صناعة الصلب

تطورت العمليات المبكرة خلال العصر الكلاسيكي في الصين والهند وروما وبين مجتمعات الصيد وجمع الثمار في شمال السويد. وكانت أقدم وسيلة لإنتاج الفولاذ هي فرن الصهر . وعلى مدار معظم تاريخ البشرية، كان إنتاج الفولاذ يتم بكميات قليلة. أما طرق إنتاج الفولاذ في أوائل العصر الحديث فكانت في الغالب كثيفة العمالة وتتطلب مهارات عالية. وقد أتاحت عملية بسمر والتطورات اللاحقة للفولاذ أن يصبح جزءًا لا يتجزأ من الاقتصاد العالمي. ^{[ 4 ]}

أوروبا

في القرن الخامس عشر، طُوّرت في أوروبا عملية التكرير ، التي تشترك في مبدأ نفخ الهواء مع عملية بسمر. كما صُنع الفولاذ عالي الجودة بعملية عكسية، وهي إضافة الكربون إلى الحديد المطاوع الخالي من الكربون ، والذي كان يُستورد عادةً من السويد. تضمنت عملية التصنيع، المسماة عملية التصليد ، تسخين قضبان الحديد المطاوع مع الفحم لفترات تصل إلى أسبوع في صندوق حجري طويل، مما أنتج فولاذًا مُفقاعًا. وُضع هذا الفولاذ المُفقاع في بوتقة مع الحديد المطاوع وصُهر، مُنتجًا فولاذًا بوتقيًا . كان يُحرق ما يصل إلى 3 أطنان من فحم الكوك (الذي كان باهظ الثمن آنذاك) لكل طن من الفولاذ المُنتج. عند دحرجته إلى قضبان، كان يُباع هذا الفولاذ بسعر يتراوح بين 50 و60 جنيهًا إسترلينيًا (ما يُعادل تقريبًا 3390 إلى 4070 جنيهًا إسترلينيًا في عام 2008) ^{[ 11 ]} للطن الطويل . كان الجزء الأصعب والأكثر مشقة في العملية هو إنتاج الحديد المطاوع في أفران التكرير في السويد.

في عام ١٧٤٠، طوّر بنجامين هانتسمان تقنية البوتقة لصناعة الصلب في ورشته في هاندسوورث ، إنجلترا. وقد حسّنت هذه العملية بشكل كبير كمية ونوعية إنتاج الصلب. إلا أنها أضافت ثلاث ساعات إلى وقت الصهر، وتطلّبت كميات كبيرة من فحم الكوك. في صناعة الصلب بالبوتقة، كانت قضبان الصلب المُشكّلة تُكسّر إلى قطع صغيرة وتُصهر في بوتقات صغيرة، تحتوي كل منها على حوالي ٢٠  كيلوغرامًا. وقد أنتجت هذه الطريقة معدنًا عالي الجودة، ولكنها زادت من التكلفة.

قلّصت عملية بسمر الوقت اللازم لإنتاج الفولاذ منخفض الجودة إلى حوالي نصف ساعة، مع استخدام كمية كافية من فحم الكوك لصهر الحديد الزهر فقط . أنتجت محولات بسمر الأولى الفولاذ بسعر 7 جنيهات إسترلينية للطن الطويل، على الرغم من أنه كان يُباع في البداية بحوالي 40 جنيهاً إسترلينياً للطن.

اليابان

ربما استخدم اليابانيون عملية مشابهة لعملية بسمر، كما لاحظها الرحالة الأوروبيون في القرن السابع عشر. ^{[ 10 ]} يصف المغامر يوهان ألبريشت دي ماندلسلو هذه العملية في كتاب نُشر باللغة الإنجليزية عام 1669. يكتب: "لديهم، من بين أمور أخرى، اختراع خاص لصهر الحديد دون استخدام النار، حيث يصبونه في برميل مجوف من الداخل بطبقة من التراب سمكها حوالي نصف قدم، ويحافظون عليه مع نفخ مستمر، ثم يخرجونه بالمغارف، ليشكلوه بالشكل الذي يرغبون فيه". يذكر فاغنر أن ماندلسلو لم يزر اليابان، لذا فمن المرجح أن وصفه للعملية مستمد من روايات أخرى. ويشير فاغنر إلى أن العملية اليابانية ربما كانت مشابهة لعملية بسمر، لكنه يحذر من وجود تفسيرات بديلة محتملة. ^{[ 10 ]}

