تاریخچه تولید فولاد از اولین زمان پیدایش تا به امروز

امروزه فولاد یکی از مهمترین و پرکاربردترین فلزات تولیدشده از آهن در جهان است. با استفاده از فولاد انواع مقاطع آهنی، لوازم خانگی، ماشین آلات، سازه های کوچک و بزرگ، انواع ابزار و دیگر محصولات کاربردی ساخته می شود.

تاریخچۀ تولید فولاد به 4000 سال قبل از آغاز عصرآهن برمی گردد. قدیمیترین نمونه های اولیه مربوط به استفاده از فولاد حدوداً 1800 سال قبل از میلاد ثبت شده و دقیقا از آن زمان با پشت سرگذاشتن عصرهای گوناگون از امپراطوری روم، اسپارتها، سلسله های چین به کاربردهای امروزی رسیده است.

اولین نشانه های تولید فولاد را میتوان به آهنگران قرن سیزدهم ربط داد؛ آهنگرانی که برای اولین بار دریافتند، با کم کردن درصد کربن در آهن، این ماده مقاومتر و با دوامتر می شود.

صنعتگران در هند باستان، از فولاد برای ساخت تیغه، نیزه و شمشیر استفاده میکردند. چون در این نوع فولاد از مادهای به نام ووتز استفاده شده به آن فولاد ووتز یا (wootz steel) هم گفته می شود. در گذشته از فولاد ووتز به دلیل تیز و مقاوم بودن در ساخت انواع سلاح استفاده میشد. به این فولاد، فولاد دمشق هم گفته می شود.

چین به عنوان تولیدکننده انبوه فولاد شناخته شده است. به احتمال زیاد در این بازۀ زمانی در کشور چین، از تکنیکهایی مشابه فرایند بسمر (در ادامه راجعبه ین فرایند بیشتر صحبت خواهیم کرد) که در قرن نوزدهم در اروپا رواج یافت، استفاده می کردند. نمونههای تولید فلز فولاد با کیفیت در چین را میتوان به قرن دوم قبل از میلاد ربط داد؛ اما تولید انبوه آن در قرن سوم پس از میلاد آغاز شد.

ستون آهنی دهلی (Iron Pillar of Delhi)
در سال 402 میلادی در هند ساخته شد. این ستون بهدلیل مقاومت در برابر زنگزدگی مشهور است و تا به امروز پابرجاست. برای محافظت این ستون در برابر خوردگی و رطوبت، لایهای از جنس فسفر روی ستون فولادی کشیده شده است. تصویر این ستون را در زیر ببینید:

استفاده از فولاد دمشق (Damascus steel) در قرن یازدهم در خاورمیانه توسعه یافت و بیشتر برای ساخت تیغه های شمشیر استفاده می شد. تیغه های دمشقی در خاور نزدیک از شمش های فولاد ووتز که از هند و سریلانکا وارد میشد، تولید میشدند. محصولات تولید شده به دلیل تواناییشان در تراشیدن لبه های بسیار تیز و مقاومت در برابر شکستن، مشهور بودند.

در قرونوسطا در آسیای جنوبی نوعی فولاد به نام فولاد بوتهای کشف شد. این نوع فولاد نسبت به فولاد امروزی شکنندهتر بود؛ اما در برخی کاربریها مانند ساخت ابزارآلات استفاده میشد. تا قرن دوازدهم، سریلانکا بزرگترین تأمین کننده فولاد بوتهای در جهان بود.

در قرن هفدهم خواص آهن برای همه روشن بود، اما افزایش روز افزون شهرنشینی در اروپا، نیازمندی به فلز را بیش از پیش کرد و در قرن نوزدهم، متالوژیستها برای تامین آهن مورد نیاز برای گسترش راهآهن شروع به چارهاندیشی کردند. باید مشکل شکنندگی آهن و فرایندهای تولیدی ناکارآمد حل میشد.

در قرن هفدهم خواص آهن برای همه روشن بود، اما افزایش روز افزون شهرنشینی در اروپا، نیازمندی به فلز را بیش از پیش کرد و در قرن نوزدهم، متالوژیستها برای تامین آهن مورد نیاز برای گسترش راهآهن شروع به چارهاندیشی کردند. باید مشکل شکنندگی آهن و فرایندهای تولیدی ناکارآمد حل میشد.

کک برای اولین بار در ذوب سنگ آهن در حجم زیاد استفاده شد و بعد از آن جایگزین چوب و زغال چوب شد. میتوان گفت این رخداد شروع تازهای برای تولید فلز فولاد بود.
یکی از قدیمیترین انواع فولاد، فولاد ضدزنگ است که تولید آن در قرن 17 میلادی، در آلمان و انگلیس آغاز شد. به کمک این نوع فولاد با افزایش میزان کربن در آهن، چدن مذاب با استفاده از فرایندی به نام سمنتاسیون (هیدرومتالوژی) تولید می شود.

