روش های تولید فولاد
فولاد به عنوان ماده ای با مشخصات خاص و منحصر به فرد مدتهاست در ساختمان‌ها کاربرد دارد. قابلیت اجرای دقیق، رفتار سازه ای معین، نسبت مقاومت به وزن در کنار امکان اجرای سریع سازه‌های فولادی همراه با جزئیات و ظرافت‌های معماری، فولاد را به‌عنوان مصالحی منحصربه‌فرد در پروژه‌های ساختمانی مطرح نموده است. به‌نحوی‌که اگر ضعف‌های محدود این ماده نظیر مقاومت کم در برابر خوردگی و عدم مقاومت در برابر آتش‌سوزی‌های شدید به‌درستی موردتوجه و کنترل قرار گیرند امکانات وسیعی در اختیار طراح قرار می‌دهد که در هیچ ماده دیگر قابل‌دستیابی نیست. با توجه به خواص مورد انتظار از فولاد تولیدی لازم است روش های تولید فولاد به دقت مورد بررسی قرار گرفته و تناسب با کاربرد آن اجرایی گردد.
تاریخچه تولید فولاد
تا پیش از قرن نوزدهم کاربرد آهن در ساختمان‌ها محدود به اتصالات می شد. یونانیان و رومی‌ها از قیود مخفی برنزی برای اتصال بلوک‌های سنگی استفاده می‌کردند. معماران دوره رنسانس نیز در ساخت گنبد‌هایی با مصالح بنایی، از زنجیرها و میله‌های فولادی برای جلوگیری از ریزش آنها کمک می‌گرفتند. اولین سازه تمام فلزی، یک پل تمام چدنی در انگلستان می‌باشد که از اواخر قرن هجدهم تا کنون به‌منظور عبور و مرور بر روی رودخانه سورن به کار می‌رود. استفاده از چدن و آهن نرم در اوایل قرن نوزدهم در اروپا و آمریکا به‌منظور ساخت‌وسازهای صنعتی گستر زیادی پیدا کرد. اما ترد بودن چدن و بالا بودن هزینه ساخت فولاد نرم باعث شد استفاده از این مواد محدود گردد. تا این زمان فولاد به‌عنوان ماده‌ای کمیاب و گران در کارگاه‌های کوچک اسلحه‌سازی، تهیه ظروف، کارد و چنگال و وسایلی ازاین‌قبیل کاربرد بیشتری داشت.
اولین‌بار در سال ۱۸۵۰ بسمر با دمیدن هوا درون کوره ذوب‌آهن – برای گرفتن ناخالصی‌های آن – موفق شد بعد از ۲۰ دقیقه، فولادی تهیه نماید که خصوصیات آن نسبت به چدن به‌صورت قابل‌ملاحظه‌ای بهبود یافته بود روش دیگر تولید اقتصادی فولاد استفاده از کوره باز بود که در سال ۱۸۶۸ به وجود آمد و به‌سرعت در آمریکا گسترش یافت. هنگامی‌که در پاریس برج ایفل با آهن نرم ساخته می‌شد در آمریکا آسمان‌خراش‌هایی با استفاده از فولاد بر پا می‌گشت و بدین‌سان فولاد به‌عنوان مصالحی جدید در صنعت ساختمان، پا به عرصه وجود نهاد. تولید فولاد در ایران با احداث کارخانه ذوب‌آهن اصفهان آغاز شد و با احداث کارخانجات عظیم نورد در نقاط مختلف ایران قسمتی از نیاز فولاد ساختمان برطرف گردید با تولید ورق در کارخانه فولاد مبارکه و توسعه کارخانه‌های جنبی آن، صنعت فولاد ایران قابلیت رقابت با دیگر کشورها را دارا شد.
روش های تولید فولاد
فولاد آلیاژی از آهن و کربن است که کمتر از ۲ درصد کربن دارد. در فولاد ساختمانی عموماً در حدود ۳ درصد کربن و ناخالصی‌های دیگری مانند فسفر، سولفور، اکسیژن و نیتروژن و چند ماده دیگر موجود می‌باشد.
