فولاد یکی از مواد اساسی و حیاتی جهان است که در تمامی جنبه‌های زندگی روزمره‌ی ما از ساخت خانه و خودرو گرفته تا پل‌ها و لوازم خانگی، حضور پررنگی دارد. بدون فولاد، توسعه‌ی زیرساخت‌ها، حمل‌ونقل، انرژی، ساخت‌وساز و حتی صنایع پزشکی با چالش‌های اساسی روبه‌رو می‌شد. صنعت فولاد نه تنها یک رکن کلیدی در توسعه‌ی صنعتی کشورها محسوب می‌شود، بلکه به‌طور مستقیم بر اشتغال، تجارت، سرمایه‌گذاری‌های کلان و رشد پایدار اقتصادی تأثیرگذار است. از اواسط قرن نوزدهم، فولاد به عنوان یکی از پرکاربردترین و قابل‌اعتمادترین مواد در جهان شناخته شده و هنوز هم در صدر مواد صنعتی باقی مانده است.
اما فولاد امروزی نتیجه‌ی هزاران سال تجربه و نوآوری در کار با فلزات است؛ فرآیندی که در طول زمان از شکل‌های ابتدایی آهن آغاز شده و با پیشرفت دانش متالورژی، به تولید فولاد با کیفیت بالا انجامیده است. مسیر رسیدن به فولاد، پر از تلاش‌های مستمر بشر برای بهبود مقاومت، شکل‌پذیری و دوام فلزات بوده است.
در گذشته، زمانی که فلزکاری هنوز در مراحل اولیه خود قرار داشت، آهنگران با بهره‌گیری از متالورژی آهن (Ferrous Metallurgy) توانستند کالاهای ابتدایی آهنی بسازند. این فرآیند شامل گداختن سنگ آهن در کوره‌های ساده و سپس چکش‌کاری آن برای شکل‌دادن به ابزارهای ابتدایی بود.
نقش تمدن‌های باستان در تولید آهن – از چین تا ایران
در چین باستان، متالورژیست‌ها آهن را در کوره‌های عظیمی حرارت می‌دادند تا آن را به حالت مایع درآورده و با سوخت چوبی مخلوط کنند. سپس آهن مذاب را در قالب‌هایی می‌ریختند تا پس از سرد شدن، شکل قالب را به خود بگیرد. این روش ریخته‌گری، هرچند محصولی بادوام‌تر از آهن چکش‌خورده تولید می‌کرد، اما امکان خم‌کردن یا فرم‌دهی مجدد آن را محدود می‌ساخت.
در همین حال، در هندوستان نیز تکنیک‌هایی برای ذوب آهن و ترکیب آن با زغال چوب در دماهای بالا توسعه یافت. در این روش، آهن با جذب اتم‌های کربن از زغال، به آلیاژ آهن-کربن تبدیل می‌شد که پایه‌ی اولیه فولاد بود.
ایران باستان نیز سهم قابل توجهی در تاریخ متالورژی دارد. در مناطقی مانند زنجان، لرستان و کرمان، بقایای کوره‌های ذوب و آثار آهنگری کشف شده که نشان‌دهنده‌ی آشنایی مردمان این سرزمین با فنون ذوب و چکش‌کاری آهن بوده است. در تپه یحیی (کرمان) و جیرفت، آثاری از تولید ابزارهای فلزی دیده می‌شود که قدمت برخی به بیش از ۳۰۰۰ سال قبل از میلاد بازمی‌گردد. در تمدن مادها و هخامنشیان نیز از آهن برای ساخت ابزار جنگی، ادوات کشاورزی و سازه‌های معماری بهره گرفته می‌شد. جالب است بدانیم که واژه‌ی «آهن» در زبان فارسی به معنی فلز سخت و مقاوم است و در متون تاریخی همواره نماد قدرت، استقامت و نظم بوده است.
در اروپای مرکزی، آهنگران راهکاری دیگر یافتند. آن‌ها آهن نرم را در مجاورت زغال چوب حرارت می‌دادند تا بدون از بین بردن خاصیت انعطاف‌پذیری، استحکام فلز را افزایش دهند. این فرآیند که نوعی کربوره‌کردن سطحی بود، مسیر را برای ساخت فولاد ابتدایی هموار کرد.
