نوشته های مشابه
فولاد در ساختمان سازی ، اصطلاح فولاد (Steel) برای آلیاژهای آهن که تا حدود ۱/۵ درصد کربن دارند و غالبا با فلزهای دیگر همراهند، بکار می‌رود. خواص فولاد به درصد کربن موجود در آن، عملیات حرارتی انجام شده بر روی آن و فلزهای آلیاژ دهنده موجود در آن بستگی دارد.
از نظر درصد کربن، فولاد به سه نوع تقسیم می‌شود:
فولاد نرم : این نوع فولاد کمتر از ۲/۰ درصد کربن دارد و بیشتر در تهیه پیچ و مهره، سیم خاردار و چرخ دنده ساعت و… بکار می‌رود.
فولاد متوسط : این فولاد بین ۲/۰تا ۶/۰ درصد کربن دارد و برای تهیه ریل و راه آهن و مصالح ساختمانی مانند تیرآهن مصرف می‌شود.
فولاد سخت : فولاد سخت بین ۶/۰ تا ۶/۱ درصد کربن دارد که قابل آب دادن است و برای تهیه فنرهای فولادی، تیر، وسایل جراحی، مته و… به کار می‌رود.
بررسی تأثیر عناصر آلیاژی بر خواص فولاد
کربن
کربن مهمترین و مؤثرترین عنصر آلیاژی در فولادها می‌باشد و بالاترین تأثیر را در ساختار آن دارد. هر فولاد آلیاژ شده علاوه بر کربن عناصر آلیاژی دیگری نظیر سیلیسیم – منگنز – فسفر و گوگرد را به همراه خواهد داشت به‌طوری‌که این عناصر به شکلی ناخواسته به هنگام فرایند تولید در فولاد باقی خواهند ماند. اضافه‌کردن عناصر آلیاژی برای بدست‌آوردن نتایج مشخص و منحصر بفرد و افزایش کنترل شده منگنز و سیلیسیم در فولاد، فولاد آلیاژی را به وجود خواهد آورد. با افزایش میزان کربن استحکام، سختی‌پذیری فولاد، بیشتر می‌شود اما چکش‌خواری و قابلیت جوشکاری و ماشین‌کاری (با استفاده از ماشین‌های برش) کاهش می‌یابد. این عنصر عملاً هیچ تأثیری بر مقاومت خوردگی در آب، اسید و گازهای گرم ندارد.
کلسیم
در ترکیب با سیلیسیم به شکل سیلیسیم – کلسیم در رکسیژن‌زدایی فولادها به کار می‌رود. کلسیم، مقاومت در برابر پوسته شدن مواد هادی حرارت را افزایش می‌دهد.
سدیم
این عنصر یک اکسیژن‌زدای مسلّم و نیرومند است و گوگردزدایی را نیز سرعت و شتاب می‌دهد. به همین دلیل یک عنصر پالایشی در فولادها محسوب می‌گردد. وجود این عنصر در فولادهای پرآلیاژ باعث گستردگی دامنه فرآیند شکل‌گیری گرم می‌شود. همچنین مقاومت فولادهای نسوز را در برابر پوسته شدن بهبود می‌بخشد. آلیاژهای آهن – سدیم با مقادیر تقریبی ۷۰% سدیم دارای خواص آتش دهندگی (مانند سنگ چخماق) هستند و در تولید چدنهایی با گرافیت کروی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
کبالت
کبالت هیچ کاربیدی را تشکیل نمی‌دهد. در دمای بالا از رشد دانه ها جلوگیری می‌کند. مقاومت در برابر تنش‌های ناشی از بازپخت را افزایش می‌دهد و موجب بهبود استحکام مکانیکی فولاد در برابر دمای بالا می‌شود. لذا به عنوان یک عنصر آلیاژی در فولادهای ابزاری گرم کار، فولادهای مقاوم در برابر خزش و فولادهای دیرگداز به کار می‌رود. وجود کبالت شکل‌گیری گرافیت کروی را تسریع می‌کند. در کمیت‌ها و مقادیر بالا، پایداری مغناطیسی، نیروی مغناطیس‌زدایی و هدایت حرارتی را افزایش می‌دهد. لذا به عنوان یک عنصر پایه در آلیاژها و فولادهای مغناطیسی دایم مرغوب به کار می رود. این عنصر تحت تأثیر تابش نوترونی، رادیوایزوتوپ ۶۰ کبالت را شکل می‌دهد. به همین دلیل برای فولادهایی که در راکتورهای اتمی به کار برده می‌شوند مناسب نمی‌باشد.
کرم
وجود عنصر فوق باعث سختی‌پذیری فولاد در هوا و روغن می‌باشد. کرم با کاهش سرعت خنک‌سازی بحرانی، به وسیله شکل‌دادن ساختار مارتنزیتی، قابلیت سخت‌کاری را افزایش می‌دهد.بنابراین سبب بهبود حساسیت‌های سخت کاری و بازپخت می‌شود. اما در هر صورت چقرمگی کاهش می‌یابد و از انعطاف‌پذیری یا شکل‌پذیری فولاد به مقدار کمی‌کاسته می‌گردد با افزایش کرم در فولادهای ساده کرم‌دار جوش‌پذیری کاهش می‌یابد. با اضافه نمودن هر واحد ۱% کرم به عنوان یک عنصر کاربیدساز استحکام کششی فولاد به میزان ۱۰۰_۸۰ نیوتن بر میلیمتر مربع افزایش می‌یابد.کرم به عنوان یک عنصر کاربیدساز به کار برده می‌شود. کاربیدهای این عنصر کیفین نگهداری لبه‌ها و مقاومت سایشی را افزایش می‌دهد. کرم موجب مقاومت فولاد در دماهای بالا می‌شود و در برابر هیدروژن تحت فشارخواص مواد را افزایش می‌دهد. با افزایش کرم مقاومت در برابر پوسته‌شدن فولادها نیز بهبود می‌یابد. به طور تقریب حداقل ۱۳% کرم مورد نیاز است تا مقاومت خوردگی فولادها نیز بهبود یابد.این مقدار کرم باید در قابل فلزی حل شود. این عنصر موجب محدودین دامنه فاز گاما می‌شود و بالعکس ئامنه فاز فریتی را افزایش می‌دهد. همچنین باعث پایداری آستنیت در فولادهای آستنیتی کرم – منگنز یا کرم – نیکل شده و سبب کاهش هدایت الکتریکی و حرارتی می‌شود و انبساط حرارتی را نیز کاهش می‌دهد. (آلیاژهایی برای آب‌بندی شیشه) با افزایش همزمان میزان کربن و کرم تا میزان ۳% پایداری مغناطیسی و شدت نیروهای پسماندزدا افزایش می‌یابد.
