با بیش از ربع قرن تجربه در زمینه ارائه انواع محصولات استنلس استیل

قیمت ورق استیل؛ فروش انواع ورق استیل صنعتی و ورق استنلس استیل در آلیاژ و ضخامت های مختلف. با حرفه‌ای‌ها خرید کنید تلفن: 35089-021

تاریخ استنلس استیل - فصل 10 - تاریخچه ذوب و تصفیه فولاد ضد زنگ

"ذوب استنلس استیل هنری بسیار پیشرفته است؛ حتی در حال حاضر، بسیاری از هنرمندان به شدت تمایل به محافظت از تکنیک های خود دارند."

کارل اِی. زاپفه (Carl A. Zapffe)، 1949

دو عنصر آلیاژی اصلی در استنلس استیل، کروم در فولادهای کروم دار و کروم و نیکل در فولادهای آستنیتی می باشند. کروم ماده ای است که کار کردن با آن دشوار است، چون به سرعت با کربن و اکسیژن واکنش می دهد. به همین دلیل، ذوب و تصفیه فولادهای زنگ نزن جزو سخت ترین فرآیندها می باشد. نیکل با کربن یا اکسیژن واکنش نمی دهد. شرح مختصری از فرآیند عمومی و سه مرحله ای که در 40 سال اول برای این منظور استفاده می شد، به شرح زیر می باشد:

1-ذوب: تغذیه کوره قوس الکتریکی با قراضه فولادی حاوی مقادیر پایین فسفر، اکسید آهن یا سنگ آهن
2-دکربوریزاسیون: حذف سرباره اکسیدی و جایگزین کردن آن با عوامل کاهنده یا تمام کننده ی سرباره آهکی و فلورسپار با افزودن متناوب پودر سیلیس به مذاب
3-آلیاژسازی: افزودن فروکروم (فروکروم کم کربن به مقدار بیشتر) در دو یا سه مقطع. برداشتن سرباره و دور ریختن آن

منابع کروم به منظور ذوب ریزی کروم، به صورت سنگ معدن کرومایت یا فروکروم (آلیاژ آهن-کروم) است و به صورت نوع پر کربن یا کم کربن (که گران قیمت تر است) در دسترس می باشد.
همچنین برای این کار می توان از قراضه های استنلس برای جایگزینی تمام یا بخشی از فروکروم استفاده نمود.

فرآیند وایلد

آلوین و رونالد وایلد (Alwyn and Ronald Wild) در سال 1926 از شفیلد انگلیس وارد آمریکا شدند. آنها در مرکز صنعت ورق استیل بریتانیا در زمینه استنلس استیل تکنیک های زیادی آموخته بودند و یک فرآیند ذوب جدید را با خود آورده بودند. این دو، شرکت فولاد هِس (Hess Steel) در بالتیمور مریلند را خریداری کردند و نام آن را به کارخانه آهن زنگ نزن تغییر دادند. بدیهی بود که این دو برادر قصد داشتند در ساخت آلیاژی کروم دار و کم کربن تمرکز کنند.
فرآیند وایلد، دو مرحله ی اول از روند معمول را که قبلاً شرح داده شد، دنبال می کرد. با این حال، به جای افزودن فروکروم در مرحله سوم، سرباره اکسیدی با سنگ کروم (کرومیت) و فروسیلیس جایگزین شد. فلز کروم از واکنش سنگ معدن با سیلیسیم احیا می شد و بدون افزودن سیلیسیم اضافی، با مذاب آلیاژ می شد. 
پس از ده ها ذوب آزمایشی، مشاهده شد که این میزان کربنِ پایین، برای ساخت آهن زنگ نزن کافی نمی باشد. شرکت وایلد محصولی که قابل فروش باشد ارائه نداد و در سال 1930 ورشکست شد و دیگر هرگز خبری از آنها نشد. کلارنس ایوینگ تاتل (Clarence Ewing Tuttle) شرکت آهن زنگ نزن را خریداری کرد.

