صناعة الصلب بالأكسجين الأساسي

صناعة الصلب بالأكسجين الأساسي ( BOS ، BOP ، BOF ، أو OSM )، والمعروفة أيضًا باسم صناعة الصلب بتقنية لينز-دوناويتز أو عملية محول الأكسجين ، ^{[ 1 ]} هي طريقة أساسية لصناعة الصلب، حيث يُحوّل الحديد الزهر المنصهر الغني بالكربون إلى صلب . يؤدي نفخ الأكسجين عبر الحديد الزهر المنصهر إلى خفض محتوى الكربون في السبيكة وتحويلها إلى صلب منخفض الكربون . تُعرف هذه العملية بالأساسية لأن مواد صهر مثل أكسيد الكالسيوم أو الدولوميت ، وهي قواعد كيميائية ، تُضاف لتعزيز إزالة الشوائب وحماية بطانة المحول. ^{[ 2 ]}

ابتكر المهندس السويسري روبرت دورر هذه العملية عام 1948 ، وسُوِّقت تجاريًا في الفترة ما بين 1952 و1953 من قِبَل شركتي صناعة الصلب النمساويتين VOEST وÖAMG . يُعدّ محوّل LD، الذي سُمّي نسبةً إلى مدينتي لينز ودوناويتز النمساويتين (إحدى ضواحي ليوبن )، نسخةً مُحسّنة من محوّل بسمر ، حيث يستبدل نفخ الهواء بنفخ الأكسجين. وقد ساهم هذا المحوّل في خفض التكاليف الرأسمالية للمصانع وتقليل وقت الصهر، وزيادة إنتاجية العمل. بين عامي 1920 و2000، انخفضت متطلبات العمل في هذه الصناعة بمقدار ألف ضعف، من أكثر من 3 ساعات عمل لكل طن متري إلى 0.003 ساعة فقط. ^{[ 3 ]} وبحلول عام 2000، شكّل فرن الأكسجين الأساسي 60% من إنتاج الصلب العالمي. ^{[ 3 ]}

تستطيع الأفران الحديثة استيعاب شحنة من الحديد تصل إلى 400 طن ^{[ 4 ]} وتحويلها إلى فولاذ في أقل من 40 دقيقة، مقارنة بـ 10-12 ساعة في فرن الموقد المفتوح .

تطورت عملية الأكسجين الأساسية خارج بيئة "صناعة الصلب الكبرى" التقليدية. وقد طورها وصقلها رجل واحد، هو المهندس السويسري روبرت دورر ، وقامت بتسويقها شركتان صغيرتان للصلب في النمسا التي كانت تحت الاحتلال الحليف ، والتي لم تكن قد تعافت بعد من دمار الحرب العالمية الثانية . ^{[ 5 ]}

في عام 1856، حصل هنري بسمر على براءة اختراع لعملية صناعة الصلب التي تعتمد على نفخ الأكسجين لإزالة الكربون من الحديد المنصهر (براءة الاختراع البريطانية رقم 2207). ولما يقرب من مئة عام، لم تكن كميات الأكسجين التجارية متوفرة أو كانت باهظة الثمن، ولذلك اعتمدت صناعة الصلب على نفخ الهواء. وخلال الحرب العالمية الثانية، اقترح مهندسون ألمان (كارل فاليريان شوارتز) وبلجيكيون ( جون مايلز ) وسويسريون ( روبرت دورر وهينريش هايلبروج ) نسخهم الخاصة من صناعة الصلب باستخدام نفخ الأكسجين، ولكن دورر وهيلبروج فقط هما من نجحا في تطبيقها على نطاق واسع. ^{[ 5 ]}

