I. ما هو الحديد والصلب

الحديد والفولاذ هما سبائك تتكون من الحديد (Fe) والكربون (C) والسيليكون (Si) والمنغنيز (Mn) والفوسفور (P) والكبريت (S) وكميات صغيرة من عناصر أخرى. من بين هذه العناصر، باستثناء الحديد (Fe)، يلعب محتوى الكربون دورًا رئيسيًا في تحديد الخصائص الميكانيكية للحديد والفولاذ، لذا يُشار إليهما معًا باسم سبائك الحديد والكربون. إنها المواد المعدنية الأكثر أهمية واستخدامًا على نطاق واسع في تكنولوجيا الهندسة.

2. معنى الفولاذ

الفولاذ هو سبيكة من الحديد والكربون تحتوي على نسبة كربون تتراوح من 0.03% إلى 2%. الفولاذ الكربوني هو أكثر أنواع الفولاذ العادي استخدامًا، ويتميز بسهولة الصهر والمعالجة. وفقًا للاختلاف في محتوى الكربون، يتم تقسيم الفولاذ الكربوني إلى فولاذ منخفض الكربون، وفولاذ متوسط الكربون، وفولاذ عالي الكربون. الفولاذ السبائكي، المعروف أيضًا بالفولاذ الخاص، يتم تصنيعه عن طريق إضافة عنصر أو أكثر من عناصر السبائك إلى الفولاذ الكربوني لتغيير البنية الدقيقة وخصائص الفولاذ. تشمل عناصر السبائك الشائعة المضافة إلى الفولاذ Si و Mn و Cr و Ni و Mo و V و Ti وغيرها.

3. معنى الحديد الزهر

تسمى سبائك الحديد-carbon التي تحتوي على نسبة كربون تتراوح بين 2% و 4.3% بالحديد الزهر. الحديد الزهر صلب وهش، ويتميز بمقاومة جيدة للضغط ومقاومة للتآكل. يتم تقسيمه إلى الحديد الزهر الأبيض، والحديد الزهر الرمادي، والحديد الزهر القابل للسحب. الحديد الزهر الأبيض له مظهر فضي-أبيض، وهو صلب وهش، ولا يمكن تشكيله؛ وهو مادة خام لصناعة الصلب، لذا يُطلق عليه أيضًا الحديد الزهر لصناعة الصلب. الحديد الزهر الرمادي له كسر فضي-رمادي، وسهل القطع والصب، ويتميز بمقاومة جيدة للتآكل. الحديد الزهر القابل للسحب له خصائص قريبة من خصائص الصلب. يمكن الحصول على الحديد الزهر الخاص عن طريق إضافة عناصر سبائك خاصة إلى الحديد الزهر.

II. عملية إنتاج الحديد والصلب

تتضمن عملية صهر الحديد والصلب الحديثة صهر خام الحديد إلى حديد زهر في فرن صهر، وصب الحديد المنصهر في محول أو فرن كهربائي لصهره إلى فولاذ، ثم صب الفولاذ المنصهر في قضبان الصب المستمرة أو سبائك الصلب، ومعالجتها إلى منتجات فولاذية لأغراض متنوعة من خلال طرق التشوه البلاستيكي مثل الدرفلة.

2. مصانع الحديد والصلب المتكاملة

تشمل مصانع الحديد والصلب المتكاملة عمومًا روابط الإنتاج مثل معالجة المواد الخام، وصناعة الحديد، وصناعة الصلب، ودرفلة الصلب، وتوريد الطاقة، والنقل. إنها نظام إنتاج معقد وواسع النطاق. معظم شركات الحديد والصلب في الصين هي من هذه الشركات المتكاملة ذات العمليات الكاملة.

