فولاد؛ کاربردها و روش های تولید
فولاد چیست؟
فولاد (Steel) به آلیاژهای آهن که بین ۰٫۰۰۲ تا ۲٫۱ درصد وزن خود کربن دارند گفته میشود.
كلمه فولاد ، به آلیاژهایی گفته میشود كه حداقل پنجاه درصد آن را آهن تشكیل می دهد و شامل یك یاچند عنصر دیگر می باشد. این عناصر معمولا شامل كربن، منگنز، سیلیسیم، نیكل، كرم، وانادیم، مولیبدن،تیتانیوم، نیوبیم و آلومینیوم هستند. كربن به عنوان مهم ترین ماده آلیاژی این فلز محسوب می گردد. هرچند كه ممكن است در انواع مختلف آن، مواد آلیاژی دیگری نیز به میزان زیادتری یافت شود یا حتی كربن در بعضی از آلیاژهای فولاد ناخالصی محسوب شود.
کربن در آهن bcc حل شده و یک محلول جامد به نام فریت (Ferrite) تشکیل میدهد. حل شوندگی کربن در فریت آلفا حداکثر ۰٫۰۲۵% و در فریت دلتا ۰٫۰۹% است. کربن در ساختار بلوری گاما (fcc) حل شده و محلول جامد آستنیت (Austenite) به دست می آید. حل شوندگی کربن در fcc اندکی بیشتر بوده و به میزان ۲٫۱۴% می رسد.
با افزایش میزان کربن در آلیاژهای آهن تا حداکثر ۶٫۶۷% میتوان فاز کاربید آهن یا سمنتیت (Cementite) را بدست آورد که ساختاری ترد و شكننده دارد . ميزان حداكثر انحلال كربن در آهن براي فازهاي مختلف در دماهاي مختلف روی می دهد و فولادهاي مختلف را از يكديگر متمايز مي سازد . با توجه به آلياژ فولاد و نرخ سرد كردن آن پرليت (Pearlite) یا مارتنزیت (Martensite) میتواند تشکیل شود . مارتنزیت هنگام سرد شدن سریع ،آلیاژ فولاد به دست می آید .
تاریخچه فولاد
نخستین مورد استخراج آهن به حدود سال ۱۳۰۰ پیش از میلاد باز می گردد. نخستین تولید مهم فولاد، با استفاده از روشی که پیش از آن مصریان باستان می شناختند، در هند آغاز شد. این روش، فرآیند «ووتس» نام دارد و محصول آن فولاد اسفنجی است. از حدود ۱۵۰۰ میلادی تا میانه سده نوزدهم، پیشرفت متالورژی بیشتر متوجه تکنولوژی های تولید آهن و فولاد بود. در همین دوران بود که کک وارد صنایع متالورژي شد. در واقع کشف امکان تبدیل زغال سنگ به کک در سال ۱۷۰۹ میلادی، انقلابی در صنایع متالورژی آهن و فولاد بوجود آورد. باید به نام «بسمر» نیز اشاره کنیم که با روش ابداعیش در سال ۱۸۹۰ میلادی، تولید فولاد را در مقیاس صنعتی انجام داد.
خصوصیات فولاد
اکثرا نسبت به عملیات حرارتی واکنش نشان می دهند. علاوه بر ترکیبات شیمیایی به وسیله عملیات حرارتی می توان خواص مکانیکی ،فیزیکی، الکتریکی و سختی دلخواه به این فلز بخشید و آن را در برابر حرارت بالا و کروزیون مقاوم ساخت. اکثر آن ها را به وسیله روش های مختلف می توان با مواد فلزی و یا پلاستیکی روکش نمود و یا رنگ کرد. بر روی فولادهای دارای خاصیت شیمیایی مناسب، عملیات جوشکاری قابل انجام می باشد .اگر به اندازه کافی حرارت داده شود، خاصیت شکل گیری در آنها بوجود خواهد آمد.
مزایای استفاده از فولاد
از جمله خواص مطلوب آن سازگار بودن با محیط زیست است. اگرچه ممکن است ساختارهای بزرگ فلزی که آسمان خراش های عظیمی هستند در نظر اول اینگونه تصور نشوند اما دوام زیاد آنها به این معنی است که به عنوان مثال ، به یک ماده سمی تبدیل نمی شود و به آبهای زیرزمینی و مناطق دیگر نشت نمی کنند. منابع انرژی تجدید پذیر (به عنوان مثال ، انرژی خورشیدی ، بادی و انرژی آبی) از نوع ضد زنگ استفاده فراوان می برند.
