مقدمة: كيف يتم صنع الفولاذ؟

باعتبارها العمود الفقري للصناعة الحديثة، تجسّد عملية إنتاج الفولاذ مبادئ علمية دقيقة ومنطق صناعي عظيم في آنٍ واحد. سواء أكان الفولاذ الإنشائي الذي يدعم ناطحات السحاب أو الفولاذ الخاص المستخدم في الأجهزة الدقيقة، فإن إنتاجه يبدأ بمادتين خام رئيسيتين هما: الحديد الزهر وخردة الفولاذ، ويتم إحياؤهما عبر عمليتين أساسيتين: صناعة الفولاذ في فرن الأكسجين الأساسي (BOF) وصناعة الفولاذ في فرن القوس الكهربائي (EAF). إن فهم هذه الأساسيات أمر بالغ الأهمية لاستيعاب الوضع الحالي والاتجاه المستقبلي لصناعة الفولاذ العالمية.

الفصل 1: «الحبيبات» و«المكملات الغذائية» للصلب—تحليل مصادر حديد الزهر والخردة الفولاذية

الحديد الزهر: المسار الأساسي من الخام إلى المعدن

الحديد الزهر هو نقطة البداية لإنتاج الفولاذ. وهو منتج أولي يتم الحصول عليه من خلال صناعة الحديد في الأفران العالية. وتتضمن هذه العملية بشكل أساسي الاختزال الكيميائي للحديد من أكاسيد الحديد:

سلسلة المواد الخام الأساسية:

خام الحديد: يوفّر بشكل رئيسي الحديد. تشمل الأنواع الشائعة الهيماتيت (Fe₂O₃) والماغنيتيت (Fe₃O₄).

كوكا: يُنتج بواسطة التقطير الجاف لفحم الكوك. يلعب دورًا مزدوجًا في فرن الصهر: كعامل اختزال (ينتج غاز أول أكسيد الكربون لتقليل خام الحديد) وكمصدر للحرارة.

تدفق: عادةً ما يكون من الحجر الجيري (CaCO₃)، ويُستخدم لإزالة الشوائب السيليكية من الخام، مما يشكل الخبث.

نظرة عامة على عملية الإنتاج:
داخل فرن الصهر—وهو مفاعل ضخم يبلغ ارتفاعه غالبًا عشرات الأمتار—يتم تحميل المواد الخام من الأعلى، ويُضخ الهواء الساخن من الأسفل. يتفاعل الفحم الكوك مع الهواء في درجات حرارة عالية ليُنتج أول أكسيد الكربون. يتدفق هذا أول أكسيد الكربون نحو الأعلى، حيث يختزل خام الحديد الذي يتحرك نحو الأسفل، مما يؤدي في النهاية إلى إنتاج حديد الزهر المنصهر (بمحتوى كربوني يتراوح بين 2% و4.5%). تعمل هذه العملية المستمرة مثل مفاعل كيميائي عملاق، قادر على إنتاج عشرات الآلاف من الأطنان من المعدن الساخن يوميًا.

الفولاذ الخردة: المنجم المتدفق داخل المدن

على عكس الطبيعة الأولية لحديد الزهر، فإن خردة الفولاذ هي الناقل الأساسي للاقتصاد الدائري للفولاذ - وهي بمثابة «منجم حضري» حقيقي. ويمكن تصنيف مصادرها إلى ثلاثة أنواع رئيسية:

الخردة المنزلية (تشكل حوالي 20-25%)

تم إنتاجه ضمن عملية إنتاج الفولاذ في مصانع الفولاذ.

أمثلة: نهايات المحاصيل الناتجة عن الصب المستمر، وتقليم الحواف الناتج عن عمليات الدرفلة.

الخصائص: أعلى جودة، تركيب معروف، يُعاد عادةً فورًا إلى عملية صهر الفولاذ.

الخردة الصناعية (التي تمثّل حوالي 25-30%)

تم إنشاؤه أثناء تصنيع وتصنيع منتجات الفولاذ.

