فرآیند تولید فولاد

به گزارش می متالز، شاید به نظر نرسد فولاد کالایی باشد که با فناوری پیشرفته مرتبط باشد، اما روند تولید آن راه طولانی طی کرده است. در این مقاله تاریخچه فرآیند تولید فولاد را بررسی خواهیم کرد و آن را با نحوه ساخت و استفاده از فولاد در کاربردهای مدرن مقایسه خواهیم کرد.
 

تاریخچه تولید فولاد

فولاد دست آوردی از عصر آهن است، دوره ای که حدودا 1200 سال قبل از میلاد آغاز شد. سنگ آهن برای اولین بار در آسیای میانه و اروپا استخراج شد و بشر در این زمان از آهن برای ساخت ابزار و سلاح در عملی بنام متالورژی آهنی استفاده می کرد. محصولات آهنی در این مدت تکامل یافتند و تولید کالاهای آهنی آغاز شد. آهنگران یاد گرفتند که سنگ آهن را گرم کنند و با استفاده از فرآیند چکش و سندان، ناخالصی های موجود در فلز را از بین بردند و یک محصول نهایی با دوام و قابل انعطاف تولید کردند.
آهن قبل از رسیدن به آنچه در حال حاضر فولاد محسوب می شود، اشکال دیگری داشت. در چین، متالوژیست های عصر آهن، آهن را در کوره های بزرگ گرم و ذوب می کردند و آن را با سوخت چوب مخلوط می کردند. سپس مایع ذوب شده را در قالب ریخته و می گذاشتند تا سفت شود و در نهایت با استفاده از قالب آن را به شکل ابزارآلات یا لوازم پخت و پز تبدیل می کردند. این فرآیند که به فرآیند چدنی معروف است، محصول بادوام تری نسبت به آهن خالص ارائه می دهد، اما شکننده است و شکل دهی و خم شدن آن دشوار می باشد.
سپس، آهنگران اروپای مرکزی شروع به پوشش دادن محصولات چدنی در ذغال کردند تا ضمن حفظ انعطاف پذیری، مقاومت آهن را بهبود بخشد. به این ترتیب، آهن مرحله نهایی خود را تجربه کرد که بیشتر شبیه مواد فولادی امروزی است. در هند، صنعتگران یک فرآیند ذوب آهن را توسعه دادند که ترکیب کاملی از آهن و کربن را ترکیب می کند. با استفاده از بوته ها یا ظروف سفالی، کارگران می توانند قطعات آهن و ذغال را با هم در کوره ای با درجه حرارت بالا مخلوط کنند. هنگام پخت، آهن ذوب شده و اتمهای کربن را از ذغال جذب می کند. پس از خنک شدن، بوته ها حاوی ماده ای بودند که اکنون به عنوان فولاد می شناسیم - آلیاژ آهن و کربن.
پس از کشف آلیاژهای آهن و کربن، تمدن های مختلف شروع به تولید محصولات فولادی خود کردند و این امر به آنها امکان ساخت سلاح، ابزار و ساختارهای بهتر را داد. از عصر آهن تا امروز، بشر به دنبال کامل کردن فرآیند تولید فولاد بوده است، نه تنها برای تولید در مقادیر بیشتر، بلکه برای تولید موثرتر. بهبود مستمر تولید فولاد دلیلی است که امروزه فولاد به کالای بسیار مهم جهانی تبدیل شده است.
 

امروزه فولاد چگونه تولید می شود؟

روند تولید فولاد مدرن در سال 1856 تحت فرآیندی که به فرآیند بسمر (Bessemer) معروف است آغاز شد. این فرآیند اولین فرآیند مورد استفاده برای تولید انبوه فولاد تلقی می شود. به گفته مورخان، دو مخترع، یکی در انگلستان و دیگری در پیتسبورگ، هر دو به طور همزمان فرآیند تولید فولاد را توسعه دادند که شامل حذف ناخالصی های آهن از طریق استفاده از انفجار هوا بود.
با این کشف، سایر تولیدکنندگان فولاد شروع به تکمیل این فرآیند کردند و در نهایت راهی برای استفاده از روش انفجار هوا برای کمک به حفظ کربن و در عین حال از بین بردن ناخالصی ها، کشف کردند. سرانجام، این فرآیند به روشی بسیار مقرون به صرفه برای تولید انبوه فولاد با کیفیت بالا تبدیل شد که امروزه نیز از آن استفاده می کنیم.

فولاد امروز به طور کلی از طریق یکی از دو روش زیر تولید می شود:

1. کوره بلند: فرآیند کوره بلند، که به عنوان فرآیند اساسی اکسیژن (BOP) نیز شناخته می شود. در این روش، سنگ آهن با مقادیر کمی قراضه فولادی در یک کوره ترکیب می شود. سپس، اکسیژن خالص به کوره دمیده می شود و باعث افزایش دمای آن می شود. قراضه نه تنها در این دما ذوب می شود، بلکه ناخالصی های آهن نیز اکسید و کاملاً تبخیر می شوند. علاوه بر این، دمای بالا میزان کربن را به نسبت ایده آل آن کاهش داده و در نتیجه فولاد مایع تولید می شود.

2. کوره های قوس الکتریکی: در روش کوره قوس الکتریک (EAF)، قوس های الکتریکی با جریان زیاد مقدار زیادی ضایعات فولادی را ذوب می کنند. در حالی که قراضه ذوب می شود، تکنسین ها فرو آلیاژهای دیگری را اضافه می کنند تا زمانی که فلز مذاب به نسبت فولادی مورد نظر خود به آلیاژهای دیگر مانند کروم و نیکل که فولاد ضد زنگ (استاینلس استیل) را تشکیل می دهند، برسد. سپس برای تصفیه فولاد، کوره در اکسیژن منفجر می شود و آهک (اکسید کلسیم) و فلوریت (فلورید کلسیم) به آن اضافه می شوند. این مواد با ناخالصی های فولاد ترکیب شده و به ضایعات تبدیل می شوند. سپس این ضایعات در قسمت بالای فولاد مذاب شناور و خارج و فولاد خالص جدا می شوند.
روش کوره قوس الکتریک (EAF) امروزه متداول ترین روش تولید فولاد است. کوره های مدرن فولاد سازی EAF امروزی 150 تن فولاد در هر ذوب تولید می کنند که تقریباً 90 دقیقه به طول می انجامد.