تاریخ فولاد: چرا فولاد به محبوب‌ترین فلز دوران‌ها بدل شد؟
عناصر بسیار کمی وجود دارند که تأثیری مشابه با فولاد را بر زندگی انسان گذاشته باشند. فولاد شیوه‌های ساخت‌وساز، جنگ، سفر و تقریباً هر آنچه به‌عنوان ابزاری توسط انسان استفاده می‌شود را شکل داده است. این تأثیرات به حدی است که انسان نمی‌تواند دنیای اطراف خود را بدون فولاد حتی تصور کند.
تاریخ استفاده از فولاد به دوران پیدایش آهن، اصلی‌ترین عنصر در ساخت آن، برمی‌گردد. درواقع، این یکی از دلایل اصلی در اشتباه گرفتن آهن و فولاد و استفاده از نام یکی برای خطاب قرار دادن دیگری است. اما فولاد چرا به محبوب‌ترین عنصر مورداستفاده زمین تبدیل شد؛ چه ویژگی‌هایی از فولاد در فلزات و آلیاژهای دیگر نیست تا بتوانند جایگزین فولاد شوند.
در ادامه، ابتدا به رفع سوء‌تفاهم موجود بین فولاد و آهن می‌پردازیم. سپس از عصر حیاتی آهن می‌گوییم و تاریخچه‌ای مختصر از فولاد ارائه می‌شود. درنهایت، ویژگی‌های اصلی را بیان می‌کنیم که محبوبیت فولاد را نتیجه داده‌اند.
فولاد چیست و چه تفاوتی با آهن دارد؟
آهن یک فلز براق و انعطاف‌پذیر با عدد اتمی 26 است که در سنگ‌آهن با خلوص‌های مختلف یافت می‌شود. آهن همچنین، یک فلز فرومغناطیس است، یعنی خواص آهنربایی دارد. به‌عنوان یک ماده معدنی اساسی، آهن نقشی کلیدی در ساخت گلبول‌های قرمز خون دارد.
از طرفی، فولاد یک ماده معدنی نیست، یعنی نمی‌توان هیچ حجمی از آن را به‌صورت طبیعی استخراج کرد. ترکیب فلز آهن با 0.083 تا 2 درصد کربن است که فولاد را حاصل می‌کند. بنابراین، فولاد یک فلز خالص نیست بلکه آلیاژی از فلز آهن است.
درنتیجه، تفاوت اصلی بین آهن و فولاد طبقه‌بندی آن‌ها ازنظر فلز بودن است. آهن بسیار نرم‌تر از فولاد است و استفاده از عناصری چون نیکل و منگنز در ساخت فولاد، باعث مقاومت بسیار بالاتر آن در مقابل گرما می‌شود.
عصر آهن
قدیمی‌ترین مصنوعات آهنی شناخته‌شده 9 مهره کوچک مربوط به 3200 سال قبل از میلاد هستند که در مناطقی از مصر پیدا شده‌اند. این نوع از آهن، بقایای شهاب‌سنگ‌هایی بوده‌اند که در طول سالیان به زمین برخورد کرده‌اند. فلز حاصل یک آلیاژ مشخص از ترکیب آهن و نیکل است. به‌ویژه، این نوع از آهن به‌صورت طبیعی وجود داشته و هیچ نوع عمل ذوب کردنی در تولید آن دخالت نداشته است.
تولید آهن در حجم‌های قابل‌توجه و با ذوب سنگ‌آهن در حدود 2000 سال قبل از میلاد شروع شد و آنچه عصر آهن خوانده می‌شود، 1200 تا 600 سال قبل از میلاد بود (بسته به مناطق مختلف و دسترسی آن‌ها به صنعت تولید آهن). در این دوران، شکوفایی آهن و فولاد بعد از عصر سنگ و عصر برنز رخ داد و انقلابی در ساخت‌وساز را حاصل کرد.
اصلی‌ترین دلیل برای این تأخیر زمانی بین عصر سنگی و پیشگام شدن برنز به‌جای آهن، نیاز به دمای بالاتر در ذوب سنگ‌آهن بود. بااین‌حال، کمبود منابع مس و قلع نیاز به جستجوی فلزات با منابع وسیع‌تر و کاربردهای بیشتر را به سمت آهن و آلیاژهای آن سوق داد.