بحلول أوائل القرن التاسع عشر، انتشرت عملية التكوير على نطاق واسع. في ذلك الوقت، كانت حرارة العملية منخفضة للغاية بحيث لا تسمح بإزالة شوائب الخبث تمامًا ، لكن الفرن العاكس مكّن من تسخين الحديد دون وضعه مباشرة في النار، مما وفر بعض الحماية من الشوائب الموجودة في مصدر الوقود. ثم بدأ الفحم يحل محل الفحم النباتي كوقود.

بحلول خمسينيات القرن التاسع عشر، سمحت عملية بسمر بإنتاج الفولاذ دون وقود، باستخدام شوائب الحديد لتوليد الحرارة اللازمة. وقد أدى ذلك إلى خفض التكاليف بشكل كبير، ولكن لم يكن من السهل دائمًا العثور على المواد الخام ذات الخصائص المطلوبة. ^{[ 12 ]}

تُستخدم المغارف عادةً في الخطوة التالية . تشمل عمليات المغارف إزالة الأكسدة (أو "القتل")، وإزالة الغازات بالتفريغ، وإضافة السبائك، وإزالة الشوائب، وتعديل التركيب الكيميائي للشوائب، وإزالة الكبريت، والتجانس. من الشائع إجراء عمليات المغارف في مغارف مُحَرَّكة بالغاز مع تسخين القوس الكهربائي في غطاء الفرن. يُنتج التحكم الدقيق في خصائص معادن المغارف أنواعًا عالية من الفولاذ بتفاوتات ضيقة. ^{[ 13 ]}

قبل أن يتم دحرجة الفولاذ، يجب أن يتم تجميده.

• الصب المستمر : هذه هي الطريقة السائدة المستخدمة في أكثر من 95% من الإنتاج العالمي. ^{[ 21 ]} يتدفق الفولاذ المنصهر من مغرفة إلى وعاء الصب، ثم يمر عبر قالب نحاسي مبرد بالماء . يخرج الفولاذ على شكل خيط متصل شديد السخونة، يتم فرده وتقطيعه. ينتج عن ذلك أشكال قياسية مثل الألواح (للمنتجات المسطحة)، والكتل (للمقاطع الهيكلية)، والقضبان (للمنتجات الطويلة كالأسلاك).
• صب السبائك : في هذه العملية القديمة التي تعتمد على الدفعات، يُصب الفولاذ في قوالب ثابتة. ولا تزال تُستخدم حتى اليوم لأنواع معينة من الفولاذ عالي السبائك أو للمكونات الضخمة للغاية (مثل أعمدة المولدات) التي تتجاوز القدرة الفيزيائية لآلات الصب المستمر. ^{[ 22 ]}

يخضع الفولاذ المتصلب لعمليات تشكيل ميكانيكية للوصول إلى أبعاده النهائية وخصائصه الميكانيكية.

• الدرفلة على الساخن : يُسخّن الفولاذ فوق درجة حرارة إعادة التبلور ويُمرر عبر بكرات ثقيلة. هذا يقلل من سمك المعدن ويُحسّن بنية الحبيبات الداخلية، مما يزيد من المتانة .
• الدرفلة على البارد : تتم هذه العملية في درجة حرارة الغرفة، مما يقلل من السماكة ويحسن من جودة السطح ويزيد من قوة الشد من خلال التصلب بالإجهاد .
• الطلاء: لمنع التآكل ، غالبًا ما يُطلى الفولاذ المُصنّع. تشمل الطرق الشائعة الجلفنة بالغمس الساخن (الطلاء بالزنك ) لمواد البناء والطلاء الإلكتروليتي بالقصدير للتغليف.

