آهن دارای نقطه‌ی ذوب و نقطه‌ی جوش می باشد. وزن مخصوص این فلز 86/7 و شعاع اتمهای آهن به صورت (گاما) و به صورت آلفا است.
آهن خالص را نمی توان به طریق صنعتی تهیه کرده آهن با درصد خلوص 9917/99 در آزمایشگاه ها قابل تهیه است. آهن ساخته شده در آزمایشگاه ها 0083/0 درصد ناخالصی دارد و در حدود 27 عنصر را در بر می گیرد که اهم ترکیبات آن عبارتند از کربن، سیلیسیم، گوگرد، فسفر (عناصر دائمی همراه آهن) و سایر ناخالصی ها از قبیل هیدروژن، ازت، کلسیم، منیزیم و غیره. هر نوع ناخالصی روی خواص آهن تأثیر می گذارد، مثلاً اگر مقدار درصد کربن آهن از 02/0 درصد به 1/0 درصد افزایش پیدا کند، هدایت حرارتی آهن را از 177/0 به 134/0 کاهش می دهد. تأثیر ناخالصی های غیرفلزی (فسفر، گوگرد، اکسیژن، ازت و هیدروژن) حتی به مقادیر بسیار ناچیز روی خواص آهن، به مراتب زیادتر از ناخالصیهای فلزی است. از قبیل مس، نیکل، منگنز و غیره است.
آهن خالص قابلیت استفاده صنعتی را ندارد. قابلیت انعطاف آهن خالص زیاد و سختی آن بسیار کم است. این آهن قابلیت سخت شدن را ندارد. بدین علت مطالعه اشکال وجود ناخالصی ها یا به عبارتی دیگر چگونگی انحلال کربن و اکسیژن و سایر ناخالصیها در آهن مذاب از اهمیت زیادی برخوردار است.
1-2) سنگهای معدنی آهن خالص:
تمامی یا بهتر بگویم اکثر فلزات در طبیعت به صورت سنگهای معدنی یافت می شوند، لذا آهن نیز از این قاعده مستثنی نیست. از آن جایی که این فلز یکی از مهمترین مواد اولیه صنایع مهندسی می باشد لذا صنایع بسیاری در مراکزی نزدیک به منابع سنگ آهن، به شرط آن که انرژی‌های سوختی نیز در دسترس باشند تأسیس می گردند.
معمولاً در صنایع استخراجی، سنگهای معدن اکسیدی آهن دارای عیار بیشتری نسبت به سنگهای کربناتی آهن هستند. پس یک سنگ آهن خوب معمولاً محتوی بیش از 20% آهن بوده و در بعضی از انواع سنگ معادن آهن خالص، نظیر هماتیت این مقدار می تواند تا 70% افزایش یابد. در جدول (1-1)، به انواع ترکیبات سنگهای معدنی آهن اشاره شده است.
1-3) خواص بلوری آهن خالص:
آهن یک فلز آلوتروپیک است، بدین معنی که بیشتر از یک نوع شبکه‌ی بلوری دارد، در واقع ساختمان شبکه‌ی بلوری دارد، در واقع ساختمان شبکه‌ی بلوری آن در دماهای مختلف تغییر می یابد. منحنی تبرید آهن خالص در شکل (1-1) نشان داده می شود.
آهن در دمای انجماد یافته و شبکه‌ی بلوری آن b.c.c می‌شود. این آهن را آهن (دلتا) می نامند. در تغییر آلوتردپی در آهن ظاهر شده، اتمها موقعیت خود را تغییر می دهند و شبکه‌ی بلوری در آهن ظاهر شده، اتمها موقعیت خود را تغییر می دهند و شبکه‌ی بلوری آهن از b.c.c به f.c.c تبدیل می گردد. این آهن را آهن (گاما) می‌نامند که غیرمغناطیسی است. وقتی درجه‌ی حرارت به رسید تغییر فاز دیگری در آهن رخ می دهد و دوباره تغییر آلوتروپی در آهن ظاهر شده و شبکه‌ی بلوری آن مجدداً از f.c.c. به b.c.c تبدیل می شود. این آهن را آهن (آلفا) می نامند که هنوز خاصیت مغناطیسی ندارد. سرانجام در آهن بدون اینکه شبکه‌ی بلوری خود را تغییر دهد خاصیت مغناطیسی پیدا می کند. قبلاً آهن غیرمغناطیسی را آهن (بتا) می نامیدند ولی بعدها با مطالعات و بررسی های اشعه‌ی X معلوم شد که در ساختمان شبکه‌ی بلوری آهن تغییر نمی کند. سپس کلیه‌ی تغییرات آلوتروپی در موقع خنک کردن آهن حرارت پس می دهند (اگزوترمیک یا گرمازا) و در هنگام گرم کردن آن حرارت جذب می کنند (اندوترمیک یا گرماگیر).
