مقدمه
گسترۀ وسیعی از آلیاژهای فلزات آهنی و غیر آهنی در ساختمانها کاربرد دارند, ولی آهن,فولاد,آلومینیوم, مس,سرب و روی غالب تر هستند. رویکرد ئنوین در عرصۀ ساخت و ساز به سمت تولید آلیاژهای بادوام تر و استفاده از روکشهایی برای ایجاد محافظت و گوناگونی ظاهری در انواع محصولات است.به طور کلی از فلزات برای تولید فلزات از مواد خام انرژی زیادی لازم است, به هر حال مصرف انرژی فراوان در برابر عمر طولانی و قابلیت بازیافت محصولات فلزی زیاد نمی ناید. تقریباً۵۰% تولید کنونی فولاد در دنیا از آهن قراضه می باشد.
فلزات آهنی :
بشر از دیر باز با آهن و فولاد و چدن که امروزه به عنوان پر مصرف ترین فلزات جهان می باشند, آشنا بوده است. استفاده از آلیاژهای اهن در بنا حتی در میزان بسیار اندک و محدود در ابنیۀ اعصار گذشته کمتر به چشم می خورد.اما تنها از اوائل قرن هیجدهم با پیشرفت صنعت, استفاده از این فلز رو به فزونی گذاشته است. از این طریق ایده های نو و پدیده های بدیع وارد صنعت ساختمانی گردید. در ابتدا از آهن براغی کارهای جزئی همچون تزئینات و کلاف بندی بناهای سنگی استفاده می شد. در همین زمان در بعضی از پوشش های کم وزن مثل سقف تئاتر فرانسه که در بوردو ساخته شد به کار رفت, اما به علت عدم توسعه صنایع تصفیۀ آهن استفاده از این فلز محدود است. در اواسط قرن هیجدهم در انگلستان قدم های شایان توجهی در بهبود و پیشرفت صنعت آهن برداشته شد. در اواخر این قرن نتایج این پیشرفتها در اختیار عموم قرار گرفت و این صنعت با توجه به توسعه روز افزون صنایع اسلحه سازی بهبود حاصل کرد و اولین ابنیه با اعضای باربر فلزی همچنین پل های فولادی بنا شدند و فصل نوینی در تاریخ ساختمان سازی آغاز شد و دروازه های استفاده از آهن در ساختمان گشوده شد.
قدیمی ترین مورد مصرف آهن در تولید اسلحه و وسایل دیگر در عرصه آهن در اروپا در قرن سیزدهم میلادی بوده است , پیشرفتهای با ارزش در استفاده از آهن در ساختمان , استفاده از یک زنجیر از جنس آهن نرم تحت کشش در کنبد کلیسای سنت پاول(pale) برای جلوگیری از ریزش دیواره ها به بیرون و استفاده از چدن توسط پاکستون در قسمتهای پیش ساخته ساختمان کریستال پالاس (قصرۀ بلورین) در سال ۱۸۵۱م. می باشند. فولاد مادۀ نسبتاً جدیدی است و در مقادیر صنعتی تنها در اواخر قرن ۱۹, پس از توسعه روش بسمر به دست آمد. اولین ساختمان بلند۱۰ طبقه با اسکلت فلزی در اسل ۱۸۵۸م. در شیکاگو توسط ویلیام لوبادن جنی ساخته شد.( تصویر شمارۀ ۱)
متالوژی آهن و فولاد :
روند متالوژی برای تولید محصول فلزی با شکل و خاصیت مورد نظر به کاربرده می شود. تولید چدن اولین قدم در تبدیل سنگ آهن که مخلوطی از اکسیدهای آهنی و نمکهای معدنی و مخلوطی از ۵سیلیس,آلومین,سنگ آهک وسایر اجزای است, می باشد.
با ارزش ترین سنگ معدنی برای تولید چدن, سنگ آهن مغناطیسی یا مگنتیک, هماتیت,لیمونیت,و سنگ آهن اسپانیک می باشند که باید از ناخالصی های ومضر مانند سولفورها و فسفرها عاری باشند.بیشترین مقدار آهن در آنها برای مگنتیت و هماتیت تا ۷۰% می باشد. آهن موجود در سنگ آهن لیمونیت و اسپانیک معمولاً کمتر از ۵۰یا ۶۰% است.
سوخت در روند کوره بلند ذوب آهن کک می باشد که محصول تصفیه و خشک کردن زغال در درجه حرارت بین ۹۰۰تا ۱۱۰۰ درجه می باشد. از کک فقط برای تولید حرارت استفاده نمی شود, بلکه به منظور احیای سنگ آهن نیز به کار می رود.
درجۀ حرارت ذوب سنگ معدنب به کمک بارگیری مواد گدازآوری مانند سنگ آهک, کوارتز کاهش می یابد.
