صفحه اصلی

دسته بندی

گرافیت

فروآلیاژها

اخبار فولاد

تحلیل جهانی

مقالات تخصصی

رویدادهای داخلی

آخرین اخبار

هرآنچه باید در خصوص سرباره بدانید

کوره های قوس الکتریکی:

در سال ۱۸۰۲ قوس الکتریکی توسط پتروف و توسط دو زغال چوب که به دو سر باتری متصل شده بودند کشف شد. در حالتی که دو سر زغال در فاصله کمی از یکدیگر قرار می‌گیرند، نور خیره کننده‌ای بین آن‌ها ایجاد می‌شود که گرمای شدیدی ایجاد می‌کند. قوس الکتریکی در واقع ستونی از گازهای ملتهب شده توسط الکترون‌های جدا شده از کاتد است. به همین دلیل دمای قوس بسیار بالاست. کوره قوس الکتریکی یا کوره EAF، در گروه کوره‌های الکتریکی قرار می‌گیرد. امروزه این کوره متداول‌ترین نوع کوره فولاد است و در صنعت تولید فولاد و چدن کاربرد بالایی دارد. همچنین از این نوع کوره برای ذوب قراضه‌ها و پالایش قطعات آن‌ها استفاده می‌شود. دمای لازم برای ذوب فلز از تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی حرارتی تامین می‌شود. این تبدیل انرژی به کمک قوس الکتریکی اتفاق می‌افتد.

به کوره‌هایی که برای تهیه ذوب فولادها به ویژه فولادهای ساده کربنی کاربرد دارد، کوره قوس الکتریکی گویند. کوره قوس الکتریکی به انگلیسی Electric Arc Furnace نام دارد و اختصارا کوره EAF نیز نامیده می‌شود.

خروجی کوره های قوس الکتریکی:

فولاد مذاب

دود و غبار

سرباره

سرباره:

امروزه با افزایش تولید فولاد در دنیا، تولید سرباره نیز به عنوان محصول فرعی فولادسازی افزایش یافته است. از طرف دیگر سرباره ها بسته به روش تولید، حاوی عناصر فلزی و ترکیبات مختلف می باشند. بازیابی فلزات از سرباره ها و بهره برداری از آنها هم برای  منابع فلزی و هم برای محافظت از محیط زیست مهم می باشد.

سرباره‌ی صنایع آهن و فولاد به‌عنوان یک محصول فرعی در فرآیند تولید آهن و فولاد محسوب می‌گردد. این ماده در طبقه‌بندی مدیریت پسماند به عنوان یک پسماند صنعتی غیر خطرناک شناخته می‌شود. به ازای تولید هر تن شمش فولاد به روش قوس الکتریکی در حدود 120 کیلوگرم سرباره‌ی فولاد قوس الکتریکی تولید می‌شود. طبق گزارش طرح جامع فولاد ایران ظرفیت نهایی ساخت فولاد به این روش در سال 1400 شمسی به 8/28 میلیون تن در سال خواهد رسید، که در سالیان نه‌چندان دور به‌طور تقریبی حدود 5/3 میلیون تن از این نوع سرباره در کشور تولید خواهد شد. در سلسله مراتب سیستم مدیریت پسماند صنعتی، به‌طور علمی و عملی کاهش و حذف این نوع سرباره در فرآیند تولید فولاد ناممکن است. در نتیجه گزینه‌ی بازیافت برای این سرباره از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. اولین گام برای بازیافت این سرباره، فرآوری آن هنگام خروج از کوره‌ی قوس الکتریکی می‌باشد. که متأسفانه در کشور ما این سرباره فرآوری نمی‌شود، این موضوع باعث محدودیت برای بازیافت این سرباره در کشور می‌گردد.

استفاده از سرباره در صنعت سیمان:

