التطور ل صلب يمكن إرجاعها إلى 4000 عام حتى بداية العصر الحديدي. يثبت أنه أصلب وأقوى من البرونز ، والذي كان سابقًا أكثر المعادن استخدامًا ، حديد بدأت تحل محل البرونز في الأسلحة والأدوات.
ومع ذلك ، خلال آلاف السنين التالية ، ستعتمد جودة الحديد المنتج على الخام المتاح بقدر اعتماده على طرق الإنتاج.
بحلول القرن السابع عشر ، كانت خصائص الحديد مفهومة جيدًا ، لكن التوسع الحضري المتزايد في أوروبا تطلب معدنًا هيكليًا أكثر تنوعًا. وبحلول القرن التاسع عشر ، تم توفير كمية الحديد المستهلكة عن طريق توسيع خطوط السكك الحديدية علماء المعادن مع الحافز المالي لإيجاد حل لهشاشة الحديد وعمليات الإنتاج غير الفعالة.
مما لا شك فيه ، على الرغم من ذلك ، جاء أكبر تقدم في تاريخ الصلب في عام 1856 عندما تطور هنري بيسمر طريقة فعالة لاستخدام الأكسجين لتقليل محتوى الكربون في الحديد: كانت صناعة الصلب الحديثة مولود.
عصر الحديد
في درجات حرارة عالية جدًا ، يبدأ الحديد في امتصاص الكربون ، مما يقلل من درجة انصهار المعدن ، مما ينتج عنه الحديد الزهر (2.5 إلى 4.5٪ كربون). أدى تطوير أفران الصهر ، التي استخدمها الصينيون لأول مرة في القرن السادس قبل الميلاد ، ولكن تم استخدامها على نطاق واسع في أوروبا خلال العصور الوسطى ، إلى زيادة إنتاج الحديد الزهر.
الحديد الزهر هو حديد منصهر ينفد من أفران الصهر ويتم تبريده في القناة الرئيسية والقوالب المجاورة. تشبه السبائك الكبيرة والمركزية والمجاورة الخنازير الصغيرة والخنازير الرضيعة.
الحديد الزهر قوي ولكنه يعاني من هشاشة بسبب محتواه من الكربون ، مما يجعله أقل من مثالي للعمل والتشكيل. كما أدرك علماء المعادن أن المحتوى العالي من الكربون في الحديد كان محوريًا لمشكلة هشاشة ، جربوا طرقًا جديدة لتقليل محتوى الكربون لجعل الحديد أكثر عملي.
بحلول أواخر القرن الثامن عشر ، تعلم صانعو الحديد كيفية تحويل الحديد الزهر إلى الحديد المطاوع منخفض الكربون باستخدام أفران البرك (التي طورها هنري كورت عام 1784). قامت الأفران بتسخين الحديد المصهور ، والذي كان يجب تحريكه بواسطة البرك باستخدام أدوات طويلة على شكل مجداف ، مما يسمح للأكسجين بالاندماج مع الكربون وإزالته ببطء.
مع انخفاض محتوى الكربون ، تزداد نقطة انصهار الحديد ، وبالتالي تتكتل كتل الحديد في الفرن. سيتم إزالة هذه الكتل والعمل بمطرقة حدادة بواسطة البركة قبل أن يتم دحرجتها إلى ألواح أو قضبان. بحلول عام 1860 ، كان هناك أكثر من 3000 فرن للتلوين في بريطانيا ، لكن العملية ظلت تعوقها كثافة العمل والوقود.
بدأ إنتاج الفولاذ المنفّط ، أحد أقدم أشكال الفولاذ ، في ألمانيا وإنجلترا في السابع عشر قرن وتم إنتاجه عن طريق زيادة محتوى الكربون في الحديد الزهر المصهور باستخدام عملية تعرف باسم تدعيم. في هذه العملية ، يتم وضع طبقات من الحديد المطاوع مع مسحوق الفحم في صناديق حجرية وتسخينها.
بعد حوالي أسبوع ، يمتص الحديد الكربون الموجود في الفحم. سيؤدي التسخين المتكرر إلى توزيع الكربون بشكل متساوٍ والنتيجة ، بعد التبريد ، كانت الفولاذ المنفّط. جعل المحتوى العالي من الكربون الفولاذ المنفّط أكثر قابلية للتطبيق من الحديد الخام ، مما يسمح بضغطه أو لفه.
