تاريخ قصير للصلب وعملية بسمر

تم تطوير أفران الصهر لأول مرة من قبل الصينيين في القرن السادس قبل الميلاد ، ولكن تم استخدامها على نطاق أوسع في أوروبا خلال العصور الوسطى وزيادة إنتاج الحديد الزهر. في درجات حرارة عالية جدًا ، يبدأ الحديد في امتصاص الكربون ، مما يقلل من درجة انصهار المعدن ، مما يؤدي إلى الصب حديد (2.5٪ إلى 4.5٪ كربون).

الحديد الزهر قوي ، لكنه يعاني من هشاشة بسبب محتواه من الكربون ، مما يجعله أقل من مثالي للعمل والتشكيل. كما علم علماء المعادن أن المحتوى العالي من الكربون في الحديد كان محوريا لمشكلة هشاشة ، جربوا طرقًا جديدة لتقليل محتوى الكربون لجعل الحديد أكثر عملي.

عصري صناعة الصلب تطورت من هذه الأيام الأولى لصنع الحديد والتطورات اللاحقة في التكنولوجيا.

بحلول أواخر القرن الثامن عشر ، تعلم صانعو الحديد كيفية تحويل الحديد الزهر إلى حديد مشغول منخفض الكربون باستخدام أفران البودنج ، التي طورها هنري كورت في عام 1784. الحديد الزهر هو الحديد المنصهر الذي ينفد من أفران الصهر ويبرد في القناة الرئيسية والعفن المجاورة. حصلت على اسمها لأن السبائك الصغيرة والكبيرة والمجاورة تشبه الخنازير الصغيرة الماصة والمرضعة.

لصنع الحديد المطاوع ، قامت الأفران بتسخين الحديد المنصهر الذي كان يجب تحريكه من قبل عمال البودرة باستخدام أدوات طويلة على شكل مجذاف ، 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 مع مطرقة مطرقة من قبل عامل الدرفلة قبل أن يتم لفها في صفائح أو قضبان. بحلول عام 1860 ، كان هناك أكثر من 3000 من أفران البرك في بريطانيا ، لكن العملية ظلت تعوقها كثافة اليد العاملة والوقود.

البثرة الفولاذية - أحد أقدم أشكال البثور صلب- بدأ الإنتاج في ألمانيا وإنجلترا في القرن السابع عشر وتم إنتاجه عن طريق زيادة محتوى الكربون في الحديد المصهور المنصهر باستخدام عملية تعرف باسم الأسمنت. في هذه العملية ، تم وضع قضبان من الحديد المطاوع مع مسحوق الفحم في صناديق حجرية وتم تسخينها.

بعد حوالي أسبوع ، تمتص الحديد الكربون في الفحم. يؤدي التسخين المتكرر إلى توزيع الكربون بشكل متساو ، والنتيجة ، بعد التبريد ، هي الفولاذ البثور. جعل المحتوى العالي من الكربون الصلب الحامض أكثر قابلية للتطبيق من الحديد الخام ، مما يسمح بالضغط عليه أو لفه.

تقدم إنتاج الصلب الفقاعي في أربعينيات القرن التاسع عشر عندما وجد صانع الساعات الإنجليزي بنجامين هانتسمان أن المعدن يمكن أن يكون يتم صهرها في بوتقات الطين وصقلها بتدفق خاص لإزالة الخبث الذي خلفته عملية الإسمنت. كان هانتسمان يحاول تطوير فولاذ عالي الجودة للينابيع ساعته. كانت النتيجة بوتقة - أو فولاذ - مصبوب. نظرًا لتكلفة الإنتاج ، لم يتم استخدام كل من البثرة والفولاذ المصبوب إلا في التطبيقات المتخصصة.

ونتيجة لذلك ، ظل الحديد الزهر المصنوع في أفران البودرة هو المعدن الإنشائي الأساسي في تصنيع بريطانيا خلال معظم القرن التاسع عشر.