با گذشت زمان و پیشرفت دانش فنی، انسان توانست نسبت مناسب آهن به کربن را بشناسد و کنترل کند. این نقطه‌ی عطفی در تاریخ بود، چرا که آلیاژهای آهن-کربن با خواص مکانیکی بسیار بهتر، توانایی بشر در ساخت سلاح‌ها، ابزارآلات و سازه‌ها را متحول کرد. همین آلیاژها بودند که بعداً به فولاد مدرن تبدیل شدند.
آغاز تولید صنعتی فولاد
تولید صنعتی فولاد به‌طور رسمی در سال ۱۸۵۶ با معرفی فرآیند بسمر (Bessemer Process) آغاز شد. این روش، که توسط مهندس انگلیسی هنری بسمر توسعه داده شد، نخستین تکنیک برای تولید انبوه فولاد بود. در این فرآیند، با دمیدن هوا به درون آهن مذاب، ناخالصی‌ها به سرعت اکسید و حذف می‌شدند و محصول نهایی، فولادی نسبتاً خالص بود. این انقلاب صنعتی باعث شد فولاد در حجم بالا و با هزینه‌ی کمتر تولید شده و در دسترس صنایع گوناگون قرار گیرد.
سپس تولیدکنندگان فولاد در کشورهای مختلف این فرآیند را اصلاح کردند تا ضمن حفظ مقدار مناسبی از کربن (که تعیین‌کننده‌ی سختی فولاد است)، بتوانند ناخالصی‌های دیگر مانند گوگرد و فسفر را نیز حذف کنند. این مسیر در نهایت به دو روش رایج امروزی ختم شد: کوره بلند و کوره قوس الکتریکی.
۱. کوره بلند (Blast Furnace):
کوره بلند یکی از قدیمی‌ترین و رایج‌ترین روش‌ها برای استخراج فلزات از سنگ معدن است که در فرآیند تولید فولاد نیز کاربرد گسترده‌ای دارد. این روش که در زبان صنعتی به «فرآیند اکسیژن پایه» (Basic Oxygen Process) معروف است، با استفاده از سنگ آهن، کک (نوعی زغال سنگ کربنی‌شده) و سنگ آهک به همراه مقدار معینی قراضه فولادی انجام می‌شود.
در این فرآیند، ابتدا مواد اولیه از قسمت بالای کوره وارد می‌شوند. سپس در بخش پایین کوره، اکسیژن خالص با فشار بالا به درون محفظه دمیده می‌شود. این اکسیژن با کک واکنش داده و دمای داخل کوره را به حدود ۱۵۰۰ تا ۱۶۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌رساند. دمای بالا باعث ذوب شدن سنگ آهن شده و فلز به صورت مذاب در کف کوره جمع می‌شود.
در همین حال، واکنش‌های شیمیایی بین آهن و اکسیژن باعث اکسید شدن ناخالصی‌هایی مانند سیلیس، فسفر و گوگرد می‌شود. این اکسیدها به همراه سنگ آهک ترکیب شده و به صورت سرباره (slag) جدا می‌شوند. همچنین مقدار کربن موجود در آهن مذاب به طور کنترل‌شده کاهش می‌یابد تا به نسبت مناسب برای تولید فولاد برسد. در نهایت، فولاد مایع خالص به دست می‌آید که آماده انتقال به مرحله بعدی، یعنی ریخته‌گری یا قالب‌ریزی است.
این روش، به دلیل مصرف زیاد انرژی و منابع طبیعی، بیشتر برای تولید فولاد در مقیاس بالا و صنعتی به کار می‌رود و در کشورهایی مانند چین، هند و ایران کاربرد زیادی دارد.
