سبيكة تصنع أساساً من الحديد بمحتوى كربون يتراوح بين 0.2 و 2.04% بالوزن (ك:1000–10,8.67حد)، حسب الدرجة. والكربون هو أكثر العناصر السبائكية فاعلية من حيث التكلفة فى سبائك الحديد، إلا أنه يتم استعمال العديد من العناصر السابكة الأخرى مثل المنگنيز، الكروم، الڤناديوم، والتنگستن.[1] ويعمل الكربون والعناصر الأخرى كعوامل تصليد (تقسية), لمنع الانخلاعات في العقد البلوري لذرات الحديد من الانزلاق أمام بعضهم البعض. ويتحكم مقدار العناصر السابكة وشكل وجودهم في الصلب (solute elements, precipitated phase) في صفات مثل الصلادة, و المطيلية و مقاومة الشد للصلب الناتج. فالصلب ذو المحتوى المرتفع من الكربون يمكن أن يـُصنع ليكون أكثر صلادة harder وأقوى من الحديد, إلا أنه أكثر قصافة.
قابلية الذوبان العظمى للكربون في الحديد (في منطقة الأوستنتيت) هي 2.14% بالوزن, تحدث عند درجة حرارة 1149 °م؛ التركزات الأعلى من الكربون أو درجات الحرارة الأقل ستنتج سمنتيت.
السبائك ذات محتوى الكربون الأعلى من ذلك تـُعرف باسم حديد زهر بسبب درجة انصهارهم الأقل وقابليتهم للصب.[1] ويجب أيضاً تمييز الصلب عن الحديد المطاوع المحتوي فقط على كمية ضئيلة جداً من العناصر الأخرى, إلا أنه يحتوي على 1–3% بالوزن من خبث في صيغة حبيبات مستطالة في اتجاه واحد, مما يعطي الحديد grain مميزة. فهو أكثر مقاومة للصدأ من الصلب ويتم لحمه بسهولة.
ومن الشائع اليوم الحديث عن 'صناعة الحديد والصلب' كما لو كانت شيئاً واحداً, ولكنهما تاريخياً كانا منتجـَين منفصلـَين.
بالرغم من أن الصلب كان يـُنتـَج بالعديد من الطرق غير الفعالة قبل عصر النهضة بوقت طويل, فإن استعماله أصبح أكثر شيوعاً بعد تطوير طرق أكثر فاعلية لانتاجه في القرن السابع عشر. وباختراع عملية بسمر في منتصف القرن التاسع عشر, أصبح الصلب سلعة تـُنتـَج بكميات كبيرة بتكلفة أرخص نسبياً. التحسينات اللاحقة على العملية, مثل basic oxygen steelmaking, خفضت تكلفة الانتاج بدرجة أكبر بينما رفعت من جودة المعدن.
واليوم، الصلي هو أحد أكثر المواد شيوعاً في العالم وهو مكوِّن رئيسي في المباني و المعدات و السيارات، والأجهزة المنزلية الرئيسية. الصلب المعاصر يتم تمييزه عموماً حسب درجات الصلب المتعددة التي توصـِّفها هيئات التوصيف القياسى.
خام الحديد
قابلية الذوبان العظمى للكربون في الحديد (في منطقة الأوستنتيت) هي 2.14% بالوزن, تحدث عند درجة حرارة 1149 °م؛ التركزات الأعلى من الكربون أو درجات الحرارة الأقل ستنتج سمنتيت.
السبائك ذات محتوى الكربون الأعلى من ذلك تـُعرف باسم حديد زهر بسبب درجة انصهارهم الأقل وقابليتهم للصب.[1] ويجب أيضاً تمييز الصلب عن الحديد المطاوع المحتوي فقط على كمية ضئيلة جداً من العناصر الأخرى, إلا أنه يحتوي على 1–3% بالوزن من خبث في صيغة حبيبات مستطالة في اتجاه واحد, مما يعطي الحديد grain مميزة. فهو أكثر مقاومة للصدأ من الصلب ويتم لحمه بسهولة.
ومن الشائع اليوم الحديث عن 'صناعة الحديد والصلب' كما لو كانت شيئاً واحداً, ولكنهما تاريخياً كانا منتجـَين منفصلـَين.
بالرغم من أن الصلب كان يـُنتـَج بالعديد من الطرق غير الفعالة قبل عصر النهضة بوقت طويل, فإن استعماله أصبح أكثر شيوعاً بعد تطوير طرق أكثر فاعلية لانتاجه في القرن السابع عشر. وباختراع عملية بسمر في منتصف القرن التاسع عشر, أصبح الصلب سلعة تـُنتـَج بكميات كبيرة بتكلفة أرخص نسبياً. التحسينات اللاحقة على العملية, مثل basic oxygen steelmaking, خفضت تكلفة الانتاج بدرجة أكبر بينما رفعت من جودة المعدن.
