लौह व इस्पात: वात्या भट्ठी, वैकल्पिक लौह-निर्माण, धातुमल, प्राथमिक व द्वितीयक इस्पात-निर्माण, तथा सतत ढलाई

द्रव्यमान संतुलन हर तत्व के अंतर्वाह व बहिर्वाह का लेखा रखता है: लोहा (लगभग सारा गरम धातु में जाता है), कार्बन (कोक व अंतःक्षेप्य से, गरम धातु व शीर्ष गैस में निकलता है), ऑक्सीजन (अयस्क व वात से), तथा गैंग ऑक्साइड, जो गालक के साथ धातुमल बनाते हैं। धातुमल आयतन गैंग से निश्चित है: अयस्क व कोक-राख के SiO₂ व Al₂O₃ को CaO व MgO से लक्ष्य क्षारीयता तक गालित करना होता है। ऊष्मा संतुलन मुक्त ऊष्मा (ट्यूयरों पर कार्बन का CO तक दहन, गरम वात की संवेद्य ऊष्मा, ऊष्माक्षेपी अप्रत्यक्ष अपचयन) को उपभुक्त ऊष्मा (प्रत्यक्ष अपचयन व बुडुआर अभिक्रिया, किसी कच्चे चूना-पत्थर का निस्तापन, धातु व धातुमल का गलन व अतितापन, शीर्ष गैस की संवेद्य ऊष्मा, और खोल व शीतलन-स्टेव से हानियाँ) के विरुद्ध रखता है। रिस्ट संचालन आरेख दोनों को ऑक्सीजन-कार्बन निर्देशांकों पर एक सरल रेखा में जोड़ता है, और उसका ढाल कार्बन-दर है। GATE आंकिकों में दो त्वरित संतुलन बार-बार आते हैं: लोह-संतुलन से अयस्क-दर, और क्षारीयता से गालक-दर।

अयस्क-चूर्ण सीधे आवेशित नहीं किया जा सकता क्योंकि वह गैस-प्रवाह अवरुद्ध करता है, अतः उसे संपिंडित किया जाता है। सिंटरन चूर्ण को कोक-चूरा, गालक व लौटे चूर्ण के साथ मिलाता है, नम मिश्रण को चलती जाली पर बिछाता है, ऊपर प्रज्वलित करता है और तल से वायु नीचे खींचता है; दहन-अग्र गुज़रता है, मिश्रण को आंशिक पिघलाकर सरंध्र खली में बाँधता है जिसे कुचलकर छाना जाता है। यहीं गालक मिलाना स्व-गालक (व अति-गालक) सिंटर देता है, जो निस्तापन को भट्ठी से बाहर ले जाता है और अपचयनीयता सुधारता है। गुटिकायन अति सूक्ष्म सांद्रों हेतु है: उन्हें बंधक (बेंटोनाइट) सहित लगभग 9-16 mm की हरी गोलियों में लुढ़काया जाता है, सुखाया जाता है और चलती जाली या जाली-भट्ठे में लगभग 1250-1350 °C पर कठोरीकृत किया जाता है, जिससे प्रबल, एकसमान, सरंध्र गुटिकाएँ मिलती हैं जो परिवहन सहती हैं और समान रूप से अपचित होती हैं। आवेश-गुणता का परीक्षण शीत सामर्थ्य (टम्बलर सूचकांक, शैटर सूचकांक), अपचयनीयता, निम्न ताप पर अपचयन-विघटन, तथा नरमन-गलन व्यवहार हेतु होता है।

धातुकर्मीय कोक कोककारी कोयलों के मिश्रण को स्लॉट भट्ठियों में लगभग 1000-1100 °C पर 16-20 घंटे कार्बनीकृत कर बनता है, प्रायः उपोत्पाद भट्ठियाँ जो टार, बेंज़ॉल व अमोनिया प्राप्त करती हैं, फिर जल या शुष्क शमन से ठंडा किया जाता है। भट्ठी में यह ईंधन है, अपचायक है, लोहे में घुलने वाले कार्बन का स्रोत है, और — संसंजक क्षेत्र के नीचे, जहाँ यही अकेला ठोस बचा है — वह पारगम्य जाली जिससे गैस ऊपर उठती है और धातु व धातुमल नीचे बहते हैं। अतः इसके परीक्षण शीत सामर्थ्य (माइकम M40 व M10 सूचकांक तथा शैटर व टम्बलर परीक्षण) और उष्ण व्यवहार दोनों मापते हैं: कोक अभिक्रियाशीलता सूचकांक (CRI), 1100 °C पर दो घंटे CO₂ से अभिक्रिया पर भार-हानि, तथा अभिक्रिया-पश्चात् कोक सामर्थ्य (CSR), शेष का टम्बलर सामर्थ्य। अच्छे वात्या-भट्ठी कोक का CRI निम्न व CSR उच्च, राख निम्न, गंधक निम्न व आकार-परास संकरा होता है।

