کوره بلند در صنعت ذوب
امروزه یکی از اساسی ترین پایه های اقتصادی و اجتماعی کشورهای جهان را کوره بلند در صنعت ذوب آهن تشکیل می دهد و این به سبب نیاز مبرمی است که انسان جهت پیشبرد، مقاصد خود در زندگی دارد. با نگاه اجمالی به کارایی این عنصر حیاتی، می توان به نقش سازنده آن پی برد.
زیرا علاوه برکارکرد آن درامر ساختمان سازی، پل سازی و غیره یکی از کالاهای اساسی در صنایع اتومبیل سازی، کشتی سازی و لکوموتیو سازی است و به صورت آلیاژ های مختلف، اساس تکنولوژی ماشین آلات را تشکیل می دهد که آهن و فولاد به روش های مختلفی تهیه و تولید می شدند.
ما دراین تحقیق روش تهیه بوسیله کوره بلند را از ابتدا مورد بررسی قرار می دهیم.
آهن عنصر شیمیایی است که در جدول تناوبی با نشان Fe و عدد اتمی ۲۶ وجود دارد. آهن فلزی است که در گروه ۸ و دوره ۴ جدول تناوبی قرار دارد.
تاریخچه آهن (Fe)
اولین نشانه های استفاده از آهن به زمان سومریان و مصریان برمی گردد که تقریباً ۴۰۰۰ سال قبل از میلاد با آهن کشف شده از شهاب سنگها اقلام کوچکی مثل سر نیزه وزیور آلات می ساختند. از ۲۰۰۰ تا ۳۰۰۰ سال قبل از میلاد، تعداد فزاینده ای از اشیاء ساخته شده با آهن مذاب (فقدان نیکل، این محصولات را از آهن شهاب سنگی متمایز می کند) دربین النهرین، آسیای صغیر و مصر به چشم می خورد؛ اما ظاهراً تنها در تشریفات از آهن استفاده می شد و آهن فلزی گرانبها حتی با ارزش تر از طلا به حساب می آمد.
براساس تعداد از منابع آهن، به عنوان یک محصول جانبی از تصفیه مس تولید می‌شود مثل آهن اسفنجی – و به وسیله متالوژی آن زمان قابل تولید مجدد نبوده است. از ۱۶۰۰ تا ۱۲۰۰ قبل از میلاد درخاورمیانه بطور روز افزون ا زاین فلز استفاده می شد، اما جایگزین کاربرد برنز درآن زمان نشد.
تیرآهنی متعلق به عنصر آهن سوند در گاتلند سوئد یافت شده است. از قرن ۱۰ تا ۱۲ در خاورمیانه یک جابجایی سریع درتبدیل ابزار و سلاحهای برنزی به آهنی صورت گرفت.
عامل مهم دراین جابجائی آغاز ناگهانی تکنولوژی های پیشرفته کار با آهن نبود، بلکه عامل اصلی، مختل شدن تامین قلع بود. این دوره جابجایی که در زمانهای مختلف و درنقاط مختلفی از جهان رخ داد، دوره ای از تمدن به نام عصرآهن را به وجود آورد.
همزمان با جایگزینی آهن به جای برنز، فرآیند کربوریزاسیون کشف شدکه به وسیله آن به آهن موجود درآن زمان کربن اضافه می کردند.
آهن را بصورت اسفنجی که مخلوطی از آهن و سرباره به همراه مقدار ی کربن یا کاربید است، بازیافت کردند. سپس سرباره آنرا با چکش کاری جدا نموده و محتوی کربن را اکسیده می کردند تا بدین طریق آهن نرم تولید کنند.
مردم خاورمیانه دریافتند که با حرارت دادن طولانی مدت آهن نرم درلایه ای از ذغال و آب دادن آن در آب یا روغن می توان محصولی بسیار محکم تر بدست آورد. محصول حاصله که دارای سطح فولادی است، از برنزی که قبلاً کاربرد داشت محکمتر و مقاوم تر بود.
در چین نیز اولین بار آهن شهاب سنگی استفاده شد و اولین شواهد باستان شناسی برای اقلام ساخته شده با آهن نرم درشمال شرقی نزدیک xinjiang مربوط به قرن ۸ قبل از میلاد به دست آمده است. این وسایل از آهن نرم و با همان روش خاورمیانه و اروپا ساخته شده بودند و گمان می رفت که برای مردم غیر چینی هم ارسال می کردند.
درسالهای آخر پادشاهی سلسله ژو (حدود ۵۵۰ قبل از میلاد) به سبب پیشرفت زیاد تکنولوژی کوره، قابلیت تولید آهن جدیدی بوجود آمد.
ساخت کوره های بلندی که توانایی حرارتهای بالای k 1300 را داشت، موجب تولید آهن خام یا چدن توسط چینی ها شد.
اگر سنگ معدن آهن را با کربن k1470-1420 حرارت دهیم، مایع مذابی بدست می آید که آلیاژی با ۹۶.۵% آهن و ۵۳.۵% کربن است.
این محصول محکم را می توان به شکلهای ریز و ظریفی درآورد. اما برای استفاده، بسیار شکننده می باشند، مگر آنکه بیشتر کربن آنرا از بین ببرند.
از زمان سلسله ژو به بعد اکثر تولیدات آهن درچین به شکل چدن است. با این همه آهن بعنوان یک محصول عادی که برای صدها سال مورد استفاده کشاورزان قرارگرفته است، باقی ماند و تا زمان سلسله شین (حدود ۲۲۱ قبل از میلاد) عظمت چین را واقعاً تحت تأثیر قرار ندارد.
توسعه چدن در اروپا عقب افتاد، چون کوره های ذوب در اروپا فقط توانایی K1000 را داشت، دربخش زیادی از قرون وسطی دراروپای غربی آهن اسفنجی به آهن نرم بدست می آورند.
