری برای ساخت کشتی‌ها، پل‌ها و ساختمان‌ها مورد استفاده قرار می‌گرفت. برج ایفل که در سال 1889 ساخته شد، با استفاده از بیش از 7 میلیون کیلوگرم آهن فرفورژه ساخته شده است. این برج نمادی از کاربرد گسترده آهن در معماری و مهندسی آن دوران است.
زنگ‌زدگی: دشمن شماره یک آهن
یکی از بزرگترین چالش‌های مرتبط با آهن، تمایل آن به زنگ‌زدگی است. زنگ‌زدگی (یا اکسید آهن)، ترکیبی قهوه‌ای و شکننده است که در اثر قرار گرفتن آهن در معرض اکسیژن ایجاد می‌شود. گاز اکسیژن موجود در آب، سرعت این فرآیند خوردگی را افزایش می‌دهد. سرعت زنگ‌زدگی - یعنی میزان سرعتی که آهن به اکسید آهن تبدیل می‌شود - به میزان اکسیژن موجود در آب و سطح تماس آهن با اکسیژن بستگی دارد. آب شور حاوی اکسیژن بیشتری نسبت به آب شیرین است، به همین دلیل آهن در آب شور سریع‌تر از آب شیرین زنگ می‌زند.
می‌توان با پوشاندن آهن با فلزات دیگری که از نظر شیمیایی تمایل بیشتری به جذب اکسیژن دارند (مانند روی)، از زنگ‌زدگی جلوگیری کرد. به فرآیند پوشاندن آهن با روی، گالوانیزه کردن می‌گویند. با این حال، مؤثرترین روش برای محافظت در برابر زنگ‌زدگی، استفاده از فولاد است. با افزودن عناصر دیگر به آهن و تولید فولاد، می‌توان مقاومت آن در برابر خوردگی را به طور قابل توجهی افزایش داد.
فولاد: آلیاژی برای استحکام و مقاومت
فولاد، آلیاژی از آهن و فلزات دیگر است که برای بهبود خواص آهن (مانند استحکام، مقاومت در برابر خوردگی و تحمل حرارت) به آن اضافه می‌شوند. با تغییر نوع و مقدار عناصر آلیاژی، می‌توان انواع مختلفی از فولاد با ویژگی‌های متفاوت تولید کرد.
رایج‌ترین انواع فولاد عبارتند از:
- فولادهای کربنی: این نوع فولاد که حاوی بین 0.5% تا 1.5% کربن است، پرکاربردترین نوع فولاد به شمار می‌رود و در بدنه خودروها، بدنه کشتی‌ها، چاقوها، ماشین‌آلات و انواع سازه‌های نگهدارنده استفاده می‌شود.
- فولادهای کم‌آلیاژ: این فولادها حاوی 1 تا 5 درصد فلزات دیگر (اغلب نیکل یا تنگستن) هستند. فولاد نیکل می‌تواند سطوح بالایی از تنش را تحمل کند و بنابراین، اغلب در ساخت پل‌ها و زنجیر دوچرخه‌ها استفاده می‌شود. فولادهای تنگستن شکل و استحکام خود را در محیط‌های با دمای بالا حفظ می‌کنند و در کاربردهای ضربه‌ای و چرخشی مانند مته‌ها استفاده می‌شوند.
- فولادهای پرآلیاژ: این نوع فولاد که حاوی 12 تا 18 درصد فلزات دیگر است، به دلیل هزینه بالا، تنها در کاربردهای خاص مورد استفاده قرار می‌گیرد. یکی از نمونه‌های فولاد پرآلیاژ، فولاد ضد زنگ (استنلس استیل) است که اغلب حاوی کروم و نیکل است، اما می‌تواند با فلزات مختلف دیگری نیز آلیاژ شود. فولاد ضد زنگ بسیار قوی و به شدت مقاوم در برابر خوردگی است.
تولید آهن: از سنگ معدن تا آهن خام
بیشتر آهن از سنگ‌های معدنی استخراج می‌شود که در نزدیکی سطح زمین یافت می‌شوند. در روش‌های مدرن استخراج، از کوره‌های بلند استفاده می‌شود که با دودکش‌های بلند خود مشخص می‌شوند. سنگ آهن به همراه کک (زغال سنگ غنی از کربن) و سنگ آهک (کربنات کلسیم) به داخل این کوره‌ها ریخته می‌شود. امروزه، سنگ آهن معمولاً قبل از ورود به کوره، فرآیند آگلومراسیون را طی می‌کند. در این فرآیند، قطعات سنگ آهن به اندازه 10 تا 25 میلی‌متر تبدیل شده و سپس با کک و سنگ آهک مخلوط می‌شوند.
سنگ آهن آگلومره‌شده، کک و سنگ آهک سپس به داخل کوره ریخته شده و در دمای 1800 درجه سانتیگراد سوزانده می‌شوند. کک به عنوان منبع گرما می‌سوزد و به همراه اکسیژنی که به داخل کوره دمیده می‌شود، به تشکیل گاز احیاکننده مونوکسید کربن کمک می‌کند. سنگ آهک با ناخالصی‌های موجود در آهن ترکیب شده و سرباره را تشکیل می‌دهد. سرباره از سنگ آهن مذاب سبک‌تر است، بنابراین به سطح می‌آید و به راحتی می‌توان آن را جدا کرد. سپس آهن مذاب به داخل قالب‌ها ریخته می‌شود تا آهن خام تولید شود یا مستقیماً برای تولید فولاد آماده گردد.
آهن خام همچنان حاوی بین 3.5٪ تا 4.5٪ کربن به همراه سایر ناخالصی‌ها است و شکننده بوده و کار با آن دشوار است. فرآیندهای مختلفی برای کاهش ناخالصی‌های فسفر و گوگرد در آهن خام و تولید چدن استفاده می‌شود. آهن فرفورژه که حاوی کمتر از 0.25٪ کربن است، سخت، چکش‌خوار و به راحتی قابل جوشکاری است، اما تولید آن بسیار پرهزینه‌تر و دشوارتر از فولاد کم‌کربن است.
در سال 2010، تولید جهانی سنگ آهن حدود 2.4 میلیارد تن بود. چین، به عنوان بزرگترین تولید کننده، حدود 37.5٪ از کل تولید را به خود اختصاص داد، در حالی که سایر کشورهای بزرگ تولید کننده شامل استرالیا، برزیل، هند و روسیه هستند. برآورد سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده نشان می‌دهد که 95٪ از کل تناژ فلز تولید شده در جهان، آهن یا فولاد است.
کاربردهای آهن: از سازه‌های عظیم تا تزئینات ظریف
آهن زمانی ماده اولیه ساختمانی بود، اما در بیشتر کاربردها جای خود را به فولاد داده است. با این حال، چدن هنوز در لوله‌ها و قطعات خودرو مانند سرسیلندرها، بلوک‌های سیلندر و پوسته‌های جعبه دنده استفاده می‌شود. آهن فرفورژه نیز همچنان برای تولید وسایل تزئینی منزل مانند جا شرابی، شمعدان و میله پرده کاربرد دارد.
- شیمی
- علم
