تیرآهن یکی از اصلی‌ترین مقاطع فولادی در صنعت ساختمان سازی و سایر صنایع بزرگ است که نقش مهمی در استحکام و پایداری سازه‌ها دارد. این پروفیل فولادی، وظیفه تحمل تنش‌های حاصل از نیروهای برشی و لنگر خمشی را بر عهده دارد. تیرآهن، محصول نهایی یک فرآیند پیچیده و چند مرحله‌ای است که از دل معادن سنگ آهن آغاز شده و به خطوط نورد گرم در کارخانه‌های فولاد سازی، ختم می‌شود. درک جامع این فرآیند، نیازمند آشنایی با مبانی متالورژی، روشهای تولید فولاد و تکنولوژی های پیشرفته در این صنعت است که باعث ایجاد دید عمیق‌تری نسبت به تولید و استفاده از این پروفیل‌ها می‌شود. در ادامه این مقاله به بررسی بیشتر فرآیند تولید تیرآهن می‌پردازیم، با ما همراه باشید.
روشهای تولید فولاد
پس از تولید آهن خام یا چدن مذاب در کوره بلند، مرحله حساس و حیاتی فولادسازی آغاز می‌شود. آهن خام به دلیل وجود درصد بالای کربن (حدود ۴ تا ۴.۵ درصد) و ناخالصی های دیگر، بسیار شکننده بوده و خواص مکانیکی مطلوبی برای کاربردهای سازه‌ای ندارد. هدف اصلی در فرآیند فولادسازی، کاهش درصد کربن به زیر ۲ درصد و حذف یا کنترل دقیق سایر عناصر آلیاژی است. امروزه دو روش اصلی برای تولید فولاد در جهان به کار گرفته می شود: روش کوره بلند (BF-BOF) و روش کوره قوس الکتریکی (EAF). در ادامه به بررسی بیشتر این دو روش می‌پردازیم:
· روش کوره بلند - کنورتر اکسیژنی (BF-BOF)
این روش که به عنوان روش سنتی و اصلی تولید فولاد در جهان شناخته می‌شود، با استفاده از آهن خام مذاب تولید شده در کوره بلند صورت می‌گیرد. در این فرآیند، آهن مذاب به همراه مقداری قراضه آهن در ظرفی به نام کنورتر یا پاتیل ریخته می‌شود. سپس، یک لوله یا لنس نسوز، از بالا وارد آهن مذاب شده و اکسیژن خالص با سرعت مافوق صوت به داخل آن دمیده می شود.
اکسیژن با کربن اضافی موجود در آهن مذاب واکنش داده و به صورت گاز مونواکسید کربن از آن خارج می‌شود. این واکنش به شدت گرمازا بوده و دمای آهن مذاب را به بیش از ۱۶۰۰ درجه سانتی گراد می‌رساند و در نتیجه، نیاز به منبع حرارت خارجی را از بین می‌برد. با کنترل زمان دمیدن اکسیژن و اضافه کردن عناصر آلیاژی دیگر، می‌توانید به ترکیب شیمیایی مورد نظر خود برای فولاد دست یافته و فولاد مذاب را برای مرحله بعد آماده کنید.
· روش کوره قوس الکتریکی (EAF)
این روش مدرن‌تر بوده و انعطاف پذیری بیشتری دارد. روش کوره قوس الکتریکی، عمدتا بر پایه ذوب مجدد قراضه‌های آهن و فولاد کار می‌کند، هرچند می‌توان از آهن اسفنجی (DRI) نیز به عنوان ماده اولیه استفاده کرد. در کوره قوس الکتریکی، قراضه‌ها در داخل کوره ریخته شده و سپس الکترودهای گرافیتی بزرگ به سمت آنها آورده می‌شوند. با برقراری جریان الکتریکی بسیار بالا، یک قوس الکتریکی قدرتمند بین الکترودها و قراضه‌ها ایجاد می‌شود. حرارت عظیم ناشی از این قوس، قراضه‌ها را در مدت زمان کوتاهی ذوب می‌کند. در این روش نیز با دمیدن اکسیژن و اضافه کردن عناصر آلیاژی، ترکیب شیمیایی آهن مذاب کنترل شده و فولاد با کیفیت مورد نظر، تولید می‌گردد.
مراحل تولید آهن از سنگ معدن
پس از استخراج سنگ آهن از معادن روباز یا زیر زمینی، فرآوری اولیه بر روی آنها انجام می‌شود. این فرآوری شامل خرد کردن سنگ‌های بزرگ، آسیاب کردن آنها برای رسیدن به ابعاد دانه‌ای مناسب و در نهایت پر عیارسازی است. در مرحله پر عیارسازی، مواد باطله و ناخالصی‌های عمده، از سنگ آهن جدا می‌شوند تا عیار آهن موجود در آن، برای ورود به کوره بلند، بهینه شود.
یکی از روشهای متداول برای این کار، آگلومراسیون یا گندله سازی است. در این فرآیند، نرمه سنگ آهن به همراه مواد چسبنده، به شکل گلوله‌های کوچکی به نام گندله در می‌آید که هم از نظر ابعاد و هم از نظر ترکیب شیمیایی، برای استفاده در کوره بلند، ایده‌آل هستند. سپس این گندله‌ها، در کوره پخته و سخت می‌شوند تا در برابر فشار و حرارت بالای کوره بلند، مقاوم باشند.
مواد اولیه آهن
ماده اولیه تولید آهن و فولاد، سنگ آهنی است که از معادن استخراج می شود. سنگ آهن به شکل کانی‌های مختلفی در طبیعت یافت می‌شود که مهم‌ترین آنها، هماتیت (Fe2O3) و مگنتیت (Fe3O4) هستند. عیار آهن موجود در این کانی‌ها و همچنین وجود ناخالصی‌هایی مانند فسفر و گوگرد، تأثیر مستقیمی بر کیفیت محصول نهایی و پیچیدگی فرآیند تولید دارد.
