خاک آهن؛ ماده‌ای حیاتی در صنعت فولاد
خاک آهن یکی از بهترین مواد سازگار با محیط زیست است و در طیف گسترده‌ای از حوزه‌های صنعتی استفاده می‌شود. در بیان خصوصیات خاک آهن لازم به ذکر است که این ماده یک جزء اصلی در بسیاری از مکمل‌های غذایی بوده و علاوه‌بر این، در محصولاتی مانند قابلمه و تابه و در تولید فولاد بسیار پرکاربرد است.
نقش آهن در صنعت
آهن دومین فلز فراوان در پوسته زمین (بعد از آلومینیوم) است. که بیش از 98٪ از آن در روند تولید فولاد استفاده می‌شود و مقدار نسبتاً کمی از آن نیز در فرآیند تولید شمش چدن و آهن فرفورژه استفاده می شود. لازم به ذکر است که آهن با احیای سنگ آهن که اغلب مخلوطی از اکسیدها است و با استفاده از کربن، مونوکسید کربن و هیدروژن تولید می‌شود. یکی از مهم‌ترین فرآورده‌های مربوط به آهن این ماده است که علاوه‌بر استفاده در مکمل‌های غذایی در بسیاری از صنایع دیگر از جمله فولادسازی نیز بسیار پرکاربرد است. در ادامه، به مهم‌ترین کاربردهای مربوط به این خاک پرداخته می‌شود.
ماهیت ماده
این ماده از ذرات مختلف آهن شکل می‌گیرد. اندازه ذرات پودر آهن بین 20-200 میکرومتر متغیر است. پودر آهن به صورت تجاری در سه نوع پودر آهن احیا شده، پودر اتمیزه و پودر آهن الکترولیت موجود است. هر نوع از این پودرها، بسته به خواص خود در کاربردهای مختلفی استفاده می شود. به‌عنوان مثال، پودرهای آهن الکترولیتی که دارای خلوص، پایداری و مزیت اقتصادی هستند، همتراز با نمک‌ها و کلات‌های آهن معمولی برای غنی‌سازی آب و غذا استفاده می‌شوند.
کاربردها
لازم به ذکر است که کاربرد خاک آهن محدود به طیف خاصی نبوده و کاربرد آن بسیار گسترده است، در ادامه به برخی از رایج‌ترین انواع کاربرد این پودر پرداخته می‌شود:
به طور کلی، خاک آهن کاربردهای صنعتی و شیمیایی مختلفی دارد. در کاربردهای صنعتی از این محصول، برای فیلتراسیون و جداسازی لوازم صنعتی، تصفیه‌کننده هوا، خوشبو‌کننده‌ها و در کاربردهایی مانند جوشکاری و آهنرباهای نرم در الکترومغناطیسی استفاده می‌شود. پودرهای آهن همچنین در بازیافت مواد شیمیایی صنعتی نقش دارند و در کارخانه‌های فولاد و صنایع داروسازی مورد استفاده قرار می‌گیرند. با این حال، سهم عمده کاربرد خاک آهن، مربوط به حوزه متالورژی ذرات و استفاده در قطعات مختلف خودروسازی است. از پودر آهن به‌عنوان ماده‌ای پرکننده در مواد اصطکاکی مانند OEM خودرو و لنت‌ترمز و کلاچ استفاده می‌شود. پودرهای آهن همچنین به طور گسترده در ساخت قطعات متخلخل که در کاربردهای انتقال و موتور رایج هستند، استفاده می‌شوند. شایان ذکر است که با توجه به آنکه تولید جهانی خودرو به دلیل کاهش تقاضا کاهش یافته است، انتظار می‌رود تقاضا برای پودر آهن نیز تحت تأثیر منفی قرار گیرد.
از دیگر کاربردهای پودر آهن، می‌توان به تف جوشی و آلیاژسازی با فلزات دیگر اشاره کرد. همچنین، از آنجا که آهن به خودی خود بسیار مغناطیسی است، از آهن پودری اغلب برای ساخت کامپوزیت‌های مغناطیسی نرم (SMC)، نیز استفاده می‌شود.
کاربرد پودر آهن الکترولیتی
لازم به ذکر است که یکی از رایج‌ترین انواع خاک آهن، خاک آهن الکترولیتی (99.0٪ – 99.8٪ آهن) است که از طریق یک فرآیند پالایش الکتروشیمیایی پیچیده تولید می‌شود. پودر آهن الکترولیتی را می توان در طیف گسترده‌ای از کاربردها از جمله تصفیه آب‌های زیرزمینی و خاک‌ها ، هسته‌های مغناطیسی ، تولید مواد شیمیایی با خلوص بالا، تولید دارو، جاذب اکسیژن، رنگ‌ها / رنگدانه‌ها مورد استفاده قرار داد.
مزایای پودر آهن
مهم‌ترین مزایای این ماده مربوط به قیمت مناسب آن است. همچنین، پودر آهن، علاوه‌بر ارزان‌تر بودن نسبت به میله‌های آهن، به متالورژیست‌های پودر در طراحی ریخته‌گری‌‌های آهن، آزادی عمل بیشتری می‌دهد. زیرا می‌توان میزان منافذ را کنترل کرد. بیشتر آهن پودری در فرایند پخت استفاده می‌شود. و از مابقی آن برای ساخت محصولات مغناطیسی، لحیم کاری و مواد اصطکاکی برای‌ترمزها استفاده می شود. به بیانی دیگر، مهندسان و متالوژیست‌ها به این دلیل از پودر آهن استفاده می‌کنند که هم ارزان‌تر بوده و هم هنگام استفاده از پودر، کنترل بیشتری بر طراحی آهن دارند. به‌عنوان مثال، در طول فرآیند تف جوشی، زمانی که پودر از طریق فشرده سازی و گرما به جامد تبدیل می شود، متالورژیست‌های پودر ، قادر به کنترل میزان متخلخل بودن آهن هستند.