فرآیند ضد زنگ کردن

اِی.اِل. فیلد (A.L. Feild) (شکل 15)، که در راستای فعالیت برادران وایلد کار می کرد، اصول بنیادیِ آنچه که به عنوان "فرآیند ضد زنگ کردن" شناخته می شود را در سال 1926 در کانتون اوهایو پایه گذاری کرد. این فرآیند مختص ساخت ورق استیل کروم دارِ کم کربن بود و تضمین می کرد که برخلاف فرآیند تولید استنلس استیل با استفاده از فروکروم کم کربن، بسیار ارزانتر می باشد.
فیلد این اصول را با استفاده از یک کوره قوس الکتریکی دو تنی از نوع هرولت در سال 1927 به مرحله آزمایش گذاشت و آن را با موفقیت به انجام رساند. (پل هرولت -Paul Hèroult-، دانشمندی فرانسوی که کوره قوس الکتریکی را با هدف تولید فولاد در سال 1900 اختراع کرد). کوره ای از نوع هرولت در شکل 38 نشان داده شده است.

شکل 38- کوره شش تنی نوع هرولت. منبع: اِی.اِل. فیلد، تولید آهن ضد زنگ با استفاده از فروکروم، قراضه یا سنگ معدن، متال پروگرس، فوریه 1933، ص 15

در سال 1929، فیلد با استفاده از یک کوره ی شش تنی در لاکپورت نیوریورک، موفق به تولید آهن زنگ نزن با قابلیت تجاری شد. در آن زمان، اصطلاح آهن زنگ نزن به آنچه امروزه استنلس استیل فریتی می نامیم، اطلاق می شد. بعدها کلارنس تاتل، فیلد را به محل کارخانه شرکت آهن زنگ نزن در بالتیمور آورد. فیلد در آنجا اقدام به ایجاد یک شرکت عظیم استنلس استیل نمود.

از دیدگاه یک متالورژیست، فرآیند ضد زنگ کردن به سه دلیل مورد توجه می باشد:
•    استفاده غیرمعمول از کرومیت (سنگ کروم) به عنوان آستر کوره
•    اعمال حرارت تا دماهای خیلی بالا به منظور احیای کربن با حداقل اتلاف کروم
•    برگشت دادن کروم با افزودن فروسیلیسیم به مذاب (در غیر اینصورت در سرباره از بین می رود)

نام این شرکت به "آهن و فولاد زنگ نزن" تغییر یافت.  این شرکت پس از دعاوی قضایی قابل توجه با شرکت فولاد ضد زنگ آمریکا و تحمل هزینه ای نیم میلیون دلاری، سرانجام حق ثبت اختراع فرآیند کم هزینه خود را دریافت نمود. این ثبت اختراع تا سال 1939 همچنان اعتبار داشت.
مروری بر این فرآیند توسط فیلد در مقاله "تولید آهن ضد زنگ از فروکروم، قراضه یا سنگ معدن" که در نشریه متال پراگرس، فوریه 1933، ص 13 چاپ شد، توصیف شده است. در بخشی با عنوان "انتظارات آینده"، فیلد این چنین نتیجه گیری می کند:
"اینگونه انتظار می رود که فشار اقتصادی و رقابت بین چندین فرآیند ذوب، به زودی باعث ایجاد تعادل بین نوآوری و مهارت متالورژیکی خواهد شد و همه اینها در مشخصه های تمامِ فرآیندهای ذوب متالورژیکی و اینکه کدام یک مقرون به صرفه تر است، خلاصه می شود. حتی در این صورت نیز فولادهای کروم بالا همیشه به شکل قابل توجهی گرانتر از فولادهای معمولی خواهند بود. اما اگر امکان تولید شمش های فولادی حاوی 0.10 درصد کربن و 18 درصد کروم وجود داشته باشد، به عنوان مثال با هزینه 4 تا 8 سنت در هر کیلوگرم، هیچ دلیلی وجود نخواهد داشت که فرآیند های بعدیِ عملیات حرارتی و نورد برای رسیدن به شکل نهایی ورق، استریپ یا میلگرد در مقیاس های بسیار بزرگ و برای توجیه قیمت فروش در بازار انجام گردد."
تخیلاتِ مردانِ عملگرا پر از رویا بود.

