کوره بلند در صنعت ذوب

امروزه يكي از اساسي ترين پايه هاي اقتصادي و اجتماعي كشورهاي جهان را کوره بلند در صنعت ذوب آهن تشكيل مي دهد و اين به سبب نياز مبرمي است كه انسان جهت پيشبرد، مقاصد خود در زندگي دارد. با نگاه اجمالي به كارايي اين عنصر حياتي، مي توان به نقش سازنده آن پي برد.

زيرا علاوه بركاركرد آن درامر ساختمان سازي، پل سازي و غيره يكي از كالاهاي اساسي در صنايع اتومبيل سازي، كشتي سازي و لكوموتيو سازي است و به صورت آلياژ هاي مختلف، اساس تكنولوژي ماشين آلات را تشكيل مي دهد كه آهن و فولاد به روش هاي مختلفي تهيه و توليد مي شدند.

ما دراين تحقيق روش تهيه بوسيله كوره بلند را از ابتدا مورد بررسي قرار مي دهيم.

آهن عنصر شيميايي است كه در جدول تناوبي با نشان Fe و عدد اتمي 26 وجود دارد. آهن فلزي است كه در گروه 8 و دوره 4 جدول تناوبي قرار دارد.

تاريخچه آهن (Fe)

اولين نشانه هاي استفاده از آهن به زمان سومريان و مصريان برمي گردد كه تقريباً 4000 سال قبل از ميلاد با آهن كشف شده از شهاب سنگها اقلام كوچكي مثل سر نيزه وزيور آلات مي ساختند. از 2000 تا 3000 سال قبل از ميلاد، تعداد فزاينده اي از اشياء ساخته شده با آهن مذاب (فقدان نيكل، اين محصولات را از آهن شهاب سنگي متمايز مي كند) دربين النهرين، آسياي صغير و مصر به چشم مي خورد؛ اما ظاهراً تنها در تشريفات از آهن استفاده مي شد و آهن فلزي گرانبها حتي با ارزش تر از طلا به حساب مي آمد.

براساس تعداد از منابع آهن، به عنوان يك محصول جانبي از تصفيه مس توليد مي‌شود مثل آهن اسفنجي – و به وسيله متالوژي آن زمان قابل توليد مجدد نبوده است. از 1600 تا 1200 قبل از ميلاد درخاورميانه بطور روز افزون ا زاين فلز استفاده مي شد، اما جايگزين كاربرد برنز درآن زمان نشد.

تيرآهني متعلق به عنصر آهن سوند در گاتلند سوئد يافت شده است. از قرن 10 تا 12 در خاورميانه يك جابجايي سريع درتبديل ابزار و سلاحهاي برنزي به آهني صورت گرفت.

تاريخچه آهن (Fe)

عامل مهم دراين جابجائي آغاز ناگهاني تكنولوژي هاي پيشرفته كار با آهن نبود، بلكه عامل اصلي، مختل شدن تامين قلع بود. اين دوره جابجايي كه در زمانهاي مختلف و درنقاط مختلفي از جهان رخ داد، دوره اي از تمدن به نام عصرآهن را به وجود آورد.

همزمان با جايگزيني آهن به جاي برنز، فرآيند كربوريزاسيون كشف شدكه به وسيله آن به آهن موجود درآن زمان كربن اضافه مي كردند.

آهن را بصورت اسفنجي كه مخلوطي از آهن و سرباره به همراه مقدار ي كربن يا كاربيد است، بازيافت كردند. سپس سرباره آنرا با چكش كاري جدا نموده و محتوي كربن را اكسيده مي كردند تا بدين طريق آهن نرم توليد كنند.

مردم خاورميانه دريافتند كه با حرارت دادن طولاني مدت آهن نرم درلايه اي از ذغال و آب دادن آن در آب يا روغن مي توان محصولي بسيار محكم تر بدست آورد. محصول حاصله كه داراي سطح فولادي است، از برنزي كه قبلاً كاربرد داشت محكمتر و مقاوم تر بود.

تاريخچه آهن (Fe)

در چين نيز اولين بار آهن شهاب سنگي استفاده شد و اولين شواهد باستان شناسي براي اقلام ساخته شده با آهن نرم درشمال شرقي نزديك xinjiang مربوط به قرن 8 قبل از ميلاد به دست آمده است. اين وسايل از آهن نرم و با همان روش خاورميانه و اروپا ساخته شده بودند و گمان مي رفت كه براي مردم غير چيني هم ارسال مي كردند.

درسالهاي آخر پادشاهي سلسله ژو (حدود 550 قبل از ميلاد) به سبب پيشرفت زياد تكنولوژي كوره، قابليت توليد آهن جديدي بوجود آمد.

ساخت كوره هاي بلندي كه توانايي حرارتهاي بالاي k 1300 را داشت، موجب توليد آهن خام يا چدن توسط چيني ها شد.

اگر سنگ معدن آهن را با كربن k1470-1420 حرارت دهيم، مايع مذابي بدست مي آيد كه آلياژي با 96.5% آهن و 53.5% كربن است.

اين محصول محكم را مي توان به شكلهاي ريز و ظريفي درآورد. اما براي استفاده، بسيار شكننده مي باشند، مگر آنكه بيشتر كربن آنرا از بين ببرند.

از زمان سلسله ژو به بعد اكثر توليدات آهن درچين به شكل چدن است. با اين همه آهن بعنوان يك محصول عادي كه براي صدها سال مورد استفاده كشاورزان قرارگرفته است، باقي ماند و تا زمان سلسله شين (حدود 221 قبل از ميلاد) عظمت چين را واقعاً تحت تأثير قرار ندارد.

توسعه چدن در اروپا عقب افتاد، چون كوره هاي ذوب در اروپا فقط توانايي K1000 را داشت، دربخش زيادي از قرون وسطي دراروپاي غربي آهن اسفنجي به آهن نرم بدست مي آورند.

