از سیر تا پیاز چدن ها – قسمت اول

چدن چیست؟

چدن ها (Cast Irons) خانواده ی بزرگ و متنوعی از آلیاژهای پایه آهنی (Ferrous alloys) هستند که عناصر اصلی آلیاژی در آن ها شامل آهن، کربن و سیلیسیم است و عناصر دیگری چون منگنز، فسفر و گوگرد به صورت جزئی در ترکیب آن ها وجود دارد. در کنار چدن ها، فولادها (Steels) نیز از آلیاژهای پایه آهنی هستند که مقدار کربن و سیلیسیم کمتری در ترکیب خود دارند. در یک تعریف عمومی و پذیرفته شده، فولادها را آلیاژهای آهن با مقدار کربن کمتر از ۲ درصد و چدن ها را آلیاژهای آهن با مقدار کربن بیشتر از ۲ درصد (تا حدود ۶ درصد) می نامند. چدن ها از تنوع زیادی برخوردارند. از انواع مختلف چدن ها می توان به چدن های غیر آلیاژی از قبیل چدن خاکستری (Gray Iron)، چدن داکتیل یا نشکن (Ductile Iron)، چدن سفید (White Iron)، چدن مالیبل یا چکش خوار (Malleable Iron)، چدن با گرافیت فشرده (Compacted Graphite Iron)، چدن خالدار ( Mottled Iron)، چدن ADI یا داکتیل آستمپر شده (Austempered Ductile Iron) و چدن های آلیاژی از قبیل چدن های پرکروم مقاوم به سایش مثل چدن های نایهارد و نوریهارد، چدن های پر نیکل مقاوم به خوردگی مثل چدن های نای رزیست، چدن های نسوز و مقاوم به خوردگی پر سیلیس و غیره اشاره کرد.

در سلسله مطالبی که در وب سایت عصر مواد با موضوع چدن ها شروع می کنیم، سعی مان بر آن است که یک به یک این آلیاژهای پر کاربرد در صنعت کشورمان را از جنبه های مختلف مثل مشخصات شیمیایی، مکانیکی و فیزیکی، ساختار فازی، عملیات تولیدی (ریخته گری، عملیات حرارتی، جوشکاری، ماشین کاری و غیره)، کاربرد، مشخصات استانداردی، عملیات های تکمیلی (آبکاری، رنگ و پوشش و غیره)، مقاومت به انواع خوردگی ها و غیره در حد دانش موجود (و دانش در دسترس) در این زمینه و اطلاعات نویسندگان این مطالب مورد بررسی قرار دهیم. برای شروع بحث، از آهن و مشخصات آن شروع می کنیم، تاریخچه مختصری از تولید آهن و چدن را در گذر تاریخ مرور می نماییم و قسمت اول از این مطلب را با خلاصه ای از فرایند تولید چدن در کوره بلند آهن به پایان می رسانیم.

آهن چیست؟

آهن عنصری به رنگ خاکستری روشن یا نقره ای متمایل به سفید با علامت شیمیایی Fe (مخفف Ferrum)، عدد اتمی ۲۶، وزن اتمی ۵۸٫۸۵ گرم بر مول، وزن مخصوص ۷٫۸۷ گرم بر سانتی متر مکعب و نقطه ذوب ۱۵۳۹ درجه سانتیگراد است که در طبیعت به ندرت به صورت خالص پیدا می شود. آهن اغلب به صورت اکسید و گاه به صورت کربنات، سیلیکات و سولفید آهن یافت می شود. مگنتیت (Fe₃O₄) به رنگ سیاه، هماتیت (Fe₂O₃) به رنگ قرمز تا قهوه ای، لیمونیت (۲Fe₂O₃.3H₂O) به رنگ زرد تا قهوه ای، گوتیت (Fe₂O₃.H₂O) به رنگ زرد تا قهوه ای و سیدریت (FeCO₃) به رنگ قهوه ای روشن تا تیره از کانی ها و منابع مهم آهن در طبیعت است. آهن خالص فلزی نرم با سختی ۸۰-۶۰ برینل، استحکام کششی ۳۲۰-۱۷۰ مگاپاسکال و درصد ازدیاد طول ۵۰-۳۰ درصد است.

تاریخچه تولید آهن و چدن:

طبق برخی گزارش های باستان شناسی، اولین استفاده از آهن به حدود ۶ هزار سال قبل به ساخت سر نیزه و زیورآلات از آهن کشف شده از شهاب سنگ ها بر می گردد. احیا و ذوب سنگ های آهن به دلیل دمای ذوب بالای آهن برای بشر دوران باستان امکان پذیر نبوده است. بر اساس یک نظریه، فلز آهن به عنوان یک محصول جانبی با ارزش و گرانبها از فرایند تولید مس به دست می آمده است. در این دوران، سنگ های مس خرد شده را با زغال چوب مخلوط می کردند و در گودال هایی ریخته و روی آن را می پوشاندند. پس از آتش زدن زغال چوب در سطح خارجی گودال، هوای لازم برای احتراق ناقص زغال در گودال دمیده می شد. در صورت تامین دما و حرارت لازم برای احیا و ذوب، مس خالص قطره قطره در کف گودال جمع و منجمد می شد. در این کوره های تولید مس، اکسیدهای آهن موجود در بار کوره، با از دست دادن اکسیژن خود، به صورت کلوخه های جامد اسفنج مانند در می آمدند و به این ترتیب آهن اسفنجی تولید می شد.