در این کورۀ استوانه ای شکل که از جنس فولاد و به کمک آجر نسوز آستر شده است و کورۀ بلند نامیده می شود, چدن به صورت مذاب به دست می آید. مواد اولیه بر اساس مقادیر از پیش مشخص شده از بالای کوره بارگیری و بر اساس نیروی جاذبه به سمت پائین کوره هدایت می شوند و رفته رفته داغتر می شوند تا به حالت مذاب در می آیند.مواد مذاب حاصل شامل آهن خام و سرباره می باشند که به سمت بوته کوره که قسمت تحتانی استوانه است جاری می شوند. و به علت وزن مخصوص متفاوت آهن و سرباره این دو از یکدیگر جدا می شوند و آهن توسط شیر تخلیۀ تحتانی و سرباره توسط شیر تخلیه فوقانی از انتهای کوره بلند تخلیه می شوند.( تصویر شمارۀ ۲)
هوای داغ نیز از طریق مجراهایی که در بالای محل بوته قرار گرفته اند به داخل کوره دمیده می شوند. کک به کمک اکسیژن موجود در هوا می سوزد.دی اکسید کربن حاصل به بالای کوره صعود می کند و با گذر از کنار زغالهای کک فوقانی به دست آمده, روش تولید آهن اسفنجی نیز نامیده می شود.
بخشی از آهن موجود در کورۀ بلند در دمای بین ۹۰۰تا ۱۱۰۰ درجۀ سانتی گراد با مونوکسید کربن واکنش شیمیایی نشان می دهد و به صورت کربید آهن در می آید.
تولید آهن از یکسری عملیات متوالی تشکیل شده که کاملاً به هم وابسته هستند تا حداکثر بازدهی را در این عملیات انرژی بر تضمین کنند.
سنگ آهن تولید سربارۀ مایعی می کند که بر روی آهن مذاب شناور می شود. ناخالصی های آهن جذب سرباره شده و آهن تخلیص می شود. کل این روند مداوم است و کورۀ ذوب هرگز خاموش نمی شود, چون راه اندازی روبارۀ کوره با آجرهای نسوز مخصوص گران قیمت و زمانبر است.هرچند وقت یکبار, هنگامی که وزن سرباره بالا می آید, اضافی آن تخلیه می شود و به عنوان« تولید فرعی » به مصرف دیگری می رسد. وقتی برای روند فولاد سازی « فلز مذاب» نیاز باشد آن را درون بوته های بزرگی می ریزند و به طرف مبدل (آهن به فولاد) انتقال می دهند. در این مرحله آهن فقط۹۵-۹۰ درصد خالص است و دارای ناخالصی های سولفور, فسفر, منگنز و سیلیکات و حدود ۵-۴ درصد کربن است.یک کورۀ بلند معمولاً بدون توقف حدود ۴۱۰ سال کار می کند و در این مدت ۴۰۰۰۰ تن آهن در هر هفته تولید می کند.
از سربارۀ کورۀ بلند ذوب آهن به عنوان مواد با ارزشی برای تولید مصالح ساختمانی استفاده می شود. از آن جمله برای تهیۀ سیمان, بلوک,مصالح عایق حرارتی مانند «پشم سنگ» بهره برداری می شود.از گازهای کورۀ ذوب آهن نیز به عنوان منبع حرارت در قسمتهای مختلف کارخانه استفاده می شود.
میزان کربن در فلزات آهنی :
مقدار کربن که با آهن آلیاژ شده به خاطر اثر مخصوصش بر ساختار بلوری میکروسکوپی تآثیری مشخص بر خواص فیزیکی فلز می گذارد.برخی از اشکال کریستالی کربن و آهن که با نسبت آهن و کربن بستگی دارند,مثل: فریت, پرلیت و سمانتیت در دمای معمولی پایدار هستند, اما با افزایش دما , اشکال کریستالی فوق ناپایدار می شوند و در شکل گیری مجدد,کریستال ارسنیت را پدید می آورند, این ساختار را می توان با آبدیده کردن سریع فولاد داغ سرخ در دمای معمولی به تآخیر انداخت , در حقیقت با این روش از بلوریزه شدن دوباره که روندی طبیعی است جلوگیری می کنیم. این اثرات در عملیات مختلف گرمایی که برای بهبود خواص فیزیکی فولاد بر روی آن لنجام می شودبه خوبی پدیدار می شوند.( جدول شمارۀ ۱)
آهن خالص (نرم): این آهن فقط (۰۲/۰) درصد کربن دارد و در روش سنتی با ذوب و اکسیده کردن چدن در یک کورۀ پاتیلی چرخان بدست می آمد. این کار از نظر تئوریک تا سوختن تمام کربن آهن خام ادامه می یابد تا آهن نرم خمیری شکل بدست می آید که از کوره خارج می شود و چکش کاری می گردد.آهن نرم به خاطر مخلوط شدن تصادفی مواد سرباره با آن حالتی فیبری دارد (در آن ناخالصی به صورت فیبر وجود دارد) و ناخالصی هایی مثل سولفید منیزیم به همراه دارد. این فیبرها در چکش کاری به رگه های درازی تغییر شکل می یابند.
