فولاد چیست؟
آلیاژی از کربن و آهن و دیگر عناصر نظیر منگنز، کروم، فسفر، گوگرد و … به صورت خواسته یا ناخواسته است. مهمترین عنصری که در کنار آهن حضور دارد کربن است.
چرا کربن همواره در همه فولادها حضور دارد؟ به علت روش تولید آهن که روش کربوترمی است مقداری کربن در آهن احیا شده و حل می شود. از نظر تئوری فولاد کمتر از ۲% کربن دارد. اما اکثر فولادهای رایج، ترکیب فولادهای هیپویوتکتوئید را دارند. یعنی کربن کمتر از ۰.۸% دارند. فولادهای یوتکتوئید و هایپر یوتکتوئید به ندرت و برای مصارف خاص تولید میشوند.
آهن در طبیعت فقط به صورت اکسیدهای آن حضور دارد. این اکسیدها در کوره بلند و یا واحدهای احیای مستقیم، احیا میشوند. مورد اول تولید آهن خام و مورد دوم تولید آهن اسفنجی میکند. آهن خام مقادیر زیادی کربن (۳.۵تا۴%)، سیلیسیم (۱ تا ۱.۴%)، ( منگنز ( ۰.۵تا۰.۴%)، فسفر ( ۰.۳ تا ۰.۲۲%)، گوگرد ( ۰.۰۷ تا ۰.۰۶%) دارد.
لذا حذف مقادیر اضافی کربن، سیلسیم ، منگنز، فسفر و گوگرد باید توسط واکنشهای شیمیایی حذف شده و به ترکیب مورد نظر فولاد رسیده شود. این واکنشها شامل اکسیداسیون ناخالصیها و جذب اکسید آنها به فاز سرباره یا فاز گاز ( مانند ZnO ) میباشد. این واکنشها بر اساس دیاگرام الینگهام انجام می گیرد. این دیاگرام نشان می دهد که انرژی تشکیل SiO2، MnO، CO، P2O5، از انرژی تشکیل اکسیدهای مختلف آهن کوچکتر است. لذا این ناخالصی ها در حضور آهن توسط اکسیژن ، اکسید خواهند شد و از آهن خام جدا می شوند.
SiO2، MnO، P2O5، تشکیل سرباره می دهند تشکیل سرباره با اضافه کردن یک فلاکس بازی مانند CaO تسهیل می شود. CO به صورت نیز به صورت گازی خارج شده و به صورت CO2 می سوزد.
در نهایت فولاد مایعی که بدست می آید دمای بالاتری نسبت به چدن خام حاصل از کوره بلند دارد.
کشورهای مهم فولاد ساز در دنیا
توسعه و پیشرفت کشورها را از توسعه آنها در صنعت فولادسازی می سنجند. ۶۷ کشور جهان تولیدکننده فولاد هستند. به ترتیب چین، ژاپن، آمریکا، روسیه، هند،کره جنوبی، آلمان، اوکراین، برزیل و ترکیه رتبه های اول تا دهم را به خود اختصاص می دهند. ایران در رتبه ۱۷ جهان قرار دارد.
ایران، چین و هند جزو بزرگترین تولیدکننده های آهن خام دنیا هستند.
تولید فولاد در ایران
اشیاء فولادی زیادی در مناطق مختلف ایران پیدا شده که نشان دهنده دانش فنی تولید آهن آلات و فلز در ایران باستان است. نیاز روزافزون به محصولات فولادی باعث گردید که از سه قرن اخیر یعنی از زمان قاجاریه تاسیس کارخانه ذوب آهن یک آرمان و هدف ملی تلقی شود. ولی با ایجاد مشکلات و موانع این کار به تعویق می افتد.
در تاریخ ۲۳ دی ماه ۱۳۴۲ یک کارخانه نورد با ظرفیت ۶۵ هزار تن توسط بخش خصوصی ایجاد شد این کارخانه در سال ۱۳۴۶ با مواد اولیه خارجی در اهواز شروع به تولید کرد. در سال ۱۳۵۱ اولین کارخانه فولادسازی در اصفهان شروع به کارکرد.
شرکت های تولید کننده فولاد در ایران
شرکت ملی تولید فولاد ایران، شرکت فولاد مبارکه، شرکت ذوب آهن اصفهان، شرکت فولاد خوزستان از جمله مهمتری وید کندگان فولاد در کشور هستند.تفاوت عمده شرکت ذوب آهن اصفهان و شرکت فولاد مبارکه در چیست؟ اولی با کوره بلند و دومی با گاز طبیعی (احیای مستقیم) آهن اسفنجی تولید میکند.
