بخشی از مقاله
سرباره
در دو دهه اخير بحث بازيافت واستفاده مجدد از موادکم ارزش و باطله در صنايع مختلف مورد توجه زيادي قرار گرفته است چراکه با اين کار علاوه بر حل مشکل زيست محيطي آن عامل ،به جنبه اقتصادي اين مسئله نيز توجه مي شود..چنانچه مي دانيم درکارخانه ذوب آهن جهت جدايش آهن از ساير ناخالصي هاي موجود در سنگ معدني آهن از موادي به عنوان کمک ذوب مانند آهک و... استفاده مي شود .اين مواد باساير ناخالصي هاي موجود در سنگ معدني آهن مانند
سيليکاتها،کلسيتها و اکسيدها و... در کوره واکنش داده و به صورتي ترکييي يکپارچه که به آن سرباره گفته مي شود درآمده وبه خاطر چگالي پايين نسبت به آهن در بالاي کوره تجمع مي کنند و آهن مذاب نيز به خاطر وزن مخصوص بالاتر در قسمت تحتاني کوره جمع مي گردد.در نهايت اين دو ازدودريچه مختلف که در بالا وپايين کوره تعبيه شده است خارج مي گردند.صنعت فولاد مقادير بسيار زيادي سرباره توليد مي کند.تنها سرباره توليدي در قسمت کوره بلند 23/0تا1/0تن به ازاي توليد هر تن فولاد است.اين در حالي است که در ساير کوره هاي ذوب فلزشبيه قوس الکتريکي و... نيز
سرباره داريم.سرباره ها مي توانند قسمت زيادي از فضاي کارخانه ذوب آهن را اشغال مي کند که اين نيز مي تواند باعث ايجاديک سري مشکلات زيست محيطي از جمله ايجاد گرد وغبار در نواحي شهري گردد.مصارف سرباره ها تاکنون بسيار محدود بوده است .اين مصارف شامل استفاده به عنوان لاشه در زير سازي جاده ها و راه آهن ،ايجاد فرودگاهاي صحرايي،ساخت آجر نسوزو...مي باشد.البته تلاشهايي جهت استفاده بهينه از سرباره در کشورهاي مختلف انجام گرفته است که همه اين تلاشها به خاطر غير اقتصادي و غير عملي بودن بدون نتيجه باقي مانده است.
سربارة صنايع آهن و فولاد، زباله يا ماده‌اي ارزشمند؟
در فرآيند توليد آهن و فولاد، علاوه بر محصول اصلي، محصولات ديگري نيز توليد مي‌گردند كه محصولات جانبي (By-Product) ناميده مي‌شوند. در صورت عدم توانايي صنايع فولادي در بازيابي و استفاده از اين محصولات، با توجه به حجم توليد بالاي آنها، اين محصولات مشكلات زيادي را از نظر آلايندگي ايجاد مي‌نمايند. از جمله محصولات فرعي توليد آهن و فولاد، سرباره، گردوغبار، لجن، ورق‌هاي پوسته شده و لايه‌هاي اكسيدي هستند كه در ميان اين محصولات، سرباره به سبب ميزان توليد بسيار بيشتر در مقايسه با ساير محصولات جانبي، توجه بيشتري را مي‌طلبد:
تاريخچه
حدود 350 سال پيش از ميلاد مسيح(ع) ارسطو ف يزيكدان يوناني ، از سربارة آهن‌سازي براي التيام جراحت‌ها استفاده نمود. در روم باستان نيز از دانه‌هاي سرباره براي راه‌سازي استفاده مي‌كردند. از آن دوران به بعد كاربردهاي ديگري نظير ساخت موزاييك‌ها و گلوله‌هاي توپ هم براي سرباره ابداع گرديد. با وجود اين، با شروع قرن بيستم و توسعه فرايندهاي نوين آهن و فولادسازي بود كه استفاده تجاري از سرباره در ابعاد زياد ، مرسوم شد. امروزه با كمك فرايندهاي پيشرفته، از سرباره در بيشتر صنايع سازه اي چون راه‌سازي، سيمان، بلوك‌هاي ساختماني سبك، سلختمان‌سازي، بتون‌هاي ساختماني، بتون‌هاي آسفالتي، ماسه‌هاي خطوط راه‌آهن، پشم سنگ و صنايع شيشه استفاده مي‌شود.
