در قرن 17 ام خواص آهن برای همه روشن بود، اما افزایش روز افزون شهرنشینی در اروپا، نیازمندی به فلزی ساختاری را بیشتر کرد و در قرن 19 ام ، متالوژیست ها برای تامین آهن مورد نیاز گسترش راه آهن به حل مشکل شکنندگی آهن و فرایندهای تولید ناکارآمد پرداختند.
در سال 1856 پیشرفتی در تاریخ فولاد رخ داد وهنری بسیمر از اکسیژن برای کاهش میزان کربن آهن ایجاد کرد و صنعت فولاد مدرن متولد شد.
عصر آهن
در دمای بسیار بالا آهن کربن را به خود جذب می کند و نقطه ذوب فلز را کاهش می دهد. نهایتا این امر منجر به تولید چدن می شود (2.5 تا 4.5٪ کربن).
توسعه کوره های ذوب آهن، که برای اولین بار توسط چینی ها در قرن ششم قبل از میلاد و در قرون وسطی به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفت، تولید چدن را افزایش داد.
چدن فلز محکمی است، اما به دلیل وجود کربن در آن، شکننده می باشد و برای کار و شکل دادن به آن مناسب نیست. زمانی که متالوژیست ها متوجه شدند محتوای کربن زیاد در آهن آن را شکننده می کند، روش های جدیدی را برای کاهش میزان کربن وافزایش کارآیی آزمایش کردند.
در اواخر قرن هجدهم، آهنگران دریافتند که چطور می توان چدن خام را با استفاده از کوره های پودلینگ (که توسط هنری کورت در سال 1784 توسعه داده شد) به یک آهن کار شده کم کربن تبدیل کرد.
کوره گرم ذوب آهن که با استفاده از ابزارهای بلند و درشت شکل توسط پودلرها ، اجازه می دهند اکسیژن با کربن ترکیب شود و به آرامی آن را حذف کند.
زمانی که کربن موجود در آهن کاهش می یابد، نقطه ذوب آن افزایش می یابد، بطوریکه توده های آهن در کوره انباشته می شوند، این توده ها قبل ازینکه به ورق یا ریل نورد شوند، ممکن است توسط پودلربا چکش آهنگری روی آن کار شود. در سال 1860 بیش از 3000 کوره پودلینگ در بریتانیا وجود داشت، اما این روند به واسطه نیروی کار و شدت سوخت آن به تعویق افتاد.
یکی از قدیمی ترین انواع فولاد، فولاد ضد زنگ است که تولید آن در قرن 17 میلادی، درآلمان و انگلیس آغازشد. این نوع فولاد با افزایش میزان کربن در آهن چدن مذاب با استفاده از فرایندی به نام سمنتاسیون (هیدرومتالوژی) تولید می شود.
در این فرایند، میله های آهنی با زغال چوب پودری در جعبه های سنگی و گرم پوشیده شده اند .پس از حدود یک هفته، آهن کربن را در زغال چوب جذب می کند. گرمایش مجدد، کربن را به طور یکنواخت توزیع می کند و نتیجتا پس از خنک شدن، فولاد ضد زنگ بدست می آید.
محتوای کربن بیشتر، باعث تولید فولاد ضد زنگ بسیار کارآمد تر از آهن چدن می شود و آن را قابل فشرده سازی و نورد میکند.
تولید فولاد ضد زنگ در دهه 1740 پیشرفت کرد. زمانی که بنجامین هانتسمن، ساعت ساز انگلیسی در حال تلاش برای توسعه فولاد با کیفیت بالا برای فنر های ساعت خود بود، متوجه شد که فلز ممکن است در بوته های رسی ذوب شود و با یک شار ویژه برای حذف خاکستری که روند سمنتاسیون را پشت سر گذاشته شده، تصفیه شود.
نتیجتا فولاد مایع یا ریخته گری بوجود می آید. اما با توجه به هزینه های تولیدی زیاد، هر دو فولاد ضد زنگ و فولاد ریخته گری فقط در پروژه های تخصصی استفاده می شد.