نحوه تولید
آهن یکی از قابل دسترس‌ترین فلزات است و قبل از اینکه به پودر آهن تبدیل شود، به صورت میله فلزی فرآوری می‌شود. رایج‌ترین فرآیند برای پودر کردن آهن، تجزیه گریز از مرکز است که در آن، میله‌های آهنی نازک در یک دوک( با یک قوس در یک انتهای آن) قرار می‌گیرند. در حالی که قوس، آهن را گرم می‌کند، دوک می‌چرخد و نیرویی ایجاد می‌کند که موجب متلاشی شدن میله‌ها می‌شود. اتمیزه کردن روشی است که در آن یک نازل نازک، آهن مذاب را به بیرون سر ریز می‌شود و یک جت گاز، جریان آهن را فشار داده و هنگامی که آهن سرد می شود، پودر ایجاد می‌کند.
لازم به ذکر است که در فرایند تولید این ماده، گاهی اوقات مواد دیگری مانند کربن، سیلیکون، اکسیدهای آهن یا منگنز نیز به خاک اضافه می‌شود. اضافه کردن این مواد به آلیاژسازی کمک شایانی می‌کنند ( به‌عنوان مثال اضافه کردن کربن به خاک آهن، برای ساخت فولاد کربنی یا اکسید آهن در ساخت چدن). لازم به ذکر است که افزودن فلزات دیگر بستگی به این دارد که چرا متالورژیست از پودر آهن استفاده می‌کنند.
خاک آهن کربونیل
ماده‌ی مذکور یک آهن بسیار خالص است که از تجزیه شیمیایی پنتا کربونیل آهن خالص تهیه می‌شود. این خاک، معمولاً ظاهری پودر خاکستری دارد که از ریز ذرات کروی تشکیل شده است. بیشتر ناخالصی‌های این پودر آهن، کربن، اکسیژن و نیتروژن هستند. در الکترونیک، از خاک آهن کربونیل برای ساخت هسته‌های مغناطیسی سیم پیچ‌های فرکانس بالا و در تولید برخی از فریت‌ها استفاده می‌شود. ذرات کروی ساخته شده از آهن کربونیل به‌عنوان جزئی از مواد جاذب رادار مورد استفاده در بخش نظامی، به‌عنوان مثال در وسایل نقلیه رادارگریز استفاده می‌شود. در داروسازی نیز از پودر آهن کربونیل برای درمان کمبود آهن و به‌عنوان مکمل غذایی آهن استفاده می شود.
بررسی اجمالی بازار پودرهای آهن
انتظار می رود که بازار این ماده در آینده رشد چشمگیری داشته باشد. یکی از عوامل کلیدی بازار، افزایش تقاضا برای غنی‌سازی مواد غذایی است. با این حال، انتظار می رود کاهش سرعت در صنعت خودرو نیز به‌عنوان یک مهارکننده برای بازار پودر آهن عمل کند. به بیانی دیگر، بازار جهانی پودر آهن با نرخ ثابتی در آسیا و اقیانوسیه در حال رشد است و بیشترین مصرف آن مربوط به کشورهای چین، هند و ژاپن است. با وجود اینکه تجاری‌سازی پودرهای آهن در ایالات متحده و اروپا آغاز شده است، اما امروزه مرکز جهانی تولید آن به چین منتقل شده است. ژاپن و چین با اختلاف زیادی، بزرگترین تولید کننده پودر آهن در جهان به شمار می‌روند. البته هند نیز بخش قابل قابل توجهی از تولید خاک آهن را به خود اختصاص می‌دهد. به طور کلی، انتظار می رود آسیا و اقیانوسیه در آینده‌ای نزدیک بر بازار پودر آهن تسلط داشته باشند.
نتیجه‌گیری
این فرآورده یکی از مواد جانبی پر اهمیت در حوزه صنعت فلزکاری به شمار می‌رود و در بسترهای فراوانی به کار گرفته می‌شود. این محصول از خرد شدن و سایش فولاد و سایر آلیاژهای آهنی در روندهای گوناگون کارخانه‌ها به وجود می‌آید که در قالب مجموعه‌ای خاص از خصیصه‌های فیزیکی و شیمیایی طبقه‌بندی می‌شود.
بالا رفتن میزان حجم بازیافت و به کارگیری مجدد از ماده‌ی از فوق، یکی از شیوه‌هایی است برای پایین آمدن در استفاده از منابع طبیعی، صرفه‌جویی در هزینه و کاهش تولید آلاینده برای بهبود محیط زیست که امروز یکی از مهم‌ترین مسائل در عرصه جهانی تلقی می‌شود. استفاده مجدد از این ماده در سیر ساخت علاوه‌بر آنکه در کاهش میزان ضایعات و نتایج منفی کاربرد دارد، بلکه توانایی شکل‌گیری راهکارهای تازه در جهت صنایع را نیز به ارمغان می‌آورد.
