تولید فولاد و عملکرد کوره ها در فولادسازی

در همه کشورها صنعت آهن و فولادسازی با کاربردهای فراوان از مهم ترین نیازهای انسان بوده و همواره جزو صنایع مادر و ضروری محسوب میشود. برای پیشرفت در ساخت فولاد نیز تلاش ها و تحقیقات بسیار زیادی توسط مهندسان خبره انجام میشود. در ایران پس از انقلاب سال 1357 با برنامه های توسعه و تحقیق، پیشرفت خوبی در زمینه بهره برداری از کوره فولادسازی برای ایران کسب شده و به طبع آن تولید مقاطع نهایی با کاربرد ساختمان سازی مانند تیرآهن، میلگرد نیز با بهترین کیفیت و استاندارد های روز دنیا تا به امروز در حال انجام است.

روش های تولید فولاد

تولید فولاد با روش های گوناگونی صورت میگیرد و با استفاده از تکنولوژی های مختلف فناوری های متعددی وجود دارد. البته لازم به ذکر است اکثراً همه روش ها در مراحل نورد فولاد عملکرد یکسان و مشابه دارند و این تفاوت در تکنولوژی به دست آوردن مواد مذاب اولیه است. در ادامه مقاله روش تولید فولاد و عملکرد کوره ها به انواع روش های آن خواهیم پرداخت.
در اولین مرحله باید سنگ آهن با حرارت گرم شده و کربن و سایر آلیاژ های مورد ناز به آن اضافه شود. این کار به عنوان مرحله اول تولید فولاد باید در کوره های بزرگ انجام شود.

دو فرآیند اصلی تولید فولاد

• تولید فولاد با کوره بلند Basic Oxygen Furnace (BF-BOF)
• تولید فولاد با کوره‌ی قوس الکتریکی Electric Arc Furnace (EAF)

البته باید توجه داشت فناوری های تولید فولاد دیگری نیز با استفاده از کوره ها وجود دارد اما اکثراً یا منسوخ شده و یا به دلیل پرهزینه بودن استفاده زیادی نمیشوند؛ به صرفه ترین و پراستفاده ترین فرآیند های تولید فولاد کوره بلند و کوره قوس الکتریکی میباشد.

تفاوت کوره بلند و کوره قوس الکتریکی چیست؟

کوره های بلند می توانند سنگ آهن خام و همچنین فلز بازیافتی را ذوب کنند، در حالی که کوره های قوس الکتریکی فقط فلزات بازیافتی یا قراضه را ذوب می کنند. همچنین کوره‌های بلند عمدتاً از سنگ آهن، سنگ آهک و زغال سنگ کُک (یک سوخت بر پایه کربن که از ذغال سنگ تولید شده و ارزش حرارتی بالایی دارد) برای تأمین انرژی مورد نیاز برای گرم کردن فلز استفاده می‌کنند، در حالی که کوره های قوس الکتریکی از برق استفاده می کنند.

عملکرد کوره بلند در صنعت فولادسازی

کوره بلند فولاد یک فرآیند متالورژیکی مهم و مناسب برای تولید فولاد است که حدودا 70 درصد روش تولید در جهان نیز با این روش انجام میشوند. کوره‌های بلند با حجم ۷۰ تا ۵۰۰۰ متر مکعب طراحی می‌شوند.

کوره بلند به شکل یک برج بلند 30 تا 80 متری است که دیواره داخلی آن از آجر نسوز و دیواره خارجی آن از ورقه‌های فولادی ساخته می‌شود تا امکان اضافه کردن مواد اولیه به صورت پیوسته وجود داشته باشد. زیرا امکان خاموش کردن کوره برای برای کوتاه مدت وجود ندارد و اگر کوره ای روشن شود تا چند سال باید به‌طور مداوم کار کند. کوره‌های بلند به صورت مداوم به وسیله لوله‌های آبگرد که در اطراف آن قرار دارد خنک کاری می‌شوند. به این ترتیب سنگ آهن وسنگ آهک و کک با دستوری دقیق از بالای کوره وارد می‌شود. برای مدتی از ذغال سنگ استفاده شد که به علت وجود گوگرد که باعث شکننده شدن آهن می‌شد منسوخ شد. هوای گرم (با دمایی بین ۸۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتی گراد) از پایین توسط شیپورک‌های دمنده (tuyeres) وارد و با کک یا همان کربن ترکیب می‌شود و باعث تولید منو کسید کربن می‌شوند و گرما ی زیادی تولید می‌کند. شیپورک‌های دمنده هوای گرم به داخل کوره در لایه خارجی دارای پوششی از سرامیک و در لایه داخلی دارای پوششی از مس (به علت ضریب انتقال حرارت بسیار خوب) هستند که در معرض جریان آب به منظور خنک کاری قرار دارند.

