توسعه فولاد را می توان در 4000 سال قبل در آغاز عصر آهن جستجو کرد. با مشخص شدن استحکام بیشتر آهن از برنز، که قبلاً پرکاربردترین فلز بود، آهن جایگزین برنز در اسلحه و ابزار شد. با این حال، برای هزاره های بعد، کیفیت آهن تولیدی به اندازه سنگ معدن موجود و همچنین روشهای تولید بستگی دارد.
در قرن هفدهم ، خواص آهن به خوبی درک شده بود ، اما افزایش شهرنشینی در اروپا نیاز به یک فلز سازه ای متنوع تر داشت. و در قرن نوزدهم، مقدار آهن مصرفی از طریق گسترش خطوط راه آهن، به متالوژیست ها انگیزه مالی می داد تا راه حلی برای شکنندگی و ناکارآمد بودن فرآیندهای تولید آهن بیابند. با این حال، بدون شک، بیشترین پیشرفت در تاریخ فولاد در سال 1856 رخ داد که هنری بسمر[1] یک روش موثر برای استفاده از اکسیژن برای کاهش میزان کربن در آهن را توسعه داد: صنعت فولاد مدرن متولد شد.
عصر آهن
در دمای بسیار بالا، آهن شروع به جذب کربن می کند که این امر نقطه ذوب فلز را پایین می آورد و در نتیجه چدن (2.5 تا 4.5 درصد کربن) ایجاد می شود. توسعه کوره های بلند، که اولین بار توسط چینی ها در قرن 6 قبل از میلاد استفاده شد ، اما در قرون وسطی در اروپا بیشتر مورد استفاده قرار گرفت ، تولید چدن را افزایش داد.
آهن خام، آهن مذابی است که ز کوره های بلند خارج شده و در کانال اصلی و قالب های مجاور سرد می شوند. شمش های بزرگ ، مرکزی و مجاور آنها به یک خرس و بچه خوک های شیرخوار شباهت داشت. گرچه چدن یک فلز قوی است اما به دلیل داشتن کربن از شکنندگی رنج می برد، بنابراین برای کار و شکل دادن ایده آل نیست.
با توجه به اینکه متالورژیست ها متوجه شدند که میزان بالای کربن در آهن، عامل اصلی مشکل شکنندگی است،
آنها روشهای جدیدی را برای کاهش میزان کربن جهت کارکرد بیشتر آهن آزمایش کردند. در اواخر قرن 18، آهنگران یاد گرفتند چگونه با استفاده از کوره های گودالی (که توسط هنری کورت در سال 1784 توسعه داده شد) چدن خام را به آهن فرفورژه با کربن کم تبدیل کنند. آهن در کوره ها مذاب شده، با استفاده از ابزارهای بلند و پارو هم زده می شد که باعث می شد اکسیژن با کربن ترکیب شده و کربن به آرامی حذف شود. با کاهش میزان کربن، نقطه ذوب آهن افزایش می یابد، بنابراین توده های آهن در کوره تجمع می یابد. این توده ها قبل از نورد شدن به ورق یا ریل با چکش آهنگری توسط کاربر برداشته می شوند. تا سال 1860 ، بیش از 3000 کوره گودالی در بریتانیا وجود داشت ، ما این روند به دلیل کمبود نیروی کار و سوخت با مشکل مواجه گردید.
