كوره‌هاي قوس الكتريكي و القائي

مقدمه
امروزه يكي از اساسي ترين پايه هاي اقتصادي و اجتماعي كشورهاي جهان را صنايع آهن و فولاد تشكيل مي دهد و اين به سبب نياز مبرمي است كه انسان جهت پيشبرد، مفاصد خود در زندگي دارد. با نگاه اجمالي به كارايي اين عنصر حياتي، مي توان به نقش سازنده آن پي برد. زيرا علاوه بركاركرد آن درامر ساختمان سازي، پل سازي و غيره يكي از كالاهاي اساسي در صنايع اتومبيل سازي، كشتي سازي و لكوموتيو سازي است و به صورت آلياژ هاي مختلف، اساس تكنولوژي

ماشين آلات را تشكيل مي دهد. كه آهن و فولاد به روش هاي مختلفي تهيه و توليد مي شدند ما دراين تحقيق روش تهيه بوسيله كوره بلند را از ابتدا مورد بررسي قرار مي دهيم.
آهن عنصر شيميايي است كه در جدول تناوبي با نشان Fe و عدد اتمي ۲۶ وجود دارد. آهن فلزي است كه در گروه ۸ و دوره ۴ جدول تناوبي قرار دارد.

تاريخچه آهن (Fe)
اولين نشانه هاي استفاده از آهن به زمان سومريان و مصريان برمي گردد كه تقريباً ۴۰۰۰ سال قبل از ميلاد با آهن كشف شده از شهاب سنگها اقلام كوچكي مثل سر نيزه وزيور آلات مي ساختند. از ۲۰۰۰ تا ۳۰۰۰ سال قبل از ميلاد، تعداد فزاينده اي از اشياء ساخته شده با آهن مذاب (فقدان نيكل، اين محصولات را از آهن شهاب سنگي متمايز مي كند) دربين النهرين، آسياي صغير و مصر به چشم مي خورد؛ اما ظاهراً تنها در تشريفات از آهن استفاده مي شد و آهن فلزي گرانبها حتي با ارزش تر از طلا به حساب مي آمد.

براساس تعداد از منابع آهن، به عنوان يك محصول جانبي از تصفيه مس توليد مي‌شود مثل آهن اسفنجي – و به وسيله متالوژي آن زمان قابل توليد مجدد نبوده است. از ۱۶۰۰ تا ۱۲۰۰ قبل از ميلاد درخاورميانه بطور روز افزون ا زاين فلز استفاده مي شد، اما جايگزين كاربرد برنز درآن زمان نشد. تيرآهني متعلق به عنصر آهن سوند در گاتلند سوئد يافت شده است. از قرن ۱۰ تا ۱۲ در خاورميانه يك جابجايي سريع درتبديل ابزار و سلاحهاي برنزي به آهني صورت گرفت.

عامل مهم دراين جابجائي آغاز ناگهاني تكنولوژي هاي پيشرفته كار با آهن نبود، بلكه عامل اصلي، مختل شدن تامين قلع بود. اين دوره جابجايي كه در زمانهاي مختلف و درنقاط مختلفي از جهان رخ داد، دوره اي از تمدن به نام عصرآهن را به وجود آورد. همزمان با جايگزيني آهن به جاي برنز، فرآيند كربوريزاسيون كشف شدكه به وسيله آن به آهن موجود درآن زمان كربن اضافه مي كردند. آهن را بصورت اسفنجي كه مخلوطي از آهن و سرباره به همراه مقدار ي كربن يا كاربيد است، بازيافت كردند. سپس سرباره آنرا با چكش كاري جدا نموده و محتوي كربن را اكسيده مي كردند تا بدين طريق آهن نرم توليد كنند.

مردم خاورميانه دريافتند كه با حرارت دادن طولاني مدت آهن نرم درلايه اي از ذغال و آب دادن آن در آب يا روغن مي توان محصولي بسيار محكم تر بدست آورد. محصول حاصله كه داراي سطح فولادي است، از برنزي كه قبلاً كاربرد داشت محكمتر و مقاوم تر بود. در چين نيز اولين بار آهن شهاب سنگي استفاده شد و اولين شواهد باستان شناسي براي اقلام ساخته شده با آهن نرم درشمال شرقي نزديك xinjiang مربوط به قرن ۸ قبل از ميلاد به دست آمده است. اين وسايل از آهن نرم و با همان روش خاورميانه و اروپا ساخته شده بودند و گمان مي رفت كه براي مردم غير چيني هم ارسال مي كردند.