بشر در مراحل اولیه ی تولید آهن، قادر نبود که به وسیله ی زغال چوب و دم های ابتدایی، درجه حرارت را زیاد بالا ببرد. لذا احیای اکسیدهای آهن در حالت جامد انجام می گرفت. در این دوران، تولید آهن از طریق احیای سنگ آهن در حالت جامد و حرارت خیلی کمتر از درجه حرارت ذوب آهن خالص امکان پذیر بوده است. در نتیجه آهن به دلیل آزاد شدن اکسیژن کانی، اسفنجی می شد و ناخالصی های همراه سنگ آهن، در کلوخه آهن اسفنجی دست نخورده باقی می ماند. در این کوره ها آهن ذوب نمی شد ولی بهم چسبیدن ذرات آهن اسفنجی به یکدیگر امکان پذیر بوده است. پس از اینکه آهن اسفنجی گداخته از کوره تخلیه می شد، برای حذف ناخالصی ها، به دفعات تحت چکش کاری، آهنگری و عملیات حرارتی قرار می گرفت و در ضمنِ حذف ناخالصی های موجود در آن، مقداری از حفره های آن نیز بسته می شد و آهن تراکم لازم را به دست می آورد.

آهن اسفنجی قرن ها به عنوان تنها ماده ی اولیه ی مصالح آهنی به کار می رفته است و علیرغم دارا بودن مقداری کربن، قابلیت چکش کاری داشته و برای ساخت اسلحه و ابزار مورد نیاز بشر اولیه استفاده شده است. به مرور زمان و پیشرفت های حاصل در ساخت کوره های بلندتر، قابلیت تولید آهن جدیدی در چین به وجود آمد. در حدود ۵۵۰ قبل از میلاد، به سبب ساخت کوره های بلندی که توانایی تولید حرارت بالای ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد را داشت، آهن خام یا چدن مذاب با ۵-۳ درصد کربن و ناخالصی هایی چون فسفر، گوگرد، سیلیسیم و منگنز تولید شد. این محصول بسیار مستحکم تر از آهن اسفنجی ولی شکننده بود و قابلیت چکش کاری نداشت. از آن زمان، چدن به عنوان یک آلیاژ آهنی برای ساخت قطعات، ابزار و لوازم مختلف مورد نیاز بشر مورد استفاده قرار گرفته است.

امروزه برای تولید آهن خام یا چدن اولیه (Pig Iron)، بیشتر از کوره های بلند استفاده می شود. اساس تولید آهن در این کوره ها بر جدا کردن اکسیژن موجود در سنگ های آهن به کمک مواد احیا کننده و تفکیک آهن از ناخالصی ها به کمک مواد کمک ذوب یا فلاکس است.

خروجی کوره بلند، آهن خام یا چدن و سرباره است. در کوره بلند برای ذوب و تصفیه نیاز به سوختی است که علاوه بر تامین حرارت لازم، بتواند کربن مورد نیاز برای احیای اکسید آهن را نیز تامین کند. این سوخت باید ارزش حرارتی بالایی داشته باشد، در هنگام سوختن بهم نچسبد و برای اینکه بتواند گازها را از بین خود عبور دهد و عمل احتراق را تسهیل کند، بهتر است که متخلخل باشد. برای این منظور از کک استفاده می شود. کک مصرفی را از زغال سنگ تهیه می کنند. گاه به عنوان سوخت کمکی از گاز طبیعی یا مازوت هم استفاده می شود. برای تفکیک آهن از ناخالصی ها نیز مواد کمک ذوب یا فلاکس (معمولاً سنگ آهک) به کار برده می شود. آهک با ناخالصی های موجود در سنگ آهن ترکیب شده و آن ها را به صورت سرباره جمع می کند و جریان مذاب در کوره را هم تسهیل می کند.

در کوره بلند، مواد اوليه شامل سنگ آهن، آگلومره (كلوخه)، پلت (گندله)، كك و كمك ذوب ها با نسبت های معینی از دهـانه ی كوره به صورت لایه لایه شارژ می شوند. هوای داغ غنی شده از اکسیژن به همراه سوخت های کمکی مثل گاز طبیعی و مازوت از طریق دمنده های پایین کوره دمیده و منجر به سوختن جزیی کک می شود. سوختن کک طی واکنش هایی منجر به تشکیل گاز CO می شود. گاز CO از پایین کوره به سمت بالای آن صعود کرده و با عبور از توده ی مواد داخل کوره، آن ها را احیا می کند. احیای کانی، تولید توده ای از آهن اسفنجی می کند. این آهن اسفنجی با حضور CO کربوره می شود. CO با ورود به خلل و فرج آهن اسفنجی روی سطح آهن تجزیه شده و کربن جذب آهن می شود. آهن کربوره شده نقطه ذوب پایین تری دارد و در حدود ۱۲۰۰-۱۱۰۰ درجه سانتیگراد ذوب شده و از بین توده ی کوده به پایین کوره جریان می یابد و کربن بیشتری را هم جذب می کند. معمولاً پس از تولید آهن مذاب، کمک ذوب ها همراه پسکانه ها نیز ذوب و به صورت سرباره در می آیند.

مذاب تولید شده در قسمت بوته کوره جمع آوری و به تناوب تخلیه می شود. مذاب خارج شده از بوته كوره بلند (مخلوط چدن و سرباره) به دليل اختلاف جرم حجمی زياد چدن و سرباره در هنگام حركت در جوی های مذاب از يكديگر جدا شده و به ترتيب به بخش فولاد سازی یا چدن ریزی و كارگاه دانه بندی سرباره ارسال می شوند. چدن تولیدی در کوره بلند حدود ۳ تا ۴ درصد کربن دارد. این چدن معمولاً به واحد فولاد سازی ارسال می شود تا در فرایند فولادسازی، آهن خام کوره بلند به فولاد تبدیل شود و یا اینکه از آن تولید شمش چدن استفاده می شود. سرباره نیز پس از دانه بندی به عنوان ماده اوليه در کارخانجات سيمان مورد استفاده قرار می گيرد.