آهن نرم دمای ذوب بالایی در حدود ۱۵۴۰ درجۀ سانتی گراد دارد. در قدیم برای وسایل و قسمتهایی که باید کشش را تحمل می کرند, به کار می رفت. چون مقاومت کششی آن ۳۵۰نیوتون بر میلی متر مربع است, این نوع آنها انعطاف پذیر است و قابلیت کاربردی بالایی دارد و به راحتی در دمای سرخ پرسکاریو به همین خاطر مقاومت بالاتر از انتظار در برابر خوردگی نشان می دهد و برای تولید کارهای آهنی تزئینی به کار می رود و به علت دمای ذوب بالایش جوش کاری یا ریخته گری با آن امکان پذیر نیست.
آهن معمولی: این آهن حدود ۲درصد کربن دارد و با کربنیزاسیون آهن خام و آهن قراضه در یک کوره توسط کک به دست می آید, دمای ذوب پائین (حدود۱۱۳۰درجۀ سانتی گراد) و روانی بالای آن پس از ذوب آن رام برای ریخته گری مناسب می سازد ولی, برخلاف آهن نرم, نمی توان روی آن در حالت مذاب کار کرد و عموماً یک مادۀ شکننده می باشد.مقاومت آن در برابر خوردگی به خوبی دیگهای بخار, وسایل داخل خیابان و کالاهای سنتی و هدایت آب باران (ناودان ها) است. انواع مختلف آهن ریخته گری به ساختارهای کریستالی مختلف آن بستگی دارند, چدن خاکستری که بیشتر مورد استفاده است بلورهای ریز گرافیت دارد که لاعث خصوصیت شکنندگی می شود و رنگ خاکستری را در مقاطع پدید می آورند. کربن چدن سفید به صورت بلور سمانتیت (کربید آهن) می باشد که از سرد کردن سریع مذاب حاصل می شود. این ماده را می توان نرم کرد تا درجۀ شکنندگی آن کاهش یابد. نوعی دیگر از آهن خام که انعطاف پذیر تر است (چدن چکش خوار ) با اضافه کردن منیزیم و سیلیکات آهن خام که باعث بلوری شدن کربن و تبدیل آن به گره های گرافیت می شود پدید می آید.این ماده مقاومت کششی بیشتری دارد و مقاومت آن در برابر ضربه خیلی بیشتر است. همۀ انواع چدن در برابر فشار مقاوم هستند.
محصولات آهنی مورد وصرف در خیابان (خیابانی) , مثل دریچۀ فاضلاب, که از مقادیر عظیم چدن خاکستری بازیافتی تولید می شوند سنگین ولی شکننده هستند. در جاهایی که مقاومت بیشتری در برابر ضربه نیاز است , مثل جاده های عمومی, قطعات سبکتر و انعطاف پذیر تر آهنی استفاده می شوند. کالاهای مربوط به هدایت آب باران(ناودانهاو…) که با روشهای سنتی (قالب ماسه) ریخته گری می شوند معمولاً از چدن خاکستری ساخته شده اند, در حالی که سیستم های فاضلاب از چدن خاکستری و همچنین چکش خوار ساخته می شوند. چدن در آتش خیلی زود نرم نمی شوند ولی اگر سریع با آب (آبفشانی) سرد شود ترک می خورد.
فولادها: گسترۀ وسیع انواع فولاد موجود در بازار نشان دهنده خصوصیات مختلفی است که به درصد کربن, عملیات مختلف گرمایی و اضافه کردن مواد آلیاژیث بستگی دارند. مقایسۀ کربن فولاد معمولاً بین(۰۷/۰تا۷/۱ درصد) نوسان می کند و همین به تنهایی طیفی وسیع از ویژگیهای فیزیکی پدید می آورد.فولادهای کم کربن (۱۵/۰تا۰۷/۰درصد) و فولاد چکش خوار (۲۵/۰تا ۱۵/۰ درصد) معمولاً نرم هستند و می توان در سرما بر آنها کارهای زیادی انجام داد. فولادهای کربن متوسط _۵/۰تا۲۵/۰ درصد) که معمولاً بر روی آنها عملیات گرمایی انجام می شود, سخت هستند و فولادهای کربن بالا _۹/۰تا۵/۰ درصد) و فولاد ابزار سازی _۷/۱تا۹/۰ درصد) مقاومت بیشتری در برابر صدمه (ضربه, خراش,…) از خود نشان می دهند که با افزایش کربن بیشتر می شود.
فولاد :
به کمک کاهش ناخالصی کربن و سایر مواغد زائد, فولاد را از چدن سفید تهیه می کنند.
روشهای امروزی برای ساخت فولاد شامل روش اکسیژن,اپن هارت (زیمنس۰مارتن) و روش فولاد سازی با کورۀ الکتریکی می باشند.