प्रत्यक्ष अपचयन लौह अयस्क को ठोस अवस्था में, उसके गलनांक से नीचे, प्रत्यक्ष अपचित लोहे (DRI, या स्पंज लोहा) में अपचित करता है जो गैंग रखता है और बाद में, प्रायः विद्युत आर्क भट्ठी में, पिघलाया जाता है। इसकी गुणता धात्वीकरण की मात्रा, धात्विक Fe/कुल Fe × 100, से व्यक्त होती है। कोयला-आधारित DRI घूर्णी भट्ठों में बनता है: ढेला अयस्क या गुटिकाएँ व विगंधकक सहित अकोककारी कोयला झुके भट्ठे में गरम गैस की प्रति-धारा के विरुद्ध लुढ़कते हैं, अपचयन परत में उत्पन्न CO से होता है, सावधान नियंत्रण सहित ताकि उस ताप से नीचे रहा जाए जिस पर आवेश चिपकता है और अभिवृद्धियाँ बनाता है। गैस-आधारित DRI विश्व उत्पादन पर हावी है; MIDREX प्रक्रम में प्राकृतिक गैस उत्प्रेरक पर शीर्ष गैस (CO₂ व H₂O) से रिफ़ॉर्मित होकर गरम CO + H₂ गैस बनती है जो ऊर्ध्वाधर कूपक में फूँकी जाती है, जहाँ वह लगभग 800-900 °C पर गुटिकाओं व ढेला अयस्क की उतरती परत को अपचित करती है; उत्पाद ठंडा या गरम ब्रिकेटित लोहे के रूप में निकलता है, प्रायः 90% से अधिक धात्वीकृत।

प्रगलन अपचयन बिना कोक के द्रव गरम धातु बनाता है। COREX, पहला व्यावसायिक प्रक्रम, दो अभिक्रियक रखता है: ऊपरी अपचयन कूपक जिसमें ढेला अयस्क व गुटिकाएँ नीचे की गैस से उच्च धात्वीकरण के DRI में अपचित होती हैं, और निचला गलक-गैसीकारक जिसमें अकोककारी कोयला शुद्ध ऑक्सीजन से गैसीकृत होता है, वह अपचायक गैस व DRI को वात्या-भट्ठी गुणता की गरम धातु व धातुमल में पिघलाने हेतु ऊष्मा उत्पन्न करता है। यह कोक भट्ठियों व सिंटर संयंत्रों से बचता है, जो इसका मुख्य लाभ है, एक बड़े ऑक्सीजन संयंत्र व बड़ी निर्यात-गैस धारा की कीमत पर। इसका तरलित-परत उत्तराधिकारी, FINEX, अयस्क-चूर्ण सीधे लेता है।

पिघले सिलिकेट धातुमल SiO₄⁴⁻ चतुष्फलक पर बने आयनिक द्रव हैं। शुद्ध सिलिका पूर्ण संयोजित त्रि-विमीय जाल है, हर ऑक्सीजन दो सिलिकॉन परमाणुओं को सेतु करती है। जाल-निर्माता (SiO₂, P₂O₅, B₂O₃) इसे बनाते हैं; जाल-परिवर्तक (CaO, MgO, FeO, MnO, Na₂O) O²⁻ आयन देते हैं जो सेतु-ऑक्सीजनों को असेतु में तोड़ते हैं, जाल को शृंखलाओं, वलयों व अंततः पृथक चतुष्फलकों में विबहुलीकृत करते हुए; उभयधर्मी ऑक्साइड (Al₂O₃, और Fe₂O₃) दोनों में से किसी का काम करते हैं। क्षारीयता CaO/SiO₂ अनुपात (V-अनुपात), या (CaO + MgO)/(SiO₂ + Al₂O₃) जैसे अधिक पदों, या प्रकाशिक क्षारीयता के रूप में व्यक्त होती है। क्षारीयता बढ़ने पर जाल टूटता है, अतः श्यानता घटती है (ताप के साथ भी घटती है) जब तक ठोस-ऑक्साइड संतृप्ति सीमा न आ जाए, और मुक्त O²⁻ की सक्रियता — धातुमल की गंधक व फ़ॉस्फ़ोरस अवशोषित करने की क्षमता — बढ़ती है।

