أنواع الحديد والصلب Types of Iron and Steel

ناقشنا فيما مضي تجهيز الحديد من خاماته وكيفية استخلاص الحديد بواسطة الفرن العالي، وفى هذا الموضوع سنناقش أنواع الحديد والصلب واستخدامات كل نوع منهما كما يلي:

• الحديد الزهر
• الحديد المطاوع
• الحديد الصلب

الحديد الزهر Cast iron

– يتميز الحديد الناتج من الفرن العالي باحتوائه على حوالي 93% حديـد، %5 تقريباً كربون ونسبة قليلة من السليكون والمنجنيز والفوسفور والكبريت.

صناعة الحديد الزهر

– ويحول هذا النوع من الحديد الخام إلى حديد زهري بصهره في أفران تشبه الأفران العالية بعد خلطه بكميات من الحديد الخردة، فحم الكـوك والحجـر الجيري.

– ويسخن الفرن بدفع تيار من الهواء المسخن لدرجات حرارة عالية من فتحات هوائية أسفل الفرن.

أنواع الحديد الزهر Types of Cast iron

يوجد نوعين من الحديد الزهر كما يلي:

(1) الحديد الزهر الرمادي

– ويحصل عليه بتبريد الحديد المنصهر ببطيء، فينفصـل معـظـم الكربون الذائب على هيئة جرافيت.

– وهذا النوع من الحديـد يتميـز بلونه الرمادي نظراً لوجود الجرافيت ولذا فإنه لين ناعم الملمـس، مقاومة للصدمات.

– ويستخدم هذا النوع مـن الحديـد فـي صـناعة محركات الآلات الزراعية وأنابيب المياه.

(2) الحديد الزهر الأبيض

– وفي هذا النوع من الحديد يترسب الكربون الذائب على هيئـة كربيد الحديد (Fe₃C) أو ما يطلق عليه السيمنتيت.

– وهذا النـوع مـن الحديد شديد الصلابة هش ولا يتحمل الصدمات العالية ولذلك فإنـه يستخدم في صناعة أعمدة النور، أنابيب المياه وقوائم المناضد.

–  ومن الحديد الزهر الأبيض يمكن تحضير بعض أنواع الحديـد والصلب التي تحتوي على نسبة أقل من الكربون واختفـاء الشـوائب الأخرى كالسيليكون، الفوسفور، والمنجنيز.

الحديد المطاوع Wrought Iron

– يعتبر الحديد المطاوع من أنقى صور الحديد حيث أنه يحتوي علـى نسبة قليلة جداً من الكربون لا تتعدى 0.2% كما أنه خـال مـن السيليكون والفوسفور والكبريت كما يتميز بارتفاع درجة انصهاره إلى حوالي 1500°م.

– بينما يمكن أن يلين بتسخينه عند درجة حرارة أقل وعلى ذلك فيمكن تشكيله بعمليتي السحب والطرق كما يمكن لحام قطعه بعضها ببعض.

صناعة الحديد المطاوع

– يمكن الحصول على الحديد المطاوع بصهر الحديد الزهر في أفران تسمى الأفران العاكسة مبطنة بطبقة من أكسيد الحديد Fe₂O₃

– حيث يدفع تيار من الغازات الساخن على جوانب الفرن وسقفه. ويغلب مصهور الحديد الزهر باستمرار للتأكد من ملامسته الدائمة لطبقة أكسيد الحديديك.

– تتأكسد الشوائب في هذا الفرن، فيتأكسد الكربون إلى غاز ثاني أكسيد الكربون ويتأكسـد الكبريت إلى غاز ثاني أكسيد الكبريت. وتتصاعد هذه الغازات من الفرن. أما شوائب السيليكون والفوسفور فإنها تتحد مع أكسيد الحديديك لتكــوين خبـث الحديد

– ويتحول الحديد النقي إلى عجينة لينة ولا ينصهر لارتفاع درجـة انصهاره، ثم تؤخذ عجينة الحديد على هيئة كرات تعامل بمطارق بخاريـة خاصة للتخلص من الخبث

– وهذا النوع من الحديد يقاوم الصدأ بدرجة كبيـرة ويستخدم في صناعة بعض أنواع المسامير والسلاسل والجنازير.

الحديد الصلب Steel Iron

يمكن الحصول على الحديد الصلب من الحديد الخام الناتج من الفـرن العالي بطريقة تعتمد على أكسدة الشوائب الموجودة بالحديد الخام.

صناعة الحديد الصلب بطريقة بسمر (Bessemer Process)

– وهي الطريقة القديمة وفيها يدفع تيار من الهواء أو الأكسجين الساخن خلال الحديد الخام المنصهر داخل محول كبير يعرف باسـم مـحـول بسـمر (Bessemer Converter)

– هذا المحول مصنوع من ألواح الحديد ومبطن مـن الـداخل بطبقة من طول السيليكا. ويمكنه احتواء من 40 إلى 50 طن مـن الحديـد الخام في العملية الواحدة.

– والمحول يرتكز على محور دوران أفقي يعطى له حرية الحركة الأفقية والرأسية.

– ويوجد في قاع المحول حجرة للهـواء ينفـذ منها إلى داخل المحول مجموعة من الأنابيب الصغيرة يدفع خلالهـا الـهـواء ليقلب شحنة الحديد الخام المنصهر فيعمل على أكسدة الشوائب التي يحتـوى عليها.

– وفي مقدمة الشوائب التي تتأكسد السيليكون والمنجنيز حيث يتحـول إلى سيليكات أو فوسفات الكالسيوم أو المنجنيز مكونة خبثا منصهراً من أعلى المحول.