در این فرآیند، میله های آهنی با زغال چوب پودری در جعبه های سنگی و گرم پوشیده شده اند. پس از حدود یک هفته، آهن، کربن را در زغال چوب جذب میکند.
گرمایش مجدد، کربن را بهطور یکنواخت توزیع میکند و در نهایت پس از خنک شدن، فولاد ضدزنگ به دست می آید.
کربن بیشتر، باعث تولید فولاد ضدزنگ و کارآمدتر می شود. فولاد به دست آمده از آهن چدن مناسبتر است و قابلیت نوردکاری و فشرده سازی دارد.

سال 1712

توماس نیوکامن (Thomas Newcomen) اولین موتور بخار تجاری موفق را ساخت. و فولاد راه صنعت را به سوی انقلاب صنعتی هدایت کرد.

سال 1740

تکنیک فولاد بوتهای که در بالا به اولین استفاده از آن اشاره کردیم، توسط مخترع انگلیسی به نام بنجامین هانتسمن (Benjamin Huntsman) توسعه یافت. تولید فولاد ضدزنگ در دهۀ 1740 گسترش یافت؛ زمانی که بنجامین هانتسمن، ساعتساز انگلیسی در حال تلاش برای تولید فولاد با کیفیت برای فنرهای ساعت خود بود، متوجه شد که فلز ممکن است در بوتههای رسی ذوب شود و با یک شار ویژه برای حذف خاکستری که روند سمنتاسیون را پشت سر گذاشته شده، تصفیه شود.

همین امر موجب شد تا فولاد مایع یا عملیات ریختهگری بهوجود آید. اما با توجه به اینکه هزینه های تولید بسیار زیاد بود، هر دو فولاد ضدزنگ و فولاد ریخته گری فقط در پروژه های تخصصی استفاده میشد.

سال 1779

قدرت در کارخانه های فولاد جریان یافت، به این معنی که آنها دیگر نیازی به استفاده از آب نبود و با روشهای دیگری به نورد فولاد مشغول شدند. با نگاه به تاریخچه تولید فولاد و بررسی مراحل مختلف، میتوان فهمید که با استفاده از روشهای جدید پروسه تولید فولاد، کارآمدتر از قبل میشد.

سال 1783

هنری کورت (Henry Cort) شخصی که اهل انگلیس بود، غلتک فولادی را برای تولید فلزات اختراع کرد. پس از آن، آهنگران دریافتند که چطور میتوان چدن خام را با استفاده از کورههای پودلینگ (که توسط هنری کورت در سال 1784 توسعه داده شد) به یک آهن کار شدۀ کم کربن تبدیل کنند.
کوره گرم ذوب آهن که با استفاده از ابزارهای بلند و درشت، اجازه میدهند اکسیژن با کربن ترکیب شود سپس به آرامی آن را حذف میکنند.
زمانی که کربن موجود در آهن کاهش مییابد، نقطه ذوب آن افزایش پیدا میکند، بهطوری که تودههای آهن در کوره انباشته میشوند، این تودهها قبل از این که به ورق یا ریل نورد شده تبدیل شوند با چکش آهنگری روی آنها کار میشود.

سال 1794

فیلیپ وان (Phillip Vaughn)، مخترع ولزی، طرح بلبرینگ را برای پشتیبانی از محور کالسکه به ثبت رساند.
قرن هجدهم
در قرن هجدهم، فولاد بهعنوان یک ماده بسیار ارزشمند با کاربردهای فراوان شناخته شد. با این حال، تولید آن بسیار گران بود و در کاربردهای خاص مانند تولید زره، ابزار و سلاح تولید میشد.
سال 1813 مهندس انگلیسی هنری بسمر (Henry Bessemer) در 19 ژانویه 1813 متولد شد. اجازه دهید بعداً به این موضوع بپردازیم.

سال 1830

کم کم ماشین آلات فولادی در صنعت کشاورزی به کار گرفته شد.

سال 1855

فرآیند بسمر معرفی شد. فرآیند بسمر اولین فرآیند صنعتی ارزان قیمت برای تولید انبوه فولاد از آهن مذاب قبل از توسعه تولید آن به روش کوره باز بود. در این روش ناخالصیها از آهن از طریق اکسیداسیون حذف میشد. هر چه ناخالصی کمتر باشد، فولاد قوی تر است.

آشنایی بیشتر با فرایند بسمر و اتفاقات بعد از آن در مسیر تولید فلز فولاد

در سال 1860 بیش از 3000 کوره پودلینگ در بریتانیا ساخته شده بود؛ اما این روند بهدلیل کمبود نیروی کار و کاهش شدت سوخت به تعویق افتاد. در نتیجه، چدن ساخته شده در کورههای پودلینگ، بهعنوان فلز اصلی در صنعت انگلستان در طول قرن نوزدهم باقی ماند.

چدن فلز محکمی است؛ اما به دلیل وجود کربن در آن، شکننده و ترد است و برای نورد و شکل دادن فلز

مناسبی نیست. زمانی که متالوژیستها متوجه شدند محتوای کربن زیاد در آهن آن را شکننده میکند، روشهای جدیدی برای کاهش میزان کربن و افزایش کارآیی آن آزمایش کردند.