برای تولید آهن خام، سنگ معدن آهن به همراه کک به عنوان سوخت و سنگ آهک به عنوان کمک سوخت – وارد کوره بلند میشود کک در اثر دمیدن هوا از انتهای کوره سوخته و مونوکسید کربن ایجاد می‌کند که با سنگ آهن واکنش داده و آهن خام تولید میشود. سنگ آهک به همراه بخشی از ناخالصی‌های موجود به صورت سرباره درمی‌آید و بخشی دیگر از ناخالصی‌ها مانند مقدار زیادی کربن در آهن تولید شده، باقی می‌ماند. آهن مذاب تولید شده از انتهای کوره خارج میشود که می‌تواند در همان حال جهت تولید فولاد مورد استفاده قرار گیرد
ویژگی‌های آهن تولید شده در کوره بلند به نوع سنگ معدن سنگ آهک و کک مصرف شده در کوره بستگی دارد. همچنین تنظیم میزان گرما در حالی فرایند ذوب و استخراج آهن بر کیفیت آهن خام تأثیر می‌گذارد.
ساخت فولاد شامل اکسیداسیون و جدا نمودن عناصر اضافی و غیرضروری موجود در محصول کوره بلند و اضافه کردن عناصر موردنیاز برای تولید ترکیب دلخواه است برای ساخت فولاد. چهار روش اصلی استفاده میشود. این روش‌ها عبارت‌اند از:
- روش کوره باز
- روش دمیدن اکسیژن
- روش کوره برقی
- روش خلاء
ساخت فولاد به روش کوره باز
در روش کوره باز سنگ آهک به همراه آهن قراضه وارد کوره شده سپس هنگامی که درجه حرارت کوره به اندازه مناسب رسید، آهن مذاب حاصل می شود. گرمای شعله کوره موجب عمل اکسیداسیون شده و ناخالصی‌های آهن تا حد امکان کاهش می‌یابد و عناصری که برای تولید آلیاژ مناسب مورد نیاز است به آن اضافه میشود . در حین انجام عملیات ، آزمایش‌هایی بر روی آلیاژ بوجود آمده، صورت میگیرد تا درصد مواد موجود در آن به اندازه استاندارد مورد نظر برسد. سپس آلیاژ تولیدی از ته کوره تخلیه میشود
ساخت فولاد به روش دمیدن اکسیژن
در این روش مواد مذاب کوره بلند به همراه مقداری آهن قراضه در یک مخزن روباز ریخته میشود که معمولاً ۳۰٪ از این مواد سرباره می‌باشد . سپس لوله اکسیژن در بالای این مخزن قرار میگیرد. بعد از آن آهک درون مخزن ریخته میشود. در همین حین دمیدن اکسیژن و ایجاد اشتعال، ناخالصی‌های موجود از بین می‌رود.
روش تولید فولاد در کوره برقی
معمولاً از این روش در تولید مقادیر کم فولاد آلیاژی استفاده میشود. در این روش ۱۰۰ درصد مواد مورد استفاده در کوره را آهن قراضه تشکیل می‌دهد و برای ایجاد حرارت و گرمای مورد نیاز از جرقه الکتریکی استفاده میشود
تولید فولاد به روش خلاء
تولید فولادهای خاص معمولاً در یک محیط خلاء یا در فضای کنترل شده صورت میگیرد. در این روش تولید، وجود خلاء باعث میشود که پس از ذوب فولاد گازهایی مانند اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن موجود از فلز جدا شود. ذوب در این روش به وسیله کوره القایی برقی صورت میگیرد. پس از قرار دادن آهن قراضه در کوره، هوا تخلیه شده و با برقرار کردن جریان متناوب در یک سیم‌پیچ، جریان ثانویه در فولاد القا شده و گرمای مورد نیاز جهت ذوب ایجاد میشود.
فولاد کربن‌دار
فولاد کربن دار به فولادی اطلاق میشود که علاوه بر آهن، حداکثر درصد کربن و آلیاژهای مختلف آن به قرار ذیل باشد.
الف: کربن 7/1 درصد،
ب: منگنز 65/1 درصد
پ: سیلیکون 6/0 درصد
ت: مس 6/0 درصد.
