تهیه فولاد
اطلاعات اولیه
محصولکوره ذوب آهن،چدناست که معمولا دارای ناخالصیکربن و مقادیر جزئیناخالصی‌های دیگر است که به نوعسنگ معدنو ناخالصی‌های همراه آن و همچنینبه چگونگی کار کوره بلند ذوب آهن بستگی دارد. از آنجایی که مصرف عمدهآهن در صنعت بصورتفولاد است، ازاین رو ، باید به روش مناسب چدن را به فولاد تبدیل کرد که در این عمل ناخالصی‌هایکربن و دیگر ناخالصی‌ها به مقدار ممکن کاهش ‌یابند.
روشهای تهیه فولادروش بسمه:
در این روش ناخالصی‌های موجود در چدن مذاب را به کمکسوزاندن دراکسیژن کاهش داده و آن را به فولاد تبدیل می‌کنند. پوشش جدار داخلی کوره بسمه ازسیلیسیااکسید منیزیمو گنجایش آن در حدود 15 تناست. نحوه کار کوره به این ترتیب است که جریانی از هوا را به داخل چدن مذاب هدایتمی‌کنند، تا ناخالصی‌های کربن وگوگرد به صورتگازهای SO2 و CO2 از محیط خارج شود و ناخالصی‌هایفسفر و سیلیس موجود درچدن مذاب در واکنش با اکسیژن موجود در هوا به صورت اکسیدهای غیر فرار P4O10) و (SiO2 جذب جدارهای داخلی کوره شوند و بهترکیبات زودگداز Mg3(PO4)2 و MgSiO3 تبدیل و سپس به صورتسربارهخارج شوند. سرعت عمل این روش زیاداست، به همین دلیل کنترل مقدار اکسیژن مورد نیاز برای حذف دلخواه ناخالصی‌های چدنغیرممکن است و در نتیجه فولاد با کیفیت مطلوب و دلخواه را نمی‌توان به این روش بدستآورد.
روش کوره باز (یا روش مارتن) : در این روش برای جدا کردنناخالصی‌های موجود در چدن ، از اکسیژن موجود درزنگ آهنیا اکسید آهن به جای اکسیژن موجوددر 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 آناز MgO و CaO تشکیل شده است و گنجایش آن نیز بین 50 تا 150 تنچدنمذاب است. حرارت لازم برای گرم کردنکوره از گازهای خروجی کوره و یامواد نفتیتأمین می‌شود. برای تکمیلعمل اکسیداسیون، هوای گرم نیز به چدن مذابدمیده می‌شود. زمان عملکرد این کوره طولانی‌تر از روش بسمه است. از این نظر می‌توانبا دقت بیشتری عمل حذف ناخالصی‌ها را کنترل کرد و در نتیجه محصول مرغوب‌تری به دستآورد.
روش الکتریکی : از این روش در تهیه فولادهای ویژه‌ای که برای مصارفعلمی ‌و صنعتی بسیار دقیق لازم است، استفاده می‌شود که درکوره الکتریکیبا الکترودهایگرافیت صورت می‌گیرد. از ویژگی‌های این روش این است که احتیاج به ماده سوختنی و اکسیژنندارد ودما را می‌توان نسبت به دوروش قبلی ، بالاتر برد. این روش برای تصفیه مجدد فولادی که از روش بسمه ویا روش کوره باز بدست آمده است، به منظور تبدیل آن به محصول مرغوبتر ، بکار می‌رود. برای این کار مقدار محاسبه شده‌ای از زنگ آهن را به فولاد به دست آمده از روشهایدیگر ، در کوره الکتریکی اضافه کرده و حرارت می‌دهند. در این روش ، برای جذب و حذفگوگرد موجود در فولاد مقدار محاسبه شده‌ایاکسید کلسیمو برای جذب اکسیژن محلول درفولاد مقدار محاسبه شده‌ایآلیاژ فروسیلیسیم (آلیاژ آهن و سیلیسیم) اضافه می‌کنند.
انواع فولاد و کاربرد آنها
از نظر محتوای کربن ، فولاد به سه نوع تقسیممی‌شود:
فولاد نرم : ایننوع فولاد کمتر از 2/0 درصد کربن دارد و بیشتر در تهیه پیچ و مهره ،سیم خاردارو چرخ دنده ساعت و ... بکارمی‌رود.
فولاد متوسط : این فولاد بین 2/0تا 6/0 درصد کربن دارد و برای تهیه ریل وراه آهنو مصالح ساختمانی مانندتیرآهنمصرف می‌شود.
فولاد سخت : فولاد سخت بین 6/0 تا 6/1 درصد کربن دارد که قابل آب دادن است و برای تهیه فنرهایفولادی ، تیر ،وسایل جراحی،متهو ... بکار می‌رود.
صطلاح فولاد (Steel) برایآلیاژهای آهنکه تا حدود 1،5 درصدکربن دارند و غالبا بافلزهای دیگر همراهند، بکار می‌رود. خواص فولاد به درصد کربن موجود در آن ، عملیاتحرارتی 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 ساختنسیم ، لوله و ورق فولاد استفاده می‌شود. فولاد متوسط 0.2 تا 0.6 درصد کربن دارد وآن را برای ساختنریل،دیگ بخارو قطعات ساختمانی بکار می‌برند. فولادی که 0.6 تا 1.5 درصد کربن دارد، سخت است و از آن برای ساختن ابزارآلات ،فنرو کارد و چنگال استفاده می‌شود.
ناخالصی‌های آهن و تولید فولاد
آهنی که ازکوره بلندخارج می‌شود،چدننامیده می‌شود که دارای مقادیری کربن ،گوگرد ،فسفر ،سیلیسیم،منگنز وناخالصی‌های دیگر است. درتولید فولاددو هدف دنبالمی‌شود:



1- سوزاندن ناخالصی‌های چدن
2- افزودن مقادیر معین از مواد آلیاژ دهنده به آهن
منگنز ، فسفرو سیلیسیم در چدن مذاب توسط هوا یااکسیژن بهاکسید 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 ومونوکسید کربن (CO) یادی‌اکسیدکربن (CO2) در می‌آید. چنانچه ناخالصی اصلی منگنز باشد، یک کمک ذوباسیدی که معمولادی‌اکسید سیلسیم (SiO2) است،بکار می‌برند:
MnO + SiO2 -------> MnSiO3

و چنانچه ناخالصی اصلی سیلسیم یا فسفر باشد (و معمولاچنین است)، یک کمک ذوب بازی که معمولااکسید منیزیم (MgO) یااکسید کلسیم (CaO) است، اضافهمی‌کنند:
(MgO + SiO2 -------> MgSiO2

6MgO + P4O10 -------> 2Mg3(PO4)2
کوره تولید فولاد و جدا کردن ناخالصی‌ها
معمولا جداره داخلی کوره‌ای را کهبرای تولید فولاد بکار می‌رود، توسطآجرهایی که از ماده کمک ذوب ساخته شده‌اند، می‌پوشانند. این پوششی مقداری از اکسیدهایی راکه باید خارج شوند، به خود جذب می‌کند. برای جدا کردن ناخالصی‌ها، معمولا از روشکوره بازاستفاده می‌کنند. این کوره یک ظرف بشقاب مانند دارد که در آن 100تا 200 تن آهن مذاب جای می‌گیرد.
بالای این ظرف ، یک سقف مقعر قرار دارد کهگرما را روی سطح فلز مذاب منعکس می‌کند. جریان شدیدی از اکسیژن را از روی فلز مذابعبور می‌دهند تا ناخالصی‌های موجود در آن بسوزند. در این روش ناخالصیها در اثرانتقالگرما 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 بازمی‌گردانند.
روش دیگر جدا کردن ناخالصی‌ها از آهن
در روش دیگری که از همین اصولشیمیایی برای جدا کردن ناخالصی‌ها از آهن استفاده می‌شود، آهن مذاب را همراهآهن قراضهو کمک ذوب در کوره‌ای بشکه مانندکه گنجایش 300 تن بار را دارد، می‌ریزند. جریان شدیدی از اکسیژن خالص را باسرعت مافوق صوتبر سطح فلز مذاب هدایتمی‌کنند و با کج کردن و چرخاندن بشکه ، همواره سطح تازه‌ای از فلز مذاب را در معرضاکسیژن قرار می‌دهند.

اکسایشناخالصی‌ها بسیار سریع صورت می‌گیردو وقتی محصولات گازی مانند CO2 رها می‌شوند، توده مذاب را به هممی‌زنند، بطوری که آهن ته ظرف ، رو می‌آید. دمای توده مذاب ، بی آنکه از گرمایخارجی استفاده شود، تقریبا به دمای جوش آهن می‌رسد و در چنین دمایی ، واکنشهافوق‌العاده سریع بوده ، تمامی‌ این فرایند ، در مدت یک ساعت یا کمتر کامل می‌شود ومعمولا محصولی یکنواخت و دارای کیفیت خوب بدست می‌آید.
تبدیل آهن به فولاد
آهن مذاب تصفیه شده را با افزودن مقدار معین کربن وفلزهای آلیاژ دهنده مثلوانادیم ،کروم ،تیتانیم ،منگنز ونیکل به فولاد تبدیلمی‌کنند. فولادهای ویژه ممکن استمولیبدن،تنگستن یافلزهای دیگر داشته باشند. این نوع فولادها برای مصارف خاصی مورد استفاده قرارمی‌گیرند. در دمای زیاد ، آهن و کربن با یکدیگر متحد شده،کربید آهن (Fe3C) به نام «سمانتیت» تشکیل می‌دهند. این واکنش ،برگشت‌پذیرو گرماگیر است:
Fe3C <-------گرما + 3Fe + C
هرگاه فولادی که دارای سمانتیت است، به کندی سرد شود، تعادل فوقبه سمت تشکیل آهن و کربن ، جابجا شده ،کربن به صورت پولکهایگرافیت جدامی‌شود و به فلز ، رنگ خاکستری می‌دهد. برعکس ، اگر فولاد به سرعت سرد شود، کربنعمدتا به شکل سمانتیت که رنگ روشنی دارد، باقی می‌ماند. تجزیه سمانتیت در دمایمعمولی به اندازه‌ای کند است که عملا انجام نمی‌گیرد.
فولادی که دارایسمانتیت است، از فولادی که دارای گرافیت است، سخت‌تر و خیلی شکننده‌تر است. در هریک 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 وخواص آن را بهتر کرد. مثلابلبرینگاز فولاد متوسط ساخته شده است تاسختی و استحکام داشته باشد و لیکن سطح آن را در بستری از کربن حرارت می‌دهند تالایه نازکی از سمانتیت روی آن تشکیل گردد و بر سختی آن افزوده شود.