تولید فروکروم از سرباره و غبار کوره‌های تولید فروکروم به روش گندله دولایه‌ای

فروکروم آلیاژ آهن و کروم بامقدار 50 تا 70 درصد وزنی کروم است. یک گندله مرکب از دو جز تشکیل شده است: هسته مرکزی شامل مخلوطی از پودر ریز اکسیدهای معدنی و مواد احیاکننده و لایه خارجی متشکل از پودر ریز اکسیدهای معدنی بدون مواد احیا کننده که هسته مرکزی را پوشانده­‌اند. در نتیجه پخت گندله مرکب، هسته کاملاً احیا شده و تبدیل به یک توده متخلخل می­‌شود و پوسته آن سینتر شده و به صورت جزئی احیا می­‌گردد. ایده استفاده از گندله­‌های مرکب در سال­‌های 81 الی 84 میلادی توسط گوپتا و شارما مطرح گردید.

تا سال 1992 میلادی مشکل عمده استفاده از گندله‌­های مرکب این بود که اکثر گندله­‌ها پس از پخت ترک می­‌خورند، تا اینکه میسراً در سال 1992 موفق به تهیه گندله­‌های بدون ترک گردید. گوپتا تشخیص داد در صورتی که گندله‌­های مرکب دارای درجه فلزی بالا باشند می­توان آن­ها را در کوره بلند شارژ کرد، چون علاوه بر استحکام مناسب، دارای صرفه اقتصادی مناسب، مقاومت بالا در مقابل اکسیداسیون حین انبار کردن و سهولت تهیه بوده و امکان استفاده از دور ریزهای صنعتی در تهیه آن­ها نیز وجود دارد.

گوپتا به این نتیجه رسید که گندله­‌های مرکب اکسید آهن-زغال سنگ را می­توان به روشی مشابه روش پخت گندله­‌های اکسیدی اما بدون نیاز به اتمسفر احیائی در سیستم­‌های معمولی پخت. درصد احیای گندله‌­های تابع مستقیم زمان نگه داری در سه منطقه حرارتی پیش گرم کردن، حرارت دادن و سینترینگ می‌­باشد. زمان بندی ایده‌­آل برای پخت گندله­‌های مرکب عبارت از پیش گرمایش سریع بدون ترک خوردن گندله­‌ها، زمان گرمایش کوتاه همراه با بیشترین درصد احیا و زمان مختصری برای سینترینگ گندله‌­ها در دمای بالا به منظور افزایش استحکام گندله‌­ها می­‌باشد.

جهت مشاهده آنالیز فروکروم اینجا کلیک کنید.

مواد و روش تحقیق در تولید فروکروم

آنالیز شیمیایی سرباره و غبار مورد آزمایش در جدول زیر داده شده است. سرباره پس از خردایش در سنگ شکنی فکی با دانه بندی 3-10 میلیمتر، آسیا شده و تحت تجزیه سرندی قرار گرفت و سپس از نمونه‌­های آسیا شده آنالیز شیمیایی و آنالیز فازی گرفته شد. کک به عنوان عامل احیا کننده در این پژوهش مورد استفاده قرار گرفت. برای ساخت گندله از یک دیسک چرخان با قطر 60 سانتیمتر، زاویه 53.9 درجه با افق و سرعت چرخش 9 دور بر دقیقه استفاده شد.

پس از خشک کردن گندله‌­های خام در کوره با دمای 130 درجه سانتیگراد و مدت زمان 3 ساعت، آن­ها را مجدداً در دیسک گندله ساز قرار داده و لایه دوم پودر سرباره و غبار بر روی آن­ها پوشش داده شد. پس از ساخت گندله­‌های دو لایه­‌ای، یک مرحله خشک کردن مشابه روش قبل روی آن­ها انجام گرفت.

به منظور انجام واکنش احیا از دستگاه TGA استفاده شد. در این دستگاه، نمونه توسط یک سبد نسوز در کوره دارای اتمسفر گاز نیتروژن قرار گرفته و سبد از طریق یک زنجیره فلزی به یک ترازوی الکتریکی دقیق متصل می­‌گردد و بنابراین می­توان به صورت مداوم، نرخ تغییر وزن نمونه را ثبت کرد.

عمل احیا گندله‌­های دو لایه­‌ای در دماهای مختلف و به مدت سه ساعت انجام گرفت و در بازه‌­های زمانی 15 دقیقه‌­ای وزن گندله‌­ها پبت گردید. جهت بررسی مورفولوژی نمونه­‌های اولیه و محصول نهایی از میکروسکوپ الکترونی روبشی و برای شناسایی ترکیب فازی نمونه­‌های اولیه از آنالیز فازی توسط دستگاه با پرتو تولید کننده CuK با ولتاز شتاب دهنده 40 کیلو وات استفاده شد.