ظهور فولاد
کربن موجود در آهن‌های اولیه در حدود 0.07 تا 0.08 درصد بود که مقدار حداکثری به انواع فولاد امروزی شباهت‌هایی داشت. هنگامی‌که محتوای کربن بیشتر از 0.3 درصد باشد، انتقال ماده مذاب مرکب (از دمای 850 تا 900 درجه سانتی‌گراد) به آب، آلیاژی سخت و شکننده را نتیجه می‌دهد. شکنندگی فولاد حاصل را می‌توان با گرم کردن دوباره آن در محدوده 350 تا 500 درجه سانتی‌گراد، در فرایندی به نام معتدل کردن، کاهش داد.
این نوع از فرایندهای حرارتی در 900 سال قبل از میلاد برای مصریان شناخته‌شده بود. آن‌ها از این شیوه برای ساخت شمشیر و چاقو استفاده می‌کردند. بعدها، چینی‌ها سطح کربن را افزایش دادند و به سمت تولید چدن پرکربن رفتند. شواهد نشان می‌دهد که در سال‌های 206 قبل از میلاد تا 25 بعد از میلاد (دوران امپراتوری سلسله هان)، چینی‌ها رده نزدیکی از آلیاژ مشابه با فولاد امروزی را تولید می‌کردند.
رومی‌ها بیشتر از اینکه ابداع‌کننده باشند، فرایندها را سازمان‌دهی می‌کردند. در ساخت فولاد نیز آن‌ها نقشی مشابه را در توزیع فرایند ساخت آهن و آلیاژهای آن در اروپا داشتند. در قرن پانزدهم میلادی بود که با استفاده از فعالیت‌هایی چون دمیدن اکسیژن به آهن مذاب و کاهش کربن موجود در آن، صنعت به سمت تولید فولاد حرکت کرد.
فولاد آبله‌گون
آهن فرفورژه (آهن میله‌ای نیز خوانده می‌شود) ماده خامی است که برای تولید نوع اولیه‌ای از فولاد به نام فولاد آبله‌گون یا تاول زن استفاده می‌شد. فولاد آبله‌گون خود ماده اولیه در تولید نوع دیگری از فولاد تحت عنوان فولاد بوته‌ای بود که در کشور انگلیس و برای ساخت ابزارهای صنعتی باب شد.
برای تولید فولاد از آهن خام، باید به آن کربن تزریق شود. در آن دوران، شمش‌های آهن را با زغال چوب در ظروف سفالی بزرگ قرار می‌دادند؛ سپس این ترکیب را در کوره‌های بزرگی با گنجایش 10 تا 14 تن قرار می‌دادند. با افزایش دمای کوره، کربن حاصل از سوختن زغال در آهن پخش می‌شد.
برای ایجاد یکنواختی در فولاد نهایی، این فرایند بارها تکرار می‌شد. در طول فرایند گرم کردن مجدد، گاز مونوکسیدکربن داخل کوره ایجاد می‌شود و با تجمع بر روی سطح فولاد، اشکال تاول مانندی را روی آن آلیاژ نهایی به وجود می‌آورد و به همین دلیل آن را فولاد تاول‌زده یا آبله‌گون می‌خواندند.
این پتنت اولیه در ساخت فولاد در سراسر اروپا گسترش یافت. کشورهایی چون سوئد به مراکز تولید فولاد آبله‌گون و تولید ابزارهای جنگی از آن تبدیل شدند.
ورود زغال‌سنگ و انقلاب صنعتی 1
در اوایل قرن 18، کک تولیدشده از زغال‌سنگ جایگزین زغال چوب به‌عنوان سوخت کوره‌های بلند تولید فولاد شد. ازآنجاکه زغال‌سنگ به مقادیر بیشتری یافت و گرمای بهتر و فولاد مرغوب‌تری از آن نتیجه می‌شد، تولید فولاد افزایش یافت و قیمت آن نیز کاهش پیدا کرد.