تاريخچه آهن (Fe)

تعدادي از قالب گيريهاي آهن دراروپا بين سالهاي 1150 و 1350 بعد از ميلاد در دو منطقه درسوئد به نامهاي Lappyttan و Vinarhyttan انجام شد.

دانشمندان مي پندارند شايد اين روش بعد از اين دو مكان تا مغولستان آن سوي روسيه ادامه يافته باشد، اما دليلي محكمي براي اثبات اين قضيه وجود ندارد. تا اواخر قرن نوزدهم درهر رويدادي يك بازار براي كالاهاي چدني بوجود آمد، مانند درخواست براي گلوله هاي توپ چدني.

درآغاز براي ذوب آهن از زغال چوب هم بعنوان منبع حرارتي و هم عامل كاهنده استفاده مي شد. درقرن 18 در انگلستان تامين كنندگان چوب كم شدند و از زغال سنگ كه يك سوخت فسيلي است، بعنوان منبع جانشين استفاده شد. اين نوآوري بوسيله abraham darby انرژي لازم براي انقلاب صنعتي را تامين نمود.

پيدايش :

آهن يكي از رايج ترين عناصر زمين است كه تقريباً 5% پوسته زمين را تشكيل ميدهد. آهن از سنگ معند هماتيت كه عمدتاً fe2o3 مي باشد. استخراج مي گردد. اين فلز را بوسيله روش كاهش يا كربن كه عنصري واكنش پذيرتر است جدا مي كنند. اين عمل دركوره بلند دردماي تقريباً 2000 درجه سانتي گراد انجام مي پذيرد.

درسال 2000، تقريباً 1100 ميليون تن سنگ معدن آهن رشد ارزش تجاري تقريباً 25 ميليارد دلار آمريكا استخراج شد.

درحاليكه استخراج سنگ معدن آهن در48 كشور صورت مي گيرد، چين،برزيل، استراليا، روسيه و هند با توليد 70% سنگ آهن جهان پنج كشور بزرگ توليد كنندگان آن به حساب مي آيند. براي توليد تقريباً 573 ميليون تن آن خام 1100 ميليون تن سنگ آهن مورد نياز است.

خصوصيات قابل توجه کوره بلند در صنعت ذوب

جرم يك اتم معمولي آهن 56 برابر جرم يك اتم معمولي هيدروژن مي باشد. عقيده براين است كه آهن، دهمين عنصر فراوان جهان است. Fe مخفف واژه لاتين ferrum براي آهن مي باشد. اين فلز، از سنگ معدن آهن استخراج مي شود و به ندرت به حالت آزاد (عنصري) يافت مي گردد.

براي تهيه آهن عنصري، بايدناخالصيهاي آن با روش كاهش شيميايي از بين برود. آهن براي توليد فولاد به كار مي رود كه عنصر نيست، بلكه يك آلياژ و مخلوطي است از فلزات متفاوت (وتعدادي غيرفلز بخصوص كربن).

هسته اتمهاي آهن داراي بيشترين نيروي همگبر در هر نوكلئون هستند. بنابراين آهن با روش همجوشي، سنگين ترين و با روش شكافت اتمي، سنگينترين عنصري است كه بصورت گرمازايي توليد مي شود.

وقتي يك ستاره كه داراي جرم كافي مي باشد چنين كاري انجام دهد. ديگر قادر به توليد انرژي درهسته اش نبوده ويك ابر اختر پديد مي آيد. آهن رايج ترين فلز درجهان به حساب مي آيد. الگوهاي جهان شناختي با يك جهان بار پيش بيني زمان را مي كند كه درنتيجه واكنشهاي همجوشي و شكافت هسته، همه چيز به آهن تبديل خواهد شد.

كاربردهای کوره بلند در صنعت ذوب

كابرد آهن از تمامي فلزات بيشتر است و 95 درصد فلزات توليد شده در سراسر جهان را تشكيل مي دهد.

قيمت ارزان و مقاومت بالاي تركيب آن استفاده از آنرا بخصوص دراتومبيلها، بدنه كشتي هاي بزرگ و ساختمانها اجتناب ناپذير مي كند.

فولاد معروفترين آلياژ آهن است و تعدادي از گونه هاي آهن به شرح زير مي باشد:

آهن خام كه داراي 5%-4% كربن و مقادير متفاوتي ناخالصي از قبيل گوگرد، سيليكون و فسفر است و اهميت آن فقط به اين علت است كه درمرحله مياني مسير سنگ آهن تا چدن و فولاد قرار دارد.

چدن، شامل 5/3% -3% كربن و مقدار كمي منگنز مي باشد. ناخالصي هاي موجود در آهن خام مثل گوگرد و فسفر كه خصوصيات آنرا تحت تأثير منفي قرار مي دهد. درچدن تا حد قابل قبولي كاهش مي يابند.

كاربردهای کوره بلند در صنعت ذوب

نقطه ذوب چدن بين 1420-1470 k مي باشد كه از هر دو تركيب اصلي آن كمتر است و آنرا به اولين محصول ذوب شده پس از گرم شدن همزمان كربن و آهن تبديل مي كند. چدن بسيار محكم، سخت و شكننده مي باشد، چدن مورد استفاده حتي چدن گرماي سفيد موجب شكستن اجسام مي شود.

فولاد كربن شامل 5/1% – 5/0% كربن و مقادير كم منگنز، گوگرد، فسفر و سيليكون است.

آهن ورزيده (آهن نرم) داراي كمتر از 5/0% كربن مي باشد و محصولي محكم و چكش خوار است، اما به اندازه آهن خام گدازپذير نيست. حاوي مقادير بسيار كم كربن است (چند دهم درصد) اگر يك لبه آن تيز شود، به سرعت تيزي خود را از دست مي دهد.

