فولاد
اصطلاح فولاد براي آلياژهاي آهن که بين ۰/۰۲۵ تا حدود ۲ درصد کربن دارند بکار مي‌رود فولادهاي آلياژي غالبا با فلزهاي ديگري نيز همراهند. خواص فولاد به درصد کربن موجود در آن، عمليات حرارتي انجام شده بر روي آن و فلزهاي آلياژ دهنده موجود در آن بستگي دارد.

کاربرد انواع مختلف فولاد
از فولادي که تا ۰٫۲ درصد کربن دارد، براي ساختن سيم، لوله و ورق فولاد استفاده مي‌شود. فولاد متوسط ۰٫۲ تا ۰٫۶ درصد کربن دارد و آن را براي ساختن ريل، ديگ بخار و قطعات ساختماني بکار مي‌برند. فولادي که ۰٫۶ تا ۱٫۵ درصد کربن دارد، سخت است و از آن براي ساختن ابزارآلات، فنر و کارد و چنگال استفاده مي‌شود.

ناخالصي‌هاي آهن و توليد فولاد
آهني که از کوره بلند خارج مي‌شود، چدن ناميده مي‌شود که داراي مقاديري کربن، گوگرد، فسفر، سيليسيم، منگنز و ناخالصي‌هاي ديگر است. در توليد فولاد دو هدف دنبال مي‌شود:

• سوزاندن ناخالصي‌هاي چدن
• افزودن مقادير معين از مواد آلياژ دهنده به آهن

منگنز، فسفر و سيليسيم در چدن مذاب توسط هوا يا اکسيژن به اکسيد تبديل مي‌شوند و با کمک ذوب مناسبي ترکيب شده، به صورت سرباره خارج مي‌شوند. گوگرد به صورت سولفيد وارد سرباره مي‌شود و کربن هم مي‌سوزد و مونوکسيد کربن (CO) يا دي‌اکسيد کربن (CO2) در مي‌آيد. چنانچه ناخالصي اصلي منگنز باشد، يک کمک ذوب اسيدي که معمولا دي‌اکسيد سيلسيم (SiO2) است، بکار مي‌برند:
• (MnO + SiO2 ——-> MnSiO3(l
و چنانچه ناخالصي اصلي سيلسيم يا فسفر باشد (و معمولا چنين است)، يک کمک ذوب بازي که معمولا اکسيد منيزيم (MgO) يا اکسيد کلسيم (CaO) است، اضافه مي‌کنند:
• (MgO + SiO2 ——-> MgSiO2(l

(۶MgO + P4O10 ——-> 2Mg3(PO4)2(l
کوره توليد فولاد و جدا کردن ناخالصي‌ها
معمولا جداره داخلي کوره‌اي را که براي توليد فولاد بکار مي‌رود، توسط آجرهايي که از ماده کمک ذوب ساخته شده‌اند، مي‌پوشانند. اين پوششي مقداري از اکسيدهايي را که بايد خارج شوند، به خود جذب مي‌کند. براي جدا کردن ناخالصي‌ها، معمولا از روش کوره باز استفاده مي‌کنند. اين کوره يک ظرف بشقاب مانند دارد که در آن ۱۰۰ تا ۲۰۰ تن آهن مذاب جاي مي‌گيرد.
بالاي اين ظرف، يک سقف مقعر قرار دارد که گرما را روي سطح فلز مذاب منعکس مي‌کند. جريان شديدي از اکسيژن را از روي فلز مذاب عبور مي‌دهند تا ناخالصي‌هاي موجود در آن بسوزند. در اين روش ناخالصيها در اثر انتقال گرما در مايع و عمل پخش به سطح مايع مي‌آيند و عمل تصفيه چند ساعت طول مي‌کشد، البته مقداري از آهن، اکسيد مي‌شود که آن را جمع‌آوري کرده، به کوره بلند باز مي‌گردانند.