أمثلة: خردة الختم من مصانع السيارات، ومخلفات التحويل من مصانع الآلات، وقصاصات الألواح من أحواض السفن.

الخصائص: تركيب واضح نسبيًا، تلوث أقل، دورة إعادة تدوير قصيرة.

الخردة المتقادمة (أو خردة ما بعد الاستهلاك) (تشكل حوالي 45-55%)

يأتي من منتجات فولاذية وصلت إلى نهاية عمرها الافتراضي.

المصادر الرئيسية: مركبات نهاية العمر، المباني والبنية التحتية المهدمة، الآلات والمعدات المهملة، الأجهزة المنزلية العتيقة.

الخصائص: تركيب معقد، يتطلب فرزًا ومعالجة احترافية، دورة إعادة تدوير طويلة (مرتبطة بالمخزون الاجتماعي للصلب).

مقارنة الأهمية الاستراتيجية:

تتعلق إمدادات الحديد الزهر بـ أمن الموارد الوطنية ، مما يعكس القدرة الأساسية الصناعية.

تعكس استغلال الفولاذ الخردة الـ مستوى تطور الاقتصاد الدائري ، قياس النضج الاجتماعي.

الفصل 2: التيتانز المزدوجان - مواجهة بين عمليتي BOF وEAF

صناعة الفولاذ في فرن الأكسجين الأساسي (BOF): ملك التوسع والكفاءة

خصائص العملية:
تستخدم صناعة الفولاذ BOF مسار «الفرن العالي - BOF» الطويل، حيث تُستخدم حديد الزهر المنصهر كمادة خام رئيسية (70-90% من المحتوى)، وتُكمَّل بكمية أصغر من خردة الفولاذ (10-30%) كمُبرِّد. وتتمثل تقنيتها الأساسية في ضخ الأكسجين عالي الضغط إلى المعدن الساخن. ويحافظ الحرارة الكيميائية الهائلة الناتجة عن أكسدة عناصر مثل الكربون والسيليكون والمنغنيز والفوسفور في المعدن الساخن على درجة حرارة التكرير، دون الحاجة إلى مصدر خارجي للحرارة.

المزايا التقنية:

كفاءة إنتاجية عالية جدًا: تستغرق الحرارة الواحدة فقط من 40 إلى 50 دقيقة.

اقتصاديات الحجم الكبيرة: يمكن أن تبلغ السعة السنوية لوحدة BOF واحدة من 3 إلى 4 ملايين طن.

ضبط تكلفة ممتاز: أدنى تكلفة للوحدة في ظروف الإنتاج على نطاق واسع.

عملية ناضجة ومستقرة: مناسب للإنتاج الضخم والمستمر.

التحديات البيئية:
بسبب اعتمادها على الفحم كعامل اختزال ومصدر للطاقة في آنٍ واحد، تتميز الطريق الطويلة بكثافة عالية في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، إذ تنتج حوالي 1.8 إلى 2.2 طن من CO₂ لكل طن من الفولاذ الخام، مما يضعها تحت ضغط شديد لتخفيض الكربون.

صناعة الفولاذ في فرن القوس الكهربائي (EAF): رائد المرونة والإنتاج الأخضر

خصائص العملية:
تستخدم صناعة الفولاذ في مصنع EAF طريقة «الخردة-EAF» القصيرة، حيث تُستخدم خردة الفولاذ كمادة خام رئيسية (80-100% من المحتوى). يتم إذابة المعادن وتنقيتها باستخدام الحرارة الشديدة الناتجة عن قوس كهربائي (تتجاوز 3000 درجة مئوية) يتشكل بين أقطاب الجرافيت والشحنة. وتتميز العملية برمتها بالتكثيف وقصر المدة الزمنية من المادة الخام إلى المنتج النهائي.