تعدادی از قالب گیریهای آهن دراروپا بین سالهای ۱۱۵۰ و ۱۳۵۰ بعد از میلاد در دو منطقه درسوئد به نامهای Lappyttan و Vinarhyttan انجام شد.
دانشمندان می پندارند شاید این روش بعد از این دو مکان تا مغولستان آن سوی روسیه ادامه یافته باشد، اما دلیلی محکمی برای اثبات این قضیه وجود ندارد. تا اواخر قرن نوزدهم درهر رویدادی یک بازار برای کالاهای چدنی بوجود آمد، مانند درخواست برای گلوله های توپ چدنی.
درآغاز برای ذوب آهن از زغال چوب هم بعنوان منبع حرارتی و هم عامل کاهنده استفاده می شد. درقرن ۱۸ در انگلستان تامین کنندگان چوب کم شدند و از زغال سنگ که یک سوخت فسیلی است، بعنوان منبع جانشین استفاده شد. این نوآوری بوسیله abraham darby انرژی لازم برای انقلاب صنعتی را تامین نمود.
پیدایش :
آهن یکی از رایج ترین عناصر زمین است که تقریباً ۵% پوسته زمین را تشکیل میدهد. آهن از سنگ معند هماتیت که عمدتاً fe2o3 می باشد. استخراج می گردد. این فلز را بوسیله روش کاهش یا کربن که عنصری واکنش پذیرتر است جدا می کنند. این عمل درکوره بلند دردمای تقریباً ۲۰۰۰ درجه سانتی گراد انجام می پذیرد.
درسال ۲۰۰۰، تقریباً ۱۱۰۰ میلیون تن سنگ معدن آهن رشد ارزش تجاری تقریباً ۲۵ میلیارد دلار آمریکا استخراج شد.
درحالیکه استخراج سنگ معدن آهن در۴۸ کشور صورت می گیرد، چین،برزیل، استرالیا، روسیه و هند با تولید ۷۰% سنگ آهن جهان پنج کشور بزرگ تولید کنندگان آن به حساب می آیند. برای تولید تقریباً ۵۷۳ میلیون تن آن خام ۱۱۰۰ میلیون تن سنگ آهن مورد نیاز است.
خصوصیات قابل توجه کوره بلند در صنعت ذوب
جرم یک اتم معمولی آهن ۵۶ برابر جرم یک اتم معمولی هیدروژن می باشد. عقیده براین است که آهن، دهمین عنصر فراوان جهان است. Fe مخفف واژه لاتین ferrum برای آهن می باشد. این فلز، از سنگ معدن آهن استخراج می شود و به ندرت به حالت آزاد (عنصری) یافت می گردد.
برای تهیه آهن عنصری، بایدناخالصیهای آن با روش کاهش شیمیایی از بین برود. آهن برای تولید فولاد به کار می رود که عنصر نیست، بلکه یک آلیاژ و مخلوطی است از فلزات متفاوت (وتعدادی غیرفلز بخصوص کربن).
هسته اتمهای آهن دارای بیشترین نیروی همگبر در هر نوکلئون هستند. بنابراین آهن با روش همجوشی، سنگین ترین و با روش شکافت اتمی، سنگینترین عنصری است که بصورت گرمازایی تولید می شود.
وقتی یک ستاره که دارای جرم کافی می باشد چنین کاری انجام دهد. دیگر قادر به تولید انرژی درهسته اش نبوده ویک ابر اختر پدید می آید. آهن رایج ترین فلز درجهان به حساب می آید. الگوهای جهان شناختی با یک جهان بار پیش بینی زمان را می کند که درنتیجه واکنشهای همجوشی و شکافت هسته، همه چیز به آهن تبدیل خواهد شد.
کاربردهای کوره بلند در صنعت ذوب
کابرد آهن از تمامی فلزات بیشتر است و ۹۵ درصد فلزات تولید شده در سراسر جهان را تشکیل می دهد.
قیمت ارزان و مقاومت بالای ترکیب آن استفاده از آنرا بخصوص دراتومبیلها، بدنه کشتی های بزرگ و ساختمانها اجتناب ناپذیر می کند.
فولاد معروفترین آلیاژ آهن است و تعدادی از گونه های آهن به شرح زیر می باشد:
آهن خام که دارای ۵%-۴% کربن و مقادیر متفاوتی ناخالصی از قبیل گوگرد، سیلیکون و فسفر است و اهمیت آن فقط به این علت است که درمرحله میانی مسیر سنگ آهن تا چدن و فولاد قرار دارد.
چدن، شامل ۵/۳% -۳% کربن و مقدار کمی منگنز می باشد. ناخالصی های موجود در آهن خام مثل گوگرد و فسفر که خصوصیات آنرا تحت تأثیر منفی قرار می دهد. درچدن تا حد قابل قبولی کاهش می یابند.
نقطه ذوب چدن بین ۱۴۲۰-۱۴۷۰ k می باشد که از هر دو ترکیب اصلی آن کمتر است و آنرا به اولین محصول ذوب شده پس از گرم شدن همزمان کربن و آهن تبدیل می کند. چدن بسیار محکم، سخت و شکننده می باشد، چدن مورد استفاده حتی چدن گرمای سفید موجب شکستن اجسام می شود.
فولاد کربن شامل ۵/۱% – ۵/۰% کربن و مقادیر کم منگنز، گوگرد، فسفر و سیلیکون است.
آهن ورزیده (آهن نرم) دارای کمتر از ۵/۰% کربن می باشد و محصولی محکم و چکش خوار است، اما به اندازه آهن خام گدازپذیر نیست. حاوی مقادیر بسیار کم کربن است (چند دهم درصد) اگر یک لبه آن تیز شود، به سرعت تیزی خود را از دست می دهد.
