فلز آهن

مقدمه :

آهن عنصرشیمیایی است که در جدول تناوبی با نشان Fe و عدداتمی26 وجود دارد، آهن فلزی است که در گروه 8 و دوره 4 جدول تناوبی قرار دارد.

تاریخچـــــه :

اولین نشانه‌های استفاده از آهن به زما ن سومریان و مصریان بر می‌ گردد که تقریبا" 4000 سال قبل از میلاد با آهن کشف شده از شهاب سنگ ها اقلام کوچکی مثل: سر نیزه و زیور آلات می ‌ساختند. از 3000 -2000 سال قبل از میلاد ، تعداد فزاینده ای از اشیاء ساخته شده با آهن مذاب ( فقدان نیکل ،این محصولات را از آهن شهاب سنگی متمایز می‌کند ) در بین ‌النهرین، آسیا ی صغیر و مصر به چشم می‌خورد، اما ظاهرا" تنها در تشریفات از آهن استفاده می‌ شد و آهن فلزی گرانبها حتی باارزش‌تر از طلا به‌حساب می‌آمد.

براساس تعدادی ازمنابع، آهن به عنوان یک محصول جانبی از تصفیه مس تولید می ‌شده مثل آهن اسفنجی و به وسیله ی متالوژی آن زمان قابل تولید مجدد نبوده است . از 1600- 1200 سال قبل از میلاد درخاورمیانه به طور روز افزون از این فلز استفاده می‌شد، اما جایگزین کابرد برنز درآن زمان نشد.

تبر آهنی متعلق به عصر آهن سوئد در گاتلند سوئد یافت شده است. از قرن 12- 10 در خاورمیانه یک جابه جایی سریع در تبدیل ابزار و سلاح های برنزی به آهنی صورت گرفت. عامل مهم در این جابه جایی ، آغازناگهانی تکنولوژی های پیشرفته ی کار با آهن نبود، بلکه عامل اصلی مختل شدن تامین قلع بود. این دوره جابجایی که در زمان های مختلف و در نقاط مختلفی از جهان رخ داد، دوره ای از تمدن به نام عصرآهن را به وجود آورد،هم زمان با جایگزینی آهن به جای برنز ، فرآیند کربوریزاسیونگ ( کربن دارکردن )کشف شد که بوسیله ی آن به آهن موجود در آن زمان ، کربن اضافه می‌کردند.

آهن را به صورت اسفنجی که مخلوطی از آهن به همراه مقداری کربن یا کاربید است، بازیافت کردند. سپس اضافات آن را با چکش‌کاری جدا نموده ومحتوی کربن را اکسید می‌کردند تا بدین طریق آهن نرم را تولید کنند.
مردم خاورمیانه دریافتند که با حرارت دادن طولانی مدت آهن نرم در لایه ای از ذغال و آب دادن آن در آب یا روغن می‌توان محصولی بسیار محکم‌ تر بدست آورد. محصول حاصله که دارای سطح فولادی است، از برنزی که قبلا" کاربرد داشت محکم تر و مقاوم ‌تربود.

درچین نیز اولین بار از آهن شهاب سنگی استفاده شد و اولین شواهد باستان شناسی برای اقلام ساخته شده با آهن نرم در شمال شرقی نزدیک Xinjiang مربوط به قرن 8 قبل از میلاد بدست آمده است. این وسایل از آهن نرم و با همان روش خاورمیانه و اروپا ساخته شده بودند و گمان می ‌رفت که برای مردم غیر چینی هم ارسال می ‌کردند.

درسال های آخر پادشاهی سلسله ژو (حدود 550سال قبل از میلاد) به سبب پیشرفت زیاد تکنولوژی کوره  ، قابلیت تولید آهن جدیدی به وجود آمد. ساخت کوره‌های بلند ی که توانایی حرارتهای بالای k 1300 را داشت، موجب تولید آهن خام یا چدن توسط چینِی‌ها شد. اگر سنگ معدن آهن را با کربن k 1420-1470 حرارت دهیم، مایع مذابی بدست می‌آید که آلیاژی با 5/96%  آهن و 5/53% کربن است. این محصول محکم را می ‌توان به شکل های ریز و ظریفی در آورد. اما برای استفاده بسیار شکننده می‌باشند، مگر آنکه بیشترکربن آن را از بین ببرند. از زمان سلسله ژو به بعد اکثر تولیدات آهن در چین به شکل  چدن است. با این همه آهن به عنوان یک محصول عادی که برای صدها سا ل مورد استفاده کشاورزان قرار گرفته است، باقی ماند و تا زمان سلسله شین ( حدود 221سال قبل از میلاد ) عظمت چین را واقعا" تحت تاثیر قرار نداد.

توسعه چدن در اروپا عقب افتاد، چون کوره‌های ذوب در اروپا فقط توانایی k 1000 را داشت. در بخش زیادی از قرون وسطی در اروپای غربی آهن را همچنان با روش تبد یل آهن اسفنجی به آهن نرم بدست می‌آوردند. تعدادی از قالب‌گیری های آهن در اروپا بین سالهای 1350 - 1150 بعد از میلاد در دو منطقه در سوئد به نامهای Lapphyttan و Vinarhyttan انجام شد. دانشمندان می‌پندارند شاید این روش بعد از این دو مکان تا مغولستان آن سوی روسیه ادامه یافته باشد، اما دلیل محکمی برای اثبات این فرضیه وجود ندارد. تا اواخر قرن نوزدهم در هر رویدادی یک بازار برای کالاهای چدنی به وجود آمد، مانند: درخواست برای گلوله‌های توپ چدنی.
در آغاز برای ذوب آهن از زغال چوب هم به عنوان منبع حرارتی و هم عامل کاهنده استفاده می‌شد. در قرن 18 در انگلستان تامین کنندگان چوب کم شدند و از زغال سنگ که یک سوخت فسیلی است، به عنوان منبع جانشین استفاده شد. این نوآوری به وسیلـــه Abraham Darby انرژی لازم برای انقلاب صنعتی را تامین نمود.

پیدایـــــــش :

آهن یکی از رایج‌ترین عناصر زمین است که تقریبا" 5% پوسته زمین را تشکیل می‌دهد. آهن از سنگ معدن هماتیت که عمدتا" Fe₂O₃ می‌باشد، استخراج می‌گردد. این فلز را بوسیله روش کاهش با کربن که عنصری واکنش‌‌پذیرتر است جدا می‌کنند. این عمل درکوره بلند در دمای تقریبا" 2000 درجه سانتی ‌گراد انجام می‌ پذیرد. در سال 2000 ، تقریبا" 1100 میلیون تن سنگ معدن آهن با رشد ارزش تجاری تقریبا" 25 میلیارد دلار آمریکا استخراج شد. درحالی که استخراج سنگ معدن آهن در 48 کشور صورت می‌گیرد، چین ، برزیل ، استرالیا ، روسیه و هند با تولید 70% سنگ آهن جهان پنج کشور بزرگ تولید کنندگان آن به‌حساب می‌آیند. برای تولید تقریبا" 572 میلیون تن آهن خام 1100 میلیون تن سنگ آهن مورد نیاز است.

خصوصیات قابل توجه :

جرم یک اتم معمولی آهن 56 برابر جرم یک اتم معمولی هیدروژن می ‌باشد. عقیده بر این است که آهن، دهمین عنصر فراوان در جهان است.  Fe مخفف واژه لاتین ferrum برای آهن می‌باشد. این فلز، از سنگ معدن آهن استخراج می‌شود و به ‌ندرت به حالت آزاد (عنصری) یافت می‌گردد.برای تهیه آهن عنصری ، باید ناخالصی های آن را با روش کاهش شیمیایی از بین برد. آهن برای تولید فولادبکار می ‌رود که عنصر نیست، بلکه یک آلیاژو مخلوطی است از فلزات متفا وت ( و تعدادی غیر فلز بخصوص کربن ).

هسته اتم های آهن دارای بیشترین نیروی همگیر در هر نوکلئون هستند بنابراین آهن با روش هم جوشی ، سنگین ‌ترین و با روش شکافت اتمی ، سبک ترین عنصری است که به صورت گرما زایی تولید می ‌شود. وقتی یک ستاره که دارای جرم کافی می ‌باشد چنین کاری انجام دهد، دیگر قادر به تولید انرژی در هسته‌اش نبوده و یک ابر اختر پدید می‌آید. آهن رایج‌ترین فلز در جهان به حساب می‌آید. الگوهای جهان شناختی با یک جهان باز پیش‌بینی زمانی را می‌کند که در نتیجه واکنش های هم جوشی و شکافت هسته ای همه چیز به آهن تبدیل خواهد شد.

کاربردهــــــــــا :

کاربرد آهن از تمامی فلزات بیشتر است و 95 درصد فلزات تولید شده در سراسر جهان را تشکیل می‌دهد. قیمت ارزان و مقاومت بالای ترکیب آن، استفاده از آن را به خصوص در اتومبیل ها ، بدنه کشتی‌های بزرگ و ساختمان ها اجتنا ب ناپذیر می‌کند. فولادمعروف‌ ترین آلیاژ آهن است و تعدادی از گونه‌های آهن به شرح زیر می‌باشد:

آهن خام که دارای 5%-4% کربن و مقادیر متفاوتی ناخالصی هایی از قبیل گوگرد، سیلیکون و فسفراست و اهمیت آن فقط به این علت است که در مرحله ی میانی مسیر سنگ آهن تا چدن و فولادقرار دارد.

چدن ، شامل 5/3%-2% کربن و مقدار کمی منگنزمی‌باشد. ناخالصی‌های موجود در آهن خام مانند:گوگرد و فسفر که خصوصیات آن را تحت تاثیر منفی قرار می‌دهد، در چدن تا حد قابل قبولی کاهش می‌یابند. نقطه ذوب چدن بین k 1420-1470 می ‌باشد که از هر دو ترکیب اصلی آن کمتر است و آن را به اولین محصول ذوب شده پس ازگرم شدن هم زمان کربن و آهن تبد یل می‌کند. چدن بسیارمحکم ،سخت و شکننده می‌باشد. چدن مورد استفاده حتی چدن گرمای سفید موجب شکستن اجسام می‌شود.

فولاد کربن شامل 5/1% - 5/ 0% کربن و مقادیر کم منگنز، گوگرد ، فسفر و سیلیکون است.آهن ورزیده ( آهن نرم) دارای کمتر از 5/0% کربن می‌باشد و محصولی محکم و چکش‌خوار است، اما به اندازه آهن خام گدازپذیر نیست. حاوی مقادیر بسیار کمی کربن است ( چند دهم درصد). اگر یک لبه آن تیز شود، به ‌سرعت تیزی خود را از د ست می‌ دهد.

