مروری بر فولاد سازی و روش های تولید فولاد (بخش یکم)

فولاد چیست

آلیاژي از کربن و آهن و دیگر عناصر نظیر منگنز، کروم، فسفر، گوگرد و … به صورت خواسته یا ناخواسته است. مهمترین عنصري 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 مقداري کربن در آهن احیا شده و حل می شود. از نظر تئوري فولاد کمتر از 2% کربن دارد. اما اکثر فولادهاي رایج، ترکیب فولادهاي هیپویوتکتوئید را دارند. یعنی کربن کمتر از 0.8% دارند. فولادهاي یوتکتوئید و هایپر یوتکتوئید به ندرت و براي مصارف خاص تولید میشوند.

آهن در طبیعت فقط به صورت اکسیدهاي آن حضور دارد. این اکسیدها در کوره بلند و یا واحدهاي احیاي مستقیم، احیا میشوند. مورد اول تولید آهن خام و مورد دوم تولید آهن اسفنجی میکند. آهن خام مقادیر زیادي کربن (3.5تا4%)، سیلیسیم (1 تا 1.4%)، ( منگنز ( 0.5تا0.4%)، فسفر ( 0.3 تا 0.22%)، گوگرد ( 0.07 تا 0.06%) دارد.

لذا حذف مقادیر اضافی کربن، سیلسیم ، منگنز، فسفر و گوگرد باید توسط واکنشهاي 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 انرژي تشکیل SiO2، MnO، CO، P2O5، از انرژي تشکیل اکسیدهاي 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 گازي خارج شده و به صورت CO2 می سوزد.

در نهایت فولاد مایعی که بدست می آید دماي بالاتري نسبت به چدن خام حاصل از کوره بلند دارد.

» نوشته مرتبط: روشهای تولید فولاد خام

واکنش آهن در دماهای مختلف

کشورهاي مهم فولاد ساز در دنیا

توسعه و پیشرفت کشورها را از توسعه آنها در صنعت فولادسازي می سنجند. 67 کشور جهان تولیدکننده فولاد هستند. به ترتیب چین، ژاپن، آمریکا، روسیه، هند،کره جنوبی، آلمان، اوکراین، برزیل و ترکیه رتبه هاي اول تا دهم را به خود اختصاص می دهند. ایران در رتبه 17 جهان قرار دارد.

ایران، چین و هند جزو بزرگترین تولیدکننده هاي آهن خام دنیا هستند.

تولید فولاد در ایران

اشیاء فولادي 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 23 دي ماه 1342 یک کارخانه نورد با ظرفیت 65 هزار تن توسط بخش خصوصی ایجاد شد این کارخانه در سال 1346 با مواد اولیه خارجی در اهواز شروع به تولید کرد. در سال 1351 اولین کارخانه فولادسازي در اصفهان شروع به کارکرد.

» نوشته مرتبط: تولید آهن اسفنجی به روش SL/RN

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 1360 شروع شده و در سال 1370 (به دلیل جنگ) شروع به تولید کرده است. ذوب آهن در سال 1344 در مجلس تصویب شده با شرکت تیاژ پروم اکسپورت شوروی قرارداد منعقد شد. مراحل اجرایی از 1346 شروع شده و در سال 1350 کوره بلند 1 ساخته شد. در سال 1351 کوره بلند شماره 2 ساخته شد.

عمده روشهای فولاد سازی

– روش HYL

غیر مداوم است. داراي 4 مرحله و هر مرحله 3 ساعت طول می کشد.

1. بار کردن شارژ و تخلیه گندله احیا شده.
2. احیاي اولیه گندله ها.
3. احیاي کامل گندله ها.
4. سرد کردن گندله هاي احیا شده.

– روش میدرکس

میدرکس یک روش با شارژ مداوم است. دما در این روش 750 درجه سانتی گراد است. از خیلی جهت ها شبیه کوره بلند است فقط ذوب شدن مواد اتفاق نمی افتد و به جاي 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 واکنشهاي 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 کشورهاي پیشرو در زمینه تولید فولاد کربن بالا ( به نام Wootz شناخته می شود ) می باشد. این فولاد ماده خام تولید شمشیرهاي مودف هندي بوده و حدود 1000 سال در انحصار هندي ها بوده است.

– چینی ها ریخته گري آهن را 700-800 سال قبل از میلاد مسیح انجام می دادند. چینی ها تکنیکهاي شبیه کوره بلند براي تولید آهن بار استفاده از زغال ابداع کرده بودند.

– هندي ها فرایند بوتهاي را جهت تولید فولاد ابداع کردند. متاسفانه روشهاي فرایند در جایی ثبت نشده است. همچنین توسعه این روشها در هر دو کشور در حدود سالهاي 1000 بعد از میلاد متوقف شده است.

– فولادسازي مدرن از سال 1760 با ابداع فرایند بوته اي در انگلستان توسط huntsman شروع می شود. این فرایند سپس جهت تولید فولادهاي آلیاژي و فولادهاي ابزار بهینه سازي شد. اما تولید به وسیله روش بوته اي بسیار کم بود. آنها بعد از ابداع روش سمبر توسط هنري سمبر در سال 1856 ظرفیت تولید فولاد افزایش یافت. در 150 سال گذشته پیشرفتها و تحولات زیادي در زمینه فولادسازي 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.

خوراك کوره هاي تولید کننده فولاد را آهن خام، قراضه و آهن اسفنجی تشکیل می دهند.

» نوشته مرتبط: آهن قراضه چیست

کوره هاي تولید کننده فولاد

• کنورتور LD
• LDAC
• کوره زیمنس مارتین
• کوره قوس الکتریک EAF
• کوره هاي القایی

توجه زیادي که اخیراً براي کیفیت فولاد می شود باعث شده است که سرمایه گذاري براي تصفیه مجدد فولاد امري اقتصادي جلوه کند.

مسائل محیط زیست در سالهاي اخیر باعث شده است که توجه زیادي به استفاده بهینه از کنورتورها و کاهش گازهابی خروجی و یا استفاده از گازهایی مانند CO2 در صنایع دیگر بشود.

• منبع: به نقل از دکتر مهدي مزمل / دانشگاه صنعتی سهند