فولاد چیست و چگونه تولید می شود
فولاد چیست و چگونه تولید می شود
فولاد یکی از مواد مهم در ایجاد پایه های جامعه صنعتی است. فولاد یک ماده آهنی است که از مقادیر کمی کربن و عناصر آلیاژی تشکیل می شود و می تواند به صورت هزاران ترکیب با خواص دقیق جهت برآورد نیازهای مختلف ایجاد شود. ارزش فولاد تولید شده در جهان سالانه بیش از ۲۰۰ میلیارد دلار است. آهن آلات در مجموعه وسیعی از صنایع مانند تولید وسایل حمل و نقل، ساختمان سازی، آزادسازی انرژی مثل الکتریسیته و گاز طبیعی، تولید غذا به کمک ماشین های کشاورزی، آبرسانی به وسیله پمپ ها و خطوط لوله و توجه به سلامتی با تجهیزات پزشکی کاربرد دارد.
فولاد در اکثر کشورهای جهان تولید می شود، بیش از ۹۶ درصد فولاد جهان در ۳۶ کشور تولید می شود. چین بزرگ ترین تولیدکننده فولاد است .در حالی که چین بزرگ ترین تولیدکننده فولاد است، در عین حال بزرگ ترین مصرف کننده آن نیز می باشد. ۲۰ کشور اول دنیا در مصرف فولاد بیش از ۸۳ درصد فولاد جهان را مصرف می کنند.
تاریخچه آهن
آهن چهارمین عنصر فراوان است که بیش از ۵ درصد پوسته زمین را تشکیل می دهد.تولید آهن توسط انسان ها در حدود ۲۰۰۰ سال قبل از میلاد در جنوب غربی یا جنوب آسیا آغاز شد. این نشانگر آغاز عصر آهن بود که جایگزین گسترده برنز با آهن برای ابزارها و سلاح ها بود. در طول این دوران، آهن ریختگی توسط آهنگران ساخته شده بود که آهن را گرم می کرد و ناخالصی ها را بر روی یک سندان خرد کرد. آهن حاصل سخت ولی چکش خوار بود.
در قرون وسطی، نوع جدیدی از آهن با استفاده از دماهای بالاتر توسعه یافت. این فلز به عنوان چدن شناخته شد، که سخت تر از آهن ساخته شده بود اما شکننده تر بود. آهن در طول بیش از سه هزار سال، تا زمانی که تولید انبوه فولاد در سال ۱۸۷۰ میلادی آغاز شد، اساس فرهنگ تمدن بشری را تشکیل داد.
ترکیب فولاد
فولاد، آلیاژی از آهن و کربن است. فولاد می تواند مقدار کمی از سیلیکون، فسفر، گوگرد و اکسیژن را نیز داشته باشد. محتوای کربن فولاد بین ۰٫۰۸ تا ۱٫۵ درصد است. این مساله باعث می شود که فولاد سخت تر از آهن نورد باشد. نکته جالب توجه این است که فولاد با این ویژگی همانند آهن ریختگی ( چدن) شکننده نیست.
فولاد دارای تعادل منحصر به فرد از سختی، انعطاف پذیری و استحکام کششی است. فولاد با دوام تر است و لبه ای تیزتر از آهن نوردی دارد. در عین حال، در برابر شوک و تنش مقاوم تر از چدن شکننده است.
معرفی روش های تولید فولاد
با توجه به تنوع موارد استفاده فولاد در دنیا و گسترده شدن دایره مصرف فولاد، تولید فولاد همگام با پیشرفت تکنولوژی تغییرات بسیاری داشته است که در پی این تغییرات تولیدکنندگان سعی در بالا بردن بهره وری و استفاده از انرژی و سوخت های ارزان تر با توجه به محیط جغرافیایی خود کرده اند.
امروزه فناوری های مورد استفاده در تولید محصولات فولادی در مراحل بعد از به دست آوردن فولاد مذاب یعنی ریخته گری و نورد، کم و بیش یکسان است اما برای به دست آوردن فولاد مذاب یا خام، از فناوری های مختلفی می توان استفاده کرد.