1-4) فرآیند استخراج آهن (متالورژی استخراجی آهن):
سنگ آهن به همراه یک کک مناسب سخت از طریق قسمت بالای کوره ای استوانه‌ای بلند، به داخل کوره ریخته می شود (شکل 1-4).
شکل (1-4): نمای کلی یک کوره بلند ذوب آهن شامل: 1. قیف ناودانی 2. واگن وزن کننده شارژ 3. واگنت انتقال مواد به کوره 4. قیف شارژ 5. تویرهای هوا 6. کف کوره 7. سوراخ خروج سوباره
در این کوره هوا با فشار لازم از طریق تویرهای هوا به طرف بالا جریان یافته و اکسیژن لازم را برای احتراق کک فراهم می آورد. حرارت و کربن حاصل از کک باعث احیاء سنگ آهن و تبدیل آن به چدن مذاب می گردد. مذاب چدن به تدریج از قسمتهای فوقانی کوره ذوب شده و با گذشتن از لابلای تکه های کک در ته کوره جمع می گردد. این نکته را بایستی به خاطر داشت که هر گونه سنگ معدن مصرفی، محتوی مقادیری مواد معدنی ناخواسته به نام «گانگ» بوده ولذا برای جدا کردن این مواد زائد (به همراه خاکستر حاصل از سوختن کک) از مذاب، مقداری آهک نیز به داخل کوره ریخته می شود.
آهک این مواد زائد را به صورت سرباره رقیقی درآورده و از طریق سوراخی که در زیر تویرهای هوا و بالای سوراخ خروج مذاب قرار دارد این سرباره از کوره خارج می گردد. از آنجایی که روش گداز و تصفیه سنگ معدن آهن به طریق فوق فرآیند ساده ای می باشد لذا دارای قدمتی هزاران ساله است. اولین کوره های به کار گرفته شده توسط انسان، بسیار ابتدایی بوده و از سنگ ساخته می شده است. این کوره ها دارای ظرفیت ذوب محدودی بوده است. با گسترش صنایع، کوره های به مراتب بزرگتری جایگزین کوره های سنگی گردیدند.
در اولین طرحهای صنعتی کوره های بلند، به جای بدنه سنگی از ورقه های چدنی که درون آن توسط آجرهای نسوز پوشیده شده بود استفاده شد. امروز این نوع جداره ها جای خود را به استوانه های فولادی داده که درون آنها توسط دیرگدازه های مناسبی پوشش گردیده است. در مراحل اولیه تکامل این نوع کوره ها از هوا با درجه حرارت نرمال (درجه حرارت محیط) استفاده شد و به همین دلیل این نوع کوره ها به کوره های بلند با هوای سرد معروف گردیدند.
یکی از تکاملهای اساسی در زمینه کوره های بلند جایگزین نمودن هوای پیش گرم شده بجای هوای سرد است. پیش گرم کردن هوای ورودی به کوره در برجهای گرم کن انجام می شود. در این نوع برجها، آجرهای نسوز را به صورت لانه زنبوری می چینند. گازهای گرم خروجی از کوره بلند که احتراق آنها به طور ناقص انجام یافته، وارد و برج گرم کن شده و به همراه هوای اضافی که وارد این برجها می گردد، این گازها سوخته و باعث حرارت دیدن آجرهای برجها می شود. در هنگامی که گازهای خروجی از کوره بلند صرف حرارت دادن این برجها می گردد دو برج دیگر که قبلاً به طریقه مشابه گرم شده اند، هوای مورد نیاز کوره بلند را از خود عبور داده و آن را تا حدود 650 درجه سانتیگراد پیش گرم می سازند. در فواصل کوتاه زمانی جهت جریان فوق تغییر کرده یعنی هنگامی که دو برج اول هوا ورودی به کوره را پیش گرم می کنند، گازهای خروجی از کوره بلند صرف حرارت دادن به دو برج دیگر می‌شود. در شکل (1-5)، نمای شماتیکی و ابعاد نسبی یک کوره بلند به همراه چهار برج گرم کن هوا نشان داده شده است.
