روش ساخت فولاد : فولاد چگونه ساخته می شود؟

مقدمه ای بر تولید و خواص آلیاژهای فولادی

طبق گزارش انجمن جهانی فولاد، 1869.9 میلیون تن فولاد در سال 2019 تولید شد. این نشان دهنده افزایش 3.4 درصدی تولید نسبت به سال 2018 و بیش از دو برابر تولید در سال 1999 است.

نیاز جهان به فولاد روز به روز در حال افزایش است. آهن آلات در ساخت و ساز، صنعت و تولید استفاده می شود و قیمت آهن آلات از معیار های مهم اقتصاد می باشد. از آنجایی که هم آهن قوی و هم ارزان است، برای تمام انواع تولید ایده آل است.

فولاد از چه چیزی ساخته می شود؟

آهن، جزء اصلی فولاد، یکی از فراوان ترین عناصر در پوسته زمین است. تمام آلیاژهای فولاد عمدتاً از آهن و 0.002 الی 2.1 درصد وزنی کربن تشکیل می شود.

در این محدوده، کربن با آهن پیوند برقرار می کند تا یک ساختار مولکولی قوی ایجاد کند. ریز ساختار شبکه حاصل به دستیابی به خواص خاصی از مواد مانند استحکام کششی و سختی کمک می کند که ما در فولاد به آن نیاز داریم.

اگرچه تمام در تمام آلیاژ های فولادی از آهن و کربن ساخته شده اند، اما انواع مختلف گرید فولاد حاوی درصدهای متفاوتی از هر عنصر است.

فولاد همچنین می تواند شامل عناصر دیگری مانند نیکل، مولیبدن، منگنز، تیتانیوم، بور، کبالت یا وانادیم باشد. افزودن عناصر مختلف به ترکیب یک آلیاژ فولادی بر خواص مکانیکی و شیمیایی آن تأثیر می گذارد. روش ساخت و تصفیه فولاد به توضیح این موضوع میپردازد.

یک گروه قابل توجه از آلیاژهای فولاد حاوی کروم است. همه این آلیاژها معمولاً به عنوان فولاد ضد زنگ شناخته می شوند.

نحوه تولید فولاد

در ابتدایی ترین روش ها، فولاد با مخلوط کردن کربن و آهن در دمای بسیار بالا (بالاتر از 2600 درجه فارنهایت) ساخته می شد.

تولید فولاد اولیه از محصولی به نام «آهن» فولاد ایجاد می‌کرد. آهن خام، آهن ذوب شده از سنگ معدن است که حاوی کربن بیشتری نسبت به فولاد است.

در تولید فولاد از سیستمی استفاده می شود که اکسیژن را  در پاتیل آهن خام ذوب شده دمیده می شود. این فرآیند اکسیداسیون مساوی را در سراسر فلز مذاب ایجاد می کند.

اکسیداسیون کربن اضافی را حذف می کند. همچنین ناخالصی های ساخته شده از عناصری مانند سیلیکون، فسفر و منگنز را تبخیر یا جدا می کند.

فولادسازی ثانویه فرآیند پالایش و آلیاژسازی فولاد است. فولادسازی ثانویه را می توان با ذوب ضایعات شروع کرد یا یک فرآیند اولیه فولاد سازی را ادامه داد.

سپس برای بدست آوردن یک آلیاژ با گرید و استاندارد خاص می توان عناصر دیگر را به آن اضافه کرد. فولادکار همچنین می تواند ناخالصی های سطحی را حذف کند (سرباره زدایی). پاتیل مذاب تا دمای مورد نیاز برای فرآیندهای شیمیایی لازم گرم و سرد می شود.

تکمیل فرایند تولید فولاد

در یک ریخته گری، فولاد در ماسه یا قالب با شکل خاص ریخته گری می شود. در یک کارخانه فولاد، فولاد مذاب با ریخته گری پیوسته به مواد آهن آلات ساختمانی ریخته گری می شود.

در ادامه، اشکال مقاطع استاندارد فولاد را تولید می کنند. فولاد خام ماشینکاری و عملیات نورد و… به محصولات نهایی تبدیل می شود. کارخانه های فولادسازی معمولاً ورق سیاه، شمش فولاد، میلگرد، بلوم، لوله، نبشی، ناودانی، تیرآهن و مفتول تولید میکنند.