واليوم، الصلي هو أحد أكثر المواد شيوعاً في العالم وهو مكوِّن رئيسي في المباني و المعدات و السيارات، والأجهزة المنزلية الرئيسية. الصلب المعاصر يتم تمييزه عموماً حسب درجات الصلب المتعددة التي توصـِّفها هيئات التوصيف القياسى.
خام الحديد
تحتاج خامات الحديد الغنية عالية التركيز فقط إلى عمليات تكسير ونخل وغسيل وذلك لإزالة الحبيبات الدقيقة التي يصعب استغلالها مباشرة. ويأتي معظم الإنتاج العالمي من خامات الحديد في الوقت الحالي أساسًا من التاكونيت وبعض الخامات الأخرى، وتتطلب كثيرًا من التهيئة والتجهيز لرفع تركيز الحديد فيها. وأهم العمليات التي تجري في هذه الحالة هي تكسير الخام حتى يمكن بسهولة فصل الحبيبات الغنية بالخام عن الرمال والصخور عديمة القيمة. ويطلق على الخام الغني الناتج من التهيئة اسم الركازة أما المواد المتخلفة عن عمليات التهيئة، وهي المواد عديمة القيمة، فتعرف باسم نفاية الخام.
ولا بد من تكسير التاكونيت وطحنه وذلك لتحرير بلورات أكاسيد الحديد من المواد الأخرى المحيطة به. وتكسر كتل التاكونيت الضخمة إلى مسحوق دقيق وذلك بتقليب الخام مع قضبان أو كريات فولاذية ضخمة في براميل دوارة. وتلي عمليات الكسر والطحن عمليات الفصل المغنطيسي، حيث تستخدم مغنطيسات قوية تفصل حبيبات الماجنتيت عن بقية المسحوق. وعندما يحتوي التاكونيت على الهيماتيت، وهو غير مغنطيسي، فلابد من وضع مسحوق الخام في غرف محتوية على مخاليط سائلة حيث تظل حبيبات النفايات في صورة عالقة في السائل بينما الحبيبات المحتوية على الحديد تستقر في قاع الأحواض نظرًا لارتفاع كثافتها. وتزال رُكازات أكاسيد الحديد من غرف المعالجة ثم تجفف.
ولابد من تحويل أكسيد الحديد المستخلص من التكوين، إلى هيئة مناسبة لشحنه واستخدامه لإنتاج الحديد. وأكثر الطرق استعمالاً ترطيب الركازة وخلطه مع الطَّفل، ويتم ذلك في أسطوانات دوارة لتكوين كريات صغيرة من الركازة، ويتراوح قطر الكريات الناتجة من 1,2 إلى 5,2سم. ويلي تكوين الكريات عمليات التجفيف، حيث يصبح الناتج في صورة صلدة متينة يصعب كسرها أثناء النقل.
وينتج من عمليات تهيئة التاكونيت طنان متريان من الشوائب أو المخلفات مقابل طن متري واحد من كريات أكسيد الحديد. ولهذا السبب تتم معالجة خامات الحديد بالقرب من المناجم، وذلك لتوفير تكلفة نقل كميات ضخمة من مواد النفايات والشوائب.
كيف يُصنّع الحديد
تحويل خام الحديد إلى فلز الحديد، لابد من إزالة الأكسجين من الخام. وتتطلب هذه العملية حرارة وعوامل اختزال. وعامل الاختزال مادة يمكنها الاتحاد مع الأكسجين الذي ينطلق من أكسيد الحديد أثناء عملية التصنيع.
ويصنع الحديد إما بطريقة الفرن العالي أو بطريقة الاختزال المباشر. وفي طريقة الفرن العالي يتفاعل خام الحديد مع عامل الاختزال عند درجات الحرارة العالية، حيث ينتج الحديد عندئذ في صورة منصهرة. وفي طريقة الاختزال المباشر يكون الحديد المنتج في صورة جامدة لأن درجة الحرارة أثناء الاختزال تظل أقل من درجة حرارة انصهار الحديد.