کربن و منگنز عناصر اصلی افزایش مقاومت نسبت به آهن خالص می‌باشد. انواع مختلف فولاد در حد فاصل آهن خالص با صفر درصد کربن و چدن با 7/1 درصد کربن قرار دارند. این فولاد‌ها به چهار رده کم کربن، کربن ملایم، کربن متوسط و پرکربن تقسیم می‌شوند.
فولاد نرمه
فولادهای کربن دار ساختمانی در رده کربن ملایم قرار دارند و به آنها فولاد نرمه می‌گویند. مثلاً حداکثر کربن فولاد نرمه st37 بسته به ضخامت بین 25/0 تا 29/0 درصد قرار دارد. افزایش درصد کربن باعث افزایش تنش تسلیم، کاهش شکل‌پذیری و مشکل شدن جوشکاری فولاد میشود درصورتی‌که درصد کربن از 3/0 تجاوز نماید، عمل جوشکاری پر خرج شده و نیاز به پیش گرمایش، پس گرمایش و الکترود مخصوص خواهد بود. فولادهای st37 در رده فولاد نرمه قرار می‌گیرند. تنش تسلیم فولادهای نرمه بین 2200 تا 2400 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع قرار دارد.
فولادهای پر مقاومت کم‌آلیاژ
این فولاد‌ها با افزایش مقدار ناچیزی آلیاژ نظیر کرم، کلمبیم، مس، منگنز، مولییدن، نیکل، فسفر، زیرکنیم، به فولاد کربن دار، بدست می‌آیند. افزایش آلیاژهای فوق باعث ریز شدن ساختار بلوری آهن و در نتیجه افزایش مقاومت آن میشود. فولادهای پر مقومت آلیاژدار، در شرایط عادی مورد استفاده قرار می‌گیرند و برای جوشکاری آنها احتیاج به هیچ گونه پیش گرمایش و پس گرمایشی نیست. فولادهای st52 در رده فولادهای پر مقاومت کم آلیاژ قرار دارند. تنش تسلیم فولادهای مقاومت کم آلیاژ بین 2800 تا 4800 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع قرار دارد.
فولادهای آلیاژدار آبدیده شده باز پخته شد
اگر فولادهای پر مقاومت کم آلیاژ را آبدیده و سپس بازپخت نماییم، تنش تسلیم آن به 5500 تا 7600 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع می‌رسد. در بعضی موارد پس از جوشکاری لازم است تنش زدایی و اصلاح گرم صورت پذیرد تا بلورهای نواحی اطراف جوشکاری به حالت اولیه بازگردد. این فولاد‌ها به طور کلی کاربرد زیادی در امر ساختمان سازی ندارند و بیشتر ا آنها برای ساخت مخازن تحت فشار استفاده میشود.
عمل آب دادن و پخت مجدد که به آن اصلاح گرم می‌گویند. بدین صورت است که ابتدا دمای فولاد را به حدود 900 درجه سانتیگراد می‌رسانند. سپس آن را با فرو بردن در آب یا روغن با سرعت حدود 150 تا 200 درجه سانتیگراد سرد می‌نمایند. سپس آن را تا حدود 620 درجه سانتیگراد گرم نموده به آرامی سرد می‌کنند. عمل بازپخت هرچند که از تنش تسلیم و سختی فولاد می‌کاهد لیکن شکل پذیری و مقاومت فولاد را افزایش می‌دهد.
نتیجه گیری
در این مقاله به تاریخچه تولید و استفاده از فولاد، روش های تولید و کاربری های هر نوع آن پرداختیم و تاثیر میزان کربن و مواد آلیاژی موجود در فولاد را بر مقاومت و ترد شدگی آن بررسی نمودیم. تاثیر دمیدن اکسیژن در محفظه تولید فولاد نیز مورد بررسی قرار گرفت. همانطور که گفته شد، افزایش میزان کربن می تواند مقاومت کششی فولاد را افزایش دهد از طرفی، افزایش این مقدار موجب تردشدگی فولاد نیز می شود. همچنین وجود این ماده می تواند تاثیر مستقیم بر جوش پذیری فولاد خواهد داشت. آهن بازار افتخار دارد با بیش از 15 سال سابقه در امر تامین مقاطع فولادی در تجهیز کارگاه های ساختمانی و صنعتی همراه شما باشد.