III. خامات الحديد وعملية الإنتاج

تشمل المواد الخام الرئيسية لصهر الفرن العالي خام الحديد (خام طبيعي غني وخام صناعي غني) والوقود (فحم الكوك والوقود المضخ) والمواد المضافة (الحجر الجيري والدولوميت). لصهر طن واحد من الحديد الزهر، يتطلب حوالي 1.60-1.65 طن من خام الحديد بدرجة 63%، و0.3-0.6 طن من فحم الكوك، و0.2-0.4 طن من المواد المضافة.

2. عملية صنع الحديد

عملية إنتاج الحديد في الفرن العالي هي طريقة تقليدية تعتمد على فحم الكوك كمصدر للطاقة. بالتعاون مع عملية إنتاج الحديد في المحول، تعتبر حالياً الطريقة الرئيسية لإنتاج الحديد. من المتوقع أن تظل المكانة الرائدة لعملية إنتاج الحديد في الفرن العالي دون تغيير لفترة طويلة. جوهر عملية إنتاج الحديد في الفرن العالي هو عملية اختزال الحديد، حيث يعمل فحم الكوك كوقود ووكيل اختزال لتقليل الحديد من خام الحديد أو المواد الخام الحاملة للحديد من الحالة المؤكسدة أو المعدنية إلى الحديد المصهور السائل عند درجات حرارة عالية.

3. عملية تصنيع الحديد

خلال عملية الصهر، يتم تحميل الشحنة في الفرن (خام، فلوكس، كوك) دفعة واحدة إلى الفرن من الأعلى عبر معدات التحميل بنسب محددة. يتفاعل الهواء الساخن عالي الحرارة المدفوع من الفتحات السفلية مع الكوك لتوليد غاز مختزل عالي الحرارة، الذي يرتفع ويسخن، ويقلل، ويذوب، ويشكل الخبث من الشحنة في الفرن، مما يؤدي إلى سلسلة من التغيرات الفيزيائية والكيميائية. أخيرًا، تتجمع الخبث والحديد السائل في الموقد ويتم تفريغها دوريًا من الفرن العالي. خلال عملية الارتفاع، تنخفض درجة حرارة تدفق الغاز باستمرار ويتغير تركيبه تدريجيًا، وأخيرًا، يتشكل غاز الفرن العالي ويتم تفريغه من أعلى الفرن.

IV. المواد الخام لصلب وعملية

إزالة الكربون → إزالة الفوسفور → إزالة الكبريت → إزالة الأكسجين → إزالة النيتروجين، إزالة الهيدروجين، إلخ. → إزالة الشوائب غير المعدنية → السبائك → ارتفاع درجة الحرارة → التصلب والتشكيل.

2. مبدأ صناعة الصلب والمواد الخام

عملية صناعة الصلب هي عملية أكسدة. الطريقة الرئيسية لإزالة الشوائب هي نفخ الأكسجين في المسبح المنصهر وإضافة عوامل تشكيل الخبث لتكوين خبث منصهر لإزالته. تفاعل إزالة الكربون هو الوسيلة الرئيسية في عملية صناعة الصلب، كما يتم إزالة عناصر مثل السيليكون والمنغنيز والفوسفور والكبريت من خلال تفاعلات الأكسدة. تشمل المواد الخام لصناعة الصلب الحديد الزهر، والفولاذ الخردة، والمواد المساعدة (الحجر الجيري)، ومزيلات الأكسدة (فيروسيليكون، فيرومنجنيز، الألمنيوم، إلخ)، ومواد السبائك.

3. عملية صناعة الصلب

معالجة المعادن الساخنة → صناعة الصلب في المحول أو فرن القوس الكهربائي → التكرير الثانوي (تكرير القادوس) → الصب المستمر.

V. عمليات صناعة الصلب (روابط رئيسية)

تشكيل الفولاذ المستمر هو عملية تقوم بصب الفولاذ المنصهر بشكل مستمر إلى قضبان فولاذية من خلال جهاز صب مستمر. بالمقارنة مع صب القضبان، فإن تشكيل الفولاذ المستمر له المزايا التالية: عملية مبسطة وتوفير للطاقة؛ تقليل معدل قطع رأس القضيب، مع عائد معدني أعلى بنسبة 7-12% من صب القضبان؛ تجمد فعال؛ وتشكيل محسن.