در حال حاضر این فلز بیشترین بازیافت را در کره زمین دارد. گرچه سنگین است اما خواص مغناطیسی آن بازیابی از نهرها و مکانهای دیگر را آسان تر از سایر زباله ها می کند. این مسئله می تواند انتشار CO2 را در محیط زیست کاهش دهد.
در مقایسه با سایر مواد ، هنگام ساخت عناصر فولادی نسبتاً سبک به مقدار کمی انرژی نیاز است و می توان آن را به اشکال مختلف درآورد. این آلیاژ شکل و لبه بهتری نسبت به آهن دارد و برای ساخت سلاح نیز استفاده می شود.
روشهای توليد فولاد
روش خمیری
در آغاز ، فولاد به این روش ساخته میشد. این روش قدیمی شده است و دیگر به کار نمی رود. در این روش آهن خام را در تشت کورهی شعلهای گذاشته میشود و روی آن شعله دمیده میشود تا مذاب شود. آهنخام آب شده را به هم می زدند تا کربن آن با تماس با اکسیژن هوا بسوزد ؛ کمکم که کربن آهن خام می سوخت، درجه ذوب شدنش بالا میرفت و خمیری میشد. خمیر فولاد به صورت تکهتکه با گازانبر از کوره بیرون آورده میشود و با پتک روی آن میکوبند تا سرباره شان بریزد و یکپارچه شوند. چون در این روش فلز به دست آمده کیفیت یکسانی نداشت مورد استفاده قرار نمیگیرد.
روش ذوب
در حال حاضر تقریبا تمامی فولادها از طریق ذوب آهن به روشهای مختلف بدست میاید. در این قسمت سه روش به شرح زیر توضیح داده شده است:
۱٫كوره هاي القايي (IF: Induction Furnace)
در روش کوره القایی آهن قراضه و آهن اسفنجی به کمک انرژی الکتریکی به فولاد تبدیل میشود.در این روش از جریان های متناوب را برای ایجاد گرمای لازم ،برای ذوب فلز استفاده می شود. پوشش آنها از موادی مانند آلومینا، سیلیس و منیزیم ساخته شده است. این کوره ها برای ذوب فلزات مانند آهن و همچنین فلزات غیر آهنی به خوبی کار می کنند. درون کوره القایی کویل های مس قرار دارد که با آب سرد می شوند.
قاعده کلی ذوب القایی این است که یک منبع الکتریکی با ولتاژ بالا از کویل اولیه یک جریان بالا با ولتاژ پایین، در فلز یا کویل ثانویه را ایجاد می کند. گرمایش القایی به سادگی یک روش انتقال انرژی گرمایی است. کوره های القایی برای ذوب و آلیاژ کردن انواع مختلف فلزات با حداقل هدر رفتگی ذوب ایده آل می باشد. با این حال، می توان فلز فلز را کمی تصفیه کرد.
۲٫كوره اكسيژني (Bos:Basic Oxygen Furnace) كنورتور
در روشهایی که از کنوروتور استفاده میشود . آهنخام مذابی که از که فرایند کوره بلند به دست آمدهاست درون کنورتور ریخته میشود تا با استفاده از دمش گاز اکسیژن کربن اضافی آن سوزانده شود. بدین ترتیب کربن این فلز به میزان مورد نظر خواهد رسید . سپس با اضافه کردن عناصر آلیاژی به آن استحکام افزایش خواهد یافت.
۳٫كوره قوس الكتريكي (EAF: Electric Arc Furnace)
مواد شارژی این کوره جهت تولید فولاد بیشتر قراضه آهن(Scrap Steel) یا مخلوطی از قراضه و آهن اسفنجی مبباشد . در این ابتدا آهن اسفنجی تولید شده در فرایند احیای مستقیم درون کوره قوس الکتریکی ریخته میشود تا ذوب گردد؛ دمای این کورهها به حدی است که در همان ذوب اولیه فولاد با درصد کربن نسبتاً پایین تولید میشود. سپس فلز تولید شده درون کوره پاتیلی ریخته میشود تا در آنجا عملیات آلیاژسازی انجام شود. این عملیات شامل تنظیم کردن میزان کربن، اضافه کردن عناصر آلیاژی و یکدستسازی ترکیب فولاد است.
پس از بدست آمدن ترکیب شیمیایی مورد نظر ، لازم است که آن را به صورت مورد نیاز ریختهگری کرد. در اکثر موارد فلز بدست آمده به صورت تختال، تیرآهن یا میلگرد ریختگری مداوم میگردد.