فولادهای آلیاژ حاوی مقادیر متفاوتی کربن به علاوه فلزات دیگرما نند:کروم، وانادیم، مولیبدن، نیکل، تنگستن و ... می‌باشد.

اکسیدهای آهن برای ساخت ذخیره مغناطیسی درکامپیوترمورد استفاده قرار می‌گیرند. آنها اغلب با ترکیبا ت دیگری مخلوط شده و خصوصیات مغناطیسی خود را به صورت محلول هم حفظ می‌کنند.

ترکیبات :

معمول ترین حالات اکسیداسیون آهن عبارتند از:

۱- حالت فروس ²⁺Fe

۲- حالت فریک ³⁺Fe

۳- حالت فریل ⁴⁺Fe که با تعدادی آنزیم ( مثلا" پیروکسیدازها ) پایدار شده است.

۴- آهن ( VI) هم معروف است ( اگر چه کمیاب می ‌باشد ) . در صورتی که به شکل فرات پتاسیم باشد، (K₂FeO ) یک اکسیدکننده ی انتخابی برای الکل های نوع اول می‌باشد. این ماده جامد فقط در شرایط خلاء و ارغوانی تیره پایدار است، هم به صورت محلول سوز آور و هم به صورت یک ماده ی جامد.

۵- کاربید آهن Fe₃C به نام سمنتیت معروف است.

بیولـــــــوژی:

آهن ، اتم اصلی مولکول ( هم بخشی از گلبول قرمز ) و بنابراین جزء ضروری تمامی همو پروتئین‌ها محسوب می‌شود. به همین علت ، وجود این عنصر در حیوانات حیاتی می‌باشد. همچنین آهن غیر آلی در زنجیره‌های آهن – گوگرد بسیاری از آنزیم هایا فت می‌شود. باکتری ها اغلب از آهن استفاده می‌کنند. وقتی بدن در حال مبارزه با یک عفونت باکتریایی است، برای عدم دستیابی باکتری به آهن ، این عنصر را پنهان می ‌کند.

ایزوتوپ ها :

آهن به طور طبیعی دارای چهار ایزوتوپ پایدار Fe.54 , Fe.56 , Fe.57 , Fe.58 می‌باشد. فراوانی نسبی ایزوتوپ های آهن درطبیعت تقریباً Fe.54 - 8/5%،  Fe.56 - 7/91%، Fe.57 - 2/2% و Fe.58-3/0% است.  Fe-60 که نوکلید پرتوزای غیر فعا ل است، دارای نیمه عمر 5/1 (Myr) می‌باشد. بیشتر تلاش گذشته برای اندازه گیری ترکیبات ایزوتوپی آهن به ‌علت فرآیندهایی که توام با نوکلئوسنتز( مانند :مطالعات شهاب سنگ ها ) و شکل ‌گیری کانی‌ها هستند، حول محور تعیین انواع مختلف Fe -60 صورت گرفته است.

دروهله‌های مختلف ، شهاب سنگهای Semarkona و Chervony Kut می ‌توان بین تمرکز Ni- nickel | 60 محصول اخترچه ( Fe-60 و فراوانی ایزوتوپ های پایدار آهن ارتباطی یافت که د لیلی  برای وجود آهن-60 در زمان شکل ‌گیری منظومه شمسی می ‌باشد. احتمالا" انرژی آزاد شده توسط فروپاشی آهن-60 به همراه انرژی رها شده بر اثر فروپاشی نوکلئید پرتوزای  Al-26، در ذوب مجدد و تفکیک اخترچه‌های بعد از شکل‌گیری آنها 4,6 میلیارد سال پیش تا ثیر داشته است. فراوانی Ni-60 موجود در مواد فرازمینی نیز ممکن است آگاهی بیشتری در مورد منشاء منظومه ی شمسی و تاریخ ابتدایی آن ارائه نماید. 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.

آهن فلزی نسبتاً فراوان در جهان است و اهمیت حیاتی در زندگی حیوانات و گیاهان دارد . فلزی خالص که دارای فعالیت شیمیایی زیاد است و مخصوصاً در هوای مرطوب به سرعت زنگ می زند .

آهن دارای خواص مغناطیسی مهمی است ، و یکی از ترکیبات مهم سازنده زمین می باشداین عنصر در خورشید و انواع ستاره ها یافت می شود وهسته پایداری دارد. آهن یکی از ترکیبات اصلی شهاب سنگها می باشد که در سیدریتها و عناصر فرعی وجود دارد. هسته زمین دارای ترکیبی از 10 درصد آهن و هیدروژن دارد، این فلز چهارمین عنصر فراوان از نظر وزنی در پوسته زمین است .عمومی ترین ترکیب این عنصر هماتیت است که در داخل رسوبات سیاه سواحل و صخره های رودخانه ها یافت می شود.

آهن معمولی ترکیبی از 4 ایزوتوپ می باشد، ده ایزوتوپ د یگر نیز از این عنصر شناخته شده است. آهن نقش مهمی در زندگی جانوران به علت وجود آن در همگولبین خون دارد. تاکونیت یکی از ترکیبات مهم آهن می باشد که از آن برای مصارف تجاری آهن استفاده می شود. آهن به صورت خالص استفاده تجاری چندانی ندارد ولی وقتی با کربن و دیگر فلزات ترکیب شود مصارف زیادی دارد. عنصر خالص آهن دارای خاصیت واکنش پذیری شیمیایی بالا است و به سرعت زنگ می زند و اکسید می شود، در هوای مرطوب و خیلی گرم این خاصیت افزایش پیدا می کند.

آهن دارای 4 آلوتروپی است که عبارتند از: آلفا، بتا، گاما، امگا. آلفا شکلی از آهنربا است که از بتا تغییر شکل پیدا کرده باشد. آهن خام یا چدن شامل 3 درصد کربن با میزان مختلفی از عناصر گوگرد، سیلیسیوم ، منگنزو فسفر می باشد.

آهن دارای خاصیت سخت، شکننده، نسبتاً زودگداز و آلیاژها و ترکیبات مختلف آن کاربردهایی مثل فولاد دارند. آهن ورزیده شامل یک دهم درصد کربن، بادوام، چکش خوار، ذوب شونده سریع و معمولاً ساختار الیافی دارد. فولاد کربنی ترکیبی از آهن و به میزان کم منگنز و گوگرد و فسفر و سیلیسیوم می باشد. آلیاژهای فولاد عبارتند: از فولاد کربنی یا ترکیبی از عناصر د یگر مثل نیکل و کروم و وانادیم و غیره. آهن ارزان ، فراوان بسیار مفید و فلز مهمی در صنعت می باشد.

تاثیرات زیست محیطی آهن:

آهن 3 آرسنیت و پنتاهیدرات ممکن است برای محیط زیست خطرناک باشند. به همین دلیل باید توجه خاصی به گیاهان، هوا و آب شود. به طور کلی باید از ورود مواد شیمیایی به محیط زیست جلوگیری به عمل آورد، زیرا اکثر مواد شیمیایی برای مدت زمان طولانی در طبیعت باق می ما نند و از خود مقاومت نشان می دهند.

خواص فیزیکی و شیمیایی عنصرآهن :

عدد اتمی: 26

جرم اتمی:55.845

نقطه ذوب: 1244C°

نقطه جوش : 1962C°

شعاع اتمی: Å 1.72

ظرفیت: 2,3

رنگ: فلزدرخشان مایل به خاکستری

حالت استاندارد: جامد

نام گروه:8

انرژی یونیزاسیون: 7.87Kj/mol

شعاع یونی : Å 0.645

الکترونگاتیویته:  1.83درجه پاولینگ

حالت اکسیداسیون:2,3,4,6

دانسیته: 7.873

گرمای فروپاشی: Kj/mol  13.8

گرمای تبخیر : Kj/mol 349.6

مقاومت الکتریکی : Ohm m 0.0000000971

گرمای ویژه: J/g Ko 0.44

دوره تناوبی:4

شماره سطح انرژی : 4

اولین انرژی : 2

دومین انرژی : 8

سومین انرژی : 14

چهارمین انرژی : 2

اشکال دیگر :

اکسید آهن FeO ، مگنتیت Fe3O4 و هماتیت Fe2O3 ،دی کلرید آهن FeCl2 و تری کلرید آهن FeCl3.

.

کاربرد :

در تهیه فولاد و آلیاژکاری کاربرد دارد و از انواع آلیاژهای آن لوازم و ابزار بسیار متنوعی تولید می شود . سازنده اصلی خون جانوران و همراه اکسیژن در رگهای خون حمل می شود .

روش شناسایی :

1-Coupled Plasma Spectrography    ICP:Inductively

2-XRF:X-Ray Fluorescence Spectrometr

3-NA:Neutron Activation Analysis

4-Acti   ENAA:Etra-Thermo Neutro   vation Method

Iron Fe Ruthenium
عمومی
نام, علامت اختصاری, شماره	Iron, Fe, 26
گروه شیمیایی	فلز انتقالی
گروه, تناوب, بلوک	(8« VIIIB ),4,d
جرم حجمی, سختی	7874kg/m3, 4.0
رنگ	فلزی درخشان با ته مایه خاکستری
خواص اتمی
وزن اتمی	55.845amu
شعاع اتمی (calc.)	140pm
شعاع کووالانسی	125pm
شعاع واندروالس	___
ساختار الکترونی	[Ar3d64s2 ]
-e به ازای هر سطح انرژی	2, 8, 14, 2
درجه اکسیداسیون (اکسید)	2,3,4,6 (آمفوتریک)
ساختار کریستالی	بدنه مکعب مرکزی
خواص فیزیکی
حالت ماده	جامد (فرومغناطیس)
نقطه ذوب	1808K(2795°F)
نقطه جوش	(3023K(4982°F
حجم مولی	7.09 ש«10-6»»مترمکعب برمول
گرمای تبخیر	349.6kJ/mol
گرمای هم جوشی	13.8kJ/mol
فشار بخار	7.05Pa  at 1808 K
سرعت صوت	4910 m/s at 293.15 K
متفرقه
ظرفیت گرمایی ویژه	440J/«kg*K)
رسانائی الکتریکی	9.93 106/m اهم
رسانائی گرمایی	80.2 W/m*K
1st پتانسیل یونیزاسیون	762.5kJ/mol
2nd پتانسیل یونیزاسیون	1561.9kJ/mol
3rd پتانسیل یونیزاسیون	2957kJ/mol
4th پتانسیل یونیزاسیون	5290kJ/mol
پایدارترین ایزوتوپها
Iso NA نیمه عمر DM DE Mev DP 54Fe 5.8% Fe با 28نوترون پایدار است 55Fe {syn.} 2.73 y ε capture 0.231 55Mn 56Fe 91.72% Fe با 30نوترون پایدار است 57Fe 2.2% Fe با 31نوترون پایدار است 58Fe 0.28% Feبا32 نوترون پایدار است 59Fe {syn.} 44.503 d β 1.565 59Co 60Fe {syn.} 1.5E6 y β- 3.978 60Co

