تولید فولاد و تاریخچه آن

امروزه فولاد یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین فلزات در جهان است. با استفاده از فولاد انواع مقاطع آهنی، لوازم خانگی و ... ساخته می‌شود. اما آیا می‌دانید تولید فولاد برای اولین بار چگونه و به چه روشی انجام شد؟

در قرن هفدهم خواص آهن برای همه روشن بود، اما افزایش روز افزون شهرنشینی در اروپا، نیازمندی به فلز را بیشتر کرد و در قرن نوزدهم، متالوژیست‌ها برای تامین آهن مورد نیاز گسترش راه آهن به حل مشکل شکنندگی آهن و فرایندهای تولید ناکارآمد پرداختند.

همین کارها باعث شناخته‌تر شدن فولاد و گسترش استفاده از آن شد. در سال 1856 پیشرفتی در تاریخ فولاد رخ داد و هنری بسیمر از اکسیژن برای کاهش میزان کربن آهن استفاده کرد و صنعت فولاد مدرن متولد شد.

بخوانید: آشنایی با آهن، فولاد و چدن | بررسی کاربرد و تفاوت هر یک از آنها

عصر آهن

در دمای بسیار بالا آهن، کربن را به خود جذب می‌کند و نقطه ذوب فلز را کاهش می‌دهد. نهایتا این امر منجر به تولید چدن می‌شود (2.5 تا 4.5٪ کربن در چدن وجود دارد).

توسعه کوره‌های ذوب آهن، که برای اولین بار توسط چینی‌ها در قرن ششم قبل از میلاد و در قرون وسطی به طور گسترده‌ای 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 متالوژیست‌ها متوجه شدند محتوای کربن زیاد در آهن آن را شکننده می‌کند، روش‌های جدیدی را برای کاهش میزان کربن و افزایش کارآیی آزمایش کردند.

در اواخر قرن هجدهم، آهنگران دریافتند که چطور می توان چدن خام را با استفاده از کوره‌های 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 می‌دهند اکسیژن با کربن ترکیب شود و به آرامی آن را حذف کند.

زمانی که کربن موجود در آهن کاهش می‌یابد، نقطه ذوب آن افزایش می‌یابد، بطوریکه توده‌های آهن در کوره انباشته می‌شوند، این توده‌ها قبل از این که به ورق یا ریل نورد شده تبدیل شوند، ممکن است توسط پودلر با 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 قدیمی‌ترین انواع فولاد، فولاد ضد زنگ است که تولید آن در قرن 17 میلادی، در آلمان و انگلیس آغاز شد. این نوع فولاد با افزایش میزان کربن در آهن چدن مذاب با استفاده از فرایندی به نام سمنتاسیون (هیدرومتالوژی) تولید می‌شود.

در این فرآیند، میله‌های آهنی با زغال چوب پودری در جعبه‌های سنگی و گرم پوشیده شده‌اند. پس از حدود یک هفته، آهن کربن را در زغال چوب جذب می‌کند.

گرمایش مجدد، کربن را به طور یکنواخت توزیع می‌کند و در نهایت پس از خنک شدن، فولاد ضد زنگ به دست می آید.
محتوای کربن بیشتر، باعث تولید فولاد ضد زنگ بسیار کارآمد تر از آهن چدن می‌شود و آن را قابل فشرده سازی و نورد می‌کند.

تولید فولاد ضد زنگ در دهه 1740 گسترش یافت. زمانی که بنجامین هانتسمن، ساعت ساز انگلیسی در حال تلاش برای توسعه فولاد با کیفیت بالا برای فنرهای ساعت خود بود، متوجه شد که فلز ممکن است در بوته‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌های رسی ذوب شود و با یک شار ویژه برای حذف خاکستری که روند سمنتاسیون را پشت سر گذاشته شده، تصفیه شود.
بنابراین فولاد مایع یا ریخته گری بوجود می‌آید. اما با توجه به هزینه‌های تولیدی زیاد، هر دو فولاد ضد زنگ و فولاد ریخته گری فقط در پروژه‌های تخصصی استفاده می‌شد.

