دانلود مقاله ذوب و تصفیه فولاد

بخشی از مقاله

در حقيقت، واكنش بين اكسيژن حل شده در فولاد وكربن مي باشد. دردماهاي مورد استفاده براي تصفيه فولاد (تقريباً F 2900 ) ، فولاد مستعد حل كردن اكسيژن قابل توجهي مي‌باشد مثل FeO .
اين FeO بوسيلة سرباره و يا به وسيلة يك واكنش بين سنگ معدن آهن افزوده شده و فولاد به وجود مي آيد، مثل :

شكل 12-16 يك جدول از سيكل اكسيداسيون در زيمنس مارتين را نشان ميدهد. در مراحل اوليه در طي اكسيداسيون بعد از پايان ذوب، كربن موجود نسبتاً بالا مي باشد. عمدتاً ميزان FeO در فلز كنترل ميشود. در حدود 1/0 درصد كربن و پايين، ميزان FeO فلز عمدتاً بوسيلة خصوصيات اكسنده سرباره كنترل ميشود. بنابراين تنظيم كردن سرباره مهم است مخصوصاً درمورد تركيب، حالت صحيح و واقعي زماني به دست مي آيد كه درصد كربن خواسته شده كم باشد.
در اين قسمت، بوسيلة استفاده از منگنز ميتوان خصوصيات اكسنده سرباره را كنترل كرد. تقريباً در طول جوشش كربن،‌تغييري در عيار منگنز فلز، بوجود نمي آيد براي اينكه، منگنز حل شده در فلز بوسيله كربن حفاظت مي شود اگر منگنز، در دورة آخر اكسيداسيون و همراه حرارت، اضافه شود،‌قسمتي از منگنز در فلز باقيمانده و قسمتي ديگر اكسيد شده و در سرباره حل مي شود.

اين در پايين آوردن قدرت اكسيداسيون سرباره مؤثر است زيرا FeO موجود در سرباره نسبتاً پايين مي باشد. منگنز از آلياژ اشپيگل( Mn 30-15% و C 5% ) مكرراً افزوده مي شود يك چدن خام شامل حدوداً 30% -15 منگنز مي باشد.
فسفر از طريق ايجاد يك حالت اكسندگي و يك سربارة بازي حذف ميشود اگر درصد منگنز موجود در فولاد خيلي زياد باشد و خصوصيات اكسندگي سرباره كاهش يابد در اين صورت حذف فسفر خيلي مؤثر نخواهد بود.

در شارژ براي كنترل كردن خصوصيات سرباره از منگنز استفاده مي شود و همچنين براي افزايش سياليت سرباره ميتوان از فلوئور اسپار (CaF2) استفاده كرد. افزودن اين ماده معدني براي كاهش سرباره نيز امري لازم مي باشد و همچنين ميتوان علاوه بر آن و اگر اپراتور لازم بداند در انتهاي دورة پالايش از آهك نيز استفاده كرد.

كنترل سرباره ضروري است براي كنترل ميزان اكسيژن در فلز و درجة فسفرزدايي سعي ميشود آزمايشات زيادي روي سرباره انجام گيرد تا آن حد كه باعث انعكاس مشخصات و ويژگيهاي حالت سرباره شود
آزمايشات شامل : تستهاي آناليز شيميايي، تستهاي گرانروي ،‌تستهاي رنگ سرباره و مشاهده كردن رنگ سرباره مي باشد. منظور از اين آزمايشات احتمالاً استاندارد كردن عمليات و همچنين توليد كردن فولاد با كيفيت عالي د هر دما مي باشد. آناليز سرباره قبل از اتمام جوشش، معمولاً در رنج و مجموعه تركيب زير مي باشد.

%15-7 Mno , %50-40 Cao, %16-12 FeO, 18-13 Sio2,
اكسيژن زدايي و بارگيري
وقتي دما به حد مورد نظر و آماده براي بارگيري (تخليه مذاب) رسيد عامل اكسيژن زدا اضافه ميشود. اين عمل اضافه كردن عامل اكسيژن زدا بايد در درجه حرارت كمتر اضافه شود براي اينكه بتوان از واكنشهاي ديگر ما بين اكسيژن و كربن جلوگيري كرد واكنش اكسيژن با جمعي از آنها داراي محصول واكنشي غيرگازي مي باشد.