وضع نمو السكك الحديدية خلال القرن التاسع عشر في كل من أوروبا وأمريكا ضغوطًا كبيرة على صناعة الحديد ، التي لا تزال تعاني من عمليات الإنتاج غير الفعالة. كان الفولاذ لا يزال غير مثبت حيث أن المعدن الإنشائي كان الإنتاج بطيئًا ومكلفًا. كان ذلك حتى عام 1856 عندما توصل هنري بسمر إلى طريقة أكثر فعالية لإدخال الأكسجين إلى الحديد المصهور لتقليل محتوى الكربون.

تعرف الآن باسم عملية بسمر ، صمم بسمر وعاءًا على شكل كمثرى - يُشار إليه بالمحول - حيث يمكن تسخين الحديد بينما يمكن نفخ الأكسجين من خلال المعدن المنصهر. عندما يمر الأكسجين عبر المعدن المنصهر ، فإنه يتفاعل مع الكربون ، مما يؤدي إلى إطلاق ثاني أكسيد الكربون وإنتاج حديد أكثر نقاء.

كانت العملية سريعة وغير مكلفة ، حيث أزيلت الكربون والسيليكون من الحديد في غضون دقائق ، لكنها عانت من النجاح المفرط. تمت إزالة الكثير من الكربون وبقي الكثير من الأكسجين في المنتج النهائي. اضطر Bessemer في نهاية المطاف إلى سداد مستثمريه حتى يتمكن من إيجاد طريقة لزيادة محتوى الكربون وإزالة الأكسجين غير المرغوب فيه.

في نفس الوقت تقريبا ، حصل عالم المعادن البريطاني روبرت مشيت على مركب من الحديد والكربون وبدأ في اختباره المنغنيز- تعرف باسم spiegeleisen. من المعروف أن المنغنيز يزيل الأكسجين من الحديد المصهور ، ومحتوى الكربون في spiegeleisen ، إذا تم إضافته بالكميات الصحيحة ، سيوفر الحل لمشاكل Bessemer. بدأ بيسمر في إضافته إلى عملية التحويل بنجاح كبير.

بقيت مشكلة واحدة. فشل بسمر في إيجاد طريقة لإزالة الفوسفور - شوائب ضارة تجعل الفولاذ هشًا - من منتجه النهائي. وبالتالي ، لا يمكن استخدام سوى الخامات الخالية من الفوسفور من السويد وويلز.

في عام 1876 توصل Welshman Sidney Gilchrist Thomas إلى حل بإضافة تدفق أساسي كيميائيًا - من الحجر الجيري - إلى عملية Bessemer. سحب الحجر الجيري الفوسفور من الحديد الخام إلى الخبث ، مما سمح بإزالة العنصر غير المرغوب فيه.

يعني هذا الابتكار أن خام الحديد من أي مكان في العالم يمكن استخدامه أخيرًا في صناعة الفولاذ. ليس من المستغرب أن تكاليف إنتاج الصلب بدأت في الانخفاض بشكل كبير. انخفضت أسعار السكك الحديدية الفولاذية بأكثر من 80 في المائة بين عامي 1867 و 1884 ، مما أدى إلى نمو صناعة الصلب العالمية.

في ستينيات القرن التاسع عشر ، عزز المهندس الألماني كارل فيلهلم سيمنس إنتاج الفولاذ بشكل أكبر من خلال إنشائه لعملية الموقد المفتوح. أنتج هذا الفولاذ من الحديد الخام في أفران ضحلة كبيرة.

باستخدام درجات حرارة عالية لحرق الكربون الزائد والشوائب الأخرى ، اعتمدت العملية على غرف من الطوب ساخنة أسفل الموقد. استخدمت الأفران المتجددة في وقت لاحق غازات العادم من الفرن للحفاظ على درجات حرارة عالية في غرف الطوب أدناه.

سمحت هذه الطريقة بإنتاج كميات أكبر بكثير (50-100 طن متري في فرن واحد) ، الاختبار الدوري من الفولاذ المصهور بحيث يمكن تصنيعه لتلبية مواصفات معينة ، واستخدام الفولاذ الخردة كخام مواد. على الرغم من أن العملية نفسها كانت أبطأ بكثير ، بحلول عام 1900 كانت عملية الموقد المفتوح قد حلت محل عملية بسمر إلى حد كبير.

