متالورژی

روشهای تهیه فولاد

از سه روش برای تهیه فولاد استفاده می‌شود:

روش بسمه

در این روش ، ناخالصی‌های موجود در چدن مذاب را به کمک سوزاندن در اکسیژن کاهش داده ، آن را به فولاد تبدیل می‌کنند. پوشش جدار داخلی کوره بسمه از سیلیس یا اکسید منیزیم و گنجایش آن در حدود 15 تن است. نحوه کار کوره به این ترتیب است که جریانی از هوا را به داخل چدن مذاب هدایت می‌کنند تا ناخالصی‌های کربن و گوگرد به‌صورت گازهای SO₂ و CO₂ از محیط خارج شود و ناخالصی‌های فسفر و سیلیس موجود در چدن مذاب در واکنش با اکسیژن موجود در هوا به‌صورت اکسیدهای غیر فرار P₄O₁₀ و SiO₂ جذب جدارهای داخلی کوره شوند و به ترکیبات زودگداز Mg₃(PO₄)₂ و MgSiO₃ تبدیل و سپس به‌صورت سرباره خارج شوند.
سرعت عمل این روش زیاد است، به همین دلیل کنترل مقدار اکسیژن مورد نیاز برای حذف دلخواه ناخالصی‌های چدن غیرممکن است و در نتیجه فولاد با کیفیت مطلوب و دلخواه را نمی‌توان به این روش بدست آورد.

روش کوره باز (یا روش مارتن)

در این روش برای جدا کردن ناخالصی‌های موجود در چدن ، از اکسیژن موجود در زنگ آهن یا اکسید آهن به جای اکسیژن موجود در هوا در روش بسمه (به منظور سوزاندن ناخالصی‌هایی مانند کربن ، گوگرد و غیره) استفاده می‌شود. برای این منظور از کوره باز استفاده می‌شود که پوشش جدار داخلی آن از MgO و CaO تشکیل شده است و گنجایش آن نیز بین 50 تا 150 تن چدن مذاب است. حرارت لازم برای گرم کردن کوره از گازهای خروجی کوره و یا مواد نفتی تأمین می‌شود. برای تکمیل عمل اکسیداسیون ، هوای گرم نیز به چدن مذاب دمیده می‌شود. زمان عملکرد این کوره طولانی‌تر از روش بسمه است. از این نظر می‌توان با دقت بیشتری عمل حذف ناخالصی‌ها را کنترل کرد و در نتیجه محصول مرغوب‌تری بدست آورد.

روش الکتریکی

از این روش در تهیه فولادهای ویژه‌ای که برای مصارف علمی ‌و صنعتی بسیار دقیق لازم است، استفاده می‌شود که در کوره الکتریکی با الکترودهای گرافیت صورت می‌گیرد. از ویژگی‌های این روش این است که احتیاج به ماده سوختنی و اکسیژن ندارد و دما را می‌توان نسبت به دو روش قبلی ، بالاتر برد.
این روش برای تصفیه مجدد فولادی که از روش بسمه و یا روش کوره باز بدست آمده است، به منظور تبدیل آن به محصول مرغوبتر ، بکار می‌رود. برای این کار مقدار محاسبه شده ای از زنگ آهن را به فولاد بدست آمده از روشهای دیگر ، در کوره الکتریکی اضافه کرده و حرارت می‌دهند. در این روش ، برای جذب و حذف گوگرد موجود در فولاد مقدار محاسبه شده‌ای اکسید کلسیم و برای جذب اکسیژن محلول در فولاد مقدار محاسبه شده ای آلیاژ فروسیلیسیم (آلیاژ آهن و سیلیسیم) اضافه می‌کنند.

انواع فولاد و کاربرد آنها

از نظر محتوای کربن ، فولاد به سه نوع تقسیم می‌شود:

فولاد نرم

این نوع فولاد کمتر از 0,2 درصد کربن دارد و بیشتر در تهیه پیچ و مهره ، سیم خاردار و چرخ دنده ساعت و ... بکار می‌رود.

