تعلم التاريخ من العصر الحديدي إلى أفران القوس الكهربائي
غير أن نوعية الحديد المنتج ستعتمد ، على مدى بضعة آلاف من السنين التالية ، على المعدن الخام المتاح على طرق الإنتاج.
بحلول القرن السابع عشر ، كانت خواص الحديد مفهومة بشكل جيد ، ولكن تزايد التحضر في أوروبا كان يتطلب معدنًا هيكليًا أكثر تنوعًا.
وبحلول القرن التاسع عشر ، كانت كمية الحديد التي تستهلكها خطوط السكك الحديدية المتوسعة قد زودت علماء المعادن بالحوافز المالية لإيجاد حل لهشاشة الحديد وعمليات الإنتاج غير الفعالة.
لا شك أن الاختراق الرئيسي في تاريخ الصلب جاء في عام 1856 عندما طور هنري بسمر طريقة فعالة لاستخدام الأكسجين لتقليل محتوى الكربون في الحديد: فقد ولدت صناعة الصلب الحديثة.
عصر الحديد
في درجات الحرارة العالية جدا ، يبدأ الحديد في امتصاص الكربون ، مما يقلل من نقطة انصهار المعدن ، مما يؤدي إلى الحديد الزهر (2.5 إلى 4.5 ٪ من الكربون). أدى تطوير الأفران المرتفعة ، التي استخدمها الصينيون لأول مرة في القرن السادس قبل الميلاد ، والتي تستخدم على نطاق أوسع في أوروبا خلال العصور الوسطى ، إلى زيادة إنتاج الحديد الزهر.
خنزير الحديد هو الحديد المنصهر تنفد من أفران الانفجار وتبريدها في القناة الرئيسية والقوالب المجاورة. تشبه القوالب الصغيرة الكبيرة والمركزية والمجاورة صغار الخنازير والرضع.
الحديد الزهر قوي لكنه يعاني من قشور بسبب محتواه من الكربون ، مما يجعله أقل من مثالي للعمل والتشكيل. وكما أدرك علماء المعادن أن المحتوى العالي من الكربون في الحديد كان أساسياً لمشكلة الهشاشة ، فقد جربوا طرقًا جديدة لتقليل محتوى الكربون لجعل الحديد أكثر قابلية للتطبيق.
في أواخر القرن الثامن عشر ، تعلم صانعو الحديد كيفية تحويل الحديد المصبوب إلى مادة منخفضة الكربون من الحديد المطاوع باستخدام أفران التعدين (التي طورها هنري كورت في عام 1784). تقوم الأفران بتسخين الحديد المنصهر ، الذي كان يجب تحريكه بواسطة الباهت باستخدام أدوات طويلة على شكل مجذاف ، مما يسمح للأكسجين بالدمج مع الكربون وإزالته ببطء.
ومع انخفاض محتوى الكربون ، تزداد نقطة انصهار الحديد ، بحيث تتكتل كتل الحديد في الفرن. ستتم إزالة هذه الجماهير وستعمل مع مطرقة مطرقة بواسطة البودلار قبل أن تتدحرج إلى صفائح أو قضبان. وبحلول عام 1860 ، كان هناك أكثر من 3000 فرن محشو في بريطانيا ، لكن العملية ظلت معطلة بسبب كثافة العمالة والوقود.
واحدة من أقدم أشكال الصلب ، الفولاذ الصلب ، بدأت الإنتاج في ألمانيا وإنجلترا في القرن السابع عشر ، وتم إنتاجها عن طريق زيادة محتوى الكربون في الحديد الخامل المنصهر باستخدام عملية تعرف باسم الاسمنت. في هذه العملية ، تم وضع قضبان من الحديد المطاوع مع الفحم المسحوق في صناديق حجرية وتسخينها.
بعد حوالي أسبوع ، يمتص الحديد الكربون في الفحم. تسخين متكرر يوزع الكربون بشكل أكثر توازنا وكانت النتيجة ، بعد التبريد ، هو الفولاذ الصلب. فالمحتوى العالي من الكربون المصنوع من الصلب البثرت يكون أكثر قابلية للعمل من حديد الصب ، مما يسمح بضغطه أو تدويره.