با کاهش قیمت، استفاده از فولاد در صنایع مختلف اوج گرفت. به‌ویژه، اولین انقلاب صنعتی تقاضا برای فولاد را به‌شدت افزایش داد. در بریتانیا تا سال 1860، 3400 کوره ساخته شد که درمجموع، سالانه 1.6 میلیون تن آهن خام تولید می‌کردند (نیمی از آهن فرفورژه تولیدی در جهان). از این مقدار، تنها 60 هزار تن به فولاد آبله‌گون تبدیل می‌شد و تولید جهانی آن حدود 95 هزار تن بود. تولید فولاد آبله‌گون در مقیاس‌های کوچک تا اوایل قرن بیستم ادامه داشت.
فولاد بوته‌ای
در سال 1751، صنعتگران انگلیسی با ذوب فولاد آبله‌گون در کوره‌های رسی، و استفاده از دمای 1500 تا 1600 درجه، فولادی باکیفیت‌تر تحت عنوان فولاد بوته‌ای تولید کردند. شفیلد انگلیس به مرکز تولید شمش‌های فولاد جدید تبدیل شد و تولید فولاد بوته‌ای آن در سال 1873 به عدد قابل‌توجه 110 هزار تن رسید.
فرایند تولید فولاد بوته‌ای آغازی بر تولید انواع مختلف از فولاد آلیاژی شد؛ این رویکرد تا اوایل قرن 20ام رواج داشت، تا زمانی که کوره‌های قوس الکتریکی وارد صنعت فولادسازی شدند. آخرین کوره‌های تولید فولاد بوته‌ای تا سال 1968 به فعالیت خود ادامه دادند.
فرایند بسمر
تولید حجم‌های بالا از فولاد در سال 1855 توسط هنری بسمر ممکن شد. بسمر از ظروف گلابی‌شکل بزرگی استفاده کرد که با گانیستر، یک ماده نسوز با ترکیب سیلیس، پوشانده شده بودند. در این ظرف‌های بزرگ، هوا از حفره‌های تعبیه‌شده در پایین به آهن در حال ذوب دمیده می‌شد تا فرایند اکسیدشدن ناخالصی‌هایی چون سیلیکون و منگنز انجام گیرد.
بسمر دریافته بود که اکسیداسیون حاصل از سیلیکون و کربن در آهن باعث آزاد شدن گرما می‌شود و اگر از ظرف‌های بزرگ استفاده گردد این گرما حفظ می‌شود. با استفاده از این روش و حفظ گرمای لازم، تنها 10 تا 20 دقیقه طول می‌کشد تا در حدود 5 تن آهن را به فولاد تبدیل کرد (در روش‌های قبلی به صدها برابر این زمان نیاز بود). استفاده از این روش و تعمیم‌های آن باعث شد تا تولید فولاد در سال 1900 به بیش از 50 میلیون تن برسد.
فرایند بسمر از دو جنبه بسیار حائز اهمیت بود. اول اینکه، این طراحی امکان تولید انبوه و به‌صرفه فولاد را ممکن ساخت. دوم، سرعت بالای آن بود که دوران جنگ بسیار اهمیت داشت. همچنین، فرایند بسمر الهام‌بخش بسیاری از روش‌های دیگر چون کوره بلند روباز بود.
کوره بلند روباز
چنانکه از نام آن پیداست، در این روش فولادسازی از کوره‌های بسیار بلندتر با دهانه‌ای برای خروج ناخالصی‌های اکسیدشده بهره گرفته می‌شد. در سال 1865 یک مهندس آلمانی به نام کارل ویلهلم زیمنس برای اولین بار ایده کوره بلند روباز را مطرح کرد.
برخلاف فرایند بسمر، کوره‌های روباز به زمان بیشتر از 20 دقیقه برای تولید فولاد نیاز دارند (حدود 12 تا 18 ساعت). با داشتن این زمان، اندازه‌گیری کربن موجود در مذاب در کیفیت‌های مختلف از مذاب ممکن می‌شود و انواع فولاد با درصدهای مختلف از کربن را می‌توان نتیجه گرفت. همچنین، فولاد حاصل از این روش شکنندگی فولاد بسمر را نداشت و بازیافت فولاد از باطله‌ها در این روش آسان‌تر بود. تا سال 1950، بیشتر از 90 درصد فولاد دنیا از این روش تولید می‌شد.