محصول نهایی کوره بلند ساخت فولاد: محصول نهاییBOF آهن دارای خلوص 95% است. این آهن دارای درصد کربن بالایی در حدود 4 تا 5 درصد و درصد بالایی از گوگرد می‌باشد.  این عناصر باعث می‌شوند که آهن حاصل از کوره بلند بسیار ترد و شکننده باشد و برای استفاده در صنایع خودرو کشتی سازی و مصالح ساختمانی و … قابل استفاده نباشند و برای استفاده باید تحت پردازش بیشتری قرار بگیرند.

 کوره های بلند ساخت فولاد در ایران

بزرگترین کوره بلند ایران به حجم ۲۰۰۰ متر مکعب و در ذوب آهن اصفهان احداث شده‌است. کوره‌های بلند در دو نوع زنگدار و بدون زنگ ساخته می‌شوند. فناوری ساخت کوره بلند ایران سابقاً توسط شوروی سابق و اخیراً توسط شرکت پوسکو کره جنوبی وارد ایران شده‌است. برخی از کوره‌های بلند ایران عبارت اند از:

• کوره‌های بلند ذوب اصفهان که سه عدد هستند هر کدام با ظرفیت تولید 800000 و 1400000 تن در سال
• کوره بلند شرکت فولاد میبد با ظرفیت تولید 1400000 تن در سال
• کوره بلند فولاد زرند کرمان

عملکرد کوره قوس الکتریکی در صنعت فولادسازی

کوره قوس الکتریکی به انگلیسی Electric Arc Furnace که به صورت مخفف EAF نامیده می‌شود، کوره‌ای است که مواد فلزی در آن با استفاده از یک قوس الکتریکی ذوب می‌شود. این کوره‌ها با کاربرد فولادسازی اندازه‌های متفاوتی داشته و در ایران به صورت کوره‌های قوس الکتریکی سنتی (تخلیه از ناودان) و EBT (تخلیه از کف) استفاده می‌گردند. دمای ذوب و تخلیه در این کوره‌ها در حدود ۱۶۰۰ درجه و در بعضی از کوره‌های آزمایشگاهی گاهی دما به ۳۰۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد.

مهم‌ترین مواد اولیه برای تولید فولاد و چدن در کوره‌های قوس الکتریکی عبارتند از آهن قراضه، آهن اسفنجی، شمش چدن کوره بلند، فرو آلیاژهای آهک و فلورین می‌باشد. در ایران برای فولادسازی عمدتاً از آهن قراضه و از آهن اسفنجی به صورت گندله یا خشته استفاده می‌گردد که می‌تواند به دلیل فراوانی واحدهای احیای مستقیم باتوجه به در دسترس‌بودن منابع گاز طبیعی در ایران باشد.

دو ماده اصلی برای تولید فولاد در کوره قوس الکتریکی تولید فولاد، آهن قراضه و آهن اسفنجی می‌باشند. ابتدا در کوره مقداری آهن قراضه شارژ می‌کنند و آن را به وسیله ایجاد قوس الکتریکی ذوب می‌نمایند و سپس آهن اسفنجی در کوره شارژ می‌نمایند. خواص فیزیکی قراضه در عملیات ذوب کوره‌های قوس الکتریکی اثر مهمی دارد. عدم انتخاب صحیح مواد اولیه ممکن است منجر به شکستن الکترودها یا سرریز شدن فولاد مذاب یا حتی انفجار گردد و تولید فولاد دچار مشکل شود. در عمل سعی می‌شود از انواع قراضه در کوره استفاده شود تا معایب به حداقل برسد و عملیات کوره برای فولادسازی بهینه باشد.