در نتیجه، چدن ساخته شده در کوره های پودلینگ، فلز اصلی ساختاری در صنعت انگلستان در طول قرن نوزدهم باقی ماند.
فرآیند بسیمر و فولادسازی مدرن
رشد راه آهن در طول قرن نوزدهم در اروپا و آمریکا فشار عظیمی بر صنعت فولاد وارد کرد که هنوز هم با فرایند های ناکارآمد تولید درگیر است.
فولاد هنوز به عنوان یک فلز ساختاری ، پذیرفته نشده بود و تولید آن آهسته و پرهزینه بود.این مسئله تا زمانی صادق بود که هنری بسیمر با روش موثرتری، با اضافه کردن اکسیژن به آهن مذاب جهت کاهش محتوای کربن روی کار آمد.
در حال حاضر فرایندی که با نام بسیمر شناخته می شود، از ظرفی گلابی شکل که به عنوان مبدل شناخته می شود تشکیل شده و می توان آهن را در آن گرم کرد و اکسیژن را به فلز مذاب دمید.
زمانی که اکسیژن از طریق فلز مذاب منتقل شود، با کربن واکنش می دهد ، دی اکسید کربن آزاد می شود ونهایتا آهن خالص تولید می شود.
این فرآیند سریع و ارزان بود و کربن و سیلیکون را در عرض چند دقیقه از آهن حذف می کرد، اما این عملکرد بیش از حد نیاز بود.
کربن زیادی از آن حذف می شد و اکسیژن خیلی زیادی در محصول نهایی باقی می ماند.
در نهایت بسیمر مجبور شد سرمایه گذاران خود را بازپرداخت کند تا بتواند روشی برای افزایش محتوای کربن و حذف ناخواسته اکسیژن پیدا کند.
درهمان زمان رابرت ماشت، متالوژیست بریتانیایی متوجه این مشکل شد و به آزمایش ترکیبی به نام اسپیژلیزن تشکیل شده از آهن، کربن و منگنز پرداخت.
منگنز برای حذف اکسیژن از آهن مذاب و کربن موجود در اسپیژلیزن بکار می رفت که اگر در مقادیر مناسب اضافه شود، راه حلی برای مشکلات بسیمر خواهد بود.
بسیمر با موفقیت آن را به فرآیند تبدیل خود اضافه کرد.
تنها یک مشکل باقی می ماند، بسیمر راه حلی برای حذف فسفراز محصول نهایی اش که موجب شکنندگی فولاد می شد پیدا نکرد.
در نتیجه فقط سنگ معدن فسفر سوئد و ولز می توانست مورد استفاده قرار گیرد.
در سال 1876 ولزمن سیدنی گیلچریت توماس یک شار اساسی پایه یعنی سنگ آهک را به فرایند بسیمر اضافه کرد.
سنگ آهک ، فسفر را از آهن خام به سرباره های آهن منتقل می کند، که موجب حذف عنصر ناخواسته می شود.
این نوآوری به این معنی است که در هر نقطه از جهان می توان با استفاده از سنگ آهن، به تولید فولاد پرداخت.
تعجب آور نیست زیرا هزینه های تولید به طور قابل توجهی کاهش یافته است.
قیمت ریل های فولادی در سال های 1867 تا 1884 بیش از 80 درصد کاهش یافت.
این مورد به عنوان نتیجه ای از تکنیک های جدید تولید فولاد، آغاز رشد صنعت فولاد جهان بشمار می رود.
تولید فولاد به روش کوره باز
در دهه 1860 کارل ویلهلم زیمنس،مهندس آلمانی، تولید فولاد را از طریق ایجاد فرایند کوره باز افزایش داد .
فرایند سوزاندن کربن اضافی و دیگر ناخالصی ها با استفاده از دمای بالا ، در اتاق های آجری داغ زیر کوره انجام می شود.
کوره های احیا کننده، از گازهای خروجی به منظور حفظ دمای بالا در اتاق های آجری زیرکوره استفاده کردند.
