بررسی رسانایی فولاد و کاربرد آن در صنعت

رسانایی (Conductivity) یکی از ویژگی‌های کلیدی مواد است که مشخص می‌کند یک ماده چقدر خوب جریان برق (رسانایی الکتریکی) یا گرما (رسانایی حرارتی) را عبور می‌دهد. فولاد به‌عنوان پرکاربردترین آلیاژ صنعتی، در سازه‌ها، تجهیزات، بدنه‌ها و حتی برخی قطعات الکتریکی استفاده می‌شود؛ بنابراین دانستن اینکه فولاد چقدر رساناست و چه عواملی روی آن اثر می‌گذارد، برای انتخاب متریال درست حیاتی است.

رسانایی الکتریکی فولاد چقدر است؟

به‌طور کلی فولاد نسبت به فلزاتی مثل مس و آلومینیوم رسانایی الکتریکی بسیار پایین‌تری دارد. دلیلش هم ساختار آلیاژی فولاد است: حضور عناصر آلیاژی و ناخالصی‌ها باعث می‌شود الکترون‌ها بیشتر پراکنده شوند و هدایت جریان سخت‌تر شود.

عدد تقریبی رسانایی الکتریکی فولاد

• فولاد کربنی و ساختمانی: معمولاً در بازه حدود ۳ تا ۱۰ درصد رسانایی مس (IACS) قرار می‌گیرد.
• اگر بخواهیم به زبان مقاومت ویژه بگوییم (Resistivity):
  • مقاومت ویژه فولاد اغلب حدود (10 تا 20)×10⁻⁸ Ω·m است (بسته به نوع فولاد، عملیات حرارتی، ترکیب و دما).

نکته مهم: در منابع مختلف، اعداد دقیق کمی متفاوت‌اند چون «نوع فولاد» و «شرایط ساخت» تاثیر زیادی دارند.

رسانایی حرارتی فولاد چقدر است؟

رسانایی حرارتی فولاد هم نسبت به آلومینیوم و مس کمتر است، اما نسبت به بسیاری از مواد غیرفلزی (مثل بتن، چوب، پلاستیک) بالاتر است. به همین دلیل فولاد در انتقال گرما عملکرد متوسط رو به خوب دارد.

عدد تقریبی رسانایی حرارتی فولاد

• برای بسیاری از فولادها (به‌خصوص فولادهای کربنی رایج): حدود ۴۰ تا ۶۰ W/m·K
• استنلس استیل‌ها معمولاً رسانایی حرارتی پایین‌تری دارند (تقریباً ۱۰ تا ۲۰ W/m·K در بسیاری از گریدها)

مقایسه سریع فولاد با چند فلز پرکاربرد

برای درک بهتر، این مقایسه ذهنی کمک می‌کند:

• مس: رسانایی الکتریکی خیلی بالا (مرجع IACS)
• آلومینیوم: رسانایی بالا، سبک‌تر از مس
• فولاد: رسانایی پایین‌تر، اما مقاوم و اقتصادی
• استنلس استیل: معمولاً رسانایی حتی پایین‌تر از فولاد کربنی

نتیجه: اگر هدف انتقال برق باشد، فولاد انتخاب اول نیست؛ اما اگر هدف استحکام، دوام و هزینه مناسب باشد، فولاد عالی است.

چه عواملی رسانایی فولاد را تغییر می‌دهند؟

1) ترکیب شیمیایی و عناصر آلیاژی

هرچه آلیاژسازی بیشتر باشد (مثل کروم، نیکل، مولیبدن)، معمولاً رسانایی الکتریکی کاهش می‌یابد. به همین خاطر استنلس‌ها اغلب کم‌رساناترند.

2) دما

با افزایش دما، معمولاً مقاومت الکتریکی فولاد بیشتر و در نتیجه رسانایی کمتر می‌شود.

3) ریزساختار و عملیات حرارتی

ساختارهایی مثل فریت/پرلیت/مارتنزیت و نیز میزان نقص‌های شبکه‌ای می‌توانند رسانایی را کم‌وزیاد کنند.

4) کیفیت سطح و اکسید شدن

اکسیدها و آلودگی سطحی می‌توانند تماس الکتریکی را ضعیف کنند؛ برای همین در اتصالات الکتریکی، سطح‌سازی (تمیزکاری/پوشش‌دهی) مهم است.

کاربردهای فولاد با توجه به رسانایی

استفاده از فولاد در کابل برق (چرا و کجا؟)

فولاد به‌ندرت به‌عنوان هادی اصلی برق در کابل‌ها استفاده می‌شود، چون رسانایی الکتریکی‌اش نسبت به مس و آلومینیوم پایین‌تر است. اما فولاد در صنعت کابل یک نقش خیلی مهم دارد: ایجاد استحکام مکانیکی، حفاظت، و پایداری.

