ذوب فولاد: فناوری، روش‌ها، مواد خام

2024 نویسنده: Howard Calhoun | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-02 13:53

سنگ آهن به روش معمول به دست می آید: معدن روباز یا زیرزمینی و حمل و نقل بعدی برای آماده سازی اولیه، جایی که مواد خرد، شسته و پردازش می شود.

سنگ معدن را در کوره بلند می ریزند و با هوای داغ و حرارت انفجار می دهند که آن را به آهن مذاب تبدیل می کند. سپس از ته کوره در قالب هایی به نام پیگ خارج می شود و در آنجا سرد می شود تا آهن خام تولید شود. به طرق مختلف به آهن فرفورژه تبدیل یا به فولاد تبدیل می شود.

فولاد چیست؟

در ابتدا آهن وجود داشت. یکی از رایج ترین فلزات در پوسته زمین است. تقریباً در همه جا، در ترکیب با بسیاری از عناصر دیگر، به شکل سنگ معدن یافت می شود. قدمت آهن‌کاری در اروپا به 1700 سال قبل از میلاد برمی‌گردد

در سال 1786، دانشمندان فرانسوی Berthollet، Monge و Vandermonde به دقت تعیین کردند که تفاوت بین آهن، چدن و فولاد به دلیل محتوای کربن متفاوت است. با این وجود، فولاد ساخته شده از آهن، به سرعت به مهمترین فلز انقلاب صنعتی تبدیل شد. در آغاز قرن بیستم، تولید فولاد جهان 28 بودمیلیون تن - این شش برابر بیشتر از سال 1880 است. در آغاز جنگ جهانی اول، تولید آن به 85 میلیون تن رسید. برای چندین دهه، عملاً جایگزین آهن شده است.

محتوای کربن بر ویژگی های فلز تأثیر می گذارد. دو نوع اصلی فولاد وجود دارد: آلیاژی و بدون آلیاژ. آلیاژ فولاد به عناصر شیمیایی غیر از کربن اضافه شده به آهن اشاره دارد. بنابراین، آلیاژی از 17% کروم و 8% نیکل برای ایجاد فولاد ضد زنگ استفاده می شود.

در حال حاضر، بیش از 3000 نام تجاری فهرست شده (ترکیبات شیمیایی) وجود دارد، بدون احتساب آنهایی که برای رفع نیازهای فردی ایجاد شده اند. همه آنها در تبدیل فولاد به مناسب ترین ماده برای چالش های آینده کمک می کنند.

مواد اولیه فولادسازی: اولیه و ثانویه

ذوب این فلز با استفاده از اجزای متعدد رایج ترین روش استخراج است. مواد شارژ می توانند هم اولیه و هم ثانویه باشند. ترکیب اصلی شارژ، به طور معمول، 55٪ آهن خام و 45٪ از ضایعات فلزی باقی مانده است. فروآلیاژها، چدن تبدیل شده و فلزات خالص تجاری به عنوان عنصر اصلی آلیاژ استفاده می شود، به عنوان یک قاعده، همه انواع فلزات آهنی به عنوان ثانویه طبقه بندی می شوند.

سنگ آهن مهمترین و اساسی ترین ماده خام در صنعت آهن و فولاد است. برای تولید یک تن چدن حدود 1.5 تن از این ماده لازم است. حدود 450 تن کک برای تولید یک تن چدن استفاده می شود. بسیاری از کارخانه های آهنحتی از زغال چوب استفاده می شود.

آب یک ماده اولیه مهم برای صنعت آهن و فولاد است. این عمدتا برای خاموش کردن کک، خنک کننده کوره بلند، تولید بخار درب کوره زغال سنگ، عملیات تجهیزات هیدرولیک و دفع فاضلاب استفاده می شود. برای تولید یک تن فولاد حدود 4 تن هوا لازم است. فلاکس در کوره بلند برای استخراج آلاینده ها از سنگ معدن ذوب استفاده می شود. سنگ آهک و دولومیت با ناخالصی های استخراج شده ترکیب می شوند و سرباره تشکیل می دهند.