روش ديگر جدا کردن ناخالصي‌ها از آهن
در روش ديگري که از همين اصول شيميايي براي جدا کردن ناخالصي‌ها از آهن استفاده مي‌شود، آهن مذاب را همراه آهن قراضه و کمک ذوب در کوره‌اي بشکه مانند که گنجايش ۳۰۰ تن بار را دارد، مي‌ريزند. جريان شديدي از اکسيژن خالص را با سرعت مافوق صوت بر سطح فلز مذاب هدايت مي‌کنند و با کج کردن و چرخاندن بشکه، همواره سطح تازه‌اي از فلز مذاب را در معرض اکسيژن قرار مي‌دهند.
اکسايش ناخالصي‌ها بسيار سريع صورت مي‌گيرد و وقتي محصولات گازي مانند CO2 رها مي‌شوند، توده مذاب را به هم مي‌زنند، بطوري که آهن ته ظرف، رو مي‌آيد. دماي توده مذاب، بي آنکه از گرماي خارجي استفاده شود، تقريبا به دماي جوش آهن مي‌رسد و در چنين دمايي، واکنشها فوق‌العاده سريع بوده، تمامي‌ اين فرايند، در مدت يک ساعت يا کمتر کامل مي‌شود و معمولا محصولي يکنواخت و داراي کيفيت خوب بدست مي‌آيد.

تبديل آهن به فولاد آلياژي
آهن مذاب تصفيه شده را با افزودن مقدار معين کربن و فلزهاي آلياژ دهنده مثل واناديم، کروم، تيتانيم، منگنز و نيکل به فولاد تبديل مي‌کنند. فولادهاي ويژه ممکن است موليبدن، تنگستن يا فلزهاي ديگر داشته باشند. اين نوع فولادها براي مصارف خاصي مورد استفاده قرار مي‌گيرند. در دماي زياد، آهن و کربن با يکديگر متحد شده، کربيد آهن (Fe3C) به نام «سمنتيت» تشکيل مي‌دهند. اين واکنش، برگشت‌پذير و گرماگير است:
• Fe3C <——- گرما + ۳Fe + C

هرگاه فولادي که داراي سمنتيت است، به کندي سرد شود، تعادل فوق به سمت تشکيل آهن و کربن، جابجا شده، کربن به صورت پولکهاي گرافيت جدا مي‌شود. اين مکانيزم در چدن‌ها که درصد کربن در آنها بيشتر است، اهميت بيشتري دارد. برعکس، اگر فولاد به سرعت سرد شود، کربن عمدتا به شکل سمنتيت باقي مي‌ماند. تجزيه سمنتيت در دماي معمولي به اندازه‌اي کند است که عملا انجام نمي‌گيرد.

تهيه فولاد
اطلاعات اوليه
محصول کوره ذوب آهن ، چدن است که معمولا داراي ناخالصي کربن و مقادير جزئي ناخالصي‌هاي ديگر است که به نوع سنگ معدن و ناخالصي‌هاي همراه آن و همچنين به چگونگي کار کوره بلند ذوب آهن بستگي دارد. از آنجايي که مصرف عمده آهن در صنعت بصورت فولاد است، از اين رو ، بايد به روش مناسب چدن را به فولاد تبديل کرد که در اين عمل ناخالصي‌هاي کربن و ديگر ناخالصي‌ها به مقدار ممکن کاهش ‌يابند.

روشهاي تهيه فولاد

• روش بسمه:

در اين روش ناخالصي‌هاي موجود در چدن مذاب را به کمک سوزاندن در اکسيژن کاهش داده و آن را به فولاد تبديل مي‌کنند. پوشش جدار داخلي کوره بسمه از سيليس يا اکسيد منيزيم و گنجايش آن در حدود ۱۵ تن است. نحوه کار کوره به اين ترتيب است که جرياني از هوا را به داخل چدن مذاب هدايت مي‌کنند، تا ناخالصي‌هاي کربن و گوگرد به صورت گازهاي SO2 و CO2 از محيط خارج شود و ناخالصي‌هاي فسفر و سيليس موجود در چدن مذاب در واکنش با اکسيژن موجود در هوا به صورت اکسيدهاي غير فرار P4O10) و (SiO2 جذب جدارهاي داخلي کوره شوند و به ترکيبات زودگداز Mg3(PO4)2 و MgSiO3 تبديل و سپس به صورت سرباره خارج شوند. سرعت عمل اين روش زياد است، به همين دليل کنترل مقدار اکسيژن مورد نياز براي حذف دلخواه ناخالصي‌هاي چدن غيرممکن است و در نتيجه فولاد با کيفيت مطلوب و دلخواه را نمي‌توان به اين روش بدست آورد.