یک خط نورد همچنین ممکن است فولاد نورد گرم یا سرد را در ادامه تولید انجام دهد. این فرآیندها مقاطع و استاندارد های متفاوتی را ایجاد می کنند. قبل از حمل و نقل، فولاد ممکن است برش داده شود و بسته بندی شود.

در مراحل نورد فولاد ممکن است همرا با عملیات حرارتی باشد. در انتها سرد کردن، تمپر کردن، نرمال کردن و بازپخت می‌تواند خواص مکانیکی و شیمیایی فولاد تاثیر گذار باشد.

اختراع فولاد

باستان شناسان قدیمی ترین آثار تولید فولاد را در محوطه ای به قدمت 4000 سال پیش در ترکیه پیدا کردند. عمد نو آوری باستانی، در اوایل قرن 4 قبل از میلاد ساخته شده است. با این حال، تا اواسط سده 1800، فولادسازی بسیار چالش برانگیز و سخت بود.

فولاد در حدود 2700 درجه فارنهایت ذوب می شود. حفظ این گرمای بالا برای کوره‌های باستانی که با استفاده بوته‌ بودن، یک چالش بود.

علاوه بر این، ناخالصی ها در آلیاژ فولادی، ساخته شده از عناصری مانند سیلیکون و منگنز، یافت می شد. حذف این ناخالصی ها هنوز یک چالش است.

در فولادسازی باستانی، آنها فرآیند طولانی و چند مرحله ای را انجام می دادند. بنیانگذاران یک روز طولانی را صرف گرم کردن، هم زدن، زدودن سرباره و گرم کردن مجدد آلیاژهای خود می کردند. پس از ریخته‌گری فولاد توسط آهنگرها مورد استفاده قرار میگرفت و روی آن پردازش برای رسیدن به محصول نهایی انجام می شد.

در سال 1856، هنری بسمر یک حق اختراع برای فرآیند ایجاد فولاد به روشی جدید ثبت کرد. استفاده از مبدل بسمر، به جای ظروف مذاب سنتی، به فولادساز اجازه می داد هوا را از در فلز مذاب بصورت حباب بدمد. در واکنش به هوا، ناخالصی ها اکسید می شوند و بصورت گاز خارج می شوند.

اکسیداسیون همچنین به ایجاد و حفظ گرمای زیاد لازم برای فولادسازی کمک کرد.

فرآیندی ریخته گری که یک روز کامل یا بیشتری زمان می برد با یک فرآیند 20 دقیقه ای جایگزین شد که می توانست 5 تن فولاد را با این سرعت تولید کند. مبدل فولاد بسمر قوی‌تر و با کیفیت‌تر از آن چیزی بود که اکثر فولادسازان انتطار داشتند. این نوآوری از انقلاب صنعتی حمایت کرد.

آیا فولاد مغناطیسی است؟

بیشتر آلیاژ های فولاد مغناطیسی هستند، اما نه همه آنها. فولاد بیشتر از آهن ساخته می شود و آهن مغناطیسی است.

فرومغناطیس برای اولین بار در طبیعت در “لودستون” کشف شد – سنگ های با خاصیت مگنتیتی ساخته شده از اکسید آهن. عناصر دیگر نیز فرومغناطیسی هستند، مانند کبالت و نیکل. این عناصر گاهی اوقات در فولاد نیز یافت می شوند.

فولاد زنگ نزن به طور معروف غیر مغناطیسی هستند، اگرچه همه فولادهای ضد زنگ حاوی آهن و بسیاری از آنها حاوی نیکل هستند. حقیقتاً، فقط برخی از آلیاژهای ضد زنگ غیر مغناطیسی هستند.

فولاد زنگ نزن آستنیتی – که حاوی نیکل است – در بیشتر موارد غیر مغناطیسی است (اگرچه هنگام کار می تواند بسیار خفیف مغناطیسی شود.) انواع دیگر، مانند آلیاژهای فریتی یا مارتنزیتی، ضد زنگ و مغناطیسی هستند.