با توجه به توانمندی بالای صنعت سیمان در خردایش و آسیاب این سرباره، در مقیاس آزمایشگاهی اقدام به ساخت سیمان پرتلند- سرباره‌ی فولاد قوس الکتریکی شد. لازم به ذکر است که سرباره‌ی مرسوم برای ساخت سیمان سرباره‌ای، سرباره‌ی کوره بلند آهن‌گدازی می‌باشد. درصد بالای اکسید آهن این سرباره به نسبت کلینکر سیمان پرتلند یک از موانعی است که استفاده از این سرباره را برای ساخت سیمان سرباره‌ای ناکام گذاشته است. در این پژوهش برای کاهش اکسید آهن، سرباره ‌به دو روش جدایش مغناطیسی و احیا حرارتی اصلاح می‌شود. در ضمن برای ساخت سیمان پرتلند- سرباره‌ی فولاد قوس الکتریکی از اختلاط مجزای سیمان پرتلند و سرباره‌ی فولاد قوس الکتریکی استفاده شده است. در این راستا پودر آسیاب شده‌ی سرباره‌ی فولاد قوس الکتریکی به‌صورت اصلاح نشده و اصلاح شده به میزان 5، 10، 15، 20 و 25 درصد وزنی سیمان جایگزین بخشی از سیمان پرتلند مصرفی شده است. برای پایش مخلوط‌های دو جزئی ساخته شده آزمایش‌های مقاومت فشاری 3، 7 و 28 روزه، زمان گیرش اولیه و نهایی ملات سیمان بر روی این مخلوط‌های انجام شده است. نتایج تمام مخلوط‌های دو جزئی ساخته شده در محدوده‌ی مجاز آئین‌نامه‌های 3517 و ASTM C595 قرار گرفته‌اند. در انتها می‌توان بازیافت سرباره‌ی فولاد قوس الکتریکی به‌عنوان جایگزین بخشی از سیمان مصرفی را، در راستای توسعه‌ی پایدار منابع معدنی، سوخت‌های فسیلی و محیط زیست کشور ارزیابی نمود.

ترکیب شیمیایی سرباره:

بهینه بودن ترکیب شیمیایی سرباره می تواند تاثیر بسزایی در کاهش مصرف نسوز کوره های قوس الکتریکی داشته باشد. وجود FeO, MgO کافیو بازیسیته مناسب در سرباره از عوامل موثر در کنترل خوردگی نسوز می باشد. بطوریکه با قرار گرفتن این عوامل در محدوده نرمال نمودار ISD، قابلیت پفکی شدن سرباره افزایش می یابد که نتیجه آن کاهش مصرف نسوز و انرژی الکتریکی است. در این پژوهش به منظور بهینه سازی ترکیب شیمیاییاز یک کوره قوس الکتریکی 70 تنیبا نسوز منیزیتی و با قابلیت تزریق کربن و اکسیژن استفاده گردید. ابتدا شرایطجاری که شامل بررسی دستورالعمل ذوب، تعیین ترکیب شیمیایی مواد اولیه و سرباره بود مشخص شد. سپس با انجام محاسبات مواد مورد نیاز جهت سرباره سازی و رسیدن به بازیسته 2/1-1/9؛ (MgO (10-8 و (20-25)FeO تعیین گردید. بطوریکه مقدار مصرف آهک از 30kg/ton به 23kg/ton کاهش، مقدار دولومیت از 7/5kg/ton به 17kg/ton، اکسیژن مصرفی از 26/2m(3)/ton به 31/9m(3)/ton و کربن تزریقی از متوسط 350kg/Heat به 600kg/Heat افزایش داده شد. بعد از بهینه شدن ترکیب شیمیایی سرباره، متوسط تعداد ذوب گرفته شده از کوره از 700 به 890 ذوب افزایش و مصرف انرژی به میزان 28kWh/ton کاهش پیدا کرد.

 

اهمیت نوع سرباره در طراحی کوره قوس:

ترکیبات سرباره‌ی مذاب ممکن است قلیایی یا اسیدی باشند. در بدنه‌ی داخلی کوره برای ایجاد طول عمر بیشتر از یک لایه مواد نسوز استفاده می‌شود. نوع مواد نسوز مورد استفاده در بدنه‌ی کوره باید متناسب با ترکیب سرباره مذاب باشد.

در صورتی که ترکیبات سرباره ایجاد شده قلیایی باشد، مواد نسوز هم باید قلیایی استفاده شوند و در صورت اسیدی بودن سرباره باید از مواد نسوز اسیدی استفاده کرد.
در صورت مغایرت نوع ترکیب نسوز و سرباره، خوردگی شدیدی در لایه نسوز کوره اتفاق می‌افتد. این موضوع استهلاک و هزینه‌های مربوط به تولید را افزایش می‌دهد.

تقریبا اکثر فولادها در شرایط قلیایی تولید می‌شوند، ایجاد یک سرباره قلیایی باعث بهبود گوگرد زدایی و فسفر زدایی از مذاب می‌شود.

