فولاذ

الخردة

ومن ناحية أخرى، و للخردة تصنيفات متعددة: فمنها الخردة الخفيفة والثقيلة، ومنها المختلطة مع الجلخ Slag Mix والمرتجعة كمنتجات معيبة Home Return، وخردة الحرب وغيرها، لذا يجب أن تمر الخردة بمراحل فرز وإعداد جيدة قبل شحنها في الفرن، وذلك لإزالة أي شوائب غريبة قد تضر بالفرن أو بعملية الإنتاج أو جودة المنتج كالمواد العازلة (الخشب والبلاستيك والكاوتشوك...) وكذلك الخردة كبيرة الحجم والطويلة بشكل غير ملائم لشحن السلة بالفرن (يجب تقطيعها بشكل ملائم أولاً قبل شحنها) والمواد الضارة بحراريات الفرن (كالرصاص والرمل...) والمؤثرة على تركيب المنتج النهائي (كالنحاس والفسفور والكبريت...) وكذلك المواد القابلة للانفجار (كالقنابل والذخيرة والأوعية المغلقة كأنابيب الغاز والتي يجب فتحها وتقطيعها أولاً).

ومن ناحية أخرى، الاعتبارات التي يجب مراعاتها عند تصميم السلة الخاصة بشحن الفرن

ومن جهة أخرى، ألا تزيد النسبة بين حجم السلة وحجم الغلاف المعدني للفرن عن 85%. ألا تزيد النسبة بين قطر السلة وقطر الفرن عن 90%، وذلك لتجنب سقوط الخردة خارج الفرن أثناء عملية الشحن. كلما قل عدد مرات الشحن لكل صبة/ فإن زمن تعطل الفرن للشحن يصبح أقل، كما أن الفقد الحراري أثناء فتح وغلق سقف الفرن يصبح أقل.

أنواع الحديد الصلب

وفي هذا السياق، يتبع تصنيف الحديد الصلب طبقا لطرق استخدامه وإمكانيات استغلاله:

وفي هذا الصدد، صلب الأدوات - وهو يستعمل لأنتاج القطع الصغيرة التي تتحمل الأجواء الرطبة، وتستعمل كذلك في الأجزاء المتحركة.

كذلك، صلب نتروجيني - يحتوي على نسبة من النتروجين تصنع منه أجزاء تتعرض للحركة الدائمة، مثل المكابس وأذرعتها.

وفي السياق ذاته، صلب اللولب - هذا النوع يحتوي على نسبة عالية من السيليكون تزيد من مرونته، كما يخلط به أحيانا عنصر الكروم (Cr).

إضافةً إلى ذلك، الصلب الدمشقي - وهو صلب شديد الصلابة ومرن، يستعمل في صناعة السيوف والخناجر والسكاكين القيمة وما يشبهها. وهو يتكون من عدة سبائك متماسكة تحضر باللحام الحراري والطرق. ويمكن بعد تجهيزه وتلميعه ظهور تكويناته الداخلية المتطابقة، وهي تعتبر زخرفا جميلا فضلًا عن شدة صلابته ومرونته.

كذلك، الصلب المطاوع - وهي مجموعة من أنواع الصلب التي تتحمل الشد والثني والتشكيل، وهي أنواع مطاوعة طرية يمكن مطها إلى أطوال بلا حدود على وجه التقريب.

من جهة ثانية، صلب التقوية - وهو المستعمل مع الخرسانة في البناء، يتميز بقدرة عالية على تحمل الاثقال والحمولات، كما يتحمل الشد.

وفي السياق ذاته، صلب مقاوم للإحماض - يصل الصلب المحتوي على نسبة 17% من الكروم على الأقل على خاصية مقاومة الأحماض، وهو يقاوم كذلك المحاليل القلوية، ويستعمل في صناعة الزجاجات الحديدية التي تحوي موادا للتنظيف وغيرها.

تاريخ صناعة الصلب

صلب فولاذ - وتصنع منه التروس وغيرها.

علاوةً على ذلك، HSS 10-4-3-10 → يحتوي على 10% تنجستن، 4% موليبدنوم 3% فاناديوم، 10% الكوبلت وهو صلب يستعمل لصناعة السكين،

صلب الإنشاءات - يتميز بقدرة عالية على التحمل.

