آهن (Fe) با شماره اتمی 26 و قرار داشتن در گروه 8 جدول تناوبی، یک فلز پرکاربرد در جهان بوده که با رنگ نقره ای و براقی و کاربردهای گسترده ای که دارد زبانزد خاص و عام است. این ماده به میزان بسیار زیادی به صورت مذاب در هسته ی زمین یافت می شود، از نظر جرم رایج ترین عنصر روی زمین بوده و بسیاری از لایه های هسته خارجی و داخلی زمین را تشکیل می دهد. سنگ معدن آهن نیز از فراوان ترین عناصر پوسته زمین می باشد؛ اگرچه استخراج فلز قابل استفاده از آن ها به کوره یا کوره هایی نیاز دارد که بتوانند به دمای 1500 درجه سانتیگراد یا بالاتر برسند، یعنی حدود 500 درجه سانتیگراد (900 درجه فارنهایت) بالاتر از آنچه برای ذوب مس کافی است.
آهن یک عنصر شیمیایی در جدول تناوبی می باشد که دارای نماد Fe و عدد اتمی 26 بوده و در گروه 6 و دوره 4 قرار دارد. آهن به عنوان عنصر نهایی تولید شده قابل توجه است و در نتیجه سنگین ترین عنصر محسوب می شود که برای تشکیل آن نیازی به رویداد کاتاکلیزمی مشابه ندارد؛ از همین رو، این فلز فراوان ترین فلز سنگین جهان می باشد همچنین اعتقاد بر این است که دهمین عنصر فراوان جهان است. غلظت آهن در لایه های مختلف زمین از بالا در هسته داخلی تا حدود 5٪ در پوسته ی خارجی می باشد و ممکن است هسته ی داخلی زمین از یک کریستال آهن تشکیل شده باشد، هر چند که احتمالاً مخلوطی از آهن و نیکل است و تصور می شود که وجود مقدار زیادی آهن در زمین به میدان مغناطیسی آن کمک می کند.
آهن فلزی است که در میدان مغناطیسی خود و همچنین از سنگ آهن استخراج شده و به سختی در حالت آزاد یافت می شود. آهن از المان های اصلی در تولید فولاد می باشد که یک عنصر نیست بلکه یک آلیاژ و یک محلول از فلزات مختلف و برخی از غیر فلزات به ویژه کربن است. همین ویژگی های آهن باعث شده است که کاربرد آهن در صنعت مورد استقبال زیاد قرار بگیرد. کاربرد این آلیاژ کاربردی در صنعت طیف بسیار وسیعی دارد. این فلز محبوب و مهم از ساخت فولاد گرفته تا در مهندسی عمران مانند بتن مسلح، تیر، صنایع غذایی، کشاورزی، نظامی و... استفاده می شود. از آهن برای ساختن فولادهای آلیاژی مانند فولادهای کربنی با مواد افزودنی مانند نیکل، کروم، وانادیوم، تنگستن و منگنز مورد استفاده قرار می گیرد.
رایج ترین استفاده از آهن برای ساخت پل، دکل برق، زنجیر دوچرخه، ابزار برش و لوله ی تفنگ می باشد. چدن حاوی 3-5٪ کربن است و برای ساخت لوله ها، شیرآلات و پمپ ها از این عنصر استفاده می شود. از کاتالیزورهای آهن نیز در فرآیندهای مخصوص تولید آمونیاک مورد استفاده قرار می گیرد و از طرفی لازم به ذکر است که آهنربا را می توان از این فلز و آلیاژها و ترکیبات آن ساخت. بیشترین مقدار آهن به دست آمده برای تولید فولاد، در مهندسی عمران (بتن آرمه ، تیر و غیره) کاربرد دارد. ترکیبات شیمیایی آهن تولید شده در بزرگترین مقیاس در صنعت عبارتند از: سولفات آهن (II) (FeSO4 · 7H2O) و کلرید آهن (III) (FeCl3). مورد اول یکی از منابع در دسترس آهن (II) است و نسبت به اکسیداسیون هوایی پایدارتر می باشد. باید این مورد را در نظر داشت که ترکیبات آهن (II) به اکسیدهای آهن (III) در هوا تبدیل می شوند.
