كل ما يتعلق بالفولاذ كمادة تصنيع

الصلب لاعب كبير في صناعة الأشياء. من المباني الشاهقة إلى السيارات وحتى الأدوات الصغيرة، فإن قوة الفولاذ وعمره الطويل يجعلانه الاختيار الأفضل للعديد من الوظائف. دعونا نلقي نظرة على سبب أهمية الصلب وكيف يساعد في صنع عالمنا.

لماذا يهيمن الصلب على التصنيع

الصلب هو المعدن الأكثر استخداماً في العالم. ينتج الصانعون كل عام حوالي 1.9 مليار طن من الصلب. وهذا أكثر من جميع المعادن الأخرى مجتمعة! لماذا يستخدم الناس الكثير من الصلب؟

• إنه قوي ولكن يمكن تشكيلها بسهولة
• إنه يدوم لفترة طويلة ولا ينكسر بسهولة
• إنه أرخص من العديد من المعادن الأخرى
• يمكن أن يكون معاد تدويرها مرارًا وتكرارًا

ويساعد الصلب أموال عالمنا أيضًا - فهو يضيف حوالي $2.9 تريليون دولار إلى الاقتصاد العالمي كل عام. هذا كثير من الوظائف والنمو!

ما هو الفولاذ؟ التركيب والعلم

يتكون الفولاذ في جوهره من الحديد المخلوط في الغالب مع كمية صغيرة من الكربون (بين 0.02% و2.1%). هذا المزيج يجعل الحديد أقوى بكثير. فكر في الأمر مثل إضافة القليل من الشوكولاتة إلى الحليب - فهو يغير كل شيء!

يضيف صانعو الصلب أيضًا عناصر أخرى لإعطاء الصلب قوى خاصة:

يُطلق العلماء على الفولاذ اسم "فلزات حديدية" لأنها تحتوي على الحديد. المعادن الأخرى مثل الألومنيوم والنحاس "غير حديدية" لأنها لا تحتوي على الحديد.

أنواع الصلب وتطبيقاتها

ليس كل أنواع الفولاذ متشابهة. فالأنواع المختلفة تعمل بشكل أفضل للوظائف المختلفة:

الفولاذ الكربوني

هذا هو النوع الأكثر شيوعاً، حيث يشكل حوالي 90% من إجمالي إنتاج الصلب. ويأتي في ثلاثة أنواع رئيسية:

• فولاذ منخفض الكربون (الفولاذ الطري): سهل التشكيل واللحام، يستخدم لهياكل السيارات
• فولاذ متوسط الكربون: أقوى، يستخدم لـ التصنيع الآلي باستخدام الحاسب الآلي باستخدام الحاسب الآلي في الماكينات
• فولاذ عالي الكربون: شديدة الصلابة، تستخدم لقطع الأدوات والنوابض

الفولاذ المقاوم للصدأ

يحتوي هذا الفولاذ الخاص على 10.51 تيرابايت 5 تيرابايت على الأقل من الكروم، مما يساعده على مقاومة الصدأ. هناك أنواع مختلفة:

• أوستنيتي: الأكثر شيوعاً، وتستخدم لأحواض المطبخ ومعدات الطعام
• مرتنزيتي: يمكن معالجتها بالحرارة لتكون صلبة للغاية، وتستخدم للسكاكين
• دوبلكس: قوي للغاية ضد التآكل، يستخدم في الأماكن القاسية مثل المصانع الكيميائية

فولاذ الأدوات

مصنوع لقطع وتشكيل وتشكيل وتشكيل المواد الأخرى. يظل هذا الفولاذ صلباً حتى عندما يسخن من القطع. تُستخدم لصنع أشياء مثل لقم الثقب والطوابع المعدنية.

سبائك الصلب

يحتوي هذا الفولاذ على عناصر خاصة مضافة لجعله يعمل بشكل أفضل لوظائف محددة. فتروس السيارات، على سبيل المثال، تستخدم سبائك الفولاذ مع الموليبدينوم والنيكل.