فولادهاي آلياژ حاوي مقادير متفاوتي كربن بعلاوه فلزات ديگر مانند كروم ، واناديم، موليبدن، نيكل ، تنگستن و … مي باشد.

اكسيدهاي آهن براي ساخت ذخيره مغناطيسي دركاميپوتر مورد استفاده قرار مي گيرند. آنها اغلب با تركيبات ديگري مخلوط شده و خصوصيات مغناطيسي خود را بصورت محلول هم حفظ مي كنند.

تركيبات

معمولترين حالات اكسيداسيون آهن عبارتند از :

· حالت فروس Fe+2

· حالت فريك Fe+3

· حالت فريل Fe+4

· آهن (VI) هم معروف است (اگر چه كمياب مي باشد) درصورتيكه شكل فرات پتاسيم باشد، (K2FeO) يك اكسيد كننده انتخابي براي الكلهاي نوع اول مي باشد. اين ماده جامد فقط در شرايط خلاء و ارغواني تيره پايدار است. هم به صورت محلول سوزآور و هم بصورت يك ماده جامد.

بيولوژي

آهن اتم اصلي مولكول هم (بخشي از گلبول قرمز) و بنابراين جزء ضروري تمام هموپروتئين ها محسوب مي شود. به همين علت، وجود اين عنصر درحيوانات حياتي مي باشد. همچنين آهن غير آلي درزنجيره هاي آهن – گوگرد بسياري از آنزيمها يافت مي شود. باكتريها اغلب از آهن استفاده مي كنند. وقتي بدن درحال مبارزه با يك عفونت باكتريايي است، براي عدم دستيابي باكتري به آهن، اين عنصر را پنهان مي كند.

ايزوتپها

آهن بطور طبيعي داراي چهار ايزوتوپ پايدار Fe-54, Fe 56, Fe 57, Fe-58 مي باشد. فراواني نسبي ايزوتپهاي آهن در طبيعت تقريباً Fe-56 7/91% Fe-58 3/0%,Fe-57 2/2%, Fe54- 8/5% است. Fe-58 3/0% كه نوكلئيد پرتوزاي (مانند مطالعات شهاب سنگها) و شكل گيري كاني ها هستند. حول محور تعيين انواع مختلف Fe-60 صورت گرفته است.

در وهله‌هاي مختلف، شهاب سنگهاي Chervony Kut, Semarkona مي تون بين تمركز Ni-nichell60 (محصول اخترچه Fe-60) و فراواني ايزوتپهاي پايدار آهن ارتباطي يافت كه دليلي براي وجود آهن 60 در زمان شكل گيري منظومه شمسي مي باشد، احتمالاً انرژي آزاد شده فروپاشي آهن 60 به همراه انرژي رها شده براثر فروپاشي نوكلئيد پرتوزاي Al-26 درذوب مجدد و تفكيك اخترچه هاي بعداز شكل گيري آنها 4.6 ميليارد سال پيش تأثير داشته است.

فرواني Ni-60 موجود در مواد فرازميني نيز ممكن است آگاهي بيشتري درمورد منشأ منظومه شمسي و تاريخ ابتدايي آن ارائه نمايد.

دربين ايزوتپهاي پايدار فقط آهن 57 داراي اسپين اتمي است، (2/1-) به همين خاطر آهن 57 درشيمي و بيوشيمي بعنوان يك ايزوتوپ اسپيني داراي كاربرد است.

سنگ معدن هاي آهن

سنگ معدن هايي كه آهن از آن استخراج مي شود، بيشتر به صورت اكسيدهاي آهن، مانند مگنيت يا هماتيت است كه با 3 تا 20 درصد ناخالصي (نظير سيليكات ها و آلومينات ها) همراه است. اين ناخالصي ها دركوره از آهن جدا شده به صورت تفاله خارج مي شوند.

سنگ معدن تصفيه شده و تغليظ شده به صورت پودر با دانه هاي ريز در كوره وارد مي شود. مناسب ترين اندازه ذرات آن بين 6 تا 25 ميلي متر است. يادآوري مي شود كه امروزه از سولفيد طبيعي آهن (پيريت) دراستخراج آهن استفاده نمي شود، بلكه مصرف عمده آن دراسيد سولفوريك سازي است.

فرآيندهاي اوليه استخراج آهن

استخراج آهن از سنگ معدن هاي آن طي فرآيند هاي فيزيكي و مكانيكي و شيميايي تحت شرايط ويژه اي صورت مي گيرد.

درمرحله آغازي، سنگ معدن بايد طي چندين مرحله از عمليات ازجمله: خردكردن، آسياب كردن، سرند كردن، شستشو، استفاده از جداكننده مغناطيسي و يا به روش فلوتاسيون تغليظ شود. محلول غليظ شده معمولاً داراي 60 تا 65% آهن، 8 تا 12 % سليس مي باشد.

پس از تلغيظ سنگ معدن آن را بايد به اندازه هايي به ابعاد 6 تا 25 ميلي متر كه مناسب براي تغذيه كوره هاي وزشي است، تبديل كردكه يان عمل را اصطلاحاً آگلومريزه شدن مي نامند. استخراج آهن از سنگ معدنهاي آن عمدتاً با استفاده از كوره هاي وزشي صرت مي گيرد كه درحقيقت يك راكتور بزرگ شيميايي است كه در آن مخلوطي از سنگ آهك، سنگ معدن آهن، و ذغال كك گره داده مي شود.

مواد اوليه مورد نياز استخراج آهن

سنگ معدن آهن:

درمجاورت ذغال براثر گرما دركوره احيا مي شود و سپس براثر جرياني از گازهاي احيا كننده داغ كه از سوختن كك درهواي گرم پايين كوره توليد مي شود و در جهت عكس مسير آهن حركت مي كند، ذوب مي شود. آهن مذاب و تفاله حاصل از سنگ معدن به ازاي هر دو تا چهار ساعت از آتشدان كوره تخليه مي شود.