صرف نظر از روش تولید, روند فولاد سازی اکسیداسیون ناخالصی های نامطلوب می باشد که تبدیل به سرباره می شوند و یا می سوزند.
در روش بسمر و اکسیژن, هوا یا گاز اکسیژن به داخل پاتیل متحرک که با چدن مذاب بارگیری شده است با فشار دمیده شده و باعث اکسید شدن ناخالصی ها می شود.( تصویر شمارۀ۳)
در روش اپن هارت این عمل به کمک سوخت تسریع می شود و در کوره های الکتریکی که با چدن سرد و آهن قراضه بارگیری می شود حرارت ناشی از ایجاد قوس الکتریکی بین الکترودها و آهن آلات درون کوره موجب ذوب و اکسید شدن ناخالصی های مطلوب می شود.( تصویر شمارۀ ۴)
روش پاتیل اکسیژن ,فولادی مشابه کورۀ اپن هارت تولید می کند. ولی بسیار ارزانتر می باشد. در عوض در روش اپن هارت امکان تولید فولادهای آلیاژی(فرو وانادیم- فرو کرم) را فراهم می کند و در روش الکتریکی که گران ترین روش می باشد تولید فولادهای ویژه (ضد زنگ,ضد اسید و ضد حرارت۹ امکان پذیر می شود. یکی از روشهای جدید تولید فولاد روش پاشیدن است که ا تبدیل چدن مذاب به ذرات بسیار ریز به کمک فشار اکسیژن, فولاد تولید می شود. این عملیات در مخزن ویژه ای انجام میگیرد.
در ایران دو روش استاندارد برای تولید فولاد وجود دارد. روش اکسیژن برای تولید مقادیر زیاد فولاد معمولی و روش کورۀ قوس الکتریکی برای تولید فولاد با کیفیت بالا به خصوص فولادهای آلیاژی به کار می رود.
خواص فولاد:
– وزن مخصوص فولاد۸۵/۷ تن در متر مکعب است. مقاطع مختلف فولاد بر حسب متر و یا متر مربع جدول بندی شده اند و در محاسبات از این گونه جداول که سایر خصوصیات مکانیکی قطعه در آنها جای گرفته, استفاده می شود.
– تاب کششی و یا مقاومت ارتجاعی فولادها متفاوت است. بر اساس نوع مصرف, فولادهای گوناگونی تهیه می شود که آنها را نام گذاری متفاوتی نیز کرده اند. اکنون ساخت فولادهای ۳۳,۳۷,۴۵,۵۰,۵۲ برابر استاندارد آلمان در کارخانه های ذوب آهن متداول است. که به ترتیب مشخص کنندۀ تاب کششی ۳۳۰,۳۷۰,۴۵۰,۵۰۰,۵۲۰نیوتن در هر میلیمتر مربع می باشد.
– تاب فشاری, برشی,خمشی,ضربه ای, سختی و شکنندگی فولادها بر حسب آلیاژ آنها متغیر است.
– ضریب انبساط فولاد با ازدیاد حرارت از صفر تا ۱۰۰دجۀ سانتی گراد برابر ۲درصد محاسبه می شود.
– تآثیر رطوبت و نمکها بر فولاد بسیار زیاد است و به سرعت اکسیده می شود یا می پوسد. برای مقابله با این مسآله از آلیاژهای کرم , نیکل, وانادیوم و مولیب دنوم استفاده می شود. می توان سطح آن را قلع اندود (حلبی) یا آن را روی اندود نمود(آهن سفید) یا به وسیلۀ رنگ و سرنج آن را در برابر رطوبت حفظ کرد.
– شکل پذیری فولاد باعث می شود که برای مصارف گوناگون بتوان از آن مقاطع متنوعی پدید آورد. از جمله مقاطع فولادی می توان انواع زیر را نام برد:
ورق-تسمه-آرماتور(با مقطع دایره ساده, دایرۀ آجدار, نیم دایره,مربع و شش گوشه) مقطع یا پرفیل معمولی- نبشی –سپری-ناودانی-زد-کلاهی-ریلی-لوله و همین طور مقاطع مختلف برای چهار چوب در و پنجرۀ فولادی.
( تصویر شمارۀ ۵)
قابلیت اتصال : با استفاده از اتصال تر یا خشک می توان قطعات مختلف آهنی را به یکدیگر متصل نمود. و قطعه یا قطعات یکپارچه ای به دست آورد. در قسمت اتصالات فولاد توضیحات بیشتری ارائه شده است.
تآثیر ناخالصی ها در کیفیت فولاد:
– کربن بیش از حد, فولاد را ترد می کنهد و بر سختی آن می افزاید. کمبود آن باعث افزایش خاصیت چکش خواری فولاد می شود. کرین عامل پائین آمدن درجۀ ذوب فولاد است.