كيف يُصنع الصلب: عمليات الإنتاج

صنع الفولاذ يشبه طهي وصفة معقدة. والطريقتان الرئيسيتان لصنع الفولاذ هما:

أفران التفجير - صناعة الصلب بالأكسجين الأساسي (BF-BOS)

تصنع هذه الطريقة التقليدية حوالي 70% من الصلب في العالم:

1. يدخل خام الحديد والفحم والحجر الجيري في الفرن العالي
2. يسخن الخليط إلى حوالي 2,200 درجة فهرنهايت (1,200 درجة مئوية)
3. يخرج الحديد المنصهر
4. يذهب الحديد إلى فرن الأكسجين الأساسي حيث ينفخ الأكسجين في
5. حرق الكربون والأشياء الأخرى غير المرغوب فيها
6. يتم إضافة عناصر أخرى لصنع النوع المناسب من الصلب

فرن القوس الكهربائي (EAF)

تستخدم هذه الطريقة الأحدث في الغالب الفولاذ المعاد تدويره:

1. توضع خردة الصلب في وعاء كبير
2. أقطاب كهربائية ضخمة تخلق أقواسًا كهربائية (مثل البرق)
3. تصهر الكهرباء الفولاذ
4. تتم إضافة عناصر جديدة لجعل النوع الصحيح
5. يُصب الفولاذ في قوالب

تستخدم أفران EAF طاقة أقل بـ 60% من الأفران العالية، وهو أمر جيد لكوكبنا. وهذا يساعد لأن الصلب يمكن إعادة تدويره مرارًا وتكرارًا - في الواقع، يتم إعادة تدوير 90% من الصلب، مما يجعله أكثر المواد المعاد تدويرها على الأرض.

الخواص الحرجة للصلب

يتميز الفولاذ بميزات خاصة تجعله رائعاً للعديد من الوظائف:

الخواص الميكانيكية

• قوة الشد: مقدار قوة السحب التي يمكن أن يتحملها الفولاذ قبل أن ينكسر. يمكن أن يتحمل الفولاذ ما بين 400 و2,000 ميجا باسكال (ميجا باسكال)، وهو أقوى بكثير من الخشب أو البلاستيك.
• الليونة: مدى قدرة الفولاذ على التمدد دون أن ينكسر. وهذا يساعده على امتصاص الطاقة.
• الصلابة: يُقاس على مقياس روكويل، ويوضح هذا المقياس مدى مقاومة الفولاذ للخدوش والانبعاجات.

الخصائص الوظيفية

• التوصيل الحراري: يمكن للفولاذ نقل الحرارة، ولكن ليس مثل النحاس أو الألومنيوم.
• المغناطيسية: يمكن مغنطة معظم الفولاذ، مما يساعد في المحركات والمولدات.
• مقاومة التآكل: يقاوم بعض الفولاذ (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ) الصدأ بشكل أفضل من غيره. يمكن أن يكون الفولاذ العادي المجلفن (مطلي بالزنك) لمنع الصدأ.

المعايير

يتم التحقق من جودة الفولاذ باستخدام معايير من مجموعات مثل ASTM (الجمعية الأمريكية للاختبار والمواد) وISO (المنظمة الدولية للتوحيد القياسي) وEN (المعايير الأوروبية). هذه المعايير تضمن أن الفولاذ سيؤدي وظيفته بشكل صحيح.

أهم التطبيقات الصناعية

يعمل الفولاذ في العديد من الأماكن! وفيما يلي أكبر المستخدمين:

البناء (50% من الفولاذ بالكامل)

يستخدم الفولاذ في المباني والجسور والمنازل:

• قضبان التسليح الخرسانية (حديد التسليح)
• العوارض والأعمدة الهيكلية
• الأسقف والجوانب

يجعل الفولاذ المباني أقوى ضد الزلازل والعواصف.

