هــــــــــــدف

فرآیند تولید فولاد

اصطلاح فولاد برای آلیاژهای آهن که تا حدود 1.5% کربن دارند و غالباً با فلزهای دیگر همراهند، بکار می رود. خواص فولاد به دصد کربن درآن، عملیات حرارتی انجام شده بر روی آن و فلزهای آلیاژ دهنده موجود در آن بستگی دارد. از فولادی که تا 0.2% کربن دارد، برای ساختن سیم، لوله و ورق فولاد استفاده می شود. فولاد متوسط که 0.2 تا 0.6 درصد کربن دارد آن را برای ساختن ریل، دیگ بخار و قطعات ساختمانی به کار می برند. فولادی که 0.6 تا 1.5 درصد کربن دارد سخت است و از آن برای ساختن ابزارآلات، فنر و کارد و چنگال استفاده می گردد.

آهنی که از کوره بلند خارج می شود ( چدن ) دارای مقادیر کمی کربن، گوگرد، فسفر، سیلیسیم، منگنز و ناخالصی های دیگر است. این ناخالصی ها سبب شکنندگی آهن شده، آن را برای مصارف بی فایده می سازد. در تولید فولاد دو هدف دنبال می شود: یکی سوزاندن ناخالصی های چدن و دیگری افزودن مقادیر معین از مواد آلیاژ دهنده به آهن است.

فسفر، سیلیسیم، منگنز در چدن مذاب توسط هوا یا اکسیژن به اکسید تبدیل می شوند و با کمک ذوب مناسبی ترکیب شده، به صورت سرباره خارج می شوند. گوگرد به صورت سولفید وارد سرباره می شود و کربن هم می سوزد و به صورت منوکسید یا کربن دی اکسید در می آید. چنانچه ناخالصی اصلی منگنز باشد، یک کمک ذوب اسیدی – معمولاً سیلیسیم دی اکسید – به کار می برند.

MnO + SiO₂ => MnSiO₃ (l)

و چنانچه ناخالصی اصلی سیلیسیم یا فسفر باشد ( و معمولاً نیز چنین است ) یک کمک ذوب بازی – که معمولاً منیزیم اکسید یا کلسیم اکسید است – اضافه می کنند.

MgO + SiO₂ => MgSiO₃ (l)
6MgO + P₄O₁₀ => 2Mg₃(PO₄)₂ (l)

معمولاً جدار داخلی کوره ای را که برای تولید فولاد به کار می زود، توسط آجرهایی که از ماده کمک ذوب ساخته شده اند، می پوشانند. این پوشش مقداری از اکسیدهایی را که باید خارج شوند، به خود جذب می کند. برای جدا کردن ناخالصیها، معمولاً از روش کوره باز استفاده می کنند. این کوره یک ظرف بشقاب مانند دارد که در آن 100 تا 200 تن آهن مذاب جای می گیرد. بالای این ظرف یک سقف مقعر قرار دارد که گرما را روی سطح مذاب منعکس می کند. جریان شدیدی از اکسیژن را از روی فلز مذاب عبور می دهند تا ناخالصی های موجود در آن بسوزند. در این روش، ناخالصی ها در اثر انتقال گرما در مایع و عمل پخش به سطح مایع می آیند و عمل تصفیه چند ساعت طول می کشد، البته مقداری از آهن اکسید می شود که آن را جمع آوری کرده، به کوره بلند باز می گردانند.

در روش دیگری که از همین اصول شیمیایی برای جدا کردن ناخالصی ها از آهن استفاده می شود، آهن مذاب را همراه آهن قراضه و کمک ذوب در کوره ای بشکه مانند که گنجایش 300 تن بار را دارد می ریزند. جریان شدیدی از اکسیژن خالص را با سرعت مافوق صوت بر سطح فلز مذاب هدایت می کنند و با کج کردن و چرخانیدن بشکه، همواره سطح تازه ای از فلز مذاب را در معرض اکسیژن قرار می دهند. اکسایش ناخالصی ها بسیار سریع صورت می گیرد و وقتی محصولات گازی، مانند CO₂ رها می شوند، توده مذاب را به هم می زنند، به طوری که آهن ته ظرف رو می آید. دمای توده مذاب آهن بی آنکه از گرمای خارجی استفاده شود، به نقطه جوش آهن می رسد و در چنین دمایی، واکنش ها فوقالعاده سریع بوده، تمامی این فرآیند در یک ساعت یا کمتر کامل می شود و محصولی یکنواخت با کیفیت خوب بدست می آید.

آهن مذاب تصفیه شده را با افزودن مقدار معین کربن و فلزهای آلیاژ دهنده مانند وانادیم، کروم، تیتانیم، منگنز و نیکل به فولاد تبدیل می کنند. فولادهای ویژه ممکن است مولبیدن، تنگستن یا فلزهای دیگر داشته باشند. این نوع فولادها برای مصارف خاصی مورد استفاده قرار می گیرند.

در دمای زیاد، آهن و کربن با یکدیگر متحد شده، کاربید آهن به نام سمانتیت،  Fe₃C، تشکیل می دهند. این واکنش برگشت پذیر و گرما گیر است.

3Fe + C <=> Fe₃C

هر گاه فولادی که دارای سمانتیت است به کندی سرد شود، تعادل فوق به سمت تشکلیل آهن و کربن جا به جا شده، کربن به صورت پولک های گرافیت جدا می شود و به فلز، رنگ خاکستری می دهد. بر عکس اگر فولاد به سرعت سرد شود، کربن عمدتاً به شکل سمانتیت که رنگ روشنی دارد باقی می ماند. تجزیه سمانتیت در دمای معمولی به اندازه ای کند است که عملاً انجام نمی گیرد. فولادی که دارای سمانتیت است از فولادی که دارای گرافیت است سخت تر و شکننده تر است. در هر یک از این دو نوع فولاد، مقدار کربن را می توان در محدوده نسبتاً وسیعی تنظیم کرد. همچنین، می توان مقدار کل کربن را در قسمت های مختلف یک قطعه فولاد تغییر داد و خواص آن را بهتر کرد. مثلاً بلبرینگ از فولاد متوسط ساخته شده تا سختی و استحکام داشته باشد، لیکن سطح آن را در بستری از کربن حرارت می دهد تا لایه نازکی از سمانتیت روی آن ایجاد شود و بر سختی آن افزوده گردد.