فولاد، ترکیب آهن با مقداری مشخصی کربن است. با اضافه کردن مقدار کمی کربن (حدود ۰.۰۰۲ تا ۲.۱ درصد وزن فولاد) و گاهی هم کمی از فلزات دیگر مثل کروم، نیکل، منگنز، مولیبدن، سیلیسیوم یا وانادیم، میشود ویژگیهای فولاد را به کلی تغییر داد.
همین تغییرات کوچک در مواد اولیه، میتواند فولادی بسازد که هم فوقالعاده قوی باشد (برای ساخت پلها) و هم در برابر زنگ زدن مقاوم باشد (مثل ابزارهای جراحی). فولاد بر خلاف خیلی از مواد دیگر، میتواند دقیقاً برای همان کاری که ما میخواهیم، ساخته و آماده شود.
دستهبندی انواع فولاد
دنیای فولاد خیلی بزرگ و متنوع است و فولادها را بر اساس ترکیب شیمیایی، میزان سختی و مقاومتشان (خواص مکانیکی) و روش ساخت آنها به دستههای مختلفی تقسیم میکنند.
فولادهای کربنی: سادهترین و رایجترین نوع فولاد هستند که بیشتر از آهن و کربن ساخته شدهاند. بر اساس میزان کربن، سه نوع اصلی دارند:
فولاد کمکربن (نرمه): نرمتر و انعطافپذیرترند، برای ساخت ورق و قطعاتی که نیاز به خم شدن دارند.
فولاد کربن متوسط: کمی سختتر هستند و برای قطعات ماشینها استفاده میشوند.
فولاد پرکربن: خیلی سخت و مقاوم به سایشاند، مناسب برای ابزارها و فنرها.
فولادهای آلیاژی: این فولادها علاوهبر آهن و کربن، دارای مقداری از فلزات دیگر (مثل کروم، نیکل و مولیبدن) هستند. اضافه کردن این فلزات باعث میشود فولاد ویژگیهای بهتری پیدا کند، مثلاً خیلی قویتر شود، در برابر گرما مقاوم باشد یا زنگ نزند.
فولادهای ضد زنگ (استنلس استیل): این فولادها حداقل ۱۰.۵ درصد کروم دارند. کروم باعث میشود یک لایه نازک و نامرئی روی سطح فولاد ایجاد شود که از زنگ زدن و خراب شدن آن جلوگیری میکند. این فولادها در آشپزخانهها، بیمارستانها و صنایع شیمیایی خیلی پرکاربردند.
فولادهای ابزار: همانطور که از اسمشان پیداست، برای ساخت ابزارهای برشی مثل تیغهها و متهها و قالبها به کار میروند و باید بسیار سخت و مقاوم به سایش باشند.
فولادهای ساختمانی: برای ساخت اسکلت ساختمانها، پلها و زیرساختها استفاده میشوند و باید دارای استحکام کششی و تسلیم مناسب و همچنین شکلپذیری کافی باشند.
فولاد سمانتاسیون (Cementation Steel): این نوع فولاد طوری ساخته میشود که فقط سطحش خیلی سخت شود، اما داخلش نرم و مقاوم به ضربه بماند. از آنها برای ساخت قطعاتی مثل چرخدندهها استفاده میشود.
فولاد گرمکار (Hot Work Steel): اگر ابزاری قرار است در دمای خیلی بالا کار کند، مثل قالبهای آهنگری که داغ میشوند، از این نوع فولاد استفاده میکنند. این فولادها در برابر گرما نرم نمیشوند.
فولاد سردکار (Cold Work Steel): برای ابزارهایی مناسب هستند که در دمای عادی اتاق کار میکنند، مثل قالبهای برش یا پانچ. آنها باید خیلی سخت و دقیق باشند.
فولاد فنر (Spring Steel): خاصیت کشسانی بالایی دارند، یعنی بعد از خم شدن دوباره به شکل اولشان برمیگردند. در ساخت فنر انواع وسایل، از خودرو تا ماشینآلات، کاربرد دارند.