السيارات (12% من الفولاذ بالكامل)

يستخدم صانعو السيارات فولاذ للتشغيل الآلي الدقيق في:

• إطارات وهياكل السيارات
• أجزاء المحرك
• التروس والمحاور

يساعد الفولاذ الجديد عالي القوة في جعل السيارات أخف وزناً وأكثر أماناً.

الطيران والفضاء

تحتاج الطائرات والصواريخ إلى فولاذ خاص:

• حافظ على قوتك في درجات الحرارة العالية والمنخفضة
• لا تزن أكثر من اللازم
• لا تنكسر من الإجهاد المتكرر

صناعة الطاقة

تحتاج توربينات الرياح، ومنصات النفط، ومحطات الطاقة إلى الفولاذ الذي يمكن:

• تحمّل الطقس القاسي
• التعامل مع القوى القوية
• تدوم لعقود

المزايا مقابل العيوب

يحتوي الفولاذ على العديد من النقاط الجيدة، ولكن به أيضاً بعض التحديات:

الإيجابيات

• طول العمر: يمكن أن تدوم الهياكل الفولاذية أكثر من 100 عام مع العناية المناسبة
• القدرة على التكيف: يمكن تحويلها إلى أي شكل تقريبًا
• كفاءة التكلفة: أرخص من العديد من المعادن ذات القوة المماثلة
• صديقة للبيئة: يمكن إعادة تدويرها عدة مرات دون فقدان الجودة

السلبيات

• التآكل: يصدأ الفولاذ العادي ما لم يكن محميًا بالطلاء
• استخدام الطاقة: يستهلك صنع الصلب الجديد من الخام الكثير من الطاقة ويؤدي إلى التلوث
• الوزن: أثقل من الألومنيوم أو المركبات
• موصل حراري: يمكن أن تفقد الحرارة في الشتاء وتكتسب الحرارة في الصيف

الابتكارات التي تشكل المستقبل

الفولاذ يتحسن باستمرار! إليك بعض التطورات الجديدة والمثيرة:

الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام الفولاذ

يمكن للماكينات الآن طباعة الأجزاء الفولاذية طبقة تلو الأخرى. وهذا يساعد في صنع:

• أشكال معقدة لم يكن من الممكن صنعها من قبل
• قطع مخصصة للفضاء والأجهزة الطبية
• نماذج أولية أسرع بكثير

الفولاذ الأخضر

طرق جديدة لصناعة الصلب بأقل تلوث:

• استخدام الهيدروجين بدلاً من الفحم لإزالة الأكسجين من خام الحديد
• التقاط ثاني أكسيد الكربون قبل أن يصل إلى الهواء
• استخدام المزيد من الصلب المعاد تدويره في أفران القوس الكهربائي

قلل مشروع HYBRIT الذي نفذته شركة SSAB من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بمقدار 90% باستخدام الهيدروجين.

الطلاءات الذكية

طلاءات جديدة تجعل الفولاذ أفضل:

• طلاءات ذاتية الالتئام تصلح الخدوش الصغيرة
• أسطح معززة بالنانو تنظف نفسها بنفسها
• الطلاءات التي يتغير لونها عندما يكون الفولاذ تحت الضغط

الأسئلة الشائعة حول الفولاذ

الخاتمة

لا يزال الفولاذ هو العمود الفقري للتصنيع الحديث لأنه يجمع بين القوة والقدرة على تحمل التكاليف وتعدد الاستخدامات أفضل من أي مادة أخرى تقريبًا. من التفريز باستخدام الحاسب الآلي لمكونات الصلب إلى العوارض الضخمة في ناطحات السحاب، يلامس الفولاذ كل جزء من عالمنا المبني تقريباً.

بينما نتطلع إلى المستقبل، فإن الابتكارات في إنتاج "الفولاذ الأخضر" و التصنيع الآلي للصلب حسب الطلب ستساعد هذه المادة المذهلة على أن تصبح أكثر استدامة مع الحفاظ على مكانتها كأهم مادة تصنيع في العالم.