از شهر فولادی تا آزمایشگاه: تقویت صنعت فولاد ایالات متحده از طریق علم

من در خارج از پیتسبورگ ، پنسیلوانیا ، معروف به “شهر فولادی” بزرگ شدم. اگرچه دیگر مرکز تولید فولاد یا سنگین در آمریکا نیست ، اما این گذشته بخشی افتخار از هویت این شهر است.

مانند بسیاری از پیتسبورگرها ، داستان خانواده من با این میراث صنعتی گره خورده است. بستگان من در جستجوی کار به آنجا مهاجرت کردند و آن را در وستینگهاوس ، غول تولیدی روز خود پیدا کردند. من در پله های آنها دنبال کردم و به نسل چهارم کار در آنجا تبدیل شدم. و مانند اجداد من قبل از من ، من از تولید حمایت کردم.

در طول زمان حضور در پیتسبورگ ، شاهد کاهش فولاد و صنایع مرتبط بودم که به زادگاه من آسیب رساند. با گم شدن مشاغل ، خانواده ها و جوامع تلاش می کردند.

هر دو وقت من در پیتسبورگ و تجربیات صنعت مسیری را شکل دادند که سرانجام من را به سمت NIST سوق داد. من علم مواد و فرصتی برای تحقیق در مورد موضوعی که عمیقاً در زادگاه من ریشه دارد: فولاد.

اکنون ، من به نوآوری های آزمایشگاهی که از یک صنعت فولاد پر جنب و جوش و انعطاف پذیر پشتیبانی می کنم ، کمک می کنم. این کار بسیار شخصی است و ریشه در میراث صنعتی جامعه ای که من بزرگ شده ام. من امیدوارم که این کار نه تنها در پیتسبورگ بلکه در شهرهای تولیدی در سراسر کشور به فرصت های آینده منجر شود.

تجدید نظر در مورد آهن سازی برای قرن بیست و یکم

آهن یک ماده اصلی در ساخت فولاد است. این ماده اغلب در یک کوره انفجار ساخته می شود ، جایی که سنگ آهن با استفاده از گاز مونوکسید کربن به آهن مذاب کاهش می یابد. این گاز کاهش دهنده از سوزاندن یک منبع کربن حاصل از زغال سنگ ، معروف به کک تولید می شود.

جالب اینجاست که روش تولید آهن کوره انفجار امروز با مواردی که هزاران سال پیش توسعه یافته است ، تفاوت چندانی ندارد. این فرآیند از واکنشهای شیمیایی مشابهی استفاده می کند که در کوره های باستانی در عملکرد در حدود 1000 قبل از میلاد استفاده شده است. این فرآیندهای آزمایش شده برای نوآوری مناسب است.

در NIST ، ما در حال تحقیق در مورد رویکردهای جدید در مورد آهن سازی هستیم ، با تمرکز بر فرآیندهای معروف به کاهش مستقیم. بر خلاف روشهای سنتی کوره انفجار که از گاز مونوکسید کربن حاصل از کک استفاده می کنند ، کاهش مستقیم از گازهایی مانند هیدروژن خالص یا گاز طبیعی اصلاح شده استفاده می کند تا سنگ آهن را به آهن کاهش دهد.

هنگامی که از هیدروژن خالص به عنوان کاهش گاز در این فرآیندها استفاده می شود ، محصول جانبی بخار آب است. علاوه بر هیدروژن خالص ، می توان از گاز طبیعی اصلاح شده نیز استفاده کرد. این ترکیبی از هیدروژن و مونوکسید کربن را به همراه دارد ، که هر دو به عنوان عوامل کاهش دهنده عمل می کنند. پیشبرد این فرایندها فرصت هایی برای استفاده از ذخایر فراوان گاز طبیعی داخلی کشور ارائه می دهد. همچنین این زنجیره تأمین آهن سازی ایالات متحده را تقویت می کند ، که در دهه های اخیر به خارج از کشور تغییر کرده است.