اهمیت ونقش سرباره درکوره قوس:

حذف عناصر مضر(فسفر و گوگرد)

محافظت نسوز وپانل های آب گرد از قوس و تشعشع

کاهش سر وصدا

کاهش مصرف انرژی

کاش مصرف الکترود

خواص سرباره های کوره قوس الکتریکی:

خواص سرباره های کوره قوس الکتریکی وابسته به نوع شارژ(قراضه/آهن اسفنجی)  و نسبت این دو می باشد.بازیسیته این نوع سرباره 1.7 -2، دانسیته ظاهری 1.4-1.8 g/cm3 و دانسیته حقیقی 3.2-3.6 g/cm3  است که نشان دهنده ی حدود ۵۰ درصد تخلخل باز و بسته در سرباره منجمد شده میباشد. از سایر خواص سرباره کوره قوس الکتریکی می توان به استحکام فشاری 120-180 MPa اشاره نمود که برای استفاده به عنوان سنگ در صنعت راه و ساختمان، در حد قابل قبولی است.

اجزای اصلی در سرباره فولاد CaO، Fe، SiO2، MgO و MnO می باشند.  ترکیب معدنی و اندازه ذرات کانی با ترکیب شیمیایی و روش سرد کردن تفاوت می‌کنند.

کاربرد سرباره کوره قوس الکتریکی:

کاربرد سرباره در صنعت به دو بخش تقسیم میشود: کاربرد مستقیم سرباره فولاد در فرآیند تولید آهن و فولاد و دیگری بازیابی فلزات از سرباره فولاد و کاربرد سرباره باقی‌مانده خارج از فرآیند تولید آهن و فولاد. 50-90% از سرباره  فولاد برای بازیابی فلز استفاده می شود و سپس در خارج از فرآیند تولید آهن و فولاد مصرف می‌شود. حدود ۸۵ الی ۱۰۰ درصد از تولید سالانه سرباره فولاد هم اکنون در دنیا مصرف می شود. امید که شرکت های ایرانی نیز برای بازیابی بیشتر سرباره کارخانه های خود اقدامات جدی‌تری انجام دهند تا علاوه بر حفظ محیط زیست از عوارض ناشی از انباشته سازی درباره، سود بیشتری کسب کنند.

کاربردهای سرباره فولادسازی در دنیا:

  • صنایع سیمان(کلینر)
  • عایق حرارتی و شیب بندی پشت بام ها (سبک بودن وعایق)
  • زیر سازی جاده ها و راه آهن
  • ذرات شات بلاست
  • کور شیمیایی

مروری بر نسوزهای مورد استفاده در صنعت فولاد

در صنعت فولاد، رقابت در زمینه‌هایی مانند تقاضا، هزینه بالای انرژی مقررات زیست محیطی و ایمنی، مواد، نیاز مصرف کننده به کیفیت بالا و همچنین ارزش بالای سرمایه، نیاز به تغییرات در صنعت را ایجاد است. نسوزهای مورد نیاز در فرآیندهای تولید بر اساس عمر طولانی و تولید فولاد تمیز انتخاب می‌شوند. انواع مختلف نسوزها بر ایمنی، مصرف انرژی و کیفیت محصول تاثیر دارند و بنابراین انتخاب نسوزها برای هر کاربرد، اهمیت بسیاری دارد. مقاله حاضر، به بررسی انواع نسوزها، ویژگی‌ها و خواص آنها برای کاربرد در پاتیل‌های صنعت فولاد می‌پردازد.

مقدمه

پاتیل فولاد سازی، دلوی است که برای انتقال مذاب فولاد از کوره فولاد سازی اولیه به ناحیه ریخته گری استفاده می‌شود. پاتیل‌ها معمولا استوانه ای شکل، روباز و دارای یک نازل کوچک در کف هستند. پاتیل‌ها یک پوسته فولادی خارجی (با ضخامت 50-100mm) و لایه‌های آستر نسوز داخلی (ضخامت تا 400mm) دارند. سرپوش فولادی یا آستر نسوز نیز می‌تواند برای پوشش بالای پاتیل استفاده شود. وقتی مذاب در پاتیل وجود دارد، گرما را به نسوزهای موجود در دیواره و کف منتقل می‌کند. به دلیل لایه سرباره عایق، گرمای بسیار کمی نیز از طریق سطح بالایی از دست می‌رود. همرفت طبیعی موجب گردش فولاد می‌شود، جریان نزولی در نزدیکی دیواره‌ها و جریان صعودی در مرکز پاتیل رخ می‌دهد و تحت شرایط کاری طبیعی، شیب دمایی عمودی در پاتیل ایجاد می‌گردد.