مس
مس به عنوان یک فلز آلیاژی به تعداد بسیار کمی از فولادها اضافه می‌شود. زیرا این فلز به زیرلایه‌های سطحی فولاد تمرکز یافته و در فرآیند شکل‌دهی گرم با نفوذ به مرز دانه‌ها، حساسیت سطحی را در فولادها بوجود می‌آورد. لذا به عنوان یک فلز مخرب در فولادها محسوب می‌گردد. به واسطه حضور مس نقطه تسلیم و نسبت نقطه تسلیم به استحکام نهایی افزایش می‌یابد. این عنصر در مقادیر بالای ۳۰% موجب سختی رسوبی می‌شود و بدین ترتیب سختی‌پذیری نیز بهبود می‌یابد. اما قابلیت جوشکاری به واسطه حضور مس تغییری نمی‌کند. در فولادهای آلیاژی ساده و پرآلیاژ مقاومت جوی به میزان کافی بهبود می‌یابد. مقادیر بالاتر از ۱% مس موجب بهبود مقاومت در برابر واکنشهای اسید کلریدریک و اسید سولفوریک می‌شود.
هیدروژن
هیدروژن یک عنصر مخرب در فولاد تلقی می‌گردد. زیرا بدون آنکه نقطه تسلیم و استخکام کششی فولاد را افزایش دهد، موجب تردی و شکنندگی فولاد می‌گردد. انعطاف‌پذیری را کم کرده و باعث کاهش سطح مقطع می‌باشد. هیدروژن سبب پوسته شدن ناخواسته سطح فولاد می‌گردد و ایجاد خطوط رنگین ناشی از ترکیبات را شتاب می‌دهد. هیدروژن اتمی‌ایجاد شده، در خلال فرایند اکسیژن‌زدایی در فولاد نفوذ کرده و حفره‌هایی را تشکیل می‌دهد (مک)که در فرآیند جوشکاری (پروزیتی) نام دارد. هیدروژن مرطوب در دمای بالا باعث کربن‌زدایی فولاد می‌باشد.
منیزیم
این عنصر موجب تشکیل گرافیت کروی در چدن می‌باشد.
منگنز
منگنز یک اکسیژن زداست. این عنصر با گوگرد ترکیب شده و تشکیل سولفید منگنز می‌دهد. بر همین اساس اثرات نامطلوب اکسید آهن را از بین می‌برد. وجود این عنصر در فولادهای خوش‌تراش بسیار مهم است. زیرا خط قرمز شکنندگی را کاهش می‌دهد. منگنز سرعت خنک‌شدن بحرانی را نیز به شدت کم می‌کند به همین دلیل سختی‌پذیری و نقطه تسلیم و استحکام نهایی را افزایش می‌دهد.با اضافه نمودن منگنز تأثیرات مطلوبی در قابلیتهای آهنگری و جوشکاری فولاد بوجود می‌آید و بطور قابل ملاحظه‌ای عمق سختی فولادها را بیشتر می‌کند. اگر سطح این نوع فولادها در معرض تنش‌های ضربه‌ای قرار گیرد به مقدار بسیار زیادی کار سخت خواهد شد در حالیکه مغز فولاد چقرمگی اولیه خود را حفظ می‌کند لذا این گروه از فولادها تحت تأثیر نیروهای ضربه‌ای (کارسختی) مقاومت سایشی مطلوبی از خود نشان می‌دهند. با افزایش منگنز ضریب انبساط حرارتی افزایش یافته در حالیکه هدایت الکتریکی کاهش می‌یابد. منگنز باعث افزایش خاصیت فنری می‌شود.
مولیبدن
این عنصر به طور معمول با عناصر دیگر آلیاژ می‌شود. در فولاد کرم ـ نیکل‌دار و فولاد منگنزدار سبب ریز دانه‌سازی می‌شود و باعث بهبود قابلین جوشکاری می‌شود و نقطه تسلیم و استحکام نهایی را بالا می‌برد. با ازدیاد درصد مولیبدن جوش‌پذیری کاهش می‌یابد و سازنده مسلم فاز کاربید است و در فولادهای تندبر خواص برش‌کاری را بهبود می‌بخشد. مقاومت خوردگی را بالا می‌برد.
نیتروژن
این عنصر به دو صورت ظهور می‌کند:
۱- به صورت یک عنصر مخرب که به دلیل کاهش چقرمگی در خلال فرآیند ته نشینی رسوبی است که موجب ایجاد حساسیت در برابر پیری و شکنندگی آبی (تغییر شکل در درجه حرارت آبی۳۰۰-۳۵۰ درجه سانتیگراد) می‌شود و امکان ایجاد تنش در ترک‌های درون بلوری فولادهای غیرآلیاژی و کم‌آلیاژ را فراهم می‌سازد.
۲- به صورت عنصری آلیاژی دامنه فاز گاما را افزایش می‌دهد و ساختار آستنیتی را استحکام می‌بخشد در فولادهای آستنیتی استحکام را افزایش می‌دهد و باعث افزایش نقطه تسلیم و خواص مکانیکی در گرما می‌شود.
آلومینیوم
یکی از قویترین اکسیژن زداها و نیتروژن زداهاست و بر اساس نتایج بدست آمده تأثیر بسیار زیادی برای مقابله با کرنش‌های ناشی از پیری دارد. در ترکیب با نیتروژن تشکیل نیترور سخت می‌دهد که باعث افزایش مقاومت در برابر پوسته‌ای شدن می‌شود به همین دلیل به عنوان عنصری آلیاژی برای مقاومت حرارتی فولادها به کار می‌رود.