فولادهای آلیاژ حاوی مقادیر متفاوتی کربن بعلاوه فلزات دیگر مانند کروم ، وانادیم، مولیبدن، نیکل ، تنگستن و … می باشد.
اکسیدهای آهن برای ساخت ذخیره مغناطیسی درکامیپوتر مورد استفاده قرار می گیرند. آنها اغلب با ترکیبات دیگری مخلوط شده و خصوصیات مغناطیسی خود را بصورت محلول هم حفظ می کنند.
ترکیبات
معمولترین حالات اکسیداسیون آهن عبارتند از :
· حالت فروس Fe+2
· حالت فریک Fe+3
· حالت فریل Fe+4
· آهن (VI) هم معروف است (اگر چه کمیاب می باشد) درصورتیکه شکل فرات پتاسیم باشد، (K2FeO) یک اکسید کننده انتخابی برای الکلهای نوع اول می باشد. این ماده جامد فقط در شرایط خلاء و ارغوانی تیره پایدار است. هم به صورت محلول سوزآور و هم بصورت یک ماده جامد.
بیولوژی
آهن اتم اصلی مولکول هم (بخشی از گلبول قرمز) و بنابراین جزء ضروری تمام هموپروتئین ها محسوب می شود. به همین علت، وجود این عنصر درحیوانات حیاتی می باشد. همچنین آهن غیر آلی درزنجیره های آهن – گوگرد بسیاری از آنزیمها یافت می شود. باکتریها اغلب از آهن استفاده می کنند. وقتی بدن درحال مبارزه با یک عفونت باکتریایی است، برای عدم دستیابی باکتری به آهن، این عنصر را پنهان می کند.
ایزوتپها
آهن بطور طبیعی دارای چهار ایزوتوپ پایدار Fe-54, Fe 56, Fe 57, Fe-58 می باشد. فراوانی نسبی ایزوتپهای آهن در طبیعت تقریباً Fe-56 7/91% Fe-58 3/0%,Fe-57 2/2%, Fe54- 8/5% است. Fe-58 3/0% که نوکلئید پرتوزای (مانند مطالعات شهاب سنگها) و شکل گیری کانی ها هستند. حول محور تعیین انواع مختلف Fe-60 صورت گرفته است.
در وهله‌های مختلف، شهاب سنگهای Chervony Kut, Semarkona می تون بین تمرکز Ni-nichell60 (محصول اخترچه Fe-60) و فراوانی ایزوتپهای پایدار آهن ارتباطی یافت که دلیلی برای وجود آهن ۶۰ در زمان شکل گیری منظومه شمسی می باشد، احتمالاً انرژی آزاد شده فروپاشی آهن ۶۰ به همراه انرژی رها شده براثر فروپاشی نوکلئید پرتوزای Al-26 درذوب مجدد و تفکیک اخترچه های بعداز شکل گیری آنها ۴.۶ میلیارد سال پیش تأثیر داشته است.
فروانی Ni-60 موجود در مواد فرازمینی نیز ممکن است آگاهی بیشتری درمورد منشأ منظومه شمسی و تاریخ ابتدایی آن ارائه نماید.
دربین ایزوتپهای پایدار فقط آهن ۵۷ دارای اسپین اتمی است، (۲/۱-) به همین خاطر آهن ۵۷ درشیمی و بیوشیمی بعنوان یک ایزوتوپ اسپینی دارای کاربرد است.
سنگ معدن های آهن
سنگ معدن هایی که آهن از آن استخراج می شود، بیشتر به صورت اکسیدهای آهن، مانند مگنیت یا هماتیت است که با ۳ تا ۲۰ درصد ناخالصی (نظیر سیلیکات ها و آلومینات ها) همراه است. این ناخالصی ها درکوره از آهن جدا شده به صورت تفاله خارج می شوند.
سنگ معدن تصفیه شده و تغلیظ شده به صورت پودر با دانه های ریز در کوره وارد می شود. مناسب ترین اندازه ذرات آن بین ۶ تا ۲۵ میلی متر است. یادآوری می شود که امروزه از سولفید طبیعی آهن (پیریت) دراستخراج آهن استفاده نمی شود، بلکه مصرف عمده آن دراسید سولفوریک سازی است.
فرآیندهای اولیه استخراج آهن
استخراج آهن از سنگ معدن های آن طی فرآیند های فیزیکی و مکانیکی و شیمیایی تحت شرایط ویژه ای صورت می گیرد.
درمرحله آغازی، سنگ معدن باید طی چندین مرحله از عملیات ازجمله: خردکردن، آسیاب کردن، سرند کردن، شستشو، استفاده از جداکننده مغناطیسی و یا به روش فلوتاسیون تغلیظ شود. محلول غلیظ شده معمولاً دارای ۶۰ تا ۶۵% آهن، ۸ تا ۱۲ % سلیس می باشد.
پس از تلغیظ سنگ معدن آن را باید به اندازه هایی به ابعاد ۶ تا ۲۵ میلی متر که مناسب برای تغذیه کوره های وزشی است، تبدیل کردکه یان عمل را اصطلاحاً آگلومریزه شدن می نامند. استخراج آهن از سنگ معدنهای آن عمدتاً با استفاده از کوره های وزشی صرت می گیرد که درحقیقت یک راکتور بزرگ شیمیایی است که در آن مخلوطی از سنگ آهک، سنگ معدن آهن، و ذغال کک گره داده می شود.
مواد اولیه مورد نیاز استخراج آهن
سنگ معدن آهن:
درمجاورت ذغال براثر گرما درکوره احیا می شود و سپس براثر جریانی از گازهای احیا کننده داغ که از سوختن کک درهوای گرم پایین کوره تولید می شود و در جهت عکس مسیر آهن حرکت می کند، ذوب می شود. آهن مذاب و تفاله حاصل از سنگ معدن به ازای هر دو تا چهار ساعت از آتشدان کوره تخلیه می شود.