تعد عمليات تعدين الفحم وخام الحديد كثيفة الاستهلاك للطاقة وتضر بمحيطها، مخلفة وراءها التلوث وفقدان التنوع البيولوجي وإزالة الغابات وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري.

تزيل أفران الصهر الأكسجين والعناصر النزرة من الحديد وتضيف كمية ضئيلة من الكربون عن طريق صهر خام الحديد عند درجة حرارة 1700 درجة مئوية (3090 درجة فهرنهايت) في وجود الأكسجين الجوي وفحم الكوك. وينتقل الأكسجين من الخام بواسطة الكربون الموجود في فحم الكوك على شكل ثاني أكسيد الكربون (CO₂).  _2. التفاعل:

Fe₂ O₃ (ق) + 3 CO (ز) → 2 الحديد (ق) + 3CO₂ (ز)

يحدث التفاعل بسبب أول أكسيد الكربون_{يتمتع المركب 2} بحالة طاقةأقل (مفضلة)مقارنةًبأكسيد الحديد، وتتطلب درجات حرارة عالية لتحقيقطاقة التنشيط. ترتبط كمية صغيرة من الكربون بالحديد، مكونةً حديد الزهر، وهو مادة وسيطة قبل الفولاذ، نظرًا لارتفاع نسبة الكربون فيه - حوالي 4%. ^{[ 28 ]}

لتقليل محتوى الكربون في الحديد الزهر والحصول على محتوى الكربون المطلوب في الفولاذ، يُعاد صهره ويُضخ الأكسجين من خلاله في فرن صهر الحديد الزهر. في هذه الخطوة، يرتبط الأكسجين بالكربون غير المرغوب فيه، وينقله بعيدًا على شكل ثاني أكسيد الكربون._ثانياً ، يُعد الغاز مصدراً إضافياً للانبعاثات. بعد هذه الخطوة، ينخفض ​​محتوى الكربون في الحديد الزهر بشكل كافٍ للحصول على الفولاذ.

مزيد من COينتج عن استخدامالحجر الجيري _{انبعاثان} ، حيث يتم صهره في درجات حرارة عالية في تفاعل يسمىالتكليس، وفقًا لما يلي:

كربونات الكالسيوم₃ (s) → CaO(s) +CO₂ (ز)

ثاني أكسيد الكربون الناتج_٢- يُعدّ مصدرًا إضافيًا للانبعاثات.أكسيد الكالسيوم(CaO،الجير الحي) كبديل لتقليل الانبعاثات. ^{[ ٢٩ ]} فهو يعمل كعامل صهر كيميائي، يزيل الشوائب (مثل الكبريت أو الفوسفور (مثلالأباتيتأوفلوراباتيت) ^{[ ٣٠ ]} ) على شكل خبث، ويخفضثاني أكسيد الكربون.₂ انبعاثات وفقًا لتفاعلات مثل:

SiO₂ + _CaO → _CaSiO₃

يحدث استخدام الحجر الجيري لتوفير التدفق في كل من الفرن العالي (للحصول على الحديد الزهر) وفي BOS (للحصول على الصلب).

CO_{ينتج عن عملية النفخ الساخن انبعاثان} ، حيث ترفع درجة حرارة الفرن العالي. يقوم النفخ الساخن بضخ الهواء الساخن إلى داخل الفرن. تتراوح درجة حرارة النفخ الساخن بين900 و1300درجة مئوية (1650 إلى 2370درجة فهرنهايت)حسب التصميم والظروف. يمكن حقن الزيتوالقطرانوالغاز الطبيعيومسحوق الفحموالأكسجين لدمجها مع فحم الكوك، مما يُطلق طاقة إضافية ويزيد من نسبة الغازات المختزلة، وبالتالي يزيد الإنتاجية. عادةً ما يتم تسخين هواء النفخ الساخن عن طريق حرق الوقود الأحفوري، وهو مصدر إضافي للانبعاثات. ^{[ 31 ]}  