– منگنز و سیلیسیوم, تاب کششی و سختی فولاد را افزایش می دهند و مانع از چکش خواری و شکل پذیری آن می شوند.
– فسفر, فولاد را ترد و شکننده می کند.
– گوگرد, عامل پائین آمدن تاب ضربه ای در فولاد است و همین طور باعث می شود که فولاد مذاب به حالت خمیری و سفت باشد.
– کرم, تاب کششی فولاد را افزایش می دهد و مانع از زنگ زدن آن می شود. فولاد ضد زنگ قریب به ۱۲% کرم همراه دارد و به این منظور می توان از آلیاژ نیکل و مولیب دنوم نیز استفاده کرد.
– مس ,آلیاژ فولاد و مس زنگ نمی زند و دیر می پوسد.
عملیات گرمایی بر روی فولاد :
ویژگی های مکانیکی فولاد را می توان با عملیات مختلف گرمایی که شامل گرمایش تا یک دمای ویژه و سپس سرد کردن تحت شرایط مشخص و کنترل شده می باشند, تغییر داد.
– سخت کردن: فولادی که به سرعت سرد شده (آبدیده) و در دمایی بالا در آب یا روغن فرو برده شده, حالت بلوری خود را در دمای بالای حفظ می کند و سخت می گردد ولی شکننده است. این اثر در فولادهای پر کربن بیشتر مشخص است که در این حالت برای کارهای مهندسی مناسب نیستند.
– نرم کردن و بی بلور کردن: این دو روند عبارتند از : نرم کردن فولاد سخت, با شکل دادن دوباره بلورها که تنشهای داخلی ماده را آزاد می کند و ساختار دانه ای یکنواخت تری ایجاد می کند. برای نرم کردن, فولاد گرم می شود و در دمایی بالا تر از ۷۰۰درجۀ سانتی گراد قرار داده می شود و آنگاه به آرامی به سرعتی کنترل شده در یک کوره یا ظرف خنک کننده سرد می شود و این کار نرم ترین فولاد را برای هر ترکیبی به ما می دهد. در بلورگیری ,فولاد تا دمایی مشابه با نرم کردن برای مدتی کوتاه تر گرم می شود و آنگاه کمی سریع تر در هوا سرد می شود, این عمل باعث می شود تا عملیات بعدی نظیر ماشین کاری را بتوان بر فولاد سرد راحت تر انجام داد.
– ملایم کردن: در این روند فولاد را تا دمای ۶۰۰-۴۰۰ درجۀ سانتی گراد گرم می کنند و آنگاه در هوا سرد می کنند. در این عمل سختی مواد کم می شود چون کمی از بلوها تغییر می کنند. مقدار این اثر بستگی مسقیم با دمای نهایی دارد.هرچه دما بالاتر رود انعطاف پذیری بیشتر و مقومت کششی کم می شود.
– کربوریزه کردن: می توان بدنه قطعات را سخت کرد, به این صورت که در لایۀ سطحی آنها درصد بیشتری کربن «تزریق» کرد بدون اینکه درصد کربن لایه های دیگر تغییر کنند, به این ترتیب سطحی سخت خواهیم داشت که شکننده نخواهد بود و در برابر ضربه مقاومت خواهد کرد.معمولاً این روند شامل گرم کردن قطعه در داخل زغال سنگ یا یک مادۀ کربنی دیگر در دمای حدود ۹۰۰درجۀ سانتی گراد به مدت چند ساعت می باشد. آنگاه بر روی قطعات عملیات گرمایی دیگری انجام می گیرد تا سختی سطح کاملاً تنظیم شود.
تولید قطعات فلزی :
– ریخته گری: اجزای لزی ممکن است به وسیلۀ ریختن فولاد و یا آهن مذاب در قالب مخصوص که به ریخته گری موسوم است تولید گردند. این روش برای اجسام جسیم که ممکن است تا ده ها تن وزن داشته باشند نیز به کار می رود. قطعه بدست آمده پس از ریخته گری ماشین کاری و برای مصرف مورد نظر آماده می شود.( تصویر شمارۀ ۶)
– نورد:یک روش ارزان و فراگیر برای تولید قطعات فلزی است. نورد قطعات از شکل دادن به شمش فلزی که از میان غلتکهای دوار به صورت مرحله ای عبور می کند تشکیل می شود. قطعۀ اولیه به مرور از لحاظ شکل مقطع به قطعه نهایی نزدیکتر می شود و در نهایت ه شکل حاصل از غلتکهای نهایی در می آید. این روش ممکن است به صورت نورد سرد یا گرم انجام پذیرد.
روش نورد سرد برای فلزات با درج. خمیری بالا مانند قلع یا سرب و یا ورقه های فولادی با مقطع نازک(به علت آنکه به سرعت حرارت خود را از دست می دهند) به کار می روند.