فلز آهن

آهن

تاریخچه آهن

بشر از دیرباز با آهن و فولاد و چدن که امروزه به عنوان پرمصرف ترین فلزات جهان می باشند آشنا بوده است . استفاده از آلیا?های آهن در بناها ، حتی به میزان اندک و محدود در بناهای قرون گذشته کمتر به چشم می خورد . اما تنها از اوایل قرن هجدهم با پیشرفت صنعت استفاده از این فلز رو به فزونی گذاشته است . در ابتدا از آهن برای کارهای کوچک ، همچون تزئینات و یا کلاف بندی بناهای سنگی استفاده می شد ، اما به علت عدم توسعه صنایع تصفیه آهن استفاده از این فلز محدود بود تا اینکه در اواسط قرن هجدهم در انگلستان قدمهای شایان توجهی در بهبود و پیشرفت صنعت آهن برداشته شد و اولین .بناهایی که از آهن در ساخت ساز آنها استفاده شد ، در اواخر قرن هجدهم ساخته شدند و این آغاز فصل نوینی در صنعت ساختمان سازی بود

نحوه تولید آهن و استفاده از آن در ساختمان

تولید آهن در واقع تشکیل شده است از یک سری عملیات وابسته به هم تا رسیدن به تولید نهایی که در این روند آهن خام تولید و سپس تبدیل به فولاد مذاب و این فولاد ریخته گری شد ، و به ورق و تسمه و یا پروفیل تبدیل ، یا اینکه توسط نورد سرد رولهای ورق فولادی را به تسمه و پروفیل تبدیل می کنند . همچنین از سرباره (موادی که به عنوان ناخالصی روی آهن در کوره قرار میگیرند ) . کوره ذوب آهن به .عنوان موادی با ارزش برای تولید مصالح ساختمانی استفاده می شود که از آن جمله می توان در تهیه سیمان مصالح عایق حرارتی مانند پشم سنگ را نام برد

نقش کربن در آهن و انواع آن

کربن موجود در آهن تاثیر بخصوصی در ساختار مولکولی آهن گذاشته بنحوی که تغییر مقدار آن باعث می شود که اشکال مختلفی از آن بوجود آید و خواص فیزیکی متفاوتی داشته باشد . برای شناخت بیشتر .به بررسی انواع آن می پردازیم

آهن نرم : این نوع آهن که در آن 2/0% کربن وجود دارد در قدیم برای وسایل و قسمتهایی که باید کشش زیادی را تحمل می کردند به کار میرفت . این نوع آهنها انعطاف پذیر بوده و به همین خاطر در .کارهای تزئینی از آن استفاده می شود و به علت دمای ذوب بالا جوشکاری یا ریخته گری با آن امکان پذیر نیست

آهن معمولی : این آهن حدود 2% کربن در خود دارد و بر خلاف آهن نرم نمی توان روی آن در حالت مذاب کار کرد و عموما یک ماده شکننده است ، اما مقاومت آن در برابر خوردگی را به خوبی در استفاده .آن در ساخت دیگهای بخار ، هدایت آب باران ناودانها و دیگر وسایل می توان مشاهده نمود

شناخت چدنها

چدنها که در واقع همان آهن با درصدهای مختلف کربن می باشند را می توان به انواع مختلفی تهیه کرد مانند چدن خاکستری که دارای مقادیر بیشتری کربن نسبت به انواع دیگر آن است که همین باعث خصوصیت شکنندگی آن می شود ، رنگ آن خاکستری بوده و در جاهایی که باید بار زیادی را تحمل کرد از آن استفاده می شود . چدن سفید که از سرد کردن سریع مذاب آهن حاصل می شود را می توان .نرم کرد تا مقدار شکنندگی آن کاهش یابد و انعطاف پذیر گردد . این چدن به چدن چکش خوار نیز معروف است

ساختار فولاد و تاثیر ناخالصی در آن

فولاد ازچدن سفید تهیه می کنند و درصد کربن در ان بین 70 تا 71 درصد می باشد که با توجه به همین بالا و پایین بودن درصد کربن مصارف مختلفی از آن می توان کرد و ضمن آنکه باید گفت وجود کربن بیش از حد فولاد را شکننده می کند و بر سختی آن
می افزاید و همچنین عامل پایین آمدن درجه ذوب فولاد است . وجود منگنز و سیلیسیوم مقاومت و سختی فولاد را افزایش می دهد و مانع از چکش خواری و شکل پذیری آن می شوند . بودن فسفر ، فولاد را شکننده می کند و همینطور گوگرد عامل پایین آمدن مقاومت آن در برابر ضربه می باشد . وجود کرم ، کشش فولاد را افزایش داده و مانع از زنگ زدن آن می شود . مس در فولاد باعث
.می شود که زنگ نزده و دیر بپوسد

نحوه تولید قطعات از فولاد

یکی از راههای تولید قطعات ، ریخته گری می باشد که در آن فولاد یا آهن مذاب را در قالب مخصوص می ریزند و پس از سرد شدن قطعه مورد نظر بدست می آید که بعد از عملیات بر روی آن آماده مصرف می گردد . نورد یکی دیگر از روش های تولید قطعات است که از شکل دادن به شمش فلزی که از میان غلتک های دوار به صورت مرحله ای عبور می کند بدست می آید . این روش ممکن است به صورت نورد سرد و یا گرم انجام پذیرد. چکش کاری نیز روشی است که در آن قطعه فلزی به کمک ضربات مستمر چکس یا پرس به شکل مورد نظر تبدیل می شود و برای ساختن پرچ و میخ از روش .چکش کاری استفاده می شود . در واقع اکثر قطعات فولادی مورد مصرف در ساختمانها با استفاده از همین روشها شکل می گیرند

اشکال مختلف فولاد

از فولاد در صنعت ساختمان به شکلهای مختلفی استفاده می کنند که از آن جمله می توان به ورق ، تسمه ، اتصالات ، لوله ، پروفیل ، تیرهای فولادی و یا کابل فولادی اشاره کرد . که در مودر کابلهای فولادی باید گفت از مصارف عمده و خاص فولاد می باشد که نحوه تولید آن به این ترتیب است که میله های باریک فولاد نرم شده را از روی دیسکهای روغن کاری شده توسط کربید تنگستن عبور داده و طول آن را تا 10 برابر افزایش می دهند و در عین حال باعث می شود کشش و مقاومت فولاد افزایش و انعطاف پذیری آن کاهش یابد . برای تولید کابلهای فولادی مخصوص سازه های معلق یا بتن فشره یک دسته از کابلها جدا از هم را به هم پیچانده تا یک کلاف درست شود آنگاه یک دسته کلاف را دور یک دسته آهنی می بافند تا یک طناب درست کنند و سپس یک دسته طناب را به هم می بافند تا کابل مناسب .ایجاد کنند

استفاده از فولاد در کارهای اجرایی ساختمان

به طور کلی استفاده از فلزات در ساختمان از اهمیت فراوانی برخوردار است چنانچه از آن در سازه ساختمان ، پوشش ها و تزئینات و یراق آلات استفاده می شود . در مودر کاربرد فولاد در ساختمان در بحث کارهای سنگین می توان به اشکال ورق و لوازم و اتصال مانند پیچ و مهره و پرچ هایی که در کارهای فلزی و اسکلت سازی مصرف می شوند اشاره کرد . همچنین در اینجا باید گفت که قطعات فولادی باید از زنگ زدگی و نواقصی که به مقاومت و یا شکل ظاهری آنها لطمه می زند عاری باشند تیرها و ستونها باید حتی الامکان یکپارچه باشند و از وصله کردن قطعات کوتاه خودداری شود . به کار بردن آهن مصرف شده به طور کلی ممنوع بوده و مگر آنکه در محاسبات به آن توجه شده باشد . اسکلت فلزی را باید توسط ضد زنگ ، رنگ نمود تا مورد محافظت قرار گیرد . ضمن آنکه باید گفت این رنگ زدن در فاصله 5 سانتی متر محل جوش دادن متوقف می شود و پس از جوشکاری رنگ کردن تکمیل می شود . به قطعات فولادی داخل بتن نباید رنگ یا روغن زده شود . باید از مجاورت موادی .مانند گچ و آهک که باعث پوسیدگی فولاد می شود جلوگیری کرد

در استفاده از فولاد در کارهای سبک فلزی مانند در و پنجره ، قابها ، ورقهای محافظ و تزئیناتی باید به این نکات اشاره کرد که در هنگام ساخت و نصب رعایت قائم بودن و افقی بودن قطعات همچنین بدون تاب بودن صفحات حائز اهمیت می باشد . جوشکاری در روی کار قطعات فلزی باید مخفی و یا صاف شده باشد . ساخت چارچوبها و لنگرهای در و پنجره باید به نحوی باشد که به خوبی هوا بندی شده و .آب چکان ها به راحتی آب را از سطح پنجره و نقاط قابل نفوذ دور نمایند

فلز آهن

تاریخچه آهن

علامت Fe و کلماتی مثل Ferrous از کلمه لاتین فروم Ferrum گرفته شده است. واژه فارسی آهن احتمالاً دارای چند ریشه لغوی است؛ این واژه ممکن است از ریشه (ai) واژه‌ سانسکریت آیاس(Ayas) آمده باشد که واژه‌ی لاتین(Aes) به معنای مس نیز از آن مشتق شده است. برخی نیز واژه آهن را مشتق از واژه‌های آیزین(Aisen) آلمانی و آیرون(Iron) انگلیسی می‌دانند. همچنین این واژه ممکن است وابسته به گروهی از واژه‌ها از ریشه آس باشد، مانند آسن(Asan) در سانسکریت به معنای سنگ یا آسمان، شاید این واژه با اندیشه‌های هومری(Homeric) مرتبط باشد که آنها عقیده داشتند که آسمان جامی فلزی است. باستان‌شناسی تاریخ قدیم نشان می‌دهد اولین نشانه‌های استفاده از آهن متعلق به حدود ۴۰۰۰ سال قبل از میلاد یعنی زمان سومری‌ها و مصریان می‌باشد. در آن زمان ابزارهای کوچکی مانند سرنیزه و زیورآلات که از آهن شهاب‌سنگ‌ها به دست آمده بود، مورد استفاده قرار می‌گرفت. از آن جا که شهاب‌سنگ‌ها از آسمان بر روی زمین می‌افتادند، برخی زبان‌شناسان معتقدند که واژه‌ی انگلیسی Iron که با بسیاری از زبان‌های اروپای غربی و شمالی هم ریشه است، از واژه‌ی Etruscan aisar به معنی خدایان گرفته شده است.