ارسنیک
دامنه فاز گاما را محدود می‌کند لذا عنصری مخرب شناخته می‌شود زیرا مانند فسفر میل شدیدی به جداسازی ریزدانه‌های عناصر مختلف دارد. شکنندگی ناشی از بازپخت را افزایش داده و باعث کاهش شدید چقرمگی و قابلیت جوشکاری می‌گردد.
از ادامه معرفی عناصر دیگر مانند بور، بریلیم، تانتالیم، کلومبیوم، آنتیموان، سلنیم، سیلسیم، نیکل، اکسیژن، فسفر، تنگستن، قلع، تیتانیم به دلیل خارج بودن از حوصله صرف‌نظر شده است.
روش هاي توليد فولاد:
با توجه به تنوع موارد استفاده فولاد در دنیا و گسترده شدن دایره مصرف فولاد با پیشرفت تکنولوژی، تولید فولاد و نیز همگام با پیشرفت تکنولوژی تغییرات بسیاری داشته است، که در پی این تغییرات تولیدکنندگان سعی در بالا بردن بهره‌وری و استفاده از انرژی و سوخت‌های ارزان‌تر با توجه به محیط جغرافیایی خود کرده‌اند.
روشهای تولید فولاد خام
امروزه فن‌آوری‌های مورد استفاده در تولید محصولات فولادی در مراحل بعد از به دست آوردن فولاد مذاب یعنی ریخته‌گری و نورد، کم و بیش یکسان است. اما برای به دست آوردن فولاد مذاب یا خام، از فن‌آوری‌های مختلفی می‌توان استفاده کرد.
به طور کلی فولاد خام از دو روش زیر تولید می‌گردد:
۱ – تهیه آهن خام یا چدن مذاب در کوره بلند (BF) و تولید فولاد در کانورترهای اکسیژنی، نظیر ذوب‌آهن اصفهان.
۲ – احیای مستقیم سنگ‌آهن (DR) و ذوب آهن‌اسفنجی (DRI) و قراضه (Scrap) در کوره‌های الکتریکی از قبیل قوس الکتریکی (EAF) نظیر فولاد خوزستان یا القایی (IMF)، نظیر مجتمع فولاد جنوب.
در روش اول، که شیوه سنتی تولید است، از احیای غیرمستقیم آهن استفاده گردیده، سنگ‌آهن پس از فرآوری به همراه آهک و کک وارد کوره بلند شده، آهن خام یا چدن مذاب (Pig Iron) به دست می‌آید. در مرحله بعد آهن خام در یک کانورتر به فولاد مذاب تبدیل گردیده، کربن و ناخالصی‌های دیگر آن به کمک اکسیژن خارج و فولاد خام (Crude Steel) تولید می‌گردد.
محصول کوره ذوب آهن، چدن است که معمولاً دارای ناخالصی کربن و مقادیر جزیی ناخالصی‌های دیگر است که به نوع سنگ معدن و ناخالصی‌های همراه آن و همچنین به چگونگی کار کوره بلند ذوب آهن بستگی دارد. از آنجایی که مصرف عمده آهن در صنعت به صورت فولاد است، از این رو، باید به روش مناسب چدن را به فولاد تبدیل کرد که در این عمل ناخالصی‌های کربن و دیگر ناخالصی‌ها به مقدار ممکن کاهش یابند.
روشهای تهیه فولاد
روش بسمه:
در این روش ناخالصی‌های موجود در چدن مذاب را به کمک سوزاندن در اکسیژن کاهش داده و آن را به فولاد تبدیل می‌کنند. پوشش جدار داخلی کوره بسمه از سیلیس یا اکسید منیزیم و گنجایش آن در حدود ۱۵ تن است. نحوه کار کوره به این ترتیب است که جریانی از هوا را به داخل چدن مذاب هدایت می‌کنند، تا ناخالصی‌های کربن و گوگرد به صورت گازهای SO2 و CO2 از محیط خارج شود و ناخالصی‌های فسفر و سیلیس موجود در چدن مذاب در واکنش با اکسیژن موجود در هوا به صورت اکسیدهای غیر فرار (P4O10 و SiO2) جذب جدارهای داخلی کوره شوند و بهترکیبات زودگداز Mg3(PO4)2 و MgSiO3 تبدیل و سپس به صورت سرباره خارج شوند. سرعت عمل این روش زیاد است، به همین دلیل کنترل مقدار اکسیژن مورد نیاز برای حذف دلخواه ناخالصی‌های چدن غیرممکن است و در نتیجه فولاد با کیفیت مطلوب و دلخواه را نمی‌توان به این روش بدست آورد.
روش کوره باز (یا روش مارتن):
در این روش برای جداکردن ناخالصی‌های موجود در چدن، از اکسیژن موجود در زنگ آهن یا اکسید آهن به جای اکسیژن موجود در هوا در روش بسمه (به منظور سوزاندن ناخالصی‌هایی مانند کربن، گوگرد و غیره) استفاده می‌شود. برای این منظور از کوره باز استفاده می‌شود که پوشش جدار داخلی آن از MgO و CaO تشکیل شده است و گنجایش آن نیز بین ۵۰ تا ۱۵۰ تن چدن مذاب است. حرارت لازم برای گرم‌کردن کوره از گازهای خروجی کوره و یا مواد نفتی تأمین می‌شود. برای تکمیل عمل اکسیداسیون، هوای گرم نیز به چدن مذاب دمیده می‌شود. زمان عملکرد این کوره طولانی‌تر از روش بسمه است. از این نظر می‌توان با دقت بیشتری عمل حذف ناخالصی‌ها را کنترل کرد و در نتیجه محصول مرغوب‌تری به دست آورد.
روش الکتریکی:
از این روش در تهیه فولادهای ویژه‌ای که برای مصارف علمی و صنعتی بسیار دقیق لازم است، استفاده می‌شود که در کوره الکتریکی با الکترودهای گرافیت صورت می‌گیرد. از ویژگی‌های این روش این است که احتیاج به ماده سوختنی و اکسیژن ندارد و دما را می‌توان نسبت به دو روش قبلی، بالاتر برد. این روش برای تصفیه مجدد فولادی که از روش بسمه و یا روش کوره باز بدست آمده است، به منظور تبدیل آن به محصول مرغوب‌تر، به کار می‌رود. برای این کار مقدار محاسبه شده‌ای از زنگ آهن را به فولاد به دست آمده از روشهای دیگر، در کوره الکتریکی اضافه کرده و حرارت می‌دهند. در این روش، برای جذب و حذف گوگرد موجود در فولاد مقدار محاسبه شده‌ای اکسید کلسیم و برای جذب اکسیژن محلول در فولاد مقدار محاسبه شده‌ای آلیاژ فروسیلیسیم (آلیاژ آهن و سیلیسیم) اضافه می‌کنند.