هم کوره بلند و هم کوره فولادی با روکش دیرگداز. آنها برای روکش کوره های در نظر گرفته شده برای ذوب سنگ آهن استفاده می شود. دی اکسید سیلیکون یا ماسه برای قالب گیری استفاده می شود. از فلزات غیرآهنی برای تولید فولاد با گریدهای مختلف استفاده می شود: آلومینیوم، کروم، کبالت، مس، سرب، منگنز، مولیبدن، نیکل، قلع، تنگستن، روی، وانادیم و غیره. در میان همه این فروآلیاژها، منگنز به طور گسترده در فولادسازی استفاده می شود..

ضایعات آهن از سازه های برچیده شده کارخانه، ماشین آلات، وسایل نقلیه قدیمی و غیره بازیافت شده و به طور گسترده در صنعت استفاده می شود.

آهن برای فولاد

ذوب فولاد با چدن بسیار رایج تر از سایر مواد است. چدن اصطلاحی است که معمولاً به آهن خاکستری اشاره دارد، اما با گروه بزرگی از فروآلیاژها نیز شناخته می شود. کربن حدود 2.1 تا 4 درصد وزنی را تشکیل می دهد در حالی که سیلیکون معمولاً 1 تا 3 درصد وزنی در آلیاژ است.

ذوب آهن و فولاد در دما صورت می گیردنقطه ذوب بین 1150 تا 1200 درجه که حدود 300 درجه کمتر از نقطه ذوب آهن خالص است. چدن همچنین سیالیت خوب، ماشین‌کاری عالی، مقاومت در برابر تغییر شکل، اکسیداسیون و ریخته‌گری را نشان می‌دهد.

فولاد نیز آلیاژی از آهن با محتوای کربن متغیر است. محتوای کربن فولاد 0.2 تا 2.1 درصد جرم است و مقرون به صرفه ترین ماده آلیاژی برای آهن است. ذوب فولاد از چدن برای اهداف مختلف مهندسی و سازه ای مفید است.

سنگ آهن برای فولاد

فرایند ساخت فولاد با فرآوری سنگ آهن آغاز می شود. سنگ حاوی سنگ آهن خرد می شود. سنگ معدن با استفاده از غلتک های مغناطیسی استخراج می شود. سنگ آهن ریزدانه برای استفاده در کوره بلند به توده های درشت دانه تبدیل می شود. زغال سنگ در یک کوره کک تصفیه می شود تا شکل تقریبا خالص کربن تولید شود. سپس مخلوط سنگ آهن و زغال سنگ حرارت داده می شود تا آهن مذاب یا آهن خام تولید شود که از آن فولاد ساخته می شود.

در کوره اصلی اکسیژن، سنگ آهن مذاب ماده اولیه اصلی است و با مقادیر مختلف ضایعات فولادی و آلیاژها مخلوط می شود تا درجات مختلف فولاد تولید شود. در یک کوره قوس الکتریکی، ضایعات فولاد بازیافت شده مستقیماً به فولاد جدید ذوب می شود. حدود 12 درصد فولاد از مواد بازیافتی ساخته شده است.

فناوری ذوب

ذوب فرآیندی است که در آن یک فلز یا به شکل یک عنصر به دست می آید.یا به عنوان یک ترکیب ساده از سنگ معدن آن با حرارت دادن بالاتر از نقطه ذوب آن، معمولاً در حضور عوامل اکسید کننده مانند هوا یا عوامل احیا کننده مانند کک.

در فناوری فولادسازی، فلزی که با اکسیژن ترکیب می شود، مانند اکسید آهن، تا دمای بالا گرم می شود و اکسید در ترکیب با کربن موجود در سوخت تشکیل می شود که به صورت مونوکسید کربن یا کربن آزاد می شود. دی اکسید.سایر ناخالصی‌ها که مجموعاً رگه‌ها نامیده می‌شوند، با افزودن جریانی که با آن ترکیب می‌شوند و سرباره تشکیل می‌دهند، حذف می‌شوند.

فولادسازی مدرن از کوره طنین دار استفاده می کند. سنگ معدن و جریان غلیظ (معمولا سنگ آهک) در بالا بارگیری می شود، در حالی که مات مذاب (ترکیب مس، آهن، گوگرد و سرباره) از پایین کشیده می شود. یک عملیات حرارتی دوم در کوره مبدل برای حذف آهن از روکش مات ضروری است.