علاوه بر سنگ آهن، کک و سنگ آهک نیز در فرآیند تولید آهن، نقش کلیدی دارند. کک از حرارت دادن زغال سنگ در غیاب هوا به دست می آید و سه وظیفه عمده در کوره بلند بر عهده دارد:
- منبع حرارت برای ذوب کردن سنگ آهن.
- عامل احیا کننده برای حذف اکسیژن از اکسید های آهن.
- ایجاد تخلخل در بار کوره، جهت عبور گازهای داغ.
سنگ آهک (CaCO3) نیز به عنوان یک گدازآور عمل کرده و با ناخالصی‌های موجود در سنگ آهن ترکیب شده و سرباره(Slag) را تشکیل می‌دهد که به دلیل چگالی کمتر، روی سطح آهن مذاب شناور شده و به راحتی جدا می‌شود.
مراحل تولید آهن از معدن تا خانه
همانطور که گفتیم، آهن پس از استخراج از معادن و فرآوری اولیه، با استفاده از روش کوره بلند یا کوره قوس الکتریکی، به فولاد مذاب تبدیل می‌شود. در ادامه به بررسی مراحل تولید تیرآهن از فولاد مذاب می‌پردازیم:
1-جامد سازی
پس از این که فولاد مذاب با ترکیب شیمیایی مورد نظر در کنورتر یا کوره قوس الکتریکی تولید شد، باید به شکل جامد درآید و برای مراحل بعدی آماده شود. این کار در واحد ریخته‌گری مداوم (Continuous Casting) انجام می‌گیرد. در این فرآیند، فولاد مذاب از پاتیل به ظرفی میانی به نام تاندیش (Tundish) ریخته می‌شود تا ورود جریان مذاب به داخل قالب‌های کریستالیزاتور مسی و آب گرد، یکنواخت و آرام باشد. با عبور فولاد مذاب از این قالب‌ها، لایه بیرونی آن منجمد شده و یک پوسته جامد اولیه، شکل می‌گیرد.
در ادامه، این رشته فولادی که هنوز مرکز آن مذاب است، توسط غلتک‌های متعدد به سمت پایین هدایت شده و با پاشش آب، به طور کامل منجمد می‌شود. در نهایت، این رشته بلند فولادی به طول‌های مشخص برش خورده و شمش‌های فولادی با مقاطع مختلف مانند بیلت (Billet)، بلوم (Bloom) یا اسلب (Slab) را تولید می‌کند. برای تولید تیرآهن، معمولاً از شمش های بلوم که مقطع مربع یا مستطیل شکل بزرگی دارند، استفاده می‌شود.
2-نورد گرم و شکل دهی نهایی
مرحله نهایی در تولید تیرآهن، فرآیند نورد گرم (Hot Rolling) است. شمش‌های بلوم تولید شده در مرحله قبل، ابتدا وارد کوره‌های پیشگرم شده و دمای آنها به صورت یکنواخت به حدود ۱۱۰۰ تا ۱۲۵۰ درجه سانتی گراد می‌رسد. در این دما، فولاد حالتی خمیری و بسیار شکل پذیر پیدا می‌کند. سپس این شمش های گداخته و سرخ رنگ، وارد خط نورد می‌شوند. خط نورد، مجموعه‌ای از قفسه‌های متعدد است که در هر قفسه، دو یا چند غلتک سنگین قرار دارد. شمش با عبور از بین این غلتک‌ها، فشرده شده و به تدریج طولش افزایش و سطح مقطع آن کاهش می‌یابد. طراحی دقیق و کالیبراسیون غلتک‌ها در هر قفسه، به گونه‌ای است که شمش فولادی را مرحله به مرحله، به شکل پروفیل I یا H ، نزدیک‌تر می‌کند.
3-برشکاری و بسته بندی
پس از خروج از آخرین قفسه نورد، پروفیل تیرآهن شکل نهایی خود را پیدا کرده است. این شاخه‌های بلند که ممکن است طولشان به بیش از ۱۰۰ متر برسد، بر روی بسترهای خنک کننده قرار می‌گیرند تا دمای آنها به صورت کنترل شده، کاهش یابد. پس از رسیدن به دمای محیط، تیرآهن‌ها توسط اره‌های مخصوص یا قیچی‌های گیوتین، در طول‌های استاندارد (معمولاً ۶ یا ۱۲ متر) برش داده می شوند. در نهایت، کنترل کیفیت نهایی بر روی ابعاد، وزن، صافی سطح و خواص مکانیکی آنها انجام شده و پس از تأیید، تیرآهن‌ها در بسته‌های مشخص (بندیل) بسته بندی شده، پلاک‌های اطلاعاتی( شامل نوع، ابعاد و شرکت تولید کننده) بر روی آنها نصب می‌گردد و برای ارسال به بازار و استفاده در پروژه‌های ساختمانی و صنعتی، آماده می‌شوند.
به طور کلی، هر شاخه تیرآهنی که در سازه‌ها به کار می‌رود، محصول نهایی یک زنجیره پیچیده از کوره‌های عظیم ذوب تا غلتک‌های دقیق نورد گرم است که قلب تپنده صنعت و اقتصاد محسوب می‌شوند. درک این فرآیند، بینشی عمیق نسبت به ارزش واقعی زیر ساخت‌های جهان ایجاد کرده و باعث تصمیم گیری‌های هوشمندانه در دنیای صنعت و سرمایه می‌شود. با این شناخت، می توانید محصولات مورد نیاز خود را با آگاهی بیشتری انتخاب کرده و آنها را بهینه‌تر مصرف کنید.