ذوب آهن قراضه یک پدیده جهانی رو به گسترش

[XMEHRDADX 7,514]

فولاد آلياژي است از آهن كه با توجه به گريد آن عيار وزني كربن آن بين 2/0 درصد تا 1/2 درصد نوسان دارد. كربن اقتصادي‌ترين ماده آلياژي براي آهن است، اما عناصر آلياژي مختلف ديگري مانند منگنز، كروميوم، واناديوم و تنگستن نيز در آن وجود دارد.

 

كربن و ديگر عناصر به‌عنوان مواد سخت‌كننده بوده كه مانع جابه‌جايي در شبكه كريستال اتم آهن از لغزش و عبور از يكديگر مي‌شوند.

 

با توجه به ميزان مختلف عناصر آلياژي و شكل حضور آن در فولاد (عناصر حل شده، فاز رسوبي) سختي، انعطاف‌پذيري و مقاومت‌ كششي فولاد را كنترل مي‌كند. فولاد با ميزان كربن بالا مي‌تواند سخت‌تر و محكم‌تر از آهن باشد اما شكل‌پذيري كمتري نيز دارد. اگرچه فولاد را در گذشته‌ها با روش‌هاي ناكارآمد متفاوتي توليد مي‌كردند و استفاده از آن پس از ابداع روش‌هاي كارآمد توليدي از قرن 17 به بعد متداول‌تر شده است.

 

فولاد يكي از موادي است كه بسيار در طبيعت بازيافت مي‌شود و از سال 2007 بيش از 78 درصد فولاد در آمريكا بازيافت شده است. اين ماده يا فلز در آمريكا بيشتر بازيافت مي‌شود به‌طوري كه در سال 2000 بيش از 60 ميليون تن از آن بازيافت شده است.

 

كالاهاي فولادي كه معمولا بيشترين بازيافت را دارند شامل قوطي‌ها، خودروها، لوازم خانگي و مواد فولادي ساختماني هستند. به‌عنوان مثال در سال 2007 بيش از 97 درصد فولادهاي ساختماني و 100 درصد خودروها بازيافت شده‌اند (در مقايسه مصرف كنوني فولاد براي هر صنعت با ميزان فولاد بازيافت شده). يك نمونه معمولي لوازم خانگي از نظر وزني داراي 75 درصد فولاد و خودرو داراي 65 درصد آهن و فولاد است.

 

صنعت فولاد به‌طور فعالانه‌اي بيش از 150 سال است كه در حجم زيادي به‌دليل اقتصادي بودن آن، فولاد را بازيافت مي‌كند. توليد آهن از طريق آهن قراضه ارزان‌تر از توليد آن از سنگ‌آهن است.

 

فولاد در طي فرآيند بازيافت هيچ‌كدام از خواص فيزيكي ذاتي خود را از دست نمي‌دهد و در مقايسه با فرآوري سنگ‌آهن در حد قابل‌ملاحظه‌اي مصرف آهن قراضه از ميزان مصرف انرژي و مواد مي‌كاهد. انرژي ذخيره شده از طريق بازيافت، مصرف سالانه انرژي در صنعت را تا 75 درصد كاهش مي‌دهد كه مي‌تواند ميزان برق مصرفي 18 ميليون خانه را در سال تامين كند.

 

آهن قراضه يك منبع پرارزش آهن است. با افزايش مصرف فولاد در جهان، به‌زودي مسئله كمبود قراضه مرتفع خواهد شد چون از يك طرف قراضه توليدي بيشتر شده و از طرف ديگر توليد فولاد از طريق قراضه راكد مانده است. با توجه به اين وضعيت فولادسازان بزرگ به‌دنبال ابداع يك فناوري براي ذوب بيشتر قراضه هستند.

 

در سال 1993 كارخانه هيروهاتا در ژاپن كوره بلند خود را تعطيل كرده و فرآيند ذوب قراضه را در كوره بلند (BOF) به مرحله صنعتي رسانيده است.

 

HMS (قراضه ذوب سنگين) فولاد يا آهن نرم قابل بازيافت است. اين قراضه به دو گروه HMS1 و HMS2 تقسيم مي‌شود. فرق بين اين دو اين است كه HMS1 داراي فولاد گالوانيزه يا اندودكاري شده نيست اما HMS2 داراي اين‌گونه فولاد است.