تقسیم بندی فولاد
تقسیم بندی میتواند براساس موارد زیر باشد:
- بر اساس ترکیب شیمیایی، مانند فولاد کربنی، فولادهای آلیاژی ، فولاد زنگ نزن و …
- بر اساس روش ساخت، مانند نورد گرم، نورد سرد و …
- بر اساس روش تولید مانند روش کوره الکتریکی و …
- بر اساس روش اکسیژن زدایی مانند فولاد آرام، نیمه آرام، جوشان و …
- بر اساس شکل محصول مانند ورق، لوله، میله، صفحه و …
- بر اساس ریز ساختار مانند فریتی، پرلیتی، مارتنزیتی
- بر اساس عملیات حرارتی مانند بازپختی، کوئنچ و تمپر و…
- بر اساس استحکام مورد نیاز
- بر اساس کیفیت محصول مانند فولاد با کیفیت آهنگري، کیفیت تجاري و …
- بر اساس کاربرد مانند فنر، ساختمانی، ابزار و ….
فولادهای کربنی
این نوع که پر مصرف ترین فولاد نیز به شمار می رود، شامل آهن و حداکثر یک درصد کربن است. اختلاف این نوع عمدتا به دلیل متفاوت بودن و مقدار کربن موجود در آن است.
فولاد کربن با توجه به درصد کربن موجود در آن به سه گروه زیر طبقه بندی می شود:
۱- فولاد کم کربن: که حداکثر ۲۵/۰ درصد کربن دارد و به مقیاس وسیعی در کارهای مهندسی و سازه مورد استفاده قرار می گیرد.
۲- فولاد با کربن متوسط: که بین ۲۵/۰ تا ۷/۰ درصد کربن دارد. بیشتر در اجزا قطعات متحرک مورد استفاده قرار می گیرد
۳- فولاد پر کربن: که بین ۷/۰ تا ۱ درصد و به ندرت تا ۵/۱ درصد کربن دارد و در تولید ابزار مهندسی و تولید سکه مورد استفاده قرار می گیرد. تفاوت اصلی این نوع از فولادها در سهولت ماشین کاری، جوشکاری، مقاومت در برابر پاره شدن، سختی و از این گونه ویژگی ها است.
فولادهای آلیاژی
این نوع حاوی مقادیری کربن می باشد اما خصوصیات آن را معمولا سایر عناصر شیمیایی اضافه شده به فولاد تعیین می کند. بعضی از این عناصر باعث سختی، استحکام و تعدادی موجب افزایش مقاومت در مقابل خوردگی می شود.
فولاد آلیاژی نیز انواع مختلفی دارد نظیر:
- آلیاژی منگنز دار
- آلیاژی کروم دار
- آلیاژی کروم- مولیبدن
- آلیاژی نیکل – کروم مولیبدن
فولاد زنگ نزن
این نوع در واقع همان فولاد معمولی است که ورقه نازکی از ضد رنگ بر روی یک یا دو طرف آن قرار داده شده است. عنصر کروم مهمترین ماده آلیاژی کننده فلزی است که همراه با آهن، کربن، منگنز و سیلیس در تولید فولاد زنگ نزن به کار می رود. متداول ترین فولاد زنگ نزن حدود ۸ درصد نیکل دارد. علاوه بر این از فلزات مختلف دیگر نیز به تنهایی و یا تواما در تهیه آن استفاده می شود. از این فولاد در ساخت قطعات موتور جت، وسایل و لوازم شیمیایی، کارد و چنگال، انواع لوازم پخت و پز و بلاخره انواع دستگاه های مخصوص برش استفاده می شود.
کاربردهای فولاد
- ساخت راه ها ، راه آهن ، سایر زیرساخت ها ، لوازم و ساختمانها
- استادیوم ها و آسمان خراشها ، پلها و فرودگاه ها توسط اسکلت فلزی پشتیبانی میشوند.
- حتی کسانی که سازه بتونی دارند از فولاد برای تقویت آن استفاده می کنند.
- پیچ و مهره ، میخ و پیچ و سایر محصولات خانگی و وسایل آشپزی
با استفاده از نورد گرم و سرد، دامنه وسیعی از محصولات فولادی شامل ورق، زر ورق، لوله، تیوب، مقاطع، میلگرد، سیم و … بدست می آید که یا مستقیما استفاده می شوند یا با فرآیندهای تولید تکمیلی به اشکال مورد نیاز در می آیند. از سوی دیگر فرآیند ریخته گری هم داریم که با کمک آن طیف گسترده ای از محصولات پر کاربرد تولید می شوند.