اعترف العديد من رجال الأعمال اليوم بالثورة في إنتاج الصلب التي وفرت مواد أرخص وأعلى جودة كفرصة استثمارية. الرأسماليون في أواخر القرن التاسع عشر ، بما في ذلك أندرو كارنيجي و تشارلز شواباستثمرت وجنت الملايين (المليارات في حالة كارنيجي) في صناعة الصلب. تأسست شركة كارنيجي الأمريكية للصلب في عام 1901 ، وكانت أول شركة تقدر قيمتها بأكثر من مليار دولار.

بعد مطلع القرن مباشرة ، تم تصميم فرن القوس الكهربائي بول هيرولت (EAF) لتمرير تيار كهربائي من خلال المواد المشحونة ، مما يؤدي إلى أكسدة طاردة للحرارة ودرجات حرارة تصل إلى 3272 درجة فهرنهايت (1800 درجة مئوية) ، أكثر من كافية لتسخين الفولاذ إنتاج.

في البداية ، تم استخدام EAFs في الفولاذ والفولاذ المتخصص ، واستخدمت خلال الحرب العالمية الثانية لتصنيع سبائك الصلب. سمحت تكلفة الاستثمار المنخفضة التي ينطوي عليها إنشاء مصانع EAF بالتنافس مع المنتجين الأمريكيين الرئيسيين مثل US Steel Corp. وبيت لحم للصلب ، وخاصة في الفولاذ الكربوني أو المنتجات الطويلة.

ونظرًا لأن EAFs يمكنها إنتاج فولاذ من خردة بنسبة 100 بالمائة - أو تغذية حديدية باردة - ، فإن هناك حاجة إلى طاقة أقل لكل وحدة إنتاج. على عكس مداخن الأكسجين الأساسية ، يمكن أيضًا إيقاف العمليات وبدءها بتكلفة قليلة مرتبطة بها. لهذه الأسباب ، ظل الإنتاج عبر EAFs يزداد باطراد منذ أكثر من 50 عامًا وشكل حوالي 33 بالمائة من إنتاج الصلب العالمي ، اعتبارًا من عام 2017.

يتم إنتاج معظم إنتاج الصلب العالمي - حوالي 66 بالمائة - في منشآت الأكسجين الأساسية. سمح تطوير طريقة لفصل الأكسجين عن النيتروجين على نطاق صناعي في الستينيات بإحداث تقدم كبير في تطوير أفران الأكسجين الأساسية.

تنفخ أفران الأكسجين الأساسية الأكسجين بكميات كبيرة من الحديد المنصهر والخردة الفولاذية ويمكن أن تكمل الشحنة بسرعة أكبر بكثير من طرق الموقد المفتوح. يمكن للسفن الكبيرة التي تحمل ما يصل إلى 350 طنًا متريًا من الحديد إكمال التحويل إلى الفولاذ في أقل من ساعة واحدة.

جعلت كفاءة التكلفة لصناعة الصلب الأكسجين مصانع الموقد المفتوح غير قادرة على المنافسة ، وبعد ظهور صناعة الأكسجين الصلب في الستينيات ، بدأت عمليات الموقد المفتوح تغلق. أغلق آخر مرفق مفتوح في الولايات المتحدة في عام 1992 وفي الصين ، أغلق آخر مرفق في عام 2001.

_مصادر:

_{Spoerl ، جوزيف س. تاريخ موجز لإنتاج الحديد والصلب. كلية سانت أنسيلم.}

_{متاح: http://www.anselm.edu/homepage/dbanach/h-carnegie-steel.htm}

_{جمعية الصلب العالمية. موقع الكتروني: www.steeluniversity.org}

_{شارع آرثر. & ألكسندر ، دبليو. سين. 1944. المعادن في خدمة الإنسان. الطبعة ال 11 (1998).}