تولید یکی از قدیمی ترین انواع فولاد ، فولاد تاول ، در قرن 17 در آلمان و انگلستان آغاز شد. و با افزایش میزان کربن در آهن خام مذاب با استفاده از فرآیندی به نام سیمان سازی تولید شد. در این فرایند ، میله های آهن فرفورژه با زغال پودر شده در جعبه های سنگی لایه بندی شده و گرم می شوند. پس از حدود یک هفته ، آهن کربن موجود در ذغال را جذب می کند. حرارت مکرر کربن را به طور مساوی توزیع می کند و در نتیجه ، پس از خنک شدن ، فولاد تاول می زند. محتوای کربن بالاتر باعث می شود فولاد تاول بسیار کاربردی تر از آهن خام باشد ، که به شما اجازه می دهد تا آن را آسانتر تحت فشار یا نورد قرار دهید. تولید فولاد تاول در دهه 1740 پیشرفت کرد هنگامی که ساعت ساز انگلیسی بنیامین هانتسمن[2] در تلاش برای تولید فولاد با کیفیت بالا برای فنرهای ساعت خود بود، مشخص شد که این فلز را می توان در ظروف سفالی ذوب کرد و با یک جریان مخصوص تصفیه کرد تا سرباره ای را که فرآیند سیمان سازی به جا گذاشت ، حذف کند. در نتیجه یک فولاد قابل قیچی یا ریخته گری شد. اما به دلیل هزینه تولید ، تاول و فولاد ریخته گری فقط در موارد خاص مورد استفاده قرار می گرفت. در نتیجه ، چدن ساخته شده در کوره های گودالی ، فلز اصلی سازه ای در صنعتی شدن بریتانیا در اکثر قرن نوزدهم باقی ماند.
فرایند بسمر[3] و فولادسازی مدرن
رشد خطوط راه آهن در طول قرن نوزدهم در اروپا و آمریکا فشار زیادی بر صنعت آهن وارد کرد که هنوز با فرآیندهای تولید ناکارآمد دست و پنجه نرم می کرد. فولاد هنوز به عنوان یک فلز ساختاری اثبات نشده بود و تولید محصول کند و پرهزینه بود. این مشکل تا سال 1856 ادامه داشت. وقتی هنری بسمر راه موثرتری را ارائه کرد: وارد کردن اکسیژن به آهن مذاب برای کاهش میزان کربن.
بسمر ، یک ظرف گلابی شکل طراحی کرد که به آن "مبدل" می گویند و در آن آهن را می توان گرم کرد در حالی که اکسیژن را می توان از طریق فلز مذاب دمید، که اکنون به عنوان فرآیند بسمر شناخته می شود.
با عبور اکسیژن از فلز مذاب ، با کربن واکنش نشان داده ، دی اکسید کربن منتشر و آهن خالص تری تولید می گردد. این فرآیند سریع و ارزان بود ، کربن و سیلیکون را از آهن در عرض چند دقیقه حذف کرد اما از موفقیت بیش از حد رنج می برد. مقدار زیادی کربن حذف شد و اکسیژن زیادی در محصول نهایی باقی ماند.
سمر در نهایت مجبور شد هزینه های سرمایه گذارانش را جبران کند تا زمانی که او راهی برای افزایش محتوای کربن و حذف اکسیژن ناخواسته پیدا کرد.
تقریباً در همان زمان ، روبرت ماشت[4]، متالوژیست بریتانیایی ، ترکیبی از آهن ، کربن و منگنز ، که به نام spiegeleisen (ترجمه لغوی: فولاد آینه) معروف است را به دست آورد و شروع به آزمایش کرد.
منگنز اکسیژن را از آهن مذاب حذف می کند و مقدار کربن موجود در اسپیگلزن ، اگر به مقدار مناسب اضافه شود ، راه حل مشکلات بسمر را ارائه می دهد. بسمر با موفقیت زیادی شروع به افزودن آن به روند تبدیل خود کرد. در ادامه فقط یک مشکل باقی ماند. بسمر نتوانسته بود راهی برای حذف فسفر ، ناخالصی مضر که فولاد را شکننده می کند ، از محصول نهایی خود پیدا کند. در نتیجه ، فقط سنگ معدن از سوئد و ولز می توانست مورد استفاده قرار گیرد.
در سال 1876 توماس ولز با افزودن یک شار شیمیایی اولیه ، سنگ آهک ، به فرآیند بسمر راه حل ارائه کرد. سنگ آهک فسفر را از آهن خام به داخل سرباره کشیده و باعث حذف عنصر ناخواسته می شود.
این نوآوری بدین معنا بود که در نهایت ، سنگ آهن از هر نقطه از جهان می تواند برای تولید فولاد استفاده شود. جای تعجب نیست که هزینه های تولید فولاد به میزان قابل توجهی کاهش یافت. قیمت راه آهن فولادی بین سالهای 1867 تا 1884 بیش از 80 درصد کاهش یافت ، در نتیجه تکنیک های جدید تولید فولاد ، که باعث رشد صنعت فولاد در جهان شد.
