حدود 5% از پوسته زمین را آهن تشکیل می دهد و این فلز ارزشمند از دیرباز مورد توجه انسان بوده است. بررسی ها نشان می دهد که پس از سیمان، فولاد دومین کالای تولید انبوه در جهان می باشد. تولید فولاد از این رو بسیار با اهمیت می باشد که سازگار با محیط زیست، قابل بازیافت، پایدار و بادوام بوده و در اشکال مختلف تولید می شود.
امروزه فولاد یکی از پرکاربرد ترین فلزات تولید شده از آهن در جهان است. با استفاده از فولاد انواع قطعات آهنی، سازه های کوچک و بزرگ، ماشین آلات، لوازم خانگی، انواع ابزار و دیگر محصولات کاربردی ساخته می شود. می توانید برای آشنایی بیشتر، به مقاله کاربرد فولاد در صنایع مختلف مراجعه کنید.
تولید فولاد با جدا کردن ناخالصی ها (نیتروژن، فسفر، گوگرد، سیلیکون و…) از سنگ آهن شروع می شود. بعد از جداسازی مواد ناخالص، عناصر آلیاژی (برای مثال منگنز، وانادیوم، کربن، نیکل و…) به سنگ آهن اضافه می شوند. این عناصر آلیاژی از جمله کربن باعث افزایش استحکام، مقاومت در برابر خوردگی و سایش و … می شود.
همه این اثرات را می توان با کم و زیاد شدن عناصر به کار رفته در فولاد انجام داد. این مورد می تواند تاثیر زیادی در میزان قیمت فولاد تولید شده داشته باشد. همچنین باعث ایجاد انواع مختلف فولاد و کاربرد های وسیع آنها می شود که در ادامه به آن می پردازیم.
تاریخچه تولید فولاد
فولاد سازی نقش مهمی در توسعه تکنولوژیکی جوامع باستان، قرون وسطی و مدرن داشته است. فرایند اولیه فولاد سازی در دوران کلاسیک در ایران باستان، چین باستان، هند و روم انجام شده است. اولین فولاد به دست آمده نزدیک به 4000 سال قدمت دارد و مربوط به 1800 سال قبل از میلاد است.
آهن قبل از رسیدن به فولاد، اشکال دیگری داشت. در چین، آهن را در کوره های بزرگ ذوب و با سوخت چوب مخلوط می کردند. سپس مایع ذوب شده را در قالب می ریختند تا سفت شود و در نهایت با استفاده از قالب، آن را به شکل ابزارآلات یا لوازم پخت و پز تبدیل می کردند. این فرایند که به فرایند چدنی نیز معروف است، محصول بادوام تری نسبت به آهن خالص ارائه داد، اما شکننده بوده و شکل‌دهی و خم شدن آن دشوار بود.
سپس، آهنگران اروپای مرکزی شروع به پوشش دادن محصولات چدنی در ذغال کردند تا علاوه حفظ انعطاف پذیری، مقاومت آهن را نیز بهبود بخشد. به این ترتیب، آهن مرحله نهایی خود را تجربه کرد که بیشتر شبیه مواد فولادی امروزی است.
در سال 1856، هنری بسمر روش موثری برای وارد کردن اکسیژن به آهن مذاب برای کاهش محتوا کربن ارائه کرد. بسمر یک ظرف گلابی شکل طراحی کرد که به آن مبدل گفته می شد. در حالی که آهن داخل آن می تواند گرم شود، اکسیژن می تواند به فلز مذاب دمیده شود. با عبور اکسیژن از فلز مذاب، با کربن واکنش داده و کربن دی اکسید آزاد می کند و آهن خالص تری تولید می کند. امروزه این عمل با نام فرآیند بسمر شناخته می شود.
در دهه 1860، کارل ویلهلم زیمنس (مهندس آلمانی)، تولید فولاد را از طریق ایجاد فرایند اجاق روباز افزایش داد. فرآیندی که در آن فولاد را از آهن خام در کوره های کم عمق بزرگ تولید می کرد.
پس از کشف آلیاژهای آهن و کربن، تمدن های مختلف شروع به تولید محصولات فولادی کردند و این امر به آن ها امکان ساخت سلاح، ابزار و سازه های بهتری را داد. از عصر آهن تا امروز، بشر به دنبال کامل کردن فرآیند تولیدفولاد بوده است. بهبود مستمر تولید فولاد دلیلی است که امروزه فولاد به کالای بسیار مهم جهانی تبدیل شده است.