المزايا الأساسية:

أخضر ومنخفض الكربون: استخدام الخردة كمادة خام يوفّر حوالي 60% من الطاقة ويقلل الانبعاثات بنحو 70% لكل طن من الفولاذ مقارنةً بمسار الأفران العالية-أفران القوس الكهربائي.

المرونة الاستثمارية: فترة بناء أقصر، وكثافة رأس المال حوالي من ثلث إلى نصف الطريق الطويل.

مرونة الإنتاج: يمكن تشغيله وإيقافه حسب الحاجة، وهو مناسب للطلبات المتنوعة ذات الكميات الصغيرة.

قابلية عالية للمواد الخام: يمكن استخدام الخردة والحديد المختزل مباشرة (DRI) ومواد أخرى بملاءمة.

التحديات الاقتصادية:
تُعدّ تكاليف الإنتاج شديدة الحساسية لأسعار الكهرباء والخردة، مما يحدّ من القدرة التنافسية في المناطق التي تنقصها موارد الخردة أو التي ترتفع فيها تكاليف الكهرباء.

الفصل 3: المشهد المستقبلي لصناعة الفولاذ—التحول الأخضر والتنمية التآزرية

الاتجاه الأول: التحول الأخضر يصبح تيارًا رئيسيًا لا رجعة فيه

صعود الطريق القصير:
على الصعيد العالمي، لا تزال حصة فولاذ EAF في ارتفاع مستمر. تتجاوز حصة EAF 40% في الاتحاد الأوروبي وأكثر من 70% في الولايات المتحدة. وبوصفها دولة متأخرة في هذا المجال، تُعزز الصين بنشاط هذا التحول من خلال السياسات والتكنولوجيا، وتخطط لزيادة حصتها من فولاذ EAF من النسبة الحالية التي تبلغ حوالي 10% إلى ما بين 15 و20% بحلول عام 2025، مع تحديد أهداف طويلة الأجل أعلى. يدفع هذا التحول:

ضرورة الالتزام بتحييد الكربون.

تراكم الخردة يصل إلى كتلة حرجة.

انخفاض تكلفة الطاقة المتجددة.

إعادة اختراع المسار الطويل ذاتيًا:
صناعة الفولاذ BOF لا تبقى ثابتة، بل تتحول من خلال الابتكار التكنولوجي:

تقنيات لزيادة نسبة الخردة: تهدف طرق مثل نفخ الأكسجين المحسّن، وحقن الوقود، وتسخين الخردة مسبقًا إلى زيادة كمية الخردة المُدخلة في أفران البوغ من النسبة التقليدية التي تتراوح بين 10-15% إلى أكثر من 30%.

الاختراقات في علم معالجة المعادن بالهيدروجين: استبدال الفحم الكوك بالهيدروجين كعامل اختزال يقضي على انبعاثات الكربون من المصدر (على سبيل المثال، أنتج مشروع HYBRIT السويدي «فولاذًا أخضر»).

التقاط الكربون واستخدامه وتخزينه (CCUS): تركيب أنظمة CCUS في نقاط الانبعاثات التي لا يمكن تجنبها.

الاتجاه الثاني: الذكاء الرقمي يمكّن سلسلة الصناعة بأكملها

كلا عمليتي BOF وEAF يخضعان لتحول رقمي وذكي عميق:

الصهر الذكي: التحكم في نقاط النهاية القائم على الذكاء الاصطناعي والبيانات الضخمة يحسّن معدلات النجاح في التكوين ودرجة الحرارة.

اللوجستيات الذكية: التحسين الديناميكي لمزيج المواد الخام يخفض التكاليف الإجمالية.

التحكم الذكي في الجودة: تتبع الجودة للعملية بالكامل والصيانة التنبؤية.

الاتجاه الثالث: إعادة هيكلة نظام أمن المواد الخام

تحديث سلسلة صناعة الفولاذ الخردة:
إنشاء مراكز معيارية واسعة النطاق لمعالجة وتصدير الخردة. تُحسّن تقنيات التقطيع والفرز والتكوير المتطورة جودة الخردة وتضمن استقرار الإمدادات. هذه ليست مجرد قضية اقتصادية، بل هي قضية استراتيجية في مجال الموارد.