تقدم إنتاج الفولاذ الفقاعي في أربعينيات القرن الثامن عشر عندما كان صانع الساعات الإنجليزي بنيامين هانتسمان أثناء محاولته تطوير فولاذ عالي الجودة لساعته الينابيع ، التي وجدت أنه يمكن صهر المعدن في بوتقة من الطين وتنقيته بتدفق خاص لإزالة الخبث الذي تركته عملية التثبيت خلف. وكانت النتيجة بوتقة أو فولاذ مصبوب. ولكن نظرًا لتكلفة الإنتاج ، لم يتم استخدام كل من الفولاذ المصبوب والبلاستر إلا في التطبيقات المتخصصة.
نتيجة لذلك ، ظل الحديد الزهر المصنوع في أفران البرك المعدن الهيكلي الأساسي في بريطانيا الصناعية خلال معظم القرن التاسع عشر.
عملية بيسمير وصناعة الحديد الحديثة
وضع نمو خطوط السكك الحديدية خلال القرن التاسع عشر في كل من أوروبا وأمريكا ضغوطًا هائلة على صناعة الحديد ، التي لا تزال تكافح مع عمليات الإنتاج غير الفعالة. كان الفولاذ لا يزال غير مثبت كمعدن هيكلي وكان إنتاج المنتج بطيئًا ومكلفًا. كان ذلك حتى عام 1856 عندما ابتكر هنري بسمر طريقة أكثر فاعلية لإدخال الأكسجين إلى الحديد المصهور لتقليل محتوى الكربون.
المعروف الآن باسم عملية بسمر ، صمم بيسمر وعاء على شكل كمثرى ، يشار إليه باسم "محول" يمكن فيه تسخين الحديد بينما يمكن نفخ الأكسجين عبر المعدن المنصهر. عندما يمر الأكسجين عبر المعدن المنصهر ، فإنه يتفاعل مع الكربون ، ويطلق ثاني أكسيد الكربون وينتج المزيد من الحديد النقي.
كانت العملية سريعة وغير مكلفة ، وإزالة الكربون و السيليكون من الحديد في غضون دقائق لكنه عانى من النجاح الشديد. تمت إزالة الكثير من الكربون ، وبقي الكثير من الأكسجين في المنتج النهائي. اضطر بيسمر في النهاية إلى سداد مستثمريه حتى يتمكن من إيجاد طريقة لزيادة محتوى الكربون وإزالة الأكسجين غير المرغوب فيه.
في نفس الوقت تقريبًا ، استحوذ عالم المعادن البريطاني روبرت موشيه على مركب من الحديد والكربون و المنغنيز، المعروفة باسم spiegeleisen. من المعروف أن المنغنيز يزيل الأكسجين من الحديد المنصهر ومحتوى الكربون في spiegeleisen ، إذا تمت إضافته بكميات مناسبة ، سيوفر الحل لمشاكل بيسمير. بدأ بسمر إضافته إلى عملية التحويل بنجاح كبير.
بقيت مشكلة واحدة. فشل بيسمر في إيجاد طريقة لإزالة الفوسفور ، وهو شوائب ضارة تجعل الفولاذ هشًا ، من منتجه النهائي. وبالتالي ، يمكن استخدام الخام الخالي من الفوسفور من السويد وويلز فقط.
في عام 1876 ، توصل ويلشمان سيدني جيلكريست توماس إلى الحل بإضافة تدفق أساسي كيميائي ، الحجر الجيري ، إلى عملية بسمر. سحب الحجر الجيري الفوسفور من الحديد الخام إلى الخبث ، مما يسمح بإزالة العنصر غير المرغوب فيه.
هذا الابتكار يعني ، أخيرًا ، أنه يمكن استخدام خام الحديد من أي مكان في العالم لصنع الفولاذ. ليس من المستغرب أن تبدأ تكاليف إنتاج الصلب في الانخفاض بشكل كبير. انخفضت أسعار السكك الحديدية الفولاذية بأكثر من 80٪ بين عامي 1867 و 1884 ، نتيجة لتقنيات إنتاج الصلب الجديدة ، مما أدى إلى نمو صناعة الصلب العالمية.
عملية الموقد المفتوحة
في ستينيات القرن التاسع عشر ، عزز المهندس الألماني كارل فيلهلم سيمنز إنتاج الفولاذ من خلال إنشائه لعملية الموقد المفتوح. أنتجت عملية الموقد المفتوح الفولاذ من الحديد الخام في الأفران الضحلة الكبيرة.