تغییرات شیمیایی که در کوره بلند اتفاق می افتد نسبتاً ساده است. سوختن کک باعث تشکیل شده و قسمت اعظم در جریان تماس با کک گداخته به CO تبدیل می گردد. منواکسید کربن داغ، اکسید آهن را احیاء کرده و نتیجه واکنش انجام شده، آهن مذاب و گاز خواهد بود.
شکل (1-5): اندازه های نسبی یک کوره بلند و برجهای گرم کن هوای ورودی به کوره
آهک موجود در کوره نیز در اثر حرارت دیدن به و CaO تجزیه شده و CaO در ترکیب با ناخالصیها (اکثراً ) در سنگ معدن یک سرباره روان با نقطه‌ی ذوب پایینی را به وجود می آورد، لذا خروج ناخالصی از کوره و جداسازی آن را از مذاب مقدور می سازد. در زیر اهم فعل و انفعالات انجام یافته در یک کوره بلند نشان داده شده است.
- فعل و انفعالات مربوط به سوختن کک:
- احیای :
- احیای سنگ آهن:
- پیدایش سرباره:
در شکل (1-6)، روابط بین اجزاء متشکله شارژ کوره و محصولات واکنش های انجام یافته بین آنان نظیر چدن مذاب سرباره، و گازهای خروجی از کوره نشان داده شده است. در حالی که در شکل (1-7) نشان دهنده‌ی وزن واقعی عناصر مصرفی در کوره بلند می باشد. این نکته مهم را بایستی بخاطر داشت که اعداد نشان داده شده در شکل (7-1) بر مبنای مصرف سنگ معدن آهن خاص در یکی از کشورهای صنعتی جهان است. بدیهی است با تغییر نوع سنگ معدن و درصد ناخالیصهای محتوی آن مقادیر داده شده تغییر خواهند کرد.
فهرست مطالب:
فصل اول: شناخت فلز آهن
1-1) طبیعت و خواص آهن
1-2) سنگهای معدنی آهن خالص
1-3) خواص بلوری آهن خالص
1-4) فرآیند استخراج آهن (متالورژی استخراجی آهن)
1-5) انواع آهن
1-5-1) آهن خام (لخته)
1-5-1-1) خواص آهن خام (لخته)
1-5-2) آهن کار شده
1-5-2-1) خواص و کاربرد آهن کار شده
فصل دوم: چدن شناسی عمومی
2-1) طبیعت چدن ها
2-2) خصوصیت چدن ها
2-2-1) برتری ها
2-2-2) کاستی ها
2-3) انواع چدن ها
2-3-1) چدن برای مقاصد عمومی (معمولی)
2-3-1-1) چدن مالیبل (چدن چکش خوار)
2-3-1-2) چدن سفید
2-3-2) چدن برای مقاصد ویژه (آلیاژی)
2-4) متالورژی چدنها
2-4-1) سیستم آهن – کربن – سیلیسیم
2-4-1-1) کربن معادل
2-4-2) حضور کربن در چدن
2-4-2-1) کربن آزاد (گرافیت)
2-4-2-2) کربن ترکیبی (کاربید)
2-4-3) ساختار زمینه ها در چدن
2-4-3-1) فریت
2-4-3-2) پرلیت
2-4-3-3) سمنیت
2-4-3-4) آستیت (اوتسیت)
2-4-3-5) بینیت و مارتنزیت
2-4-3-6) کاربیدها
2-5 ) تأثیر عناصر در چدن
2-5-1) عناصر عمده
2-5-1-1) گوگرد (S)
2-5-1-2) منگنز (Mn)
2-5-1-3) فسفر (P)
2-5-2) عناصر جزئی
2-5-3) عناصر آلیاژی
2-5-3-1) نیکل (Ni)
2-5-3-2) کرم (Cr)
2-5-3-3) مولیبدن (Mo)
2-5-4-3) وانادیم (Va)
2-5-3-5) سیلییم (Si)
2-5-3-6) مس (Cu)
2-5-3-7) آلومینیوم (Al)