انواع فولاد و کاربرد آنها
ناخالصی‌های آهن و تولید فولاد
آهنی که از کوره بلند خارج می‌شود، چدن نامیده می‌شود که دارای مقادیری کربن، گوگرد، فسفر، سیلیسیم، منگنز و ناخالصی‌های دیگر است. در تولید فولاد دو هدف دنبال می‌شود:
منگنز، فسفر و سیلیسیم در چدن مذاب توسط هوا یا اکسیژن به اکسید تبدیل می‌شوند و با کمک ذوب مناسبی ترکیب شده، به صورت سرباره خارج می‌شوند. گوگرد به صورت سولفید وارد سرباره می‌شود و کربن هم می‌سوزد و مونوکسید کربن (CO) یا دی‌اکسید کربن (CO2) در می‌آید. چنانچه ناخالصی اصلی منگنز باشد، یک کمک ذوب اسیدی که معمولاً دی‌اکسید سیلسیم (SiO2) است، به کار می‌برند و چنانچه ناخالصی اصلی سیلسیم یا فسفر باشد (و معمولاً چنین است)، یک کمک ذوب بازی که معمولاً اکسید منیزیم (MgO) یا اکسید کلسیم (CaO) است، اضافه می‌کنند:
MgO + SiO2 MgSiO2
۶MgO + P4O10 ۲Mg3(PO4)2
کوره تولید فولاد و جدا کردن ناخالصی‌ها
معمولاً جداره داخلی کوره‌ای را که برای تولید فولاد بکار می‌رود، توسط آجرهایی که از ماده کمک ذوب ساخته شده‌اند، می‌پوشانند. این پوششی مقداری از اکسیدهایی را که باید خارج شوند، به خود جذب می‌کند. برای جداکردن ناخالصی‌ها، معمولاً از روش کوره باز استفاده می‌کنند. این کوره یک ظرف بشقاب مانند دارد که در آن ۱۰۰ تا ۲۰۰ تن آهن مذاب جای می‌گیرد.
بالای این ظرف، یک سقف مقعر قرار دارد که گرما را روی سطح فلز مذاب منعکس می‌کند. جریان شدیدی از اکسیژن را از روی فلز مذاب عبور می‌دهند تا ناخالصی‌های موجود در آن بسوزند. در این روش ناخالصی‌ها در اثر انتقال گرما در مایع و عمل پخش به سطح مایع می‌آیند و عمل تصفیه چند ساعت طول می‌کشد، البته مقداری از آهن، اکسید می‌شود که آن را جمع‌آوری کرده، به کوره بلند باز می‌گردانند.
روش دیگر جدا کردن ناخالصی‌ها از آهن
در روش دیگری که از همین اصول شیمیایی برای جدا کردن ناخالصی‌ها از آهن استفاده می‌شود، آهن مذاب را همراه آهن قراضه و کمک ذوب در کوره‌ای بشکه مانند که گنجایش ۳۰۰ تن بار را دارد، می‌ریزند. جریان شدیدی از اکسیژن خالص را با سرعت مافوق صوت بر سطح فلز مذاب هدایت می‌کنند و با کج‌کردن و چرخاندن بشکه، همواره سطح تازه‌ای از فلز مذاب را در معرض اکسیژن قرار می‌دهند.
اکسایش ناخالصی‌ها بسیار سریع صورت می‌گیرد و وقتی محصولات گازی مانند CO2 رها می‌شوند، توده مذاب را به هم می‌زنند، به طوری که آهن ته ظرف، رو می‌آید. دمای توده مذاب، بی‌آنکه از گرمای خارجی استفاده شود، تقریبا به دمای جوش آهن می‌رسد و در چنین دمایی، واکنش‌ها فوق‌العاده سریع بوده، تمامی این فرایند، در مدت یک ساعت یا کمتر کامل می‌شود و معمولاً محصولی یکنواخت و دارای کیفیت خوب به دست می‌آید.
تبدیل آهن به فولاد
آهن مذاب تصفیه شده را با افزودن مقدار معین کربن و فلزهای آلیاژ دهنده مثل وانادیم، کروم، تیتانیم، منگنز و نیکل به فولاد تبدیل می‌کنند. فولادهای ویژه ممکن است مولیبدن، تنگستن یا فلزهای دیگر داشته باشند. این نوع فولادها برای مصارف خاصی مورد استفاده قرارمی‌گیرند. در دمای زیاد، آهن و کربن با یکدیگر متحد شده، کربید آهن (Fe3C) به نام «سمانتیت» تشکیل می‌دهند. این واکنش، برگشت‌پذیر و گرماگیر است.
هرگاه فولادی که دارای سمانتیت است، به کندی سرد شود، تعادل فوق به سمت تشکیل آهن و کربن، جابجا شده، کربن به صورت پولک‌های گرافیت جدا می‌شود و به فلز، رنگ خاکستری می‌دهد. برعکس، اگر فولاد به سرعت سرد شود، کربن عمدتاً به شکل سمانتیت که رنگ روشنی دارد، باقی می‌ماند. تجزیه سمانتیت در دمای معمولی به اندازه‌ای کند است که عملاً انجام نمی‌گیرد.
فولادی که دارای سمانتیت است، از فولادی که دارای گرافیت است، سخت‌تر و خیلی شکننده‌تر است. در هر یک از این دو نوع فولاد، مقدار کربن را می‌توان در محدوده نسبتاً وسیعی تنظیم کرد. همچنین، می‌توان مقدار کل کربن را در قسمتهای مختلف یک قطعه فولاد تغییر داد و خواص آن را بهتر کرد. مثلاً بلبرینگ از فولاد متوسط ساخته شده است تا سختی و استحکام داشته باشد ولیکن سطح آن را در بستری از کربن حرارت می‌دهند تا لایه نازکی از سمانتیت روی آن تشکیل گردد و بر سختی آن افزوده شود.