روش اکسیژن-کانوکتور

فرایند BOF پیشروترین فرآیند تولید فولاد در جهان است. تولید جهانی فولاد مبدل در سال 2003 بالغ بر 964.8 میلیون تن یا 63.3 درصد از کل تولید بوده است. تولید مبدل منبع آلودگی محیط زیست است. مشکلات اصلی این امر کاهش انتشار، تخلیه و کاهش زباله است. ماهیت آنها در استفاده از انرژی ثانویه و منابع مادی نهفته است.

گرمای گرمازا توسط واکنش های اکسیداسیون در حین دمیدن ایجاد می شود.

فرایند اصلی فولادسازی با استفاده از خودمانسهام:

• آهن مذاب (گاهی اوقات فلز داغ نامیده می شود) از کوره بلند در یک ظرف بزرگ نسوز به نام ملاقه ریخته می شود.
• فلز موجود در ملاقه مستقیماً به مرحله تولید اصلی فولاد یا مرحله پیش تصفیه فرستاده می شود.
• اکسیژن با خلوص بالا در فشار 700-1000 کیلو پاسکال با سرعت مافوق صوت از طریق لنس خنک‌شده با آب که در ظرفی معلق است و چند فوت بالاتر از حمام نگه داشته می‌شود، به سطح حمام آهن تزریق می‌شود.

تصمیم قبل از تصفیه به کیفیت فلز داغ و کیفیت نهایی مطلوب فولاد بستگی دارد. اولین مبدل های قابل جابجایی پایین که قابل جدا شدن و تعمیر هستند هنوز در حال استفاده هستند. نیزه های مورد استفاده برای دمیدن تغییر کرده است. برای جلوگیری از گیر کردن لنس در هنگام دمیدن، از یقه های شکاف دار با نوک مسی مخروطی بلند استفاده شد. نوک نوک، پس از احتراق، دی اکسید کربن تشکیل شده در هنگام دمیدن به CO_{2 را می سوزاند و گرمای اضافی ایجاد می کند. دارت، توپ های نسوز و آشکارسازهای سرباره برای حذف سرباره استفاده می شود.}

روش کنوکتور اکسیژن: مزایا و معایب

نیازی به هزینه تجهیزات تصفیه گاز ندارد، زیرا تشکیل گرد و غبار، یعنی تبخیر آهن، 3 برابر کاهش می یابد. با توجه به کاهش عملکرد آهن، افزایش عملکرد فولاد مایع بین 1.5 - 2.5 درصد مشاهده می شود. مزیت این است که شدت دمیدن در این روش افزایش می یابد که باعث می شودتوانایی افزایش عملکرد مبدل تا 18٪. کیفیت فولاد بالاتر است زیرا دما در منطقه پاکسازی کمتر است که منجر به تشکیل نیتروژن کمتر می شود.

کاستی‌های این روش ذوب فولاد منجر به کاهش تقاضا برای مصرف شد، زیرا سطح مصرف اکسیژن به دلیل مصرف بالای احتراق سوخت ۷ درصد افزایش می‌یابد. مقدار هیدروژن در فلز بازیافتی افزایش یافته است، به همین دلیل است که پس از پایان فرآیند، مدتی طول می کشد تا پاکسازی با اکسیژن انجام شود. در بین تمام روش ها، مبدل اکسیژن بیشترین تشکیل سرباره را دارد که دلیل آن ناتوانی در نظارت بر فرآیند اکسیداسیون در داخل تجهیزات است.

روش فضای باز

فرایند اجاق باز در بیشتر قرن بیستم بخش اصلی فرآوری تمام فولادهای ساخته شده در جهان بود. ویلیام زیمنس، در دهه 1860، به دنبال ابزاری برای افزایش دما در یک کوره متالورژیکی بود و یک پیشنهاد قدیمی برای استفاده از گرمای اتلاف تولید شده توسط کوره را احیا کرد. او آجر را تا دمای بالا گرم کرد، سپس از همان مسیر برای وارد کردن هوا به کوره استفاده کرد. هوای از قبل گرم شده دمای شعله را به میزان قابل توجهی افزایش داد.