تركيب سرباره
در صنايع آهن و فولادسازي، دو نوع سرباره وجود دارد: 1) سرباره كورة بلند (سربارة آهن خام) و 2) سرباره فولادسازي. برطبق تعريف جامعه آزمون و مواد آمريكا (American Society of Testing & Materials) ، سربارة كورة بلند، تركيبي است غيرفلزي كه داراي سيليكات‌ها و آلومينوسيليكات‌هاي كلسيم و ساير عناصر بازي است و در كورة بلند به همراه آهن به صورت مذاب توليد مي‌شود. همچنين طبق تعريف اين جا م عه، سربارة فولاد سازي، تركيبي غيرفلزي است كه داراي سيليكات‌هاي كلسيم، فر يت‌هاي كلسيم و اكسيدهاي آهن ، آلومينيوم، منگنز، كلسيم و منيزيم است و به طور همزمان با فولاد توليد مي‌شود.
با توجه به اين تعريف‌ها مشخص مي‌شود كه اين دو دسته سرباره، از لحاظ تركيب شيميايي اختلاف زيادي باهم دارند؛ سربارة كوره بلند بر خلاف سربارة فولادسازي كه تركيبات متنوعي دارد ، تركيبي نسب تا ً يكنواخت دارد. اين يكنواختي تركيب سربارة كوره بلند، سبب ساده‌تر شدن كاربرد آن شده است. در مقابل، وجود تركيباتي نظير اكسيد آهن در سربارة فولادسازي، استفاده گسترده از اين محصول را به‌ويژه در صنايع سيمان محدود كرده است.
ويژگي‌هاي فيزيكي هر يك از اين دو دسته ثابت نيست و خصوصياتي نظير وزن، انداز ة دانه، ويژگي‌هاي ساختاري و غيره، بر حسب نوع فرآيند توليد سرباره ، تغيير مي‌كند.
سرباره كوره هاي ذوب فلز، در صورت آسياب و آماده سازي، ضمن وارد كردن محلول Al2O3، به عنوان منبعي براي تامين آلومين، سيليكا، آهك و اكسيد منيزيم در بار شيشه محسوب مي گردند. سرباره هاي خام، گرچه براي توليد پشم معدني كاربرد قابل ملاحظه اي دارند به طور كلي از دو ديدگاه كيفيت شيميايي و فيزيكي براي توليد شيشه مناسب نيستند. از اين رو جنبه آماده سازي سرباره ها از اهميت فراواني برخوردار است و براي مصرف در ساخت شيشه تركيب شيميايي آن بايد به شدت كنترل شود، حتي اگر مشخصات فيزيكي آنها (دانه بندي) يكنواخت باشد.
در ايالات متحده سرباره هاي كوره هاي ذوب فولاد و آهن، مصارف عمده اي را در شيشه پيدا كرده و سرباره هاي فسفاته نيز كاربرد محدودي يافته اند.
سرباره ها گستردگي بسياري دارند و با توجه به تنوع صنعت و نوع مواد اوليه مي توانند تركيبات متفاوتي داشته باشند.
سرباره هاي ذوب آهن عموما" از سيليس و كلسيم غني باشند.
سرباره هاي ذوب مس عمدتا" حاوي آهن و سيليس مي باشند.
در كشوره هاي متعددي از سرباره ذوب آهن در ساخت شيشه سراميك و كاشي كف و ديوار استفاده شده است.
سرباره را مي توان در آب سرد كرد و هم مي توان هوا سرد شده آن را مورد استفاده قرار داد.
آناليز نمونه اي از سرباره كوره بلند از شركت سهامي ذوب آهن اصفهان به شرح ذيل مي باشد:
سرباره كوره بلند بصورت هاي دانه بندي (مرطوب و خشك) و كلوخه اي توليد مي شود و مورد استفاده آن در كارخانجات توليد شيشه و شيشه سراميك و سيمان (به ميزان حداكثر 30% بصورت مستقيم جايگزين كلينگر مي گردد.) و عايق هاي حرارتي و صوتي (پشم و شيشه)، تهيه بتون سبك مي باشد.
