فولاد یکی از پرکاربردترین فلزات در دنیای مدرن است. ارزان، قوی و فوق العاده همه کاره است. با تولید جهانی حدود 750 میلیون تن در سال، فولاد دومین کالای تولید انبوه بعد از سیمان است. فولاد کاملاً قابل بازیافت است و برای تولید به انرژی نسبتاً کمی نیاز دارد. با توجه به تلاش‌های صنعت فولاد، مصرف انرژی و انتشار دی اکسید کربن کمتر از نیمی از آنچه در دهه 1960 بود، است. این باعث می‌شود فولاد بسیار سازگار با محیط زیست و پایدار باشد.
محصولات ساخته شده از فولاد بسیار زیاد هستند که در اینجا فهرست نمی‌شوند، اما عبارتند از: راه آهن، خطوط لوله نفت و گاز، آسمان خراش‌ها، آسانسور، مترو، پل‌ها، اتومبیل، کشتی، چاقو و چنگال، تیغ و ابزار جراحی. به عبارت بهتر، فولاد همه جا هست!
فهرست مطالب
تاریخچه آهن
آهن چهارمین عنصر فراوان است که بیش از 5 درصد از پوسته زمین را تشکیل میدهد. تولید آهن توسط انسان در حدود 2000 سال قبل از میلاد در جنوب غربی یا جنوب مرکزی آسیا آغاز شد. این آغاز عصر آهن بود که شاهد جایگزینی گسترده برنز با آهن برای ابزار و سلاح بود. در این دوران، آهنگرهایی که آهن را گرم می‌کردند و ناخالصی‌ها را روی سندان می‌زدند، آهن فرفورژه تولید می‌کردند. آهن حاصل شده، سخت اما چکش خوار بود.
در قرون وسطی، نوع جدیدی از آهن با استفاده از دماهای بالاتر ساخته شد. این محصول به چدن معروف بود که سخت‌تر از آهن کارشده یا فرفورژه (Wrought iron) بود اما شکننده‌تر نیز بود. آهن اساس مادی تمدن بشری را برای بیش از سه هزار سال تا زمان تولید انبوه فولاد در سال 1870 میلادی تشکیل داد.
ترکیب فولاد
فولاد آلیاژی از آهن و کربن است. می‌تواند حاوی مقادیر کمی سیلیکون، فسفر، گوگرد و اکسیژن نیز باشد. میزان کربن فولاد بین 0.08 تا 1.5 درصد است. این امر آن را سخت‌تر از آهن فرفورژه می‌کند اما به اندازه چدن شکننده نیست. فولاد دارای تعادل منحصر به فردی از سختی، انعطاف‌پذیری و استحکام کششی است. در عین حال در برابر ضربه و کشش بهتر از چدن مقاومت می‌کند.
اگرچه تمام فولادها از آهن و کربن ساخته شده‌اند، اما انواع مختلف فولاد حاوی درصدهای متفاوتی از هر عنصر است. فولاد همچنین می‌تواند شامل عناصر دیگری مانند نیکل، مولیبدن، منگنز، تیتانیوم، بور، کبالت یا وانادیم باشد. افزودن عناصر مختلف به دستور العمل یک آلیاژ فولادی بر خواص مواد آن تأثیر می‌گذارد. روش ساخت و تصفیه فولاد این توانایی‌ها را بیشتر می‌کند.
فولاد چگونه ساخته می شود؟
برای تولید فولاد، سنگ آهن را گرم کرده و در کوره‌هایی ذوب می‌کنند که در آن ناخالصی‌ها حذف شده و کربن اضافه می‌شود. امروزه اکثر فولادها با استفاده از یکی از این دو فرآیند ساخته می‌شوند:
- کوره ذوب آهن
- کوره قوس الکتریکی (EAF)
کورههای بلند عمدتاً از مواد خام (سنگ آهن، سنگ آهک و کک) با مقداری فولاد قابل بازیافت که قراضه فولاد (Scrap Steel) نیز نامیده می‌شود، برای ساخت فولاد استفاده می‌کنند، در حالی که کورههای قوس الکتریکی عمدتاً از فولاد قراضه استفاده می‌کنند.
کوره بلند یا کوره ذوب آهن چیست؟
کوره بلند (Blast Furnace) توسط یک انگلیسی به نام هنری بسمر در اواسط دهه 1850 اختراع شد. بسمر راهی برای تولید فولاد با دمیدن هوا در آهن مذاب برای اکسید شدن مواد و جداسازی ناخالصی‌ها ابداع کرد.
کوره بلند مدرن یک پوسته فولادی بزرگ است که شکل استوانه‌ای دارد و با آجر مقاوم در برابر حرارت، روکش شده است. سنگ آهن، کک و سنگ آهک از بالا وارد کوره می‌شوند و به تدریج به سمت پایین فرو می‌روند و با پایین آمدن، داغ‌تر می‌شوند. در نیمه بالایی کوره، گاز حاصل از سوزاندن کک، اکسیژن را از سنگ آهن آزاد می‌کند. در نیمه پایینی کوره، سنگ آهک شروع به واکنش با ناخالصی‌های موجود در سنگ معدن و کک می‌کند و سرباره تشکیل میدهد.