اگر مواد اولیه به طور پیوسته از بالای کوره وارد شود، دراین صورت، کوره می تواند به طور پیوسته کار کند. محصول کوره وزشی همان چدن است
زغال کک:
مشخصات ساختاری آن عبارت است از : کربن ثابت ۸۵ تا ۹۰ %، خاکستر ۵ تا ۱۳%، رطوبت تا ۸%، مواد فرار ۱.۶ تا ۱۱% و گوگرد ۰.۵ تا ۱.۳ % نقش کک درفرآیند کوره های وزشی تولید گاز ها احیا کننده است و دراثر سوختن درپایین کوره انجام می پذیرد و مقاومت مکانیکی آن نیز در عمل مهم است اندازه کک موردمصرف، باید بین ۱.۵ تا ۷.۵ میلی متر باشد.
سنگ آهک:
به منظور کمک کردن ذوب و پایین آوردن دمای ذوب ناخالصی ها به سنگ معدن افزوده می شود. نسبت تشکیل دهنده های بازی درمخلوط یعنی (CaO) و (MgO) به تشکیل دهنده های اسیدی یعنی (Sio2) باید در حد ثابتی حفظ شود تا تفاله های کف مانند و سبک (سیلیکات های کلسیم و منیزیم) به طور کامل تشکیل شود و سایر ناخالصی های همراه با خود را از آهن جدا کند، برای این منظور، سنگ آهن و دولومیت بکارگرفته می شود.
گاهی برای کنترل ترکیب نقاله های جاری، مقداری سیلیکات تیز بدان اضافه می شود، مناسب ترین اندازه این دسته از مواد برای کوره های وزشی بین ۷۰ تا ۷۵% میلی متر است.
واکنش های کوره استخراج آهن
پس ازاینکه کک درقسمت پایین کوره بارگیری شده، آن را تاحدود ۱۹۲۵oc گرم
می کنند تا براثر وزش هوای گرم شروع به سوختن کرده، دما را دردهانه قسمت سوخت کوره تا ۱۹۲۵oc افزایش دهد. دی اکسید کربن حاصل دراین دما ناپایدار بوده و بوسیله کک موجود در محیط به منواکسید کربن تبدیل می شود. بخار آب همراه با هوای داغ در واکنش با کک نیز خود تولید منواکسید کربن می کند.
واکنش های انجام شده در دهانه سوخت که درحد بین مخزن سوخت و سنگ معدن آهن قراردارد. درقسمت بالاتر کوره که در دمای زیر ۹۲۰oc است، اکسیدهای آن به وسیله منواکسید کربن و هیدروژن حاصل احیا می شوند.
درقسمت بالاتر کوره وقتی که دما به ۸۱۵۰oc تا ۸۷۰ oc رسید سنگ آهک نیز تجزیه می شود. درقسمت پایین کوره دربالاتر از ۹۲۵ oc اکسیدهای آهن بوسیله کربن احیا شده ودی اکسید کربن حاصل بطور همزمان باکک واکنش داده و به منواکسید کربن تبدیل می شود.
این احیا به احیای مستقیم معروف است که نیازی به انرژی زیاد دارد. بیشتر گوگرد که همراه کک وارد کوره می شود، درداخل آن به H2COS تبدیل می شود. H2S حاصل با CaOFeO تبدیل می کند. FeS حاصل ضمن واکنش، آهن آزاد می‌کند. میزان چگونگی حذف گوگرد به دمای نقاله و نسبت CaOMgOSiO2Al2O3 بستگی دارد.
احیای مستقیم
احیایی است که درآن سنگ معدن آهن، بوسیله عوامل احیا کننده جامد یا گازی احیا می شود. با توجه به مقدار کربن موجود در آهن، این عنصر به صورت دو نوع محصول آهن یعنی چدن و فولاد عرضه می شود.
کوره بلند در صنعت ذوب آهن:
هدف اصلی بخش کوره بلند تولید چدن مذاب جهت استفاده دربخش فولاد سازی یا درصورت عدم پذیرش، ارسال آن به کارگاه چدن ریزی است. این بخش شامل :
الف. کارگاه اصلی کوره بلند در صنعت ذوب آهن.
ب.کارگاه چدن ریزی
ج.کارگاه سرباره
د.کارگاه آماده سازی یاتیل و تاسیسات بونکرها و ذخیره سازی مواد می باشد.
کارگاه اصلی کوره بلنداز طریق کوره بلندهای شماره ۱و ۲ تولید چدن دربخش کوره بلند در صنعت ذوب آهنصورت می پذیرد. کوره بلند شماره یک دارای حجم ۱.۳۳ میلیمتر مکعب تولید متوسط سالیانه طبق طرح ۶۶۵ هزاتن و کوره بلند شماره ۲ دارای حجم ۲۰۰۰ متر مکعب و تولید متوسط سالیانه طبق طرح ۱ میلیون و ۳۳۷ هزار و ۳۵۰ تن می باشد.
درفرآیند تولید جذب در کوره بلند مواد اولیه (سنگ آهن- آگلومره پلیت-کک و کمک ذوبها) از دهانه کوره سارژ و هوای غنی شده تا اکسیژن به همراه دیگر کمک سوختها (گاز طبیعی و ماروت) از بالای بوته به کوره دمیده می شود.
هوای دمیده شده منجر به سوختن کک و ایجاد واکنش شده و حرارت کافی جهت احیاء ذوب سنگ آهن ایجاد می نماید.