دلایل استفاده از نسوزها

نسوزها در صنعت متالورژی در آستر کاری کوره‌ها، راکتورها و مجرا‌ها برای نگهداری و انتقال فلز و سرباره استفاده می‌شوند. در صنایع غیر متالورژیکی، نسوزها عمدتاً در گرمکن ها، مبدل‌های هیدروژن و یا آمونیاک، کوره‌های کراکینگ و واحدهای کراکینگ کاتالیستی، کوره‌های سوزاندن زباله، بویلرها، کلسینه کک، کوره‌های سولفور، مجراها، دودکش‌ها و لوله‌ها استفاده می‌شوند. اغلب این تجهیزات، تحت فشار بالا کار می‌کنند و دمای کاری آنها ممکن است از دمای بسیار پایین تا دمای بسیار بالا (F° 2900-900) متغیر باشد. بنابراین ضروری است که مواد نسوز قادر به تحمل دماهای بالاتر از دماهای مذکور باشند.

به دلیل دمای ذوب فوق العاده بالای مواد متداول مانند آهن، نیکل و مس، مهندسین متالورژی مجبور هستند دمای کوره را تا بالاتر از 2800 °F افزایش دهند. بنابراین، کوره‌ها با مواد نسوزی مانند منیزیا که دمای ذوب بالایی دارد آسترکاری می‌شوند.

شرایط نسوز مناسب

شرایط کلی یک ماده نسوز عبارت است از:

  • قابلیت تحمل دماهای بالا و به دام انداختن گرما در یک فضای محدود مانند کوره
  • قابلیت تحمل واکنش با فلز مذاب، گازهای داغ و فرسایش ناشی از سرباره
  • قابلیت تحمل بار در شرایط کاری
  • قابلیت مقاومت در برابر آلودگی مواد در هنگام تماس با آنها
  • قابلیت حفظ پایداری ابعادی کافی در دماهای بالا و پس از چرخه‌های گرمایی یا حین آنها
  • قابلیت نگه داشتن حرارت

ویژگی‌های نسوزها

برخی از ویژگی‌های مهم نسوزها عبارت اند از:

دمای ذوب: دمای ذوب، قابلیت مواد برای تحمل دماهای بالا بدون تغییر شیمیایی و آسیب فیزیکی را نشان می‌دهد. نقطه ذوب برخی از عناصر که در ترکیبات نسوز حضور دارند در بازه °F 3100-6300 متغیر است که در جدول زیر ارائه شده است. دمای ذوب به عنوان اساس پایداری حرارتی نسوزها در نظر گرفته می‌شود و ویژگی مهمی است که حداکثر دمای قابل استفاده را مشخص می کند.

نقطه ذوب

اندازه و پایداری ابعادی: اندازه و شکل نسوزها ویژگی مهمی در طراحی است، زیرا پایداری ساختار را تحت تاثیر قرار می‌دهد. اندازه و دقت ابعادی، عامل بسیار مهمی برای قابلیت تطبیق مناسب شکل نسوز، کاهش ضخامت و اتصالات در بنا است.

تخلخل: تخلخل میزان فضای منافذ باز موثر در نسوز است که فلز مذاب، سرباره، گدازآوازها و بخارات می‌توانند در آن نفوذ کنند و در نتیجه، منجر به تخریب تدریجی ساختار شوند. مواد دارای تخلخل بالا، به علت اینکه حجم زیادی از هوا (که رسانای ضعیف گرما است) را به دام می‌اندازند، نارسانایی بالایی دارند. معمولا مواد نسوز دارای تخلخل بالا در مواردی که ماده با سرباره تماس داشته باشد انتخاب نمی‌گردد، زیرا مذاب به آسانی در آن نفوذ می‌کند.

چگالی بالک: چگالی بالک معمولا در ارتباط با تخلخل ظاهری است و میزانی از وزن حجم مشخصی از نسوز است. برای بسیاری از نسوزها، چگالی بالک نشانه ای کلی از کیفیت محصول است، زیرا محصول دارای چگالی بالک بالاتر (تخلخل پایین تر) کیفیت بهتری خواهد داشت. افزایش چگالی بالک باعث افزایش پایداری حجمی، ظرفیت گرمایی، مقاومت در برابر سایش و نفوذ سرباره است.

استحکام شکست سرد: استحکام شکست سرد می تواند به عنوان شاخصی مفید از پخت مناسب و مقاومت به سایش و همچنین در تایید چگالی بالک و تخلخل در نظر گرفته شود.