- سوزاندن ناخالصی‌های چدن
- افزودن مقادیر معین از مواد آلیاژ دهنده به آهن
MnO + SiO2 MnSiO3 Fe3C گرما + ۳Fe + C
روش دوم تولید فولاد، استفاده از کوره‌های الکتریکی و ذوب مجدد قراضه آهن و فولاد می‌باشد. به دلیل کمبود منابع قراضه در جهان و نیز رشد فزاینده قیمت آن در طول سال‌های گذشته، در این روش می‌توان به همراه قراضه از آهن اسفنجی نیز برای ذوب در کوره استفاده نمود.
آهن اسفنجی
آهن اسفنجی محصول عملیات احیای مستقیم سنگ‌آهن است که دارای عیار بالای آهن بوده، جایگزین مناسبی برای قراضه جهت ذوب است. تولید آهن اسفنجی از سنگ‌آهن، عموماً به دو روش گازی (Gas Based) یا استفاده از زغال‌سنگ (Coal Based)، برای احیای آهن صورت می‌پذیرد. معمولاً در کشورهایی که دارای ذخایر گاز هستند، از روش گازی استفاده می‌گردد. در ایران نیز به طور مثال، فولاد خوزستان و فولاد مبارکه از گاز به عنوان ماده احیا کننده استفاده می‌کنند. شناخته‌شده‌ترین روشهای احیای مستقیم گازی روشهای میدرکس و HYL هستند.
۳/۶۶ درصد فولاد خام جهان به کمک روش کوره بلند و ۲/۳۱ درصد آن نیز به روش احیای مستقیم و استفاده از کوره‌های الکتریکی تولید می‌گردد. با وجود آنکه بیشتر تولید فولاد خام در جهان به وسیله روش کوره بلند تولید می‌شود، اما موارد ذیل استفاده از روش احیای مستقیم و کوره‌های الکتریکی را، مخصوصاً در ایران، توجیه‌پذیرتر می‌کنند:
– با توجه به استفاده از قراضه آهن، این روش سریع‌تر است.
-هزینه راه‌اندازی یک واحد کوره بلند نسبت به یک واحد احیای مستقیم و کوره الکتریکی در ظرفیت‌های متناظر، بالاتر است.
– کک متالورژیکی که یکی از مواد اولیه مورد نیاز کوره‌های بلند است، از زغال‌سنگ کک شو به دست می‌آید که منابع آن در ایران محدود است. همچنین این ماده عمدتا وارداتی و گران‌قیمت است. برای تولید هر تن آهن خام به روش کوره بلند، طبق استانداردهای جهانی به حداقل ۵/۱ تن سنگ آهن و ۴۵۰ کیلوگرم کک متالورژیکی نیاز بوده که گاهی این مقدار تا ۳ تن سنگ آهن و ۱۰۰۰ کیلوگرم کک هم افزایش می‌یابد. در نتیجه با توجه به آنکه می‌توان از گاز به عنوان ماده احیاکننده در روش احیای مستقیم استفاده نمود و با وجود منابع عظیم گاز در ایران، عملاً روش کوره بلند مزیت خود را از دست می‌دهد.
مزایا ی ساختمان فلزی:
۱- مقاومت زیاد: مقاومت قطعات فلزی زیاد بوده و نسبت مقاومت به وزن از مصالح بتن بزرگتر است، به این علت در دهانه‌های بزرگ سوله‌ها و ساختمانهای مرتفع، ساختمان‌هایی که بر زمینهای سست قرار می‌گیرند، حائز اهمیت فراوان می‌باشد.
۲- خواص یکنواخت: فلز در کارخانجات بزرگ تحت نظارت دقیق تهیه می‌شود، یکنواخت‌بودن خواص آن می‌توان اطمینان کرد و خواص آن بر خلاف بتن با عوامل خارجی تحت تأثیر قرار نمی‌گیرد، اطمینان در یکنواختی خواص مصالح در انتخاب ضریب اطمینان کوچک مؤثر است که خود صرفه‌جویی در مصرف مصالح را باعث می‌شود.
۳- دوام: دوام فولاد بسیار خوب است، ساختمانهای فلزی که در نگهداری آنها دقت گردد. برای مدت طولانی قابل بهره‌برداری خواهند بود.
۴- خواص ارتجاعی: خواص مفروض ارتجاعی فولاد با تقریبی بسیار خوبی مصداق عملی دارد. فولاد تا تنش‌های بزرگی از قانون هوک به خوبی پیروی می‌نماید. مثلاً ممان اینرسی یک مقطع فولادی را می‌توان با اطمینان در محاسبه وارد نمود. حال اینکه در مورد مقطع بتنی ارقام مربوطه چندان معین و قابل اطمینان نمی‌باشد.
۵- شکل‌پذیری: از خاصیت مثبت مصالح فلزی شکل‌پذیری آن است که قادرند تمرکز تنش را که در واقع علت شروع خرابی است و نیروی دینامیکی و ضربه‌ای را تحمل نماید، در حالیکه مصالح بتن ترد و شکننده در مقابل این نیروها فوق‌العاده ضعیف‌اند. یکی از عواملی که در هنگام خرابی، عضو خود خبر داده و از خرابی ناگهانی و خطرات آن جلوگیری می‌کند.
۶- پیوستگی مصالح: قطعات فلزی با توجه به مواد متشکه آن پیوسته و همگن می‌باشد و ولی در قطعات بتنی صدمات وارده در هر زلزله به پوشش بتنی روی سلاح میلگرد وارد می‌گردد، ترک‌هایی که در پوشش بتن پدید می‌آید، قابل کنترل نبوده و احتمالاً ساختمان در پس‌لرزه یا زلزله بعدی ضعف بیشتر داشته و تخریب شود.
۷- مقاومت متعادل مصالح، مقاومت: مصالح فلزی در کشش و فشار یکسان ودر برش نیز خوب و نزدیک به کشش وفشار است. در تغییر وضع بارها، نیروی وارده فشاری، کششی قابل تعویض بوده و همچنین مقاطعی که در بارگذاری عادی تنش برشی در آنها کوچک است، در بارهای پیش‌بینی شده ،تحت اثر پیچش و در نتیجه برش ناشی از آن قرار می‌گیرند. در ساختمانهای بتنی مسلح مقاومت بتن در فشار خوب، ولی در کشش و یا برش کم است. پس در صورتی که مناطقی احتمالاً تحت نیروی کششی قرار گرفته و مسلح نشده باشد تولید ترک و خرابی می‌نماید.