به طور کلی فولاد خام در ایران از دو روش زیر تولید می گردد
۱ – تهیه آهن خام یا چدن مذاب در کوره بلند و تولید فولاد در کنورتورهای اکسیژنی که این روش در ذوب آهن اصفهان انجام می شود.
۲ – احیای مستقیم سنگ آهن و ذوب آهن اسفنجی و قراضه در کوره های الکتریکی از قبیل قوس الکتریکی نظیر کوره های قوس الکتریکی فولاد خوزستان یا کوره های القایی مجتمع فولاد جنوب
لازم به ذکر است که تولید فولاد از روش های دیگری نظیر روش کوره باز نیز انجام می گیرد که با توجه به حجم تولید بسیار محدود آن در جهان ، که طبق آمار جامعه جهانی فولاد حدود ۲٫۵ درصد از کل تولید فولاد جهان بوده است و همچنین کاهش پیوسته تولید از این روش ، در اینجا مورد بررسی قرار نمی گیرد.
در روش اول، که شیوه سنتی تولید است از احیای غیر مستقیم آهن استفاده گردیده، سنگ آهن پس از فرآوری به همراه آهک و کک وارد کوره بلند شده، آهن خام یا چدن مذاب به دست می آید. در مرحله بعد آهن خام در یک مبدل به فولاد مذاب تبدیل گردیده، کربن و ناخالصی های دیگر آن به کمک اکسیژن خارج و فولاد خام تولید می گردد. روش دوم تولید فولاد، استفاده از کوره های الکتریکی و ذوب مجدد قراضه آهن و فولاد می باشد. به دلیل کمبود منابع قراضه در جهان و نیز رشد فزاینده قیمت آن در طول سال های گذشته، در این روش می توان به همراه قراضه از آهن اسفنجی نیز برای ذوب در کوره استفاده نمود.
فرآیند احیای مستقیم در طی چند دهه اخیر، یکی از فرایندهای بسیار مهم در جهت تولید آهن آلات به شمار می رود. تقریبا ۷۵ درصد از کل آهن اسفنجی تولیدی در جهان با دو روش میدرکس و اچ وای ال تولید می شود. امروزه بیشتر تولید فولاد در دنیا اختصاص به دو روش کوره بلند- کنورتور و احیای مستقیم – ذوب الکتریکی دارد که روش دوم به طور قابل توجهی در حال توسعه و پیشرفت می باشد. فرایند تولید فولاد بر پایه احیای مستقیم – ذوب الکتریکی شامل دو مرحله تولید آهن اسفنجی و سپس تبدیل آن به فولاد در کوره قوس الکتریکی می باشد. در روش احیای مستقیم ، ذرات اکسیدی آهن در تماس با گازهای احیاکننده شامل H۲، CO و CH۴ در دمای ۷۵۰ تا ۹۰۰ درجه سانتی گراد احیا شده و به آهن اسفنجی تبدیل می گردند. آهن اسفنجی معمولا دارای بیش از ۹۰ درصد آهن به صورت فلزی می باشد که میل زیادی به ترکیب شدن با اکسیژن دارد.
انواع فولاد و کاربرد آنها
از نظر محتوای کربن، فولاد به سه نوع تقسیم می‌شود:
فولاد نرم: این نوع فولاد کمتر از ۲/۰ درصد کربن دارد و بیشتر در تهیه پیچو مهره، سیم خاردار و چرخ دنده ساعت و … بکار می‌رود.
فولاد متوسط: این فولاد بین ۲/۰تا ۶/۰ درصد کربن دارد و برای تهیه ریل وراه آهن و مصالح ساختمانی مانند تیرآهن مصرف می‌شود.
فولاد سخت: فولاد سخت بین ۶/۰ تا ۶/۱ درصد کربن دارد که قابل آب دادن است و برای تهیه فنرهای فولادی، تیر، وسایل جراحی، مته و … بکار می‌رود. اصطلاح فولاد (Steel) برای آلیاژهای آهن که تا حدود ۱،۵ درصد کربن دارند و غالبا با فلزهای دیگر همراهند، بکار می‌رود. خواص فولاد به درصد کربن موجود در آن، عملیات حرارتی انجام شده بر روی آن و فلزهای آلیاژ دهنده موجود در آن بستگی دارد.