بخش اعظم از فراورده های فولادی عموماً به روش نورد گرم که در آن حرارت قطعه بین ۹۰۰تا ۱۲۵۰ درجۀ سانتی گراد است تولید می شوند. شکل گیری شمش فولادی با عبور از تعداد زیادی از غلتکها انجام می شود که قدم به قدم قطعه را به شکل نهایی نزدیکتر می کنند.( تصویر شمارۀ ۷)
بیشتر قطعات فولادی ساختمان شامل تیرها, ریل ها ,ورقها, میلگردها و حتی ولوله ها به این روش تولید می شوند.
– چکش کاری ,روشی است که در آن قطعۀ فلزی به کمک ضربات مستمر چکش یا پرس به شکل مورد نظر نزدیک می شود. برای ساختن پرچ و گل میخ از روش چکش کاری استفاده می شود.
در عمل اکثر قطعات فولادی مورد مصرف در ساختمان به کمک نورد ,چکش کاری ,پرس کردن و کوبیدن شکل می گیرند.
– کشیدن : به کمک عمل کشش بر روی یک قطعه فلزی صوراخ دار(شابلون) که قطعه فلزی اولیه از داخل آن عبور می کند به نحوی که شمش به شکل الگوی مورد نظر در آید صورت می پذیرد. این روش معمولاً به صورت سرد صورت می گیرد و قطعه بدست آمده, کاملاً‌مشابه قالب مورد نظر است.
قطعات با جدارۀ نازک و میله های چهار گوش , شش ضلعی که قطر مقطعی بیش از ۱۰ میلیمتر ندارند به روش کشیدن ساخته می شوند.
– شکل دهی سرد , شامل شکل دهی ورقها به کمک ماشین شکل دهی می باشد. شکل دادن ورق فولادی به این روش به راحتی و به اشکال مورد نیاز صورت می پذیرد و بسیار ارزانتر از روش نورد گرم خواهد بود. زیرا ضخامت آنها کمتر از ۲ میلیمتر می باشد. برای ساخت پروفیل های در و پنجره از این روش استفاده می شد.
– لوله سازی, برش کاری , تراش کاری از دیگر روشهای ساخت قطعات فولادی می باشند.
فولادهای سازه ای:
میزان کربن فولادهای سازه ای جوش پذیر در حدود(۲۵/۰ تا ۱۶/۰ درصد) است. فولاد سازه ای معمولاً بلورگیری شده است.
میزان قابل توجه ازدیاد طولی که موجب می گردد تا مقاطع ضخیم تر آهسته تر از مقاطع نازک سرد شوند موجب افزایش تفاوت های مشخصی در ویژگی های فیزیکی می شود. به طوری که مقاومت ویژۀ یک مقطع ۹۰ میلیمتر می تواند از یک مقطع ۱۶ میلیمتر حدود ۱۰ درصد کمتر باشد.
مقاطع توخالی:
مقاطع تو خالی لوله ای, مربعی یتا مستطیلی معمولاً از ورق ساخته می شوند که به تناوب خم می شود تا کاملاً بسته شوند, آنگاه آنها را از یک مدار الکتریکی با فرکانس بالا , عبور می دهند تا لبه های آن را تا نقطه ذوب گرم کنند, سپس لبه ها را هم تحت فشار قرار می دهند تا مقطع لوله ای کامل شود, برآمدگی اضافی را از سطح قطعه پاک می کنند و مقطع تو خالی را تا دمای ۹۵۰-۸۵۰ درجۀ سانتی گراد گرم می کنند و با نورد گرم به مقاطع مورد نظر تبدیل می کنند. لوله با ابعاد کوچکتر را تا دمای ۱۰۵۰-۹۵۰ درجۀ سانتی گراد گرم می کنند و می کشند تا مشخصات آن برابر با استاندارد مورد نظر شود.
خم کردن مقاطع سازه ای:
تیرهای زنبوری, نورد شده, توخالی و قسمتهای دیگر را می توان توسط کارگاه های متخصص به شکل های خمیده در آرود. کوچکترین شعاع ممکن به خصوصیات متالوژی , ضخامت و مقطع قطعه بستگی دارد, عموماً قطعاتی را که مقطع کوچکتری می توان خم کرد, هرچند برای یک اندازه مشخص مقطع, آنکه سطح مقطعش لبه های ضخیم تر دارد به شعاعهای کوچکتری در می آید, معمولاً قطعات توپر را می توان تا شعاعهای کوچکتر یخم کرد. سازه های زیبا( تصویر شمارۀ ۸) را می توان از قطعات خمیدۀ استاندارد یا تیرچه های خمیدۀ نازک ساخت. روش قدیمی خم کردن فولاد را سخت می کند ولی خواص الاستیکی آن را تغییر زیادی نمی دهد و آن را برای سازه نامناسب نمی سازد.