تدفق عملية الصب المستمر هو كما يلي: يتم حقن الصلب المنصهر في القالب من خلال صندوق الصب ويتم تبريده بسرعة لتشكيل قشرة متصلبة بسمك معين، بينما يبقى الداخل سائلًا (بلية شبه صلبة). الجزء السفلي من البلية متصل بقضيب وهمي يمتد إلى قاع القالب. بعد بدء الصب، تسحب آلة سحب البلية البلية في القالب بسرعة معينة من خلال القضيب الوهمي. عندما تمر البلية عبر منطقة التبريد الثانوية للصب المستمر، يتم تبريدها بشكل إضافي عن طريق رش الماء حتى تتصلب تمامًا. بعد التصلب الكامل، يتم تسوية البلية بواسطة آلة التسوية، وتقطع إلى أطوال محددة، وتنقل للخارج عبر ناقل.

2. تشكيل الصلب

عملية الدرفلة هي عملية يتم فيها سحب القطعة المدرفلة إلى المساحة بين الأسطوانات التي تدور في اتجاهات مختلفة بفعل الاحتكاك بين القطعة المدرفلة والأسطوانات، مما يتسبب في حدوث تشوه بلاستيكي. يمكن تقسيم عملية الدرفلة العامة للصلب إلى: فرن التسخين، الدرفلة الخشنة، الدرفلة المتوسطة، الدرفلة النهائية، والتشطيب.

VI. الخصائص الميكانيكية للحديد والصلب (المؤشرات الرئيسية)

الحديد والصلب لهما خصائص فيزيائية وميكانيكية وتكنولوجية جيدة، مع ستة مؤشرات رئيسية كما يلي:

عندما يتم شد مادة فولاذية أو عينة، إذا تجاوز الإجهاد الحد المرن، ستستمر المادة الفولاذية أو العينة في الخضوع لتشوه بلاستيكي واضح حتى لو لم يزداد الإجهاد بعد ذلك. تُسمى هذه الظاهرة بالانسياب، وأقل قيمة إجهاد يحدث عندها الانسياب هي نقطة الانسياب.

2. قوة العائد

نقطة الخضوع لبعض المواد المعدنية ليست واضحة، مما يجعل القياس صعبًا. لذلك، لقياس خصائص الخضوع للمواد، يتم تعريف الإجهاد الذي يسبب تشوه بلاستيكي دائم متبقي للوصول إلى قيمة معينة (عادةً 0.2% من الطول الأصلي) على أنه قوة الخضوع الشرطية، أو ببساطة قوة الخضوع.

3. قوة الشد

قيمة الإجهاد القصوى التي تم الوصول إليها من بداية الشد حتى كسر المادة. إنها تمثل قدرة الفولاذ على مقاومة الكسر. وبالمقابل، هناك أيضًا قوة الضغط، وقوة الانحناء، وما إلى ذلك.

4. الإطالة

نسبة طول الإطالة البلاستيكية للصلب بعد الكسر إلى الطول الأصلي للعينة تُسمى الإطالة أو نسبة الإطالة.

5. نسبة العائد

نسبة نقطة الخضوع (قوة الخضوع) للصلب إلى قوته الشد تسمى نسبة الخضوع. كلما كانت نسبة الخضوع أعلى، كانت موثوقية الأجزاء الهيكلية أعلى. بشكل عام، تتراوح نسبة الخضوع للصلب الكربوني بين 0.6-0.65، وتلك للصلب الهيكلي منخفض السبيكة بين 0.65-0.75، وتلك للصلب الهيكلي السبيكي بين 0.84-0.86.