مواد مذاب در بوته کوره جمع و به تناوب از کوره تخلیه و پس ازجداسازی چدن و سرباره ، در جوی مخصوصی که با نسوز مناسب آماده شده است، چدن و سرباره به طور جداگانه و رباتیلهای حمل چدن و سرباره تخلیه می شوند سپس باتیلهای سرباره توسط لکوموتیو به کارگاه دانه بندی ارسال و پاتیلهای چدن به فولاد سازی حمل می شوند.
کارگاه چدن ریزی
وظیفه این کارگاه تولید شمش چدن درصورت عدم جذب چدن مذاب تولیدی کوره بلندها، توسط بخش فولاد سازی می باشد. این کارگاه دارای دو دستگاه ماشین چدن ریزی هرکدام به ظرفیت ۱۶۳ تن درساعت می باشد چدن تولید شده دراین کارگاه قابل فروش به صنایع مختلف می باشد و درصورت نیاز از آن به عنوان شارژ سرد در کنتورها استفاده می نمایند.
آهن که مهمترین فلز از نظر تجارتی است، بوسیله کاهش یا کربن درکوره بلند صورت می گیرد. ارتفاع این کوره به حدود ۳۰ متر و قطر آن به ۷.۵ متر می رسد و جدا داخلی آن بوسیله آخر مخصوصی که در برابر گرما مقاوم است، پوشیده شده است. این کوره چنان طراحی شده است که کار آن دائمی است. که عملکرد آن را مرور می کنیم.
مراحل تولید آهن در کوره بلند در صنعت ذوب
از بالای کوره بلند، کانه یا کانی آهن، کک و سنگ آهن را که «گدارآور» یا «بارکوره» نیز می نامند، وارد می کنند و از پایین کوره نیز جریان شدیدی از هوای گرم می دهند. این هوای گرم گاهی با اکسیژن تقویت می شوند. هوای ورودی باکک یا همان کربن ترکیب شده، به کربن منوکسید کاهیده می شود و مقدار قابل ملاحظه ای گرما آزاد می کند. دراین مرحله دمای کوره بالاترین مقدار یعنی حدود ۱۵۰۰oC را دارد.
۲C+O2 2CO
بار کوره که درحال نزول است به تدریج گرم می شود. نخست رطوبت آن گرفته و سپس کانی آهن بطور جزئی توسط کربن منوکسید کاهیده می شود. درقسمت داغتر کوره،کاهش کانی آهن به آهن فلزی، تکمیل می شود و سنگ آهک نیز CO2 از دست می دهد و با ناخالصیهای موجود درکانی آهن (که بطور عمده سیلیسیم دی اکسید است) ترکیب شده، سرباره مذاب تولید می شود. آهن مذاب و سرباره مذاب با یکدیگر مخلوط نمی شوند و درته کوره دو لایه جداگانه تشکیل می شود.
واکنشهای این مراحل عبارتنداز :
Fe2O3 2Fe3O4+CO
CaCO3 CaO+ CO2
Fe3O4 درناحیه پایینترین از کوره که داغتر است به FeO کاهیده می شود:
Fe3O4+CO 3FeO+ CO2
در داغترین ناحیه کاهش به آهن فلزی صورت می گیرد:
FeO+CO Fe +O2
نقش سرباره
لازم به ذکراست که سرباره مذاب عمدتاً کلسیم سیلیکات است و به وسیله اثر نمایی گذازآور برروی هرزه سنگ تولید می شود. این سرباره برروی آهن مذاب شناور است.
نقش مقدار زیاد کک درکوره
واکنشهای کاهش اکسیدهای آهن برگشت پذیرند و کاهش کامل فقط وقتی صورت می‌گیرد که دی اکسید کربن حاصل را از بین ببریم. این کار توسط کاهش آن با مقدار زیاد کک صورت می گیرد.
CO2 + C 2CO2
گاز خروجی از بالای کوره
گازی که از بالای کوره خارج می شود، بطور عمده از منواکسید کربن و نیتروژن موجود در هوای دمیده شده، تشکیل می شود. این مخلوط گازی داغ را با هوا ترکیب می کنند تا منواکسید کربن آن بسوزد و محصولات این احتراق راکه گرمای بیشتری دارد از درون دستگاه تبادل گرما عبور می دهند و به کمک آن هوای ورودی را گرم می کنند.
جایگزین هوا در بعضی از کوره ها
دربعضی از کروه ها به جای هوا از اکسیژن نسبتاً خالص استفاده می کنند. دراین مورد، ابعاد کوره کوچکتر و دمای آن قدری زیادتر است و مونواکسید کربن حاصل نسبت به مخلوط نیتروژن و مونواکسید کربن، سوخت بهتری است.
ناخالصی های آهن و تولید فولاد
آهنی که از کوره بلند خارج می شود، چدن نامیده می شود که دارای مقادیر کربن، گوگرد، فسفر، سیلسیم، منگنز و ناخالصی های دیگر است. درتولید فولاد دو هدف دنبال می شود:
· سوزاندن ناخالصی های چدن
· افزودن مقادیر معین ازمواد آلیاژ دهنده به آهن
منگنز، فسفر وسیلیسم درچدن مذاب توسط هوا با اکسیژن به اکسید تبدیل می شود وبا کمک ذوب مناسبی ترکیب شده، به صورت سرباره خارج می شوند، گوگرد به صورت سولفید وارد سرباره می شود و کربن هم می سوزد و مونوکسید کربن CO با دی اکسید کربن CO2 درمی آید. چنانچه ناخالصی اصلی منگنز باشد، به کمک ذوب اسیدی که معمولاً دی اکسید سیلسیوم SiO2 است، بکار می برند:
· MnO+SiO2 MnSiO3(1)
و چنانچه ناخالصی اصلی سیلسیوم یا فسفر باشد (و معمولاً چنین است) به کمک ذوب بازی که معمولاً اکسید منیزیم (MgO) یا اکسید کلسیم (CaO) است، اضافه می‌کنند:
· MgO + SiO2 MgSiO2(1)
· ۶MgO+P4O10 2Mg3(PO4) 2(1)
کوره تولید فولاد و جداکردن ناخالصی ها
معمولاً جداره داخلی کوره ای را که برای تولید فولاد به کار می رود، توسط آجرهایی که ازماده کمک ذوب ساخته شده اند، می پوشانند. این پوششی مقداری از اکسیدهایی را که باید خارج شوند، به خود جذب می کند برای جدا کردن ناخالصی ها، معمولاً از روش کوره باز استفاده می کنند، این کوره یک ظرف بشقاب مانند دارد که درآن ۱۰۰ تا ۲۰۰ تن آهن مذاب جای می‌گیرد.