در انتهای کوره، دما به بیش از 3000 فارنهایت (1648 درجه سانتی‌گراد) می‌رسد. سرباره مذاب روی فولاد مذاب شناور شده و به آن اجازه میدهد از طریق یک بریدگی سرباره در کوره تخلیه شود. فولاد مذاب از طریق یک سوراخ شیر از اجاق کوره خارج می‌شود.
کوره قوس الکتریکی (EAF) چیست؟
کوره های قوس الکتریکی عمدتاً برای تولید فولادهای با کیفیت خاص که با فلزات دیگر آلیاژ می‌شوند، استفاده می‌شود. EAF ها همچنین می‌توانند برای تولید فولادهای معمولی و غیر آلیاژی نیز استفاده شوند. برخلاف کورههای بلند، EAF ها از فلز داغ استفاده نمی‌کنند. آن‌ها از فولاد قراضه محصولات بازیافتی استفاده می‌کنند.
ضایعات فولادی از یک جرثقیل سقفی به EAF هدایت می‌شود. هنگامی که کوره پر است، درب آن بسته شده و بالای کوره را می‌پوشاند. درب شامل الکترودهایی است که به داخل کوره فرو می‌روند. الکترودها با یک جریان الکتریکی قوی شارژ می‌شوند که گرما تولید می‌کند و در نتیجه ضایعات ذوب می‌شود.
همان‌طور که ضایعات ذوب می‌شوند، فلزات دیگری به نام فروآلیاژها به فولاد اضافه می‌شوند تا ترکیب شیمیایی مورد نظر را به آن بدهند. اکسیژن به داخل کوره دمیده شده تا فولاد، خالص شود. آهک و فلورسپار برای ترکیب با ناخالصی‌ها و تشکیل سرباره اضافه می‌شوند.
سرباره مذاب در بالای فولاد مذاب شناور است و با کج کردن کوره قابل ریختن است. طیف وسیعی از فولادهای با کیفیت خاص را می‌توان در EAF با ترکیب فلزات دیگر برای تشکیل آلیاژهای فولادی ساخت. پرکاربردترین آن‌ها فولاد ضد زنگ است که کروم و نیکل به آن اضافه شده است تا خواص مقاوم در برابر خوردگی به آن بدهد. از دیگر فولادهای ویژه ساخته شده در EAF می‌توان به فولادهای مورد استفاده در مهندسی، هوافضا و پوشش زرهی اشاره کرد.
خواص فولاد
انواع فولاد دارای خواص ویژه‌ای هستند که مهمترین آن‌ها عبارتند از:
- سختی: مقاومت در برابر فرورفتگی هنگام فشار دادن با افزایش تدریجی فشار
- چقرمگی: زمانی که ماده تغییر شکل میدهد، چقرمگی نشان میدهد که تا چه حد قبل از شکستگی پیش می‌رود.
- قدرت تسلیم: مقاومت در برابر تغییر شکل در حالی که کشیده می‌شود با افزایش تدریجی فشار
- استحکام کششی: توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر کشیده شدن قبل از شکستن
- چکش خواری: قابلیت شکل دادن با چکش یا فشار دادن بدون شکستن
- شکل‌پذیری: توانایی شکل‌دهی بدون از دست دادن چقرمگی
جمع‌بندی
طبق گزارش انجمن جهانی فولاد، 1869.9 میلیون تن فولاد در سال 2019 تولید شد. این نشان دهنده افزایش 3.4 درصدی تولید نسبت به سال 2018 و بیش از دو برابر تولید در سال 1999 است. نیاز جهان به فولاد روز به روز در حال افزایش است. در ساخت و ساز، صنعت و تولید استفاده می‌شود. از آنجایی که هم قوی و هم ارزان است، برای تمام انواع تولید ایده آل است. آهن، جزء اصلی فولاد، یکی از فراوان‌ترین عناصر در پوسته زمین است. کربن با آهن پیوند می‌زند تا یک ساختار مولکولی قوی ایجاد کند. ریزساختار شبکه حاصل به دستیابی به خواص خاصی از مواد مانند استحکام کششی و سختی کمک می‌کند که ما در صنعت به آن فولاد می‌گوییم.
پرسش و پاسخ
آیا فولاد 100 درصد از آهن تشکیل شده است؟
جزء اصلی فولاد آهن است، با محتوای کربن متفاوت، اما معمولاً شامل کمتر از 2٪، با 1٪ منگنز و مقادیر کمی سیلیکون، فسفر، گوگرد و اکسیژن است. این افزودن کربن با عناصر چندگانه مخلوط است که استحکام، مقاومت و حتی تغییرپذیری فولاد آلیاژی را افزایش میدهد.
چه کسی فولاد را کشف کرد؟
از قرن سیزدهم قبل از میلاد، باستان شناسان شواهدی یافتهاند که نشان میدهد آهنگرها اولین کسانی بودند که شروع به سنتز فولاد کردند. مانند بسیاری از اختراعات، این احتمالاً یک حادثه خوشحال کننده بوده است که در نتیجه ماندن بیش از حد آهن در کورههای زغال سنگ که حاوی سطوح بالای کربن بودهاند، فولاد به دست آمده است.
فولاد و آلیاژ, مقالات در گروه صبا | نویسنده : امید مرادی | بروزرسانی : 20 آبان 1402