۲. کوره قوس الکتریکی (Electric Arc Furnace - EAF):
کوره قوس الکتریکی روشی مدرن‌تر و انعطاف‌پذیرتر برای تولید فولاد است که عمدتاً از قراضه‌های فولادی به عنوان ماده اولیه استفاده می‌کند و انرژی مورد نیاز برای ذوب فلز را از طریق قوس الکتریکی بین الکترودهای گرافیتی تأمین می‌نماید. این روش نسبت به کوره بلند، سازگارتر با محیط زیست است و مصرف انرژی و مواد خام کمتری دارد.
در این فرآیند، قراضه‌های فولادی (مانند خودروهای اسقاطی، ماشین‌آلات فرسوده، قطعات فلزی بازیافتی) داخل کوره ریخته می‌شوند. سپس جریان برق با ولتاژ بسیار بالا از طریق سه الکترود گرافیتی به داخل قراضه‌ها تخلیه می‌شود. گرمای ناشی از قوس الکتریکی، دمای فلز را تا حدود ۱۶۰۰ تا ۱۷۰۰ درجه سانتی‌گراد بالا می‌برد و باعث ذوب کامل آن می‌شود.
در حین ذوب، تکنسین‌ها عناصر آلیاژی مانند کروم، نیکل، مولیبدن یا وانادیم را به فلز مذاب اضافه می‌کنند تا خواص مکانیکی و شیمیایی فولاد بسته به نوع کاربرد نهایی، تنظیم شود. برای مثال، افزودن نیکل و کروم منجر به تولید فولاد زنگ‌نزن می‌شود.
در مرحله تصفیه، مواد کمکی مانند اکسیژن، آهک (lime) و فلوئورسپار (نوعی ماده گدازآور) به کوره اضافه می‌شود تا ناخالصی‌ها را جذب کرده و به شکل سرباره (slag) از فولاد جدا کند. سرباره روی سطح فولاد مذاب شناور شده و به راحتی از آن جدا می‌شود.
روش EAF مزایایی همچون سرعت بالا، انعطاف در ترکیب فولاد، امکان استفاده از مواد بازیافتی و کاهش آلاینده‌های زیست‌محیطی دارد و بیشتر در کشورهای پیشرفته صنعتی و خطوط تولید فولادهای خاص و سفارشی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
به طور خلاصه، تولید فولاد فرآیندی پیچیده است که با استخراج و آماده‌سازی سنگ آهن آغاز می‌شود. علاوه بر روش‌های کوره بلند و کوره قوس الکتریکی، فولاد طی مراحل دیگری مانند تصفیه، آلیاژسازی و ریخته‌گری، به ترکیب و شکل نهایی دلخواه می‌رسد. نوآوری مداوم در فناوری‌های تولید فولاد باعث شده این فرآیند، همواره کارآمد، پایدار و قابل تطبیق با کاربردهای متنوع باقی بماند.
سؤالات متداول
سنگ آهن چگونه در فرآیند تولید فولاد استفاده می‌شود؟
ابتدا سنگ آهن از طریق معادن روباز یا زیرزمینی استخراج می‌شود. سپس طی فرآیندهایی ناخالصی‌های آن حذف شده و آماده‌ی استفاده در تولید فولاد می‌گردد.
کوره بلند چیست؟
کوره بلند یک کوره استوانه‌ای بزرگ است که برای ذوب سنگ آهن استفاده می‌شود. این کوره در دماهای بالا با سوزاندن کک در حضور اکسیژن، سنگ آهن را به آهن مذاب تبدیل می‌کند.
آیا فولاد ماده‌ای پایدار (سازگار با محیط زیست) است؟
بله، فولاد ماده‌ای بسیار قابل بازیافت است و صنعت فولاد تلاش‌های زیادی برای کاهش اثرات زیست‌محیطی خود انجام داده است. بازیافت فولاد به صرفه‌جویی در انرژی و منابع کمک کرده و آن را به ماده‌ای پایدار تبدیل کرده است.
چگونه فولاد به شکل‌های مختلف قالب‌ریزی می‌شود؟
فولاد می‌تواند از طریق فرآیندهایی مانند ریخته‌گری مداوم (continuous casting) یا ریخته‌گری قالبی (ingot casting) به شکل‌های مختلف تبدیل شود.