تُنتج أستراليا ما يقارب 40% من خام الحديد في العالم. وتُموّل الوكالة الأسترالية للطاقة المتجددة مشاريع بحثية تتناول إنتاج الحديد المختزل المباشر (DRI) بهدف خفض الانبعاثات. وتعمل شركات مثل ريو تينتو ، وبي إتش بي ، وبلوسكوب على تطوير مشاريع الصلب الأخضر. ^{[ 36 ]}

يهدف مشروع وايالا للهيدروجين ، وهو جزء من مشروع ازدهار ولاية جنوب أستراليا الذي أطلقته رئيسة الوزراء مالينوسكاس ، إلى إنتاج الصلب الأخضر. إلا أن المشروع قد تم تعليقه بسبب التحديات المالية والتشغيلية التي تواجهها شركة GFG Alliance . وقد تدخلت كل من الحكومة الفيدرالية وحكومة الولاية في محاولة لمعالجة هذه المشكلات في مصنع الصلب. ^{[ 37 ]}

تسعى مشاريع أوروبية من شركات HYBRIT و LKAB و Voestalpine و ThyssenKrupp إلى تطبيق استراتيجيات للحد من الانبعاثات. ^{[ 38 ]} وتدّعي شركة HYBRIT أنها تنتج فولاذًا صديقًا للبيئة. ^{[ 35 ]}

عادةً ما يتم طرد الغاز العلوي من الفرن العالي إلى الهواء. يحتوي هذا الغاز على أول أكسيد الكربون.₂ ، H2_،وCO. يمكن التقاط الغاز العلوي، وهوCO_{تمت إزالة 2} ، ثم أعيد حقن عوامل الاختزال في الفرن العالي. ^{[ 39 ]} تشير دراسة أجريت عام 2012 إلى أن هذه العملية يمكن أن تقلل منانبعاثات ثاني أكسيد الكربون^{[ 40 ]} تُشير دراسة أُجريت عام 2017 إلى انخفاض الانبعاثات بنسبة 75% عند استخدام تقنية احتجاز الكربون وتخزينه، وانخفاضها بنسبة 26.2% عند استخدام إعادة تدوير عوامل الاختزال فقط. _[ 41 ^{] وللحفاظ على} الكربون المحتجز من دخول الغلاف الجوي، لا بد من إيجاد طريقة لتخزينه أو استخدامه.

ثمة طريقة أخرى لاستخدام الغاز العلوي، وهي استخدامه في توربينات استخلاص علوية لتوليد الكهرباء، مما يقلل من الحاجة إلى الطاقة الخارجية في حال استخدام صهر القوس الكهربائي. ^{[ 38 ]} كما يمكن استخلاص الكربون من غازات أفران الكوك. اعتبارًا من عام 2022إن فصل _ثاني أكسيد الكربون عن الغازات والمكونات الأخرى في النظام، والتكلفة العالية للمعدات وتغييرات البنية التحتية اللازمة، حالت دون اعتماد هذه التقنية، ولكن قُدِّرَت إمكانية خفض الانبعاثات بنسبة تتراوح بين 65% و80%. ^{[ 42 ] [ 38 ]}

يُتيح الاختزال المباشر للهيدروجين (HDR)، باستخدام الهيدروجين المُنتَج من طاقة خالية من الانبعاثات ( الهيدروجين الأخضر )، إنتاج الحديد دون انبعاثات، لأن الماء هو الناتج الثانوي الوحيد لتفاعل أكسيد الحديد مع الهيدروجين. ^{[ 43 ]} وبحلول عام 2021، التزمت شركات أرسيلورميتال ، وفوستالبين ، وتاتا باستخدام الهيدروجين الأخضر في صهر الحديد. ^{[ 44 ]} وفي عام 2024، بدأ مشروع HYBRIT في السويد باستخدام تقنية الاختزال المباشر للهيدروجين. ^{[ 45 ]} وبالنسبة للاتحاد الأوروبي، يُقدَّر أن الطلب على الهيدروجين اللازم لهذه التقنية سيتطلب 180 جيجاواط من الطاقة المتجددة. ^{[ 46 ]}