امروزه تولید صنعتی آهن یا فولاد از دو مرحله اصلی تشکیل شده است؛ در مرحله اول، سنگ آهن با کک در کوره کاهش یافته و فلز مذاب از ناخالصی هایی مانند مواد معدنی سیلیکات جدا می شود و در همین مرحله آلیاژی تولید می گردد که حاوی مقادیر نسبتاً زیادی کربن است. سپس در مرحله دوم، مقدار کربن موجود در آهن تولید شده با اکسیداسیون کاهش یافته تا فولاد یا چدن تولید شود. در چنین مرحله ای اجازه ی افزودن فلزات دیگر برای تشکیل فولادهای آلیاژی وجود دارد و محصولات فولادی به دست آمده اغلب بعد از شکل گیری تحت عملیات حرارتی و یا گرمایشی قرار می گیرند. گرم کردن آن ها در دمای 700-800 درجه سانتی گراد برای چندین ساعت و سپس خنک شدن تدریجی باعث می شود که فولاد نرم و قابل استفاده باشد.
کک که از آن نام برده شد در واقع یک ماده جامد متخلخل است که کربن را برای واکنش فراهم می آورد و همچنین سوخت اصلی مورد استفاده در کوره به حساب می آید. با حرارت دادن ذغال تا 1200 K در غیاب هوا به مدت بیست ساعت کک ساخته می شود و همچنین گاز زغال سنگ (عمدتاً مونوکسید کربن و هیدروژن) و یک قیر سیاه که می توان از آن ترکیبات مفیدی مانند بنزن بدست آورد، نیز تولید می شود. از گاز ذغال سنگ به عنوان سوخت در محل مورد استفاده قرار می گیرد.
بررسی ساختمان کوره بلند و چگونگی تولید آهن در آن
کوره های بلند، سازه های اصلی مهندسی در صنعت هستند که بخشی از آن ها استوانه ای و فولادی به ارتفاع 30 متر هستند که با آجرهای مخصوص قابل تحمل در دمای بسیار بالا ساخته شده است. عریض ترین نقطه کوره به طور معمول 9 متر قطر دارد، اگرچه می تواند بزرگ تر نیز باشد. کوره ها بیش از 15 سال در فشارهای بیش از 5 اتمسفر و دمای داخلی بیش از 2000 K به طور مداوم کار می کنند و توان تولید 10 هزار تن آهن مذاب را در روز دارند. در این پروسه، اکسیژن برای سوزاندن سوخت مورد نیاز است (برای ایجاد درجه حرارت بالا) و همچنین در واکنش های کوره نقش دارد. به منظور کمک به حفظ دمای کوره، هوا از طریق لوله ای عبور می کند و سپس از طریق نازل ها به کوره وارد می شود. بسیاری از کوره ها اکنون از اکسیژن استفاده می کنند و هوای غنی شده ی میزان گازهای عبوری از کوره را کاهش می دهند و همچنین از کامل شدن فرایند اطمینان حاصل می کنند. در کوره های بلند از سنگ آهن درجه یک یا از گلوله های سنگ آهن همراه با کک و سنگ آهک استفاده می شود. در یک کوره بلند، جرم هر یک از اجزا و زمان افزودن آن به کوره توسط رایانه کنترل می شوند و به طور خودکار به شرایط حاکم در آن زمان در کوره پاسخ می دهد و اجزا به مقدار کم هر 10-15 دقیقه در بالای کوره به آن اضافه می شوند. فشار حدود 1.7 اتمسفر می تواند در کوره ایجاد شود و باعث احتراق بهتر کک و سایر سوخت ها و تولید بیشتر آهن شود. هوای گرم غنی شده با اکسیژن در نزدیکی قسمت انتهایی آن دمیده می‌شود که بهتر است بدانید بسیاری از واکنش ها در حالی رخ می دهد که گازها به سمت بالا حرکت می کنند.
