icon phone

معرفی فولاد و روش های تولید آن

فولاد

برای درک بهتر این سوال و ارائه تعریف مناسب برای آن، ابتدا باید با مواد تشکیل دهنده و مراحل ساخت آهن آشنا شویم. فولاد یک آلیاژ آهن است که برای ساخت آن ابتدا سنگ آهن استخراج شده از معدن را برای حذف ناخالصی های آن داخل کوره میریزند که برای این کار میتوان از کوره های بلند و کوره های  قوس الکتریکی استفاده کرد. بعد از این مرحله نوبت اضافه کردن عناصری که آهن را تبدیل به فولاد میکنند فرا میرسد از جمله این عناصر میتوان  به کربن، مولیبدن، کروم و نیکل و…. اشاره کرد. یکی از عناصر اصلی تبدیل آهن به فولاد کربن است که معمولا برای برای اضافه کردن آن به آهن در کوره های ذوب سنگ آهن از زغال سنگ نیز استفاده میشود. چراکه زغال سنگ حاوی مقدار زیادی کربن است و میتوان از این کربن در عملیات احیا سازی (حذف ناخالصی های سنگ آهن و بدست آوردن آهن خالص) سنگ آهن استفاده کرد. اضافه کردن این عناصر از جمله کربن باعث افزایش استحکام، مقاومت در برابر خوردگی و سایش و … میشود که همه این اثرات با  کم و زیاد شدن عناصر به کار رفته در فولاد انجام میشود و میتواند تاثیر زیادی در قیمت فولاد تولید شده داشته باشد و همچنین باعث ایجاد انواع مختلف فولاد و کاربرد های وسیع آنها میشود که در ادامه به آن میپردازیم.

تفاوت آهن و فولاد:

آهن فلزی براق و انعطاف پذیر با عدد اتمی ۲۶ بوده که مقدار قابل توجهی نور را منعکس می کند و همچنین خاصیت مغناطیسی (آهن ربایی) دارد. از سوی دیگر، فولاد یک آلیاژ آهنی است که عمدتاً از آهن و کربن تشکیل شده است. تصور بسیاری بر این است که فولاد یک فلز است، در حالی که خواص مشابه فلزات را از خود نشان می دهد، از نظر فنی به عنوان یک آلیاژ طبقه بندی می شود. فلزات به طور طبیعی به عنوان یک عنصر در طبیعت یافت میشوند در حالی که آلیاژها از چندین عنصر و اجزای مخلوط تشکیل شده اند. برای مثال  شما می توانید آهن را به طور طبیعی به عنوان یک عنصر پیدا کنید اما فولاد را در هیچ کجای هسته بیرونی یا درونی زمین نخواهید یافت، زیرا آلیاژی ساخته دست بشر است که به ترکیب آهن و کربن نیاز دارد.

تاریخچه فولاد:

فولادسازی نقش مهمی در توسعه تکنولوژیکی جوامع باستان، قرون وسطی و مدرن داشته است. فرآیندهای اولیه فولادسازی در دوران کلاسیک در ایران باستان، چین باستان، هند و روم ساخته شد.

اولین تولید شناخته شده فولاد در قطعات آهنی حفاری شده از یک باستان شناسی در آناتولی دیده شد که نزدیک به ۴۰۰۰ سال قدمت دارد و مربوط به ۱۸۰۰ قبل از میلاد است. روش های سنتی ساخت فولاد ادامه داشت تا اینکه در قرن هفدهم، اولین گام در تولید فولادبه شکل مدرن در اروپا شروع شد و با ذوب سنگ آهن و تبدیل آن به آهن خام در کوره بلند این کار انجام می شد. در روش‌های مدرن که در ابتدا از زغال چوب استفاده می‌کردند، از زغال سنگ سوخته استفاده می‌شد که خیلی مقرون به صرفه ‌تر بود.

با توسعه  راه‌ آهن در قرن نوزدهم در اروپا و آمریکا فشار زیادی بر صنعت آهن وارد شد که با فرآیند های تولید ناکار آمد دست و پنجه نرم می‌کرد. فولاد هنوز به عنوان یک فلز ساختاری اثبات نشده بود و رویه ی تولید محصول کند و پرهزینه بود. تا اینکه در  سال ۱۸۵۶ هنری بسمر روش مؤثرتری برای وارد کردن اکسیژن به آهن مذاب برای کاهش محتوای کربن ارائه کرد. بسمر یک ظرف گلابی شکل طراحی کرد که به آن «مبدل» گفته می شود که در آن آهن می تواند گرم شود در حالی که اکسیژن می تواند به فلز مذاب دمیده شود. با عبور اکسیژن از فلز مذاب، با کربن واکنش می دهد و دی اکسید کربن آزاد می کند و آهن خالص تری تولید می کند. این کار اکنون به عنوان فرآیند بسمر شناخته می شود.