विगंधकन, (O²⁻) + [S] = (S²⁻) + [O], को क्षारीय धातुमल (अनेक O²⁻), धातु में निम्न ऑक्सीजन विभव (विऑक्सीकृत इस्पात, या वात्या भट्ठी की कार्बन-संतृप्त गरम धातु) व उच्च ताप चाहिए; धातुमल की सल्फ़ाइड क्षमता C_S व गंधक विभाजन अनुपात L_S = (%S)/[%S] इसे मापते हैं। विफ़ॉस्फ़ोरीकरण, 2[P] + 5[O] + 3(O²⁻) = 2(PO₄³⁻), एक ऑक्सीकरण है: इसे क्षारीय धातुमल, उच्च ऑक्सीजन विभव (धातुमल में उच्च FeO) व निम्न ताप चाहिए, क्योंकि अभिक्रिया प्रबल ऊष्माक्षेपी है। अतः गंधक व फ़ॉस्फ़ोरस विपरीत ऑक्सीजन विभव चाहते हैं, और परिवर्तक, जो ऑक्सीकारी है, फ़ॉस्फ़ोरस हटाने में अच्छा और गंधक हटाने में दुर्बल है — इसीलिए गरम धातु परिवर्तक से पहले और इस्पात उसके बाद, लैडल में, विगंधकित होता है।

इस्पात-निर्माण गरम धातु का नियंत्रित ऑक्सीकरण है। क्षारीय ऑक्सीजन भट्ठी (BOF, या LD परिवर्तक) में उच्च-शुद्धता ऑक्सीजन जल-शीतित लांस से पराध्वनिक चाल पर चूना-समृद्ध धातुमल के नीचे गरम धातु व स्क्रैप के कुंड पर फूँकी जाती है। एलिंघम क्रम अनुक्रम समझाता है: पहले सिलिकॉन ऑक्सीकृत होता है, फिर मैंगनीज़, फिर कार्बन, और क्षारीय, FeO-समृद्ध धातुमल बनने पर फ़ॉस्फ़ोरस धातुमल में जाता है। ये सभी ऑक्सीकरण ऊष्माक्षेपी हैं, अतः प्रक्रम को ईंधन नहीं चाहिए और शीतलक के रूप में 15-25% स्क्रैप पिघलाता है। विकार्बनीकरण तीन अवधियों में चलता है: सिलिकॉन हटने तक आरंभिक, ऑक्सीजन-आपूर्ति से तय अधिकतम दर पर मध्य, और लगभग 0.3% C से नीचे अंतिम, जिसमें दर अभिक्रिया-स्थलों तक कार्बन द्रव्यमान-स्थानांतरण से नियंत्रित है और कार्बन-मात्रा के साथ घटती है। कार्बन-ऑक्सीजन साम्य, [C] + [O] = CO(g), गुणनफल [%C][%O] को दिए ताप व p_CO पर लगभग स्थिर बनाता है — 1600 °C व 1 atm पर लगभग 0.002-0.0025 — अतः अंतिम कार्बन जितना कम, घुली ऑक्सीजन उतनी अधिक जिसे बाद में हटाना होगा। संयुक्त (ऊपर व नीचे) फूँक तलीय ट्यूयरों से अक्रिय गैस द्वारा कुंड विलोडित करती है, द्रव को साम्य के निकट लाती है और धातुमल में FeO व इस्पात में ऑक्सीजन घटाती है।