دمیدن اکسیژن به مذاب تعمیمی از روش بسمر بود که در سال 1949 در اتریش پیشنهاد شد. با استفاده از این روش، دمای مذاب به نقاط بالاتری می‌رسید و حفظ آن آسان‌تر بود. با کنترل سوخت و ترکیبات آن، امکان تولید فولاد مرغوب‌تر حاصل شد؛ بهتر از همه اینکه، در حدود 200 تن فولاد را می‌شد در کمتر از یک ساعت تولید کرد. از سال 1960 به بعد، این روش مذاب کردن با دمیدن اکسیژن، در بسیاری از کشورها جایگزین فرایندهای بسمر و کوره بلند روباز شد.
فولادسازی الکتریکی
با توسعه نیروگاه‌های تولید برق در اواخر قرن 19 و اوایل قرن بیستم، امکان استفاده از الکتریسیته به‌عنوان منبع انرژی در تولید فولاد فراهم‌شده بود. تا سال 1900، کوره‌های قوس الکتریکی کوچک باقابلیت ذوب حدود یک تن فولاد معرفی‌شده بودند.
در سال 1920 ظرفیت این کوره‌ها به 30 تن افزایش یافت. تا سال 1950 ظرفیت کوره‌های قوس الکتریکی به 50 تن رسید و توان الکتریکی برای انجام فرایند ذوب به 20 مگا ولت‌آمپر ارتقا یافته بود. یکی از اصلی‌ترین کاربردهای این کوره‌ها، تولید فولادهایی با آلیاژ پایین بود. در سال 1989 در حدود 770 میلیون تن فولاد تولید شد که 30 درصد آن از کوره‌های قوس الکتریکی حاصل‌شده بودند.
فولادسازی ثانویه
با افزایش نیاز به فولادهای مرغوب با ویژگی‌های مطلوب‌تر در سال‌های بعد از جنگ جهانی دوم، روش‌های متنوعی برای پالایش دوباره مذاب و کاهش ناخالصی‌های فولاد تجربه شدند. اولین توسعه‌ها در دهه 1950 تا 1960 صورت گرفتند که در آن‌ها گاز آرگون به مذاب اولیه داخل پاتیل دمیده می‌شد تا اکسید جامد به سطوح بالای مذاب بیاید و گازهای اضافی چون هیدروژن، اکسیژن و نیتروژن از مذاب جدا شوند.
آلیاژسازی
برای افزایش خواص مطلوبی چون استحکام، ساییدگی کمتر، مقاومت در برابر زنگ‌زدگی و خوردگی، عناصر آلیاژی به فولاد اضافه شدند. درواقع، افزایش روش‌های کنترلی، قدرت مدیریت مذاب و ناخالصی‌هایش به همراه توسعه روش‌های اندازه‌گیری خلوص، امکان تولید آلیاژهای جدید را در نیمه دوم قرن بیستم فراهم آوردند.
فولادهای ضدزنگ
افزایش آلیاژهای متنوع به مذاب آهن منجر به تولید فولادهایی با مقاومت بالاتر در برابر خوردگی شد. در سال 1914 ترکیبی از 0.4 درصد کربن و 13 درصد کروم، فولادی را نتیجه داد که به‌شدت در مقابل زنگ‌زدگی مقاومت داشت.
فولاد ضدزنگ آلیاژی از آهن، کروم و در برخی موارد نیکل و فلزات دیگر است. فولاد ضدزنگ را می‌توان بی‌نهایت بار بازیافت کرد؛ درواقع، نرخ بازیابی واقعی آن نزدیک به 100 درصد است. این آلیاژ در محیط خنثی و بی‌اثر است، طول عمر بالایی دارد و برای ساخت‌وساز بسیار مناسب است.