 

فرآيند ذوب با مشخصات درخواستي فلز مشتري براي ريخته‌گري (casting) شروع مي‌شود كه مشخص مي‌كند چه نوع قراضه‌اي بايد به كوره شارژ شود. پس از آنكه قراضه شارژ شد از سه الكترود استفاده مي‌شود كه هر كدام از اين الكترودها با 6500 آمپر شدت جريان قراضه را ذوب مي‌كند. در مراحل يا نقاط مختلف فرآيند ذوب براي تعيين مشخصات شيميايي فلز مذاب نمونه‌برداري مي‌شود.

 

با استفاده از يك هادي (guide) اسپكترومتري مواد آلياژي به كوره اضافه مي‌شود تا فلز مذاب به مشخصات مورد نظر دست يابد. زماني‌كه فلز به مشخصات مطلوب رسيد در حرارت 3 هزار درجه فارنهايت به يك پاتيل پيش‌گرم شده براي انتقال به خطوط ذوب‌ريزي ريخته مي‌شود.

 

در خطوط ذوب‌ريزي، فلز مذاب به قالب‌هاي مناسبي ريخته مي‌شود. به‌دليل بالا رفتن فشار فولاد مذاب غالبا قالب‌ها وزن شده يا بسته مي‌شوند تا مانع جدا شدن آنها در نقطه تلاقي نيمه زيرين و رويي قالب شود.

 

پس از ريختن، قالب را 30 دقيقه قبل از بردن به محل خارج كردن (Shakeout) خنك مي‌كنند. در SWS قالب‌هاي ريخته شده به نقاله ارتعاش‌كننده تخليه مي‌شود. در روي نوار نقاله قالب‌ها توسط لرزش شكسته مي‌شوند كه قالب‌هاي ريخته شده برداشته مي‌شوند. ماسه از قالب جدا مي‌شود و از طريق سيستم برگردان (reclamation) براي استفاده مجدد در قالب و ماهيچه‌سازي فرآيند مي‌شود.

 

توام با افزايش انباره‌اي فولاد، قراضه بيشتري نيز مصرف مي‌شود. آهن قراضه عمدتا در كوره‌هاي قوسي (EAFs) و تا حدي در كوره بلند (BF) ـ كوره اكسيژن قليايي (BOF) ريخته مي‌شود.

 

قراضه يك منبع آهن است كه نيازي به انرژي احيا در مقايسه با سنگ‌آهن ندارد. افزايش مصرف قراضه از طريق ايجاد يك فرآيند كه بتواند ميزان بازيافت قراضه را افزايش دهد صورت مي‌پذيرد. اين فرآيند نه تنها مصرف انرژي را كاهش مي‌دهد بلكه مشكلاتي مانند كاهش منابع طبيعي و گرمايش زمين ناشي از افزايش خروج آلاينده‌هاي گازي (CO2) را برطرف مي‌كند. اين يكي از چالش‌هايي است كه صنعت فولاد با آن مواجه است.

 

شركت نيپون استيل يك فرآيند ذوب قراضه در كارخانه هيروهاتا را در ژوئن 1993 راه‌اندازي كرد تا پيشگام در يك شكل جديد ذوب قراضه شود. قوطي‌هاي فولادي و ديگر قراضه‌هاي توليد شده در بازار بازيافت شده و به محصولات فولادي پس از ذوب تبديل مي‌شوند.

[XMEHRDADX 7,514]

اهميت تكنولوژيكي مصرف آهن قراضه

 

به‌طور كل قراضه را مي‌توان به قراضه داخلي (home) توليد شده در داخل كارخانه، قراضه صنعتي توليد شده در طول فرآيند فولاد در كارگاه‌هاي ماشين‌كاري و غيره و قراضه توليد شامل قراضه كهنه (obsolete)، پوسيده يا شكسته محصولات فولادي صنايع مصرف‌كننده فولاد تقسيم‌بندي كرد.

 

در سال‌هاي اخير توليد قراضه داخلي تا حدي به‌دليل اقدامات اتخاذ شده براي بهبود راندمان مثلا واحد ريخته‌گري پيوسته، تغيير يافته است. اين شرايط براي قراضه توليد صنعتي نيز صدق مي‌كند كه هزينه مصرف‌كنندگان آن را كاهش مي‌دهد.