وفي هذا السياق، صلب غير قابل للصدأ - يوجد كنوع فريمغناطيسي وأوستيني ومارتنسيتي ودوبلكس. ويحضر الفريمغناطيسي عن طريق خلطه 5 و10 % من عنصر الكروم. أما النوع الأوستيني فهو سبيكة الحديد والكروم والنيكل، وذلك النوع الأوستيني لا تظهر له مغناطيسية في درجة حرارة الغرفة.

ومن ناحية أخرى، صلب الأدوات الصناعية - وهو الصلب الذي تصنع منه أدوات التصنيع وكذلك قوالب الصب،

ومنه نوع:

وفي هذا الصدد، الصلب البنائي - ويستعمل في بناء الآلات وهو سهل التشكيل، يمكن لحامه بسهولة ويسهل صهره وصبه، وهو في نفس الوقت زهيد السعر.

كذلك، الصلب الآلي - وهو يحتوي على نسبة أعلى من سابقه من الكبريت ليتحمل التشغيل، وهو يستعمل في آلات إنتاج الأدوات آليا بدون الحاجة إلى رقابة العامل.

مواد بديلة

علاوةً على ذلك، ومن أجل الرقابة على إنتاج الحديد في ألمانيا قدّمت فرنسا عام 1952 اقتراح إنشاء اتحاد الحديد والفحم بين البلدين، ومن ذلك الاتحاد تطور فيما بعد الاتحاد الأوروبي. فيما بعد تطورت صناعة الصلب في ألمانيا الاتحادية تطورا كبيرا وسريعا. و وصل إنتاج عام 1961 إلى 33 مليون طن وعدد العاملين نحو 421.000 شخص، وهذا رقم عالي بالنسبة لإنتاجية الفرد. وسجلت مليون طن من الصلب. عام 1974 رقما قياسيا في إنتاج الصلب حيث قامت بإنتاج نحو 53 مليون طن من الحديد الصلب.

من جانب آخر، واستطاع بنيامين هنتسمان في إنجلترا عام 1740 بصهر الحديد وتحضير حديد الصب بطريقة البوتقة. كما قام في ألمانيا فريدريك كروب عام 1811 بتأسيس أول مصنع لتحضير حديد الصب في مدينة إسن. وقد أعطى ذلك طفرة كبيرة في إنتاج الحديد للقرن التاسع عشر، وظهور عدة اختراعات ساعدت على زيادة تصنيعه: قدمت الآلات البخارية إلى صناعة الصلب العمالة القوية، كما قدمت مناجم الفحم الفحم اللازم لصناعته، والسكك الحديدية وتطويرها، وكذلك السفن البخارية، كل تلك تستعمل منتجات الصلب والتي هي سوق رائجة.

إضافةً إلى ذلك، ويعمل في قطاع الحديد الصلب في الوقت الحالي في ألمانيا بعد اتحاد شطريها الشرقي والغربي 76.500 شخص، ينتجون 35 مليون طن من الصلب (بحسب إحصاء 2008). ولم تتمكن ألمانيا من هذه الإنتاجية العالية وبعدد يعتبر قليل من العاملين إلا بالتطوير المستمر لطرق الإنتاج.

إضافةً إلى ذلك، وكانت لصناعة الصلب في جميع البلدان اهمية كبرى من الوجهة الاقتصادية ولها أهميتها السياسية، حيث اعتبرت من مفاخر الدولة بين الأمم. ويبدو اهمية الصلب آنذاك في بناء برج إيفل حيث افتتح بمناسبة المعرض العالمي عام 1889 كأحد دعائم التقدم التكنولوجي.

من جانب آخر، كما طبق في الفترة الأخيرة (2013) استخدام ألياف الكربون لصناعة هياكل بعض السيارات.

وفي هذا السياق، يستعمل الصلب كثيرا في صناعة السيارات وتنافسه مواد أخرى قليلة الكثافة مثل الالمنيوم والمغنيسيوم والبلاستيك ومواد تركيب. ونظراً لكون المواد الأخرى أقل صلابة من الحديد الصلب، فيمكن استخدامها بدلاً عن استخدام الصلب في النواحي التي لا تحتاج مواد شديدة الصلابة.

