فولاد نیز همچون آلیاژ های دیگر می باشد که از آن به نوعی آهن یاد می شود که بیشتر ناخالصی های آن کنار گذاشته شده است. آهن عنصری، فلزی مستحکم، سخت، سنگین و خاکستری رنگ است و در شهاب سنگ ها یافت می شود. این آلیاژ در ترکیب با بسیاری از کانی ها در پوسته زمین یافت می شود و به راحتی در معرض زنگ زدگی قرار می گیرد. از سوی دیگر این آلیاژ قابلیت جذب به آهنربا را دارد. به همین دلیل آلیاژ مناسبی برای سازه ها محسوب می شود.
آلیاژ فولاد و انواع آن یا آهن ذوب شده از ترکیب گرمای شدید و کربن (آلیاژ) تهیه و برای ساختن ماشین آلات، اتومبیل، ابزار آلات و دیگر مصنوعات استفاده می شود. تاریخ ذوب آهن و آهن کاری دارای تاریخ طولانی می باشد. چنانکه از منابع مشخص است در مصر باستان آهن یک آلیاژ پرمصرف محسوب می شد. همچنین در ۳۰۰۰ سال پیش از میلاد مسیح از این آلیاژ برای ساخت زیور آلات آهنی، اسلحه های آهنین نیز استفاده کرده اند.
- آلیاژ فولاد و انواع آن فولاد ورزیده (چکش خوار)
آهن ورزیده یا چکش خوار تا قرن چهاردهم پر کاربردترین نوع آلیاژ شناخته شده بود که با حرارت بالا توده های سنگ معدن آهن و زغال چوب در کوره آهنگری یا کوره های آهن دارای تهویه مصنوعی ذوب و سپس از آن وسایل مختلفی ساخته می شود. به این صورت که اسفنجی از آهن فلز و لجنی و سنگ معدن احیا حاوی ناخالصی های فلزی و خاکستر از کوره بیرون می آوردند در حالی که هنوز گداخته و ملتهب بود و آن را با پتک های سنگین می کوبیدند تا سرباره و جوش از آن خارج شود و به آهن جامد تبدیل شود.
آلیاژ فولاد و انواع آن که با استفاده از روش چکش خوار تهیه می شد دارای 3% ذرات سرابره و 1/0 درصد مواد ناخالصی بود. در این روش تولید آهن، به جای آهن چکش خوار، به حسب تصادف فولاد واقعی حاصل می شد. سرانجام اهنگران یاد گرفتند که با حرارت دادن آهن چکش خوار و ذغال چوب در بوته های سفالین، در چند روز متوالی می توانند فولاد درست کنند. سرانجام با آهن کربن توانستند فولادهای واقعی بسازند.
- آهن لخته (خام یا شمش)
پس از قرن 14 بود که کوره هایی برای ذوب آهن در اندازه بزرگ ایجاد شد و از کشش اضافی برای ایجاد فشار گازهای حاصل از احتراق به درون «بار» کوره حاوی آمیزه مواد خام استفاده می کردند. در این کوره های وسیع تر ،سنگ آهن در بخش بالایی کوره نخست به آهن فلزی تبدیل می شد و سرانجام به دلیل گازهایی که با فشار وارد آن می شد، میزان بیشتری کربن با آن مخلوط می شد. ابزارهای ابتدایی تولید آهنی که تا قرن چهاردهم استفاده می شود، با نام «آهنن چکش خوار» شناخته می شدند.
دستاوردهای این کوره ها آهن لخته بود که این آلیاژ نسبت به آهن چکش خوار، در دمای پایین تری ذوب می شود. آهن لخته یا چدن خام، عموما در شمش های کوتاه و پهن « قالب فلزی یا بلوک» ساخته می شوند و به همین اسم نیز نامگذاری شدند. این نوع آهن با تصفیه بیشتر به فولاد تبدیل می شوند.
- دم و کوره های الکتریکی
در حال حاضر به منظور ذوب کردن آلیاژ فولاد و انواع آن، کوره های دم دار کاربرد دارند که شباهت زیادی به کوره های معمولی اما از نوع بهبودیافته هستند. این نوع کوره های در گذشته محل مناسبی برای تولید آهن بوده اند. فرایند تصفیه آهن گداخته با کمک جریان هوا با مخترعی انگلیسی به نام «سر هنری بسمر» شروع شد که کوره بسمر یا کونورتور یا همان کوره مخصوص تولید فولاد) در سال ۱۸۵۵ شروع به کار کرد.
امروزه ساخت آلیاژ فولاد و انواع آن در کارخانه ها صورت می گیرد. کارخانه های فولاد از چهار واحد اولیه یکپارچه تشکیل شده که بخش های آن عبارتند از: کوره احیای مستقیم، کوره قوس الکترونیکی، ریخته گری پیوسته (متوالی) و کارخانه نورد.
- کوره احیای مستقیم
هر یک از این بخش ها، وظیفه تغذیه واحد بعدی را بر عهده دارند. قسمت احیای مستقیم با استفاده از ساچمه های سنگ معدن می تواند آهن جامد تولید کند. در این صورت گاز طبیعی به هیدروژن و مونوکسید کربن تبدیل می شود. این گازها می توانند اکسیژن را از سنگ معدن گرم شده زاییده و سنگ آهن را به آهن فلزی تبدیل کنند. گاز یا آب خنک کننده در بخش پایین کوره در جریان است که آهن های تولید شده را خنک می کند. در تمامی این مراحل، آهن احیا شده (DRI) تولید می شود که این ماده از طریق کوره قوس الکتریکی تغذیه می شود.