6. الصلابة

تشير الصلابة إلى قدرة المادة على مقاومة انغماس جسم صلب على سطحها. إنها واحدة من المؤشرات المهمة لأداء المواد المعدنية. بشكل عام، كلما زادت الصلابة، زادت مقاومة التآكل. تشمل مؤشرات الصلابة الشائعة صلابة برينيل، وصلابة روكويل، وصلابة فيكرز.

VII. العوامل المؤثرة على خصائص الحديد والصلب

تأثير التركيب الكيميائي على خصائص الحديد والصلب

الكربون هو العنصر الأكثر أهمية بعد الحديد. مع زيادة محتوى الكربون، تزداد قوة الفولاذ، بينما تنخفض اللدونة والصلابة (خاصة صلابة التأثير عند درجات الحرارة المنخفضة). في الوقت نفسه، يتم تقليل قابلية اللحام ومقاومة التآكل وأداء الانحناء البارد بشكل ملحوظ. لذلك، فإن محتوى الكربون في الفولاذ الهيكلي عادة لا يتجاوز 0.22%، ويجب أن يكون في الهياكل الملحومة أقل من 0.2%.

2. المنغنيز

المنغنيز هو مزيل أكسدة ضعيف. يمكن أن يحسن محتوى المنغنيز المناسب بشكل فعال من قوة الفولاذ ويقضي على تأثير الهشاشة الساخنة الناتج عن الكبريت والأكسجين على الفولاذ دون تقليل اللدونة والصلابة بشكل كبير. يتراوح محتوى المنغنيز في الفولاذ الهيكلي الكربوني بين 0.3%-0.8%، وفي الفولاذ منخفض السبائك يتراوح عادة بين 1.0%-1.7%.

3. السيليكون

السيليكون هو مزيل أكسدة قوي. يمكن أن يحسن محتوى السيليكون المناسب من قوة الفولاذ دون آثار سلبية واضحة على اللدونة، والصلابة، وأداء الانحناء البارد، وقابلية اللحام. ومع ذلك، عندما يكون محتوى السيليكون مرتفعًا جدًا، فإنه سيقلل من اللدونة، والصلابة، ومقاومة التآكل، وقابلية اللحام للفولاذ.

4. فاندوم، نيوبيوم، تيتانيوم

يمكن للفاناديوم والنيوبيم والتيتانيوم جميعها تحسين حجم حبيبات الفولاذ. تحتوي جميع الفولاذات منخفضة السبائك في الصين على هذه العناصر الثلاثة. كعناصر سبائكية بخلاف المنغنيز، يمكنها تحسين قوة الفولاذ ولكن أيضًا الحفاظ على مرونة جيدة وصلابة.

5. الأكسجين، النيتروجين

الأكسجين والنيتروجين هما أيضًا شوائب ضارة، يمكن أن تدخل المعدن من الهواء عندما يكون المعدن في حالة انصهار. يمكن أن يتسبب الأكسجين في هشاشة حارة للصلب، وتأثيره أكثر شدة من تأثير الكبريت؛ بينما يمكن أن يتسبب النيتروجين في هشاشة باردة للصلب، مشابهة للفوسفور.

VIII. تصنيف الحديد والصلب

الفولاذ العادي (P ≤ 0.045%، S ≤ 0.05%)

فولاذ عالي الجودة (كلا من P و S ≤ 0.035%)

فولاذ عالي الجودة (P ≤ 0.035%، S ≤ 0.03%)

2. التصنيف حسب التركيب الكيميائي

الفولاذ الكربوني

الفولاذ منخفض الكربون (C ≤ 0.25%)

الفولاذ الكربوني المتوسط (C: 0.25%-0.6%)

الفولاذ عالي الكربون (C > 0.6%)

الفولاذ السبائكي

الفولاذ منخفض السبائك (إجمالي محتوى عناصر السبائك ≤ 5%)

الفولاذ متوسط السبائك (محتوى إجمالي لعناصر السبائك: 5%-10%)

الفولاذ عالي السبائك (محتوى إجمالي لعناصر السبائك > 10%)