فولاد متوسط

این فولاد بین 0,2 تا 0,6 درصد کربن دارد و برای تهیه ریل و راه آهن و مصالح ساختمانی مانند تیرآهن مصرف می‌شود.

فولاد سخت

فولاد سخت بین 0,6 تا 1,6 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 1،5 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.

کاربرد انواع مختلف فولاد

از فولادی که تا 0.2 درصد کربن دارد، برای ساختن سیم ، لوله و ورق فولاد استفاده می‌شود. فولاد متوسط 0.2 تا 0.6 درصد کربن دارد و آن را برای ساختن ریل ، دیگ بخار و قطعات ساختمانی بکار می‌برند. فولادی که 0.6 تا 1.5 درصد کربن دارد، سخت است و از آن برای ساختن ابزارآلات ، فنر و کارد و چنگال استفاده می‌شود.

ناخالصی‌های آهن و تولید فولاد

آهنی که از کوره بلند خارج می‌شود، چدن نامیده می‌شود که دارای مقادیری کربن ، گوگرد ، فسفر ، سیلیسیم ، منگنز و ناخالصی‌های دیگر است. در تولید فولاد ، دو هدف دنبال می‌شود:

   1. سوزاندن ناخالصی‌های چدن

   2. افزودن مقادیر معین از مواد آلیاژ دهنده به آهن

منگنز ، فسفر و سیلیسیم در چدن مذاب توسط هوا یا اکسیژن به اکسید تبدیل می‌شوند و با کمک ذوب مناسبی ترکیب شده ، به صورت سرباره خارج می‌شوند. گوگرد به صورت سولفید وارد سرباره می‌شود و کربن هم می‌سوزد و منوکسید کربن (CO) یا دی‌اکسید کربن (CO2) در می‌آید. چنانچه ناخالصی اصلی ، منگنز باشد، یک کمک ذوب اسیدی که معمولا دی‌اکسید سیلسیم (SiO2) است، بکار می‌برند:

(MnO + SiO2 -------> MnSiO3(l

و چنانچه ناخالصی اصلی ، سیلسیم یا فسفر باشد (و معمولا چنین است)، یک کمک ذوب بازی که معمولا اکسید منیزیم (MgO) یا اکسید کلسیم (CaO) است، اضافه می‌کنند:

(MgO + SiO2 -------> MgSiO2(l

(6MgO + P4O10 -------> 2Mg3(PO4)2(l

کوره تولید فولاد و جدا کردن ناخالصی‌ها

معمولا جداره داخلی کوره ای را که برای تولید فولاد بکار می‌رود، توسط آجرهایی که از ماده کمک ذوب ساخته شده‌اند، می‌پوشانند. این پوشش ، مقداری از اکسیدهایی را که باید خارج شوند، به خود جذب می‌کند. برای جدا کردن ناخالصی‌ها ، معمولا از روش کوره باز استفاده می‌کنند. این کوره یک ظرف بشقاب مانند دارد که در آن 100 تا 200 تن آهن مذاب جای می‌گیرد.

بالای این ظرف ، یک سقف مقعر قرار دارد که گرما را روی سطح فلز مذاب منعکس می‌کند. جریان شدیدی از اکسیژن را از روی فلز مذاب عبور می‌دهند تا ناخالصی‌های موجود در آن بسوزند. در این روش ناخالصیها در اثر انتقال گرما در مایع و عمل پخش به سطح مایع می‌آیند و عمل تصفیه ، چند ساعت طول می‌کشد. البته مقداری از آهن ، اکسید می‌شود که آن را جمع‌آوری کرده ، به کوره بلند باز می‌گردانند.

روش دیگر جدا کردن ناخالصی‌ها از آهن

در روش دیگری که از همین اصول شیمیایی برای جدا کردن ناخالصی‌ها از آهن استفاده می‌شود، آهن مذاب را همراه آهن قراضه و کمک‌ذوب در کوره‌ای بشکه مانند که گنجایش 300 تن بار را دارد، می‌ریزند. جریان شدیدی از اکسیژن خالص را با سرعت مافوق صوت بر سطح فلز مذاب هدایت می‌کنند و با کج کردن و چرخاندن بشکه ، همواره سطح تازه‌ای از فلز مذاب را در معرض اکسیژن قرار می‌دهند.