الدور المعزز لحديد الاختزال المباشر (DRI):
في المناطق التي تتوافر فيها كميات وفيرة من الغاز الطبيعي أو مع انخفاض تكاليف إنتاج الهيدروجين الأخضر، ستصبح تقنية DRI «جسرًا أخضر» يربط بين المسارات الطويلة والقصيرة، حيث ستُستخدم كمادة تغذية عالية الجودة لأفران القوس الكهربائي وكمواد شحن منخفضة الكربون لأفران الصهر.

الاتجاه الرابع: التخصص وتقسيم العمل في أسواق المنتجات

ستظهر هيكلية سوق أكثر وضوحًا:

مسار BOF: الاستفادة من مزايا الحجم، والسيطرة على الإنتاج الضخم للمنتجات المسطحة والمنتجات الطويلة عالية الجودة.

مسار EAF: الاستفادة من المرونة، والمتخصصة في الفولاذ الخاص والفولاذ عالي الجودة والأسواق الإقليمية.

النماذج الهجينة: تشكيل تجمعات EAF في مناطق ذات موارد خردة غنية ومزايا طاقة؛ وتحسين تخطيط المسارات الطويلة في مناطق ذات موارد خام ومزايا موانئ.

الخاتمة: نحو مستقبل مستدام للصلب

تقف صناعة الفولاذ عند مفترق طرق التحوّل الذي لم يُشهد مثله منذ قرن. فالانتقال من اقتصاد خطي يعتمد على الموارد المعدنية إلى اقتصاد دائري يتبنّى المواد المعاد تدويرها؛ ومن عمليات عالية الكربون تعتمد على الفحم إلى عمليات منخفضة الكربون أو حتى خالية من الكربون وتعتمد على الكهرباء—هذا التغيير لا يتعلّق فقط ببقاء الصناعة، بل أيضًا بتحقيق الأهداف المناخية العالمية.

بالنسبة لشركات الصلب، سواء أكان الاختيار عبر طريقة الفرن العالي (BOF)، أو طريقة فرن القوس الكهربائي (EAF)، أو تكوين هجين، فإن الاستراتيجية الأساسية يجب أن تكون: لإنتاج فولاذ يلبي احتياجات المجتمع بأقل بصمة كربونية ممكنة. يتطلب ذلك التقدم المنسق للابتكار التكنولوجي وابتكار نماذج الأعمال وابتكار سلسلة التوريد.

بالنسبة للمجتمع، فإن فهم المبادئ العلمية والمنطق الصناعي الكامن وراء الفولاذ يساعدنا على النظر بعقلانية أكبر إلى تجديد هذه الصناعة «التقليدية» والمشاركة بفعالية في الاقتصاد الدائري للفولاذ. إن إعادة تدوير كل قطعة من منتجات الفولاذ بشكل صحيح يخفف العبء عن كوكبنا ويخزّن الطاقة للمستقبل.

قصة الفولاذ بعيدة عن الانتهاء؛ فتحولها الأخضر قد بدأ للتو.

تم تأليف هذه المقالة بواسطة فريق من خبراء الصناعة لتعميم المعرفة الأساسية حول تصنيع الفولاذ وتحليل اتجاهات تطور الصناعة. للمزيد من المحتوى المهني أو استفسارات بشأن التعاون التجاري، يرجى الاتصال بنا عبر القنوات التالية.

اتصل بنا:

واتساب/ويتشات: +86 15711363051

البريد الإلكتروني: sales@topflymaterial.com

الموقع الإلكتروني: https://www.topflycarbon.com/

عبر الإنترنت:

sales@topflymaterial.com

هاتف/واتساب:
86 15036311751

العنوان:

Xingchuang الدولي C912 ، شارع Xinya رقم 15 ، حي Daxing ، beixing ، الصين