به بعضی از کوره ها روغن یا گاز طبیعی با هوای گرم شده تزریق می شود و تا 40٪ کک جایگزین می‌گردد. این امر هم وابستگی به زغال سنگ و هم نیاز به فرآوری محصولات جانبی از کوره های کک سازی را کاهش می دهد که فروش آن ممکن است دشوار باشد. متناوباً، ذغال پودر شده ممکن است مستقیماً به صورت مایع به داخل کوره تزریق شود و دیگر نیازی به اجاق های کک سازی نیست و از طرفی برخی از تولیدکنندگان در حال آزمایش استفاده از ضایعات چوب یا پلاستیک به عنوان سوخت هستند. دما در کوره متفاوت است بنابراین واکنش های مختلف در سطوح مختلف کوره اتفاق می افتد. نزدیک بالای کوره در حدود 750 K (زیر نقطه ذوب آهن)، ترکیبات آهن (III) توسط مونوکسیدکربن و هیدروژن به آهن (II) (به عنوان مثال Fe2O3 به FeO) تبدیل می گردد.
وقتی نوبت به کاربردهای صنعتی می رسد، پودرها و پوسته های آهن از اهمیت بیشتری نسبت به سایر پودرهای فلزی یا آلیاژها برخوردار می شوند. کاربرد آهن در صنعت به عنوان ابزار برش یا پوشش محافظ سطح با استفاده از طیف گسترده ای از پودر آهن با خلوص بالا آن را به یکی از محبوب ترین محصولات متالورژی تبدیل می کند. یکی از معتبرترین تولید کنندگان پودر آهن، پودر آهن الکترولیتی با خلوص بالا را برای پاسخگویی به نیازهای سختگیرانه برنامه های صنعتی تولید می کند و راه را برای محصولات با کیفیت بالا هموار می کند.
آهن پرکاربرد ترین فلز در صنعت خودرو است. ورق های گالوانیزه، آلیاژ و کربن دست به دست هم داده‌اند تا این فلز به طرق مختلفی برای طراحی اتومبیل های کاملاً لوکس و مقاوم استفاده شود. قسمت های مختلفی از وسایل نقلیه که ما از آن ها استفاده می کنیم مانند شاسی، سقف، ترمز، چرخ، موتور و اگزوز همه از فولاد ساخته شده اند که البته برای انجام فرآیند ساخت ماشین بیش از یک نوع فولاد استفاده می شود. شاید بزرگ ترین مزیت استفاده از فولاد این باشد که در درجه بندی های مختلف موجود است و همین امر سبکی را در بدنه خودرو ایجاد می کند. در حالی که امروزه آهن به دلیل حساسیت در برابر زنگ زدگی برای ساخت بدنه ی خودرو زیاد مورد استفاده قرار نمی گیرد، اغلب به دلیل سهولت، در ساخت موتور خودرو نیز مورد استفاده قرار می گیرد و از نظر تحمل حرارت به خوبی عمل می کند.
فلز آهن همچنین دارای ثبات ابعادی بوده و این بدان معنی است که زیر گرما تحریف نمی شود و طراحان مجبور نیستند برای نحوه ی رفتار فلز آهن در حین ریخته گری هزینه ی اضافی پرداخت کنند، در حالیکه فلزات دیگر مانند آلومینیوم زیر دمای بالا عکس العمل نشان می دهند. ممکن است این موضوع چیزی کاملاً واضح باشد اما مهم است که به آن دوباره اشاره شود که آهن فوق العاده سخت و سنگین بوده و این بدان معنی است که در صورت برخورد انرژی زیادی را جذب می کند. به دلیل سهولت استفاده و ثبات ابعادی، می توان آن را کم و بیش به هر شکلی تبدیل کرد و می تواند پس از اتمام کار در آن حالت بماند. از آهن می توان در ریخته گری، جوشکاری و صنعت اتومبیل سازی استفاده کرد و قابلیت انعطاف پذیری آهن در صنعت ماشین سازی به این معنی است که ترمیم اجزای چدن (به خصوص موتور و محفظه سیلندر) بسیار آسان تر از ساخت قطعات است. درحالیکه تولید این قطعات با فلزات دیگر هزینه و محدودیت بیشتری نیز دارد، زیرا نحوه ی واکنش فلز به ریخته گری یا نقاط ذوب پایین تر ممکن است فاجعه به بار بیاورد.