فرآیند دکربوریزاسیون اکسیژن-آرگون لینده (AOD)

در سال 1954، ویلیام اِی. کریوسکی (William A. Krivsky) مدرک دکترای خود را در زمینه تصفیه و پالایش فلزات از موسسه تکنولوژی ماساچوست دریافت کرد. بلافاصله به او پیشنهاد شد تا در آزمایشگاه تحقیقات بر روی فلزات شرکت یونیون کارباید در نیاگارا فالز نیویورک مشغول به کار شود. 
کریوسکی در ابتدای دوره کاری اش در این موسسه، ظاهراً وظایف خاصی نداشت و به همین جهت به مطالعه مقالات محققان انگلیسی در زمینه پالایش و تصفیه استنلس استیل علاقمند شد. او متوجه شد مطالعه ی اخیر ترمودینامیکی توسط ریچاردسون (Richardson) در رابطه با کروم و کربن در فولاد ضد زنگ دربرگیرنده ی نتایج متفاوتی نسبت به همان موضوع که توسط هیلتی و کرافتس (Hilty, Crafts) انجام شده بود، می باشد. آنها در تلاش برای ایجاد مقادیر متعادل کروم و کربن، گرمای القایی کمتری به ترکیب آهن-کروم-کربن در حضور اکسیژن اعمال کردند.
کریوسکی تصمیم گرفت با گسترش دامنه ی رابطه کروم و کربن در استنلس استیل، ضمن پیروی از روش کلی هیلتی و کرافتس، اختلاف بین این دو مقاله را حل کند.
او در ابتدا با کوره ای القایی با ظرفیت 45 کیلوگرم شروع به کار کرد و هنگام دمیدن اکسیژن به داخل مذاب، متوجه شد به دلیل واکنش گرمازا نمی تواند دمای بالای تولید شده ناشی از اکسیژن را کنترل کند. او آزمایشات بیشتری انجام داد و در آن اكسیژن را با آرگون رقیق نمود و بلافاصله متوجه شد سطح كربن بسیار كمتر از آن مقداریست كه توسط ریچاردسون یا هیلتی و کرافتس پیش بینی شده بود. کریوسکی می دانست که در حال انجام کاری بزرگ است.
آزمایشات بیشتر، نتایج کریوسکی را تأیید کرد و او متوجه شد امکان انجام یک فرآیند جدید تولید فولاد که می تواند محتوای کربن در استنلس استیل را به شدت کاهش دهد، وجود دارد. تقاضای فزاینده ای برای گریدهای استنلس استیل خیلی کم کربن (ELC) وجود داشت، اما با توجه به دمای بالای به کار رفته در این فرآیند که منجر به کاهش راندمان در تولید مجدد و کاهش عمر پوشش نسوز کوره ها می شد، هزینه های تولید بسیار سنگین بود. ایده رقیق کردن آرگون روشی برای تولید این گریدهای کم کربن فراهم کرد که برای به حداقل رساندن آسیب به فولاد در اثر رسوب کاربیدها لازم بود. 
کریوسکی در 27 ژوئن 1956 درخواست ثبت اختراع خود برای سیستم AOD را ثبت نمود. این ثبت اختراع مورد مناقشه قرار گرفت و ۱۰ سال طول کشید تا در نهایت در تاریخ 24 مِی 1966 اعطا گردید. با این حال، این تأخیر در ثبت اختراع باعث خوشبختی بود، چون فرآیند AOD چیزی در حدود 11 سال طول کشید تا تکمیل شود. 
علاوه بر این، لازم به ذکر است فرآیند اصلی فولادسازی در کوره اکسیژن برای فولادهای آلیاژی و کربنی به سرعت در حال افزایش بود و منجر به افزایش فوق العاده ای در تولید اکسیژن توسط فرآیند میعان هوا شده بود. با تغییراتی جزئی، بازیابی آرگون از هوا با هزینه ای مناسب نیز امکان پذیر بود. هوا تقریباً حاوی یک درصد آرگون می باشد. آرگون گازی بی اثر است و کمی سنگین تر از اکسیژن می باشد. این ملاحظات منجر به ایجاد فرآیند AOD لینده شد.
شرکت لینده، تولید کننده گازهای صنعتی، تأمین کننده عمده ی اکسیژن و گازهای آرگون و یکی از شرکت های تابعه یونیون کارباید بود. 
کریوسکی روند کار را از یک کوره 45 کیلوگرمی به کوره ای یک تنی افزایش داد که البته نتایج مطلوبی نیز به همراه داشت. فرآیند کار اینگونه بود که استنلس استیل به کوره قوسی تغذیه و به جای استفاده از اکسیژن خالص، مخلوط های اکسیژن-آرگون به مذاب تزریق می شد. 
آزمایشات در استلایت هاینز. سپس تصمیم بر این شد که این فرآیند در کوره های سه و پنج تنی که در شرکت استلایت هاینز در کوکوموی ایندیانا موجود بود، تحت آزمایش قرار گیرد. آنها بعدها بخشی از یونیون کارباید شدند. در سال 1911، الوود هاینز، استلایت و استنلس استیل را در کوکومو اختراع کرد، تقریباً همان زمان که هری بریرلی در انگلیس فولاد ضد زنگ را اختراع کرده بود. هاینز شرکت استلایت هاینز را تأسیس کرد، اما به جز زمانی که مدیر شرکت فولاد ضد زنگ آمریکا بود، هرگز درگیر تجارت فولاد ضد زنگ نشد.