خواص فولاد

فولاد به دلیل خواص ویژه آن همراه با هزینه نسبی کم آن بسیار مورد استفاده است. آلیاژهای فولاد در مقایسه با بسیاری دیگر از مصالح ساختمانی و ابزارسازی (مانند چوب، سنگ، بتن یا چدن) کاربرد دارند:

• سختی: مقاومت در برابر فرورفتگی هنگام فشار دادن با افزایش تدریجی فشار
• چقرمگی: زمانی که ماده تغییر شکل می‌دهد، چقرمگی نشان می‌دهد که تا چه حد قبل از شکستگی فشار را تحمل میکند
• قدرت تسلیم: مقاومت در برابر تغییر شکل در حالی که کشیده می شود با افزایش تدریجی فشار
• استحکام کششی: توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر کشیده شدن قبل از شکستن
• چکش خواری: قابلیت تغیر شکل دادن بدون ایجاد شکستگی
• شکل‌پذیری: توانایی شکل‌دهی بدون از دست دادن چقرمگی

محدوده آزمایش شده این خواص بین آلیاژها متفاوت است، اما به طور کلی، فولاد نسبت به بسیاری از مواد دیگر هم سخت تر و هم مقاوم تر است.

انواع فولاد

چهار گروه عمده از آلیاژهای فولادی وجود دارد:

• فولادکربنی،
• فولاد ابزار
• فولاد آلیاژ
• فولادهای ضد زنگ.

فولاد کربنی : فولادهای ملایم یا متوسط نامیده می شوند با میزان کربن بالا عمدتاً از نظر سختی و شکل پذیری متفاوت هستند. فولادهای ملایم یا کم کربن در مقایسه با سایر فولادها انعطاف پذیری بیشتری دارند، اما سختی کمتری نیز ارائه می دهند. در طرف دیگر محدوده، فولادهای پر کربن سخت تر هستند. با این حال، فولاد با کربن بالا معمولا شکل پذیری کمتری دارد.

فولاد ابزار : فولاد کربن بالا با عناصر اضافه شده مانند تنگستن، وانادیوم یا مولیبدن، عملیات حرارتی شده و خاموش شده تا سختی بالاتر، برای فولادهای ابزار استفاده می شود.

فولاد آلیاژی: این خانواده از فولادها عموماً به فولادهایی اطلاق می‌شود که با عناصر خاصی برای خواص فوق‌العاده مواد، خارج از مواردی که معمولاً در خانواده‌های دیگر قرار می‌گیرند، مخلوط شده‌اند. همه فولادها آلیاژی هستند و بسیاری از آنها دارای عناصر اضافی هستند. با این حال، فولادهای آلیاژی، فولادهای غیر معمولی هستند که برای کاربرد خاصی ساخته می شوند و می توانند از فرمولاسیون ارزشی تا آلیاژهای عجیب و غریب مورد استفاده برای موتورهای جت متغیر باشند.

فولاد ضد زنگ: این فولادها با کروم آلیاژ می شوند تا از طریق غیرفعال شدن در برابر زنگ زدگی مقاوم شوند.

تولید فولاد: داستان بازیافت

یکی از بهترین ویژگی های فولاد (و سایر فلزات) این است که ضایعات می توانند به فلزی کاملا جدید و با کیفیت تبدیل شوند. در فرآیند فولادسازی ثانویه از آهن قراضه محصولی به خوبی محصول تولید شده از آهن خام به دست می آیند.

 وسایل فلزی ممکن است در اثر استفاده از بین بروند، اما در شیمی عنصری فلز به این معنی است که بعد از ذوب شدن و آلیاژسازی مجدد یک چرخه زندگی دوباره را شروع می کند.

بنابراین، رشد تولید فولاد نیازی به رشد خطی سنگ معدن آهن جدید ندارد (اگرچه تولید آهن از سنگ آهن همچنان بخشی حیاتی از زنجیره تامین فولاد است.) بازیابی و فرآوری ضایعات فولاد به این معنی است که بدنه خودرو دیروز می تواند I-beam فردا باشد.

98 درصد فولاد قابل بازیافت است، این فلز یکی از قابل بازیافت ترین محصولات جهان است. با این حال، بدون چالش زیست محیطی نیست. کک، شکلی از زغال سنگ، معمولاً به عنوان ورودی کربن در فولادسازی استفاده می شود.

علاوه بر این، انرژی بالایی که برای ذوب و اکسیداسیون و سایر فرآیندهای تولید مورد نیاز است، باعث ایجاد مواد شیمیایی و دی اکسید کربن می شود. خوشبختانه تحقیقات زیادی در بخش فولادسازی برای کاهش مشکلات تولید در حال انجام است.

برای نمونه بازیافت دی اکسید کربن به خود فولاد، به عنوان منبع کربن و کاهش نیاز به منابع دیگر مانند کک است.

با پالایش و پیاده‌سازی این فناوری‌ها، فولادسازی همچنان یکی از صنایع بزرگ آینده خواهد بود. اقتصاد ما را زیر بنایی، پیش می برد و می سازد.

.