الحديد هو معدن كثيف نسبياً ذو مظهر أبيض فضي، درجة انصهاره 1538 درجة مئوية، والمعدن النقي مرن ويمكن تشكيله بسهولة بواسطة الطرق، ولكنه نادراً ما يستخدم نقياً دون إضافة مواد أخرى.

يتم إضافة عناصر أخرى إلى الحديد من أجل تحسين خصائصه الفيزيائية والميكانيكية، فإذا أضفنا 2 بالمئة من الكربون إلى الحديد نحصل على الفولاذ الذي يتمتع بمقاومة أكبر فيصبح أشد صلابة ولكنه أقل مرونة، يمكن التحكم بكمية الكربون المضافة مما يعطينا خصائص أشد اختلافاً.

يتم إضافة الكربون أو أي مادة أخرة في الأفران المخصصة، وتدعى هذه الصناعات بصناعات التعدين، وقد تطورت صناعة الحديد عبر التاريخ وتطور شكل الأفران التي يتم فيها معالجة الحديد وتجري فيها التفاعلات الكيماوية المطلوبة.

الحديد الخام يستخرج من الصخور (الصخور النيزكية) يوضع في فرن ذي درجة حرارة عالية كي يصل لدرجة الانصهار، ثم يتم عزل المعدن عن الشوائب الترابية لنحصل على المعدن النقي.

أنواع الأفران المستخدمة في سبك المعادن:

1. فرن البوتقة.
2. فرن الدست
3. فرن الحث الكهربائي
4. فرن القوس الكهربائي.

 

1.فرن البوتقة:

هو عبارة عن فرن يُدن أكثر من نصفه في الأرض، ويبطن جداره من الداخل بالطوب الحراري الذي يحتوي على 42% ألومينيا، ويتوزع اللهب من خلال فتحة في الأسفل موصلة بجهاز نفخ يقوم بالتوزيع الحراري للهب داخل الفرن.

إيجابيات فرن البوتقة: يتميز بالتوزيع الحراري الجيد نتيجة لشكله الدائري.

سلبياته: يعتبر من الأفران البطيئة جداً، لذا يستخدم في المسابك الصغيرة ذات الإنتاج الضعيف، كما أنه لا يسمح لنا بالتحكم بدرجة حرارة الصهر بشكل دقيق.

يستخدم هذا النمط في صب المسبوكات بعدد محدد، كما يستخدمه الفنانون في صب المعروضات الفنية الصغيرة.

2.فرن الدست:

هو أقدم أفران صهر المعادن على الإطلاق، ويتكون من أسطوانة مبطنة بالطوب الحراري مرتكزة على قاعدة من الحديد بأربعة أرجل، مفتوح من الأعلى ومزود ببابين من الأسفل لإدخال الفحم وفتحتين إحداهما لإخراج المعدن المنصهر والأخرى لإزالة الخبث، ولكن هذا النوع من الأفران يعد الأكثر تلويثاً للبيئة حيث ينبعث منه غازا أول أوكسيد الكربون ورابع أوكسيد الكبريت، وهي غازات شديدة السمية، وللتقليل من خطرها يتم تمرير الانبعاثات على خزانات من المياه لتنقية العوادم أو عن طريق فلاتر.

 

3.فرن الحث الكهربائي:

هو فرن كهربائي يعتمد على توليد الحرارة من خلال التسخين بالتحريض الكهربائي:

إيجابياته: يمكن التحكم بشكل كامل بدجة الحرارة وزمن التسخين، كما أنه اقتصادي وصديق للبيئة (بمعنى أنه لا ينشر غازات سامة).

4.فرن القوس الكهربائي:

وهو من أحدث التقنيات المستخدمة في إنتاج الحديد والصلب، تعتمد التقنية على استخدام تيار كهربائي عالي التوتر، لصهر الحديد الإسفنجي الناتج عن عملية الاختزال المباشر.

الحديد الإسفنجي: هو اسن يطلق على الحديد المختزل عن طريق الاختزال المباشر، ويسمى بالإسفنجي نظراً لأنه يتم انتزاع جزيئات الأكسجين من أكاسيد الحديد، فيكون تركيبه الداخلي أشبه بالإسفنج، تبلغ نسبة الحديد في الحديد الإسفنجي حوالي 98% ، ويعتبر منتج وسيط في صناعة الحديد والصلب حيث يدخل إلى أفران القوس الكهربائي كمادة خام، حيث يتم صهرها وإضافة بعض العناصر السبائكية من أجل إكساب الصلب الخواص الميكانيكية المطلوبة.

الاختزال المباشر للحديد: هو إحدى العمليات التي تدخل في صناعة الصلب، حيث يتم فيها اختزال أكاسيد الحديد بواسطة الغاز الطبيعي لإنتاج حديد نقي تصل نسبة الحديد إلى 98% ويسمى الحديد الإسفنجي، ويدخل بعد ذلك إلى أفران القوس الكهربائي لصهره وإضافة بعض المعادن إليه.