در دهه ۱۸۶۰، مهندس آلمانی کارل ویلهلم زیمنس، تولید فولاد را از طریق ایجاد فرآیند اجاق روباز افزایش داد. فرآیندی که در آن  فولاد را از آهن خام در کوره های کم عمق بزرگ تولید می کرد.

روش ها تولید فولاد:

۱-فولادسازی پایه اکسیژن:

روشی از فولادسازی اولیه است که در آن آهن خام غنی از کربن ذوب شده و به فولاد تبدیل می شود. دمیدن اکسیژن به آهن مذاب، مقداری از کربن موجود در آهن را به CO تبدیل می کند و CO باعث تولید فولاد مقاوم در برابر دمای بالا و  خوردگی میشود.

۲-فولادسازی کوره قوس الکتریکی:

تولید فولاد از ضایعات یا آهن احیا شده مذاب  توسط کوره  قوس الکتریکی  انجام نمیشود. در یک کوره قوس الکتریکی، آهن در کوره بارگذاری می شود و گاهی اوقات ممکن است فولاد مذاب حاصل از حرارت قبلی از مشعل های گازی برای کمک به ذوب استفاده شود.

۳-روش تولید کاهش هیدروژن:

فولاد را می توان از آهن احیا شده مستقیما تحت احیاء شیمیایی با هیدروژن  تولید کرد. هیدروژن تجدیدپذیر است و  امکان تولید فولاد بدون استفاده از سوخت های فسیلی را فراهم می کند. در سال ۲۰۲۱، یک کارخانه آزمایشی در سوئد این فرآیند را آزمایش کرد و نتیجه بخش بود ولی در این روش هزینه ها ۲۰ الی ۳۰ درصد بیشتر از روش های معمولی است.

۴-تولید به روش کوره انفجاری:

برای ساخت فولاد به آهن خالص و کربن نیاز است. آهن به خودی خود خیلی قوی نیست، اما غلظت کم کربن – کمتر از ۱ درصد، بسته به نوع فولاد، خواص مهمی را در فولاد ایجاد میکند. برای ساخت فولاد در این روش، آهن باید از اکسیژن جدا شود و مقدار کمی کربن به آن اضافه شود. هر دو با ذوب سنگ آهن در دمای بسیار بالا در حضور اکسیژن (با استفاده از هوا) و نوعی زغال سنگ به نام کوک (زغال سنگ سوخته) انجام می شود. در این دماها، سنگ آهن اکسیژن خود را آزاد می کند که توسط کربن از کوک به شکل دی اکسید کربن خارج می شود.

۵-روش کربن زدایی:

برای کاهش محتوای کربن در آهن خام و به دست آوردن محتوای کربن مورد نظر در فولاد، آهن خام مجدداً ذوب می شود و اکسیژن در فرآیندی به نام فولادسازی اکسیژن پایه که در پاتیل های ذوب اتفاق می افتد، دمیده می شود. در این مرحله، اکسیژن به کربن متصل می شود و آن را به شکل گاز دی اکسید کربن ایجاد میکند. پس از این مرحله، محتوای کربن در چدن به اندازه کافی کاهش یافته و فولاد به دست می آید.

طبقه بندی فولاد ها:

فولاد ها بر اساس موارد مختلفی از جمله استحکام، ضد زنگ بودن،عملیات های حرارتی ،مقاومت در برابر سایش و … به چهار دسته کلی تقسیم میشوند.

۱-فولاد های کربنی

انواع فولاد های ساختمانی جزو فولاد های کربنی هستند.

۲-فولاد های آلیاژی

  • فولاد های کم آلیاژ
  • فولاد های پر آلیاژ
  • فولاد آلیاژی منگنز دار
  • فولاد آلیاژی کرم دار
  • فولاد آلیاژی کرم- مولیبدن
  • فولاد آلیاژی نیکل – کرم مولیبدن

۳-فولاد های ضد زنگ

  • آستنیتی
  • فریتی
  • مارنزیتی
  • داپلکس
  • رسوب سخت شونده

۴-فولاد های ابزاری

کاربرد های فولاد:

فولاد ها بر اساس طبقه بندی خود در صنایع مختلف کاربرد های مختلفی دارند از جمله این کاربرد ها میتوان به ساختمان ها و زیرساخت ها، تجهیزات مکانیکی، خودرو سازی، وسایل حمل و نقل، لوازم خانگی، تجهیزات الکتریکی و… اشاره کرد.

مقالات بیشتر

انواع نورد

نورد چیست؟

نورد (Rolling) یکی از روش‌های شکل‌دهی موادِ دارای قابلیت موم‌سانی می باشد. در دماهای پایین و نزدیک به دمای اتاق...

ادامه مطلب
اسکرول به بالا