نتایج و بحث

نتایج مربوط به آنالیز فازی پودر سرباره و غبار به دست آمده از کوره قوس الکتریکی در شکل 1 نشان داده شده است. با توجه به اینکه آنالیز فازی تنها قادر به شناسایی فازهایی با بیش از 4 درصد است، لذا ترکیبات گوگرد و کربن در آنالیز فازی حضور ندارند.

شکل 1. آنالیز فازی غبار و سرباره اولیه

ملاحظه می­‌شود که MgO به صورت ترکیبات Mg₂SiO₄ ،MgAl₂O₄ در مواد اولیه حضور دارد. در شکل‌­های 2 تا 4، آنالیز فازی گندله‌­های احیا شده در شرایط گوناگون دمایی دیده می‌­شود.

در شکل 2 مشاهده می­‌شود که مغزی گندله‌­هایی که در دمای 1150 درجه سانتی گراد به مدت سه ساعت احیا شده­‌اند، شامل کرومیت و اسپینل­‌های Mg₂Al₂O₄ ،Mg₂SiO₄ و Mg.Fe)₂SiO₄) و پوسته آن­ها حاوی اکسیدهای فلزی آهن و کروم و اسپینل‌­های Mg₂SiO₄ و MgAl₂O₄ می­‌باشد. همچنین آنالیز نقطه‌­ای مناطق سفید رنگ موجود در عکس­‌های SEM نشان می‌­دهد که این مناطق، فاز فلزی حاوی آهن هستند.

لذا می­توان دمای 1150 درجه سانتی گراد برای احیا اکسیدهای کروم کافی نیست، بنابراین از بررسی تصاویر XRD مربوط به پوسته گندله­‌های دو لایه­‌ای که در دمای 1150 درجه سانتی گراد احیا شده است و مقایسه آن با انالیز XRD مواد خام می­توان گفت کربن در این دما اکسیدهای آهن موجود در مغزی گندله را احیا می­‌کند و محصول واکنش احیا که گاز منواکسید کربن است هنگام خروج از گندله، هماتیت موجود در پوسته را به مگنتیت احیا نموده و از خلل و فرج موجود در پوسته به خارج از گندله منتقل می­‌شود.

از شکل زیر چنین برداشت می­‌شود که مغزی گندله‌­هایی که در دمای 1259 درجه سانتی گراد احیا شده‌­اند شامل مخلوط فازهای FeO ،(Mg.Fe)₂SiO₄، Mg₂SiO₄ و مقار کمی آلیاژ فروکروم است و پوسته گندله‌­هایی که در این دما احیا شده­‌اند شامل مخلوط فازهایFeO ،MgAl₂O₄، Mg₂SiO₄ و کرومیت می­‌باشد. بنابراین با مقایسه شکل­‌های 2 و 3 می­توان گفت پتانسیل احیائی گاز خروجی با افزایش دما زیاد می­‌شود به گونه‌­ای که در دمای 1250 درجه سانتی گراد، منواکسید کربن حاصل از واکنش احیا، هماتیت موجود در سطح گندله‌­های دولایه‌­ای را به ووستیت احیا نموده است.

در صورتی که در 1150 درجه سانتی گراد، به مگنیت احیا شده بود.همچنین پیک­‌های مربوط به فاز فلزی حاوی آهن در 1250 درجه سانتی گراد نسبت به دمای 1150 درجه سانتی گراد بلندتر شده‌­اند که به صورت تقریبی نشان می­‌دهد راندمان احیا با افزایش دما زیاد شده است. اکسید کروم موجود در مغزی به مقدار بسیار کمی احیا شده است و آنالیز XRD آن را به صورت آلیاژ فروکروم نشان می­‌دهد.

در تصاویر SEM هسته گندله­‌های دولایه­‌ای احیا شده در دماها و زمان­‌های مختلف دیده می­‌شود. پس از احیا، چهار منطقه عمده در مغزی گندله تشکیل م‌ی­گردد: زمینه که بخش عمده مغزی گندله را به خود اختصاص می‌دهد. ذرات فلزی که در اثر احیا اکسیدهای فلزی پدید می‌­آیند، جوانه‌­های فاز فلزی در کنار حفره‌­ها دیده می‌شوند.