محافظت فولاد سازه در برابر آتش:
برای محافظت از فولاد ساختمانی در برابر آتش می توان از روشهای سنتی یعنی استفاده از مواد عایق در برابر حرارت, که هر یک مدت زمان خاصی در برابر آتش مقاومت می کنند بهره برد ( تصویر شمارۀ ۹) یا با استفاده از یک دسته محاسبات مهندسی سرعت احتمالی بالا رفتن دمای قسمتهای فولادی را در هر حالت بر اساس قدرت آتش و میزان برهنگی قطعۀ فولادی, محاسبه کرد.
محافظت های کاربردی برای فولاد:
– پوشش های اسفنجی: پوشش های نازکی از مادۀ اسفنجی می توانند تا ۱۲۰ دقیقه در برابر آتش مقاومت کنند و تآثیر زیادی بر خواص زیبا شناسی فولاد برهنه نمی گذارند. رنگ های مختلف این نوع پوشش برای استفاده با اسپری, برس یا غلتک رنگ وجود دارد.
– پوشش های پاشیدنی: این نوع پوشش ها را که مادۀ اصلی آنها سیمان و ورمیکولیت یا فیبرهای معدنی می باشند می توان مستقیماً بر روی فولاد به کار برد و تا حدود ۴ ساعت در برابر آتش مقاومت کنند. این روش کار به ویژه برای فولاد سازه ای در حفره های درون سقف و یا داخل سقف کاذب مناسب است و پاشیده شدن آن بر قسمتهای دیگر مهم نیست. سطح پایانی بسیار زبر است و این تولیدات ارزان هستند و ضخامت سطح پایانی را می توان به دلخواه تنظیم کرد.
– سیستم های تخته ای: پوششهای ساخته شده از تخته های سبک به دور فولاد, بسته به ضخامتشان از ۳۰ دقیقه تا ۴ ساعت در برابر آتش مقاومت می کنند. این محصولات معمولاً از سیمان و ورمیکولیت یا فیبرهای معدنی در داخل سیمان, سیلیکات کلسیم یا چسبندۀ گچی ساخته شده اند. سیستم های تخته ای را مستقیماً به فولاد سازه ای یا به اسکلت ظریف دیگری پیچ می کنند و یا با یک یا چند نگهدارنده به صورت جعبه در اطراف فولاد سازه ای به همدیگر متصل می کنند. محصولاتی که سطح نهایی متنوعی دارند در بازار موجود هستند البته نوع ساده را نیز می توان در کارگاه پرداخت کرد.
– پوشش های پیش ساخته (ورق فولادی با پوشش): پوشش فولاد- ورق که ملات ورمیکولیت, روی آنها کشیده شده ظاهری عالی دارند و تا ۴ ساعت در برابر آتش مقاومت می کنند. در محاسبۀ مقاومت آنها در برابر آتش فقط پوشش مهم است و خود ورق را در نظر نمی گیرند.
– آجر و بتن: فولاد سازه ای را می توان کاملاً با آجر یا بتن سبکی که به اندازه کافی تقویت شده پوشاند, در بتن سبک نباید نباید از مادۀ پر کنندۀ خرد شونده استفاده کرد و باید آن را به اندازه کافی تقویت کرد. ستونهای توخالی فولادی را می توان با بتن ساده یا مسلح شده میلگرد یا فیبر پر کرد که حداکثر ۱۲۰ دقیقه در مقابل آتش دوام دارد. برای بتن ساده یا مسلح با فیبر, سطح مقطع باید حداقل (۱۴۰×۱۴۰) یا(۲۰۰×۱۰۰) باشد و برای بتن مسلح با میله(۲۰۰×۲۰۰) یا(۲۵۰×۱۵۰) باشد.(ابعاد به میلیمتر می باشد.)
– سیستم های آبی : قطعات فولادی توخالی متصل به هم را می توان با یک سیستم پمپی یا تغذیه با جاذبه با آب پر کرد. آب از دست رفته دوباره تآمین می شود و مواد ضد خوردگی و ضد یخ نیز به آن اضافه می شوند.