بالای این ظرف، یک سقف مقعر قرار دارد که گرما را روی سطح فلز مذاب منعکس می کند. جریان شدیدی از اکسیژن را از روی فلز مذاب عبور می دهند تا ناخالصی های موجود درآن بسوزند. دراین روش ناخالصیها دراثر انتقال گرما در مایع و عمل پخش به سطح مایع می آیند و عمل تصفیه چند ساعت طول می کشد، البته مقداری از آهن، اکسید می شود که آن را جمع آوری کرده، به کوره بلند باز می گردانند.
روش بسمه:
دراین روش ناخالصی های موجود در چدن مذاب را به کمک بسوزاندن دراکسیژن کاهش داده و آنرا به فولاد تبدیل می کنند. پوشش جدار داخلی کوره بسمه از سیلیس با اکسید منیزیم و گنجایش آن درحدود ۱۵ تن است.
نحوه کار کوره به این ترتیب است که جریانی از هوا را به داخل چدن مذاب هدایت می کنند، تا ناخالصی های کربن و گوگرد به صورت گازهای SO2 و CO2 از محیط خارج شود و ناخالصی های فسفر و سلیس موجود درچدن مذاب در واکنش با اکسیژن موجود در هوا به صورت اکسیدهای غیر فرار SiO2, P4O10 جذب جدارهای داخلی کوره شوند و به ترکیبات زودگداز MgSiO3, Mg3(PO4)2 تبدیل و سپس به صورت سرباره خارج شوند.
سرعت عمل این روش زیاد است به همین دلیل کنترل مقدار اکسیژن موردنیاز برای حذف دلخواه ناخالصی های چدن غیر ممکن است و درنتیجه فولاد با کیفیت مطلوب و دلخواه را نمی توان به این روش بدست آورد.
روش کوره باز (با روش مارتن):
دراین روش برای جداکردن ناخالصی های موجود در چدن، از اکسیژن موجود در زنگ آهن یا اکسید آهن به جای اکسیژن موجود در هوا در روش بسمه (به منظور سوزاندن ناخالصی هایی مانند کربن، گوگرد و غیره) استفاده می شود.
برای این منظور از کوره باز استفاده می شود كه پوشش جدار داخلی آن از CaO , MgO تشکیل شده است و گنجایش آن نیز بین ۵۰ تا ۱۵۰ تن چدن مذاب است. حرارت لازم برای گرم کردن کوره از گازهای خروجی کوره و یا مواد نفتی تأمین می شود.
برای تکمیل عمل اکسیداسیون، هوای گرم نیز به چدن مذاب دمیده می شود. زمان عملکرد این کوره طولانی تر از روش بسم است. از این نظر می توان بادقت بیشتری عمل حذف ناخالصی ها را کنترل کرد و در هر نتیجه محصول مرغوب تری به دست آورد.
روش الکتریکی:
از این روش در تهیه فولادهای ویژه ای که برای مصارف علمی و صنعتی بسیار دقیق لازم است، استفاده می شود که درکوره الکتریکی با الکترودهای گرافیت صورت می گیرد. از ویژگی های این روش این است که احتیاج به ماده سوختنی و اکسیژن ندارد و دما را می توان نسبت به دو روش قبلی بالاتر برد.
این روش برای تصفیه مجدد فولادی که از روش بسمه و یا روش کوره بار به دست آمده است، به منظور تبدیل آن به محصول مرغوبتر، به کار می رود. برای این کار مقدار محاسبه شده ای از زنگ آهن را به فولاد به دست آمده از روشهای دیگر، در کوره الکتریکی اضافه کرده و حرارت می دهند.
دراین روش، برای این کار مقدار محاسبه شده ای از زنگ آهن را به فولاد به دست آمده از روشهای دیگر، درکوره الکتریکی اضافه کرده و حرارت می دهند. دراین روش، برای جذب و حذف گوگرد موجود در فولاد مقدار محاسبه شده ای اکسید کلسیم و برای جذب اکسیژن محلول در فولاد مقدار محاسبه شده ای آلیاژ فروسیلسیم (آلیاژ آهن و سیلسیم ) اضافه می کنند.
انواع فولاد و کاربرد آنها
از نظر محتوای کربن، فولاد به سه نوع تقسیم می‌شود:
· فولاد نرم : این نوع فولاد کمتر از ۲/۰ درصد کربن دارد و بیشتر در تهیه پیچ و مهره، سم خاردار و چرخ دنده ساعت و … بکار می رود.
· فولاد متوسط: این فولاد بین ۲/۰ تا ۶/۰ درصد کربن دارد و برای تهیه ریل و راه آهن و مصالح ساختمانی مانند تیرآهن مصرف می شود.
· فولاد سخت: فولاد سخت بین ۶/۰ تا ۶/۱ درصد کربن دارد که قابل آب دادن است و برای تهیه فنرهای فولادی، تیر، وسایل جراحی، مته و …. بکار می رود.