از زمان سلسله ژو به بعد اكثر توليدات آهن درچين به شكل چدن است. با اين همه آهن بعنوان يك محصول عادي كه براي صدها سال مورد استفاده كشاورزان قرارگرفته است، باقي ماند و تا زمان سلسله شين (حدود ۲۲۱ قبل از ميلاد) عظمت چين را واقعاً تحت تأثير قرار ندارد.
توسعه چدن در اروپا عقب افتاد، چون كوره هاي ذوب در اروپا فقط توانايي K1000 را داشت، دربخش زيادي از قرون وسطي دراروپاي غربي آهن اسفنجي به آهن نرم بدست مي آورند. تعدادي از قالب گيريهاي آهن دراروپا بين سالهاي ۱۱۵۰ و ۱۳۵۰ بعد از ميلاد در دو منطقه درسوئد به نامهاي Lappyttan و Vinarhyttan انجام شد.

دانشمندان مي پندارند شايد اين روش بعد از اين دو مكان تا مغولستان آن سوي روسيه ادامه يافته باشد، اما دليلي محكمي براي اثبات اين قضيه وجود ندارد. تا اواخر قرن نوزدهم درهر رويدادي يك بازار براي كالاهاي چدني بوجود آمد، مانند درخواست براي گلوله هاي توپ چدني .

درآغاز براي ذوب آهن از زغال چوب هم بعنوان منبع حرارتي و هم عامل كاهنده استفاده مي شد. درقرن ۱۸ در انگلستان تامين كنندگان چوب كم شدند و از زغال سنگ كه يك سوخت فسيلي است، بعنوان منبع جانشين استفاده شد. اين نوآوري بوسيله abraham darby انرژي لازم براي انقلاب صنعتي را تامين نمود.

پيدايش :
آهن يكي از رايج ترين عناصر زمين است كه تقريباً ۵% پوسته زمين را تشكيل ميدهد. آهن از سنگ معند هماتيت كه عمدتاً fe2o3 مي باشد. استخراج مي گردد. اين فلز را بوسيله روش كاهش يا كربن كه عنصري واكنش پذيرتر است جدا مي كنند. اين عمل دركوره بلند دردماي تقريباً ۲۰۰۰ درجه سانتي گراد انجام مي پذيرد.

درسال ۲۰۰۰، تقريباً ۱۱۰۰ ميليون تن سنگ معدن آهن رشد ارزش تجاري تقريباً ۲۵ ميليارد دلار آمريكا استخراج شد. درحاليكه استخراج سنگ معدن آهن در۴۸ كشور صورت مي گيرد، چين،برزيل، استراليا، روسيه و هند با توليد ۷۰% سنگ آهن جهان پنج كشور بزرگ توليد كنندگان آن به حساب مي آيند. براي توليد تقريباً ۵۷۳ ميليون تن آن خام ۱۱۰۰ ميليون تن سنگ آهن مورد نياز است.

خصوصيات قابل توجه :
جرم يك اتم معمولي آهن ۵۶ برابر جرم يك اتم معمولي هيدروژن مي باشد. عقيده براين است كه آهن، دهمين عنصر فراوان جهان است. Fe مخفف واژه لاتين ferrum براي آهن مي باشد. اين فلز، از سنگ معدن آهن استخراج مي شود و به ندرت به حالت آزاد (عنصري) يافت مي گردد.

براي تهيه آهن عنصري، بايدناخالصيهاي آن با روش كاهش شيميايي از بين برود. آهن براي توليد فولاد به كار مي رود كه عنصر نيست، بلكه يك آلياژ و مخلوطي است از فلزات متفاوت (وتعدادي غيرفلز بخصوص كربن). هسته اتمهاي آهن داراي بيشترين نيروي همگبر در هر نوكلئون هستند. بنابراين آهن با روش همجوشي، سنگين ترين و با روش شكافت اتمي، سنگينترين عنصري است كه بصورت گرمازايي توليد مي شود.
وقتي يك ستاره كه داراي جرم كافي مي

باشد چنين كاري انجام دهد. ديگر قادر به توليد انرژي درهسته اش نبوده ويك ابر اختر پديد مي آيد. آهن رايج ترين فلز درجهان به حساب مي آيد. الگوهاي جهان شناختي با يك جهان بار پيش بيني زمان را مي كند كه درنتيجه واكنشهاي همجوشي و شكافت هسته، همه چيز به آهن تبديل خواهد شد.