تعتمد العملية ، التي تستخدم درجات حرارة عالية لحرق الكربون الزائد والشوائب الأخرى ، على غرف حجرية ساخنة أسفل الموقد. استخدمت الأفران المتجددة فيما بعد غازات العادم من الفرن للحفاظ على درجات حرارة عالية في غرف الطوب أدناه.
سمحت هذه الطريقة بإنتاج كميات أكبر بكثير (يمكن إنتاج 50-100 طن متري في فرن واحد) بشكل دوري اختبار الفولاذ المصهور بحيث يمكن تصنيعه لتلبية مواصفات معينة واستخدام خردة الصلب كمادة خام مواد. على الرغم من أن العملية نفسها كانت أبطأ بكثير ، بحلول عام 1900 ، كانت عملية الموقد المفتوح قد حلت في المقام الأول محل عملية بيسمر.
ولادة صناعة الصلب
اعترف العديد من رجال الأعمال اليوم بالثورة في إنتاج الصلب التي وفرت مواد أرخص وأعلى جودة ، كفرصة استثمارية. استثمر الرأسماليون في أواخر القرن التاسع عشر ، بمن فيهم أندرو كارنيجي وتشارلز شواب ، وجنوا الملايين (المليارات في حالة كارنيجي) في صناعة الصلب. تأسست شركة الصلب الأمريكية في كارنيجي عام 1901 ، وكانت أول شركة تم إطلاقها على الإطلاق تقدر قيمتها بأكثر من مليار دولار.
فرن القوس الكهربائي ، صناعة الصلب
بعد نهاية القرن مباشرة ، حدث تطور آخر من شأنه أن يكون له تأثير قوي على تطور إنتاج الصلب. تم تصميم فرن القوس الكهربائي (EAF) من Paul Heroult لتمرير تيار كهربائي عبر مادة مشحونة ، مما يؤدي إلى أكسدة طاردة للحرارة ودرجات حرارة تصل إلى 3272°ف (1800°ج) ، أكثر من كافية لتسخين إنتاج الصلب.
تم استخدام أفران القوس الكهربائي في البداية في الفولاذ المتخصص ، ونما استخدامها ، وبحلول الحرب العالمية الثانية ، كانت تُستخدم لتصنيع سبائك الصلب. سمحت تكلفة الاستثمار المنخفضة التي ينطوي عليها إنشاء مصانع فرن القوس الكهربائي بالتنافس مع كبار المنتجين الأمريكيين مثل US Steel Corp. وبيت لحم للصلب ، وخاصة في الفولاذ الكربوني ، أو المنتجات الطويلة.
نظرًا لأن الفرن القوسي يمكن أن ينتج الفولاذ من الخردة بنسبة 100٪ ، أو من الحديد البارد ، والأعلاف ، فإن الأمر يتطلب طاقة أقل لكل وحدة إنتاج. على عكس مواقد الأكسجين الأساسية ، يمكن أيضًا إيقاف العمليات والبدء بتكلفة قليلة. لهذه الأسباب ، يتزايد الإنتاج عبر أفران القوس الكهربائي بشكل مطرد لأكثر من 50 عامًا ويشكل الآن حوالي 33 ٪ من إنتاج الصلب العالمي.
صناعة الصلب الأكسجين
يتم الآن إنتاج غالبية إنتاج الصلب العالمي ، حوالي 66 ٪ ، في منشآت الأكسجين الأساسية - تطوير طريقة ل سمح فصل الأكسجين عن النيتروجين على نطاق صناعي في الستينيات بإحراز تقدم كبير في تطوير الأكسجين الأساسي أفران.
تقوم أفران الأكسجين الأساسية بنفخ الأكسجين إلى كميات كبيرة من الحديد المصهور وخردة الصلب ويمكن أن تكمل شحنة أسرع بكثير من طرق الموقد المفتوح. يمكن للسفن الكبيرة التي تحمل حتى 350 طنًا متريًا من الحديد إكمال التحويل إلى الفولاذ في أقل من ساعة واحدة.
جعلت الكفاءات من حيث التكلفة لصناعة الصلب الأكسجين المصانع المفتوحة غير قادرة على المنافسة ، وبعد ظهور صناعة الصلب الأكسجين في الستينيات ، بدأت عمليات المجمرة المفتوحة في الإغلاق. تم إغلاق آخر منشأة مواقد مفتوحة في الولايات المتحدة في عام 1992 والصين في عام 2001.