امروزه فولاد چگونه تولید می شود؟
به طور کلی فولاد با روش های گوناگونی تولید می شود که در ادامه به توضیح برخی از مهم ترین روش ها خواهیم پرداخت:
تولید فولاد به روش کوره باز
تولیدفولاد به روش کوره باز، قدیمی ترین روش تولیدفولاد است. کوره رو باز که سقف کم عمق دارد، محیطی ایجاد می کند که باعث حذف ناخالصی ها از آهن خام کمک می کند. ترکیب شعله های باز و هوای گرم تولید شده در داخل کوره، فعالیت شیمیایی لازم برای تولید فولاد را تحریک می کند.
با گذشت زمان، کوره باز جایگاه خود را از دست داده است و روش رایجی محسوب نمی شود. با این حال کوره باز هنوز هم در برخی کشورها مورد استفاده قرار می گیرد.
تولید فولاد به روش بسمر
همانطور که گفته شد در سال 1856، بسم یک حق اختراع برای فرآیند تولیدفولاد به روشی جدید به ثبت رساند. در این روش هوا از زیر کوره به آهن خام دمیده می شود و عمل احیای آهن انجام شود. این عمل، منجر به سوزاندن کربن اضافی در فولاد خام و اکسید شدن ناخالصی ها می شود. اکسیداسیون به ایجاد و حفظ گرمای لازم برای فولاد سازی کمک می کند.
کوره های باز امکان بارریزی فقط یک بار در روز را داشتند. ابداع روش بسمر که تنها 12 دقیقه برای تولید 5 تن فولاد زمان می برد، شروع انقلاب صنعتی را به دنبال داشت. فولادتولید شده به روش بسمر بسیار مستحکم‌تر و باکیفیت‌تر از آن چیزی بود که اکثر فولاد سازان می توانستند به آن امیدوار باشند.
تولید فولاد به روش کوره اکسیژن قلیایی
کوره اکسیژن قلیایی (BOF) مهم ترین روش تولیدفولاد در عصر حاضر است. حدود70% از فولاد جهان با این روش تولید می شود. روش کوره اکسیژن قلیایی در واقع بهینه سازی شده روش بسمر می باشد. این فرآیند، امکان تولید 150 تا 200 تن فولاد را در هر بار مذاب ریزی به دست می دهد. زمان بین دو بارریزی در این روش تنها 45 دقیقه است.
* تفاوت روش بسمر با کوره اکسیژن قلیایی:
در روش بسمر، برای احیای آهن، هوای فشرده از زیر وارد کوره می شود اما در این روش، از اکسیژن خالص برای احیای آهن استفاده می شود. ضمن اینکه، روش اکسیژن قلیایی امکان تولیدفولاد در تناژ خیلی بالاتری را ممکن می سازد. لازم به ذکر است که این روش تحت عنوان BOF-LD یا LD نیز شناخته می شود.
تولید فولاد به روش کوره الکتریکی
بعد از روش BOF، روش کوره الکتریکی یا EAF بیشترین سهم در تولید فولاد جهان یعنی در حدود %30 از کل فولاد جهان را دارد. کوره الکتریکی ظرفیت تولید در حدود 25 تا 200 تن فولاد در هر بار مذاب ریزی را دارد. زمان فرایند ذوب در آن 2 ساعت طول می کشد. همچنین زمان بین دو بارریزی در این کوره حدود 4 ساعت است.
از مزایای تولید فولاد به روش کوره الکتریکی می توان به امکان آلیاژ سازی، تولید فولاد ابزار و فولاد ضد زنگ اشاره کرد. ضمن اینکه، فولادهای تولید شده به این روش، کیفیت بالاتری نسبت به فولادهای تولید شده به روش BOF دارند اما هزینه تولید آن ها نیز بیشتر می باشد.
فولاد از چه چیزی ساخته شده است؟
در درجه اول، فولاد آلیاژی از آهن و کربن می باشد. آهن به عنوان عنصر اصلی و زمینه در تمام انواع فولاد حضور دارند و کربن نیز از مهم ترین عناصر آلیاژی است. مهم ترین عناصر در ترکیب شیمیایی انواع فولاد عبارت اند از:
کربن، منگنز، کروم، نیکل، وانادیم، بور، تیتانیم، گوگرد، فسفر و آلومینیم