– مهندسی آتش :سرعت گرم شدن یک قطعه فولادی در داخل آتش به شدت آتش و میزان برهنگی فولاد و تماس آن با آتش بستگی دارد. در جایی که نسبت سطح به سطح مقطع قطعۀ فولاید کم باشد که (HP/A) ( تصویر شمارۀ۹) دمای آن با سرعت کمتری بالا می رود و بالعکس. در راه حلهایی که با مهندسی آتش به دست می آیند آبتدا شدت آتش احتمالی بر اساس سوختنی های موجود,سرعت گردش هوا و خواص گرمایی محاسبه می شود و آنگاه بر اساس برهنگی فولاد ساختمانی سرعت بالا رفتن دمای آن پیش بینی می شود, در این صورت با در نظر گرفتن نوع و مقاومت بار گذاری و عوامل دیگر سازه ای, میزان پایداری آن بدست می آید. با این محاسبات می توان فهمید که آیا نیازی به محافطت می باشد و یا به چه میزانی مورد نیاز می باشد. بسته به وضعیت موجود, یک ستون بدون محافظ مقطع(HP/A) کمتر از ۵۰ که کاملاً بارگذاری شده باشد تا ۳۰ دقیقه در برابر آتش مقومت می کند, همچنین, ستونهای سبکتر با پوشش بتن سبک تا حدود ۳۰ دقیقه مقومتئ می کنند. کف تراسها با مقطع مناسب, که در آنها آهن با مقدار زیادی بتن پوشیده شده است تا ۶۰ دقیقه مقومت می کنند.( تصویر شمارۀ ۱۰)
ورقهای فولادی نیم رخ دار و کابل های فولادی :
– ورقهای فولادی نیم رخ دار: اغلب ورقهای پروفیل موجود از شکل دادن ورقهای پوشش دار تولید می شوند به این صورت که تسمه از تعدادی غلتک عبور می کند و به تدریج به شکل نهایی نزدیک می شوند(نورد سرد) , آنگاه ورق پوسته را در قطعات مناسب می برند و به بازار عرضه می کنند. مقاطع استاندارد دارای مقطع ذوزنقۀ موج دار می باشند که ارتفاع ذوزنقه وابسته به مشخصات مکانیکی و بار وارده می باشد.( تصویر شمارۀ ۱۱)
در شرایطی که که موجب نامتناسب شدن مقطع شود از تیرهای سازه ای در زیر ورق ها استفاده می شود. صفحات موجدار سینوسی و ذوزنقه ای را به کمک چین دادن خم می کنند.
– کابل های فولادی : برای تولید کابل های فولادی,میله های باریک فولاد نرم شده را از دیسک های روغن کاری شدۀ کربید تنگستن عبور می دهند و طول آن را تا ۱۰ برابر افزایش می دهند. عملیات کشش و مقاومت را افزایش می دهد و انعطاف پذیری فولاد را کاهش می دهد به همین خاطر فولادهایی که کربن بالاتری دارند و برای کابلهای محکم تر به کار می روند باید قبل از عملیات کشش با عملیات گرمایی کمی نرم و انعطاف پذیر شوند.
برای تولید کابل های فولادی مخصوص سازه های معلق یا بتن پیش فشرده, یک دسته از کابل های جدا از هم به هم پیچانده می شوند تا یک کلاف درست کنند, آنگاه یک دسته طناب را می بافند تا کابل مناسب را ایجاد کنند. برای بتن پیش فشرده باید از کالهای تمام فولادی استفاده کرد.
انواع اتصالات فولادی:
اتصالات خشک: در این روشها با اضافه نمودن قطعۀ جدیدی اقدام به به بستن دو قطعه در جوار یکدیگر می نمایند. در اتصالات خشک چند طریقه زیر وجود دارد که در هیچ کدام احتیاج به ذوب کردن خود قطعۀ فولادی نیست.
– پرچ: دو قطعۀ فولادی را سوراخ و پرچ را از بین آنها رد می کنند. آن طرف قطعۀ پرچ را توسط دستگاه مخصوصی داغ می کنند و شکل می دهند. در گذشته, پرچ را ابتدا داغ و داخل سوراخ می کرند. و سپس طرف دیگر را شکل می دادند. پرچها در ابعاد مختلف و کیفیتهای متفاوت محاسبه و تعیین قطر می گردند. طرز نشاندن و تعداد آنها نیز محاسبات بدست می آید.
امروزه برای متصل نمودن دو ورق نازک نیز از روش میخ پرچ استفاده می شود که سرعت کار را تا حد زیادی بالا می برد.
– پیچ: دو قطعۀ فولادی را سوراخ می کنند و پیچ را از داخل آن می گذرانند. سپس واشر می اندازند و مهره می کنند. مشخصات و تعداد پیچ و مهره و نوع واشر با محاسبات به دست می آید. برای به وجود آمدن اصطحکاک در میان قطعات قبلاً سطح آنها را به خوبی توسط شن پاش تمیز و زبر می نمایند.
روشهای خشک قابل کنترل می باشند و بسیار دقیق اجرا می شوند. معایبی نیز به همراه دارند که از آن جمله, پوسیدن قطعۀ اضافی و بریدن آنها می باشد و همین طور عدم کارآیی در نقاطی که دسترسی چندانی به آن نیست.معذلک هنوز هم برای اجرای کارهای دقیق و یا قطعات فولادی پیش ساخته استفاده از این گونه روشها ترجیح داده می شود.
در اتصالات با پیچ کار باید به نحوی انجام پذیرد که کوچکترین صدمه ای به محل سوراخها وارد نشود, همچنین سوراخ کردن باید به نحوی انجام شود که کاملاً در روبروی یکدیگر متصل می شوند باید کاملاً به هم جفت شده باشند و هیچ قطعه ای بین آنها قرار نگیرد.( تصویز شمارۀ ۱۲)
ادامه مطلب...