– ويتحول الكبريت إلى ثاني أكسيد الكبريت الذي يتصاعد. أما الكربون فإنه يتحول إلى أكسيد الكربون الذي يشتعل بلهب أزرق عند فوهة المحـول ويحترق لتكوين ثاني أكسيد الكربون.

– وعندما يتم تحول الحديد إلى صلب. والذي يستدل عليه عندما يختفي لهب أول أكسيد الكربون – يدار المحول حول محوره لمنع دخول الهواء مع استمرار التسخين حتى يتم التخلص من جميع الشوائب.

– وتحتاج هذه العملية داخل محول بسمر من 19 إلى 20 دقيقة يمكـن بعد تفريغ محتوياته.

– طريقة بسمر تعطى حديداً يحتوي على نسبة أقل مـن %0.3 كربون. وإذا لزم الأمر الحصول على صلب بنسب كربـون أعلـى فيمكن ذلك بطريقتين كما يلي:

• الأولى تعتمد على وقف تيار الهواء المندفع قبل تمام عملية احتراق الكربون.
• أما الثانية فتعتمد على إضافة كمية معينة من الحديد الزهر المحتوى على نسبة عالية من الكربون إلى منصهر الحديد الناتج داخل محول بسمر. ثم يدفع تيار من الهواء لفترة وجيزة تسمع بتقليـب محتوياتـه المحول.

عيوب طريقة بسمر

– يوجد عدة عيوب لطريقة بسمر منها فقد 10% من الحديد تقريباً من الحديد الكلي نتيجة لتأكسده إلى أكسيد حديد الذي ينتج مع الخبث بالإضافة إلى أن الصلب الناتج يحتوي على كمية ذائبة من الخبث مما يقلل القيمة الفيزيقية للصلب الناتج.

استخدامات الصلب الناتج من طريقة بسمر

– يستخدم الصلب الناتج بهذه الطريقة في صناعة المسامير، الأسلاك، أعمدة الإضاءة، حديد التسليح. ولذلك حلت طريقة جديـدة نسبياً وهـى طريقة الفرن المفتوح.

أنواع الصلب Types of Steel

يوجد خمسة أنواع أساسية من الصلب وهم كما يلي:

(1) صلب الكربون Carbon Steel

– ويشمل هذا النوع من الصلب أكثر من 90% من أنواع الصلب.

– هذا النوع من الصلب يحتوي على نسب مختلفة من الكربون.

– ويحتوي على نسبة من المنجنيز لا تزيد عن 0.6%.

– كما يحتوي على نسبة من النحاس لا تزيد عن 0.6%.

– كما يحتوي على نسبة من السيليكون لا تزيـد عـن 0.6%

– يستخدم هذا النوع من الصلب في صناعة الماكينات، وهياكـل السـيارات ومباني الصلب المعدنية … الخ.

(2) سبائك الصلب Alloy Steel

-هذا النوع من الصلب يتميز بتركيبة خاصة، حيث يحتوي على نسب من الفناديوم، والموليبيدنيوم، أو بعض العناصر الأخرى.

– كما يحتوي على نسب من المنجنيز، والسليكون، والنحاس أكبر من النسب الموجـودة فـي صلب الكربون.

– يستخدم هذا النوع من الصلب في صناعة تروس وأكسـات السيارات، وبعض المعدات التي تتطلب مواصفات خاصة.

(3) الصلب منخفض السبيكة عالي المتانة High-Strength Low Alloy Steel

– هذا النوع من الصلب يرمز له بالرمز HSLA ، ويعتبر من أحـدث أنواع عائلة الصلب.

– ويتميز بقلة تكلفة إنتاجه عن إنتاج النوع السـابق مـن سبائك الصلب، حيث يحتوى على كميات أقل من المواد غالية الثمن المكونة للسبيكة.

– وينتج هذا النوع للاستخدامات الخاصة، حيـث يتمتـع بمواصـفات صلابة عالية وخفة الوزن.

(4) الصلب المقاوم للصدأ Stainless Steel

– ويحتوي هذا النوع من الصلب في تركيبه على الكـروم والنيكـل، وبعض العناصر الأخرى التي تعطيه بريقاً خاصاً وتجعله مقاوم للتأكل، أيضاً تجعله مقاوم للأحماض والغازات.

– ويستخدم هذا النـوع فـي العديـد مـن الأغراض، مثل أنابيب وتنكات البترول، أيضاً في تصنيع وحـدات إنتـاج الكيماويات، والمركبات الفضائية، والأجهزة والأدوات المنزلية، وكثير من الاستخدامات الكثيرة.

(5) صلب الأدوات Tool Steel

ويحتوي هذا النوع في تركيبته على التنجستين، والموليبيـدنيوم ، وعناصر سبائكية أخرى، لها القدرة على اكساب الصلب متانة وصلابة عالية ، أيضاً تكسب الصلب القدرة على المقاومة للتآكل مما يجعلها تستخدم فـي آلات القطع.

المراجع:

• كتاب أسس الكيمياء الصناعية – الطبعة الأولى 2005 – أ.د. محمد مجدي واصل أستاذ الكيمياء الفيزيائية – كلية العلوم – جامعة الأزهر – مصر 
• العناصر الانتقالية – كتاب الصف الثالث الثانوي – جمهورية مصر العربية 2021
• أنتاج الحديد والفولاذ – كتاب الصف العاشر – كيمياء – سلطنة عمان – طبعة 2022