تقدم إنتاج الصلب البثرى في عام 1740 عندما قام صانع الساعات الإنجليزي بنجامين هانتسمان أثناء محاولة تطوير فولاذ عالي الجودة لزنبركات الساعة ، وجد أنه يمكن ذوبان المعدن في بوتقة من الصلصال وصقله بتدفق خاص لإزالة الخبث الذي تركته عملية الترسيخ خلف. كانت النتيجة بوتقة - أو صب - صلب. ولكن بسبب تكلفة الإنتاج ، تم استخدام كل من الفقاعات والصلب فقط في تطبيقات متخصصة.
ونتيجة لذلك ، ظل الحديد المصبوب في أفران التسكك هو المعدن الهيكلي الأساسي في تصنيع بريطانيا خلال معظم القرن التاسع عشر.
عملية Bessemer وصناعة الصلب الحديثة
وضع نمو خطوط السكك الحديدية خلال القرن التاسع عشر في كل من أوروبا وأمريكا ضغوطاً كبيرة على صناعة الحديد ، التي ما زالت تصارع عمليات الإنتاج غير الفعالة.
ومع ذلك ، لا يزال الفولاذ غير مثبت كمعدن بنيوي وكان الإنتاج بطيئًا ومكلفًا. كان ذلك حتى عام 1856 عندما توصل هنري بسمر بطريقة أكثر فعالية لإدخال الأكسجين في الحديد المنصهر من أجل تقليل محتوى الكربون.
أصبحت Bessemer ، المعروفة الآن باسم عملية Bessemer ، تصمم وعاءًا على شكل كمثرى - يُشار إليه بـ "المحول" - حيث يمكن تسخين الحديد بينما يمكن أن يتم نفخ الأكسجين عبر المعدن المنصهر. ومع مرور الأكسجين عبر المعدن المنصهر ، فإنه يتفاعل مع الكربون ، ويطلق ثاني أكسيد الكربون وينتج حديدًا أكثر نقاءً.
كانت العملية سريعة وغير مكلفة ، حيث أزيلت الكربون والسيليكون من الحديد في دقائق معدودة ولكنها عانت من أن تكون ناجحة للغاية. تمت إزالة الكثير من الكربون و بقي الكثير من الأكسجين في المنتج النهائي. كان على بسمر في النهاية أن يسدد مستثمريه حتى يتمكن من إيجاد طريقة لزيادة محتوى الكربون وإزالة الأكسجين غير المرغوب فيه.
في نفس الوقت تقريبًا ، قام عالم المعادن البريطاني روبرت موشيت بالحصول على مركب من الحديد والكربون والمنجنيز ، وقد بدأ اختباره ، وهو ما يعرف باسم speigeleisen . ومن المعروف أن المنغنيز لإزالة الأوكسجين من الحديد المنصهر ومحتوى الكربون في speigeleisen ، إذا أضيفت في الكميات الصحيحة ، من شأنه أن يوفر الحل لمشاكل Bessemer. بدأ بسمر في إضافتها إلى عملية التحويل بنجاح كبير.
ومع ذلك ، لا تزال هناك مشكلة واحدة. لقد فشل بيسمر في إيجاد طريقة لإزالة الفسفور ، وهو شائبة مؤذية تجعل الفولاذ هشًا - من نتاجه النهائي. وبالتالي ، يمكن استخدام خام خال من الفوسفور من السويد وويلز.
في عام 1876 ، توصل السيد سيدني جيلكريست ، وهو من ويلز ، إلى الحل بإضافة مضغة كيميائية أساسية - حجر جيري - إلى عملية بسمر. رسم الحجر الجيري الفوسفور من حديد الصب في الخبث ، مما يسمح بإزالة العنصر غير المرغوب فيه.
هذا الابتكار يعني أنه ، في النهاية ، يمكن استخدام خام الحديد من أي مكان في العالم لصنع الصلب. ليس من المستغرب ، بدأت تكاليف إنتاج الصلب في الانخفاض بشكل ملحوظ. انخفضت أسعار السكك الحديدية الفولاذية بأكثر من 80٪ بين عامي 1867 و 1884 ، كنتيجة لتقنيات إنتاج الصلب الجديدة ، مما أدى إلى نمو صناعة الفولاذ في العالم.
عملية الموقد المفتوح
في ستينيات القرن التاسع عشر ، عزز المهندس الألماني كارل فيلهلم سيمنز إنتاج الصلب من خلال إنشائه لعملية الموقد المفتوح. أنتجت عملية الموقد المفتوح الصلب من حديد الصب في أفران الضحلة الكبيرة.
باستخدام درجات الحرارة العالية لحرق الكربون الفائض والشوائب الأخرى ، اعتمدت العملية على غرف الطوب المدفأة تحت الموقد. استخدمت الأفران المتجددة فيما بعد غازات العادم من الفرن للحفاظ على درجات الحرارة العالية في غرف الطوب أدناه.