تبر آهنی متعلق به ۱۲ قرن قبل از میلاد

 

از ۳۰۰۰ تا ۲۰۰۰ سال قبل از میلاد، تعداد اشیا آهنی ذوب شده(که به دلیل نبود نیکل در آهن حاصل از شهاب‌سنگ‌ها قابل تشخیص است) در بین‌النهرین، ترکیه و مصر افزایش یافت. اما به نظر می‌رسد استفاده از آهن تشریفاتی بوده و آهن جزء فلزات گرانبها به حساب می‌آمده است و حتی قیمت آن از طلا نیز بیشتر بوده است. در Illiad تسلیحات جنگی اکثراً از جنس مفرغ بوده و شمش آهن برای تجارت به کار برده می‌شده است. برخی از منابع بیان می‌کنند ابتدا آهن به صورت آهن اسفنجی و به عنوان یک محصول فرعی برای پالایش مس مورد استفاده قرار می‌گرفت و در آن زمان امکان بازیافت آهن وجود نداشت. طی سال‌های ۱۲۰۰ تا ۱۶۰۰ قبل از میلاد، آهن به طور فزاینده‌ای در خاورمیانه استفاده می‌شد، اما استفاده از مفرغ هنوز هم غالب بود.
دوره‌ی زمانی بین قرن ۱۰ تا ۱۲ قبل از میلاد در خاورمیانه، دوره انتقال ابزار و سلاح‌های مفرغی به آهن بود. به نظر می‌رسد عامل اصلی افزایش استفاده از آهن، کاهش ذخایر قلع بوده و افزایش تکنولوژی آهن‌کاری تاثیر کمتری در آن داشته است. این دوره‌ گذار‌ که در زمان‌های متفاوت در نقاط مختلف دنیا رخ داد، عصر تمدن یا عصر آهن نامیده شد.

درباره عنصرآهن

آهن عنصر شیمیایی فلزی ای با نماد Fe، عدد اتمی ۲۶ و چگالی ۷٫۸۷g/cm3 است، آهن در گروه ۸ و دورهٔ ۴ عناصر است، بنابراین به عنوان فلز واسطه دسته‌بندی شده است. آهن و آلیاژهای آن از رایج‌ترین فلزات و رایج‌ترین مواد فرومغناطیسی در کاربردهای روزمره هستند. آهن دارای سطوح صاف و نقره ای براق مایل به رنگ خاکستری‌ست اما وقتی در هوا با اکسیژن ترکیب می‌شود به رنگ قرمز یا قهوه ای در می آید که به آنها اکسید درای ترکیبات آهن یا زنگ گفته می شود. کریستال‌های خالص آهن نرمه (نرم تر از آلمینیوم) و با اضافه کردن مقدار کمی ناخالصی مانند کربن مقدار قابل توجهی تقویت می شود. 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. Fe56 سنگین‌ترین ایزوتوپ پایدار (تولید شده توسط فرآیند آلفا در نکلئوسنتز استلار) است که با عناصر سنگین‌تر از آهن و نیکل برای تشکیلشان به سوپر نوا احتیاج دارند. آهن فراوان‌ترین عنصر در غول‌های قرمز است، و فراوان‌ترین فلز در شهاب‌سنگ‌ها و در هستهٔ فلزی متراکم در سیاراتی مثل زمین است.

ویژگی‌ها

آهن خالص فلز است، اما به ندرت در این شکل روی سطح زمین یافت می‌شود زیرا در حضور اکسیژن و رطوبت یه آسانی اکسیده می شود. به منظور به دست آوردن فلز آهن، اکسیژن باید از سنگ معدن‌های طبیعی توسط کاهش شیمیایی حذف شود – به طور عمده از سنگ آهن از سنگ Fe2O3 توسط کربن در درجه حرارت بالاست. خواص آهن را می توان با تولید آلیاژ هایی از آن با استفاده از فلزات متنوع گوناگون (و بعضی غیر فلزها به ویژه کربن و سیلیکون) اصلاح نمود و فولادها را ایجاد کرد. هستهٔ اتم‌های آهن دارای تقریبا بالاترین انرژی‌های اتصال در هر نکلئون است و تنها ایزوتوپ Ni62 دارای انرژی بیشتر از آن می باشد. هرچند فراوان‌ترین نوکلیدهای پایدار همان Fe56 می‌باشد، این آهن از طریق همجوشی هسته ای در ستاره‌های شکل گرفته است و اگرچه اندکی انرژی کمتر نیز از طریق سنتز کردن نیکل ۶۲ نیز استخراج می گردد. شرایط در ستارگان برای ایجاد این فرآیند مناسب نیست. توزیع عنصر آهن بر روی زمین بسیار بیشتر از نیکل است و احتمالا در تولید عنصر از طریق سوپر نوا نیز همینطور است. آهن (آهن Fe+2، یون فروس) عنصر ردیابی لازمی‌ست که تقریبا تمام موجودات زنده از آن استفاده می کنند. تنها استثناهای این موضوع چندین موجود زنده ای هستند که در محیط‌های فقیر از نظر آهن زندگی می کنند و به گونه ای تکامل یافته اند که عناصر گوناگونی را در فرآیندهای متابولیکشان مورد استفاده قرار دهند مثل منگنز به جای آهن برای تجزیه و یا هموسیانین به جای هموگلوبین. آنزیم‌های حاوی آهن معمولاً دارای گروه‌های هموپروستاتیک هستند که در تجزیهٔ واکنش‌های اکسیداسیون در زیست‌شناسی و در انتقال تعدادی از گازهای حل شدنی شرکت می کنند.

خواص مکانیکی

خواص مکانیکی و آلیاژهای آن با استفاده از آزمون‌های گوناگون مانند آزمون برنیل، راکول یا آزمایش‌های مقاومت کششی ارزیابی می‌شود، نتایج این قسمت‌ها به گونه ای با یکدیگر سازگارند که قسمت‌های آهن اغلب برای مرتبط نمودن نتایج یک تست با تست دیگر به کار می رود. اندازه گیری‌ها نشان می دهد که خواص مکانیکی آهن عمدتا بستگی به خلوص دارد به گونه ای که خالص‌ترین کریستال‌های تک آهن که برای مقاصد تحقیقاتی تولید شده اند از آلمینیوم نرم ترند، افزودن تنها ۱۰ قسمت در میلیون کربن مقاومتش را دو برابر می کند. سختی نیز به سرعت با افزایش مقدار کربن تا ۰/۲% و اشباع شده تقریبا در ۰/۶% به سرعت افزایش می یابد. خالص‌ترین آهن تولید شدهٔ صنعتی (تقریبا ۹۹/۹۹% خلوص) دارای سختی ۲۰-۳۰ برنیل است.

شکل مختلف

آهن شاید بهترین مثال شناخته شده از دگروارگی در یک فلز باشد، سه فرم چند شکلی از آهن وجود دارد که به نام‌های α ، ϒ و δ شناخته می شود همانطور که آهن ذوب شده سرد می‌شود در دمای ۱۵۳۸ درجهٔ سانتی گراد به آلوتروپ δ کریستالیزه می‌شود که دارای یک ساختمان کریستالی مکعبی مرکزی‌ست، همانطور که بیشتر سرد می‌شود ساختمان بلوری یا کریستالی در دمای ۱۳۹۴ درجهٔ سانتی گراد به شکل مکعبی وجه مرکزی تغییر می یابد که به نام آهن ϒ یا استنیت شناخته می‌شود، در دمای ۹۱۲ درجهٔ سانتی گراد ساختمان بلوری یا کریستالی دوباره مکعبی بدنه مرکزی یا آهن α یا فریت می‌شود و در ۷۷۰ درجهٔ سانتی گراد (نقطهٔ کوری ، TC) آهن مغناطیسی می‌شود، هنگامی که آهن از دمای کوری عبور می‌کند تغییری در ساختمان کریستالی وجود ندارد اما در ساختمان حوزه تغییری رخ می دهد ( هر حوزه شامل اتم‌های آهن با یک اسپین الکترونیک خاص می باشد). در آهن غیر مغناطیسی شده همهٔ اسپین‌های الکترونیک اتم هادر یک حوزه در یک جهت قرار دارند هرچند در حوزهٔ مجاور آنها جهات متفاون و گوناگونی دارد و لذا یکدیگر را خنثی می کنند، در آهن مغناطیسی اسپین‌های الکترونیک همهٔ حوزه‌ها همجهت شده اند لذا اثرات مغناطیسی حوزه‌های مجاور همدیگر را تقویت می کنند اگر چه هر حوزه شامل بیلیون‌ها اتم است ولی آنها خیلی کوچک و در حدود ۱۰ میکرون می باشند. آهن وقتی با بعضی فلزات خاص دیگر و کربن مخلوط می‌شود تا فولاد را ایجاد نماید دارای بیشترین اهمیت خواهد بود، انواع مختلفی از فولاد وجود دارد که درای خواص متفاوتی می باشند و درک خواص آلوتروپ‌های آهن کلید ساخت فولاد هایی با کیفیت خوب می باشد. آهن α یا همان فریت پایدارترین شکل آهن در دمای اتاق است. این آهن فلز نسبتا نرمی‌ست که دارای مقدار کمی کرین ( نه بیش از ۰/۰۲۱% از جرم در ۹۱۰ درجهٔ سانتی گراد) می باشد. در دماهای بالای ۹۱۲ درجهٔ سانتی گراد و تا ۱۴۰۰ درجهٔ سانتی گراد آهن α یک انتقال فاز از حالت مکعب بدن مرکزی به حالت مکعب وجه مرکزی یعنی آهن ϒ را که استانیت نیز نامیده می‌شود تجربه می کند. این آهن نیز نرم است اما می تواند مقدار بسیار بیشتری کربن (به میزان ۲/۴% جرمی در دمای ۱۱۴۶ درجهٔ سانتی گراد) داشته باشد، این شکل آهن در فولاد ضد زنگ که برای ساختن کارد و چنگال، تجهیزات بیمارستان‌ها و صنایع غذایی به کار می رود استفاده می شود.

پیدایش

آهن ششمین عنصر از لحاظ فراوانی در جهان است که در آخرین کنش نکلئوسنتز در ستاره‌های بزرگ از طریق سیلیکون فیوزینگ ایجاد می‌شود در حالی که آهن حدود ۵% از پوستهٔ زمین را تشکیل می دهد، اعتقاد بر این است که هستهٔ زمین در حد زیادی از یک آلیاژ آهن-نیکل تشکیل شده است که ۳۵% جرم کل زمین را تشکیل می دهد، بنابر این آهن فراوانترین عنصر روی زمین است ولی در پوستهٔ زمین چهارمین عنصر از لحاظ فراوانی می باشد. بیشتر آهن پوسته به شکل ترکیبی با اکسیژن به صورت سنگ‌های معدنی اکسید آهن مثل هماتیت و مگنتیت یافت می شود. حدود یکی از بیست شهاب سنگ تنها از مواد معدنی آهن-نیکل تائنیت (۳۵-۸۰% آهن) و کاماسیت (۹۰-۹۵% آهن) تشکیل شده اند. اگر چه نادر، شهاب سنگ‌های آهنی بیشترین شکل آهن فلزی طبیعی در سطح زمین می باشند. تصور بر این است که رنگ قرمز سطح مریخ ناشی از رگولیت غنی اکسید آهن است.