اگر مواد اوليه به طور پيوسته از بالاي كوره وارد شود، دراين صورت، كوره مي تواند به طور پيوسته كار كند. محصول كوره وزشي همان چدن است

زغال كك:

مشخصات ساختاري آن عبارت است از : كربن ثابت 85 تا 90 %، خاكستر 5 تا 13%، رطوبت تا 8%، مواد فرار 1.6 تا 11% و گوگرد 0.5 تا 1.3 % نقش كك درفرآيند كوره هاي وزشي توليد گاز ها احيا كننده است و دراثر سوختن درپايين كوره انجام مي پذيرد و مقاومت مكانيكي آن نيز در عمل مهم است اندازه كك موردمصرف، بايد بين 1.5 تا 7.5 ميلي متر باشد.

سنگ آهك:

به منظور كمك كردن ذوب و پايين آوردن دماي ذوب ناخالصي ها به سنگ معدن افزوده مي شود. نسبت تشكيل دهنده هاي بازي درمخلوط يعني (CaO) و (MgO) به تشكيل دهنده هاي اسيدي يعني (Sio2) بايد در حد ثابتي حفظ شود تا تفاله هاي كف مانند و سبك (سيليكات هاي كلسيم و منيزيم) به طور كامل تشكيل شود و ساير ناخالصي هاي همراه با خود را از آهن جدا كند، براي اين منظور، سنگ آهن و دولوميت بكارگرفته مي شود.

گاهي براي كنترل تركيب نقاله هاي جاري، مقداري سيليكات تيز بدان اضافه مي شود، مناسب ترين اندازه اين دسته از مواد براي كوره هاي وزشي بين 70 تا 75% ميلي متر است.

واكنش هاي كوره استخراج آهن

پس ازاينكه كك درقسمت پايين كوره بارگيري شده، آن را تاحدود 1925oc گرم
مي كنند تا براثر وزش هواي گرم شروع به سوختن كرده، دما را دردهانه قسمت سوخت كوره تا 1925oc افزايش دهد. دي اكسيد كربن حاصل دراين دما ناپايدار بوده و بوسيله كك موجود در محيط به منواكسيد كربن تبديل مي شود. بخار آب همراه با هواي داغ در واكنش با كك نيز خود توليد منواكسيد كربن مي كند.

واكنش هاي انجام شده در دهانه سوخت كه درحد بين مخزن سوخت و سنگ معدن آهن قراردارد. درقسمت بالاتر كوره كه در دماي زير 920oc است، اكسيدهاي آن به وسيله منواكسيد كربن و هيدروژن حاصل احيا مي شوند.

درقسمت بالاتر كوره وقتي كه دما به 8150oc تا 870 oc رسيد سنگ آهك نيز تجزيه مي شود. درقسمت پايين كوره دربالاتر از 925 oc اكسيدهاي آهن بوسيله كربن احيا شده ودي اكسيد كربن حاصل بطور همزمان باكك واكنش داده و به منواكسيد كربن تبديل مي شود.

اين احيا به احياي مستقيم معروف است كه نيازي به انرژي زياد دارد. بيشتر گوگرد كه همراه كك وارد كوره مي شود، درداخل آن به H2COS تبديل مي شود. H2S حاصل با CaOFeO تبديل مي كند. FeS حاصل ضمن واكنش، آهن آزاد مي‌كند. ميزان چگونگي حذف گوگرد به دماي نقاله و نسبت CaOMgOSiO2Al2O3 بستگي دارد.

احياي مستقيم

احيايي است كه درآن سنگ معدن آهن، بوسيله عوامل احيا كننده جامد يا گازي احيا مي شود. با توجه به مقدار كربن موجود در آهن، اين عنصر به صورت دو نوع محصول آهن يعني چدن و فولاد عرضه مي شود.

کوره بلند در صنعت ذوب آهن:

هدف اصلي بخش كوره بلند توليد چدن مذاب جهت استفاده دربخش فولاد سازي يا درصورت عدم پذيرش، ارسال آن به كارگاه چدن ريزي است. اين بخش شامل :

الف. كارگاه اصلي كوره بلند در صنعت ذوب آهن.

ب.كارگاه چدن ريزي

ج.كارگاه سرباره

د.كارگاه آماده سازي ياتيل و تاسيسات بونكرها و ذخيره سازي مواد مي باشد.

كارگاه اصلي كوره بلنداز طريق كوره بلندهاي شماره 1و 2 توليد چدن دربخش كوره بلند در صنعت ذوب آهنصورت مي پذيرد. كوره بلند شماره يك داراي حجم 1.33 ميليمتر مكعب توليد متوسط ساليانه طبق طرح 665 هزاتن و كوره بلند شماره 2 داراي حجم 2000 متر مكعب و توليد متوسط ساليانه طبق طرح 1 ميليون و 337 هزار و 350 تن مي باشد.

درفرآيند توليد جذب در كوره بلند مواد اوليه (سنگ آهن- آگلومره پليت-كك و كمك ذوبها) از دهانه كوره سارژ و هواي غني شده تا اكسيژن به همراه ديگر كمك سوختها (گاز طبيعي و ماروت) از بالاي بوته به كوره دميده مي شود.

هواي دميده شده منجر به سوختن كك و ايجاد واكنش شده و حرارت كافي جهت احياء ذوب سنگ آهن ايجاد مي نمايد.

مواد مذاب در بوته كوره جمع و به تناوب از كوره تخليه و پس ازجداسازي چدن و سرباره ، در جوي مخصوصي كه با نسوز مناسب آماده شده است، چدن و سرباره به طور جداگانه و رباتيلهاي حمل چدن و سرباره تخليه مي شوند سپس باتيلهاي سرباره توسط لكوموتيو به كارگاه دانه بندي ارسال و پاتيلهاي چدن به فولاد سازي حمل مي شوند.