كاربردها
كابرد آهن از تمامي فلزات بيشتر است و ۹۵ درصد فلزات توليد شده در سراسر جهان را تشكيل مي دهد. قيمت ارزان و مقاومت بالاي تركيب آن استفاده از آنرا بخصوص دراتومبيلها، بدنه كشتي هاي بزرگ و ساختمانها اجتناب ناپذير مي كند. فولاد معروفترين آلياژ آهن است و تعدادي از گونه هاي آهن به شرح زير مي باشد:

• آهن خام كه داراي ۵%-۴% كربن و مقادير متفاوتي ناخالصي از قبيل گوگرد، سيليكون و فسفر است و اهميت آن فقط به اين علت است كه درمرحله مياني مسير سنگ آهن تا چدن و فولاد قرار دارد.
• چدن، شامل ۵/۳% -۳% كربن و مقدار كمي منگنز مي باشد. ناخالصي هاي موجود در آهن خام مثل گوگرد و فسفر كه خصوصيات آنرا تحت تأثير منفي قرار مي دهد. درچدن تا حد قابل قبولي كاهش مي يابند. نقطه ذوب چدن بين ۱۴۲۰-۱۴۷۰ k مي باشد كه از هر دو تركيب اصلي آن كمتر است و آنرا به اولين محصول ذوب شده پس از گرم شدن همزمان كربن و آهن تبديل مي كند. چدن بسيار محكم، سخت و شكننده مي باشد، چدن مورد استفاده حتي چدن گرماي سفيد موجب شكستن اجسام مي شود.
• فولاد كربن شامل ۵/۱% – ۵/۰% كربن و مقادير كم منگنز، گوگرد، فسفر و سيليكون است.
• آهن ورزيده (آهن نرم) داراي كمتر از ۵/۰% كربن مي باشد و محصولي محكم و چكش خوار است، اما به اندازه آهن خام گدازپذير نيست. حاوي مقادير بسيار كم كربن است (چند دهم درصد) اگر يك لبه آن تيز شود، به سرعت تيزي خود را از دست مي دهد.
• فولادهاي آلياژ حاوي مقادير متفاوتي كربن بعلاوه فلزات ديگر مانند كروم ، واناديم، موليبدن، نيكل ، تنگستن و … مي باشد.

• اكسيدهاي آهن براي ساخت ذخيره مغناطيسي دركاميپوتر مورد استفاده قرار مي گيرند. آنها اغلب با تركيبات ديگري مخلوط شده و خصوصيات مغناطيسي خود را بصورت محلول هم حفظ مي كنند.

تركيبات
معمولترين حالات اكسيداسيون آهن عبارتند از :
• حالت فروس Fe+2
• حالت فريك Fe+3
• حالت فريل Fe+4

• آهن (VI) هم معروف است (اگر چه كمياب مي باشد) درصورتيكه شكل فرات پتاسيم باشد، (K2FeO) يك اكسيد كننده انتخابي براي الكلهاي نوع اول مي باشد. اين ماده جامد فقط در شرايط خلاء و ارغواني تيره پايدار است. هم به صورت محلول سوزآور و هم بصورت يك ماده جامد.

بيولوژي
آهن اتم اصلي مولكول هم (بخشي از گلبول قرمز) و بنابراين جزء ضروري تمام هموپروتئين ها محسوب مي شود. به همين علت، وجود اين عنصر درحيوانات حياتي مي باشد. همچنين آهن غير آلي درزنجيره هاي آهن – گوگرد بسياري از آنزيمها يافت مي شود. باكتريها اغلب از آهن استفاده مي كنند. وقتي بدن درحال مبارزه با يك عفونت باكتريايي است، براي عدم دستيابي باكتري به آهن، اين عنصر را پنهان مي كند.

ايزوتپها
آهن بطور طبيعي داراي چهار ايزوتوپ پايدار Fe-54, Fe 56, Fe 57, Fe-58 مي باشد. فراواني نسبي ايزوتپهاي آهن در طبيعت تقريباً Fe-56 7/91% Fe-58 3/0%,Fe-57 2/2%, Fe54- 8/5% است. Fe-58 3/0% كه نوكلئيد پرتوزاي (مانند مطالعات شهاب سنگها) و شكل گيري كاني ها هستند. حول محور تعيين انواع مختلف Fe-60 صورت گرفته است.

در وهله‌هاي مختلف، شهاب سنگهاي Chervony Kut, Semarkona مي تون بين تمركز Ni-nichell60 (محصول اخترچه Fe-60) و فراواني ايزوتپهاي پايدار آهن ارتباطي يافت كه دليلي براي وجود آهن ۶۰ در زمان شكل گيري منظومه شمسي مي باشد، احتمالاً انرژي آزاد شده فروپاشي آهن ۶۰ به همراه انرژي رها شده براثر فروپاشي نوكلئيد پرتوزاي Al-26 درذوب مجدد و تفكيك اخترچه هاي بعداز شكل گيري آنها ۴٫۶ ميليارد سال پيش تأثير داشته است.