تفاوت آهن و فولاد
تفاوت فولاد و آهن
احتمالا اگر چیز زیادی هم در مورد تفاوت فولاد و آهن ندانید، اسم آن‌ها را در صنایع گوناگون و ساخت و ساز شنیده‌اید. اما دقیقا فرق فولاد و آهن در چیست؟ هر کدام کجا استفاده می‌شود؟ چطور می‌توان این دو را از هم تشخیص داد؟ چه عوامل فیزیکی و شیمیایی باعث تفاوت آن‌هاست؟ اگر هر کدام از این سوالات تا به حال به ذهن‌تان خطور کرده و دنبال جواب آن هستید، ما با در بنیان فولاد همراه باشید تا جواب این سوال‌ها و هرآنچه در مورد تفاوت آهن و فولاد احتیاج دارید، در اختیارتان قرار دهیم.
تفاوت فولاد و آهن چیست؟
برای اینکه به فرق فولاد و آهن برسیم، باید از اولین نقطه شروع کنیم و آن تفاوت ماهیت این دو است. آهن فلزی نقره‌ای مایل به سفید است که در طبیعت به وفور یافت می‌شود و در واقع یکی از رایجترین مواد معدنی است. به دلیل این رایج بودن و قیمت کیلویی پایین، این فلز به یکی از محبوب‌ترین و پرکاربرد ترین فلزات دنیا تبدیل شده است.
آهن در حالت اولیه بسیار نرم و شکل پذیر است؛ تا حدی که با یک چاقوی معمولی هم به راحتی قابل بریده شدن است. این فلز با هوا و رطوبت به سرعت واکنش نشان داده و زنگ زده خواهد شد. به دلیل همین مشکلات، امروزه از آهن به صورت تنها استفاده نمی‌شود. در برحه ای از تاریخ، آهن به شکل چدن در می‌آمد و از زمان انقلاب و صنعتی و خصوصا بعد از جنگ جهانی دوم فولاد به شکل گسترده به جهان و کشورمان ایران معرفی شد و به سرعت جایگزین آهن و چدن شد.
خیلی‌ها بر این باورند که فولاد نیز نوعی فلز است که در طبیعت وجود دارد، در صورتی که اینطور نیست. این ترکیب به صورت یک عنصر در محیط طبیعی پیدا نمی‌شود؛ تفاوت اصلی فولاد با آهن همین است. آهن عنصری است با شماره 26 جدول مندلیف، ولی فولاد نوعی آلیاژ به حساب می‌آید که از ترکیب آهن و کربن ساخته می‌شود.
این میزان کربن می‌تواند از 0.1 تا حدود 2.5 درصد آهن باشد. ممکن است به نظرتان این مقدار بسیار اندک بیاید، ولی همین مقدار هم تغییرات شگرفی را در خواص فیزیکی و شیمیایی آهن ایجاد می‌کند و آن را تبدیل به فولاد می‌نماید.
چگونه آهن تولید می شود؟
برای آغاز این پروسه، ما نیاز به تبدیل سنگ آهن به آهن خام داریم. آهن به شکل سنگ و در اشکال مختلف از معادن استخراج می‌شود. این سنگ‌ها در سنگ شکن خرد شده و پس از آن آماده ورود به کوره خواهند شد. پس از آن آهن را گداخته می‌کنند تا ناخالصی‌های آن گرفته شده و محصولی به نام آهن خام تولید می‌شود. حال از این محصول برای ساخت فولاد و سپس آلیاژهای آن استفاده خواهد شد.
سنگ آهن ترکیبی است از اکسیدهای این ماده همراه با سنگ آهک، آلومین، سیلیس، نمک معدنی و... .چهار نوع دسته بندی ترکیب سنگ آهن که به صورت عمده در کوره‌های آهن گدازی استفاده می‌شوند عبارتند از:
کربنات: نوعی نمک از کربنیک اسید، که در آن یون کربنات وجود دارد. این ساختار از یک اتم کربن و سه اکسیژن ساخته شده است. ترکیب کربنات با آهن، آهن کربنات را بوجود می‌آورد که جامد و سفید رنگ است.