تاریخچه

اولین آهن شکل گرفته که توسط نوع بشر در دورهٔ پیش از تاریخ مصرف شد از شهاب سنگ‌ها آمده بود. ذوب آهن در کوره‌ها در هزارهٔ دوم پیش از میلاد شروع شد، آثار مکشوفه از آهن ذوب شده از ۱۲۰۰-۱۸۰۰ پیش از میلاد در هند و در مشرق از حدود ۱۵۰۰ پیش از میلاد بدست آمد (که گمان می رود ناشی از ذوب آهن در آناتولی یا قفقاز بوده است). چدن برای اولین بار در حدود ۵۵۰ پیش از میلاد در چین تولید شد اما در اروپا تا سال‌های قرون وسطا تولید نشد، در طول دوران قرون وسطا ابزاری در اروپا کشف شد که از آهن شکل یافته از چدن (pig Iron) با استفاده از ریخته گری زیور آلات تولید شده بودند، برای تمام این فرآیندها از ذغال چوب به عنوان سوخت استفاده شد. فولاد (که با کربن کمتر از pig Iron است اما آهن شکل یافته بیشتری دارد) اولین بار در دوران باستان تولید شد. روش‌های تازهٔ تولید آن به وسیلهٔ میله‌های کربنیزه کردن آهن در فرآیند سیمانی کردن در قرن هفدهم بعد از میلاد ابداع شد. در انقلاب صنعتی روش‌های جدید تولید آهن بدون ذغال چوب ابداع شد و این روش‌ها بعداً در تولید فولاد مورد استفاده قرار گرفتند . در اواخر دههٔ ۱۸۵۰، هنری بسمر فرآیند جدیدی برای ساخت فولاد اختراع کرد که شامل دمیدن هوا از روی چدن مذاب برای تولید فولاد نرم بود. این فرآیند و دیگر فرآیندهای ابداع شده در قرن ۱۹ و بعد از آن منجر یه آن شد که دیگر آهن شکل یافته تولید نشود.

کانی‌ها

آهن در اغلب رسها، ماسه‌سنگها و گرانیت‌ها وجود دارد. در میان کانه‌های مهم آن می‌توان از هماتیت، مگنتیت، پیریت و کالکوپیریت را نام برد.

خواص فلزات آهنی

در این پست با خواص فلزات آهنی آشنا خواهید شد

مواد فلزات آهنی

فلزات عناصر شیمیایی مانند آهن، طلا یا آلومینیوم هستند که با حل شدن در محلول اسیدی خالص حامل بار مثبت می‏شوند و در هسته الکتریکی به سوی قطب منفی حرکت می‏کنند. بیشتر فلزات رساناهای خوبی برای گرما و الکتریسیته و عموماً سخت، سنگین و مقاوم هستند.

فلزات آهنی

در ساختمان فلزات آهنی عنصر آهن وجود دارد. ماشینکاران دیر زمانی است که با خاصیت های مفید آهن سروکار دارند.

آهن:

آهن خالص ( فریت ) عنصری نسبتاً نرم با ساختمان بلورین است. آهن خالص در ۱۵۲۷ درجه سانتیگراد به حالت جامد درمی‏آید و دما در طی زمان کوتاهی که بستگی به نرخ انجماد و جرم فلز دارد در این حد ثابت می‏ماند. سپس دما به ۸۹۸ درجه کاهش می‏یابد و در این حالت نیز وقفه دیگری در کاهش دما پیش می‏آید. با سرد شدن بیشتر تا ۷۶۹ درجه باز هم دما برای زمان کوتاهی ثابت می‏ماند. با کاستن دما از ۷۶۹ درجه سانتی گراد تا دمای محیط توقف دیگری در افت دما پیش نمی‏آید.

با سرد شدن آهن خالص تغییرات معینی در آن روی می‏دهد. آهن خالص چهار فاز جامد با خصوصیات فیزیکی متفاوت دارد.

فازهای آهن خالص عبارتند از:

 آهن آلفا:

این آهن نرم و مغناطیسی است و حلال کربن نیست. آهن آلفا در حد فاصل میان دمای محیط و ۷۶۹ درجه سانتی گراد پدید می‏آید.

 آهن بتا:

این فاز آهن در دماهای بالا دارای خاصیت مغناطیسی ضعیفی است ولی در دماهای پایین خاصیت مغناطیسی ندارد. به شدت سخت و شکننده است و تقریباً اثری بر کربن ندارد. آهن بتا بین ۷۶۹ تا ۸۹۸ درجه سانتیگراد به وجود می‏آید.

 آهن گاما:

در این فاز آهن آماده حل کردن کربن است و حلالیت آن با افزایش دما بیشتر می‏شود. اگر سرد شدن آهن گاما همراه با عبور سریع از نقطه بحرانی باشد گذار آن از آهن گامای سخت به آهن آلفای نرم به تعویق می‏افتد. بنابراین در این حالت آهن از نظر سختی ناپایدار و آماده تبدیل به فاز نرم آلفاست.

به نظر می‏رسد وجود مواد خارجی مانند کربن، نیکل و منگنز مقاومت آهن گاما را نسبت به تبدیل شدن به آهن آلفا افزایش می‏دهد و به این ترتیب آهن گاما در دماهای پایین مقاومتر و پایدارتر خواهد بود.

از طرف دیگر وجود کرم، تنگستن، آلومینیوم، سیلیکون، فسفر، آرسنیک و گوگرد، گذار آهن سخت بتا به آهن نرم آلفا را ساده می‏کند. از نظر سختی آهن گاما در میان آهن آلفا و آهن بتا قرار دارد. آهن گاما در حد فاصل دماهای ۸۹۸ و ۱۴۰۱ درجه سانتیگراد تشکیل می‏شود.

 آهن دلتا:

این گونه آهن کاربرد بسیار کمی دارد. آزاد شدن حرارت در ۱۴۰۱ درجه سانتیگراد نشانه تغییر ساختمان داخلی فلز در گذار از فاز دلتا به فاز گاماست. نقطه بحرانی در ۱۴۰۱ درجه آشکار می‏شود و بنابراین در بالا و پایین نقطه بحرانی فازهای مختلف آهن تشکیل می‏شوند. آهن دلتا در حد فاصل دماهای ۱۴۰۱ و ۱۵۲۸ درجه سانتیگراد به وجود می‏آید.

آهن خام:

ترکیبی از آهن، کربن و سیلیکون، گوگرد، فسفر و منگنز است. مقدار کربن موجود در آهن خام ۲ تا ۵/۴ درصد است که به دو صورت شکل می‏گیرد، بخشی به صورت محلول یا ترکیبی و بخش دیگر در سراسر جرم فلز به شکل گرافیت یا کربن غیرترکیبی پخش می‏شود.

چدن:

چدن با فشار شکل نمی‏گیرد و با نورد و کشش به شکلهای مفید درنمی‏آید. این آهن در واقع آهن خام است که دوباره ذوب شده است. مقدار کربن موجود در چدن بیش از ۲ درصدی است که به این ترتیب فلز چدن در هیچ دمایی چکشخوار نیست. چدن در صنایع ریخته‏گری کاربرد فراوان دارد و دارای چهار نوع است:

 چدن خاکستری:

این نوع چدن در ریخته‏گری معمولی بیشترین کاربرد را دارد. این چدنِ نرم دارای درصد بالایی از گرافیت است که موجب سفتی و از سوی دیگر مقاومت کششی اندک آن می‏شود. چدن خاکستری در هنگام شکست با دانه‏بندی درشت به رنگ تیره یا خاکستری می‏گسلد. این رنگ ناشی از ورقه‏های پهن گرافیت است که در سراسر ماده پخش شده‏اند. اگر ورقه‏های گرافیت بزرگ و فراوان باشند مقاومت کششی چدن اندک است. اندازه و مقدار ورقه‏های گرافیت از چگونگی شکل‏گیری آنها در هنگام انجماد تأثیر می‏پذیرد. اگر سرعت انجماد زیاد باشد کربن کمتری به شکل گرافیت جدا می‏شود. بنابراین سختی ماده بر اثر افزایش میزان کربن ترکیبی زیاد می‏شود. چدن خاکستری دارای ۵/۲ تا ۵/۳ درصد کربن است.

 چدن سفید:

آهن با درصد کربن کم (۲ تا ۵/۲ درصد) آهن سفید نامیده می‏شود. این آهن در تمام طول ریخته‏گری کربن ترکیبی خود را کاملاً حفظ می‏کند و بنابراین گرافیت تشکیل نمی‏شود. در نتیجه آهن حاصل از ریخته‏گری بسیار سخت و شکننده خواهد بود. از آهن سفید هنگامی برای ساخت قطعات ماشین استفاده می‏شود که مطلوب، سختی باشد و شکنندگی مسأله‏ای ایجاد نکند.

اگر گرافیت هم کم‏وبیش تشکیل شود لخته‏های تیره‏ای در آهن سفید مشاهده خواهد شد و در این مناطق سختی کاهش می‏یابد. این آهن، چدن خالدار نامیده می‏شود.

 چدن چکشخوار:

برای ساخت قطعات پیچیده دستگاه ها و در مواردی که نرمش ماده ضرورت داشته باشد از چدن چکشخوار بیش از گونه‏های دیگر استفاده می‏شود. قطعات ریختگی ساخته شده از چدن چکشخوار را می‏توان در محدوده تحمل این ماده بدون ایجاد شکستگی خم کرد.

قطعات ریختگی از چدن سفید سخت و شکننده ساخته می‏شوند و پس از فرایند تافتن تبدیل به چدن چکشخوار می‏شوند. در فرایند تافتن کربن اضافی بر اثر عملیات حرارتی طولانی در دمای ۸۹۹ درجه سانتی گراد حذف می‏شود. با گذشت چند ساعت کربن گرافیتی جذب و چدن به گونه‏ای فولاد تبدیل می‏شود.

 آهن چکشخوار:

بنابر تعریف این ماده نوعی فولاد کم کربن است که مقدار زیادی سرباره دارد. آهن چکشخوار از نظر روش ساخت با فولاد فرق دارد و فرق آن در این است که هنگام تولید کاملاً ذوب نمی‏شود. این آهن دارای ۱ تا ۲ درصد سرباره است. برای تولید آهن چکشخوار از آهن سفید استفاده می‏شود و ناخالصی ها در فرایند همزنی حذف می‏شوند.