كارگاه چدن ريزي

وظيفه اين كارگاه توليد شمش چدن درصورت عدم جذب چدن مذاب توليدي كوره بلندها، توسط بخش فولاد سازي مي باشد. اين كارگاه داراي دو دستگاه ماشين چدن ريزي هركدام به ظرفيت 163 تن درساعت مي باشد چدن توليد شده دراين كارگاه قابل فروش به صنايع مختلف مي باشد و درصورت نياز از آن به عنوان شارژ سرد در كنتورها استفاده مي نمايند.

آهن كه مهمترين فلز از نظر تجارتي است، بوسيله كاهش يا كربن دركوره بلند صورت مي گيرد. ارتفاع اين كوره به حدود 30 متر و قطر آن به 7.5 متر مي رسد و جدا داخلي آن بوسيله آخر مخصوصي كه در برابر گرما مقاوم است، پوشيده شده است. اين كوره چنان طراحي شده است كه كار آن دائمي است. كه عملكرد آن را مرور مي كنيم.

مراحل توليد آهن در کوره بلند در صنعت ذوب

از بالاي كوره بلند، كانه يا كاني آهن، كك و سنگ آهن را كه «گدارآور» يا «باركوره» نيز مي نامند، وارد مي كنند و از پايين كوره نيز جريان شديدي از هواي گرم مي دهند. اين هواي گرم گاهي با اكسيژن تقويت مي شوند. هواي ورودي باكك يا همان كربن تركيب شده، به كربن منوكسيد كاهيده مي شود و مقدار قابل ملاحظه اي گرما آزاد مي كند. دراين مرحله دماي كوره بالاترين مقدار يعني حدود 1500oC را دارد.

2C+O2 2CO

بار كوره كه درحال نزول است به تدريج گرم مي شود. نخست رطوبت آن گرفته و سپس كاني آهن بطور جزئي توسط كربن منوكسيد كاهيده مي شود. درقسمت داغتر كوره،كاهش كاني آهن به آهن فلزي، تكميل مي شود و سنگ آهك نيز CO2 از دست مي دهد و با ناخالصيهاي موجود دركاني آهن (كه بطور عمده سيليسيم دي اكسيد است) تركيب شده، سرباره مذاب توليد مي شود. آهن مذاب و سرباره مذاب با يكديگر مخلوط نمي شوند و درته كوره دو لايه جداگانه تشكيل مي شود.

واكنشهاي اين مراحل عبارتنداز :

Fe2O3 2Fe3O4+CO

CaCO3 CaO+ CO2

Fe3O4 درناحيه پايينترين از كوره كه داغتر است به FeO كاهيده مي شود:

Fe3O4+CO 3FeO+ CO2

در داغترين ناحيه كاهش به آهن فلزي صورت مي گيرد:

FeO+CO Fe +O2

نقش سرباره

لازم به ذكراست كه سرباره مذاب عمدتاً كلسيم سيليكات است و به وسيله اثر نمايي گذازآور برروي هرزه سنگ توليد مي شود. اين سرباره برروي آهن مذاب شناور است.

نقش مقدار زياد كك دركوره

واكنشهاي كاهش اكسيدهاي آهن برگشت پذيرند و كاهش كامل فقط وقتي صورت مي‌گيرد كه دي اكسيد كربن حاصل را از بين ببريم. اين كار توسط كاهش آن با مقدار زياد كك صورت مي گيرد.

CO2 + C 2CO2

گاز خروجي از بالاي كوره

گازي كه از بالاي كوره خارج مي شود، بطور عمده از منواكسيد كربن و نيتروژن موجود در هواي دميده شده، تشكيل مي شود. اين مخلوط گازي داغ را با هوا تركيب مي كنند تا منواكسيد كربن آن بسوزد و محصولات اين احتراق راكه گرماي بيشتري دارد از درون دستگاه تبادل گرما عبور مي دهند و به كمك آن هواي ورودي را گرم مي كنند.

جايگزين هوا در بعضي از كوره ها

دربعضي از كروه ها به جاي هوا از اكسيژن نسبتاً خالص استفاده مي كنند. دراين مورد، ابعاد كوره كوچكتر و دماي آن قدري زيادتر است و مونواكسيد كربن حاصل نسبت به مخلوط نيتروژن و مونواكسيد كربن، سوخت بهتري است.

ناخالصي هاي آهن و توليد فولاد

آهني كه از كوره بلند خارج مي شود، چدن ناميده مي شود كه داراي مقادير كربن، گوگرد، فسفر، سيلسيم، منگنز و ناخالصي هاي ديگر است. درتوليد فولاد دو هدف دنبال مي شود:

· سوزاندن ناخالصي هاي چدن

· افزودن مقادير معين ازمواد آلياژ دهنده به آهن

منگنز، فسفر وسيليسم درچدن مذاب توسط هوا با اكسيژن به اكسيد تبديل مي شود وبا كمك ذوب مناسبي تركيب شده، به صورت سرباره خارج مي شوند، گوگرد به صورت سولفيد وارد سرباره مي شود و كربن هم مي سوزد و مونوكسيد كربن CO با دي اكسيد كربن CO2 درمي آيد. چنانچه ناخالصي اصلي منگنز باشد، به كمك ذوب اسيدي كه معمولاً دي اكسيد سيلسيوم SiO2 است، بكار مي برند:

· MnO+SiO2 MnSiO3(1)

و چنانچه ناخالصي اصلي سيلسيوم يا فسفر باشد (و معمولاً چنين است) به كمك ذوب بازي كه معمولاً اكسيد منيزيم (MgO) يا اكسيد كلسيم (CaO) است، اضافه مي‌كنند:

· MgO + SiO2 MgSiO2(1)

· 6MgO+P4O10 2Mg3(PO4) 2(1)

كوره توليد فولاد و جداكردن ناخالصي ها

معمولاً جداره داخلي كوره اي را كه براي توليد فولاد به كار مي رود، توسط آجرهايي كه ازماده كمك ذوب ساخته شده اند، مي پوشانند. اين پوششي مقداري از اكسيدهايي را كه بايد خارج شوند، به خود جذب مي كند براي جدا كردن ناخالصي ها، معمولاً از روش كوره باز استفاده مي كنند، اين كوره يك ظرف بشقاب مانند دارد كه درآن 100 تا 200 تن آهن مذاب جاي مي‌گيرد.