• روش کوره باز (يا روش مارتن :
در اين روش براي جدا کردن ناخالصي‌هاي موجود در چدن ، از اکسيژن موجود در زنگ آهن يا اکسيد آهن به جاي اکسيژن موجود در هوا در روش بسمه (به منظور سوزاندن ناخالصي‌هايي مانند کربن ، گوگرد و غيره) استفاده مي‌شود. براي اين منظور از کوره باز استفاده مي‌شود که پوشش جدار داخلي آن از MgO و CaO تشکيل شده است و گنجايش آن نيز بين ۵۰ تا ۱۵۰ تن چدن مذاب است. حرارت لازم براي گرم کردن کوره از گازهاي خروجي کوره و يا مواد نفتي تأمين مي‌شود. براي تکميل عمل اکسيداسيون ، هواي گرم نيز به چدن مذاب دميده مي‌شود. زمان عملکرد اين کوره طولاني‌تر از روش بسمه است. از اين نظر مي‌توان با دقت بيشتري عمل حذف ناخالصي‌ها را کنترل کرد و در نتيجه محصول مرغوب‌تري به دست آورد.

• روش الکتريکي :
از اين روش در تهيه فولادهاي ويژه‌اي که براي مصارف علمي ‌و صنعتي بسيار دقيق لازم است، استفاده مي‌شود که در کوره الکتريکي با الکترودهاي گرافيت صورت مي‌گيرد. از ويژگي‌هاي اين روش اين است که احتياج به ماده سوختني و اکسيژن ندارد و دما را مي‌توان نسبت به دو روش قبلي ، بالاتر برد.

اين روش براي تصفيه مجدد فولادي که از روش بسمه و يا روش کوره باز بدست آمده است، به منظور تبديل آن به محصول مرغوبتر ، بکار مي‌رود. براي اين کار مقدار محاسبه شده‌اي از زنگ آهن را به فولاد به دست آمده از روشهاي ديگر ، در کوره الکتريکي اضافه کرده و حرارت مي‌دهند. در اين روش ، براي جذب و حذف گوگرد موجود در فولاد مقدار محاسبه شده‌اي اکسيد کلسيم و براي جذب اکسيژن محلول در فولاد مقدار محاسبه شده‌اي) آلياژ فروسيليسيم (آلياژ آهن و سيليسيم اضافه مي‌کنند.

انواع فولاد و کاربرد آنها
از نظر محتواي کربن ، فولاد به سه نوع تقسيم مي‌شود:

• فولاد نرم : اين نوع فولاد کمتر از ۲/۰ درصد کربن دارد و بيشتر در تهيه پيچ و مهره ، سيم خاردار و چرخ دنده ساعت و … بکار مي‌رود.
• فولاد متوسط : اين فولاد بين ۲/۰تا ۶/۰ درصد کربن دارد و براي تهيه ريل و راه آهن و مصالح ساختماني مانند تيرآهن مصرف مي‌شود.
• فولاد سخت : فولاد سخت بين ۶/۰ تا ۶/۱ درصد کربن دارد که قابل آب دادن است و براي تهيه فنرهاي فولادي ، تير ، وسايل جراحي ، مته و … بکار مي‌رود.

کاربرد انواع مختلف فولاد
از فولادي که تا ۰٫۲ درصد کربن دارد، براي ساختن سيم ، لوله و ورق فولاد استفاده مي‌شود. فولاد متوسط ۰٫۲ تا ۰٫۶ درصد کربن دارد و آن را براي ساختن ريل ، ديگ بخار و قطعات ساختماني بکار مي‌برند. فولادي که ۰٫۶ تا ۱٫۵ درصد کربن دارد، سخت است و از آن براي ساختن ابزارآلات ، فنر و کارد و چنگال استفاده مي‌شود.

