تولید فولاد
دو فرآیند اصلی در تولید فولاد (استیل) دخالت دارند. «فرآیند اکسیژنِ بازی» (Basic Oxygen Steel-making Process) که در آن از آهن تولید شده توسط «کوره بلند» (Blast Furnace) به همراه ضایعات (قراضه) فولاد استفاده می‌شود و روش «کوره قوس الکتریکی» (Electric Arc Furnace Process) که تنها از ضایعات بهره می‌گیرد.
فرآیند اکسیژن بازی در تولید فولاد
فرآیند اکسیژن بازی از اصلی‌ترین فرآیندها در تبدیل آهن به استیل است. در این روش، اکسیژن به داخل یک محفظه دمیده و فرآیندی گرماده را شامل می‌شود. مراحل تولید استیل با این روش به صورت زیر است:
یک کوره که به «کانورتور» (Converter) معروف است را با ۳۰ درصد از ضایعات فولاد و آهن مذاب پر می‌کنند. یک لوله باریک و نیزه‌مانند را به داخل کوره می‌فرستند که اکسیژن خالص با سرعتی دو برابر سرعت صوت به کوره تزریق خواهد شد و در نتیجه این کار، تمامی ناخالصی‌های موجود در کوره به اکسیدهای آن تبدیل می‌شوند. واکنش‌های اصلی به صورت زیر است:
2C+O2⟶2COSi+O2⟶SiO22Mn+O2⟶2MnO4P+5O2⟶2P2O5
به غیر از مونواکسید کربن، بقیه فرآورده‌ها با آهکی که در طول واکنش اضافه شده است واکنش می‌دهند و تولید «سرباره» (Slag) می‌کنند. تمامی واکنش‌های بالا گرماده است و برای حفظ دما و جلوگیری از افزایش آن، به صورت کنترل شده به آن ضایعات اضافه می‌کنند.
روش کوره قوس الکتریکی
در ابتدا ضایعات فولاد به کمک یک جرثقیل سقفی به کوره وارد می‌شوند. این ضایعات از سه منبع قابل تهیه هستند:
- ضایعات خانگی
- ضایعات صنعتی: از کارخانه‌هایی که استیل مصرف می‌کنند مانند کارخانه‌های خودروسازی
- ضایعات کهنه: مثل قوطی‌های کنسرو
این کوره از یک حمام دوار با سقف متحرک تشکیل شده است که ۳ الکترود گرافیتی در آن قرار دارند. این الکترودها وزن سنگین و ابعادی به طول و عرض به ترتیب 6 و 4 متر دارند. این نوع از کوره‌ها تا حجم ۱۰۰۰ تن فولاد را در خود جای می‌دهند.
بعد از اینکه ضایعات در کوره قرار گرفتند، سقف متحرک بسته می‌شود و الکترودها در داخل کوره قرار می‌گیرند. قوس الکتریکی شامل عبور شوک جریان الکتریکی از طریق یک فلز است. گرمای ناشی از این قوس موجب ذوب شدن ضایعات خواهد بود. جهت تشکیل سرباره، مواد زیر را به کوره اضافه و با یکدیگر ترکیب می‌کنند:
- آهک: به شکل کلسیم اکسید یا کلسیم کربنات
- فلورسپار (کلسیم فلوراید): جهت مایع نگه داشتن سرباره
- سنگ آهن
زمانی که به ترکیب مورد نظر استیل دست پیدا کردند، سرباره را از کوره خارج می‌کنند. در نتیجه، استیل مورد نیاز در کوره باقی می‌ماند که با تخلیه کوره به آن دست پیدا می‌کنند. در مراحل بعدی، سرباره را هم می‌توان بازیافت و از آن آهن استخراج کرد.
فرآیند تولید فولاد با روش قوس الکتریکی
تولید ثانویه فولاد
از عبارت تولید ثانویه به طور معمول به منظور بازیافت استفاده می‌کنند. البته در تولید استیل، این عبارت به معنای تولید فولاد با خواص مشخص و اضافه کردن کنترل‌شده برخی عناصر است. فولاد مذابِ هر کدام از فرآیندهای فوق را به داخل یک «پاتیل ریخته‌گری» (Ladle) منتقل می‌کنند و عناصر دیگر را جهت تولید آلیاژ به آن اضافه می‌کنند. در این فرآیند باید میزان ناخالصی‌هایی همچون گوگرد، فسفر، هیدروژن و فلزات کمیاب به دقت کنترل شوند. از روش‌های دیگر برای افزایش کیفیت استیل می‌توان به استفاده از خلاء برای حذف گازها اشاره کرد.
فولاد ضد زنگ
در علم مهندسی مواد، فولاد ضد زنگ، آلیاژی از فولاد است که محتوی ۱۱ درصد جرمی از کروم باشد و بیشترین میزان کربن آن به 1/2 درصد محدود شود. فولاد ضدزنگ همانطور که از نامش پیداست، در برابر خوردگی مقاوم است. هر قدر مقدار کروم در آن افزایش یابد، این مقاومت هم بیشتر می‌شود. علاوه بر این، اضافه کردن مولیبدن موجب افزایش مقاومت خوردگی در برابر محلول‌های شامل کلرید نیز خواهد بود. در نتیجه، درجات مختلفی از فولاد ضد زنگ با مقادیر متفاوت از مولیبدن و کروم وجود دارد. جلای فلزی و مقاومت در برابر خوردگی، فولاد را به ماده‌ای ایده‌آل در صنعت تبدیل کرده است. این ماده را به شکل‌های ورق، شمش، مفتول و لوله تولید می‌کنند. همچنین قابلیت بخارشویی و استریلیزه کردن، استفاده از آن را در آشپزخانه‌های بزرگ و کترینگ‌ها رونق داده است.
مقاومت در برابر خوردگی
فولاد ضد زنگ در حضور رطوبت دچار خوردگی یک شکل نمی‌شود. کرومِ موجود در فولاد ضد زنگ، یک لایه میکروسکوپی از اکسید کروم را در سطح این آلیاژ ایجاد می‌کند و مانع از زنگ زدن آن می‌شود. این لایه در صورت بروز خراش هم به طور خود به خودی ترمیم و مانع از نفوذ اکسیژن به داخل فلز خواهد شد. میزان مقاومت این لایه به میزان کروم موجود در آن بستگی دارد. اگر مقدار کروم بسته با نوع محل مورد استفاده از این آلیاژ تناسب نداشته باشد، دچار زنگ‌زدگی می‌شود.