فلزات داخل سرباره
يک سرباره ايده آل مقادير زيادي CaO وMnO2 مقادير متوسطFeOو Al2O3 و SiO2دارد.همچنين يک سرباره ايده آل بايدحاوي MgO و موادآلکاني پايين باشد.همچنين بايد حداقل تغييرات رادر خواص شيميايي داشته باشد
حجم توليد سرباره
داده‌هاي آماري در ارتباط با مقدار واقعي توليد سربارة آهن و فولاد در جهان، در دسترس نيست؛ اما ميزان توليد اين ماده را مي‌توان حدود 25 تا 30 درصد توليد آهن خام (Pig Iron) و 10 تا 15 درصد توليد فولاد خام تخمين زد. با استفاده از اين تخمين مي‌توان آماري براي توليد سرباره در جهان، ايالات متحده و ايران ارايه نمود
ميزان مصرف سرباره
از نظر صاحبان صنايع آهن و فولاد در جهان، سرباره و ساير محصولات جانبي نه تنها زباله نيستند، بلكه به اين محصولات به عنوان موادي باارزش نگاه مي‌شود. در اين صنايع سعي بر اين است كه علاوه بر بازيابي فلزات از اين محصولات جانبي، براي اين محصولات به ويژه سرباره، كاربردهايي يافته تا از اين مواد، به‌صورت مؤثر استفاده شود. اين موضوع سبب شده است كه سربارة توليدشده در صنايع آهن و فولاد، خود بازار قابل توجهي داشته باشد.
در سال 2002، در كشور آمريكا حدود 19ميليون تن سرباره به ارزش 300ميليون دلار مصرف شده است كه حدود 60 درصد آن، سربارة كوره بلند به ارزش 270ميليون دلار بوده است. (دليل مصرف بيشتر و نيز ارزش بيشتر سرباره كوره بلند در مقايسه با سرباره فولادسازي، همان نكاتي است كه پيش‌تر ذكر شد).
جدول زير آمار بازار سرباره را در ايالات‌متحده بين سال‌هاي 1998 تا 2002 ارايه مي‌كند. (آمار بر حسب هزار تن). همانطور كه از آمارهاي جدول پيدا است، ايالات متحده در اين سال‌ها، مقدار قابل‌توجهي واردات سرباره نيز داشته است.
در حال حاضر، فعاليت صنايع آهن و فولاد در بخش محصولات جانبي، بر افزايش بازيافت مواد از اين محصولات و يافتن بازارها و موارد مصرف براي آنها متمركز شده است.
كاربردهاي مرسوم سرباره
اگر سربارة توليدشده در كوره بلند را به حال خود گذاريم تا سرد شود و يا آن را با استفاده از آب، سريع سرد كنيم، از آن مي‌توان در بتون‌سازي، ساخت جاده‌ها، خاك‌ريزها، آبراهه‌ها، توليد پشم سنگ، ساخت شيشه، ساخت بلوك‌هاي ساختماني سبك و مواد اوليه سيمان سرباره‌اي، استفاده كرد.
اگر سرعت سردكردن سرباره مذاب بيشتر شود، سرباره به حالت شيشه‌اي درمي‌آيد. از اين محصول مي‌توان در ساخت سيمان، پركننده‌هاي سبك و مواد اوليه شيشه‌سازي استفاده كرد.
سرباره توليدشده در فولادسازي نيز كاربردهاي متنوعي دارد. از اين سرباره در ساخت روكش مقاوم و پايا براي جاده‌ها، توليد آسفالت‌هاي مقاوم در برابر لغزش و زيرسازي و شانه‌سازي جاده‌ها، استفاده مي‌شود. علاوه بر اين ، سربارة فولادسازي در ساخت سيمان پرتلند نيز استفاده مي‌شود. استفاده از اين ماده در سيمان پرتلند، سبب افزايش ظرفيت ، كاهش آلودگي محيط‌زيست و صرفه‌جويي در مصرف انرژي مي‌گردد.
كاربردهاي كشاورزي و كمك به بهبود زيست‌محيطي سواحل نيز از كاربردهاي ديگر سرباره‌هاي آهن و فولاد است. سربارة فولادسازي به سبب داشتن تركيباتي مفيد براي كشاورزي از جمله اكسيد موليبدن، مي‌تواند سبب بهبود خاك‌هاي زراعي و به تبع آن افزايش توليد محصولات كشاورزي شود. به عنوان مثال، از ديرباز از اين سرباره در كشت ذرت و سويا استفاده مي‌شده است. علاوه بر اين ، استفاده از سربارة فولادسازي در كشت نيشكر و برنج نيز نتايج مطلوبي درپي داشته است . هم اكنون براي گسترش استفاده از سربارة فولادسازي در كشاورزي، تحقيقات مختلفي در حال انجام
اخيراً، در ژاپن براي بازسازي و ترميم وضعيت سواحل و تقويت رشد گياهان، ماهي‌ها و ساير موجودات دريايي، از سرباره‌هاي آهن و فولادسازي استفاده شده است. براي اين منظور، با استفاده از ذرات و بلوك‌هايي از جنس سرباره، بسترهايي دركف دريا ساخته مي‌شود كه به محلي براي رويش گياهان و زندگي جانوران دريايي تبديل مي‌گردند.