فولاد تندبر (High-Speed Steel – HSS): برای ساخت متهها، تیغههای اره و ابزارهای برش پرسرعت استفاده میشوند و حتی در دماهای بالا هم سختی خود را حفظ میکنند.
فولاد حرارتپذیر (Heat Treatable Steel): این دسته از فولادها را میتوان با فرآیندهای حرارتی خاص مثل سرد کردن ناگهانی و دوباره گرم کردن، قویتر، سختتر و مقاومتر کرد. در قطعات مهم ماشینها مثل محورها، میللنگها و چرخدندهها کاربرد دارند.
فولاد قالب پلاستیک (Plastic Mold Steel): این فولادها به طور خاص برای ساخت قالبهای تزریق پلاستیک طراحی شدهاند. ویژگیهای مهم آنها شامل قابلیت پولیشکاری بالا برای دستیابی به سطوح آینهای، سختیپذیری مناسب، مقاومت به خوردگی و پایداری ابعادی در حین عملیات حرارتی است.
مراحل و نحوه تولید فولاد
ساخت فولاد یک فرآیند طولانی است که عبارتند از:
۱. آمادهسازی مواد اولیه
اولین قدم، آماده کردن مواد لازم است. سنگ آهن را از معدن استخراج میکنند، آن را خرد کرده و طی فرآیندی تمیز میکنند تا میزان آهن آن بیشتر شود. کک (نوعی سوخت از زغال سنگ) و سنگ آهک (برای کمک به ذوب و جداسازی ناخالصیها) هم دیگر مواد مهمی هستند که آماده میشوند. نکته جالب اینکه، ضایعات فولاد (قراضه) هم نقش مهمی در تولید فولاد جدید دارند که این به حفظ محیط زیست کمک میکند.
۲. فولادسازی اولیه
مواد اولیه آماده شده وارد کوره بلند میشوند. در این کوره بزرگ، سنگ آهن در دمای خیلی زیاد (مثل آتشفشان) ذوب میشود. کک به آهن کمک میکند تا از سنگ جدا شود و سنگ آهک هم ناخالصیها را از بین میبرد. نتیجه این مرحله، تولید آهن خام مذاب است که هنوز مقدار زیادی کربن و ناخالصیهای دیگر دارد. این آهن خام، پایه و اساس فولاد است.
۳. فولادسازی ثانویه
آهن خام مذاب برای اینکه به فولاد واقعی تبدیل شود، باید کربن و ناخالصیهای اضافیاش از بین بروند. این کار به دو روش اصلی انجام میشود:
کوره اکسیژن پایه (BOF): در این روش، اکسیژن خالص را با فشار زیاد روی آهن خام مذاب میدمند. اکسیژن با کربن و ناخالصیها واکنش میدهد و آنها را به صورت گاز یا موادی به نام سرباره (شبیه خاکستر مذاب) از فولاد جدا میکند. این روش خیلی سریع و پربازده است.
کوره قوس الکتریکی (EAF): این کوره بیشتر برای ذوب کردن ضایعات فولاد و تبدیل آنها به فولاد جدید استفاده میشود. جرقه و حرارت بسیار زیاد ناشی از قوسهای الکتریکی، ضایعات فولاد را ذوب میکنند. این روش چون امکان بازیافت را فراهم میکند، برای محیط زیست هم بهتر است. هدف اینجا این است که ترکیب فولاد دقیقاً به آن چیزی که میخواهیم، برسد.
۴. متالورژی ثانویه
حالا که فولاد مذاب آماده شده، به مرحلهای میرسد که به آن متالورژی ثانویه میگویند. در این مرحله، مهندسان با دقت بسیار زیاد، ترکیب شیمیایی فولاد را تنظیم میکنند. مثلاً اگر بخواهند فولاد ضد زنگ بسازند، کروم و نیکل اضافه میکنند. همچنین گازهای مضر را از فولاد خارج میکنند تا فولاد خالصتر و باکیفیتتری به دست آید.