گاز طبیعی یا روغن های سنگین اتمیزه شده به عنوان سوخت استفاده می شود. هوا و سوخت قبل از احتراق گرم می شوند. کوره با ضایعات آهن خام و فولاد مایع همراه با سنگ آهن، سنگ آهک، دولومیت و فلاکس پر شده است.

خود اجاق گاز ازمواد بسیار نسوز مانند آجرهای منیزیتی. کوره های اجاق باز تا 600 تن وزن دارند و معمولاً به صورت گروهی نصب می شوند، به طوری که می توان از تجهیزات عظیم کمکی مورد نیاز برای شارژ کوره ها و پردازش فولاد مایع به طور موثر استفاده کرد.

اگرچه فرآیند اجاق باز تقریباً در اکثر کشورهای صنعتی به طور کامل با فرآیند اکسیژن اولیه و کوره قوس الکتریکی جایگزین شده است، اما حدود 1/6 فولاد تولید شده در سراسر جهان را تشکیل می دهد.

مزایا و معایب این روش

از مزایای آن می توان به سهولت استفاده و سهولت تولید فولاد آلیاژی با افزودنی های مختلف اشاره کرد که به مواد خواص تخصصی مختلفی می بخشد. مواد افزودنی و آلیاژهای لازم بلافاصله قبل از پایان ذوب اضافه می شوند.

از معایب آن می توان به کاهش راندمان در مقایسه با روش مبدل اکسیژن اشاره کرد. همچنین کیفیت فولاد در مقایسه با سایر روش های ذوب فلز پایین تر است.

روش فولادسازی الکتریکی

روش مدرن ذوب فولاد با استفاده از ذخایر خود کوره ای است که یک ماده باردار را با قوس الکتریکی گرم می کند. کوره های قوس صنعتی از واحدهای کوچک با ظرفیت حدود یک تن (مورد استفاده در ریخته گری برای تولید محصولات آهنی) تا واحدهای 400 تنی مورد استفاده در متالورژی ثانویه متغیر است.

کوره های قوس،مورد استفاده در آزمایشگاه های تحقیقاتی ممکن است تنها چند ده گرم ظرفیت داشته باشد. دمای کوره قوس الکتریکی صنعتی می تواند تا 1800 درجه سانتیگراد (3، 272 درجه فارنهایت) برسد، در حالی که تاسیسات آزمایشگاهی می تواند از 3000 درجه سانتیگراد (5432 درجه فارنهایت) فراتر رود.

کوره های قوس الکتریکی با کوره های القایی تفاوت دارند زیرا مواد شارژ مستقیماً در معرض قوس الکتریکی قرار می گیرند و جریان در پایانه ها از مواد باردار عبور می کند. کوره قوس الکتریکی برای تولید فولاد استفاده می شود، شامل یک پوشش نسوز، معمولا آب خنک، اندازه بزرگ، پوشیده شده با سقف جمع شونده است.

فر به طور عمده به سه بخش تقسیم می شود:

• پوسته متشکل از دیوارهای جانبی و کاسه فولادی پایینی.
• اجاق از یک نسوز تشکیل شده است که کاسه پایینی را بیرون می کشد.
• سقف نسوز آستردار یا آب خنک می تواند به صورت یک بخش توپی یا یک مخروط کوتاه (بخش مخروطی) ساخته شود.

مزایا و معایب روش

این روش جایگاه پیشرو در زمینه تولید فولاد را به خود اختصاص می دهد. روش ذوب فولاد برای ایجاد فلزی با کیفیت بالا استفاده می شود که یا کاملاً فاقد یا حاوی مقدار کمی ناخالصی های ناخواسته مانند گوگرد، فسفر و اکسیژن باشد.

مزیت اصلی روش استفاده از الکتریسیته برای گرم کردن است، بنابراین می توانید به راحتی دمای ذوب را کنترل کنید و به سرعت باورنکردنی گرمایش فلز دست پیدا کنید. کار خودکار تبدیل خواهد شدافزودنی دلپذیر به فرصتی عالی برای پردازش با کیفیت بالا انواع ضایعات.

معایب شامل مصرف برق بالا است.