- کوره قوس الکتریکی(EAF)
در این مرحله، کوره قوس الکتریکی به منظور تولید فولاد گداخته از DRI استفاده می کند. کوره، همراه با سقف آن به یک سو در حرکت است و با قراضه بار گیری می شود. قوس جریان الکتریکی بین الکترودها و بار کوره در چرخش است. این کار موجب تولید حرارت بالا می شود که بار را ذوب و موحب ایجاد واکنش های شیمیایی برای تولید فولاد می شود.
در نهایت، فرایند تصفیه انجام می شود. در این صورت، کارگران جریان برق کوره الکتریکی را قطع کرده و سپس آن را کج می کنند. این کار برای بیرون ریختن سرباره ای که درون کوره ای انجام می شود. با خارج شدن سرباره از درون کوره، مجدد کوره الکتریکی به سوی دیگر خم می شود تا فولاد مایع از دهانه بارگیری خارج شده و در پاتیل یا کفچه گرد آوری شود.
- ریخته گری پیوسته یا متوالی (CC)
فولاد گداخته تولید شده در کوره الکتریکی به درون واحد ریخته گری وارد می شود که که به دلیل مایع بودن شکل قالب که همان شمش است را به خود می گیرد و سپس با آب سرد به سرعت خنک و حالت می گیرد. نحوه خنک کردن شمش های آهنی خاص است تا به هنگام عبور از میان غلتک های مخصوص، سخت شود.
- دستگاه نورد
در این مرحله فولاد گداخته باید شکل بگیرد. تولید مفتول های آلیاژ فولاد و انواع آن در دستگاه نوردی نیز یکی از مسئولیت های دستگاه نورد است. این دستگاه دارای غلتک هایی است که طوری شیار یافته اند تا شمش داغ را به اشکال مقطع گرد، بیضی، مربع یا شش گوشه حالت دهند.
- قابلیت جوشکاری
- قابلیت شکل پذیری بالا
- مقاومت خستگی مناسب
- استحکام مناسب که بین ۴۰۰ تا ۲۰۰۰ مگاپاسکال می باشد
- مقاومت در درجه حرارت پایین مقاومت در درجه حرارت بالا
آلیاژ فولاد و انواع آن به سه دسته تقسیم می شوند که عبارتند از:
- فولادهای ساده کربنی
این نوع فولادها خود به سه نوع دیگر فولادهای کم کربن، فولادهای کربن متوسط و فولادهای پر کربن تقسیم می شوند.
- فولاد های کم کربن دارای کمتر از ۰.۲% کربن هستند. بنابراین برای شکل پذیری و فرم دهی منعطف اند و در صنایع مختلف استفاده می شوند. اما به دلیل استحکام و مقاومت کم مناسب ساخت برخی از صنایع از جمله صنعت خودرو سازی نیستند.
- فولاد های کربن متوسط دارای بین ۰.۲ تا ۰.۵% هستند که نسبت به نوع قبلی استحکام و سختی بیشتری داشته اما انعطاف پذیری کمی دارند. فولادهای کربن متوسط برای صنایع راهسازی و ماشین سازی قابل استفاده هستند.
- فولاد های پرکربن دارای ۰.۵% کربن هستند که این امر میان انعطاف پذیری را در فولاد کاهش و در مقابل سختی آنها را چندین برابر کرده است. فولادهای پرکربن برای صنایع و ابزارهای نیاز به سختی بیشتر قابل استفاده هستند.
- فولاد های کم آلیاژی
فولاد های کم آلیاژی میزان عناصر آلیاژی کمتر از ۸% دارند و به دلیل داشتن عناصر آلیاژی، خواص مکانیکی زیادی دارند. البته وجود برخی دیگر از عناصر آلیاژی در این نوع فولادها، تغییر فرم، تابیدگی و ترک خوردگی آنها در زمان حرارت به سختی صورت می گیرد. این نوع فولادها عمدتا در ساخت قطعات و قالبهای خاص صنعتی کاربرد دارند.
- فولاد های پرآلیاژی
میزان عناصر آلیاژی در فولاد های پرآلیاژی بیشتر از 8 درصد است و برای مصارف با مقاومت به خوردگی بالا و مقاومت به سایش بالا کاربرد دارند. از آنجا که تکنولوژی اضافه کردن این عناصر نیز بالاتر است، قیمت بیشتری نیز دارند.
- انواع کوره های ذوب در فولادریزی
کوره های ذوب فولاد انواع مختلفی دارند که عبارتند از:
- كوره هاي زيمنس ـ مارتين
- كوره هاي تشعشعي يا روبادده از نوع ثابت و دوّار
- كوره هاي بوته اي يا زميني از نوع ثابت و گردان
- كوره هاي قوس الكتريكي از نوع مستقيم و غير مستقيم
- كوره هاي القائي با فركانس كم و بالا، همچنين هسته دار و بدون هسته