اكسيژن زداها شامل :‌آلياژ اشپيگل،‌فروسيلسيم،‌فرومنگنز و سيليكو منگنز مي باشند. آناليز مخصوص از اين فروآلياژها در جدول 1-16 نشان داده شده است حدوداً 10 دقيقه بعد از اضافه كردن اكسيژن زداها دماي تخليه مذاب فرا مي رسد. اين درجه حرارتها نزديك F3000-2900 مي باشند.
علاوه بر اكسيژن زدايي در داخل پاتين با استفاده از فروسيلسيم و فرومنگنز، اگر كنترل ريزدانگي هم مورد نظر باشد ميتوان با خروج گاز توسط Al به خواستة خود رسيد. اگر افزايش كربن مورد نياز باشد ميتوان زغال سنگ يا كك نفت در پاتيل اضافه كرد.

ذوب الكتريكي بازي :
ساخت كوره :
كوره هاي الكتريكي بازي خيلي كوچكتر از كوره هاي زيمنس مارتين مي باشند و ظرفيت آنها از الي تن (ton 5/7 –5/0 ) متغير مي باشد. يك نماي كلي از سطح مقطع يك كورة الكتريكي در شكل 5-16 نشان داده شده است. و يك عكس از يك كورة‌ آماده براي شارژ شدن در شكل 6-16 نشان داده شده است. كورة قوس الكتريكي به طريق اصابت كردن قوس ما بين شارژ يا حمام و الكترودهاي سه گانه بزرگ كه از كربن يا گرافيت ساخته ميشوند و بوسيلة يك مدار سه فاز كار مي كنند ارتفاع الكترودها و حمام كنترل الكتريكي مي شوند.

ولتاژها نسبتاً پايين بوده و جريان متداول مي باشد همچنين براي تغيير دادن به ميله جريان بزرگ و سيم رابط ضخيم نياز مي باشد.
شارژ معمولاً از طريق درب كوره وارد كوره مي شود. سقف كوره از آجر سيليس بوده در حاليكه ديواره هاي كناري به وسيله آجر منيزيت يا آجر كرم – منيزيت ساخته و پوشانده ميشوند. كف كوره در محل خود كوبيده مي شود.

ذوب و تصفيه :
انتخاب اصول عمومي كنترل عمليات تصفيه دركوره زيمنس مارتين بازي همچنين كوره الكتريكي بازي مطمئناً اصلاح در عمليات مي باشند كه در كوره الكتريكي بازي خم شوندگي مهم مي باشد.
بر خلاف شارژ زيمنس مارتين، براي شارژ كورة الكتريكي نمي توان از چدن خام استفاده كرد زيرا در زيمنس مارتين در طي ذوب كربن از دست رفته زياد نيست. چون اتمسفر كوره اكسيدي نيست، بنابراين در انتخاب شارژ بايد عوامل اكسيد كننده بيشترين كنترل را شوند. معمولاً تا وقتي كه يك لايه از فلز تشكيل نشود آهك اضافه نمي شود و زمان اضافه كردن آن هم بايد در زمان كمتري انجام گيرد در بارريزي زير گرما بايد در هر يك از روشهاي ذيل كنترل شود :

1- سنگ معدن آهن اضافه ميشود و تصفيه به وسيله اكسيداسيون كامل همانند روشي كه براي زيمنس مارتين شرح داده شده انجام مي گيرد.
2- سنگ معدن آهن حذف مي شود و يا خيلي كم استفاده مي شود و كاهش كربن در طي تصفيه كمتر مي باشد.
3- ذوب كردن بدون اكسيداسيون :‌اين روش كاربرد زيادي در فولادهاي ضد زنگ و با آلياژ زياد دارد. اگر در اسكرپ درصد منگنز و كروم بالا باشد استفاده ميشود. قطعات اسكرپ انتخاب شده از زنگ زدن به دور بوده و احتمالاً درجه بندي مي شوند. حالت اكسندگي در طي تصفيه نيست، اما تقريباً مقدار كمي از منگنز، كروم و فسفر را درطي اكسايش در هنگام ذوب ، كاهش مي دهد.

در حرارتهاي توليد شده بوسيله روشهاي 1 و 2 سرباره به اندازه كافي بازي است و حالت اكسندگي و اكسيدشدن بوسيله فسفر،‌كه حدود 02/0 درصد يا پايينتر مي باشد حذف مي شود. هنگامي كه حمام و سرباره داراي دما و تركيب مناسب هستند ميتوان با تنظيم صحيح اقدام به سرباره گيري كرد.