فولاد مبارکه از سال ۱۳۶۰ شروع شده و در سال ۱۳۷۰ (به دلیل جنگ) شروع به تولید کرده است. ذوب آهن در سال ۱۳۴۴ در مجلس تصویب شده با شرکت تیاژ پروم اکسپورت شوروی قرارداد منعقد شد. مراحل اجرایی از ۱۳۴۶ شروع شده و در سال ۱۳۵۰ کوره بلند ۱ ساخته شد. در سال ۱۳۵۱ کوره بلند شماره ۲ ساخته شد.
عمده روشهای فولاد سازی
– روش HYL
غیر مداوم است. دارای ۴ مرحله و هر مرحله ۳ ساعت طول می کشد.
بار کردن شارژ و تخلیه گندله احیا شده.
احیای اولیه گندله ها.
احیای کامل گندله ها.
سرد کردن گندله های احیا شده.
– روش میدرکس
میدرکس یک روش با شارژ مداوم است. دما در این روش ۷۵۰ درجه سانتی گراد است. از خیلی جهت ها شبیه کوره بلند است فقط ذوب شدن مواد اتفاق نمی افتد و به جای اکسیژن از گاز احیایی استفاده می شود.
تاریخچه فولاد سازی در سایر کشورها
تاریخ تمدن بشریت به شدت به توسعه فلزات و آلیاژها گره خورده است. آغاز عصر مس در حدود شش هزار سال پیش به عنوان آغاز تمدن بشریت شناخته می شود.بعد از این عصر ، اعصار برنز و بعد عصر آهن شروع شد. در عصر آهن بشر هنر تولید آهن را توسط واکنشهای حالت جامد با استفاده از زغال آموخت.
محصول عمدتا شامل آهن خالص، اکسید آهن، ذرات کربن و سرباره می شد. بشر بعدها توانست سرباره را از آهن خام جدا کند.
– هندوستان یکی از کشورهای پیشرو در زمینه تولید فولاد کربن بالا ( به نام Wootz شناخته می شود ) می باشد. این فولاد ماده خام تولید شمشیرهای مودف هندی بوده و حدود ۱۰۰۰ سال در انحصار هندی ها بوده است.
– چینی ها ریخته گری آهن را ۷۰۰-۸۰۰ سال قبل از میلاد مسیح انجام می دادند. چینی ها تکنیکهای شبیه کوره بلند برای تولید آهن بار استفاده از زغال ابداع کرده بودند.
– هندی ها فرایند بوتهای را جهت تولید فولاد ابداع کردند. متاسفانه روشهای فرایند در جایی ثبت نشده است. همچنین توسعه این روشها در هر دو کشور در حدود سالهای ۱۰۰۰ بعد از میلاد متوقف شده است.
– فولادسازی مدرن از سال ۱۷۶۰ با ابداع فرایند بوته ای در انگلستان توسط huntsman شروع می شود. این فرایند سپس جهت تولید فولادهای آلیاژی و فولادهای ابزار بهینه سازی شد. اما تولید به وسیله روش بوته ای بسیار کم بود. آنها بعد از ابداع روش سمبر توسط هنری سمبر در سال ۱۸۵۶ ظرفیت تولید فولاد افزایش یافت. در ۱۵۰ سال گذشته پیشرفتها و تحولات زیادی در زمینه فولادسازی صورت گرفته است. مثلا چین دوباره به بزرگترین تولید کننده فولاد تبدیل شده است و هند تلاش می کند تا به افتخارات گذشته اش دست پیدا بکند.
خوراک کوره های تولید کننده فولاد را آهن خام، قراضه و آهن اسفنجی تشکیل می دهند.
کوره های تولید کننده فولاد
کنورتور LD
LDAC
کوره زیمنس مارتین
کوره قوس الکتریک EAF
کوره های القایی
توجه زیادی که اخیراً برای کیفیت فولاد می شود باعث شده است که سرمایه گذاری برای تصفیه مجدد فولاد امری اقتصادی جلوه کند.
مسائل محیط زیست در سالهای اخیر باعث شده است که توجه زیادی به استفاده بهینه از کنورتورها و کاهش گازهابی خروجی و یا استفاده از گازهایی مانند CO2 در صنایع دیگر بشود.