علاوةً على ذلك، وتتميز المواد التركيبية كذلك بصلابة لا يُستهان بها ولها معاملات جيدة للشد والثني في اتجاه الألياف، ولكن تكوينها وطرق تصنيعها تختلف تماما عن طرق الصناعة المعتمدة لصناعة الصلب.

كذلك، وحتى نهاية الحرب العالمية الثانية فلم يتدمر منها سوى نحو 20 % من مناطق الإنتاج. وفي عام 1957 عاد إنتاج الصلب إلى كميته قبل الحرب وهي 16 مليون طن سنويا.

من جهة ثانية، وقد فضت معاهدة بوتسدام بين الحلفاء وألمانيا المنهزمة بفك مصانع إنتاج الصلب في ألمانيا. وذهب جزء من تلك المصانع إلى الاتحاد السوفييتي حيث استعملته في إعادة بناء أراضيها بعد الحرب. وفي الجزء الغربي من ألمانيا بدأ احتجاج شديد على فك المصانع، وفي سنة 1949 كف الخلافاء عن فك مصانع الصلب في ألمانيا. وعكف اهتمام الحلفاء فقط على تفتيت الروابط بين المصانع، وتصغير الاتحادات العمالية بحيث لا يكون هناك احتكار للسوق.

حرقه.

من جانب آخر، ونشأت في ألمانيا عام 1935 برامج تسليح كبيرة وكان الحديد الصلب مادة الحرب. فكان الهجوم على النرويج والسويد بغرض الحصول على مصادر للحديد حيث كان الصلب المنتج في السويد يُعتبر من أحسن الأنواع. وخلال الحرب قام الحلفاء بضرب مناطق إنتاج الصلب في ألمانيا في منطقة الرهر وهي من أكبر مناطق إنتاج الصلب في أوروبا في غارات جوية متواصلة رغم كل ما كانوا يتكبدوه من خسائر كبيرة في القاذفات والبشر.

المعالجة الحرارية

إضافةً إلى ذلك، هناك الكثير من عمليات المعالجة الحرارية التي تستعمل لمعالجة الصلب، لعل أكثرها شيوعًا هو التخمير والتبريد المفاجئ والتطبيع. تتم عملية التخمير بتسخين الصلب إلى درجة حرارة عالية بما فيه الكفاية لجعله طرياً، ثم يمر الصلب بثلاث مراحل: ثم إعادة التبلور ثم . تختلف درجة الحرارة المطلوبة للتخمير حسب نوع الصلب والعناصر التي تكون السبيكة.

ومن جهة أخرى، أما عملية التبريد المفاجئ والتليين فتتم بتسخين الصلب حتى يتكون طور الأوستينيت، ثم تبريده في الماء أو الزيت. ينتج عن تلك العملية طور المارتنسيت الصلد والهش. ثم يتم تليين الصلب عن طريق تسخينه عند درجة حرارة معينة لا تتجاوز الـ 650 ° م، وتركه لفترة مناسبة ثم تركه ليبرد داخل فرن المعالجة الحرارية، لذا فهي تعتبر نوعاً خاصاً من عملية التخمير. ينتج عن تلك العملية تكون بعض السمنتيت منفصلاً عن المارتنسيت، مما يقلل من الإجهادات الداخلية، ويجعل الصلب أكثر مرونة ومقاومة للكسر.