بالاي اين ظرف، يك سقف مقعر قرار دارد كه گرما را روي سطح فلز مذاب منعكس مي كند. جريان شديدي از اكسيژن را از روي فلز مذاب عبور مي دهند تا ناخالصي هاي موجود درآن بسوزند. دراين روش ناخالصيها دراثر انتقال گرما در مايع و عمل پخش به سطح مايع مي آيند و عمل تصفيه چند ساعت طول مي كشد، البته مقداري از آهن، اكسيد مي شود كه آن را جمع آوري كرده، به كوره بلند باز مي گردانند.

روش بسمه:

دراين روش ناخالصي هاي موجود در چدن مذاب را به كمك بسوزاندن دراكسيژن كاهش داده و آنرا به فولاد تبديل مي كنند. پوشش جدار داخلي كوره بسمه از سيليس با اكسيد منيزيم و گنجايش آن درحدود 15 تن است.

نحوه كار كوره به اين ترتيب است كه جرياني از هوا را به داخل چدن مذاب هدايت مي كنند، تا ناخالصي هاي كربن و گوگرد به صورت گازهاي SO2 و CO2 از محيط خارج شود و ناخالصي هاي فسفر و سليس موجود درچدن مذاب در واكنش با اكسيژن موجود در هوا به صورت اكسيدهاي غير فرار SiO2, P4O10 جذب جدارهاي داخلي كوره شوند و به تركيبات زودگداز MgSiO3, Mg3(PO4)2 تبديل و سپس به صورت سرباره خارج شوند.

سرعت عمل اين روش زياد است به همين دليل كنترل مقدار اكسيژن موردنياز براي حذف دلخواه ناخالصي هاي چدن غير ممكن است و درنتيجه فولاد با كيفيت مطلوب و دلخواه را نمي توان به اين روش بدست آورد.

روش كوره باز (با روش مارتن):

دراين روش براي جداكردن ناخالصي هاي موجود در چدن، از اكسيژن موجود در زنگ آهن يا اكسيد آهن به جاي اكسيژن موجود در هوا در روش بسمه (به منظور سوزاندن ناخالصي هايي مانند كربن، گوگرد و غيره) استفاده مي شود.

براي اين منظور از كوره باز استفاده مي شود كه پوشش جدار داخلي آن از CaO , MgO تشكيل شده است و گنجايش آن نيز بين 50 تا 150 تن چدن مذاب است. حرارت لازم براي گرم كردن كوره از گازهاي خروجي كوره و يا مواد نفتي تأمين مي شود.

براي تكميل عمل اكسيداسيون، هواي گرم نيز به چدن مذاب دميده مي شود. زمان عملكرد اين كوره طولاني تر از روش بسم است. از اين نظر مي توان بادقت بيشتري عمل حذف ناخالصي ها را كنترل كرد و در هر نتيجه محصول مرغوب تري به دست آورد.

روش الكتريكي:

از اين روش در تهيه فولادهاي ويژه اي كه براي مصارف علمي و صنعتي بسيار دقيق لازم است، استفاده مي شود كه دركوره الكتريكي با الكترودهاي گرافيت صورت مي گيرد. از ويژگي هاي اين روش اين است كه احتياج به ماده سوختني و اكسيژن ندارد و دما را مي توان نسبت به دو روش قبلي بالاتر برد.

اين روش براي تصفيه مجدد فولادي كه از روش بسمه و يا روش كوره بار به دست آمده است، به منظور تبديل آن به محصول مرغوبتر، به كار مي رود. براي اين كار مقدار محاسبه شده اي از زنگ آهن را به فولاد به دست آمده از روشهاي ديگر، در كوره الكتريكي اضافه كرده و حرارت مي دهند.

دراين روش، براي اين كار مقدار محاسبه شده اي از زنگ آهن را به فولاد به دست آمده از روشهاي ديگر، دركوره الكتريكي اضافه كرده و حرارت مي دهند. دراين روش، براي جذب و حذف گوگرد موجود در فولاد مقدار محاسبه شده اي اكسيد كلسيم و براي جذب اكسيژن محلول در فولاد مقدار محاسبه شده اي آلياژ فروسيلسيم (آلياژ آهن و سيلسيم ) اضافه مي كنند.

انواع فولاد و كاربرد آنها

از نظر محتواي كربن، فولاد به سه نوع تقسيم مي‌شود:

· فولاد نرم : اين نوع فولاد كمتر از 2/0 درصد كربن دارد و بيشتر در تهيه پيچ و مهره، سم خاردار و چرخ دنده ساعت و … بكار مي رود.

· فولاد متوسط: اين فولاد بين 2/0 تا 6/0 درصد كربن دارد و براي تهيه ريل و راه آهن و مصالح ساختماني مانند تيرآهن مصرف مي شود.

· فولاد سخت: فولاد سخت بين 6/0 تا 6/1 درصد كربن دارد كه قابل آب دادن است و براي تهيه فنرهاي فولادي، تير، وسايل جراحي، مته و …. بكار مي رود.