في عام 1943، عاد دورر، الأستاذ السابق في جامعة شارلوتنبورغ التقنية ( جامعة برلين التقنية حاليًا)، إلى سويسرا وانضم إلى مجلس إدارة شركة رول إيه جي ، أكبر مصنع للصلب في البلاد. وفي عام 1947، اشترى أول محول تجريبي صغير بوزن 2.5 طن من الولايات المتحدة، وفي 3 أبريل 1948، أنتج المحول الجديد أول دفعة من الصلب. ^{[ 5 ]} وقد أتاحت هذه العملية الجديدة معالجة كميات كبيرة من الخردة المعدنية بسهولة باستخدام نسبة ضئيلة فقط من المعدن الخام. ^{[ 6 ]} وفي صيف عام 1948، اتفقت شركة رول إيه جي وشركتان نمساويتان مملوكتان للدولة، وهما فويست وأو إيه إم جي، على تسويق عملية دورر. ^{[ 6 ]}

بحلول يونيو 1949، طورت شركة VÖEST نسخة معدلة من عملية دورر، عُرفت باسم عملية LD (لينز-دوناويتز). ^{[ 7 ] [ 8 ]} وفي ديسمبر 1949، التزمت شركتا VÖEST وÖAMG ببناء أول محولات أكسجين بسعة 30 طنًا. ^{[ 8 ]} وبدأ تشغيلها في نوفمبر 1952 (VÖEST في لينز) ومايو 1953 (ÖAMG، دوناويتز) ^{[ 8 ]} ، وأصبحت مؤقتًا في طليعة صناعة الصلب العالمية، مما أدى إلى طفرة في الأبحاث المتعلقة بالصلب. ^{[ 9 ]} زار 34 ألفًا من رجال الأعمال والمهندسين محول VÖEST بحلول عام 1963. ^{[ 9 ]} قللت عملية LD من وقت المعالجة والتكاليف الرأسمالية لكل طن من الصلب، مما ساهم في الميزة التنافسية للصلب النمساوي. ^{[ 7 ]} وفي النهاية، حصلت VÖEST على حقوق تسويق هذه التقنية الجديدة. ^{[ ٨ ]} أدت أخطاء إدارة شركتي VÖEST وÖAMG في ترخيص تقنيتهما إلى استحالة السيطرة على تبنيها في اليابان . وبحلول نهاية الخمسينيات، فقد النمساويون ميزتهم التنافسية. ^{[ ٧ ]}

في عملية الصهر التقليدية، كان يُضخ الأكسجين فوق الحديد المنصهر عبر فوهة مبردة بالماء لأنبوب رأسي. وفي ستينيات القرن العشرين، أدخلت شركات صناعة الصلب محولات النفخ السفلي وطورت تقنية نفخ الغاز الخامل لتحريك المعدن المنصهر وإزالة شوائب الفوسفور . ^{[ 3 ]}

في الاتحاد السوفيتي، أُجريت بعض التجارب لإنتاج الصلب باستخدام هذه العملية عام 1934، إلا أن استخدامها على نطاق صناعي تعثر بسبب نقص التكنولوجيا الفعالة لإنتاج الأكسجين السائل. وفي عام 1939، أتقن الفيزيائي الروسي بيوتر كابيتسا تصميم التوربين الطارد المركزي . وبدأ استخدام هذه العملية في الفترة ما بين 1942 و1944. ومنذ ذلك الحين، استندت معظم التوربينات المستخدمة صناعيًا إلى تصميم كابيتسا، واستحوذت التوربينات الطاردة المركزية على ما يقارب 100% من عمليات تسييل الغازات الصناعية، ولا سيما إنتاج الأكسجين السائل لصناعة الصلب. ^{[ 10 ]}

تأخرت شركات صناعة الصلب الأمريكية الكبرى في تبني هذه التقنية الجديدة. أُطلقت أولى محولات الأكسجين في الولايات المتحدة في نهاية عام 1954 من قِبل شركة ماكلوث ستيل في ترينتون، ميشيغان ، والتي كانت تُشكّل أقل من 1% من سوق الصلب الوطني. ^{[ 3 ]} وقدّمت شركتا يو إس ستيل وبيت لحم ستيل عملية الأكسجين في عام 1964. ^{[ 3 ]} وبحلول عام 1970، كان نصف إنتاج الصلب العالمي و80% من إنتاج الصلب الياباني يُنتج باستخدام محولات الأكسجين. ^{[ 3 ]}