۵. ریختهگری پیوسته
فولاد مذاب تصفیهشده، وارد دستگاه ریختهگری پیوسته میشود. اینجا فولاد مذاب به طور مداوم از پاتیلی به یک تاندیش (مخزن میانی) و سپس به قالبهای مسی خنکشونده با آب منتقل میشود. با عبور فولاد از این قالبها و خنک شدن تدریجی، پوسته جامد تشکیل شده و به شمشهای نیمهتمام با مقاطع استاندارد تبدیل میشود. این شمشهای نیمهتمام شامل:
بیلت: شمشهای مربع شکل و بلند، برای ساخت میلگرد و مفتول.
بلوم: شمشهای مربع شکل بزرگتر، برای ساخت تیرآهن و نبشی.
اسلب: شمشهای پهن و تخت، برای ساخت انواع ورق فولادی.
این شمشها، بلوکهای ساختمانی اولیه برای تولید تمام محصولات فولادی دیگر هستند.
۶. شکلدهی و فرآوری
حالا نوبت به شکلدهی میرسد. شمشهای نیمهتمام بر اساس اینکه قرار است به چه محصولی تبدیل شوند، زیر دستگاههای مختلف میروند:
نورد گرم: شمشها در دمای خیلی بالا (بالاتر از دمای تبلور مجدد، حدود ۹۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد) از بین غلتکهای قوی عبور میکنند و نازک و کشیده میشوند. محصول این مرحله میتواند ورق گرم (ورق سیاه)، میلگرد، تیرآهن یا نبشی باشد. این فرآیند باعث میشود فولاد محکمتر و انعطافپذیرتر شود.
نورد سرد: ورقهای نورد گرم شده، این بار در دمای عادی اتاق از بین غلتکها رد میشوند تا هم نازکتر، هم صافتر و هم براقتر شوند. این فرآیند باعث میشود ورقهای روغنی یا گالوانیزه با دقت بالا تولید شوند.
آهنگری (فورجینگ): با فشار و ضربه شدید، فولاد به اشکال پیچیده و محکم (مثل میللنگ خودرو) در میآید.
کشش: برای تولید سیمها و مفتولهای نازک و بلند استفاده میشود.
عملیات حرارتی: فولاد را تا دمای خاصی گرم و سپس با سرعتهای مختلف سرد میکنند. این کار باعث میشود ویژگیهای فولاد مثل سختی، مقاومت به ضربه یا قابلیت ماشینکاری بهینه شود.
محصولات مهم صنعت فولاد
میلگرد: از پرکاربردترین محصولات فولادی در صنعت ساختمانسازی، برای تقویت بتن مسلح.
تیرآهن: عضو اصلی در ساخت اسکلت فلزی ساختمانها و پلها که وظیفه تحمل بارهای خمشی و فشاری را بر عهده دارد.
ورق فولادی: در انواع مختلف (گرم، سرد، گالوانیزه، رنگی) برای ساخت بدنه خودرو، لوازم خانگی، کشتیسازی، مخازن و لولهها.
پروفیلهای ساختمانی (نبشی، ناودانی، قوطی): برای ساخت سازههای فلزی، درب و پنجره و ماشینآلات صنعتی.
لوله و تیوب: برای انتقال سیالات در صنایع نفت و گاز، آب و فاضلاب، و همچنین در ساخت مبدلهای حرارتی و سازهها.
مفتول و سیم: برای کاربردهای متنوعی از جمله ساخت سیم بکسل، فنر، مش فولادی و الکترود جوشکاری.
شمش (بیلت، بلوم، اسلب): محصولات نیمهتمام که ماده اولیه برای تولید سایر محصولات فولادی هستند.