در 1350 درجه سانتی گراد جوانه­‌های فروکروم در اطراف فاز فلزی از آهن در حال رشد هستند. آنچه کاملاً مشخص است این که فروکروم در اطراف مناطق غنی از آهن تشکیل می­‌شود و با گذشت زمان در اثر نفوذ کروم به داخل فاز فلزی غنی از آهن، کلونی­‌های فروکروم رشد می‌­کنند. از مقایسه شکل­‌های 2، 3 و 4 چنین بر می­‌آید که در 1350 درجه سانتی گراد علاوه بر احیای کروم و تشکیل آلیاژ فروکروم کماکان احیای آهن نیز صورت می‌گیرد و پیک­‌های مربوط به Mg.Fe)₂SiO₄) با گذشت زمان شدیدتر شده است.

با توجه به عکس‌­های SEM نفوذ آهن از فاز F به بیرون و یا نفوذ کروم به داخل این فاز از تمام جهات یکسان می‌باشد و جهتی خاص که نفوذ در آن جهت نسبت به سایر جهات ارجحیت داشته باشد وجود ندارد.

F در بین آلیاژ فروکروم محصور شده است به مرور زمان تحلیل می­رود و جای خود را به فروکروم می­‌دهد. البته این مناطق به طور کامل حذف نمی­‌شوند که تا حد امکان آهن موجود در آن­ها در تشکیل فروکروم شرکت کرده و Mg₂SiO₄ و SiO₂ موجود در آن­ها وارد زمینه شده و همراه با Al موجود در زمینه، فاز­های MgAl₂O₄ و Mg₂SiO₄ را تشکیل داده‌اند.

آنالیزهای نقطه‌­ای نشان می­‌دهد که در 1550 درجه سانتی گراد با افزایش زمان احیا از یک ساعت به سه ساعت، میزان کروم در آلیاژ فروکروم از 54 درصد وزنی به حدود 63 درصد وزنی افزایش می­‌یابد و می­توان چنین نتیجه گرفت که نتیجه سه ساعت احیا گندله­‌های دولایه­‌ای در این دما، بازیابی آهن و کروم موجود در سرباره می­‌باشد.

آنالیز XRD شکل 7 حاکی از حضور فاز MgAl₂O₄، Mg₂SiO₄ و Mg.Fe)₂SiO₄) به مقدار جزئی است. مشاهده می­‌شود که شدت پیک‌­های مربوط به Fe و Cr در این شکل نسبت به دماهای پایین­تر، بیشتر بوده که احتمالاً نشان دهنده­‌ی احیای بیشتر گندله ساخته شده در دمای 1150 درجه سانتی گراد است

. همچنین با توجه به شکل 5 نتیجه می­‌شود که در گندله‌­های حاوی 3 درصد بنتونیت، در زمان ثابت فاز حاوی آهن کمتر تحلیل رفته و به تبع آن آلیاژ فروکروم کمتری تولید شده است. بنابراین می­توان گفت افزودن 3 درصد چسب بنتونیت به بار گندله‌­ها سبب تاخیر در مرحله مربوط به تولید آلیاژ فروکروم می­‌شود.

از مقایسه ترکیب شیمیایی زمینه بین حالتی که گندله‌­ها با 3 درصد چسب بنتونیت و بدون چسب ساخته شد‌ه‌­اند مشاهده می‌شود که با افزودن 3 درصد چسب بنتونیت محتوی آهن زمینه پس از سه ساعت خود احیایی در 1550 درجه سانتی گراد از 1.26 به 1.69 درصد وزنی و محتوی کروم آن از 1.93 به 2.27 درصد وزنی افزایش یافته است.

این امر موید این مطلب است که در گندله­‌های حاوی 3 درصد بنتونیت، در زمان ثابت فاز حاوی آهن کمتر تحلیل رفته و به تبع آن آلیاژ فروکروم کمتری تولید شده است. به عبارت دیگر افزودن بنتونیت سبب کندتر شدن مرحله نفوذ آهن از فاز F به فاز FC و نفوذ کروم به داخل فاز FC است.

نتیجه ­گیری

استفاده از 3 درصد چسب بنتونیت به منظور افزایش استحکام گندله­‌های دولایه­‌ای، به تشکیل فاز شیشه‌­ای از ناخالصی­‌های موجود در سرباره و غبار دامن می­‌زند و راندمان احیا را کاهش می­‌دهد.

برای بازیافت سرباره و غبار تولید فروکروم به منظور بازگشت به چرخه تولید، احیای کربوترمی پودر غبار و سرباره روش مناسبی است. در این حالت امکان بازیابی کروم جهت کاربرد در صنایع فولادسازی، شیشه سازی و همچنین تولید پوکه­‌های صنعتی و پشم و شیشه فراهم می­‌گردد.