गतिकीय रूप से, CO द्रव में समांगी रूप से नहीं बन सकती: बुलबुले को ऊपर की धातु का दाब तथा पृष्ठ-तनाव पद 2σ/r पार करना होता है, जो नवजात बुलबुले हेतु अति विशाल है। अतः CO विषमांगी रूप से नाभिकित होती है — दुर्गलनीय छिद्रों पर, अंतःक्षिप्त ऑक्सीजन या आर्गन के गैस-धातु अंतरापृष्ठ पर, धातुमल में उछली धातु-बूँदों पर, जहाँ धातु, धातुमल व गैस का पायस विशाल अभिक्रिया-क्षेत्र देता है। विद्युत आर्क भट्ठी स्क्रैप, DRI या गरम धातु के ठंडे आवेश को ग्रेफ़ाइट इलेक्ट्रोडों के आर्क से पिघलाती है, ऑक्सीजन लांसिंग व कार्बन अंतःक्षेपण के पूरक सहित। आज का अभ्यास अति-उच्च-शक्ति ट्रांसफ़ॉर्मर, जल-शीतित पट्ट, धातुमल-मुक्त निकास हेतु उत्केंद्री तल निकास (EBT), और फेनिल धातुमल प्रयोग करता है — कार्बन अंतःक्षिप्त कर बनाया ताकि CO बुलबुले धातुमल को फुलाएँ — जो आर्क को ढकता है, दीवारों को विकिरण से बचाता है और तापीय दक्षता बढ़ाता है। EAF गलन-इकाई बन गई है; परिष्करण लैडल में पूरा होता है।

BOF या EAF से निकाला इस्पात कई सौ ppm घुली ऑक्सीजन रखता है और लैडल में विऑक्सीकृत होना चाहिए। विऑक्सीकारक एलिंघम आरेख से चुने जाते हैं: मैंगनीज़ दुर्बल, सिलिकॉन प्रबलतर, ऐलुमिनियम प्रबलतम (कैल्सियम व टाइटेनियम भी प्रयुक्त)। हर एक साम्य गुणनफल [%M]ˣ[%O]ʸ देता है, और उसका बना ऑक्साइड — Al₂O₃ गुच्छ, सिलिकेट — अधात्विक अंतर्वेशों के रूप में रहता है जिन्हें ऊपर तैराकर निकालना होता है। इस्पात विऑक्सीकरण से वर्गीकृत होते हैं: शांत (Al व Si से पूर्ण विऑक्सीकृत, ठोसीकरण पर गैस-निष्कासन नहीं), अर्ध-शांत, और रिम्ड (अल्प विऑक्सीकरण, साँचे में CO निकलती है)। सरंध्र प्लग या लांस से आर्गन विलोडन ताप व संघटन समांगी करता है, अंतर्वेश-प्लवन बढ़ाता है और धातुमल-धातु अभिक्रियाएँ तेज़ करता है; लैडल भट्ठी आर्क पुनर्तापन जोड़ती है ताकि लैडल रोका व समायोजित किया जा सके। 0.005% से नीचे विगंधकन भली विऑक्सीकृत इस्पात में प्रबल आर्गन विलोडन सहित संश्लिष्ट CaO-CaF₂ या CaO-Al₂O₃ धातुमल, या कैल्सियम अंतःक्षेपण, प्रयोग करता है।

निर्वात विगैसन हाइड्रोजन व नाइट्रोजन हेतु सीवर्ट्स नियम और कार्बन हेतु C-O अभिक्रिया का उपयोग करता है: दाब घटाने से साम्य [H] व [N], √p के रूप में घटते हैं और [C] + [O] = CO आगे बढ़ती है, जो अति-निम्न-कार्बन इस्पात हेतु निर्वात विकार्बनीकरण है। RH (रूरस्टाल-हेरियस) विगैसक इस्पात को दो स्नॉर्कलों से निर्वात पात्र में परिचालित करता है, एक पैर में आर्गन उत्थापक गैस प्रवाह चलाती है; VD व टंकी विगैसक पूरे लैडल को आर्गन विलोडन सहित निर्वात में रखते हैं। अंतर्वेश आकृति नियंत्रण शेष अंतर्वेशों को संशोधित करता है: कैल्सियम उपचार ठोस ऐलुमिना गुच्छों को, जो नोज़ल अवरुद्ध करते हैं, द्रव कैल्सियम ऐलुमिनेटों में बदलता है जो गोलाकार होकर ऊपर तैरते हैं, और लंबी MnS धारियों को, जो बेल्लित प्लेट को मोटाई-पार दिशा में दुर्बल बनाती हैं, कठोर, गोलाकार CaS से प्रतिस्थापित करता है; दुर्लभ-मृदा योग भी यही करते हैं।