عوامل موثر در كاهش تشكيل سرباره
1. قراضه
قانوني قديمي در صنعت آلومينيم وجود دارد كه به ازاي هر يك درصد آلودگي شارژ شده به كوره مذاب، حداقل يك‌درصد پرت مذاب وجود خواهد داشت. نوع قراضه‌ها و آماده‌سازي آنها قبل از شارژ، تفاوت قابل ملاحظه‌اي در ميزان تشكيل سربار ايجاد خواهد كرد. البته هميشه انتخاب نوع قراضه مناسب براي شارژ امكان‌پذير نمي‌باشد. آلودگي قراضه (نظير آب، روغن، رنگ، پلاستيك و آلودگي‌هاي ديگر) فرايند ذوب را مختل كرده و ميزان بازيافت آلومينيم موجود را كاهش خواهد داد. روش‌هاي مختلفي براي كاهش آلودگي قراضه‌ها وجود دارد. اصلي‌ترين روش جداسازي و مرتب‌كردن قراضه‌ها، «دستي» است، به‌طوري‌كه مواد زائد از آنها با دست جدا و حذف شوند. از اين فرايند، بيشتر در كشورهاي پيشرفته مخصوصاً در نقاطي كه نيروي انساني ارزان است، استفاده مي‌شود. در حالت پيشرفته، قراضه‌ها به صورت اتوماتيك در خطوطي مخصوص جداسازي مي‌شوند. در اين روش، قراضه‌ها به اندازه‌هاي مناسب برش دا
ده شده و مواد زائد، از طريق جداسازهاي مغناطيسي و يا «ادي‌كارنت» حذف مي‌شوند.
در شركت‌هايي كه به‌طور وسيع و در مقادير زياد از قراضه‌هاي پوشش‌دار و رنگي استفاده مي‌كنند، سيستم‌هاي پوشش‌زدايي اغلب براي حذف پوشش‌هاي آلي به‌كار مي‌روند. پوشش‌زدايي، فرايندي حرارتي است كه در آن مواد آلي نظير پلاستيك‌ها و رنگ‌ها تحت شرايط كنترل شده، بخار مي‌شوند. بسته به تيراژ توليد ميزان صرفه‌جويي حاصل از كاهش 1 تا 2درصد پرت مذاب مي‌تواند بيشتر از هزينه تجهيزات پوشش‌زدايي باشد. علاوه بر بحث‌هاي اقتصادي، اين سيستم‌ها در كنترل مواد مضر و حفظ محيط زيست، موثر هستند.
2. نحوه شارژ كوره
طراحي كوره مي‌تواند عاملي اصلي در تشكيل سرباره باشد. شارژ كوره، گام مهم بعدي در كنترل تشكيل سرباره است. قادر بودن به غوطه‌وري قراضه‌هاي سبك‌تر در زير مذاب، هميشه مزيت بوده اما بسته به انواع قراضه و كوره مورداستفاده، همواره امكان‌پذير نيست. به‌صورت قانوني كلي، قراضه سبك بايد از تماس مستقيم با شعله دور بماند.
در شارژ اوليه براي شروع عمليات ذوب، بهتر است اول قراضه‌هاي سبك و سپس قراضه‌هاي سنگين‌تر شارژ شوند. در كوره‌هاي شعله مستقيم، استفاده از مواد در اندازه‌هاي بزرگتر بهتر است. هدايت حرارتي انجام شده از طريق اين نوع مواد، به ذوب سريعتر مواد كمك كرده و ميزان اكسيداسيون سطوح خارجي‌تر را كاهش خواهد داد.
زماني كه مواد داراي پروفيل نازك، نظير ورق شارژ مي‌شوند، مواد مذاب مستقيماً از شارژ به سمت ديواره‌ها و در كوره رانده مي‌شوند. اين امر به اكسيداسيون مذاب در اين مناطق ميانجامد. ماشين‌هاي شارژ مدرن (شكل2) براي شارژ سريع بار طراحي شده‌اند و مي‌توانند شارژ را در كل كف كوره به طوري مناسب توزيع كنند. اين ماشين‌ها به‌طوري موثر، چرخه‌هاي شارژ كوره را كاهش داده و باعث بهبود بازيافت كلي مذاب مي‌شوند.