2-5-4) عناصر گازی
2-5-4-1) اکسیژن (O)
2-5-4-2) نیتروژن (ازت N)
2-5-4-3) هیدروژن (H)
2-6) موارد استعمال چدن ها
2-6-1) چدن خاکستری (ریختگی)
2-6-2) چدن مالیبل (چکش خوار)
2-6-3) چدن داکتیل (نشکن)
فصل سوم: چدن شناسی تخصصی
3-1) چدن خاکستری
3-1-1) متالورژی چدنهای خاکستری
3-1-2) ساختار میکروسکوپی در چدنهای خاکستری
3-1-2-1) گرافیت (G)
3-1-3) ریخته گری چدن خاکستری
3-1-3-1) مواد شارژ
3-1-3-2) مسئله‌ی تلقیح مواد در ریخته گری چدن خاکستری
3-1-3-2-1) عملکرد تلقیح
3-1-3-2-2) مواد تلقیح
3-1-3-2-3) روش های تلقیح
3-1-3-2-4) اثر مواد تلقیح
3-1-3-2-5) ارزیابی عملکرد تلقیح
3-1-3-3) متالورژی ذوب چدن خاکستری
3-1-3-3-1) گرافیت زایی
3-1-4) انجماد چدن خاکستری
3-1-4-1) گرایش انجماد به تشکیل چدن سفید
3-1-4-2) گرایش انجماد به تشکیل چدن خاکستری
3-1-4-3) اصول فرآیند انجماد
3-1-4-4) ساختار چدن خاکستری در دمای محیط
3-1-4-5) اثر ضخامت
3-2) چدن داکتیل (نشکن)
3-2-1) مبانی ساخت چدن داکتیل
3-2-2) کاربرد چدن داکتیل
3-2-3) متالورژی چدن داکتیل (نشکن)
3-2-3-1) انجماد و مکانیزم کروی شدن گرافیت در چدن نشکن
3-2-3-2) تعادل آهن و گرافیت
3-2-3-2-1) کربن معادل
3-2-3-2-2) انجماد هیپویوتکتیکی
3-2-3-2-3) انجماد هیپر (هایپر) یوتکتیکی
3-2-3-2-4) مکانیزم کروی شدن گرافیت
3-2-4) ریخته گری چدن داکتیل (نشکن)
3-2-4-1) مواد شارژ
3-2-4-2) ملاحظات کیفی، شیمیایی و متالورژیکی در حین ذوب
3-2-4-2-1) کربن دهی
3-2-4-2-2) کنترل گاز مذاب
3-2-4-2-3) گوگرد زدایی
3-2-4-2-4) انتخاب ترکیب شیمیایی
3-2-4-2-5) اثر کربن معادل
3-2-4-3) اثر درجه حرارت بارریزی
3-2-4-4) فرآیند کروی سازی
3-2-4-4-1) مشکلات افزدون منیزیم به شکل خالص
3-2-4-4-2) روشهای مختلف کروی سازی
3-3) چدن با گرافیت فشرده (CGI)
3-3-1-1) ریزساختار
3-3-1-2) ترکیب شیمیایی
3-3-1-3) خواص مکانیکی و فیزیکی
3-3-1-3-1) خواص کششی
3-3-1-3-2) هدایت حرارتی
3-3-1-3-3) جذب ارتعاش
3-3-1-3-4) قابلیت رشد و پوسته شدن
3-3-2) ریخته گری چدن با گرافیت فشرده
3-3-2-1) عملیات ذوب و تهیه مذاب چدن با گرافیت فشرده
3-3-2-2) مواد قالبگیری
3-3-3) کاربردهای صنعتی چدن با گرافیت فشرده (CGI)
3-3-4) مقایسه چدن با گرافیت فشرده در مقابل چدن های خاکستری و نشکن
3-3-4-1) در مقایسه با چدن خاکستری (مزایا CGI)
3-3-4-2) در مقایسه با چدن نشکن (مزایا CGI)
فصل چهارم: تئوری چدن دوگونه (G&D)
4-1) مقدمه ای بر چدن دو گونه (G&D)
4-2) مقدمه ای بر مسئله‌ی تکنولوژی
4-3) تشریح تکنولوژی ساخت
شامل 135 صفحه فایل word قابل ویرایش
دانلود تحقیق تکنولوژی ساخت چدن دوگونه (چدن G&D)