ناخالصي‌هاي آهن و توليد فولاد
آهني که از کوره بلند خارج مي‌شود، چدن ناميده مي‌شود که داراي مقاديري کربن ، گوگرد ، فسفر ، سيليسيم ، منگنز و ناخالصي‌هاي ديگر است. در توليد فولاد دو هدف دنبال مي‌شود:

۱٫ سوزاندن ناخالصي‌هاي چدن
۲٫ افزودن مقادير معين از مواد آلياژ دهنده به آهن
منگنز ، فسفر و سيليسيم در چدن مذاب توسط هوا يا اکسيژن به اکسيد تبديل مي‌شوند و با کمک ذوب مناسبي ترکيب شده ، به صورت سرباره خارج مي‌شوند. گوگرد به صورت سولفيد وارد سرباره مي‌شود و کربن هم مي‌سوزد و مونوکسيد کربن (CO) يا دي‌اکسيد کربن (CO2) در مي‌آيد. چنانچه ناخالصي اصلي منگنز باشد، يک کمک ذوب اسيدي که معمولا دي‌اکسيد سيلسيم (SiO2) است، بکار مي‌برند:
(MnO + SiO2 ——-> MnSiO3(l

و چنانچه ناخالصي اصلي سيلسيم يا فسفر باشد (و معمولا چنين است)، يک کمک ذوب بازي که معمولا اکسيد منيزيم (MgO) يا اکسيد کلسيم (CaO) است، اضافه مي‌کنند:
(MgO + SiO2 ——-> MgSiO2(l

(۶MgO + P4O10 ——-> 2Mg3(PO4)2(l

کوره توليد فولاد و جدا کردن ناخالصي‌ها
معمولا جداره داخلي کوره‌اي را که براي توليد فولاد بکار مي‌رود، توسط آجرهايي که از ماده کمک ذوب ساخته شده‌اند، مي‌پوشانند. اين پوششي مقداري از اکسيدهايي را که بايد خارج شوند، به خود جذب مي‌کند. براي جدا کردن ناخالصي‌ها، معمولا از روش کوره باز استفاده مي‌کنند. اين کوره يک ظرف بشقاب مانند دارد که در آن ۱۰۰ تا ۲۰۰ تن آهن مذاب جاي مي‌گيرد.

بالاي اين ظرف ، يک سقف مقعر قرار دارد که گرما را روي سطح فلز مذاب منعکس مي‌کند. جريان شديدي از اکسيژن را از روي فلز مذاب عبور مي‌دهند تا ناخالصي‌هاي موجود در آن بسوزند. در اين روش ناخالصيها در اثر انتقال گرما در مايع و عمل پخش به سطح مايع مي‌آيند و عمل تصفيه چند ساعت طول مي‌کشد، البته مقداري از آهن ، اکسيد مي‌شود که آن را جمع‌آوري کرده، به کوره بلند باز مي‌گردانند.

روش ديگر جدا کردن ناخالصي‌ها از آهن

در روش ديگري که از همين اصول شيميايي براي جدا کردن ناخالصي‌ها از آهن استفاده مي‌شود، آهن مذاب را همراه آهن قراضه و کمک ذوب در کوره‌اي بشکه مانند که گنجايش ۳۰۰ تن بار را دارد، مي‌ريزند. جريان شديدي از اکسيژن خالص را با سرعت مافوق صوت بر سطح فلز مذاب هدايت مي‌کنند و با کج کردن و چرخاندن بشکه ، همواره سطح تازه‌اي از فلز مذاب را در معرض اکسيژن قرار مي‌دهند.

اکسايش ناخالصي‌ها بسيار سريع صورت مي‌گيرد و وقتي محصولات گازي مانند CO2 رها مي‌شوند، توده مذاب را به هم مي‌زنند، بطوري که آهن ته ظرف ، رو مي‌آيد. دماي توده مذاب ، بي آنکه از گرماي خارجي استفاده شود، تقريبا به دماي جوش آهن مي‌رسد و در چنين دمايي ، واکنشها فوق‌العاده سريع بوده ، تمامي‌ اين فرايند ، در مدت يک ساعت يا کمتر کامل مي‌شود و معمولا محصولي يکنواخت و داراي کيفيت خوب بدست مي‌آيد.