۸- انفجار: در ساختمانهای بارهای وارده توسط اسکلت ساختمان تحمل شده، از قطعات پرکننده مانند تیغه‌ها و دیواره‌ها استفاده نمی‌شود. نیروی تخریبی انفجار سطوح حائل را از اسکلت جدا می‌کند و انرژی مخرب آشکار می‌شود، ولی ساختمان کلاً ویران نخواهد گردید. در ساختمان‌هایی بتن مسلح خرابی دیوارها باعث ویرانی ساختمان خواهد شد.
۹- تقویت‌پذیری و امکان مقاوم‌سازی: اعضاء ضعیف ساختمان فلزی را در اثر محاسبات اشتباه، تغییر مقررات و ضوابط، اجراء و …. می‌توان با جوش یا پرچ یا پیچ‌کردن قطعات جدید، تقویت نمود و یا قسمت یا دهانه‌هایی اضافه کرد.
۱۰- شرایط آسان ساخت و نصب: تهیه قطعات فلزی در کارخانجات و نصب آن در موقعیت، شرایط جوی متفاوت با تهمیدات لازم قابل اجراء است.
۱۱- سرعت نصب: سرعت نصب قطعات فلزی نسبت به اجراء قطعات بتنی مدت زمان کمتری می‌طلبد.
۱۲- پرت مصالح: با توجه به تهیه قطعات از کارخانجات، پرت مصالح نسبت به تهیه و بکارگیری بتن کمتر است.
۱۳- وزن کم: میانگین وزن ساختمان فولادی را می‌توان بین ۲۴۵ تا ۳۹۰ کیلوگرم بر مترمربع و یا بین ۸۰ تا ۱۲۸ کیلوگرم بر متر مکعب تخمین زد، درحالی که در ساختمانهای بتن مسلح این ارقام به ترتیب بین ۴۸۰ تا ۷۸۰ کیلوگرم بر متر مربع یا ۱۶۰ تا ۲۵۰ کیلوگرم بر متر مکعب می‌باشد.
۱۴- اشغال فضا: در دو ساختمان مساوی از نظر ارتفاع و ابعاد، ستون و تیرهای ساختمانهای فلزی از نظر ابعاد کوچکتر از ساختمانهای بتنی می‌باشد، سطح اشغال یا فضا مرده در ساختمانهای بتنی بیشتر ایجاد می‌شود.
۱۵- ضریب نیروی لرزه‌ای: حرکت زمین در اثر زلزله موجب اعمال نیروهای درونی در اجزاء ساختمان می‌شود، به عبارت دیگر ساختمان برروی زمینی که به صورت تصادفی و غیرهمگن در حال ارتعاش است، بایستی ایستایی داشته و ارتعاش زمین را تحمل کند. در قابهای بتن مسلح که وزن بیشتر دارد، ضریب نیروی لرزه‌ای بیشتر از قابهای فلزی است.
تجربه نشان می‌دهد که خسارت وارده بر ساختمانهای کوتاه و صلب که در زمینهای محکم ساخته شده‌اند، زیاد است. در حالیکه در ساختمانهای بلند و انعطاف پذیر، آنهایی که در زمین‌هایی نرم ساخته شده اند، صدمات بیشتری از زلزله دیده‌اند. به عبارت دیگر در زمینهای نرم که پریود ارتعاش زمین نسبتاً بزرگ است، ساختمانهای کوتاه نتایج بهتری داده‌اند و برعکس در زمینهای سفت با پریود کوچک، ساختمان بلند احتمال خرابی کمتر دارند. عکس العمل ساختمانها در مقابل حرکت زلزله بستگی به مشخصات خود ساختمان از نظر صلبیت و یا انعطاف‌پذیری آن دارد و مهمترین مشخصه ساختمان در رفتار آن در مقابل زلزله، پریود طبیعی ارتعاش ساختمان است.
معایب ساختمانهای فلزی:
۱- ضعف در دمای زیاد: مقاومت ساختمان فلزی با افزایش دما نقصان می‌یابد. اگر دکای اسکلت فلزی از ۵۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتی گراد برسد، تعادل ساختمان به خطر می‌افتد.
۲- خوردگی و فساد فلز در مقابل عوامل خارجی: قطعات مصرفی در ساختمان فلزی در مقابل عوامل جوی خورده شده و از ابعاد آن کاسته می‌شود و مخارج نگهداری و محافظت زیاد است.
۳- تمایل قطعات فشاری به کمانش: با توجه به اینکه قطعات فلزی زیاد و ابعاد مصرفی معمولاً کوچک است، تمایل به کمانش در این قطعات یک نقطه ضعف به حساب می‌رسد.
۴- جوش نامناسب: در ساختمانهای فلری اتصال قطعات به همدیگر با جوش، پرچ، پیچ صورت می‌گیرد. استفاده از پیچ و مهره و تهیه، ساخت قطعات در کارخانجات اقتصادی‌ترین، فنی‌ترین کار می‌باشد که در کشور ما برای ساختمانهای متداول چنین امکاناتی مهیا نیست. اتصال با جوش به علت عدم مهارت جوشکاران، استفاده از ماشین‌آلات قدیمی، عدم کنترل دقیق توسط مهندسین ناظر، گران‌بودن هزینه آزمایش جوش و … برزگترین ضعف می‌باشد. تجربه ثابت کرده است که سوله‌های ساخته شده در کارخانجات در صورت رعایت مشخصات فنی و استاندارد، این عیب را نداشته و دارای مقاومت سازه‌ایی بهتر در برابر بارهای وارده و نیروی زلزله است.