اکسایش ناخالصی‌ها بسیار سریع صورت می‌گیرد و وقتی محصولات گازی مانند CO2 رها می‌شوند، توده مذاب را به هم می‌زنند، بطوری که آهن ته ظرف ، رو می‌آید. دمای توده مذاب ، بی آنکه از گرمای خارجی استفاده شود، تقریبا به دمای جوش آهن می‌رسد و در چنین دمایی ، واکنشها فوق‌العاده سریع بوده ، تمامی‌ این فرایند ، در مدت یک ساعت یا کمتر کامل می‌شود و معمولا محصولی یکنواخت و دارای کیفیت خوب بدست می‌آید.

تبدیل آهن به فولاد

آهن مذاب تصفیه شده را با افزودن مقدار معین کربن و فلزهای آلیاژ دهنده مثل وانادیم ، کروم ، تیتانیم ، منگنز و نیکل به فولاد تبدیل می‌کنند. فولادهای ویژه ممکن است مولیبدن ، تنگستن یا فلزهای دیگر داشته باشند. این نوع فولادها برای مصارف خاصی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در دمای زیاد ، آهن و کربن با یکدیگر متحد شده ، کربید آهن (Fe3C) به نام «سمانتیت» تشکیل می‌دهند. این واکنش ، برگشت‌پذیر و گرماگیر است:

Fe3C <------- گرما + 3Fe + C

هرگاه فولادی که دارای سمانتیت است، به‌کندی سرد شود، تعادل فوق به سمت تشکیل آهن و کربن ، جابجا شده ، کربن به‌صورت پولکهای گرافیت جدا می‌شود و به فلز ، رنگ خاکستری می‌دهد. برعکس ، اگر فولاد به سرعت سرد شود، کربن عمدتا به شکل سمانتیت که رنگ روشنی دارد، باقی می‌ماند. تجزیه سمانتیت در دمای معمولی به اندازه‌ای کند است که عملا انجام نمی‌گیرد.

فولادی که دارای سمانتیت است، از فولادی که دارای گرافیت است، سخت‌تر و خیلی شکننده‌تر است. در هر یک از این دو نوع فولاد ، مقدار کربن را می‌توان در محدوده نسبتا وسیعی تنظیم کرد. همچنین ، می‌توان مقدار کل کربن را در قسمتهای مختلف یک قطعه فولاد تغییر داد و خواص آن را بهتر کرد. مثلا بلبرینگ از فولاد متوسط ساخته شده است تا سختی و استحکام داشته باشد و لیکن سطح آن را در بستری از کربن حرارت می‌دهند تا لایه نازکی از سمانتیت روی آن تشکیل گردد و بر سختی آن افزوده شود.

صنعت فولاد ايران در جهان چه جايگاهي دارد؟ (گزارش آماري)

جهت آغاز اراية تحليل‌هايي از صاحب‌نظران و مسئولين پيرامون صنعت فولاد، لازم است گزارش آماري در خصوص ميزان توليد و مصرف، صادرات و واردات و اشتغالزايي و غيرة صنعت فولاد در جهان و ايران ارايه شود. متن زير كه با استناد به آمار ارايه شده توسط مؤسسه بين‌المللي آهن و فولاد (ويرايش سال ۲۰۰۳) تهيه شده است جايگاه ايران و وضعيت صنعت فولاد جهان را به اختصار نشان مي‌دهد:

فولادها تركيبات بسيار متنوعي از آهن، كربن و عناصر آلياژي هستند به طوري­كه مي‌توان با تغيير مقدار و نوع اين عناصر، تركيبات مختلف فولادي با خواص بسيار جالب و متفاوت را توليد نمود. اگرچه تاريخچه توليد آهن و فولاد به حدود 3000 سال قبل برمي‌گردد، ولي روش­هاي جديد جهت توليد محصولات فولادي در قرن 19 ميلادي به كارگرفته شدند. توسعه تكنولوژي توليد فولاد در آن زمان، باعث توليد مقادير بسيار زياد اين محصول گرديد و در نتيجه كاربردهاي جديدي جهت استفاده از آن مثلاً در راه‌آهن و صنايع اتومبيل‌سازي به وجود آمد كه از آن زمان تا به حال، دامنه كاربرد و توليد اين محصول روزبه‌روز گسترش بيشتري يافته است

.