 

در حال حاضر قراضه توليد (Dormat) بيش از نيمي از عرضه كل قراضه را دربرمي‌گيرد و پيش‌بيني مي‌شود با انبارسازي فولاد در بازار به ميزان آن افزوده شود. به‌طور كل توليد قراضه توليد را مي‌توان از عمر مفيد و ذخيره شدن انواع محصولات فولادي تخمين زد. تقريبا بايد گفت توليد قراضه متناسب با ذخيره شدن فولاد در بازار است.

 

 

نقطه ذوب فولاد

 

نقطه ذوب فولاد به آلياژ فولاد بستگي دارد. اصطلاح آلياژي تقريبا هميشه به غلط اين روزها استفاده مي‌شود خصوصا در ميان دوچرخه‌سواران كه اين كاربرد به غلط رواج دارد. آنان اين اصطلاح را به‌معني آلومينيوم استفاده مي‌كنند.

 

در واقع اصطلاح آلياژي يعني تركيبي از فلزات و تقريبا تمامي فلزاتي كه امروزه استفاده مي‌شوند و تركيبي هستند بنابراين يك آلياژ به حساب مي‌آيند. اكثر فولادها داراي ديگر فلزات تركيبي هستند كه براي دستيابي به خواص ويژه مانند استحكام، ضدفرسايش يا سهولت در ساخت محصولات صنعتي بدان اضافه مي‌شوند.

فولاد فقط عنصري از آهن است كه براي كنترل ميزان كربن آن فرآيند شده است.

 

سنگ‌آهن استخراجي از زمين در 1510 درجه حرارت سانتيگراد ذوب مي‌شود. فولاد معمولا در 1370 درجه سانتيگراد ذوب مي‌شود.

 

 

پيشرفت در تكنولوژي ذوب قراضه در فرآيند BF-BOF

 

در فرآيند فولادسازي BOF كه از گرماي كربن تبديل CO به CO2 استفاده مي‌كند اما بسيار بيشتر از گرماي تبديل C به CO است.

 

اگر از مرحله احتراق ثانويه (پس احتراقي) از CO به CO2 استفاده شود، ميزان ذوب قراضه مي‌تواند بدون طولاني‌تر شدن زمان تخليه تا تخليه افزايش پيدا كند.

 

C- كيلوگرم/ كيلوژول

C+1/2 O2= CO+9209

C- كيلوگرم/ كيلوژول

CO+1/2 O2= CO2+23567

 

در حالت بهره‌برداري نرمال BOF، نسبت CO سوخته به CO2 (نسبت پس احتراقي) 5 تا 10 درصد است. ثابت شده است كه ميزان ذوب قراضه مي‌تواند با افزايش نسبت پس احتراقي افزايش پيدا كند. به‌عنوان مثال نسبت قراضه مي‌تواند با افزايش 10 درصدي ميزان پس احتراقي 4ـ3 درصد افزايش پيدا كند.

 

به‌دليل اهميت دستيابي به رفتار پس‌احتراقي طي فرآيند يا تصفيه BOF، شركت‌ها براي رسيدن به مكانيسم پس‌احتراقي فعاليت و بررسي كرده‌اند.

 

طبق فرآيند اكسيژن با سرعت فوق‌العاده بالاي مافوق صوت از لوله‌هاي بالايي دميده مي‌شود.

 

واكنش بين اكسيژن با سرعت بالا و گاز CO (گاز توليد شده از كربن‌زدايي) توليد CO2 مي‌كند در لايه سطحي جت CO2 يا در سرعتي كمتر از سرعت بحراني، بخشي از CO2 از فوران CO2 به همراه جريان گاز CO توليد شده در نقطه گرم پايين‌تر فرار مي‌كند. نسبت پس احتراقي ميزان CO2 فراري به ميزان CO توليد توسط واكنش كربن‌زدايي بستگي دارد. امكان كنترل نسبت پس‌احتراقي از رفتار جت مشخص شده است.

 

يك فرآيند دمش از بالاي زغال (فرآيند ALCI) به‌عنوان يك روش مثبت براي اضافه كردن يك منبع حرارتي در BOF ابداع شد. در فرآيند ALCI را زغال در سرعت بالايي به داخل حمام مذاب در كوره دميده مي‌شود و توسط يك لوله با سوراخ‌هاي اكسيژن كمكي و اصلي پس‌احتراقي را افزايش مي‌دهد، در مقايسه با فرآيند افزودن كك از بالاي سنتي، روش ALCI ابداع شد تا نسبت بالاتر قراضه را با همان ميزان احتراق كربن فراهم آورد.