في الربع الأخير من القرن العشرين، استُبدل استخدام محولات الأكسجين الأساسية في إنتاج الصلب تدريجيًا، وبشكل جزئي، بأفران القوس الكهربائي التي تستخدم خردة الصلب والحديد. في اليابان، انخفضت حصة عملية LD من 80% عام 1970 إلى 70% عام 2000؛ بينما استقرت حصة عملية الأكسجين الأساسية عالميًا عند 60%. ^{[ 3 ]}

تُعدّ صناعة الصلب بالأكسجين عملية أساسية لتحويل الحديد الزهر المنصهر إلى صلب، وذلك بنفخ الأكسجين عبر أنبوب فوق الحديد الزهر المنصهر داخل المحوّل. وتتولد حرارة طاردة للحرارة نتيجة تفاعلات الأكسدة أثناء النفخ.

تتلخص عملية صناعة الصلب بالأكسجين الأساسية فيما يلي:

1. يتم صب الحديد الزهر المنصهر ( الذي يشار إليه أحيانًا باسم "المعدن الساخن") من فرن الصهر في وعاء كبير مبطن بمادة حرارية يسمى المغرفة .
2. يُرسل المعدن الموجود في المغرفة مباشرةً إلى عملية تصنيع الصلب بالأكسجين الأساسي، أو إلى مرحلة معالجة أولية لإزالة الكبريت والسيليكون والفوسفور قبل إدخال المعدن المنصهر إلى المحوّل. في المعالجة الأولية لإزالة الكبريت الخارجية، يُغمر أنبوب في الحديد المنصهر في المغرفة ، وتُضاف مئات الكيلوغرامات من مسحوق المغنيسيوم لتقليل شوائب الكبريت إلى كبريتيد المغنيسيوم في تفاعل طارد للحرارة عنيف. ثم يُزال الكبريتيد . يمكن إجراء معالجات أولية مماثلة لإزالة السيليكون والفوسفور الخارجية باستخدام قشور الحديد ( أكسيد الحديد ) والجير كمواد صهر . يعتمد قرار المعالجة الأولية على جودة المعدن المنصهر والجودة النهائية المطلوبة للصلب.
3. تُسمى عملية ملء الفرن بالمكونات "الشحن" . عملية الأكسدة بالصهر الذاتي (BOS) ذاتية التوليد، أي أن الطاقة الحرارية اللازمة تُنتج أثناء عملية الأكسدة. يُعد الحفاظ على توازن الشحنة الصحيح ، أي نسبة المعدن المنصهر إلى الخردة الباردة، أمرًا بالغ الأهمية. يمكن إمالة وعاء الأكسدة بالصهر الذاتي حتى 360 درجة، ويُمال باتجاه جانب إزالة الخبث لشحن الخردة والمعدن المنصهر. يُشحن وعاء الأكسدة بالصهر الذاتي بخردة الصلب أو الحديد (25-30%)، إذا لزم الأمر. يُضاف الحديد المنصهر من المغرفة حسب الحاجة لتحقيق توازن الشحنة. التركيب الكيميائي النموذجي للمعدن المنصهر المشحون في وعاء الأكسدة بالصهر الذاتي هو: 4% كربون، 0.2-0.8% سيليكون، 0.08-0.18% فسفور، و0.01-0.04% كبريت، ويمكن أكسدة جميع هذه العناصر بواسطة الأكسجين المُزوَّد باستثناء الكبريت (الذي يتطلب ظروفًا مُختزلة).
4. يُوضع الوعاء في وضع رأسي، ثم يُغمر فيه أنبوب نحاسي مُبرد بالماء، مزود بـ 3 إلى 7 فوهات، حتى يصل إلى مسافة أقدام قليلة من سطح الحوض، ويُضخ الأكسجين عالي النقاء بضغط يتراوح بين 700 و1000 كيلوباسكال (100-150 رطل لكل بوصة مربعة) بسرعة تفوق سرعة الصوت . ينفخ الأنبوب الأكسجين بنسبة نقاء 99% فوق المعدن الساخن، مما يُشعل الكربون المذاب في الفولاذ، ويرفع درجة الحرارة إلى حوالي 1700 درجة مئوية مع تكوّن أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون . يؤدي ذلك إلى صهر الخردة، وخفض محتوى الكربون في الحديد المنصهر، والمساعدة في إزالة العناصر الكيميائية غير المرغوب فيها . إن استخدام الأكسجين النقي (بدلاً من الهواء) هو ما يُحسّن عملية بسمر ، حيث لا يتفاعل النيتروجين (وهو عنصر غير مرغوب فيه) والغازات الأخرى الموجودة في الهواء مع الشحنة ولا تُقلل من كفاءة الفرن. ^{[ 11 ]}  
5. تُضاف مواد صهر ( أكسيد الكالسيوم أو الدولوميت ) إلى الوعاء لتكوين الخبث ، وذلك للحفاظ على قاعدية الخبث - أي نسبة أكسيد الكالسيوم إلى أكسيد السيليكون - عند مستوى يقلل من تآكل المواد الحرارية ويمتص الشوائب أثناء عملية صناعة الصلب. أثناء عملية النفخ، يؤدي تقليب المعدن ومواد الصهر في الوعاء إلى تكوين مستحلب يُسهّل عملية التكرير. قرب نهاية دورة النفخ، التي تستغرق حوالي 20 دقيقة، تُقاس درجة الحرارة وتُؤخذ عينات. التركيب الكيميائي النموذجي للمعدن المنفوخ هو 0.3-0.9% كربون، 0.05-0.1% منغنيز، 0.001-0.003% سيليكون، 0.01-0.03% كبريت، و0.005-0.03% فسفور.
6. يُمال وعاء التسخين باتجاه جانب الخبث، ويُصب الفولاذ عبر فتحة الصب في مغرفة فولاذية مبطنة بمادة حرارية أساسية. تُسمى هذه العملية بصب الفولاذ. يُكرر الفولاذ في فرن المغرفة بإضافة مواد مُسبِّكة لإكسابه خصائص خاصة يطلبها العميل. أحيانًا يُضخ غاز الأرجون أو النيتروجين في المغرفة لضمان امتزاج السبائك بشكل صحيح.
7. بعد سكب الفولاذ من وعاء BOS، يتم سكب الخبث في أوعية الخبث من خلال فتحة وعاء BOS ثم يتم إفراغه.