توليد جهاني فولاد خام

درسال 1950 ميلادي، مجموع فولاد توليد شده درجهان كمتر از 200 ميليون تن در سال بوده است و اين در حالي است كه توليد ساليانه فولاد تا پايان سال

 2002 بيش از 900 ميليون تن گزارش شده است. جداول زير ميزان فولاد توليد شده و همچنين

نرخ رشد توليد فولاد را بين سال­هاي 1970 تا 2002 نشان مي‌دهند.

از آمارهاي فوق نتيجه‌گيري مي‌شود كه در تمام اين سال­ها لزوماً توليد جهاني فولاد افزايش نيافته و حتي در بعضي موارد، رشد توليد اين محصولات منفي بوده است؛ همچنين نشان داده شده است كه در چند سال اخير، توليد فولاد رشد بسيار زيادي داشته است.

بزرگترين شركت­هاي توليد‌كنندة فولاد

جدول زير 40 شركت عمدة توليدكننده فولاد جهان را در سال 2002 ميلادي نشان مي‌دهد كه برحسب ميزان توليد مرتب شده‌اند. در اين ميان شركت اروپايي Arcelor با توليد 44 ميليون تن فولاد در سال 2002، بزرگترين شركت توليدكننده فولاد جهان است. در اين بين، شركت ملي فولاد ايران (NISCO) به عنوان بزرگترين شركت توليدكننده فولاد درخاورميانه در رده 24 جدول قرار دارد كه توليد سالانه آن درسال 2002 برابر 7,3 ميليون تن فولاد خام بوده است.

بزرگ­ترين كشورهاي توليدكننده فولاد

به دليل اهميت بسيار بالاي توليد فلزات اساسي و از جمله فولاد، كشورهاي صنعتي جهان هركدام به دنبال جايگاه ويژه‌اي در توليد اين محصول هستند.

 در اين بين كشور چين در سال 2002 ميلادي با توليد بيش از 180 ميليون تن فولاد،‌ مقام اول توليد جهاني را دارا است و اين در حالي است كه كشورهاي

با توليد 107.7 و آمريكا با توليد 2,92 ميليون تن در سال در رده­هاي ژاپن دوم و سوم جهاني قراردارند .

جدول زير وضعيت 39 كشور بزرگ توليدكننده فولاد خام در جهان در سال 2002 ميلادي را نشان مي‌دهد.

در حال حاضر در بيش از يكصد كشور جهان محصولات فولادي توليد مي­شود كه از اين ميان، كشور ايران در سال 2002 ميلادي با توليد 3,7 تن و در حال حاضر با توليد حدود 8 ميليون تن فولاد، به عنوان بيست­و­دومين توليدكننده اين محصول در جهان و ششمين توليدكننده بزرگ آسيا مطرح است.

عمده‌ترين صادركنندگان و واردكنندگان فولاد
با توجه به آمار ارايه شده براي سال 2001 ميلادي، ژاپن و روسيه به ترتيب با صادرات 5,29 و 6,25 ميليون تن، بزرگ­ترين صادركننده فولاد جهان بودند؛ درحالي­كه كشورهاي آمريكا و چين به ترتيب با واردات 8,27 و 6,25 ميليون تن،‌ عنوان بزرگ­ترين واردكنندگان فولاد در جهان را به خود اختصاص دادند. جالب­تر اينكه در اين سال، چين به عنوان بزرگ­ترين توليدكننده جهان با 9,150 ميليون تن و آمريكا به عنوان سومين توليدكننده جهاني فولاد با توليدي معادل 1,90 ميليون تن در سال معرفي شده بودند. اين امر بيان­گر اين موضوع است كه در سال 2001، اگرچه چين و آمريكا جزو بزرگ­ترين توليدكنندگان فولاد بوده­اند، ولي حتي به اندازه مصرف داخلي كشورهاي خود نيز محصولات فولادي توليد نكرده­ بودند.