از فولادی که تا ۲/۰ درصد کربن دارد، برای ساختن سیم، لوله و ورق فولاد استفاده می شود. فولاد متوسط ۲/۰ تا ۶/۰ درصد کربن دارد و آنرا برای ساختن ریل، دیگ بخار و قطعات ساختمانی به کار می برند، فولادی که ۶/۰ تا ۵/۱ درصد کربن دارد سخت است و از آن برای ساختن ابزار آلات، فنر و کارد و چنگال استفاده می شود.
تبدیل آهن به فولاد آلیاژی
آهن مذاب تصفیه شده را با افزودن مقدار معین کربن و فلزهای آلیاژ دهنده مثل وانادیم، کروم، تیتانیم، منگنز و نیکل به فولاد تبدیل می کنند. فولادهای ویژه ممکن است مولیبدن، تنگستن یا فلزهای دیگر داشته باشند. این نوع فولادها برای مصارف خانگی مورد استفاده قرار می گیرند.
دردمای زیاد، آهن و کربن با یکدیگر متحد شده، کابید آهن (Fe3C) به نام «سمنیت» تشکیل می دهند، این واکنش، برگشت پذیر و گرماگیر است :
Fe3Cگرما ۳Fe+ C+
هرگاه فولادی که دارای سمنتیت است، به کندی سرد شود، تعادل فوق به سمت تشکیل آهن و کربن، جابجا شده، کربن به صورت پولکهای گرافیت جدا می شود،کربن عمدتاً به شکل سمانتیت باقی می ماند. تجزیه سمنتیت در دمای معمولی به اندازه ای کند است که عملا انجام نمی گیرد.
فولادی که دارای سمانتیت است، از فولادی که دارای گرافیت است، سخت تر و خیلی شکننده تر است. درهر یک از این دو نوع فولاد ، مقدار کربن را می توان درمحدوده نستباً وسیعی تنظیم کرد.
همچنین، می توان مقدارکل کربن را در قسمتهای مختلف یک قطعه فولاد تغییر داد و خواص آن را بهتر کرد. مثلا بلبرینگ از فولاد متوسط ساخته شده است تا سختی و استحکام داشته باشد ولیکن سطح آن در بستری از کربن حرارت می دهند تا لایه نازکی از سمانتیت روی آن تشکیل گردد و برسختی آن افزوده شود.
بزرگترین عملیات نصب تجهیزات کوره بلند در صنعت ذوب آهن اصفهان:
گروه صنعت و معدن با همت و توان کارشناسان داخلی عملیات نصب لوله حقلوی کوره بلند در صنعت ذوب شماره ۳ درطرح توان ذوب آهن اصفهان باموقفیت انجام شد.
به گزارش جهان اقتصاد به نقل از روابط عمومی شرکت ذوب آهن مدیر پروژه کوره بلند در صنعت ذوب طرح توان ذوب آهن اصفهان گفت: لوله حلقوی فورم های محمدرضا وفایی به وزن لوله فوق را ۹۰ تن ذکر کرد و گفت : قطر این لوله ۳۰ متر و قطر لوله مسیر هوایی دم ۱۵/۳ متر مربع می باشد که پس از اجرای نسوز چینی وزن آن بالغ بر ۳۰۰ تن خواهد شد. وی گفت: لوله حلقوی به وسیله ۱۶ آویز درارتفاع ۵/۱۶ متری به برج اصلی کوره آویزان می باشد.
بزرگترین عملیات نصب تجهیزات کوره بلند در صنعت ذوب آهن اصفهان:
وی با اشاره به ساخت این لوله درشرکت میلاد گفت: لوله فوق به صورت محیطی دراطراف بدنه کوره بلند در صنعت ذوب قرار داد و هوای دم ۱۲۵۰ درجه سانتی گراد تولید شده درکائویرها را با فشار ۵/۳ از طریق ۲۶ عدد فورم مسی هوایی دم به داخل کوره بلند می دهد.
خاطر نشان می شود، طرح توان ذوب آهن درحال حاضر بزرگترین طرح صنعتی در زمینه توسعه صنعت فولاد کشور می باشد که در زیر سقف های موجود در ذوب آهن اصفهان در حال اجرا است و تاکنون نیز ۵۳ درصد پیشرفت فیزیکی داشته است.
اضافه می شود با اجرای این طرح یک میلیون و ۴۰۰ هزار تن فولاد خام به ظرفیت فولاد کشور و ذوب آهن اصفهان اضافه می شود کوره بلند در صنعت ذوب شماره ۳ ذوب آهن درطرح توازن نیز از پیشرفته ترین تکنولوژی روز دنیا برخوردار است وسیستم بارگیری آن بدون زنگ می باشد. این پروژه تاکنون ۶۳ درصد پیشرفت فیزیکی داشته و ۱۵ درصد عملیات نصب تجهیزات آن انجام شده است.
کوره بلند در صنعت ذوب
کوره بلند در صنعت ذوب به منظور تولید یک محصول سخت سربی ساخته و بکارگرفته می‌شوند. این کوره ها مقدار زیادی بخار سرب از خودخارج می کنند که طی مراحل زیر خروج بخار سرب صورت می گیرد:
· شارژ کردن
· پرسازی
· سوراخ کردن Tuyere
· شکل کوره بلند در صنعت ذوب به صورت عرضی
· تصاویر دیگر کوره بلند
شارژ کردن
منابع بالقوه جانبی :
· سرازیر شدن و خروج درنقاط انتقال لوله حامل در کوره بلند و درنقاط شارژ رخ می دهد.
· سرازیر شدن خاک حاوی سرب درصورتی انجام می شود که بالابرنده های ظروف، ناقل ها (بخش حامل) و یا قسمتهای بالارونده کاملاً از خاک پر شود.
· بخار سرب و خاک ممکن است درصورتی که سطح شارژ بسیار پائین باشد، ازکوره بلند خارج شود.
