چگونه فولاد های مختلف را می سازند؟

یکی از مهم‌ترین و پرمصرف‌ترین فلزهایی که در دنیا مورد استفاده قرار می‌گیرد، فولاد است. ایران نیز یکی از بزرگترین کشور های تولیدکننده فولاد است و نیاز زیادی در صنایع داخلی به آن وجود دارد. نیاز به انرژی کم برای تولید، یکی از مهم‌ترین دلایل برای استفاده فراوان از فولاد است. از طرف دیگر فلز فولاد کاملا قابل بازیافت است و با محیط زیست سازگاری دارد این موضوع یکی از ویژگی‌های مثبت فولاد حساب می‌شود. این فلز ارزان، محکم و همه‌کاره است. فولاد در کنار سیمان، با تولید سالانه چیزی حدود ۷۵۰ میلیون تُن در جهان، دومین کالایی است که به صورت انبوه تولید می‌شود.

ترکیبات فولاد

آهن، عنصر اصلی فولاد، یکی از فراوان ترین عناصر در پوسته زمین است. تمام آلیاژهای فولاد عمدتاً آهن و ۰٫۰۰۲ تا ۲٫۱ درصد کربن هستند. دلیل استفاده از این میزان کربن رنج قوی ساختار مولکولی است که این ترکیب ایجاد می‌کند. نتیجه نهایی خواص خاصی مانند استحکام کششی و سختی را در فولاد به وجود می‌آورد. اگرچه تمام فولادها از آهن و کربن ساخته شده‌اند، اما انواع مختلف 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.

فرایند تولید فولاد

جهت تولید انواع فولاد روش های مختلفی وجود دارد که هر یک را می توان با توجه به نوع فولاد مد نظر خود استفاده نمایید. یکی از قدیمی ترین روش تولید انواع فولاد، کوره باز می باشد که با گذشت زمان امروزه از این روش کمتر استفاده می شود؛ چرا که روش های همچون قوس الکتریکی، کوره اکسیژن قلیایی و … روی کار آمدند. روشی به نام نوردگرم نیز وجود دارد که فولاد های کم آلیاژ را در تولیدی های کوچک با این روش تولید می کنند. فولاد ۱٫۷۲۲۵ از این دسته فولادهاست.

تولید فولاد به روش کوره باز

کوره روباز (Open hearth Furnace) که با یک کوره و سقفی تا حدودی کم‌ عمق طراحی ‌شده است، محیطی ایجاد می‌کند، که به حذف ناخالصی‌ها از آهن خام مورد استفاده در فرآیند فولادسازی، کمک می‌کند. کوره روباز این امکان را فراهم می‌کند که آهن خام را به‌گونه‌ای در آن قرار دهید که ترکیب شعله‌های باز و هوای گرم تولیدشده در داخل کوره بتواند فعالیت شیمیایی لازم برای تولید فولاد را تحریک کند.

تولید فولاد به روش کوره قوس الکتریکی

فولاد سازی کوره قوس الکتریکی ساخت فولاد از قراضه یا آهن احیا شده مستقیم است که توسط قوسهای الکتریکی ذوب می شود. در یک کوره قوس الکتریکی، ممکن است دسته ای از فولاد (گرم) با بارگذاری قراضه یا آهن احیا شده مستقیم به داخل کوره، گاهی اوقات با مانده ذوب (فولاد مذاب از گرمای قبلی)، شروع شود. مشعل های گازی ممکن است برای کمک به ذوب شدن توده قراضه در کوره استفاده شوند.

در این روش شارژهایی نیز برای محافظت از پوشش مخزن و کمک به بهبود حذف ناخالصی‌ها اضافه می‌شوند. در ساخت فولاد با کوره قوس الکتریکی معمولاً از کوره هایی با ظرفیت حدود ۱۰۰ تن استفاده می شود که برای پردازش بیشتر هر ۴۰ تا ۵۰ دقیقه فولاد تولید می‌کنند. این فرآیند در اصل فقط برای ساخت فولاد با کیفیت بالا، مانند مواردی که برای ماشین آلات و فولاد فنر استفاده می شود، مورد استفاده قرار می‌گیرد، زیرا کنترل دقیق‌تری بر ترکیب شیمیایی فولاد تولید شده می‌توان داشت. امروزه، این روش همچنین در ساخت فولادهای پرکاربرد از جمله گریدهای آلیاژی و ضد زنگ و همچنین برخی از فولادهای خاص کربنی و کم آلیاژ استفاده می‌شود. کوره های قوس الکتریکی مدرن می توانند در یک ذوب تا ۱۵۰ تن فولاد تولید کنند.

تولید فولاد به روش اکسیژن قلیایی

فولاد سازی به روش اکسیژن قلیایی روشی از فولاد سازی اولیه است که در آن آهن خام مذاب غنی از کربن به فولاد تبدیل می‌شود. دمیدن اکسیژن به آهن خام مذاب باعث کاهش محتوای کربن آلیاژ و تبدیل آن به فولاد می گردد. این فرآیند به دلیل ماهیت شیمیایی مواد نسوز – اکسید کلسیم و اکسید منیزیم – که به منظور مقاومت در برابر درجه حرارت بالا و خورندگی فلز مذاب و سرباره، در فرآیند تولید در واکنش‌ها شرکت می‌کنند، به عنوان اساس تولید فولاد شناخته می‌شود. ترکیب شیمیایی سرباره نیز کنترل می‌شود تا اطمینان حاصل شود که ناخالصی هایی مانند سیلیکون و فسفر از فلز خارج می‌شوند.

این روش هزینه سرمایه برای تجهیزات و زمان ذوب را کاهش و بهره وری نیروی کار را افزایش داد. بین سال‌های ۱۹۲۰ و ۲۰۰۰، نیاز به نیروی کار در این صنعت با ضریب ۱۰۰۰ کاهش یافت و از بیش از ۳ ساعت در هر تن به ۰٫۰۰۳ ساعت رسید. اکثریت قریب به اتفاق فولاد تولید شده در جهان با استفاده از کوره به روش اکسیژن قلیایی تولید می شود و  در سال ۲۰۱۱ ، ۷۰٪ از تولید جهانی فولاد را به خود اختصاص داده است. کوره های مدرن،  شارژ آهن تا ۳۵۰ تن را در خود دارند و آن را در کمتر از ۴۰ دقیقه در مقایسه با ۱۰-۱۲ ساعت کوره آتشدان روباز به فولاد تبدیل می‌کنند.