افزایش مصرف غذا در سراسر جهان سرعت تحولات بخش کشاورزی جهانی را با مشکل روبرو کرده است. تحقیقات علمی در مورد تولید مواد افزودنی، توانایی چندین ریز مغذی از جمله عناصر موجود مانند کلات آهن را تقویت می کند. بهبود کیفیت عملکرد، استفاده گسترده از آهن کلاته به عنوان یک ریز مغذی در این صنعت اجباری شده است. در حقیقت، آهن كلاته به دلیل استفاده مؤثر و مقرون به صرفه در كشاورزی و زراعت به عنوان یك ریز مغذی كشاورزی ایده آل در نظر گرفته می شود. بازار جهانی ریز مغذی های کشاورزی با آهن کلاته بیشتر تحت تأثیر چالش های پیش روی فعالیت های کشاورزی است، به ویژه کیفیت پایین خاک به عنوان مهم ترین عامل تأمین تقاضا برای آهن کلاته به عنوان ریز مغذی های کشاورزی مشاهده می شود.
از آنجا که آهن کلاته در درجه اول برای بهبود کیفیت خاک استفاده می شود، چندین بخش کشاورزی با استفاده فراگیر از این ریز مغذی بهره مند می شوند و یکی دیگر از عوامل اصرار به رشد بازار جهانی، افزایش مصرف محصولات غذایی "باکیفیت" است. کیفیت محصولات یا سایر محصولات مزرعه را می توان با وجود مواد مغذی تعریف کرد. آهن یک جز اساسی برای سلول های زنده است و منبع اصلی هموگلوبین در جریان خون است، مصرف کنندگان محصولات غنی شده از ذرات آهن را بیشتر مصرف می کنند. به همین ترتیب، گیاهان ریز مغذی های آهن کلاته را از خاک جذب می کنند و کیفیت غذایی محصولات غذایی حاصل از آن ها را افزایش می دهند.
غذا دارای دو نوع آهن است: آهن هم و غیر هم. آهن هم در گوشت، ماهی و طیور یافت شده و نوعی آهن است که به راحتی جذب بدن می شود و شما تا 30 درصد آهن مصرفی را به خوبی جذب می کنید. خوردن گوشت به طور کلی میزان آهن شما را بسیار بیشتر از خوردن آهن غیر هم افزایش می دهد. آهن غیر هم در غذاهای گیاهی مانند میوه ها، سبزیجات و مغزها یافت می شود و قسمت مهمی از یک رژیم غذایی مغذی و متعادل هستند اما آهن موجود در این غذاها به طور کامل جذب نمی شود و متاسفانه شما بین 2 تا 10 درصد آهن غیر همی را که مصرف می کنید جذب شده و وقتی آهن هِم را با غذاهایی که آهن غیر هم دارند بخورید آهن کاملاً جذب بدن می شود. غذاهای سرشار از ویتامین C مانند گوجه فرنگی، مرکبات و فلفل های قرمز، زرد و نارنجی نیز می توانند به جذب آهن غیر هم کمک کنند. رشد صنعت و نقش پر رنگ استفاده از آهن در آن در سال های اخیر رشد چشمگیری داشته است. کاربرد آهن در صنعت همیشه در اولویت بوده و پای ثابت صنایع است، به گونه ای که می توان گفت زندگی بدون آهن مختل خواهد شد. امیدواریم این مطلب نظر شما را جلب کرده باشد. سوالات خود را از ما بپرسید، شمن آنکه می توانید نظرات و پیشنهادات خود را برای ما کامنت بگذارید.