سمحت هذه الطريقة لإنتاج كميات أكبر من ذلك بكثير (يمكن إنتاج 50-100 طن متري في فرن واحد) ، والاختبار الدوري للفولاذ المصهور بحيث يمكن تصنيعه لتلبية مواصفات معينة واستخدام الصلب الخردة كمواد خام . على الرغم من أن العملية نفسها كانت أبطأ بكثير ، إلا أن عملية الموقد المفتوح بحلول عام 1900 قد حلت إلى حد كبير محل عملية بسمر.
ولادة صناعة الصلب
لقد اعترف العديد من رجال الأعمال اليوم بأن الثورة في إنتاج الصلب التي توفر مواد أرخص وأعلى جودة هي فرصة استثمارية. الرأسماليون في أواخر القرن التاسع عشر ، بما في ذلك أندرو كارنيجي وتشارلز شواب ، استثمروا وجعلوا الملايين (المليارات في حالة كارنيجي) في صناعة الصلب. تأسست شركة كارنيج في الولايات المتحدة في عام 1901 ، وكانت أول شركة تطلق على الإطلاق بقيمة تفوق المليار دولار.
قوس كهربائي فرن الصلب
فقط بعد نهاية القرن ، حدث تطور آخر سيكون له تأثير قوي على تطور إنتاج الصلب. تم تصميم فرن القوس الكهربائي للقول بول هيرولت (EAF) لتمرير تيار كهربائي من خلال المواد المشحونة ، مما أدى إلى أكسدة وحرارة طارد للحرارة تصل إلى 3272 درجة فهرنهايت (1800 درجة مئوية) ، أكثر من كافية لتدفئة إنتاج الصلب.
استخدم في البداية للفولاذ التخصصي ، ونمت EAFs للاستخدام ، وبحلول الحرب العالمية الثانية ، كانت تستخدم في تصنيع سبائك الصلب. وقد سمحت تكلفة الاستثمار المنخفضة في إنشاء مصانع EAF بالتنافس مع المنتجين الأمريكيين الرئيسيين مثل شركة US Steel Corp و Bethlehem Steel ، خاصةً في الفولاذ الكربوني ، أو المنتجات الطويلة.
ونظراً لأن الأفران غير المعالجة (EAF) يمكن أن تنتج الصلب من علف 100٪ من الخردة - أو الباردة - فإن هناك حاجة إلى طاقة أقل لكل وحدة إنتاج. وعلى عكس مداخن الأوكسجين الأساسية ، يمكن أيضًا إيقاف العمليات وتبدأ بتكلفة قليلة مرتبطة بها. ولهذه الأسباب ، كان الإنتاج عبر الأطر الإلكترونية EAFs يتزايد باطراد على مدار أكثر من 50 عامًا ويمثل الآن حوالي 33٪ من إنتاج الصلب العالمي.
الأكسجين الفولاذ
معظم إنتاج الصلب العالمي - حوالي 66 ٪ - ينتج الآن في مرافق الأكسجين الأساسية. وقد سمح تطوير طريقة لفصل الأكسجين من النتروجين على نطاق صناعي في الستينات بحدوث تقدم كبير في تطوير الأفران الأكسجين الأساسية.
الأفران الأكسجين الأساسي تهب الأكسجين إلى كميات كبيرة من الحديد المنصهر والصلب الخردة ويمكن أن تكمل الشحنة بسرعة أكبر بكثير من طرق الموقد المفتوح. يمكن للسفن الكبيرة التي تحتوي على ما يصل إلى 350 طنًا متريًا من الحديد أن تكمل عملية التحويل إلى الفولاذ في أقل من ساعة واحدة.
إن كفاءة التكلفة في صناعة الصلب بالأكسجين جعلت المصانع ذات الموقد المفتوح غير قادرة على المنافسة ، وبعد ظهور صناعة الأكسجين في الستينات ، بدأت عمليات فتح الموقد في الإغلاق. تم إغلاق آخر منشأة مفتوحة في الولايات المتحدة في عام 1992 وفي الصين في عام 2001.
مصادر:
Spoerl، Joseph S. A Brief History of Iron and Steel Production. كلية سانت أنسيلم.
الرابطة العالمية للصلب. www.steeluniversity.org
شارع ، آرثر. & Alexander، WO 1944. Metals in the Service of Man . الطبعة ال 11 (1998).