سازه‌های فضاکار
امروزه با توجه به استفاده روزافزون از سازهای فضاکار و با بوجودآمدن نرم‌افزارها در عرصه مهندسی عمران (سازه)، نوآوری‌هایی در زمینه طراحی و ساخت سازه‌های فضاکار صورت گرفته به نحوی که امروزه در دنیا شاهد محبوبیت روزافزون این نوع سازه‌ها هستیم و این محبوبیت ناشی از قابلیت منحصر بفرد این سازه‌ها است که عبارت است از پوشش دهانه‌های بزرگ به جلوه‌های زیبا، وزن کم، سادگی تولید، سرعت نصب و… است. از طرفی با پیشرفت علم و تکنولوژی نیازها و خواسته‌های جدید در زمینه مهندسی سازه رخ داده است. عامل زمان اهمیت بیشتری یافته و باعث روی‌آوردن به سازه‌های پیش ساخته شده است، همچنین با افزایش جمعیت، جوامع بشری علاقه به داشتن فضاهای بزرگ بدون حضور ستون‌های میانی از جمله مراکز خرید و سوپرمارکت‌ها، مساجد، پل‌ها و سازه‌هایی که در مدار زمین قرار می‌گیرند نظیر پشقاب مخابراتی اشاره کرد. این نوع سازه‌ها به دلیل اشکال بسیار متنوع از جمله گنبدی، چلیکی، قوسی، شبکه‌ای مسطح دو یا چند لایه و …. دارای جذابیت فراوان هستند. در این مقاله سعی شده است کلیاتی مفید و قابل کاربرد در زمینه سازه‌های فضاکار اجمالاً بیان شود تا مورد استفاده دانشجویان قرارگیرد.
مقدمه:
امروزه با پیشرفت علوم و تکنولوژی نیازها و خواسته‌های جدیدی در زمینه مهندسی سازه رخ نموده است. عامل زمان در ساخت سازه‌ها اهمیت دوچندان یافته و این امر گرایش به سازه‌های پیش ساخته را افزایش داده است همچنین با افزایش جمعیت بشری علاقه به داشتن فضاهای بزرگ بدون حضور ستون های میانی خواهان بسیاری پیدا کرده است. در این راستا از اوایل قرن حاضر تعدادی از متخصصین مجذوب قابلیتهای منحصر بفرد سازه‌های فضاکار گشته پاسخ بسیاری از نیازهای جدید را در این سازه‌ها جسته‌اند و البته به نتایج بسیار مثبتی نیز دست یافته‌اند. با انتشار این نتایج روز به روز این عرصه با اقبال بیشتری مواجه گردید به گونه‌ای که با گذشت چندین دهه هنوز هم مطالعه سازه‌های فضاکار در کانون متخصصین و دانشجویان قرار دارد. در این مقاله منظور از عبارت سازه فضاکار سیستم های اسکلت فلزی بوده که از بافت تعدادی زیادی المان یا مدول با شکلهای استاندارد به یکدیگر تشکیل می‌شوند و نهایتاً یک سیستم سبک و با صلبیت زیاد را ایجاد می‌کنند . سازه‌های فضاکار در اشکال بسیار متنوعی ساخته می شوند که مهمترین آنها عبارتند از: شبکه های مسطح دو یا چند لایه، چلیک‌ها، گنبدها و قوس‌ها. علاوه بر این، سازه‌های فضاکار دارای بافتار متنوعی نیز می‌باشند. بدین ترتیب که با تغییر در آرایش المان‌ها می توان بافتار جدید ایجاد کرد و بدیهی است که کارایی هر بافتار باید در مقایسه با بافتارهای دیگر سنجیده شود. مثال‌های متعددی از سازهای فضاکاری که در دنیا و ایران ساخته شده است وجود دارد؛ استادیوم‌های ورزشی، مراکز فرهنگی، سالن‌های اجتماعات، مراکز خرید، ایستگاه‌های قطار، آشیان‌های هواپیماها، مراکز تفریحی، برجهای رادیویی و …
اجزای سیستم سازه فضایی:
گوی: از یک کره فولادی توپر که به منظور ایجاد پایداری و ارتباط بین اعضای سه بعدی بکار می‌رود. گوی‌ها خود و اعضا مربوطه‌اشان را در یک موقعیت ثابت نگه می‌دارند و باعث ایجاد تعادل بین نیروهای اعضا می‌شوند. گوی‌ها همچنین دارای سوراخ‌های رزوه‌دار شجاعی نیز می‌باشند که عضوهای سازه توسط انتهای مخروطی خود تحت زوایای مشخصی بر روی این سوراخ‌ها که دارای سطح ماشین‌کاری شده می‌باشند، می‌نشینند و پیچ می‌شوند.
مخروطی: جهت ملاحظات هندسی در محل اتصال المان به گوی از قطعه مخروطی شکل فولادی که به لوله جوش می‌شود استفاده می‌گردد. این قطعه دارای دو نوع کششی و فشاری می‌باشد.
لوله: عضو دیگر سازه‌ها که جهت تحمل نیروهای محوری (کششی، فشاری) بکار می‌رود لوله‌ها می‌باشند که دو انتهای آن بریده شده و سر آن به وسیله قطعه مخروطی که اتصال آن با سایر قطعات امکان‌پذیر می‌سازد، جوش می‌شود.
پیچ: یک اتصال جداشدنی بوده و جهت انتقال نیرو از آن کمک گرفته می‌شود. در شبکه فضایی شرکت فضاکاران صنعت در حالت کششی عمل می‌کند و نیروی کششی از گل‌پیچ به نشیمن‌گاه مخروطی انتقال پیدا می‌کند. پیچ‌های این سیستم دارای کلاس سختی بالا (۸/۸ و ۹/۱۰) می‌باشند.
اسلیو: مهره‌ایی می‌باشد که در فشار عمل می‌کند و جهت محکم‌نمودن پیچ‌ها در داخل گوی نیز استفاده می‌شود. اسلیوها به دو شکل شیاردار و سوراخ‌دار تولید می‌شوند که توسط پین به پیچ متصل می‌گردند.
