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