سولفور: یا اصطلاحا گوگرد، فلزی چند ظرفیتی، بدون مزه و بدون بو و فراوان در طبیعت که به شکل کریستالی زرد در طبیعت وجود دارد. ترکیب آن با آهن ماده‌ای جامد و سیاه رنگ بوجود می‌آورد که نامحلول در آب است و فقط در اسید حل می‌شود.
هیدروکسیدها: یک مولکول دو اتمی است که با آهن ترکیب شده و هیدروکسید آهن را بوجود می‌آورد.
اکسیدها: هماتیت ها که اکسید آهن با رنگ قرمز هستند، لیمونیت ها که زرد رنگ تا قهوه‌ای هستند، مگنتیت یا اکسید آهن سیاه که همانطور که از نامشان مشخص است سیاه اند.
آهن گدازی چگونه انجام می‌شود؟
همانطور که اشاره کردیم، سنگ آهن ابتدا باید در کوره قرار گرفته و ذوب شود. این مایع مذاب ترکیبی است از آهن و تمام ناخالصی‌های موجود در آن که در سنگ‌هایی که در کوره میریزیم قرار دارند. چون وزن هر کدام از این ناخالصی‌ها و آهن متفاوت هستند، می‌توان به راحتی این ناخالصی‌ها را از آهن جدا کرد که به این ناخالصی‌ها تفاله آهن و یا سرباره می‌گویند. برای این کار دو شیر در کوره تعبیه شده است که یکی مربوط به ناخالصی‌هاست که در بالا قرار دارد و اصطلاحا شیر تخلیه فوقانی نامیده می‌شود، و دیگری برای جداسازی آهن خالص است که شیر تخلیه تحتانی نام دارد.
فلز آهن به دست آمده، آهن خام نام دارد. البته این آهن هم 100 درصد خالص نخواهد بود تا حدود 5 تا 10 درصد ناخالصی مثل سیلیس، منگنز، فسفر، گوگرد و... در آن وجود خواهد داشت. از آنجا که آهن مستقیما از جامد به مایع تبدیل می‌شود و حالت خمیری در این میان وجود ندارد، نه قابل نورد شدن است و نه امکان چکش خواری بر روی آن وجود دارد. از همین رو، به آن مقداری گداز آور اضافه می‌شود تا درجه حرارت ذوب آن پایین بیاید.
چگونه فولاد تولید می شود؟
همانطور که اشاره شد، بطور کلی فولاد از ترکیب آهن و کربن بوجود می‌آید؛ ولی این پروسه انقدر هم که بنظر می‌رسد ساده نیست و پیچیدگی‌های خاص خود را دارد. البته از آنجایی که فولاد بسیار پرکاربرد است، توجه بالایی به آن شده و با ترکیب علم و صنعت، این روند بسیار بهینه شده است. دو روش کلی برای این کار وجود دارد که در دو نوع کوره بلند و قوس الکتریکی به انجام می‌رسد.
استفاده از کوره بلند
این کوره ها در اوایل قرن 14 هجری شمسی ساخته شدند. با وجود تغییرات تکنولوژی در این یک قرن، فرآیند کلی کم و بیش هنوز یکسان باقی مانده است. این کوره‌ها از سنگ آهن، کک و سنگ آهک برای تولید آهن خوک استفاده می‌کنند.
برای تولید کک احتیاج به میزان قابل توجهی ذغال سنگ داریم. ذغال سنگ ابتدا باید خرد شود؛ تا حدی که تبدیل به پودر شوند. سپس به کوره ریخته شده و کم کم ذوب خواهند شد. این کار باعث می‌شود تمام ناخالصی‌های آن از قبیل قیر، نیتروژن، روغن، گوگرد و نیتروژن حذف شوند. به این ذغال خالص و پخته شده، کک می‌گویند.