اسلوب الفرن الكهربائي
اسلوب الفرن الكهربائي
ستخدم في هذا الأسلوب التيار الكهربائي لإنتاج الحرارة اللازمة لصناعة الفولاذ. وتتوفر عدة أنواع مختلفة من الأفران الكهربائية، ولكن أكثر الأنواع استخدامًا هو فرن القوس الكهربائي. وفي بداية التسعينيات من القرن العشرين حلت أفران القوس الكهربائي إلى حد بعيد محل أفران النظم القديمة التي كانت تستخدم لإنتاج الفولاذ، في الدول المتقدمة في إنتاج وتصنيع الفولاذ. وهناك زيادة مطردة في استخدام أفران القوس الكهربائي في العديد من مصانع الفولاذ؛ لكفاءتها العالية في إنتاج الفولاذ، إضافة إلى انخفاض تكلفة بناء أفرانها، مقارنة بأفران الأكسجين القاعدية أو أفران المجمرة المكشوفة.
يتكون فرن القوس الكهربائي من أسطوانة فولاذية ضحلة مبطنة بالطوب الحراري. وتوجد في سقف الفرن ثلاث فتحات يمرر فيها ثلاثة قضبان من الكربون يطلق عليها الأقطاب. ويتقوس (يقفز) تيار كهربائي قوي من كل قطب إلى مادة الشحنة ومنها إلى القطب الآخر. وينتج عن هذه الأقواس الكهربائية كميات ضخمة من الحرارة التي يمكنها صهر الشحنة بسرعة، كما تساعد الحرارة العالية في حدوث التفاعلات الكيميائية، لتنتج في النهاية كميات كبيرة من الفولاذ.
 |
| فرن الكهربائي |
وتتكون شحنة فرن القوس الكهربائي أساسًا من خردة الفولاذ ومواد سبائكية، ونادرًا ما يعتمد إنتاج الفولاذ في هذه الطريقة على حديد التمساح، ولكن يمكن استخدام الحديد المنتج بطريقة الاختزال المباشر بقدر ما تسمح به ظروف تَوفره بأسعار اقتصادية. ويتم شحن فرن القوس الكهربائي برفع غطاء الفرن وتحريكه جانبًا، وبعد صهر الشحنة تضاف كل من العوامل المصهورة والمواد السبائكية خلال باب الشحن الموجود على أحد جوانب الفرن. وتقام أفران القوس الكهربائي على أرجل سهلة التأرجح، وبهذا يمكن إمالته لصب الخبث من باب الشحن. وبعد انتهاء عملية التصنيع وإزالة الخبث، يمال الفرن في الاتجاه المعاكس حيث يُصَبُّ الفولاذ المنصهر من فتحة الصب.
* تعتبر تقنية أفران القوس الكهربي (Electric Arc Furnace) من التقنيات الحديثة في انتاج الحديد والصلب حيث بدأ استخدامها في نهاية السبعينات وبداية الثمانينات من القرن الماضي.تعتمد التقنية على استخدام تيار كهربي ذو جهد فائق لصهر الحديد الأسفنجي الناتج من عملية الاختزال المباشر.
 |
| مصنع حديد وفيه فرنا أقواس كهربية |
بالرغم من انتشار هذه التقنية و بالرغم من مميزاتها الكثيرة إلا أن نسبة 32% فقط من مصانع الصلب في العالم هي التي تستخدمها بينما لا تزال نحو 65% من صناعة الصلب في العالم تتم عن طريق تقنية الفرن العالي و المحول الأكسجيني التي تعتمد اعتمادا كبيرا على الفحم وذلك لرخص تكلفته مقارنة بأسعار الكهرباء.
تصنيف سبائك الصلب
سمى الصلب أيضا الفولاذ ويفهم من بعض الكتابات العربية أن الفولاذ هو لفظ يطلق على الأصلاب السبائكية خلافاً وتمييزاً لها عن الأصلاب الكربونية العادية.
تعتبر سبائك الصلب (الأصلاب) أكثر المواد الفلزية انتشارا واستخداما نظرا لرخص تكلفة إنتاجها بالإضافة إلى إمكانية إنتاجها طبقا لمواصفات مختلفة وكذلك القدرة الكبيرة علي التحكم فى تركيباتها الكيميائية.
وتنقسم الأصلاب عامة إلى عدة فئات تتباين فى خو اصها الميكانيكية والوظيفية وقابليتها للتصنيع واللحام والمعالجة الحرارية ومقاومتها للتآكل تباينا كبيرا ملبية لطيف واسع من المتطلبات والاستخدامات التى لا تتوافر لغيرها من المواد الهندسية.
أصلاب كربونية (Carbon Steels)
أصلاب سبائكية (Alloy Steels)
أصلاب منخفضة السبائكية عالية المقاومة (High-Strength Low-Alloy Steels)
أصلاب العدد (Tool Steels)
أصلاب تقسى بتعتيق المرتنزيت (Maraging Steels)
أصلاب المنجنيز الأوستنيتية (Austenitic Manganese Steels)
أصلاب مقاومة للصدأ (Stainless Steels)