स्टेनलेस इस्पात को कम से कम लगभग 10.5% Cr और, अधिकांश श्रेणियों हेतु, अति निम्न कार्बन चाहिए। कठिनाई यह है कि ऑक्सीजन फूँकने पर क्रोमियम कार्बन के साथ ऑक्सीकृत होता है: दिए ताप पर [Cr], [C] व p_CO के बीच साम्य का अर्थ है कि क्रोमियम को धातुमल में खोए बिना कार्बन हटाने हेतु या तो अति उच्च ताप चाहिए या CO का निम्न आंशिक दाब। आर्गन-ऑक्सीजन विकार्बनीकरण (AOD) आर्गन से तनुकृत ऑक्सीजन (कार्बन घटने के साथ उत्तरोत्तर अधिक आर्गन) को पार्श्व ट्यूयरों से परिवर्तक में फूँकता है: आर्गन p_CO घटाता है, अतः कार्बन वरीयता से हटता है, और ऑक्सीकृत कोई भी क्रोमियम फ़ेरोसिलिकॉन से अंतिम अपचयन द्वारा प्राप्त होता है। निर्वात-ऑक्सीजन विकार्बनीकरण (VOD) कुल दाब घटाकर वही लक्ष्य पाता है। विद्युत आर्क भट्ठी आवेश पिघलाती है, और AOD या VOD उसे परिष्कृत करता है।

सतत ढलाई में इस्पात लैडल से टंडिश में बहता है, जो उसे एक या अधिक धाराओं में बाँटता है और अंतर्वेशों को ऊपर तैरने का अंतिम अवसर देता है, और निमग्न प्रवेश नोज़ल से जल-शीतित, दोलायमान ताम्र साँचे में। साँचे की दीवार के सहारे पतला ठोस कोश बनता है; धारा लगातार खींची जाती है, बेलनों से सहारा पाती है और द्वितीयक शीतलन क्षेत्र में जल-फुहारों से ठंडी होती है जब तक पूर्ण ठोस न हो जाए, फिर सीधी की जाती है और लंबाई में काटी जाती है। साँचा ऋणात्मक पट्टी की अवधि सहित दोलन करता है, जब वह धारा से तेज़ नीचे चलता है, ताकि कोश चिपककर फटे नहीं; साँचा-चूर्ण मेनिस्कस पर पिघलकर कोश को स्नेहित करता है, इस्पात-पृष्ठ को विद्युतरोधी करता है और अंतर्वेश अवशोषित करता है। कोश-वृद्धि परवलयिक नियम d = K√t मानती है (K लगभग 20-30 mm/min^½ कोटि का), अतः धातुकर्मीय लंबाई — मेनिस्कस से अंतिम ठोसीकरण बिंदु तक दूरी — v चाल पर ढली D मोटाई की धारा हेतु L = v t_f = v (D/2K)² है। साँचे या धारा में विद्युतचुंबकीय विलोडन स्तंभाकार अग्र को तोड़ता है और समअक्षीय क्षेत्र बढ़ाता है।

पतली स्लैब ढलाई लगभग 50-90 mm मोटी स्लैबें ढालती है, पारंपरिक स्लैब ढलाई-यंत्रों के लगभग 200-250 mm के विरुद्ध, एक कीप-आकार साँचे का प्रयोग करते हुए जो शीर्ष पर निमग्न नोज़ल हेतु स्थान छोड़ता है। पतली स्लैब तेज़ी से ठोस होती है, उच्च चाल पर ढलती है और गरम ही, समीकरण हेतु सुरंग भट्ठी से होकर, सीधे एक छोटी उष्ण-पट्टी चक्की में जाती है — संहत पट्टी उत्पादन — रफ़िंग चक्की व पुनर्तापन भट्ठी हटाते हुए, ऊर्जा व पूँजी में बड़ी बचत सहित। इसकी चुनौतियाँ उच्च चाल पर साँचा-स्तर विक्षोभ व ऊष्मा-स्थानांतरण नियंत्रण हैं।