دانستن این نکته مهم است که قطعات فولادی باید به هم متصل شوند که یکی از پرکاربردترین روشهای اتصال دهی روش های جوشکاری است. هر چه کربن فولاد کمتر باشد قابلیت جوشکاری (weldability) بهتر می شود. به همین خاطر اکثر فولادهای صنعتی، کربن کمنر از سه دهم درصد دارند و به اینها فولاد کم کربن گفته می شود. با افزایش درصد منگنز و نیز افزودن اندکی نایوبیوم می توان استحکام مکانیکی این دسته از فولادها را افزایش داد.
اگر میزان کربن فولاد از سه دهم درصد بیشتر شود،از آن محصولاتی مانند پیچ و شفت و چرخ دنده و میل لنگ می سازند که نیاز به جوشکاری ندارد.برای این دسته از فولادها از انواع روشهای عملیات حرارتی برای دستیابی به استحکام و ویژگی های مطلوب، استفاده می شود.
فولادهای پرکربن که استحکام مکانیکی بالایی دارند مناسب ساخت ابزارهایی مانند اره و تیغه و فنر هستند. البته همانگونه که در بالاتر اشاره کردیم، در دسته فولادهای آلیاژی گروهی به نام فولاد ابزار (tool steel) وجود دارند که با اضافه شدن عناصر کبالت، تنگستن،مالیبدن و وانادیوم به مناسبترین کاندیدای ساخت ابزار تبدیل می شوند.
فولاد کربنی ساده تا حدود ۴۰۰ درجه سانتیگراد قابل کاربرد است و برای دماهای بالاتر تا ۷۰۰ درجه سانتیگراد کروم و مولیبدن افزوده می شوند. برای دماهای باز هم بالاتر سراغ فولادهای زنگ نزن (stainless steel) می روند. اگر روی قاشق یا چنگال دقت کنید شاید ۸-۱۸ را ببینید که منظور فولاد زنگ نزن ۳۰۴ با ۱۸ درصد کروم و ۸ درصد نیکل است.این فولاد ۹۵۰ درجه سانتیگراد را تاب می آورد اما برای دماهای بالاتر (تا ۱۱۵۰ درجه) سراغ گریدهای دیگر زنگ نزن مانند ۳۱۰ می روند.
به خاطر داشته باشیم برای دماهای کمتر از منفی ۳۰ درجه، فولاد کربنی ساده گزینه ی مناسبی نیست. با افزودن تا ۹ درصد نیکل می توان فولاد را تا منفی دویست درجه سانتیگراد بدون مشکل به کار برد. البته در دماهای پایین، فولادهای زنگ نزن همیشه می توانند استفاده شوند. البته قیمت آنها تقریبا سه برابر فولاد کربنی است.
رابطه فولاد و محیط زیست
از جمله فلزاتی است که به شدت دوستدار محیط زیست است. این فلز کاملا قابل بازیافت است و دوام بسیار بالایی دارد و در مقایسه با سایر مواد به مقدار انرژی کمتری برای تولید نیاز دارد. ساخت و ساز نوآورانه آن بسیار سبک ( مانند فلز سبک استفاده شده در بدنه اتومبیل و همچنین در وسایل حمل و نقل ریلی) به ذخیره انرژی و منابع طبیعی کمک بسیاری کرده است. صنعت فولاد تلاش های بسیاری برای کاهش آلودگی محیط زیست در سال های اخیر کرده است.
بازیافت فولاد
به سادگی قابل بازیافت است. ویژگی های مغناطیسی منحصر بفرد این فلز باعث می شود تا در فرایند بازیافت به راحتی از مواد زاید و اضافی جداسازی شود. فارغ از تعداد دفعات زیاد بازیافت این فلز ویژگی های آن همچنان بدون تغییر و دست نخورده باقی می ماند. روش تولید فولاد در کوره قوس الکتریکی (EAF ) می تواند منحصرا برای تولید آن از فولاد بازیافتی استفاده شود. تولید در کوره های اکسیژن ( BF-BOF ) هم می تواند تا بیش از ۳۰ درصد از فولاد بازیافتی استفاده کند.
مطالب مرتبط
گزارش معدنکاری دنیا در سال ۲۰۲۴
۲۲ خرداد ۱۴۰۳پنج شرکت بزرگ تولیدکننده مس در جهان
۵ خرداد ۱۴۰۳آینده عرصه مس در جهان
۳۱ اردیبهشت ۱۴۰۳آینده مس در انرژی های تجدید پذیر
۲۹ اردیبهشت ۱۴۰۳آینده هوش مصنوعی در صنعت فولاد
۲۶ اردیبهشت ۱۴۰۳عملکرد صنعت و معدن در سال ۱۴۰۲
۴ اردیبهشت ۱۴۰۳