کاربردهای فولاد در صنایع مختلف
فولاد، به خاطر مزیتها و خواصی که ارائه میدهد، صنایع مختلفی را به خود وابسته کرده است. 18 کاربرد فولاد در صنایع مختلف را قبلا مفصل بررسی کردیم؛ اما بهصورت کلی به شرح زیر است:
صنعت ساختمانسازی و عمران: این صنعت بزرگترین مصرفکننده فولاد است. از میلگرد و تیرآهن در اسکلت ساختمانها و پلها، تا ورقهای گالوانیزه در سقفها و نماها، و پروفیلهای مختلف در سازههای فلزی، فولاد نقش محوری دارد. فولاد امکان ساخت سازههای بلندمرتبه، مقاوم در برابر زلزله و با دهانههای وسیع را فراهم میکند.
صنایع خودروسازی: فولاد با استحکام بالا و سبکوزن در ساخت بدنه خودروها، شاسی، موتور و سایر قطعات به کار میرود. استفاده از فولادهای پیشرفته در صنعت خودرو به افزایش ایمنی سرنشینان و کاهش مصرف سوخت کمک شایانی میکند.
ماشینسازی و تجهیزات صنعتی: از ساخت ماشینآلات سنگین صنعتی و کشاورزی گرفته تا ابزارهای دقیق و قطعات ماشینآلات تولیدی، فولاد بهخاطر استحکام، سختی و مقاومت به سایش خود، متریالی ضروری است.
صنایع حمل و نقل: در ساخت راهآهن (ریلها، واگنها)، کشتیسازی (بدنه کشتیها، سازههای دریایی)، هواپیما (برخی قطعات سازهای) و حتی در ساخت کانتینرهای حمل و نقل مورد استفاده قرار میگیرد.
صنعت انرژی: در صنعت نفت و گاز (ساخت خطوط لوله، سکوهای نفتی، مخازن ذخیره)، نیروگاههای برق (توربینها، دیگهای بخار، سازهها) و انرژیهای تجدیدپذیر (برجهای توربین بادی)، فولاد نقش زیادی دارد.
لوازم خانگی: بسیاری از لوازم خانگی روزمره ما، از یخچال و ماشین لباسشویی گرفته تا اجاق گاز و ظروف آشپزخانه، از فولاد (به ویژه فولاد ضد زنگ) ساخته میشوند.
بستهبندی: فولاد نازک و با پوشش قلع (ورق حلبی) برای ساخت قوطیهای کنسرو و نوشیدنی به کار میرود که قابلیت بازیافت بالایی دارند.
صنایع دفاعی و نظامی: در ساخت ادوات نظامی، تسلیحات و خودروهای زرهی از فولادهای خاص با مقاومت بالا استفاده میشود.
صنایع کشاورزی: در ساخت ابزارهای کشاورزی، ماشینآلات و سازههای گلخانهای، فولاد نقش مهمی ایفا میکند.
صنایع پزشکی: از فولادهای ضد زنگ خاص برای ساخت ابزارهای جراحی، ایمپلنتهای پزشکی و تجهیزات بیمارستانی استفاده میشود.
نقش صنعت فولاد در توسعه اقتصادی و اجتماعی جهان
اهمیت صنعت فولاد خیلی بیشتر از تولید یک محصول است؛ این صنعت به عنوان یک پایه و اساس مهم صنعتی، نقشی مهم در پیشرفت اقتصادی و صنعتی کشورها در سراسر جهان دارد. مقدار فولادی که یک کشور تولید و مصرف میکند، یکی از نشانههای اصلی رشد اقتصادی، صنعتی شدن و رفاه مردم آن کشور است.
بیایید کمی فکر کنیم، بهنظر شما میتوانیم صنایعی مثل ساخت و ساز (خانهها، پلها، جادهها)، خودروسازی (بدنه، موتور، قطعات ایمنی)، ماشینسازی سنگین (تجهیزات صنعتی، کشاورزی)، کشتیسازی و هوافضا، صنعت انرژی (لولههای نفت و گاز، توربینها)، حمل و نقل ریلی (ریلها، واگنها) و حتی لوازم خانگی و ابزارهای دقیق را بدون فولاد تصور کنیم؟ قطعاً نه! این وابستگی زیاد، صنعت فولاد را به یک محرک قوی برای ایجاد شغلهای زیاد، جذب سرمایهگذاریهای بزرگ، افزایش تولید ناخالص داخلی (درآمد ملی کشورها) و پیشرفت فناوری و نوآوری تبدیل کرده است.