کک بعد از 18 تا 24 ساعت از کوره خارج شده و اجازه داده می‌شود تا خنک شود. محصول نهایی چیزی بین 90 تا 93 درصد کربن است و مابقی ترکیبی از خاکستر و گوگرد خواهد بود. کک از ذغال سنگ خام بسیار قوی‌تر است و ماده‌ای بسیار قدرتمند با انرژی بالاست که نفوذ پذیری، گرما و گازهایی متصاعد می‌کند که برای ذوب سنگ آهن مورد استفاده قرار می‌گیرد.
این فرآیند که نام دیگرش احیای غیرمستقیم آهن است، هنوز هم رایجترین راه برای تولید فولاد در دنیاست؛ بطوری که 60 درصد فولاد دنیا هنوز هم از این طریق تولید می‌شود.
استفاده از کوره قوس الکتریکی
این روش که جدیدترین راه برای تولید فولاد است از کوره‌های قوس الکتریکی یا Electric Arc Furnace استفاده می‌کند. در این فرآیند از گاز طبیعی متان استفاده می‌کند (در برابر کک که در کوره‌های بلند مورد استفاده است). سوددهی این روش به دلیل عدم احتیاج به تولید کک، بالاتر است. البته در کشورهایی که متان به صورت طبیعی یافت شود قطعا حاشیه سود به دلیل عدم نیاز به واردات آن، بیشتر خواهد بود.
در کوره قوس الکتریکی، بین الکترودها و بار کوره، یک قوس الکتریکی ایجاد می‌شود و این امر باعث می‌شود تا انرژی الکتریکی به انرژی گرمایشی تبدیل شود. این انرژی باعث می‌گردد آهن که در 1600 درجه ذوب شده و در 3000 درجه مایع می‌شود، نیروی کافی برای تبدیل را بدست بیاورد. برای حذف گوگرد موجود در آهن نیز از مقداری اکسید کلسیم استفاده می‌کنیم؛ همچنین برای از بین بردن اکسیژن که در شرایط کوره محلول می‌شود، از آلیاژ فروسیلیسیم استفاده خواهد شد.
چند ماده اصلی در فرآیند این کوره‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند که شامل آهن اسفنجی و قراضه است. در ابتدای کار، آهن قراضه به کوره ریخته می‌شود تا توسط قوس الکتریکی ایجاد شده ذوب گردد. سپس آهن اسفنجی را به کوره اضافه می‌کنیم. از دلایل استفاده از آهن قراضه، خواص فیزیکی آن است. اگر این انتخاب به درستی صورت نگیرد، می‌تواند باعث شکستن الکترودها، سرریز گشتن مواد مذاب و یا حتی در موارد حادتر باعث انفجار کوره شود.
باید به این نکته توجه داشت که اضافه کردن آهن قراضه، باعث وارد شدن ناخالصی به محصول فولاد نهایی خواهد داشت که در برخی از کشورها برای جلوگیری از این امر و بدست آوردن محصولی هرچه خالص‌تر، فقط از آهن اسفنجی در کوره اضافه می‌کنند. نام دیگر این فرآیند احیای مستقیم آهن است و حدود 40 درصد فولاد دنیا از این طریق تولید می‌شود.