در این روش برای تولید مقادیر بسیار بیشتر (50 تا 100 متریک تن ممکن است در یک کوره تولید شود)، تست دوره ای فولاد مذاب انجام می شود تا بتوان با مشخصات خاص و استفاده از فولاد قراضه به عنوان ماده اولیه ، به تولید پرداخت.
اگر چه فرایند تولید در روش کوره باز پیشرفت کندتری داشت ولی در سال 1900 ، جایگزین فرایند بسیمر شد.
تولد صنعت فولاد
انقلاب در تولید فولاد که محصولات ارزان تر و با کیفیت تر ارائه می شد، توسط بسیاری از بازرگانان روز به عنوان یک فرصت سرمایه گذاری به رسمیت شناخته شد.
سرمایه گذاران قرن نوزدهم، از جمله اندرو کارنگی و چارلز شواب، میلیون ها سرمایه گذاری در صنعت فولاد انجام دادند.
شرکت آمریکایی فولاد کارنگی که در سال 1901 تأسیس شد اولین شرکتی بود که بیش از یک میلیارد دلار ارزش داشت.
تولید فولاد به روش قوس الکتریکی
در اواخر قرن، توسعه دیگری در صنعت فولاد رخ داد که تأثیر مهمی بر تکامل تولید فولاد داشت.
کوره قوس الکتریکی (EAF) پل هروول برای عبور جریان الکتریسیته از طریق مواد باردار طراحی شده، که باعث اکسیداسیون اکسوترمی شود.
همچنین درجه حرارت را تا 3272 درجه فارنهایت (1800 درجه سانتیگراد) افزایش می دهد که برای تولید فولاد حرارتی کافی است.
روش استفاده از کوره های قوس الکترکی در ابتدا برای فولاد های خاص و نیز در جنگ جهانی دوم برای تولید آلیاژهای فولادی استفاده می شد.
هزینه های کم سرمایه گذاری در راه اندازی کارخانه های کوره قوس الکتریکی این امکان را فراهم کرد تا با تولیدکنندگان عمده ایالات متحده، مانند فولاد آمریکا و فولاد Bethlehem، مخصوصا در فولادهای کربنی یا محصولات بلند، رقابت کنند.
از آنجایی که EAF ها می توانند فولاد را از 100 درصد ضایعات یا مواد معدنی سرد تهیه کنند، انرژی کمتری در واحد تولید مورد نیاز است.
در حالی که این روش با روش کوره اکسیژن اساسی در تضاد است، عملیات در این روش می تواند با هزینه کم متوقف ونیز شروع شود.
به همین دلیل ،تولید از طریق کوره قوس الکتریکی، به طور مداوم برای بیش از 50 سال افزایش یافته است و در حال حاضر حدود 33 درصد از تولید فولاد جهان را تشکیل می دهد.
تولید فولاد به روش دمش اکسیژن
در حال حاضر بیشتر تولید فولاد جهانی یعنی حدود 66درصد آن، به روش دمش اکسیژن تولید می شود.
توسعه ی روش جداسازی اکسیژن از نیتروژن در مقیاس صنعتی در دهه ۱۹۶۰ ، امکان پیشرفت عمده در توسعه کوره های اولیه اکسیژن را فراهم آورد.
کوره های اساسی اکسیژن، اکسیژن را به مقادیر زیادی از آهن مذاب و آهن قراضه منتقل می کنند و می توانند نسبت به روش های رو باز بسیار سریع تر شارژ کنند.
انبارهای بزرگ که دارای 350 تن آهن می باشند کمتر از یک ساعت می توانند تبدیل به فولاد شوند.
کارایی هزینه های تولید فولاد به روش دمش اکسیژن، باعث شد کارخانجات کوره باز غیر رقابتی شوند و بعد از ظهور این روش در دهه 1960،عملیات تولید به روش کوره باز از میان رفت.
آخرین تاسیسات کوره باز در ایالات متحده در سال 1992 و در چین در سال 2001 بسته شد.