علاوهبراین، فولاد به طور مستقیم بر زندگی روزمره همه ما تاثیر میگذارد. از بیمارستانها و ابزارهای پزشکی که سلامتی ما را حفظ میکنند، تا ابزارهای کشاورزی که غذایمان را تولید میکنند، و حتی گوشیهای هوشمند و زیرساختهای اینترنتی، فولاد همه جا هست و به بهتر شدن کیفیت زندگی کمک میکند.
در پایان، صنعت فولاد به عنوان یکی از مهمترین بخشهای توسعه جهانی به راه خود ادامه خواهد داد و نقش خود را در ساخت آینده بشر ایفا خواهد کرد.
سوالات متداول
فولاد چقدر با آهن متفاوت است؟
در واقع آهن یک عنصر خالص است، در حالی که فولاد یک آلیاژ (ترکیب) از آهن و مقدار کمی کربن است. اضافه شدن کربن و گاهی عناصر دیگر به آهن، باعث میشود فولاد ویژگیهایی مثل استحکام و سختی بسیار بالاتری نسبت به آهن خالص پیدا کند و برای کاربردهای صنعتی مناسبتر شود.
چرا فولاد اینقدر در دنیا پرکاربرد است؟
فولاد به چند دلیل مهم خیلی پرکاربرد است: اول اینکه استحکام و سختی فوقالعادهای دارد. دوم اینکه میتوانیم خواصش را تغییر دهیم تا برای کارهای مختلف مناسب شود (مثلاً ضد زنگ یا خیلی محکم). سوم اینکه نسبتاً ارزان و در دسترس است و مهمتر از همه، میتوان آن را بارها بازیافت کرد بدون اینکه کیفیتش کم شود. این ویژگیها آن را به یک انتخاب عالی برای صنایع مختلف تبدیل کرده است.
فرق بین نورد گرم و نورد سرد چیست؟
این دو، روشهای اصلی شکلدهی فولاد هستند. در نورد گرم، فولاد در دمای خیلی بالا (داغ) از بین غلتکها عبور میکند. این کار باعث میشود فولاد راحتتر شکل بگیرد و ساختار داخلیاش بهتر شود. اما در نورد سرد، فولاد در دمای اتاق از بین غلتکها رد میشود. نورد سرد باعث میشود فولاد نازکتر، صافتر، دقیقتر و معمولاً محکمتر و زیباتر شود، اما انرژی بیشتری نیاز دارد.
شمشهای بیلت، بلوم و اسلب چه فرقی دارند؟
اینها اشکال اولیه و نیمهتمام فولاد هستند که بعد از ذوب و ریختهگری به دست میآیند:
بیلت: شمشهایی با مقطع مربع نسبتاً کوچک و طول زیاد هستند که بیشتر برای تولید میلگرد و مفتول استفاده میشوند.
بلوم: شمشهایی با مقطع مربع یا مستطیل بزرگتر از بیلت هستند که برای تولید مقاطع سنگینتر مثل تیرآهن و نبشی به کار میروند.
اسلب: شمشهای پهن و تخت با مقطع مستطیلی هستند که ماده اولیه اصلی برای تولید انواع ورقهای فولادی محسوب میشوند.
آیا فولاد قابل بازیافت است؟
بله، فولاد یکی از بهترین و قابل بازیافتترین مواد روی کره زمین است. میتواند صددرصد و به دفعات نامحدود بازیافت شود، بدون اینکه هیچگاه کیفیت خود را از دست بدهد. بازیافت فولاد هم به حفظ منابع طبیعی (سنگ آهن) کمک میکند و هم انرژی کمتری نسبت به تولید فولاد جدید مصرف میکند.