در اين بين اطلاع از وضعيت كشور ايران نيز خواندني و جالب توجه است. ايران در سال 2001 توانست 9,6 ميليون تن فولاد توليد كند كه از اين مقدار تنها 600 هزارتن آن را به كشورهاي ديگر صادر نمود؛ ‌اين درحالي است كه ايران با واردات 7,4 ميليون تن فولاد رتبه 17 جهاني واردكنندگان فولاد را در اين سال به خود اختصاص داد. البته در حال حاضر ايران توانسته است سقف صادرات فولاد خود را به حدود 5,1 ميليون تن در سال برساند.

جايگاه فولاد ايران در خاورميانه

با توجه به آمار موجود، در سال 2002، از ميان كشورهاي خاورميانه ايران با توليد 3,7 ميليون تن و عربستان سعودي با توليد 6,3 ميليون تن فولاد خام، مهم­ترين توليدكنندگان هستند و اين درحالي است كه مجموع توليد ساير كشورهاي خاورميانه درحدود 3,1 ميليون تن است.

نكته جالب ديگر در مورد كشورهاي خاورميانه، درصد توليد و مصرف جهاني فولاد در اين كشورهاست. در سال 2002، كشورهاي خاورميانه تنها موفق به توليد 2,1 درصد از فولاد جهان شده بودند و اين در حالي است كه مصرف حدود 2 درصد فولاد جهان براي اين كشورها گزارش شده است. اين امر مي­تواند به عنوان يك مزيت براي صنعت فولاد ايران مطرح باشد به اين صورت كه در كشورهاي همسايه ايران، فولاد زيادي توليد نمي­شود ضمن اينكه اين كشورها از بازار مصرف نسبتا‌‌ً خوبي نيز برخوردار هستند. بنابراين براي محصولات فولادي كشور مي­توان يك بازار مصرف بسيار مناسب در كشورهايي مثل عراق، بحرين، افغانستان، پاكستان و حتي تركمنستان، آذربايجان و ارمنستان پيش­بيني كرد.

توليدات چدن در ايران و جهان

درسال 2002 ميلادي كشورهاي چين، ژاپن و روسيه به ترتيب با توليد 7,170 و 2,46 81 ميليون تن چدن بزرگ­ترين توليدكنندگان اين محصول بودند. ايران در اين سال 2,2 ميليون تن چدن توليد نمود كه تمام اين مقدار در كشور مصرف شد و در اين زمينه صادرات و وارداتي صورت نگرفت.

اشتغال­زايي صنعت فولاد

از ديرباز يكي از جنبه‌هاي مهم صنايع فولادي در جهان،اشتغالزايي اين صنعت بوده است به گونه‌اي كه در اين صنعت، نيروي كار زيادي به طور مستقيم و غيرمستقيم به كار گرفته مي‌شده‌اند؛ اما بررسي‌هاي صورت گرفته از كاهش 65 درصدي نيروي كار در صنعت فولاد جهان بين سال­هاي 1974 تا 2000 ميلادي خبر مي­دهند كه علت آن را مي‌توان جايگزيني تكنولوژي‌هاي جديد نظير ريخته‌گري مداوم و همچنين فرآيندهاي كنترل كامپيوتري در اين صنعت دانست.

البته لازم به ذكر است كه نيروي كار به كار گرفته شده در صنعت فولاد كشور، با كشورهاي پيشرفته و صنعتي بسيار متفاوت است؛ به‌طوريكه در اين كشورها براي توليد هر ميليون تن فولاد به طور مستقيم در حدود 1500 نفر نيروي كار لازم است ولي در ايران، براي توليد يك ميليون تن فولاد به نيروي كار مستقيمي در حدود 4 الي 5 هزار نفر نياز است كه در حدود 3 برابر آمار جهاني كشورهاي پيشرفته است.