از فولادي كه تا 2/0 درصد كربن دارد، براي ساختن سيم، لوله و ورق فولاد استفاده مي شود. فولاد متوسط 2/0 تا 6/0 درصد كربن دارد و آنرا براي ساختن ريل، ديگ بخار و قطعات ساختماني به كار مي برند، فولادي كه 6/0 تا 5/1 درصد كربن دارد سخت است و از آن براي ساختن ابزار آلات، فنر و كارد و چنگال استفاده مي شود.

تبديل آهن به فولاد آلياژي

آهن مذاب تصفيه شده را با افزودن مقدار معين كربن و فلزهاي آلياژ دهنده مثل واناديم، كروم، تيتانيم، منگنز و نيكل به فولاد تبديل مي كنند. فولادهاي ويژه ممكن است موليبدن، تنگستن يا فلزهاي ديگر داشته باشند. اين نوع فولادها براي مصارف خانگي مورد استفاده قرار مي گيرند.

دردماي زياد، آهن و كربن با يكديگر متحد شده، كابيد آهن (Fe3C) به نام «سمنيت» تشكيل مي دهند، اين واكنش، برگشت پذير و گرماگير است :

Fe3Cگرما 3Fe+ C+

هرگاه فولادي كه داراي سمنتيت است، به كندي سرد شود، تعادل فوق به سمت تشكيل آهن و كربن، جابجا شده، كربن به صورت پولكهاي گرافيت جدا مي شود،كربن عمدتاً به شكل سمانتيت باقي مي ماند. تجزيه سمنتيت در دماي معمولي به اندازه اي كند است كه عملا انجام نمي گيرد.

فولادي كه داراي سمانتيت است، از فولادي كه داراي گرافيت است، سخت تر و خيلي شكننده تر است. درهر يك از اين دو نوع فولاد ، مقدار كربن را مي توان درمحدوده نستباً وسيعي تنظيم كرد.

همچنين، مي توان مقداركل كربن را در قسمتهاي مختلف يك قطعه فولاد تغيير داد و خواص آن را بهتر كرد. مثلا بلبرينگ از فولاد متوسط ساخته شده است تا سختي و استحكام داشته باشد وليكن سطح آن در بستري از كربن حرارت مي دهند تا لايه نازكي از سمانتيت روي آن تشكيل گردد و برسختي آن افزوده شود.

بزرگترين عمليات نصب تجهيزات كوره بلند در صنعت ذوب آهن اصفهان:

گروه صنعت و معدن با همت و توان كارشناسان داخلي عمليات نصب لوله حقلوي كوره بلند در صنعت ذوب شماره 3 درطرح توان ذوب آهن اصفهان باموقفيت انجام شد.

به گزارش جهان اقتصاد به نقل از روابط عمومي شركت ذوب آهن مدير پروژه كوره بلند در صنعت ذوب طرح توان ذوب آهن اصفهان گفت: لوله حلقوي فورم هاي محمدرضا وفايي به وزن لوله فوق را 90 تن ذكر كرد و گفت : قطر اين لوله 30 متر و قطر لوله مسير هوايي دم 15/3 متر مربع مي باشد كه پس از اجراي نسوز چيني وزن آن بالغ بر 300 تن خواهد شد. وي گفت: لوله حلقوي به وسيله 16 آويز درارتفاع 5/16 متري به برج اصلي كوره آويزان مي باشد.

بزرگترين عمليات نصب تجهيزات كوره بلند در صنعت ذوب آهن اصفهان:

وي با اشاره به ساخت اين لوله درشركت ميلاد گفت: لوله فوق به صورت محيطي دراطراف بدنه كوره بلند در صنعت ذوب قرار داد و هواي دم 1250 درجه سانتي گراد توليد شده دركائويرها را با فشار 5/3 از طريق 26 عدد فورم مسي هوايي دم به داخل كوره بلند مي دهد.

خاطر نشان مي شود، طرح توان ذوب آهن درحال حاضر بزرگترين طرح صنعتي در زمينه توسعه صنعت فولاد كشور مي باشد كه در زير سقف هاي موجود در ذوب آهن اصفهان در حال اجرا است و تاكنون نيز 53 درصد پيشرفت فيزيكي داشته است.

اضافه مي شود با اجراي اين طرح يك ميليون و 400 هزار تن فولاد خام به ظرفيت فولاد كشور و ذوب آهن اصفهان اضافه مي شود كوره بلند در صنعت ذوب شماره 3 ذوب آهن درطرح توازن نيز از پيشرفته ترين تكنولوژي روز دنيا برخوردار است وسيستم بارگيري آن بدون زنگ مي باشد. اين پروژه تاكنون 63 درصد پيشرفت فيزيكي داشته و 15 درصد عمليات نصب تجهيزات آن انجام شده است.

كوره بلند در صنعت ذوب

كوره بلند در صنعت ذوب  به منظور توليد يك محصول سخت سربي ساخته و بكارگرفته مي‌شوند. اين كوره ها مقدار زيادي بخار سرب از خودخارج مي كنند كه طي مراحل زير خروج بخار سرب صورت مي گيرد:

· شارژ كردن

· پرسازي

· سوراخ كردن Tuyere

· شكل كوره بلند در صنعت ذوب به صورت عرضي

· تصاوير ديگر كوره بلند

شارژ كردن

منابع بالقوه جانبي :

· سرازير شدن و خروج درنقاط انتقال لوله حامل در كوره بلند و درنقاط شارژ رخ مي دهد.

· سرازير شدن خاك حاوي سرب درصورتي انجام مي شود كه بالابرنده هاي ظروف، ناقل ها (بخش حامل) و يا قسمتهاي بالارونده كاملاً از خاك پر شود.

· بخار سرب و خاك ممكن است درصورتي كه سطح شارژ بسيار پائين باشد، ازكوره بلند خارج شود.

كنترل هاي احتمالي درمورد مهندسي و كارهاي عملي:

· حفظ مواد خام ذخيره شده و كنترل اداره مناطقي كه تحت فشار پيشگيري ازآلودگي مناطق مجاور مي باشند.