إنتاج الصلب

دورة الإنتاج خلال فرن القوس الكهربائي

من جانب آخر، يتم صهر الحديد من خامته من خلال عمليات أوليّة، فينتج حديد يحتوي على كربون أكثر من المرغوب فيه، وليصبح صلباً، يعاد صهره ليضاف إليه عناصر تقلل نسبة الكربون إلى الحد المطلوب، بالأضافة للعناصر السبائكية الأخرى. يصب المصهور فيما بعد صبًا مستمرًا في ألواح طويلة أو يسبك في قوالب. يعاد تسخين القوالب في أفران للتسخين ثم تدرفل لأشكال أوليّة مختلفة كالبليت ومكعبات الصلب. تدرفل البليت فيما بعد إما باردةً أو ساخنةً، لإنتاج ألواح وقضبان وأسلاك الصلب. أما مكعبات الصلب فتدرفل إلى صلب الهياكل مثل قطاعات الصلب التي تستعمل في الصناعات الحديدية أو قضبان السكك الحديدية. في بعض المصانع الحديثة، تتم هذه العمليات في خط إنتاج واحد يبدأ بخام الحديد وينتهي بإنتاج الصلب. أحياناً يعالج الصلب حرارياً لتحسين خواص الصلب قبل درفلته، ولكن هذا يحدث نادراً.

تطور الإنتاج

في هذا الإطار، وبعد تلك الفترة وصعوبة تحسين إنتاجية العامل، أصبحت تُنتج كمية أكبر من الحديد الصلب بعدد أقل من العمال وتحسنت اقتصادية تلك الصناعة. والاتجاه نحو إنتاج الأنواع القيمة من هذه الثروة المعدنية التي هي قوام البلاد المتقدمة.

في هذا الإطار، عمل هذا التغيير على تغير أوضاع عديدة في مناطق إنتاج الحديد. وكانت شدة التغيير وتأثيراتها تتفاوت من بلد إلى بلد من حيث مما دعى الحكومات إلى التوفيق بين كمية الإنتاج وتبعات فقد بعض الناس عملهم. ومثلًا فقد انخفض عدد العاملين أثناء حكومة مارغريت ثاتشر في المملكة المتحدة إلى حد بعيد، هذا رغم اعتراض اتحادات العمال. وفي ألمانيا عملت الحكومة على تعضيد ذلك القطاع الصناعي وعلى الأخص دعم إنتاج الفحم الحجري وهو مرتبط بإنتاج الصلب ومعاونة من فقد عمله على احتراف وظائف أخرى وتقديم برامج التدريب لهم. بذلك خفت وطأة التغير على العمال في ذلك الحين.

وعلى صعيد آخر، كان تصنيع الصلب خلال الستينات من القرن الماضي المحرك الذي تقوم عليه الصناعات الأخرى، وكان في نفس الوقت سوقا رائجة للعمالة والتوظيف. ثم بدأ تراجع عدد العاملين في هذا المضمار خلال السبعينيات بسبب تطوير وسائل الإنتاج. ونظرا لعدة أزمات في البلاد المختلفة في إنتاج الحديد الخام والفحم الحجري فقد لجأت عدة دول إلى تحسين تلك الصناعة عن طريق تحسين تكنولوجيا الإنتاج وخفض عدد العاملين والتركيز على بعض مناطق الإنتاج المجدية، والتخلي عن أحرى، وكان ذلك مصحوبا بأن فقد كثير من العاملين في هذا القطاع عملهم.

الصلب قديمًا

من جانب آخر، كانت صهر الحديد معروفًا في العصور القديمة، باستخدام أفران بدائية ولكنها كانت تنتج حديدًا غنيًا بالكربون. يُعتبر أقدم اكتشاف للصلب على هيئة قطع من المشغولات الحديدية في أحد المواقع الأثرية في الأناضول عمرها نحو 4,000 سنة. كما اكتشف قطع من الصلب القديمة في شرق أفريقيا، والتي يعود تاريخها إلى 1,400 ق.م. بدأ تصنيع الأسلحة من الصلب في القرن الرابع قبل الميلاد في شبه الجزيرة الأيبيرية، كما إستعمله الرومان في زمن الجمهورية الرومانية. بينما تمكن الصينيون القدماء في عصر الإمارات المتحاربة (403 ق.م - 221 ق.م) من إنتاج أسلحة من الصلب المقسى، وفي عصر سلالة هان (202 ق.م - 220 م)، أنتج الصينيون صلباً بدائياً يحتوي على نسبة عالية من الكربون عن طريق صهر الحديد الزهر مع الحديد الخام، وذلك بحلول القرن الأول الميلادي.