تستخدم عملية التحليل الكهربائي لخام الحديد الإلكترونات كعامل مختزل. ^{[ 38 ]} إحدى هذه الطرق هي التحليل الكهربائي للأكاسيد المنصهرة. تتكون الخلية من مصعد خامل، ومحلول إلكتروليتي من الأكاسيد السائلة (مثل أكسيد الكالسيوم، وأكسيد المغنيسيوم، إلخ)، وخام منصهر. عند تسخين  الخام إلى حوالي 1600 درجة مئوية، يُختزل إلى حديد وأكسجين. في عام 2022، كانت شركة بوسطن ميتال في المرحلة شبه الصناعية لهذه العملية، مع خطط لتسويقها بحلول عام 2026. ^{[ 47 ] [ 48 ]} أما مشروع سايدروين البحثي، فقد شاركت فيه شركة أرسيلورميتال لاختبار نوع مختلف من التحليل الكهربائي. ^{[ 49 ]} ويعمل هذا النوع عند حوالي 110  درجة مئوية. ^{[ 50 ]}

يشير مصطلح "صناعة الصلب الخردة" إلى الصلب الذي وصل إلى نهاية عمره الافتراضي أو الفائض المعدني الناتج عن تصنيع مكونات الصلب. يتميز الصلب بسهولة فصله وإعادة تدويره بفضل خاصيته المغناطيسية. ويساهم استخدام الخردة في تجنب انبعاث 1.5 طن من ثاني أكسيد الكربون.₂ لكل طن. ^{[ 51 ]} اعتبارًا من عام 2023كان للصلب أحد أعلى معدلات إعادة التدوير بين جميع المواد، حيث يأتي حوالي 30% من الصلب في العالم من مكونات معاد تدويرها. ومع ذلك، لا يمكن إعادة تدوير الصلب إلى ما لا نهاية، وتستهلك عمليات إعادة التدوير، التي تستخدم أفران القوس الكهربائي، الكهرباء. ^{[ 32 ]}

في الفرن العالي، تُختزل أكاسيد الحديد بواسطة مزيج من أول أكسيد الكربون والهيدروجين _{والكربون} . يُختزل حوالي 10% فقط من أكاسيد الحديد بواسطة الهيدروجين _. مع زيادة تركيز الهيدروجين _، ترتفع نسبة أكاسيد الحديد المختزلة به _، مما يقلل من استهلاك الكربون وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون._2. [ ^{52 ] يمكن لهذه العملية أن} تقلل الانبعاثات بنسبة 20% تقريبًا.

من بين الأفكار المطروحة مشروعٌ لشركة "سستيل" لتطوير تقنية بلازما الهيدروجين التي تُختزل الخام باستخدام الهيدروجين عند درجات حرارة تشغيل عالية. ^{[ 38 ]} تُعدّ الكتلة الحيوية، مثل الفحم النباتي أو حبيبات الخشب، وقودًا بديلًا محتملًا لأفران الصهر، لا يعتمد على الوقود الأحفوري، ولكنه لا يزال يُصدر الكربون. وتُخفّض الانبعاثات بنسبة تتراوح بين 5% و28%. ^{[ 38 ]}

تزعم مجموعة إس إم إس الألمانية لصناعة المصانع أن شركة باوستيل ديشنغ للصلب المقاوم للصدأ، التابعة لمجموعة باوو للصلب الصينية، قد أنجزت بنجاح تركيب نظام إزالة الكربون بالأكسجين الفراغي (VOD) في مصنعها بمدينة فوتشو، والذي تبلغ طاقته الإنتاجية السنوية 417 ألف طن متري من الصلب منخفض الكربون. ويتم حقن مسحوق خام الحديد فائق النعومة في فرن فائق التسخين باستخدام أنبوب حقن عالي السرعة متخصص. ويتجمع الحديد المنصهر في قاع الفرن، مكونًا تيارًا من الحديد عالي النقاء. ^{[ 53 ]}