3. دماي كوره
دماي مذاب، تنها عامل بسيار مهم و قابل كنترل است كه مي‌تواند ميزان تشكيل سرباره در كوره را تعيين كند. دماي مذاب اگر از 782 درجه سانتي‌گراد تجاوز كند (شكل1) تشكيل سرباره به‌صورت تصاعدي افزايش مي‌يابد.
به هم زدن مذاب كوره، مي‌تواند اختلاف دماي بين بالا و پايين كوره را در مدت چند دقيقه كاهش دهد و حدود 25درصد از تشكيل سرباره بكاهد (شكل2).
شكل1: ميزان تشكيل سرباره در دماهاي مختلف
شكل2: تاثير ايجاد تلاطم در يكنواختي دماي مذاب بالا و پايين كوره
اگر دماي فلز مذاب مناسب نباشد، سرباره مي‌تواند شروع به واكنش «ترميت» كند. در هر زماني كه واكنش ترميت اتفاق بيفتد، تلفات عناصر موجود در مذاب، بيشتر شده و سوخت مصرفي در يك واكنش «ترميتي»، آلومينيم است. از آنجا كه اين واكنش گرمازاست، مي‌تواند دماي سطح مذاب را به سرعت تا بالاي 780درجه سانتي‌گراد افزايش داده و به اكسيداسيون بيشتر مذاب، كمك كند. علاوه بر پرت زياد مذاب، واكنش‌هاي ترميتي مي‌توانند به لايه نسوز كوره آسيب رسانده و از عمر كوره بكاهند.
4. تكنولوژي مشعل (سيستم گرمادهنده)
انتخاب و نوع مولدهاي حرارتي مورداستفاده در يك كوره، اهميت زيادي دارد. در اغلب موارد، مي‌بايستي تعادلي خوب بين انتقال حرارت كافي و موثر مواد داخل كوره و در عين حال، حداقل اكسيداسيون مذاب برقرار باشد. شعله معمولاً به دو طريق باعث افزايش سرباره مي‌شود: يكي از طريق واكنش محصولات سوخت با مذاب و ديگري تشكيل نقاط داغ در سطح مذاب زير شعله كه باعث اكسيداسيون بيشتر مذاب مي‌شوند. با طراحي مشعل‌هاي متحرك و حركت دوراني و چرخه‌اي شعله، نقاط داغ سطح مذاب حذف شده و باعث كاهش حداقل 20درصد سرباره مي‌شود. همچنين، حركت مذاب از طريق هم زدن، به جلوگيري از پيدايش نقاط داغ، كمك خواهد كرد.
5. سرباره‌گيري كوره
در عمليات سرباره‌گيري، بيشترين سرباره از كوره حذف مي‌شود. بازده بيشتر عمل ذوب و كنترل دما، زمان و چگونگي سرباره‌گيري بسيار مهم بوده و در بازيافت كلي تاثير خواهد گذاشت. تاخير زياد در سرباره‌گيري، باعث كاهش بازده ذوب شده و همچنين باعث افزايش بيش از حد دماي سطح مذاب خواهد شد. مهارت اپراتور و همچنين استفاده از تجهيزات مناسب براي سرباره‌گيري، تاثير زيادي دارد. تكنيك نامناسب سرباره‌گيري باعث مي‌شود تا مقدار زيادي آلومينيم از كوره، بيرون كشيده شود. نگه‌داشتن مذاب در داخل كوره در مقايسه با حالتي كه مذاب همراه سرباره بيرون
آمده و با روش‌هايي ديگر بازيافت شود، بسيار اقتصادي‌تر است. امروزه استفاده از ماشين‌هاي سرباره‌گيري رباتيك، متداول شده است (شكل5). اين سيستم‌ها كاملا اتومات بوده و نيازي به مهارت با تخصص اپراتور ندارند. اين ماشين‌ها نه تنها ميزان مذاب خارج شده به همراه سرباره را به حداقل مي‌رسانند بلكه براساس برنامه‌ريزي انجام شده، با نسوز كوره تماس نگرفته و به افزاي
ش عمر كوره كمك مي‌كنند.
کوره بلند آهن
آهن که مهترین فلز از نظر تجارتی است، بوسیله کاهش با کربن در کوره بلند صورت می‌گیرد. ارتفاع این کوره به حدود 30 متر و قطر آن به 7.5 متر می‌رسد و جدار داخلی آن بوسیله آجر 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 می‌کنیم.