الصلب والبيئة

علاوةً على ذلك، ولكن إنتاجه من خام الحديد يستهلك طاقة كبيرة حيث يحتاج إلى درجات حرارة تصل إلى نحو 1500 درجة مئوية. وأثناء تحضيره يخرج من الفرن العالي غاز ثاني أكسيد الكربون CO2 حيث يلزم لإنتاج الصلب كمية معينة من الفحم الحجري. وتبلغ كميات الفحم التي تستعمل في الأفران العالية في النمسا وألمانيا الآن إلى الحد الأدنى من الوجهة التكنولوجية. وابتكرت منذ سنوات عديدة طرق جديدة لإنتاج الحديد ن ومنها ما يطبق في الإنتاج الصناعي الحالي وهي تعتمد على الكربون منها أول أكسيد الكربون الذي يستعمل كمادة نهائية لاختزال الحديد. وبذلك تعمل تلك الطرق التكنولوجية الجديدة على المحافظة على البيئة عن طريق تخفيض إنتاج غاز ثاني أكسيد الكربون. إلا أن كفاءة تلك الطرق لخفض كمية ثاني أكسيد الكربون تصل في الوقت الحالي إلى نحو 50 % فقط.

• قائمة أكبر البلدان المنتجة للصلب لعام 2011
• 683.3 مليون طن
• 107.6 مليون طن
• 86.2 مليون طن
• 72.2 مليون طن
• 68.7 مليون طن
• 68.5 مليون طن
• 44.3 مليون طن
• 35.3 مليون طن
• 35.2 مليون طن
• 34.1 مليون طن
• 28.7 مليون طن
• تايوان 22.7 مليون طن
• 18.1 مليون طن
• 15.8 مليون طن
• 15.6 مليون طن
• 13.1 مليون طن
• 13.0 مليون طن
• 9.5 مليون طن

من جهة ثانية، يعتبر الحديد الصلب من وجهة البيئة مادة غاية في التقدير حيث يمكن تدويره من الصلب المستهلك بدون فقد في الكفاءة وعدة مرات، حيث يصهر ويعاد كحديد صلب للتصنيع والاستخدام.

في هذا الإطار، ومن جهة احرى فإن مادة الحديد الصلب نفسها غير ضارة للبيئة وليست ضارة للإنسان أو الحيوان، ولا تحتاج عند استخدامها أو التخلص منها لأي احتياطات تأمين من وجهة المحافظة على البيئة.

الحديد المختزل بالطريقة المباشرة

الاعتبارات التي يجب مراعاتها عند تغذية الفرن بالـ DRI

علاوةً على ذلك، • أثناء عملية التغذية بالـ DRI، يتم التشغيل على جهد كهربائي منخفض وتيار كهربائي عالي، وهذا يعطي ما يسمى بالقوس الكهربائي القصير.

وفي السياق ذاته، • فرصة اشتعاله تكون كبيرة، ولذا فإن أغلب أنظمة مناولة الـ DRI كالسيور وغيرها، تكون مزوده بأنظمة مكافحة الحرائق.

وفي هذا الصدد، و يتم نغدية الـ (DRI) إلى مصنع الصلب بصورة مستمرة عن طريق سيور خاصة قادمة من مصانع الاختزال المباشر، ثم يتم تخزينه في صوامع (Silos)؛ ثم ينتقل منها بسيور أخرى إلى مصنع الصلب ليتم تغذيته عن طريق الـ (Chuter) إلى فتحة التغذية الموجودة بسقف الفرن القوس الكهربائي. كما يتم شحن الـ (DRI) خلال السلة التي يتم شحنها بالفرن في بداية إنتاج الصبة. جدير بالذكر أن استخدام الـ (DRI) كمصدر للحديد في صناعة الصلب له الكثير من المزايا، كفارق السعر عن الخردة؛ وسهولة تغذيته في الفرن بصورة مستمرة، بما يوفر زمن فتح وغلق الفرن أثناء الشحن (مقارنة بشحن الخردة بالسلات)، وكذلك الفقد الحراري الناتج عن ذلك، وكذلك التحكم والمعرفة الدقيقة للتركيب الكيميائي والخواص الفيزيائية للشحنة، ولكن على الجانب الآخر له بعض العيوب؛ والتي من أهمها احتواؤه على الشوائب والمركبات الأكسيدية (كالكبريت والفسفور وأكسيد السليكون والمنجنيز وغيرها)؛ والتي يطلق عليها الـ (Gangue Materials) الأمر الذي يسبب مشاكل كبيرة منها زيادة الطاقة المستهلكة في صهر هذه المكونات، فضلًا عن الضرر الناشئ عن وجود هذه المكونات على حراريات الأفران والبواتق.