· جلوگيري از پراكنده شدن مواد با استفاده از روش هاي كنترل پروسه جهت كاربرد مقدار مواد شارژ مناسب در لوله و مجراي ورودي كوره بلند در صنعت ذوب

· بكاربردن سيستم تهويه هواي مناسب و كافي و استفاده از كلاهك دربخش حمل مواد در كوره بلند در صنعت ذوب و درنقاط شارژ جهت گرفتن گردو غبار و بخاري كه ممكن است خارج شود.

· استفاده از كلاهك و سيستم تهويه هواي مناسب جهت گرفتن خاك و گردو غباري كه ممكن است شارژ كوره ايجاد شود.

· بالابرها، بخش هاي حمل و بالا رونده را پراز مواد نكنيد.

· فشار مثبت را حفظ كنيد و از HEPA با سيستم هاي هواي فيلتر شده روي دستگاه متحرك استفاده كنيد تا عمليات به طور مناسب و مؤثر صورت گيرد. فيلترهاي هوا را كنترل و بررسي كنيد و رسيدگي به آنها را بخشي از برنامه منظم و هميشگي خودقرار دهيد تا اقدامات پيشگيري و احتياطي صورت گيرد.

· هرگونه ماده را باسيستم خلاء فيلتر شده HEPA تخليه كنيد. دربخش ذوب نبايد از آب براي رفع خاك استفاده كنيد كه احتمال آتش سوزي و تركيب آب و سرب گذاخته شده خواهد بود.

پرسازي:

عمليات پرسازي كوره بلند شامل خارج كردن مواد زائد وسپس وارد كردن سرب گداخته از كوره بلند در صنعت ذوب به داخل قالب و ملاقه (ظروف خاص ملاقه شكل) مي باشد. برخي گدازنده ها مستقيماً فلز را وارد كتري هاي نگاهدارنده مي كنند كه فلز گذاخته را براي پالايش و تصفيه نگاه مي دارد برخي ديگر فلز را از كوره بلند در صنعت ذوب به بلوكهايي وارد مي كنند و مي گذازند اين بلوكها سفت شوند (قالبهاي 4 گوش)

منابع بالقوه درمعرض :

· بخارات سرب ممكن است با انتقال سرب و يا مواد زائد درحين برداشتن سرپوش مسير انتقال و يا هنگام ضربه زدن به سرپوش خارج شوند.

· هنگام ريختن سرب و يامواد زائد دربخش مخصوص، قالب، ملاقه و يا كتري تصفيه بخارات ممكن است خارج شوند.

· بخارات ممكن است از ملاقه هاي حاوي مواد زائد يا سرب گداخته شده، متصاعد گردد.

· مواد زائد و يا سرب گداخته شده سرازير شده بخارات سر را از خود خارج مي كنند.

كنترل هاي ممكن براي مهندسي و كارهاي علمي :

از سيستم تهويه و خروج گاز دربخش سرب ومواد زائد، قالب ها، ملاقه ها و كتري هاي تصفيه استفاده كنيد.

نمودار كنترل پر شدن سرب در كوره بلند در صنعت ذوب

نمودار كنترل پرشدن مواد زائد در كوره بلند در صنعت ذوب

ظروف حاوي سرب و مواد زائد را زير كلاهك اگزوز (مجراي خروج گاز و بخارات) قرار دهيد تا خروج بخارات به حداقل برسد.

نمودارد كلاهك اگزوز دوم

دربخش هاي پروسازي سرب و مواد زائد تهويه هوا فراهم كنيد.

نمودار تهويه هواي فراهم شده ( Air Island = جزيره هوا )

درصورت لزوم براي ظروف مواد زائد تفكيك شده، تهويه هوا يعني مجراي خروج گاز و بخارات فراهم كنيد.

نمودار كلاهك اگزوز متحرك

سوارخ كردن Tuyere (پانچ كردن):

جريان هوا براي سوخت وارد كوره ذوب مي‌شود كه اين كار از طريق Tuyere صورت مي گيرد. تويرها معمولاً پشت سرهم و به ترتيب پر مي‌شوند و بايد به صورت فيزيكي پانچ شوند كه معمولاً با يك ميله فلزي (آهني) آنها را باز مي كنند.

متد متداول كه براي اين كار استفاده مي شود برداشتن پوشش تويرها و قرار دادن ميله آهني است.

پس از آنكه تويرها باز شدند، پوشش آنها درجاي خود قرار مي گيرد. اخيراً گذازنده ها با تويرهاي مجهز به پانچر اتوماتيك همراه شده اند كه تا حد زيادي از قرارگرفتن كاركنان درمعرض سرب مي كاهد.

اما با وجود اين سيستم اتوماتيك باز هم مواردي وجود دارد كه لوله توير را با استفاده از ميله يا مته دستي تميزكرد.

منابع بالقوه درمعرض :

· درحين تميز كردن لوله هاي توير با دست ممكن است بخارات سرب به ميزان قابل توجهي خارج شوند.

· كنترل هاي ممكن براي مهندسي و كارهاي عملي :

· از پانچ اتوماتيك براي تويرها استفاده كنيد.

· نمودار پانچ هيدروليك توير

· از پوشش هاي چرخان و شكاف دار براي تويرها استفاده كنيد تا در حين پانج كردن از باز شدن توير پيشگيري شود (به حداقل برسد)

· هنگام بازكردن پوشش توير در زمان عمليات پانچ كردن توير در يك طرف آن بايستيد.

· ازميله اي با طول مناسب استفاده كنيد تا قرار گرفتن درمعرض بخارات به حداقل برسد.

· به گونه اي قرار بگيريد كه بدون برداشتن پوشش (كاور) بتوانيد Plugging را مشاهده كنيد.

 

منبع اطلاعات کسب شده