الفولاذ

الفولاذ هو سبيكة من الحديد تحتوي على إضافات من الكربون تتراوح بين (0.2% - 2.0%) من وزن السبيكة حسب نوع السبيكة، وهو يعتبر العنصر المضاف الأساسي في سبائك الصلب. إذا زادت نسبة الكربون في الحديد عن 1و2 % يصبح هشا ويسمى في تلك الحالة حديد زهر. تحتوي سبائك الصلب على نسب من معادن أخرى مثل النيكل والكروم والفاناديوم والسيليكون والموليبدينيوم والفسفور والكبريت وغيرها من العناصر الأخرى.[1] يقوم الكربون وعناصر أخرى بتقسية الصلب، ومنع طبقات الحديد في البنية البلورية من الانزلاق فوق بعضها البعض (الانخلاع). باختلاف العناصر المضافة لسبائك الصلب وشكل وجودها في الصلب (كعناصر ذائبة في المعدن أو كترسبات في المعدن)، تختلف خواص السبائك مثل الصلادة والمرونة ومقاومة السبيكة للشد في سبيكة الصلب الناتجة عن تلك الإضافات.

عندما تزداد نسبة الكربون في السبيكة عن (2.1%)، يطلق على هذه السبيكة اسم الحديد الزهر والتي تتميز بانخفاض درجة انصهارها وقابليتها للتسبك [بالإنجليزية].[1]

أُنتج الصلب باستخدام طرق مختلفة قبل عصر النهضة بفترة طويلة، لكنها لم تكن طرقاً فعالة. أصبح استخدام الصلب أكثر شيوعاً بعد تطوير طرق إنتاجه في القرن السابع عشر. بعد اختراع طريقة بسمر في منتصف القرن التاسع عشر، أصبح عملية إنتاج الصلب بكميات ضخمة غير مكلفة. بعد إضافة بعض التعديلات على هذه الطريقة، ظهرت طرق أخرى مثل فرن أكسجين قاعدي، التي خفضت تكلفة الإنتاج وحسّنت جودة المعدن.

إنتاج الفولاد

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 بعد ذلك صبًا مستمرًا في ألواح طويلة أو يسبك في قوالب. يعاد تسخين القوالب في أفران للتسخين ثم تدرفل لأشكال أوليّة مختلفة كالبليت [بالإنجليزية] ومكعبات الصلب. تدرفل البليت بعد ذلك إما باردةً أو ساخنةً، لإنتاج ألواح وقضبان وأسلاك الصلب. أما مكعبات الصلب فتدرفل إلى صلب الهياكل [بالإنجليزية] مثل قطاعات الصلب التي تستخدم في الصناعات الحديدية أو قضبان السكك الحديدية. في بعض المصانع الحديثة، تتم هذه العمليات في خط إنتاج واحد يبدأ بخام الحديد وينتهي بإنتاج الصلب.[14] أحياناً يعالج الصلب حرارياً لتحسين خواص الصلب قبل درفلته، ولكن هذا يحدث نادراً..[15]

أنواع الحديد الفولاذ

يتبع تصنيف الحديد الصلب طبقا لطرق استخدامه وإمكانيات استغلاله :

•       الصلب البنائي - ويستخدم في بناء الآلات وهو سهل التشكيل، يمكن لحامه بسهولة ويسهل صهره وصبه، وهو في نفس الوقت زهيد السعر،

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

•       صلب التقوية - وهو المستخدم مع الخرسانة في البناء، يتميز بقدرة عالية على تحمل الاثقال والحمولات، كما يتحمل الشد،

•       صلب الأدوات - وهو يستخدم لأنتاج القطع الصغيرة التي تتحمل الأجواء الرطبة، وتستخدم أيضا في الأجزاء المتحركة.

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

•       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،

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

•       صلب مقاوم للإحماض - يصل الصلب المحتوي على نسبة 17% من الكروم على الأقل على خاصية مقاومة الأحماض، وهو يقاوم أيضا المحاليل القلوية، ويستخدم في صناعة الزجاجات الحديدية التي تحوي موادا للتنظيف وغيرها،

•       صلب الإنشاءات - يتميز بقدرة عالية على التحمل،

•       الصلب المطاوع - وهي مجموعة من أنواع الصلب التي تتحمل الشد والثني والتشكيل، وهي أنواع مطاوعة طرية يمكن مطها إلى أطوال بلا حدود تقريبا،

•       صلب فولاذ - وتصنع منه التروس وغيرها،

•       صلب الأدوات الصناعية - وهو الصلب الذي تصنع منه أدوات التصنيع وكذلك قوالب الصب،

اهمية الفولاذ في الاقتصاد العالمي

اقتصاديته وأهميته

بدأ استغلال الحديد وتصنيعه خلال الف سنة قبل الميلاد في سوريا وفي الدولة هتيتر، ويرجع تاريخ أبسط أنواع الحديد إلى أوائل الافية قبل الميلاد.

وهي القرن الثاني عشر الميلادي تطورت الافران التي تعمل بالفحم الخشبي في أوروبا واستطاعت توفير الحرارة اللازمة لصهر الحديد. وكان الحديد المنتج بتلك الطريقة غير قابل للطرق بسبب نسبة الكربون العالية فيه، فكان لازما تنقيته، أي خفض نسبة الكربون فيه عن طريق حرقه.

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 ,و كذلك السفن البخارية، كل تلك تستخدم منتجات الصلب والتي هي سوق رائجة.

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.

ونشأت في ألمانيا عام 1935 برامج تسليح كبيرة و كان الحديد الصلب مادة الحرب. فكان الهجوم على النرويج والسويد بغرض الحصول على مصادر للحديد حيث كان الصلب المنتج في السويد يعد 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 و البشر.

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.

وقد فضت معاهدة بوتسدام بين الحلفاء وألمانيا المنهزمة بفك مصانع إنتاج الصلب في ألمانيا. وذهب جزء من تلك المصانع إلى الاتحاد السوفييتي حيث استخدمته في إعادة بناء أراضيها بعد الحرب. وفي الجزء الغربي من ألمانيا بدأ احتجاج شديد على فك المصانع، وفي عام 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.