از همان ابتدا در توزیع یکنواخت آرگون و اکسیژن در سراسر مذاب مشکلاتی به وجود آمد (این تزریق توسط لنس هایی با تنظیمات مختلف انجام می شد). اگرچه لنسینگ اکسیژن، زمانی که به سطح حمام مذاب دمیده می شد، موثر بود، اما مشخص شد که آرگون نیاز به تزریق شدن دارد. هنگامی که تزریق انجام شد، علیرغم تلاش برای پوشاندن لنس ها با پوشش های نسوز از انواع مختلف، پاشش قابل توجهی از فلز و فرسایش لنس ها اتفاق افتاد. تصور بر این بود که این مشکلات می توانند با استفاده از کوره ای بزرگتر از کوره های پنج تنی هاینز حل شوند.
یونیون کارباید به مرحله ای رسیده بود که به یک شریک تجاری با کوره های بزرگتر و علاقمند به انجام کاری مشترک به منظور کشف فرآیند جدید تولید فولاد نیاز داشت. درخواست ها ارسال شد و هیچ یک از تولیدکنندگان بزرگ استنلس استیل، علاقه ای به این موضوع نشان ندادند، اما شرکت فولاد جوسلین، که تولیدکننده ای کوچک در فورت وین ایندیانا بود، تصمیم به پذیرش این چالش گرفت. یونیون کارباید و جوسلین در سال 1960 قراردادی امضا کردند.
کریوسکی فهمید که کارش با فرآیند AOD به اتمام رسیده است. وی پیشنهاد انتصاب به سمت معاونت و مدیریت کل شرکت براش بریلیوم در ردینگ پنسیلوانیا را پذیرفت. کریوسکی در آن زمان تقریباً 30 ساله بود.
آزمایشات بر روی AOD در شرکت فولاد جوسلین ادامه یافت. کارزار توسعه فرآیند AOD در ششمین سال خود بود. در جوسلین (Joslyn)، آزمایشات از تست درکوره های 5 تنی استلایت هاینز به تست در کوره های 15 تنی رسید. با این حال، اولین آزمایشات انجام شده کاملاً با شکست مواجه شد. اکسیژن و آرگون نمی توانستند به طور یکسان در سرتاسر مذاب پخش شوند. با اینکه توجه زیادی به موضوع لنس شد، اما هرگز میزان گرمای تولید شده موفقیت آمیز نبود، چون مساحت سطح برای حصول توزیع یکنواخت گازها در سراسر مذاب بسیار زیاد بود. تست در مقیاس بزرگ متوقف شد و کار در مقیاس آزمایشگاهی ادامه یافت.
تصمیم بر این شد که تنها راه حل، ساخت یک مخزن تصفیه جداگانه می باشد. اولی یک مخزن 75/0 تنی بود که امکان دمش اکسیژن از بالا و دمش آرگون از پایین از طریق یک نازل را فراهم می کرد. پس از فرآیند پالایش، نتایج بدست آمده عالی بود و تمامی نتایجی که قبلاً در بُعد آزمایشگاهی بدست آمده بود را در برمی گرفت. اکسیژن، میزان کربن را به سطح بسیار پایینی کاهش داد. 
با این وجود، تمایل زیادی به ساخت مخزن دوم برای اعمال فرآیند آرگون-اکسیژن وجود نداشت. با بازگشت به کار با کوره قوسی، آنها 45 مرحله ذوب در کوره 15 تنی با استفاده از لنس با تنظیمات مختلف را امتحان کردند اما هیچکدام نتیجه ای در برنداشت. 
سرانجام یونیون کارباید و جوسلین تصمیم به ساخت یک مخزن تصفیه جداگانه گرفتند. آنچه در آن زمان درک نشده بود، این بود که مخزن دوم ظرفیت ذوب را دو برابر می کرد. یک کوره 15 تنی با چند نازل ساده در سال 1962 ساخته شد. پنج سال بعد از آنها، آزمایشات بی شماری انجام شد که همگی با شکست مواجه شدند. بارها تصمیم بر این شد که ادامه این کار بی فایده است، اما آنها این مسیر را ادامه دادند.
در 24 اکتبر 1967، اولین ذوب کاملِ استنلس استیل به منظور استفاده موفقیت آمیز از فرآیند AOD ریخته شد. زمان تصفیه فقط 58 دقیقه بود. پس از آزمایش ترکیب شیمیایی، محتوای کربن 0.008 درصد، کروم 18.63 درصد و اکسیژن 120 ppm بود.این دستاوردی بود که دستیابی به آن 13 سال طول کشید.
شرکت استنلس استیل جوسلین سپس در سال 1968 یک مخزن تجاریِ تمام عیار ساخت. این مخزن تصفیه 2.7 متر قطر و حدوداً 4 متر ارتفاع داشت. دو نازل در قسمت پایین پشت مخزن نصب شده بود. در طول سال 1968، 100 عملیات ذوب ریزی در این واحد انجام شد که نتایج زیر را دربرداشت:

•    "این فرآیند از نظر اقتصادی بسیار مقرون به صرفه است."
•    "تغذیه کوره الکتریکی می تواند با ارزانترین نوع کروم و نیکل، بدون هیچ محدودیتی در سطح اولیه کربن یا سیلیسیم موجود در آنها انجام شود."
•    "سطح بازیابی کروم بسیار بالا و چیزی در حد 97 درصد شد."
•    "استفاده از سیلیسیم برای بازیابی فلزات اکسید شده 40 درصد کاهش یافت."

جوسلین سپس این واحد تولیدی را اصلاح نمود و کل تولیدشان را در جولای 1969 به فرآیند AOD اختصاص داد. در دسامبر سال بعد، متالورژیست های جوسلین نتایج 1300 عملیات ذوب ریزی را در کنفرانس سالانه کوره های الکتریکی در پیتسبورگ، گزارش دادند.
دکربوریزاسیون با استفاده از فرآیند AOD به این معنی بود که می شد آلیاژهای ELC (با 0.03 درصد کربن یا کمتر) تولید نمود، در نتیجه کربن اضافی که موجب رسوب قابل توجه کاربیدهای کروم در هنگام جوشکاری، عملیات حرارتی و کار در دماهای بین 480 تا 815 درجه سانتی گراد می شود، حذف یا کاهش داده می شد. رسوب کمتر کاربیدهای کروم به این معنی است که مقدار کافی کروم در محلول جامد باقی می ماند و بنابراین برای تشکیل اکسیدهای کروم برای محافظت فولاد در برابر خوردگی در دسترس خواهد بود. در آلیاژهای ELC محتوای کربن در سطوح بسیار پایینی قرار دارد. این موضوع باعث می شود کربن های اضافی با کروم موجود در مرزدانه ها تشکیل رسوب ندهد و در آن نواحی کروم تخلیه نگردد. سایر مزایای فرآیند AOD عبارتند از:

•    افزایش بهره وری به میزان دو برابر.
•    دمای پایین تصفیه باعث کاهش هزینه های نسوز می شود.
•    حذف عملیات تصفیه و نهایی از کوره قوس، بیشتر از جبران هزینه های عملیاتی AOD می باشد.
•    عملکرد عناصر آلیاژی فلزی افزایش می یابد.
•    سرب در سطوح بسیار پایین و کمتر از 0.007 درصد نگه داشته می شود.
•    سطح گوگرد، اکسیژن، هیدروژن و نیتروژن بسیار کمتر از حد ممکن می باشد.
•    سازگاری، کنترل و قابلیت تکرار پذیری، باعث بهبود شکل پذیری، مقاومت در برابر خستگی و ماشینکاری بسیاری از آلیاژها می شود.
•    افزودن نیتروژن در محدوده بسیار نزدیک برای تولید آلیاژهای جدید نیتروژن-سخت شونده امکان پذیر است.
•    اصلاحات فرآیند، امکان تولید آلیاژهای جدید را ایجاد می کند.