اين عمل در زيمنس مارتين بازي اتفاق نمي افتد چون انجام اعمال مكانيكي خيلي مشكلتر مي باشد. يك دفعه اين سرباره حذف مي شود و براي تصفيه سرباره ساخته شده ، آهك و فلوئور اسپار افزوده مي شود منظور از اين ، به اصطلاح پالايش سرباره حذف سولفور مي باشد. كه فقط مي توان بوسيله كاهش دادن حالت بازي انجام داد.ضرورت كاهش دادن عامل بازي در اين وضعيت فقط با افزودن كربن بر روي سرباره امكانپذير مي باشد. در اين مورد واكنش زير در نظر گرفته ميشوند:

+ CO+Fe ( در سرباره) Cas (در فولاد) CaO+Fes + (در فولاد) C
فرآيند تصفيه حدود 1 الي 5/1 ساعت مي باشد كه كامل شدن آن بوسيله نمونه گيري از سرباره و مشاهده آن نشان داده ميشود.
معمولاً فلز به صورت كف ريز از داخل پاتيل تخليه ميشود زمانيكه تركيب قبل از دورة تصفيه تنظيم شده باشد نبايد در هنگام تخليه مذاب چيزي افزوده شود.
اگر در وهلة اول مقدار فسفر يا اكسندگي به اندازة كافي پايين باشد سرباره مي تواند بدون تغيير بماند و كاهش سرباره بلافاصله در پايان ذوب شروع به كاهش شدن مي شود. بقية فرآيند همانند فرايند تصفيه توضيح داده شده در پاراگراف قبلي مي باشد. در بعضي وضعيتها ،‌همچون توليد فولاد ضد زنگ به كربن موجود كمتري نياز است. بنابراين در تصفيه سرباره از كربن بيشتر خودداري شده و به جاي آن از Al استفاده ميشود.

يك امتياز از روش دوبار سرباره گيري در كوره الكتريكي بازي زماني است كه نمي‌دانيم فولاد از چه آلياژهايي ساخته شده است،‌مي باشد. اين امر، زمانيكه افزودنيها از عناصر منگنز و كرم كه به آساني اكسيد ميشوند،‌اگر ساخته شوند، مهم است. آلياژهايي همچون نيكل و موليبدن را ميتوانيم همراه قطعات اسكرپ شارژ كنيم به شرط اينكه در طي ذوب اكسيد ايجاد نكنند.

همچنين در مورد زيمنس مارتين،‌اكسيژن زداها بايد 15-5 دقيقه قبل از تخليه مذاب و بارريزي اضافه شوند. اين اكسيژن زداها شامل فروسيلسيم،‌فرومنگنز، سيلسيم منگنز، فروتيتانيوم و در مواقعي آلومينيم مي باشد.

ذوب كردن در زيمينس مارتين اسيدي :
ساخت كوره : در كورة زيمنس مارتين اسيدي همانند كوره زيمنس مارتين بازي از نسوزهاي متفاوتي استفاده ميشود. با وجوداين در پروسة تصفيه هم ، يك مرحلة اكسيداسيون وجود دارد. اما سولفور و فسفر موجود نمي توانند حذف شوند و مقداري اكسيد آهن جذب سرباره مي شود، با همة اينها اين درصد در سربارة بازي خيلي فعال نمي باشد. اين صفات كيفي يك تركيب از FeO با SiO2 سرباره مي باشد.
اين ويژگي دليل اساسي بر اين است كه چرا محصول فولاد با كيفيت بالا ميتواند با يك

كنترل min بدست مي آيد.
كف كورة زيمنس مارتين اسيدي همانند روش زيمنس مارتين بازي ساخته ميشود،‌به استثناي ماسه كه به جاي آن منيزيم پخته شده در روي آجر نسوز ريخته ميشود ماسه در دماي حدود F2900 ذوب مي شود. برخي سازنده هاي كوره، مقداري سرباره، خاك رس آتشي يا فروسيلسيم را با ماسه مخلوط مي كنند كه يك اتصال و چسبندگي يكپارچه و عالي،‌براي استفاده در بعضي وضعيتها بدست مي آيد. عمر و دوام كوره در ميان چيزهاي ديگر، بيشتر به نوع فولاد توليد شده بستگي دارد. از آنجاييكه فولادهاي كم كربن،‌براي ذوب و تصفيه به دماي زيادتري نياز دارند بنابراين باعث تخريب سريع كف كوره ميشوند.