در حالی که کاهش مستقیم آهنین نوید عالی را نشان می دهد ، بسیاری از چالش های فنی پذیرش گسترده صنعتی را محدود می کنند. یکی از این چالش ها مربوط به کیفیت سنگ آهن است. کاهش مستقیم آهنین نیاز به سنگ آهن با کیفیت بالا دارد ، اما بخش اعظم این منبع داخلی قبلاً استخراج شده استبشر سنگ آهن با کیفیت پایین که باقی مانده است حاوی ناخالصی های بیشتری است ، که اگر یاد نگیریم که چگونه با آن کار کنیم ، می تواند منجر به فولاد با کیفیت پایین شود. این دقیقاً همان کاری است که ما در اینجا در NIST انجام می دهیم ، و مطالعه می کنیم که چگونه فولاد با کیفیت بالا را از مواد اولیه ای که در حال حاضر در ایالات متحده در دسترس داریم ، تهیه کنیم

ما به طور خاص در تلاش هستیم تا درک کنیم که چگونه این ناخالص ها بر واکنش شیمیایی تأثیر می گذارد زیرا سنگ آهن به آهن تبدیل می شود. ما از طیف وسیعی از ابزارها برای ارزیابی این موضوع استفاده می کنیم ، از جمله میکروسکوپ تخصصی که می تواند بیش از یک میلیون بار مواد را بزرگ کند. این به ما امکان می دهد ترتیب اتم ها را رعایت کنیم. این تکنیک اندازه گیری درک اساسی از نقش ناخالصی ها و چگونگی کاهش اثرات آنها را ارائه می دهد. اگر بتوانیم این کار را انجام دهیم ، تولید کنندگان ممکن است بتوانند از سنگ آهن با درجه پایین استفاده کنند و در نتیجه هنوز هم از فولاد با کیفیت بالا استفاده کنند که این امر برای تولید کنندگان فولاد داخلی ایده آل خواهد بود.

نقش بازیافت در فولاد مدرن

ساخت فولاد مدرن نه تنها به نحوه تولید آهن بستگی دارد ، بلکه به طور مؤثر مواد را نیز بازیافت می کنیم. بخش عمده ای از فولاد سازی در ایالات متحده از فلز قراضه بازیافت شده به عنوان مواد ورودی استفاده می کند. علاوه بر آهن ، این قراضه در یک کوره قوس برقی ذوب می شود. فولاد 100 ٪ قابل بازیافت است و یکی از بالاترین نرخ بازیافت هر ماده ای را دارد ، به این معنی که فولاد تولید شده امروزه می توانست قبلاً در اتومبیل ، ساختمان یا لوازم خانگی باشد.

با این حال ، صنعت فولاد با چالش در تهیه قراضه روبرو است. تقاضای زیاد برای فولاد باعث کاهش ضایعات با کیفیت بالا می شود و صنعت را به استفاده از ضایعات با کیفیت پایین سوق می دهد ، که اغلب حاوی ناخالصی است. این ناخالصی ها می توانند به فولاد تازه تولید شده منتقل شوند و عملکرد آن را تضعیف کنند. این مفهوم مانند بازیافت شیشه یا پلاستیک است: هرچه مواد پاک کننده باشند ، نتیجه بازیافت بهتر می شود. لیوان عاری از حلقه های درب فلزی یا پلاستیک عاری از باقیمانده مواد غذایی به احتمال زیاد هنگام بازیافت به محصولات با کیفیت بالا تبدیل می شود. همین ایده در مورد ضایعات فولاد صدق می کند.

ما در حال بررسی چندین راه حل برای پرداختن به چالش های ضایعات فلزی با کیفیت پایین هستیم. یک مسیر بهبود فن آوری های بازیافت برای مرتب کردن ضایعات به طور مؤثرتر و حذف آلودگی است. استراتژی دیگر طراحی آلیاژهای فلزی جدید است که نسبت به ناخالصی ها تحمل بیشتری دارند.

احتمالاً ترکیبی از راه حل ها مورد نیاز خواهد بود.

از اندازه گیری تا تولید: تأثیر NIST

من با تیمی از دانشمندان مواد کار می کنم که تجربه قابل توجهی و دانش فنی عمیق را برای برخی از سخت ترین چالش های پیش روی صنایع ایالات متحده به ارمغان می آورند. آنچه کار ما را بسیار تأثیرگذار می کند ، تمرکز روی دقت است. قدرت اصلی NIST دقیقاً اندازه گیری چیزها است. این مهم برای ایجاد مبنای فنی برای استانداردهای صنعتی یا درک و بهبود مواد مانند آهن و فولاد است.

اما ما به تنهایی کار نمی کنیم. همکاری های نزدیک با صنعت اطمینان حاصل می کند که پیشرفت های آزمایشگاهی به موفقیت های صنعت ، تقویت تولید ، احیای زنجیره های تأمین و تقویت مقاومت ملی ما.

امید من این است که دقت علمی و قدرت صنعتی به ایجاد فرصت های آینده در جوامعی که آمریکا ساخته اند ، شبیه به آنچه که من در آن بزرگ شده ام کمک خواهد کرد.