در نتیجه، چدن ساخته شده در کوره‌های 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 فرآیند 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 هِنری 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 می‌شود، از ظرفی گلابی شکل که به عنوان مبدل شناخته می‌شود 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 می‌دهد ، دی اکسید کربن آزاد می‌شود و نهایتا آهن خالص تولید می‌شود.

این فرایند سریع و ارزان بود و کربن و سیلیکون را در عرض چند دقیقه از آهن حذف می‌کرد.
کربن زیادی از آن حذف می‌شد و اکسیژن خیلی زیادی در محصول نهایی باقی می‌ماند.
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 می‌رفت که اگر در مقادیر مناسب اضافه شود، راه حلی برای مشکلات بسیمر خواهد بود. بسیمر با موفقیت آن را به فرایند تبدیل خود اضافه کرد.

تنها یک مشکل باقی می‌ماند، بسیمر راه حلی برای حذف فسفر از محصول نهایی‌اش که موجب شکنندگی فولاد می‌شد پیدا نکرد.

در نتیجه فقط سنگ معدن فسفر سوئد و ولز می‌توانست 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 می‌توان با استفاده از سنگ آهن، به تولید فولاد پرداخت.
 تعجب آور نیست زیرا هزینه‌های تولید به طور قابل توجهی کاهش یافته است.
 قیمت ریل‌های فولادی در سال های 1867 تا 1884 بیش از 80 درصد کاهش یافت.
این مورد به عنوان نتیجه‌ای از تکنیک‌های جدید تولید فولاد، آغاز رشد صنعت فولاد جهان به شمار می‌رود.

بخوانید: جایگاه صنعت فولاد ایران در جهان

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 ناخالصی‌ها با استفاده از دمای بالا، در اتاق‌های آجری داغ زیر کوره انجام می‌شود.

کوره‌های احیا کننده، از گازهای خروجی به منظور حفظ دمای بالا در اتاق‌های آجری زیر کوره استفاده کردند.

در این روش برای تولید مقادیر بسیار بیشتر (50 تا 100 متریک تن ممکن است در یک کوره تولید شود)، تست دوره‌ای فولاد مذاب انجام می‌شود 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 ارزان‌تر و با کیفیت‌تر ارائه می‌شد، 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، میلیون‌ها 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 می‌دهد که برای تولید فولاد حرارتی کافی است.

روش استفاده از کوره‌های قوس الکترکی در ابتدا برای فولادهای خاص و نیز در جنگ جهانی دوم برای تولید آلیاژهای فولادی استفاده می‌شد.

هزینه‌های کم سرمایه گذاری در راه اندازی کارخانه‌های 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 EAFها می‌توانند 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  می‌تواند با هزینه کم متوقف و نیز 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 می‌دهد.

تولید فولاد به روش دمش اکسیژن

در حال حاضر بیشتر تولید فولاد جهانی یعنی حدود 66درصد آن، به روش دمش اکسیژن تولید می‌شود.
توسعه روش جداسازی اکسیژن از نیتروژن در مقیاس صنعتی در دهه ۱۹۶۰، امکان پیشرفت عمده در توسعه کوره‌های اولیه اکسیژن را فراهم آورد.

کوره‌های اساسی اکسیژن، اکسیژن را به مقادیر زیادی از آهن مذاب و آهن قراضه منتقل می‌کنند و می‌توانند نسبت به روش‌های رو باز بسیار سریع‌تر شارژ کنند.
انبارهای بزرگ که دارای 350 تن آهن می‌باشند کمتر از یک ساعت می‌توانند تبدیل به فولاد شوند.

کارایی هزینه‌های 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.

جمع‌بندی

در این دانشنامه تاریخجه تولید فولاد و نحوه پیدایش آن را بررسی کردیم. همچنین بررسی کردیم اولین استفاده از فولاد به چه نحوی بود.

برای خرید انواع مقاطع فولادی و بررسی قیمت روز آهن به وبسایت عصرآهن مراجعه کنید و یا با شماره 0414180 در تماس باشید.