1) فولاد به‌عنوان هسته تقویتی در هادی‌ها (ACSR)

یکی از رایج‌ترین کاربردها، در هادی‌های هوایی انتقال و توزیع برق است:

ACSR یعنی چی؟

Aluminum Conductor Steel Reinforced
یعنی: رشته‌های آلومینیوم برای عبور جریان + هسته فولادی برای استحکام.

2) فولاد در آرمور (زره/محافظ) کابل‌های زمینی

برای کابل‌هایی که زیر خاک، داخل کانال، یا محیط‌های صنعتی نصب می‌شوند، خیلی وقت‌ها از آرمور فولادی استفاده می‌شود.

انواع متداول آرمور فولادی

• SWA (Steel Wire Armoured): زره سیمی فولادی

• STA (Steel Tape Armoured): زره نواری فولادی

کاربرد آرمور فولادی

• محافظت در برابر ضربه، فشار، له‌شدگی

• مقاومت در برابر جوندگان (موش و…)

• افزایش استحکام در نصب‌های سخت و مسیرهای خشن

• بعضی طراحی‌ها: کمک به مسیر برگشت خطا/اتصال بدنه (اما همیشه به‌عنوان ارت قابل اتکا نیست)

3) فولاد در کابل‌های دریایی و معادن (حفاظت سنگین)

در کابل‌های مخصوص:

• زیر دریا (Subsea)

• معادن و تونل‌ها

• کارخانه‌های سنگین
  فولاد برای آرمور چندلایه یا سیم‌بکسل تقویتی استفاده می‌شود تا کابل در برابر کشش، سایش و ضربه دوام بیاورد.

4) فولاد در شیلد/اسکرین؟ (کمتر رایج)

برای شیلد الکترومغناطیسی معمولاً از مس/آلومینیوم (فویل یا بافت) استفاده می‌شود. فولاد به‌خاطر رسانایی کمتر، گزینه اصلی شیلد نیست، ولی در برخی کابل‌های خاص ممکن است لایه‌های فولادی برای اهداف مکانیکی/حفاظتی اضافه شوند.

نکات مهم و اشتباهات رایج

آیا فولاد می‌تواند جایگزین مس در کابل‌کشی ساختمان شود؟

عملاً نه. چون:

• افت ولتاژ بیشتر می‌شود

• تلفات بالا می‌رود

• اتصالات و ترمینال‌ها مشکل‌تر می‌شوند

آیا آرمور فولادی را می‌شود به‌جای ارت حساب کرد؟

بسته به استاندارد، نوع کابل، اتصالات، و شرایط نصب ممکن است کمک‌کننده باشد، اما در بسیاری پروژه‌ها ارت اختصاصی همچنان لازم است. (به‌خصوص برای اطمینان از پیوستگی و مقاومت اتصال در طول زمان و خوردگی.)

فولاد در کابل برق بیشتر برای این موارد استفاده می‌شود:

• هسته تقویتی در هادی‌های هوایی (ACSR)

• آرمور محافظ (SWA/STA) برای کابل‌های زمینی و صنعتی

• حفاظت سنگین در کابل‌های دریایی/معدنی

فولاد در انتقال حرارت

فولاد در تجهیزاتی مثل:

• مخازن و بدنه دیگ‌ها
• برخی مبدل‌های حرارتی (با طراحی مناسب)
• خطوط فرآیندی
  استفاده می‌شود، اما اگر هدف انتقال حرارت خیلی بالا باشد، مواد دیگری مثل مس یا آلومینیوم بهترند.

سوالات پرتکرار (FAQ)

آیا فولاد جریان برق را عبور می‌دهد؟

بله، فولاد رساناست، اما نه به اندازه مس یا آلومینیوم. برای سیم‌کشی و هادی اصلی معمولاً مناسب نیست.

چرا استنلس استیل کم‌رساناتر است؟

به‌دلیل آلیاژسازی بالاتر (مثل کروم و نیکل) و پراکندگی بیشتر الکترون‌ها، رسانایی کاهش می‌یابد.

برای اتصال ارت (Earthing) فولاد خوب است؟

از نظر مکانیکی و در برخی سازه‌ها استفاده می‌شود، اما در طراحی ارت باید به استانداردها، مقاومت اتصال، خوردگی، سطح تماس و شرایط خاک توجه کرد. اغلب مس یا فولاد مس‌اندود گزینه‌های رایج‌تری هستند.

جمع‌بندی

• فولاد رسانای برق هست، اما رسانایی الکتریکی آن پایین‌تر از فلزات هادی رایج مثل مس و آلومینیوم است.
• رسانایی حرارتی فولاد متوسط است و در فولادهای زنگ‌نزن معمولاً کمتر می‌شود.
• ترکیب آلیاژی، دما، عملیات حرارتی و وضعیت سطح از عوامل مهم در تغییر رسانایی فولاد هستند.