تجهیزات الکتریکی از مهم‌ترین اجزای تشکیل دهنده کوره‌های قوس الکتریکی می‌باشد؛ که از سه قسمت زیر تشکیل شده‌است:

• کلید قطع و وصل مدار:

به‌خاطر مصرف خیلی زیاد انرژی در کوره‌های قوسی، این کوره‌ها به یک منبع الکتریکی فشار قوی متصل می‌شوند. در این میان کلید خودکار وظیفه حساس و مشکلی دارد؛ زیرا که در هر ذوب کوره حدود ۵ یا ۶ دفعه برق قطع می‌گردد. در نتیجه ضروری است که از یک کلید قطع و وصل فوق‌العاده مقاوم استفاده شود.

• راکتور و ترانسفور ماتور:

مهم ترین وظیفه راکتور پایین آوردن نوسان‌ها و افزایش ناگهانی ولتاژ میباشد. راکتور از یک سیم پیچ ساده که جریان الکتریکی از آن عبور می‌کند تشکیل شده‌است. جریان عبور کرده از سیم پیچ، ولتاژی را القا می‌کند که سبب ایجاد یک جریان مخالف در سیم پیچ مجاور می‌شود. به این ترتیب راکتور وارد خط شده و جلوی جریان را می‌گیرد و نتیجه باعث پایین آمدن نوسان‌ها می‌شود.

• تنظیم کننده‌های الکترود:

در حین ذوب اعمال حداکثر توان کوره ضروری است، زیرا که قراضه‌ها داخل حمام مذاب ریخته شده‌اند و مقاوت شارژ کوره دائماً تغییر می‌کند. علاوه بر این الکترودها فرسوده می‌شوند و کم‌کم طول قوس بیشتر می‌شود.

نقش الکترود ها در کوره قوس الکتریکی

باید توجه داشت برای تولید مذاب باکیفیت باید از الکترودهای با خواص مشخصی استفاده کرد. الکترودهای گرافیتی و زغالی از مهم‌ترین مواد مصرفی در کوره‌های قوس الکتریکی هستند. این الکترودها تأثیر زیادی در کیفیت مذاب و البته تولید محصول داشته و از نظر اقتصادی نیز سهم قابل توجهی از هزینه‌ها را به خود اختصاص می دهند.

کوره های ساخت فولاد به محیط زیست آسیب می رساند ؟

در سالیان اخیر به موضوع انتشار دی اکسید کربن و سایر گازهای گلخانه ای توسط کوره های تولید فولاد، توجه ویژه ای شده است. واقعیت این است این کوره ها به دلیل احتراق دی اکسید کربن (CO2) و دیگر گازهای گلخانه ای را در جو زمین آزاد میکند. اما به لطف تحقیقات ویژه و مداوم مهندسان، تکنولوژی های خاصی برای کاهش انتشارCO2  و گازهای مضر ساخته شده و به طور پیوسته این تحقیقات ادامه دارند.

مراحل نهایی تولید فولاد

در این مقاله دو فرآیند اصلی تولید فولاد را توضیح و اکنون مراحل نهایی آن را بررسی خواهیم کرد.

در مرحله آخر فولاد ذوب شده نیاز به تصفیه و بررسی عناصر موجود دارد و پس از افزودن یا کم کردن عناصر مختلف، باید فولاد مذاب در قالب های خاص خنک شده و به انواع مختلف اسلب، بلوم و یا بیلت تبدیل شوند. این بخش از مراحل فولادسازی به چند روش قابل انجام است که هرکدام نتیجه و محصول میانی خاصی را تولید میکنند. وبلاگ قشم آهن در نظر دارد مقاله کاملی نیز در خصوص انواع نورد فولاد در آینده نزدیک منتشر کند.