تفاوت‌های فیزیکی فولاد و آهن
در مورد اینکه فولاد و آهن هرکدام چطور ساخته می‌شوند و تفاوت کلی‌شان صحبت کردیم. حالا لازم است بدانیم که نحوه کاربرد این تفاوت‌ها چیست و چرا آهن را در یک پروسه زمان‌بر و پرهزینه تبدیل به فولاد می‌کنیم؟ قبل از آنکه فولاد تولید شود، از آهن به صورت نوردی شده و یا در قالب چدن استفاده می‌شد. انقلاب صنعتی اروپا، نیاز به متریالی با کیفیت برای پیشرفت صنعت داشت که بتوان از طریق آن ابزارها و ماشین آلات صنعتی‌ای ساخت که در عین مقاومت بالا، بتواند ظریف، جوش خور و... باشد. برخی از مهم‌ترین تفاوت‌هایی که باهم بررسی خواهیم کرد:
- مقاومت، چگالی و وزن
- میزان دوام
- زنگ زدگی و خوردگی
- قیمت تمام شده
- چگالی و وزن
- تطبیق پذیری
- بازیافت پذیری
تفاوت فولاد و آهن از نظر مقاومت، چگالی و وزن
فولاد از نظر استحکام و مقاومت، بدون شک یکی از بهترین متریال‌های دنیاست. در مقایسه با آهن خام، چندین برابر مقاومتر است و چگالی پایین‌تری نیز دارد. حمل آن راحت است و می‌توان آن را به هر شکلی درآورد و به دلیل مستحکم بودن، می‌توان از آن در همه جا استفاده کرد؛ از ساخت و ساز گرفته، تا ماشین آلات خانگی، صنعتی، نظامی، خودرو و تقریبا اغلب وسایلی که امروزه در زندگی ما نقشی حیاتی بر عهده دارند.
خواص دیگری نیز فولاد را از آهن متمایز کرده است، برای مثال مقاومت در برابر بارهای کششی که آهن چنین قابلیتی ندارد. از طرفی نیز چکش خوار است که مناسب برای پروژه هایی است که به ظرافتی بیشتر و ورقه‌هایی نازک تر نیاز دارند. به همین دلیل از تیرآهن های عظیم گرفته تا قطعات بسیار ریز ساعت و لوازم الکترونیکی، فولاد قابل استفاده است؛ در صورتی که آهن این قابلیت‌ها را نیز ندارد و به راحتی از هم گسسته می‌گردد.
تفاوت فولاد و آهن از نظر دوام
مقاومت فوق‌العاده بالای فولاد در برابر نیروهای وارده و همچنین گرما و رطوبت (البته بیشتر در فولادهای ضدزنگ)، باعث عمر طولانی و دوام آن در برابر این عوامل است؛ عواملی که براحتی آهن را از بین خواهد برد. فولاد در برابر شکاف، پوسیدگی، پیچ خوردگی و ترک خوردگی مقاوم است در حالی که آهن تقریبا هیچ کدام از این قابلیت‌ها را ندارد، یا نسبت آن بسیار کمتر از فولاد است. همین عوامل فولاد را به یکی از متریال‌های قالب ساخت و ساز تبدیل کرده؛ چرا که می‌توان از خودش و یا آلیاژهایش موادی تولید کرد که در برابر آتش، باد، باران و... مقاومت بسیار خوبی داشته باشند.
تفاوت فولاد و آهن از نظر مقاومت به خوردگی و زنگ زدگی
برای آن که بدانیم خوردگی چیست، ابتدا باید بدانیم چه چیزی باعث این اتفاق می‌شود. خوردگی یا corrosion فرآیندی طبیعی است که در آن فلزات به شکل پایدارتر مثل اکسید، هیدروکسید و سولفید تبدیل می‌شوند. هرچه فلز خالص‌تر باشد، احتمال فرآیند خوردگی بیشتر خواهد بود و از این رو است که آهن بسیار بیشتر از فولاد دچار آن می‌گردد.
وقتی آهن در برابر هوا و رطوبت قرار بگیرد به آن واکنش نشان می‌دهد و با هم ترکیب می‌شوند. حاصل این ترکیب اکسید آهن نام دارد که ما آن را با نام زنگ زدگی می‌شناسیم. بارزترین عامل این اتفاق هم تغییر رنگ آهن از نقره‌ای به نارنجی و قهوه‌ای است. آهن بلافاصه شروع به زنگ زدن می‌کند و گرچه فولاد هم در صورت ضدزنگ نبودن صد در صد به آن مقاوم نیست، اما در مقایسه با آهن عملکرد بسیار بهتری دارد.