فرآیند Hearth Open
در دهه 1860 ، مهندس آلمانی کارل ویلهلم زیمنس تولید فولاد را با ایجاد فرایند باز کردن خانه افزایش داد. فرآیند زیمنس فولاد را از آهن خام در کوره های کم عمق بزرگ تولید می کرد. این فرآیند ، با استفاده از دمای بالا برای سوزاندن کربن اضافی و سایر ناخالصی ها ، بر محفظه های آجری گرم شده در زیر کوره متکی بود.
کوره های احیا کننده بعداً از گازهای خروجی کوره برای حفظ دمای بالا در محفظه های آجری زیر استفاده کردند.
این روش امکان تولید مقادیر بسیار بیشتری را فراهم می آورد (50 تا 100 تن متریک را می توان در یک کوره تولید کرد) ، گرچه خود این روند بسیار کندتر بود ، اما در سال 1900 ، فرآیند زیمنس در درجه اول جایگزین فرآیند بسمر شد.
تولد صنعت فولاد
انقلاب در تولید فولاد که مواد ارزان تر و با کیفیت تری را ارائه می داد، توسط بسیاری از تجار آن روز به عنوان یک فرصت سرمایه گذاری شناخته شد. سرمایه داران اواخر قرن 19، از جمله اندرو کارنگی[5] و چارلز شواب[6]، میلیون ها و میلیارد ها (در مورد کارنگی) دلار در صنعت فولاد سرمایه گذاری کردند. شرکت فولادی ایالات متحده کارنگی ، که در سال 1901 تأسیس شد ، اولین شرکتی بود که تا به حال با سرمایه بیش از یک میلیارد دلار راه اندازی شده است.
فولاد کوره قوس الکتریکی
درست پس از پایان قرن، تحول دیگری رخ داد که تأثیر بسزایی در تکامل تولید فولاد داشت. کوره قوس الکتریکی پل هرولت[7] (EAF) برای عبور جریان الکتریکی از طریق مواد باردار طراحی شده است ، که منجر به اکسیداسیون گرمایی و دمای تا 3272 درجه فارنهایت (1800 درجه سانتی گراد) می شود که برای گرم کردن تولید فولاد بیش از حد کافی است.
این روش ابتدا برای فولادهای تخصصی استفاده می شد ، ولی EAF ها در ادامه بیشتر کاربرد پیدا کرده و در جنگ جهانی دوم برای تولید آلیاژهای فولادی مورد استفاده قرار گرفتند.
از آنجا که EAF می تواند فولاد را از ضایعات 100٪ یا آهن سرد تولید کند ، انرژی کمتری در واحد تولید مورد نیاز است. برخلاف کوره های اکسیژن پایه ، عملیات تولید را می توان متوقف کرد و با هزینه ای اندک از سر گرفت. به همین دلایل ، تولید از طریق EAF برای بیش از 50 سال به طور پیوسته در حال افزایش بوده و اکنون حدود 33 درصد از تولید فولاد جهانی را تشکیل می دهد.
فرایند اکسیژن بازی
اکثریت تولید فولاد جهانی ، حدود 66 درصد ، در حال حاضر در تأسیسات اولیه اکسیژن تولید می شود - روشی توسعه یافته برای جداسازی اکسیژن از نیتروژن در مقیاس صنعتی در دهه 1960 باعث پیشرفت های عمده ای در توسعه کوره های اکسیژن شد. کوره های اکسیژن پایه اکسیژن را در مقادیر زیادی آهن مذاب و فولاد ضایعاتی دمیده و می توانند بار را بسیار سریعتر از روش های بازخانه تکمیل کنند. کشتی های بزرگ حاوی حداکثر 350 تن آهن می توانند در کمتر از یک ساعت تبدیل فولاد را به پایان برسانند. راندمان هزینه فولادسازی اکسیژن ، کارخانه های دیگهای باز را غیرقابل رقابت کرده و به دنبال ظهور این روش در دهه 1960 ، عملیات بازسازی دیواره باز شروع شد. آخرین تأسیسات اتاق باز در ایالات متحده در سال 1992 و چین در 2001 بسته شد.