مخروط پیرومتری معادل: نسوزها به دلیل پیچیدگی شیمیایی، در بالاتر از محدوده دمایی خاصی به صورت تصاعدی ذوب می‌گردند. بنابراین نسوزندگی یا دمای ذوب ایده آل توسط روش مخروط ذوب ارزیابی می‌شود. مخروط استاندارد معادل که به عنوان مخروط آزمایشی تا حد مشابهی ذوب می‌گردد، به عنوان مخروط پیرومتری معادل شناخته می‌شود.

نسوزندگی تحت بار: توانایی تحمل قرارگیری در معرض دماهای بالا بدون تغییر شکل محسوس بر حسب نسوزندگی اندازه گیری می‌شود. آزمایش نسوزندگی تحت بار، دمایی را مشخص می‌کند که در آن، آجرها در شرایط کاری مشابه فرو می‌ریزند.

خزش در دمای بالا: خزش یک ویژگی وابسته به زمان است و تغییر شکل در زمان معین و در دمای مشخص توسط یک ماده تحت تنش را نشان می‌دهد. مواد نسوز باید پایداری ابعادی خود را تحت دمای فوق العاده بالا (شامل چرخه حرارتی)، خوردگی دائمی توسط مذاب‌ها و گازهای بسیار داغ حفظ کند.

طبقه بندی نسوزها بر اساس روش ساخت

نسوزها به روش های زیر تهیه می‌شوند:

  • پرس خشک
  • ریخته‌گری ذوبی
  • قالب سخت
  • شکل دار
  • بی شکل (مونولییتیک)

طبقه بندی نسوزها بر اساس شکل فیزیکی

نسوزها بر اساس شکل فیزیکی خود می‌توانند به انواع شکل دار(آجر) و بی شکل(مونولیتیک) دسته بندی شوند. نسوزهای شکل دار(آجر)، شکل ثابت و مشخصی دارند. آجرها خود به دو گروه اشکال استاندارد و اشکال ویژه تقسیم می‌شوند. اشکال استاندارد در ابعادی هستند که توسط اغلب تولید کنندگان نسوز برای کوره‌های مشابه و همنوع، مورد تایید هستند. اشکال ویژه به طور خاص برای کوره‌های مخصوص ساخته شده‌اند. نسوزهای بی‌شکل، شکل مشخصی ندارند و فقط در هنگام کاربرد، شکل داده می‌شوند. این نسوزها شام جرم‌های ریختنی، کوبیدنی، پاشیدنی و ملات ها هستند.

عوامل موثر در سایش نسوزها

  • خوردگی شیمیایی
  • هیدراته شدن
  • نفوذ فولاد و سرباره
  • اتمسفر دارای اکسیژن بسیار زیاد
  • دی سلفوره شدن
  • فرسایش مکانیکی
  • سایش مکانیکی و ضربه
  • تنش‌های ترمومکانیکی
  • خستگی ترمومکانیکی
  • عملیات پیش گرم نسوز
  • شرایط جریان گاز
  • تابش جرقه
  • نرخ توان ورودی مجرا
  • مهارت نگهداری نسوز
  • زمان کاری
  • دمای کاری
  • طراحی نسوز مجرا
  • تزریق CaSi

بررسی هزینه‌های نسوز

مواد، طراحی و نگهداری نسوز، بر بهبود و یا تضعیف بازده انرژی و نرخ ذوب موثر است. به علاوه، معمولاً بیشترین هزینه نگهداری یک کوره مربوط به هزینه نسوز آن است. مجموع هزینه‌های نسوز شامل مواد، نصب، انرژی و عمر کاری است. روش‌های مختلفی برای کاهش این هزینه‌ها به روش‌های مختلف توسط سازمان‌ها انجام شده است که کاهش هزینه مواد نسوز، کاهش زمان نصب، عایق کاری با بازدهی انرژی بالا، افزایش عمر کاری نسوز و همچنین تعمیر به جای آسترکاری کلی مجدد است.

برخی نسوزهای مهم برای پاتیل

  • گروه منیزیا یا منیزیا-آهک
  • دولومیت
  • گروه منیزیا-کروم
  • کاربید سیلیسم
  • زیرکن (زیرکنیا)
  • رس ها
  • کائولن های بوکسیتی
  • سیلیمانیت
  • بوکسیت
  • گروه کربن

جدیدترین مطالب مرتبط