 

مزيت اين روش بهبود راندمان كربن و نسبت پس‌احتراقي است اما كل فرآيند جديد ذوب قراضه در BOF نيز ابداع شده است.

 

فرآيند ذوب قراضه پاشنه گرم BOF

 

در اوايل قرن 19 فرآيند ذوب قراضه BOF سنتي يك تكنولوژي پيشرفته و انقلابي بود. زماني به دلايل زير روش سنتي BF-BOF تغيير يافت:

 

1. استفاده از BOF براي كاهش هزينه تجهيزات و استمرار استفاده آزاد از مواد اوليه و سوخت.

 

2. جداسازي كوره ذوب قراضه و كربن‌زدايي كوره براي تضمين بهره‌وري بالا و كيفيت بالاي محصول.

 

3. به حداقل رسانيدن كل هزينه توليد از طريق بهره‌برداري موثر از انرژي تلف شده مانند بازيافت گاز خروجي از طريق سيستم OG واحد BOF.

 

در فرآيند جديد قراضه از بالا توسط يك سطح شيبدار به داخل كوره ذوب ريخته مي‌شود و زغال و اكسيژن به داخل از طريق زيركوره به‌عنوان سوخت بر روي شارژ دميده مي‌شود.

 

قراضه سريعا توسط گرماي پس‌احتراقي و نيز توسط لنس بالايي ذوب مي‌شود.

 

پس از پايان دوره ذوب قراضه، نصف چدن يا فلز مذاب از كوره ذوب تخليه شده و سپس سولفورزدايي مي‌شود و در غير اين‌صورت تصفيه مي‌شود و به داخل كوره كربن‌زدايي شارژ مي‌شود.

 

در اين فرآيند قراضه سريع و يكنواخت ذوب شده و نيمي از هر ذوب در كوره ذوب باقي مي‌ماند. مراحلي مانند توليد يكنواخت فولاد تميز از طريق تصفيه شبه فولاد (quasi steel) مشابه فرآيند سنتي، عمر طولاني نسوز، تضمين همزمان منابع گرماي ذوب از طريق كنترل ميزان پس‌احتراقي و استفاده از گاز خروجي بازيافتي و تزريق پودر زغال از پايين با استفاده از زغال ارزان و از نقطه‌نظر كربن‌زدايي چدن مذاب در اطراف قراضه در حال ذوب، مورد توجه قرار مي‌گيرد.

 

 

رفتار ذوب قراضه

 

به كوره 5 تني قبل از ذوب قراضه مس اضافه مي‌شود و ميزان ذوب قراضه به نسبت حل شدن مس تعيين مي‌شود. تغييرات درجه حرارت حمام يا خزينه مذاب در دوره مذاب اندازه‌گيري مي‌شود.

 

در مرحله اوليه ذوب، درجه حرارت حمام كاهش پيدا مي‌كند و ميزان ذوب افزايش پيدا نمي‌كند. پس از 10 دقيقه كه فرآيند ذوب انجام مي‌شود، ميزان ذوب و درجه حرارت حمام هر دو رو به افزايش مي‌گذارند.

 

اثر ذوب زغال بر روي قراضه

 

براي كنترل مطلوب غلظت كربن حمام طي دوره ذوب قراضه و براي ارتقاي رفتار فوق‌الذكر ذوب قراضه، رفتار ذوب زغال تزريقي به چدن مذاب بايد مشخص و مطالعه شود. ذوب زغال با استفاده از كوره‌هاي 500 كيلوگرم و 5 تني مورد بررسي قرار گرفت.

 

چشم‌انداز آتي

 

بازيافت مواد استفاده شده در جهان بايد به صورت يك روند مطالعه شود. چون در غير اين‌صورت مشكل زيست‌محيطي خواهيم داشت.

 

در حال حاضر روش ذوب قراضه BOF روز به روز مورد توجه قرار مي‌گيرد چون مشكل منابع آهني را برطرف كرده و از ساختار كارخانه‌هاي فولادسازي كنوني به طور مفيدي استفاده مي‌كند.

 

 

منبع: Steel world

نشریه معدن و توسعه شماره354