شروع تجارت AOD. در اوایل سال 1970 ، یونیون کارباید و لینده با تقریباً تمام تولیدکنندگان عمده فولاد ضد زنگ در جهان تماس گرفتند و پیشنهاد دادند که مجوز استفاده از این فرآیند جدید را در اختیارشان بگذارند. آنها همچنین پیشنهاد نمایشی تجربی در کارخانه جوسلین واقع در فورت وین را ارائه دادند. با وجود تبلیغات فراوانی که برای فرآیند AOD انجام شد، یافتن مشتری برای آن مدت زمان زیادی به طول انجامید. افزودنِ یک گام دیگر به فرآیند تولید و ایده پرداخت هزینه برای هر تن فولاد تولید شده، از موانعی بود که به راحتی امکان غلبه بر آنها وجود نداشت.
یونیون کارباید میلیون ها دلار سرمایه گذاری کرده بود و 13 سالِ طولانی را صرف توسعه آنچه در نهایت به یکی از مهمترین اکتشافات تولید فولاد در قرن بیستم بدل شده بود، صرف نمود. البته جوسلین نیز در آوریل 1968، بلافاصله مجوز خود را دریافت کرد. آنها مشتاق بودند تا آنچه را که به دست آورده اند، به نمایش بگذارند.
در ژانویه 1970، استلایت هاینز دومین شرکتی بود که مجوز استفاده از این فرآیند را دریافت کرد و پس از آن ایسلا ویولای ایتالیا در جولای 1970، الکترآلوی اویل سیتی پنسیلواینا در سپتامبر و شرکت فولاد ضدزنگ شرقی در مریلند، در دسامبر 1970 در رده های بعدی کسب مجوز قرار گرفتند. تنها 5 مجوز در سال 1970 تعداد بسیار کمی بود اما در سال 1971، 11 شرکت دیگر خواهان این مجوز شدند-6 شرکت آمریکایی و 5 شرکت خارجی.
در سال 1973، یونیون کارباید پیش بینی کرد که 50 درصد از استنلس استیل در نهایت توسط فرآیند AOD تولید خواهد شد. آنها در این زمینه اشتباه می کردند، چون این عدد به 33 درصد نزدیک بود. تا سال 1982، 79 مخزن AOD در 60 کارخانه فولاد در سراسر جهان نصب شد و 24 کارخانه ریخته گری، تعداد 24 مخزن اضافی در کارخانه های خود نصب نمودند. تا سال 2000، بیش از 10 مخزن AOD در کارخانه های مختلف نصب شده بود.
دیگر پیشرفت های تصفیه فولاد. توسعه ی فرآیند AOD منجر به توسعه انواع دیگر مبدل ها شد. این توسعه ها، پیشرفت های مهمی محسوب می شد، اما هیچ یک به اندازه AOD موفق نبودند. این فرآیندها شامل موارد زیر می باشد:

•    فرآیند KCB-S توسط Krupp
•    فرآیند K-BOP توسط فولاد کاوازاکی
•    فرآیند K-OBM توسط Voest Alpine
•    فرآیند MRP توسط Manesmann Demag
•    فرآیند CLU توسط Creusot-Loire-Uddeholm
•    فرآیند Sumitomo STB
•    فرآیند TMBI توسط Allegheny Ludlum
•    فرآیند VODC توسط Thyssen
•    فرآیند AOD/VCR توسط Daido

همچنین فرآیندهای سه گانه ی سه مرحله ای با استفاده از یک کوره قوس الکتریکی، یک مبدل برای پیش احتراق و یک واحد تخلیه دیکربوریزاسیون برای فرآیند تصفیه نهایی وجود دارد.