5 ویژگی اصلی فولاد که آن را به محبوب‌ترین عنصر در صنعت تبدیل کرده‌اند
با نگاهی به اطراف درمی‌یابیم که هیچ عنصر دیگری به‌اندازه فولاد در ایجاد تحول و انقلاب‌های مختلف تاریخ انسان تأثیرگذار نبوده است. چه مزایایی از فولاد آن را به یکی از پرکاربردترین اختراعات بشر تبدیل کرده‌اند؟
1- ماندگاری
به‌عنوان یک ماده مورداستفاده در سازه، فولاد مقاومت بالایی دارد و در مقایسه با سایر مصالح سازه‌ای عمر مفید بیشتری دارد. نسبت خوب استحکام به چگالی و استحکام کششی بالا، فولاد را به انتخاب اول در بین مواد ساختاری تبدیل کرده‌اند. همچنین، فولاد سازه‌ای در مقابل خوردگی بسیار مقاوم‌تر از هر نوع فلز به‌صرفه‌ای است که امکان استفاده در ساخت‌وساز را دارد.
2- سازگاری با انواع استفاده‌ها در ساخت‌وساز
خواص فولاد این امکان را به آن می‌دهد که طراحی سازه‌های فولادی در هر شکل و اندازه ممکن باشد. برخلاف سازه‌های بتنی، برای ساخت انواع سازه‌های فولادی به هفته‌ها وقت نیاز نیست. علاوه‌براین، فولاد سازه‌ای قابل اشتغال نیست و در آتش‌سوزی‌ها باعث تشدید خسارات نمی‌شود.
3- نوآوری در فولاد
تقریبا 200 سال پس از خلق آن، فولاد همچنان در حال بهبود است. پتنت‌های جدید و فرمول‌ها سفارشی، فولادهای متنوع‌تر با کاربردهای خاص را نتیجه می‌دهند. درواقع، کارایی بالا و همه‌جانبه فولاد باعث شده که افراد بیشتری بر تولید و توسعه آن تمرکز کنند و بهبودهای مستمری در آن حاصل شود.
4- قابلیت بازیافت
فولاد یک ماده سازگار با محیط‌زیست است. به‌عنوان یک آلیاژ فلزی، بازیافت آن بسیار ساده و حداکثری است. در حدود 80 درصد از فولاد امروزی، نتیجه فعالیت‌های بازیافتی هستند.
5- عنصری فارغ از زمان
حتی در حضور پیشرفت‌های جدید در فلزات و عناصر دیگر، فولاد هرگز جایگاه خود در صنعت را از دست نداده است. برعکس، پیشرفت‌ها در حوزه‌های فناوری، انرژی و …، تقاضا برای فولاد را به‌صورت نمایی ارتقاء داده‌اند. بنابراین، سرمایه‌گذاری بر روی فولاد هرگز به بن‌بست نمی‌رسد.
جمع‌بندی
فولاد آلیاژی است که از زمان کشف آن تاکنون، در تاروپود صنایع مختلف پیچیده شده و هیچ نشانه‌ای از حذف آن در آینده دور یا نزدیک به چشم نمی‌خورد. یکی از اصلی‌ترین فاکتورها در موفقیت فولاد، امکان ایجاد نوآوری‌های بیشتر و مستمر در انواع و ویژگی‌های آن است. به عبارتی، خانواده فولاد هر روز در حال ارتقاء است و وابسته به نیاز روز، فولاد جدیدی را می‌توان برای آن پیش‌بینی کرد.
یکی از اصلی‌ترین شاخصه‌های فولاد، حضور آن در تمام انقلاب‌های صنعتی بوده است. به‌ویژه، انقلاب صنعتی 4 که در آن فناوری قرار است تمام فرایندها را متحول کند، فولاد محوری‌ترین نقش را دارد و بدون آن چنین تحول‌هایی ممکن نیست.
بنابراین، هیچ سرمایه‌گذاری بلندمدت و با برنامه‌ریزی در تولید، توسعه و استفاده از فولاد در صنایع مختلف، به شکست نخواهد انجامید. فولاد نمونه بارزی از ظهور نوآوری در حضور تقاضا است. آنچه تاریخ فولاد به ما عرضه می‌کند، پیش‌بینی وضعیت اختراع‌های جدیدتر مانند فناوری‌های حوزه دیجیتال و آینده پیش روی آن‌هاست.
منابع:
https://www.history.com/topics/pre-history/iron-age
https://www.britannica.com/technology/steel/History
https://prashaantsteel.com/steel-history-how-it-shaped-the-world-today/