با وجود گوگرد آهن چکشخوار شکننده و بر اثر حرارت سرخ‏شکن می‏شود. فسفر در دمای معمولی موجب سردشکنندگی آهن می‏شود. آهن چکشخوار در ۸۷۰ درجه سانتی گراد نرم و قابل جوشکاری است و در دماهای پایینتر نیز همچنان امکان چکش‏کاری آن وجود دارد.

تاریخچه آهن

  علامت Fe و کلماتی مثل Ferrous از کلمه لاتین فروم Ferrum گرفته شده است. واژه فارسی آهن احتمالاً دارای چند ریشه لغوی است؛ این واژه ممکن است از ریشه (ai) واژه‌ سانسکریت آیاس(Ayas) آمده باشد که واژه‌ی لاتین(Aes) به معنای مس نیز از آن مشتق شده است. برخی نیز واژه آهن را مشتق از واژه‌های آیزین(Aisen) آلمانی و آیرون(Iron) انگلیسی می‌دانند. همچنین این واژه ممکن است وابسته به گروهی از واژه‌ها از ریشه آس باشد، مانند آسن(Asan) در سانسکریت به معنای سنگ یا آسمان، شاید این واژه با اندیشه‌های هومری(Homeric) مرتبط باشد که آنها عقیده داشتند که آسمان جامی فلزی است. باستان‌شناسی تاریخ قدیم نشان می‌دهد اولین نشانه‌های استفاده از آهن متعلق به حدود 4000 سال قبل از میلاد یعنی زمان سومری‌ها و مصریان می‌باشد. در آن زمان ابزارهای کوچکی مانند سرنیزه و زیورآلات که از آهن شهاب‌سنگ‌ها به دست آمده بود، مورد استفاده قرار می‌گرفت. از آن جا که شهاب‌سنگ‌ها از آسمان بر روی زمین می‌افتادند، برخی زبان‌شناسان معتقدند که واژه‌ی انگلیسی Iron که با بسیاری از زبان‌های اروپای غربی و شمالی هم ریشه است، از واژه‌ی Etruscan aisar به معنی خدایان گرفته شده است.

تبر آهنی متعلق به 12 قرن قبل از میلاد

    * از 3000 تا 2000 سال قبل از میلاد، تعداد اشیا آهنی ذوب شده(که به دلیل نبود نیکل در آهن حاصل از شهاب‌سنگ‌ها قابل تشخیص است) در بین‌النهرین، ترکیه و مصر افزایش یافت. اما به نظر می‌رسد استفاده از آهن تشریفاتی بوده و آهن جزء فلزات گرانبها به حساب می‌آمده است و حتی قیمت آن از طلا نیز بیشتر بوده است. در Illiad تسلیحات جنگی اکثراً از جنس مفرغ بوده و شمش آهن برای تجارت به کار برده می‌شده است. برخی از منابع بیان می‌کنند ابتدا آهن به صورت آهن اسفنجی و به عنوان یک محصول فرعی برای پالایش مس مورد استفاده قرار می‌گرفت و در آن زمان امکان بازیافت آهن وجود نداشت. طی سال‌های 1200 تا 1600 قبل از میلاد، آهن به طور فزاینده‌ای در خاورمیانه استفاده می‌شد، اما استفاده از مفرغ هنوز هم غالب بود.
   دوره‌ی زمانی بین قرن 10 تا 12 قبل از میلاد در خاورمیانه، دوره انتقال ابزار و سلاح‌های مفرغی به آهن بود. به نظر می‌رسد عامل اصلی افزایش استفاده از آهن، کاهش ذخایر قلع بوده و افزایش تکنولوژی آهن‌کاری تاثیر کمتری در آن داشته است. این دوره‌ گذار‌ که در زمان‌های متفاوت در نقاط مختلف دنیا رخ داد، عصر تمدن یا عصر آهن نامیده شد.

*  همزمان با مرحله‌ گذار از مفرغ به آهن، carburization که فرآیند اضافه کردن کربن به آهن است کشف شد. در این زمان آهن بیشتر به شکل آهن اسفنجی مورد استفاده قرار می‌گرفت. آهن اسفنجی ترکیبی از آهن و سرباره بود که همراه با مقداری کربن و کربور طی چندین مرحله چکش می‌خورد تا سرباره و اکسید کربن از آن آزاد شود و آهن کار شده(فرفورژه) تولید گردد. آهن کار شده مقدار کمی کربن داشت و در هنگام سرد شدن به آسانی سخت نمی‌شد. مردم خاورمیانه متوجه شدند که یک محصول سخت‌ با حرارت دادن طولانی مدت آهن کار شده در درون زغال چوب(که در آب یا روغن سرد می‌شد)، حاصل می‌گردد. محصول نهایی که پوششی از فولاد داشت سخت‌تر بود و خاصیت شکنندگی کمتری نسبت به مفرغ داشت.

   * در کشور چین در ابتدا آهن شهاب‌سنگ‌ها استفاده می‌شد و با توجه به شواهد باستان‌شناسی ابزارهایی از جنس آهن کار شده در شمال غرب چین در نزدیکی Xinjiang پیدا شده است که متعلق به قرن 8 قبل از میلاد است. آهن کار شده در این منطقه به وسیله‌ همان فرآیندی که در خاورمیانه و اروپا تولید می‌شد، ساخته شده است و به نظر می‌رسد توسط غیر چینی‌ها به این کشور وارد شده است.
   اگر در دماهای 1420 تا 1470 درجه‌ی کلوین، آهن همراه با کربن حرارت داده شود، ماده‌ مذاب یک آلیاژ با حدود 95% آهن و 5/3% کربن، شکل می‌گیرد. این محصول قوی بود و به اشکال مختلف قالب‌گیری می‌شد، اما در هنگام کار کردن به شدت شکننده بود. اگر این محصول کربن‌گیری می‌شد و کلیه‌ کربن خود را از دست می‌داد از شکنندگی کمتری برخوردار بود. از زمان سلسله Zhou اکثر آهنی که در چین ساخته شد از نوع چدن بود. مدت زمان طولانی آهن در این کشور به صورت یک محصول فرعی و حاشیه‌ای توسط کشاورزان مورد استفاده قرار می‌گرفت و تا زمان سلسله‌ی Qin(حدود 221 قبل از میلاد) مورد توجه اشراف چین واقع نشد.

 * فردوسی شناختن آهن و صنعت آن را در شاهنامه به ایرانیان نسبت می‌دهد ولی تحقیقات تاریخی دقیق‌تر نشان می‌دهد که صنعت ذوب آهن برای اولین بار به وسیله هیتیت‌ها(Hiytites)، قومی که در حدود 15 قرن قبل از میلاد مسیح در آسیای صغیر زندگی می‌کردند، شروع شده و به خاطر اهمیت زیادی که داشت تا 1200 سال قبل از میلاد که مقارن با سقوط امپراطوری هیتاتیت است، نحوه‌ این عمل به صورت رازی محفوظ نگه داشته شد. در همان زمان، دانش ذوب و تصفیه‌ آهن از حالت راز خارج و همگانی شد و به دنبال آن عصر آهن شروع گردید(Greenwood and Earnshaw, 1985) و ایرانیان این صنعت را از آنها اقتباس کرده، با تغییراتی که در نحوه تهیه آهن و فولاد وارد کردند بر سهولت کاربرد آن افزودند. به این ترتیب می‌توان گفت ایران یکی از قدیمی‌ترین کشور‌های است که در آهن در آن مورد استفاده قرار می‌گرفته است.

 *   خود فلز آهن مدت‌ها قبل از آن تاریخ به وسیله مصریان شناخته شده بود ولی این فلز در آن روزگار به اندازه‌ای نایاب و گران بود که آن را در ردیف اشیاء قیمتی قرار می‌دادند. مثلاً‌ به طوری‌ که از نوشته‌ها بر می‌آید در شهر بابل در سال 2000 قبل از میلاد در دوره سلطنت حمورابی قیمت آهن هشت برابر قیمت نقره بوده است. علت عمده این وضع مشکلات تهیه آهن بوده است(آسایش،1374).
   در زمان‌های گذشته تولید آهن در کوره‌های حفره‌دار، چال‌های کوچک که از گل یا پاره‌سنگ ساخته می‌شد، انجام می‌گرفت. این کوره‌ها را آتش فرار یا کوره‌های فرار می‌نامیدند. چون سنگ معدن در داخل آن نسبتاً ذوب می‌شد و از هم می‌پاشید. در این کوره‌ها نخست مواد خالص را از سنگ‌آهن جدا و آن را شستشو می‌دادند و سپس سنگ معدن‌هایی خالص را با زغال چوب ترکیب و با دمیدن باد توسط دستگاه‌های کوچک دستی آن را ذوب می‌کردند. بعد از این مرحله، کلوخه‌های آهن که قابلیت چکش‌خواری داشتند، بدست می‌آمد. به خاطر تولید آهن با خلوص بیشتر، این کلوخه‌ها را چندین بار حرارت داده و به وسیله‌ آهنگری سرباره‌ آن را جدا می‌کردند. بلافاصله بعد از جدا کردن سرباره، وسایل مورد نیاز از قبیل اسلحه و وسایل منزل می‌ساختند.
* مدت‌ها بعد که دستگاه‌های دم به وسیله‌ نیروهای مولد آب به کار افتاد، توانست کوره‌های فرار را بلندتر سازد و با مقادیر بیشتری سنگ معدن و زغال چوب آن را پر کند. این کوره‌های بزرگ، کوره‌های قطعه‌ای نامیده می‌شد. در منطقه‌ی "زیگرلند" آثار تولید آهن تا سال‌های قبل از میلاد یافت می‌شد و کوره‌ بلند که تحول یافته‌ کوره‌های قطعه‌ای بود، برای نخستین بار در این منطقه شروع به کار کرد. در اواسط قرن 18 میلادی برای نخستین بار در انگلستان توانستند در کوره‌های بلند به جای زغال چوب از زغال سنگ(کک) استفاده کنند. استفاده از کک به عنوان یک عامل احیاء کننده قوی را می‌توان یکی از فاکتورهای مهم آغاز انقلاب صنعتی به شمار آورد(انوری،1372). با پیشرفت تکنولوژی ساخت آهن کوره‌‌های احیای آهن جایگزین کوره‌های ذوب ساده شدند و تولید چدن با مصرف منابع متعدد آهن و زغال‌های کک‌شو آغاز گردید. توسعه این صنعت باعث شد که تبدیل چدن به فولاد ممکن شود. قرن 19 چگونگی تولید فولاد با کیفیت بالا شناخته شد. فولادهای ضدزنگ کربن بالا، فولادهای مقاوم در مقابل اسید به صورت آلیاژهای مخصوص با اضافه شدن فلزاتی نظیر منگنز، کروم، تیتانیم، وانادیوم، نیکل، کبالت، بر، تنگستن، مولیبدن، نیوبیوم و تانتالیم تولید شد.