کنترل های احتمالی درمورد مهندسی و کارهای عملی:
· حفظ مواد خام ذخیره شده و کنترل اداره مناطقی که تحت فشار پیشگیری ازآلودگی مناطق مجاور می باشند.
· جلوگیری از پراکنده شدن مواد با استفاده از روش های کنترل پروسه جهت کاربرد مقدار مواد شارژ مناسب در لوله و مجرای ورودی کوره بلند در صنعت ذوب
· بکاربردن سیستم تهویه هوای مناسب و کافی و استفاده از کلاهک دربخش حمل مواد در کوره بلند در صنعت ذوب و درنقاط شارژ جهت گرفتن گردو غبار و بخاری که ممکن است خارج شود.
· استفاده از کلاهک و سیستم تهویه هوای مناسب جهت گرفتن خاک و گردو غباری که ممکن است شارژ کوره ایجاد شود.
· بالابرها، بخش های حمل و بالا رونده را پراز مواد نکنید.
· فشار مثبت را حفظ کنید و از HEPA با سیستم های هوای فیلتر شده روی دستگاه متحرک استفاده کنید تا عملیات به طور مناسب و مؤثر صورت گیرد. فیلترهای هوا را کنترل و بررسی کنید و رسیدگی به آنها را بخشی از برنامه منظم و همیشگی خودقرار دهید تا اقدامات پیشگیری و احتیاطی صورت گیرد.
· هرگونه ماده را باسیستم خلاء فیلتر شده HEPA تخلیه کنید. دربخش ذوب نباید از آب برای رفع خاک استفاده کنید که احتمال آتش سوزی و ترکیب آب و سرب گذاخته شده خواهد بود.
پرسازی:
عملیات پرسازی کوره بلند شامل خارج کردن مواد زائد وسپس وارد کردن سرب گداخته از کوره بلند در صنعت ذوب به داخل قالب و ملاقه (ظروف خاص ملاقه شکل) می باشد. برخی گدازنده ها مستقیماً فلز را وارد کتری های نگاهدارنده می کنند که فلز گذاخته را برای پالایش و تصفیه نگاه می دارد برخی دیگر فلز را از کوره بلند در صنعت ذوب به بلوکهایی وارد می کنند و می گذازند این بلوکها سفت شوند (قالبهای ۴ گوش)
منابع بالقوه درمعرض :
· بخارات سرب ممکن است با انتقال سرب و یا مواد زائد درحین برداشتن سرپوش مسیر انتقال و یا هنگام ضربه زدن به سرپوش خارج شوند.
· هنگام ریختن سرب و یامواد زائد دربخش مخصوص، قالب، ملاقه و یا کتری تصفیه بخارات ممکن است خارج شوند.
· بخارات ممکن است از ملاقه های حاوی مواد زائد یا سرب گداخته شده، متصاعد گردد.
· مواد زائد و یا سرب گداخته شده سرازیر شده بخارات سر را از خود خارج می کنند.
کنترل های ممکن برای مهندسی و کارهای علمی :
از سیستم تهویه و خروج گاز دربخش سرب ومواد زائد، قالب ها، ملاقه ها و کتری های تصفیه استفاده کنید.
نمودار کنترل پر شدن سرب در کوره بلند در صنعت ذوب
نمودار کنترل پرشدن مواد زائد در کوره بلند در صنعت ذوب
ظروف حاوی سرب و مواد زائد را زیر کلاهک اگزوز (مجرای خروج گاز و بخارات) قرار دهید تا خروج بخارات به حداقل برسد.
نمودارد کلاهک اگزوز دوم
دربخش های پروسازی سرب و مواد زائد تهویه هوا فراهم کنید.
نمودار تهویه هوای فراهم شده ( Air Island = جزیره هوا )
درصورت لزوم برای ظروف مواد زائد تفکیک شده، تهویه هوا یعنی مجرای خروج گاز و بخارات فراهم کنید.
نمودار کلاهک اگزوز متحرک
سوارخ کردن Tuyere (پانچ کردن):
جریان هوا برای سوخت وارد کوره ذوب می‌شود که این کار از طریق Tuyere صورت می گیرد. تویرها معمولاً پشت سرهم و به ترتیب پر می‌شوند و باید به صورت فیزیکی پانچ شوند که معمولاً با یک میله فلزی (آهنی) آنها را باز می کنند.
متد متداول که برای این کار استفاده می شود برداشتن پوشش تویرها و قرار دادن میله آهنی است.
پس از آنکه تویرها باز شدند، پوشش آنها درجای خود قرار می گیرد. اخیراً گذازنده ها با تویرهای مجهز به پانچر اتوماتیک همراه شده اند که تا حد زیادی از قرارگرفتن کارکنان درمعرض سرب می کاهد.
اما با وجود این سیستم اتوماتیک باز هم مواردی وجود دارد که لوله تویر را با استفاده از میله یا مته دستی تمیزکرد.
منابع بالقوه درمعرض :
· درحین تمیز کردن لوله های تویر با دست ممکن است بخارات سرب به میزان قابل توجهی خارج شوند.
· کنترل های ممکن برای مهندسی و کارهای عملی :
· از پانچ اتوماتیک برای تویرها استفاده کنید.
· نمودار پانچ هیدرولیک تویر
· از پوشش های چرخان و شکاف دار برای تویرها استفاده کنید تا در حین پانج کردن از باز شدن تویر پیشگیری شود (به حداقل برسد)
· هنگام بازکردن پوشش تویر در زمان عملیات پانچ کردن تویر در یک طرف آن بایستید.
· ازمیله ای با طول مناسب استفاده کنید تا قرار گرفتن درمعرض بخارات به حداقل برسد.
· به گونه ای قرار بگیرید که بدون برداشتن پوشش (کاور) بتوانید Plugging را مشاهده کنید.