علاوةً على ذلك، و يشار إليه بالرمز (Direct Reduced Iron –DRI)، ويتم الحصول عليه عن طريق استكمال عملية اختزال كرات أكسيد الحديد (Oxide Pellets) بتمرير الميثان أو الغاز الطبيعي (CH4) عليها في درجات حرارة حرارة ما بين (950-1050) درجة مئوية خلال أفران معينة من شهرها فرن «مدركس (MIDREX)»، هذا الغاز الطبيعي يمثل مصدر الكربون اللازم لعملية اختزال الخام في صورته الصلبة المباشرة دون صهره؛ (لذلك تسمى تلك الطريقة بطريقة الاختزال المباشر). و عملية الاختزال ما هي إلا تقليل أو (اختزال) لنسبة الاكسجين داخل خام أكسيد الحديد؛ وبالتالي زيادة نسبة الحديد أو التمعدن على حساب ذلك، وذلك عن طريق وجود عامل مختزل، عبارة عن خليط من الغازات (الهيدروجين وأول وثاني أكسيد الكربون)، تقوم بالإتحاد مع هذا الأكسجين مستهلكة إياه، وتحويله مع من أكسجين متحد مع الحديد (أكسيد حديد)؛ إلى أكسجين ولكن متحد مع هذا العامل المختزل تاركة الحديد في شكل حر و الحديد الناتج عبارة عن مكورات حدبد تسمى بالحديد الإسفنجي، ولكي يكون الحدي الإسفنجي مناسب لفرن القوس الكهربائي؛ يجب أن تتوافر فيه الشروط الآتية: حجم الحبيبات يتراوح من 9 مم إلى 16 مم. نسبة الحديد لا تقل عن 84%. نسبة الكربون لا تقل عن 1.2%.

وفي هذا الصدد، • أفضل موضع يتم تغذية الـDRI من خلاله هو منتصف الدائرة المارة بمراكز الإلكترودات الثلاثة.

خامات الصلب

من جانب آخر، ورغم أن الطبقة الأرضية تحتوي عل نحو 5 % من الحديد إلا أن الاستهلاك العالمي من مواد الصلب لا تكفي الإنتاج الصناعي. فخلال النصف الثاني من عام 2003 بدأ نقص كبير يظهر من ناحية أمدادات الصلب بسبب الحاجة المتزايدة للصين لبناء اقتصادياتها التي تنمو بسرعة عظيمة. وكذلك زاد الاسهلاك في دول مثل الهند والبرازيل. ويتزايد استخدام الصلب في الصين مثلا في السنوات الأخيرة بمعدل سنوي يزيد عن الاستهلاك الكلي لبلد صناعية كبيرة مثل ألمانيا.

من جانب آخر، لذلك أصبح إنتاج الخام منه أقل من الحاجة. كما يوجد في نفس الوقت عجز في إنتاج الفحم الحجري الضروري لإنتاج الصلب، ويستعمل النفط كذلك في إنتاج الطاقة اللازمة لتصنيعه، كما يعاد تدوير الصلب ومواد أخرى. عملت كل تلك العوامل على ارتفاع سعر الصلب ومنتجاته في الأسواق العالمية. وفي الوقت الحالي الصلب قليل الوجود وأسعاره مرتفعة ولا يوجد على الأفق ما يبشر بتجلي الأمور في هذا الشأن. ولإكتفاءالأسواق لابد من فتح مناجم جديدة لاستخراج الحديد الخام. ولكن عملت الأزمة الاقتصادية التي بدأت عام 2007 على خفض أسعار الصلب في السوق العالمي، ولكن ذلك مقرون بالحالة الاقتصادية المتأزمة في الوقت الحاضر.