لا تزال المحولات القديمة، ذات القاع المزيف القابل للفصل والإصلاح، قيد الاستخدام. أما المحولات الحديثة، فلها قاع ثابت مزود بسدادات لتنقية غاز الأرجون. يُعد فرن تحسين الطاقة (EOF) نوعًا من أفران الأكسجين القاعدية (BOF) مرتبطًا بمسخن مسبق للخردة، حيث تُستخدم الحرارة المحسوسة في الغازات المنبعثة لتسخين الخردة مسبقًا، ويقع هذا المسخن فوق سقف الفرن.

طرأت تغييرات على الرمح المستخدم في النفخ. فقد استُخدمت رماح خالية من الخبث، ذات طرف نحاسي طويل مدبب، لتجنب انسداد الرمح أثناء النفخ. تعمل أطراف الرمح بعد الاحتراق على حرق أول أكسيد الكربون الناتج أثناء النفخ وتحويله إلى _ثاني أكسيد الكربون ، كما توفر حرارة إضافية. وللحصول على عملية صب خالية من الخبث، تُستخدم سهام وكرات حرارية وأجهزة كشف الخبث. أما المحولات الحديثة فهي مؤتمتة بالكامل، مزودة بأنماط نفخ آلية وأنظمة تحكم متطورة.

• فرن أجاكس ، تقنية الموقد المفتوح الانتقالية القائمة على الأكسجين

• وحدة "صناعة الصلب بالأكسجين الأساسية" على موقع steeluniversity.org، تتضمن محاكاة تفاعلية كاملة (مؤرشفة).
• نموذج تكلفة صناعة الصلب بالأكسجين الأساسي يوضح هيكل التكلفة النموذجي للصلب السائل