انواع سازه‌های فضاکار :
الف) شبکه‌های تخت: به ترکیب یک سیستم یک یا چند وجهی با لایه های واحد شبکه گفته می‌شود. شبکه مسطح ترکیبی از یک دو وجهی که با تیرهای واحد متصل شده است می‌باشد. شبکه‌های تخت می‌توانند دارای یک، دو یا سه و حتی چند لایه باشند، ولی بیشتر به صورت دو لایه مورد استفاده قرار می‌گیرند. شبکه‌های دولایه از دو صفحه موازی که بوسیله عناصری به هم متصل گردیده‌اند تشکیل می‌شوند. یک نمونه استفاده از این شبکه‌ها در آشیانه هواپیما است. زمانی که اعضا در شبکه دولایه طویل شوند برای جلوگیری از خطرکمانش‌کردن از شبکه‌های سه لایه استفاده می‌شود و با توجه به اینکه نیمی از هزینه های سازه‌های فضاکار را پیوندها تشکیل می دهند این نوع سازه‌ها اغلب غیر اقتصادی است. نکته دیگری که در طراحی شبکه های دولایه و اکثر سازه‌های فضاکار باید در نظرگرفت این است که برای توزیع بهتر نیرو و کششی شدن آن ستون ها در داخل شبکه قرار می گیرند و ستون به چند گره متصل شود و بهتر است برای توزیع منظم نیرو در سازه‌ها در اطراف کنسول داشته باشیم.
ب) شبکه‌های چیلک: به شبکه‌ای که در یک جهت دارای انحنا باشد، چلیک می‌گویند. این سازه بیشتر برای پوشش سطوح مستطیلی دالان مانند استفاده شده و بعضاً فاقد ستون می‌باشند و روی لبه‌های چلیک که به تکیه‌گاه متصل است، قرار می‌گیرند. چلیک‌ها دارای محور می‌باشند. اگر چلیک یک لایه باشد اتصالات به شکل صلب است. چلیک‌ها اغلب به شکل ترکیبی استفاده می‌شوند و تیرکمری نقش ترکیب‌کردن چلیک‌ها به یکدیگر را بازی می‌کنند. نکته‌ای که در طراحی این نوع سازه‌ها باید در نظرگرفت این است که انتهای چلیک باید قوی باشد و این تقویت را می‌شود بوسیله تیر، و تیر و ستون و شکل خورشیدمانند انجام داد. انواع چلیک‌ها عبارتند از: چلیک اریبی، چلیک لملا با مقاطع بیضی‌گونه، سهمی‌گون، هذلولی‌گون … .
اگر شبکه‌ای در دو جهت دارای انحنا باشد، گنبد نامیده می‌شود. شاید رویه یک گنبد بخشی از یک کره یا یک مخروط با اتصال چندین رویه باشد. گنبدها سازه‌هایی با صلبیت بالا می‌باشند و برای دهانه‌های بسیار بزرگ تا حدود ۲۵۰ متر مورد استفاده قرار می‌گیرند. ارتفاع گنبد باید بزرگتر از ۱۵% قطر پایه گنبد باشد. گنبدها دارای مرکز هستند. از انواع گنبدها می‌توان گنبد از نوع دنده‌ای اشاره کرد که در صورتی‌که تعداد دنده‌ها زیاد باشد باید به مسئله شلوغی اعضا در رأس گنبد توجه شود که برای اجتناب از این مسئله بهتر است که برخی از دنده‌های نزدیک رأس حذف شود. گنبد دیگری به نام اشفدلر (مهندس آلمانی) وجود دارد که تعداد زیادی از این نوع گنبدها بعد از قرن ۱۹ توسط اشفدلر و دیگران ساخته شده است. از ایرادات این گنبد می توان به مسئله شلوغی اعضا در رأس اشاره کرد، که برای حل این مشکل همان راه حل بالا ارائه می شود. نمونه دیگر از گنبدها، گنبد لملا است. این گنبد را می توان به نوعی ترکیبی از یک یا چند حلقه که با یکدیگر متقاطع هستند، دانست. از نمونه دیگر گنبدها می توان به گنبدهای دیامتیک و گندهای حبابی و ژئودزیک اشاره کرد. اتصالات در گنبدهای دنده‌ای و اشفدلر حتما صلب هستند. از لحاظ پخش منظم نیرو، گنبدهای ژئودزیک، دیامتیک و حبابی بسیار مناسب هستند.
مزایا سازه‌های فضاکار
امروزه در سراسر دنیا سازه‌های فضاکار به سرعت در حال پذیرش و مقبولیت در بین طراحان و مهندسین سازه می‌باشند، این امر را نمی‌توان فقط مرهون جذابیت و زیبایی بیشتر این سازه‌ها دانست، بلکه دلایل متعددی که در ذیل به پاره‌ای از آنها اشاره می‌شود در گسترش محبوبیت این سازه‌ها موثر بوده است.
- دهانه:
سیستم سازه فضاکار قادر به پوشاندن دهانه‌های بزرگ با حداقل مواد مصرفی می‌باشد. (فولاد مصرفی در سازه فضاکار ۳/۱ کمتر از سازه‌های متداول دیگر می‌باشد).
- سرعت نصب:
به علت پیش ساخته‌بودن قطعات سرعت عملیات مونتاژ و نصب بسیار بالا و اقتصادی می‌باشد.
- وزن کم و قابلیت جابجایی:
سازه فضاکار دارای وزن کم بوده و قابلیت جابجایی با دست را دارا می‌باشد.
- انعطاف‌پذیری در طراحی:
سازه فضاکار قابلیت افزایش و کاهش سطح را دارا بوده و امکان جابجایی ستونها بدون اینکه خطری برای سازه فضاکار ایجاد گردد میسر می‌باشد.
- مقاومت در برابر نیروهای دینامیکی:
سازه فضاکار مقاومت بالاتری در برابر بارهای دینامیکی همچون زلزله انفجار بارباد در مقایسه به سازه‌های متداول دیگر از خود نشان می‌دهد.
- عبور تأسیسات:
از فضای بین دو لایه در شبکه‌های فضایی به راحتی می‌توان جهت عبور تأسیسات الکتریکی و مکانیکی استفاده نمود.
- ظاهر زیبا:
سازه فضاکار از نظر نمای ظاهری بسیار زیبا بوده و نیازی به استفاده از سقف کاذب در این سازه نیست.
- ایمنی سازه:
سختی زیاد سازه تغییر شکل سازه را پایین می‌آورد.
درجه نامعین این نوع سازه بالا بوده و معمولاً خرابی موضعی باعث خرابی کل سازه نمی‌گردد. به علت رفتار سه بعدی، توزیع تنش در تمام جهات انجام می‌گردد.