تفاوت فولاد و آهن از نظر قیمت تمام شده
مهم‌ترین عاملی که باید به آن توجه کرد، این است که فولاد هرچه مرغوب‌تر باشد، عمر و مقاومت بیشتری خواهد داشت و این خود بهترین توضیح برای منطقی‌تر بودن استفاده آن است. همین نکات مثبت باعث شده که فولاد در حجمی بسیار گسترده تولید شود و این امر به خودی خود باعث کاهش چشمگیر قیمت آن شده است. کشورمان ایران هم دهمین تولید کننده عمده فولاد در دنیاست و بیش از 60 کارخانه و شرکت مختلف در این زمینه به فعالیت مشغول‌اند.
همچنین باید به این نکته توجه کرد که به دلیل چگالی پایین‌تر، قطعه فولادی در حجم برابر با آهن، وزن کمتری دارد که باعث کاهش قیمت آن خواهد شد. البته همانطور که اشاره شد، هرچه گرید یا مرغوبیت آن بالاتر باشد، اگرچه قیمت بیشتری دارد ولی در درازمدت باعث کاهش هزینه‌ها خواهد بود.
تفاوت فولاد و آهن از نظر تطبیق پذیری
از آنجا که فولاد چکش خواری بسیار بالایی دارد و برخلاف آهن، در هنگام ذوب از جامد مستقیما به مایع تبدیل نمی‌شود، می‌توان اشکال و ابعاد گوناگونی به آن داد. نتیجه این انعطاف پذیری، نوآوری طراحان است؛ چراکه می‌توانند مقاومت یا کارایی لازم در ساختمان و یا دستگاه خود را در سایزها و اشکال مورد نظرشان به دست آورند. اما آهن را اگر بخواهیم بیش از حد شکل دهیم و یا نازک کنیم، خواهد شکست و چکش خواری بسیار پایینی دارد.
قبل از آنکه از فولاد بصورت عمده استفاده شود، به دلیل همین عدم چکش خواری آن را در حالت مذاب در قالب‌های پیش ساخته می‌ریختند تا شکل دلخواه را به خود بگیرد. البته حتی همین قالب‌ها نیز با محدودیت‌های بسیار همراه بود که اکنون فولاد وابسته به هیچ یک از آن‌ها نیست.
تفاوت فولاد و آهن از نظر بازیافت
فولاد و آهن از این بابت با هم تفاوت خاصی ندارند. می‌توان از این دو به کرات استفاده کرد؛ تنها کافی است ماده مورد نظر را در کوره ریخته، ذوب کرده و فرآیند تولید آن را که در بالا توضیح دادیم تکرار کنیم. خوبی بازیافت فولاد و آهن این است که این مواد هرچه هم ذوب شوند و دوباره شکل بگیرند، خواص فیزیکی و شیمیایی خود را حفظ می‌کنند. البته باید توجه داشت که ذوب آهن آن هم به شکل سنتی، از انرژی بیشتری نسبت به ذوب فولاد استفاده می‌نماید.
سخن آخر
آهن عنصری است که به صورت طبیعی 5% پوسته زمین را در بر می‌گیرد و یکی از در دسترس ترین فلزات دنیاست. فولاد هم که ترکیبی از آهن و کربن است، به دلیل مقاومت بالا در برابر فشار، دوام طولانی، مقاومت در برابر خوردگی و تطبیق پذیری بالا در کنار عوامل دیگر، این دو را به یکی از مهم‌ترین متریال‌های زندگی امروزی بشر تبدیل کرده است. از ساختمان سازی گرفته تا صنایع بزرگ و کوچک، رد پای این متریال‌ها پیداست.
حال که الفبای اولیه این دو را یاد گرفتیم، اگر می‌خواهید قیمت کیلویی آهن و فولاد را مشاهده کنید، می‌توانید به صورت آنلاین از صفحه خرید ما در بنیان فولاد دیدن کنید و یا با همکاران ما تماس بگیرید تا پاسخگوی تمام سوالات شما در زمینه آهن، فولاد و هر آنچه به این صنعت مرتبط است باشیم.
ثبت دیدگاه