کوره‌های فرار

 *   مصرف فلزات آهنی به سرعت رشد نمود به طوری‌که این میزان در قرن بیستم 5000 قرن شانزدهم بود. در سالهای 1900 تا 1930 میلادی روش‌های آزمایشگاهی متعددی برای احیاء مستقیم سنگ آهن ابداع شد. در سال‌های 1932-1935 تولید آهن اسفنجی به روش کروپ ابداع شد. در این روش از مخلوط سنگ آهن با نرمه کک در کوره دوار آهن اسفنجی تولید می‌شود. کشورهای آلمان، لهستان، چکسلواکی سابق، ژاپن و کره تا سال 1955 با این روش آهن اسفنجی تولید می‌کردند. ابداع روش‌های احیاء مستقیم، زغال سنگ، کک و گاز طبیعی و عامل تامین کننده حرارت علاوه بر موارد فوق، انرژی الکتریکی بوده است.

  *  در سال 1999 مجموع وزن آهن و فولاد مصرفی در ماشین‌ها، تجهیزات کارهای ساختمانی خصوصاً حمل و نقل، وسایل خانگی در حدود 6 میلیارد تن می‌باشد. ذخایر قطعی کانسنگ ‌آهن در جهان 185 میلیارد تن است و مجموع ذخایر تخمین زده شده آهن در جهان به 350 میلیارد تن می‌رسد. حدود یک سوم از کل پتانسیل ذخایر جهانی آهن در کشور روسیه قرار دارد. بیش از 50 کشور در دنیا تولیدکننده سنگ معدنی آهن هستند و معادن خاصی را در اختیار دارند. کشور روسیه پیشرو دیگر کشورها در امر تولید کانسنگ‌آهن با تولید سالانه 245 میلیون تن است. برزیل و استرالیا هر کدام در حدود 100 میلیون تن، آمریکا، کانادا، فرانسه و هند هر کدام سالانه 30 تا 70 میلیون تن سنگ‌ آهن تولید می‌کنند. میانگین قیمت کانسنگ تجارتی با 64 درصد آهن در حدود 20 دلار آمریکایی برای هر تن می‌باشد.
   تولید چدن از کانسنگ‌آهن با عیار بالای 30 تا 50 درصد با حداقل ناخالصی‌های مضر شامل گوگرد تا حداکثر 3/0 درصد، فسفر حداکثر 2/0 درصد، روی، سرب، آرسنیک و مس هر کدام زیر 1/0 درصد صورت می‌گیرد.

  *  پیشینه‌ صنعت فلزکاری و شناخت فلزات در ایران به هزاره‌ چهارم پیش از میلاد می‌رسد. با این که شناخت آهن در ایران باستان قدمت دارد، این فلز تا 1000 سال پیش از میلاد چندان مورد استفاده نبوده است. با روی آوردن آریائیان به ایران در اوایل هزاره‌ اول پیش از میلاد کاربرد آهن افزایش یافت. در حفاری‌ها و کاوش‌های باستان‌شناسان، کوره‌هایی ویژه‌ ذوب آهن در "قره‌داغ" و نزدیکی تبریز یافت شده است و به نظر می‌رسد در اعصار گذشته تعدادی کانسار آهن در کوه‌های البرز و نیز در اطراف کرمان(معادن گل‌گهر) شناخته شده بود.
   گمان می‌رود ایرانیان در دوره هخامنشی در ساختن فولاد و در به کار بردن آهن و فولاد مهارت داشته‌اند و می‌دانستند آهن در برابر هوا و نم زنگ می‌زند و به همین دلیل آن را برای جلوگیری از زنگ زد‌گی قیر اندود می‌کردند. ساختمان‌های این دوره‌ مثل پاسارگارد، تخت جمشید و شوش در قسمت پایه‌ها، ستون‌ها و سردرها از سنگ ساخته شده است. این سنگ‌های بزرگ تراش داده شده بوسیله‌ ملات به هم متصل شده و با بست‌های آهنی یا چوبی به یکدیگر پیوند یافته اند.

* در دوران قاجار، امیرکبیر به استخراج معادن، ایجاد کارخانه‌های مختلف، استخدام استادان فنی خارجی و فرستادن صنعت‌کاران به روسیه،‌ خرید کارخانه از کشورهای غربی و حمایت از محصولات داخلی توجه خاص داشت. او نخست به معادن پرداخت و در آن زمان اداره‌ امور معادن را طبق فرمانی تاسیس کرد. ناپلئون به عنوان هدیه تاجگذاری ناصرالدین شاه، سه دستگاه کوره ذوب فلز به ایران فرستاد. این کوره‌ها نقش مهمی در راه اندازی صنایع جدید داشت.
   نخستین کارخانه‌های ایران مانند چدن ریزی، فلزکاری و دیگر صنایع کوچک برای اولین بار در تاریخ کشور ایران در دوران صدارت امیرکبیر گشایش یافت.
 
*  اولین قدم در مسیر اسقرار صنعت ذوب آهن در ایران در سال 1886 میلادی توسط حاج محمد حسن امین الضرب صورت گرفت که به علت وضعیت سیاسی آن روزگار موفق نگردید. در سال‌های 1305 تا 1338 نیز اقداماتی برای تاسیس ذوب آهن در ایران شد که همگی با شکست مواجه شد تا این که در سال 1344 یک موافقت نامه همکاری فنی-اقتصادی بین ایران و شوروی ‌سابق در مورد تاسیس کارخانه ذوب آهن اصفهان امضاء شد. اولین شمش چدن تولیدی کارخانه در دی ماه 1351 تحویل گرفته شد(آسایش،1374). امروزه در ایران ده‌ها معدن آهن کشف شده که بعضی از آن‌ها در حال استخراج می‌باشد. تولید سالانه‌ سنگ آهن در ایران بالغ بر 5 میلیون تن است که عمدتاً در صنایع آهن و فولادسازی، ساخت ماشین‌ها، تجهیزات، حمل‌و‌نقل، اسکلت ساختمان‌ها و تهیه‌ سیمان به کار می‌رود.
  

  *  حجم عظیمی از ذخایر ارزشمند آهن که امروزه آن را بیش از یک میلیارد تن برآورد می‌کنند در پهنه‌ای از ایران مرکزی جای گرفته که همچون نواری شمالی – جنوبی از کانسارهای آهن از رباط پشت‌بادام تا زرند کرمان امتداد یافته است.
   سالیان درازی است که پژوهندگان به چگونگی پیدایش این حجم از آهن به طور کلی و منطقه‌ای پرداخته‌اند و حاصل آن نظرات گوناگونی است که از آن‌ها به جا مانده و متاسفانه یک اتفاق‌نظر کلی حاصل نشده است. گروهی بر پدیده دگرنهادی تکیه دارند و عده‌ای بر ماگمای آهنی پای می‌فشارند و چند نفری معتقد به دگرگونی می‌باشند.

آهن: Fe    Ferrum                                                                                      

خواص فیزیکی و شیمیایی

·        عدد اتمی: 26

·         جرم اتمی: 55.845 amu

·         نقطه ذوب: 1535.0 °C (1808.15 K, 2795.0 °F)

·         نقطه جوش: 2750.0 °C (3023.15 K, 4982.0 °F)

·         شعاع اتمی: 140 (156)

·         رنگ: فلزی درخشان با ته مایه خاکستری

·         حالت استاندارد: جامد (فرومغناطیس)

·         نام گروه: فلز انتقالی

·         انرژی یونیزاسیون: 762.5 kJ/mol

·         الکترونگاتیوی: 1.83 «

·         حالت اکسیداسیون:  2,3,4,6

·         دانسیته: 7.86 g/cm³

·         گرمای تبخیر: 349.6 kJ/mol    

·         گرمای ویژه: 440 J/«kg*K)

کاربردهــــــــــا

کاربرد آهن از تمامی فلزات بیشتر است و 95 درصد فلزات تولید شده در سراسر جهان را تشکیل می‌دهد. قیمت ارزان و مقاومت بالای ترکیب آن استفاده از آنرا بخصوص در اتومبیلها ، بدنه کشتی‌های بزرگ و ساختمانها اجتناب ناپذیر می‌کند. فولاد معروف‌ترین آلیاژ آهن است و تعدادی از گونه‌های آهن به شرح زیر می‌باشد:

• آهن خام که دارای 5%-4% کربن و مقادیر متفاوتی ناخالصی از قبیل گوگرد ، سیلیکون و فسفر است و اهمیت آن فقط به این علت است که در مرحله میانی مسیر سنگ آهن تا چدن و فولاد قرار دارد.

• چدن ، شامل 5/3%-2% کربن و مقدار کمی منگنز می‌باشد. ناخالصی‌های موجود در آهن خام مثل گوگرد و فسفر که خصوصیات آنرا تحت تاثیر منفی قرار می‌دهد، در چدن تا حد قابل قبولی کاهش می‌یابند. نقطه ذوب چدن بین k 1470-1420 می‌باشد که از هر دو ترکیب اصلی آن کمتر است و آنرا به اولین محصول ذوب شده پس از گرم شدن همزمان کربن و آهن تبدیل می‌کند. چدن بسیار محکم ، سخت و شکننده می‌باشد. چدن مورد استفاده حتی چدن گرمای سفید موجب شکستن اجسام می‌شود.

• فولاد کربن شامل 5/1% - 5/0% کربن و مقادیر کم منگنز ، گوگرد ، فسفر و سیلیکون است.

• آهن ورزیده ( آهن نرم) دارای کمتر از 5/0% کربن می‌باشد و محصولی محکم و چکش‌خوار است، اما به اندازه آهن خام گدازپذیر نیست. حاوی مقادیر بسیار کمی کربن است ( چند دهم درصد). اگر یک لبه آن تیز شود، به‌سرعت تیزی خود را از دست می‌دهد.

• فولادهای آلیاژ حاوی مقادیر متفاوتی کربن بعلاوه فلزات دیگر مانند کروم ، وانادیم ، مولیبدن ، نیکل ، تنگستن و ... می‌باشد.

• اکسیدهای آهن برای ساخت ذخیره مغناطیسی در کامپیوتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. آنها اغلب با ترکیبات دیگری مخلوط شده و خصوصیات مغناطیسی خود را بصورت محلول هم حفظ می‌کنند.

ترکیبات

معمولترین حالات اکسیداسیون آهن عبارتند از:

• حالت فروس Fe²⁺

• حالت فریک Fe³⁺

• حالت فریل Fe⁴⁺ که با تعدادی آنزیم ( مثلا" پیروکسیدازها ) پایدار شده است.

• آهن ( VI) هم معروف است (اگرچه کمیاب می‌باشد). درصورتیکه به شکل فرات پتاسیم باشد، ( K₂FeO ) یک اکسید کننده انتخابی برای الکلهای نوع اول می‌باشد. این ماده جامد فقط در شرائط خلاء و ارغوانی تیره پایدار است، هم به صورت محلول سوزآور و هم بصورت یک ماده جامد.

• کاربید آهن Fe₃C به نام سمنتیت معروف است.

مصرف بیش از حد آهن خوراکی ایجاد مسمومیت می‌کند، چون مقدار زیاد آهن فروس با پروکسیدهای بدن واکنش کرده ، تولید بنیانهای آزاد می‌کند. وقتی مقدار آهن در بدن طبیعی است، مکانیسمهای ضد اکسیداسیون خود بدن قادر به. اگر مقدار آهن بیش از نرمال باشد، مقادیر غیرقابل کنترل بنیانهای آزاد بوجود می‌آید. کنترل این فرآیند می‌باشد

مقدار کشنده آهن برای یک کودک 2 ساله تقریبا" 3 گرم بوده و یک گرم آن مسمومیت جدی در پی خواهد داشت. گزارشهایی مبنی بر مسمومیت کودکان در اثر مصرف 10 تا 50 عدد قرص سولفات آهن در کوتاه مدت وجود دارد.مصرف بیش از حد آهن بر اثر خوردن غیر عمدی داروها عامل جدی مرگ و میر در کودکان است. افزایش غیرقابل کنترل آهن در بدن ، موجب بروز بیماری به نام hemochromatosis می‌گردد. آهن اضافی در کبد جمع شده ، موجب بیماری آهن زدگی siderosis و آسیبهای عضوی می‌شود. به همین دلیل افرادیکه کمبود آهن ندارند، نباید مکملهای آهن مصرف کنند.

محلولیت

املاح محلول فرو : استات ، سولفات آمونیوم ، برومور ، کلرور ، یدور ، نیترات ، سولفات ، تیو سیانات ، تیو سولفات ،

املاح نامحلول فرو :  کربنات ، فری سیانور ، فلئورو اگزالات ، فسفات ، سولفور ، سولفیت ، هیدروکسید ، اکسید ،

املاح فرو احیا کننده های قوی می باشند.

املاح محلول فریک : آمونیوم سولفات ، برومور ، کلرور ، بیکربنات ، نیترات ، اگزالات ، سولفات ، تیو سیانات

املاح نامحلول فریک : فرو سیانور ، هیدروکسید ، فسفات ، سولفور ، فلئورور ،

وجود اکسیژن محلول در آب در مجاورت هوا باعث تبدیل یون فرو به فریک می شود.

 اثر اسید نیتریک بر روی آهن بسته به غلظت و درجه حرارت است. اسید نیتریک رقیق نیز ممکن است بدون تولید گاز اثر کرده و با تشکیل یونهای فرو و آمونیوم همراه باشد. اسید نیتریک سرد و غلیظ آهن را مقاوم و بی اثر می کند در حالیکه اسید نیتریک سرد و رقیق با آهن ترکیب نمی شود. آهن در اسید کلریدریک نیز حل می شود. آهن در اسید سولفوریک رقیق حل می شود ولی در اسید سولفوریک سرد و غلیظ حل نمی شود و در اسید سولفوریک گرم و غلیظ حل می شود.

  

بررسی فلز مس در بازارهای جهانی

مس یکی از قدیمی ترین کالاهایی است که بشر با آن به انجام معامله پرداخت و بعدها در اقتصاد جهان تحولی را ایجاد کرد. استخراج پر سود این فلز با استفاده از تکنیکهای خاص و در حجم بالا صورت می گیرد و عرضه آن نیز بستگی به عوامل سیاسی دارد؛ خصوصاً در کشورهایی که دولت بطور انحصاری مختار تولید و فروش آن است.

 

بازار جهانی

در شرایط کنونی ، مس برای بسیاری از شرکتهای معدنی ، منبع اصلی درآمد است و قیمت آن همواره اساسی ترین نقش را در سود و زیان و یا حیات بیشتر شرکتهای معدنی که با صنعت مس سروکار دارند ، ایفا می کند. پیش بینی و کنترل قیمتها می تواند معدنکاران و صنعتگران آن را در برنامه ریزی های بلند مدت برای کنترل تولید و حفظ بقای شرکتها در بازار یاری نماید و این امر با شناخت عوامل موثر بر تغییرات قیمت ممکن خواهد بود. مهمترین عوامل تغییر قیمت مس عبارتند از :

1. میزان عرضه و تقاضا
2. میزان ذخایر مس خالص ( بازارهای جهانی ، تولید کنندگان و مصرف کنندگان ) و آهنگ مصرف ذخایر
3. رشد تولید ناخالص داخلی و تولیدات صنعتی
4. قیمت انرژی و تغییرات آن

 بدون شک این پارامترها ، نقش اساسی در تغییر قیمتها ایفا می کند. شایان ذکراست قیمت مس در سالهای 2003 تا 2008 در دلار آمریکا روند افزایشی داشته است(نمودار1).

 

نمودار1- قیمت مس در سالهای 2003 تا 2008 در دلار آمریکا

افزایش تولید در سالهای گذشته وهمچنین کاهش رشد مصرف جهان،باعث به وجودآمدن یک مازادعرضه شد که کاهش قیمتهارادرپی داشت ولی براساس بررسی های صورت گرفته درطی سالهای اخیر ، میزان مصرف مس بیش ازتولیدآن بوده است وهمین عامل باعث افزایش قیمت مس در این سالها شده است.

بازار داخلی

آنچه نقش ایران را در بازار جهانی مس برجسته می کند، برتری نسبی ذخایرمس آن می باشد که عبارتند از:

1. عیار ذخایر مس پرفیری شناخته شده - که مجموع ذخایر آنها به بیش از 5/2 میلیارد تن می رسد- بالای 65/0 درصد است .
2. در همه ی کانسارهای مس پرفیری شناخته شده ، ایران افزون بر مس ، عناصر طلا ، مولیبدن و گاه نقره وجود دارد که همگام با استحصال مس قابل دست یابی است . این عناصر ، ارزش اقتصادی ذخایر مس را بالا می برند .
3. ذخایر مس رگه ای ایران هرچه از نظر ذخیره مانند اغلب ذخایر مس رگه ای دنیا بزرگ نیستند ، ولی در ایران در اغلب مناطق که این ذخایر وجود دارد ، در هر ناحیه ی مس دار چند کانسار رگه ای نزدیک به هم وجود دارد که در مجموع ذخیره ی قابل ملاحظه ای دارندومی توانند منبع تغذیه کننده ی یک کارخانه نسبتاً بزرگ را فراهم کنند .
4. کانسنگ های ذخایر مس رگه ای ایران ، اغلب دارای طلا هستند و در پاره ای از آنها عیار طلا در کنسانتره به ppm 10 می رسد .
5. کانسارها و نشانه های معدنی مس ایران با وجودپراکندگی نسبتاًزیاد،ویژگی های اکتشافی یکسانی را نشان می دهند. برخی از این ویژگی ها به شرح زیر است :
• بجز تعدادی اندک ، بیشتر ذخایر مس ایران دارای سنگ میزبان آتشفشانی با ترکیبی از آندیزیت تا داسیت و یا توده های نفوذی معادل میباشند که سنی از ائوسن میانی تا میوسن – پلیوسن دارند .
• ذخایر مس ایران در ناحیه های مشخص با ویژگی های مشترک زمین شناسی قرار دارند .
• از نظر همایند کانی شناسی ( پاراژنز) ،اغلب کانسنگ های مس ایران ، شباهت زیادی دارند و مناطق معدنی مس را می توان اغلب زون های مس دار معرفی کرد و درباره ی بزرگی و چگونگی کانی سازی قضاوت مشترکی برای هر منطقه مس دار ارایه داد .
• بر پایه ی مطالعات ، همایند کانه ای و بررسی های میانبارهای سیال ذخایر مس ایران ، درگستره ی دمایی بین 400 – 150 درجه ی سانتی گراد تشکیل شده اند.
• بیشتر محدوده های معدنی مس ، دگرسانی های شاخص و نسبتاً مشابهی دارند که با مطالعات عکس های هوایی و ماهواره ای قابل تشخیص است .
6. در ایران هرچه میزان تولید مس در مقایسه با ذخایر آنها بسیار کم است ، ولی کسانی که دارای دانش و فناوری صنعت مس در اکتشاف ، فرآوری ، استحصال و غیره می باشند ، نسبتاً فراوان هستند .
7. انرژی برق که از نیازهای استراتژیک تولید مس است ، در ایران در مقایسه با دیگر کشورهای تولید کننده ی مس ، ارزان بوده و تولید آن به شدت در حال افزایش است.

قیمت مس در بازار بورس ایران نیز از اواخر سال 1387 تا اوایل سال1389 ، روند روبه رشدی را نشان می دهد که خود تابعی از قیمت مس در بازار جهانی است ( نمودار 2 )

 

نمودار 2- قیمت مس در بازار بورس ایران (دلار)

پیش بینی موسسات مختلف درخصوص روند رو به رشد قیمت این فلز در دو سال آینده مشابه است و این مسئله به روشنی نشان می‌دهد که قیمت این فلز حتی در شرایط بحرانی از حدود 3 هزار دلار/ تن پایین‌تر نخواهد رفت. زیرا برای تولیدکنندگان مطرح بین‌المللی نیز فروش در ارقامی پایین‌تر از این عدد توجیه‌پذیر نخواهد بود. در کشورهای خاورمیانه و حوزه خلیج فارس تنها ایران و عمان دارای معدن مس فعال بوده و ظرفیت تولید کشور عمان هم قابل توجه نیست، از این رو با در نظر گرفتن کرایه حمل و عدم توجیه خرید از مناطق دوردست، ظرفیت صادرات محصولات شرکت ملی مس ایران به این کشورها وجود دارد.

نتیجه گیری

با بررسی روند ذخیره سازی ( بازارهای جهانی ، تولید کنندگان و مصرف کنندگان ) و آهنگ مصرف ذخایر نتایج زیر حاصل می شود :

قیمت مس با میزان ذخیره سازی ارتباط مستقیم دارد به طوری که با افزایش ذخایر مس کاتدی قیمت بالا رفته و با کاهش این عامل ، قیمت مس کاهش می یابد. قابل ذکر است که در چند سال آتی ، با افزایش مصرف ، قیمتها به طور متوالی افزایش خواهد یافت ولی در این مدت ، به دلیل افزایش ذخایر مس و تولید آن ، روند رشد قیمتها کند خواهد بود.به هرحال اگرشرکتهاو کشورهای تولید کننده مس بتوانند نرخ تولید هر تن مس را با بهبود سیستم مدیریتی وبالا بردن فناوری مناسب پایین بیاورند،آینده مستحکمی برای خودایجاد می کنند.