شارژ كوره :
در كوره هاي زيمنس مارتين بازي از سوختهاي گازي يا نفتي استفاده ميشود. شارژ كوره زيمنس مارتين اسيدي شامل چدن خام، قطعات خواب (scrap) كارگاه ريخته گري و خريدن قطعات scrap كه داراي حدود 20-15 درصد چدن خام مي باشد، است. درصد چدن خام به وسيلة داشتن نياز كافي به كربن تعيين ميشود، زمانيكه سنگ معدن آهن اضافه ميشود، در حرارت هنگام ذوب ريزي يك جوشش سخت اتفاق مي افتد. معمولاً مجموع مقدار كربن در حدود 7/0-5/0 درصد بيشتر از مقدار پاياني آن در نظر گرفته ميشود.

بايد Scrap ،‌داراي سولفور پايين و محتوي فسفر ترجيحاً پايين تر از 04/0 درصد باشد چون اين عناصر را نمي توان در پروسة اسيدي حذف كرد. سيلسيم موجود در شارژ بين 6/0 و 1 درصد مي باشد بالاتر از اين در شارژ زيمنس مارتين بازي استفاده مي شود. ميزان منگنز شايد مابين محدود وسيع حدود 4/0 الي 75/1 تغيير كند و حدود ميانگين ما بين 75/0 و 1 درصد افزوده مي شود.

ذوب كردن و تصفيه :
كربن، سيلسيم، و منگنز، نسبتاً در طول اتمام ذوب اكسيده مي شوند. ميزان كربن در اتمام ذوب بايد حدود 2/0 الي 3/0 درصد بيشتر از كربن نهايي باشد. سيلسيم نهايي نبايد بيش از 2/0 درصد باشد اگر مقدار سيلسيم بالاي اين عدد باشد مطمئناً به دليل يك جوشش شديد،‌اكسيداسيون سنگ معدن يا بالانس اكسيژن با سرعت بالا ممكن نخواهد بود. و اگر خيلي پايين باشد ممكن است در طي جوشش مقدار كربن به شدت كاهش مي يابد. عواملي كه مقدار سيلسيم و منگنز موجود در ذوب نهايي را تعيين مي كنند عبارتند از:
1- مقدار شارژ
2- سرعت كار كردن كوره (اكسيداسيون در طي عمليات ذوب)
3- فشردگي شارژ
4- ميزان عناصر موجود ديگر (منگنز يا سيلسيم)

منگنز موجود در شارژ به وسيله كار كردن در دامنه مطمئن دما كنترل ميشود. بدين ترتيب منگنز موجود در شارژ (25/1 الي 75/1 درصد) مي باشد و بالاتر از اين باعث تشكيل Mno در سرباره مي شود. اين محصول سياليت سرباره را بيشتر از FeO موجود پايين مي آورد.
بدين ترتيب سرباره نسبت به پايان دورة تصفيه كمتر اكسيد ميشود بنابراين كاهش كربن كنترل ميشود.
با افزايش آهك در سرباره ميتوان حرارت و دما را كنترل كرد. افزودن آهك باعث حذف كربن خواهد شد چون اين عمل در سرباره جاي خود را با FeO عوض مي كند و در آن موقع اين FeO به صورت آزاد كربن را اكسيد مي كند.

معمولاً دما به وسيلة استفاده از “آهن باري” همراه با اكسيژن زداهايي مثل سيلسيم منگنز،‌اشپيگل يا فروسيلسيم و فرومنگنز نيز كاهش مي يابد. اكسيژن زدايي در مرحلة پاياني حدود نيم ساعت انجام مي گيرد، در اين بخش از فرومنگنز و فروسيلسيم استفاده مي شود. ممكن است AL به عنوان مواد جوانه زا و همچنين اكسيژن زدا در پاتيل اضافه شود، اما مقدار مصرف آن بحراني (محدود) مي باشد چون ممكن است افزودن AL باعث كاهش داكتيليتي (انعطاف پذيري) شود. اگر دما در مراحل آخر از حرارت دادن تا حدود F 3100 بالا باشد و كربن خيلي پايين نباشد، سيلسيم مي تواند با سرباره و ديواره هاي كوره در امتداد سرتاسري واكنش زير را انجام دهد :

معمولاً چنين واكنشي در كنستانتره نامرغوب رخ مي دهد، اما اين پروسة ذوب در اروپا و در كشورهاي اروپايي مورد استفاده قرار مي گيرد. در اين روش سياليت پايين آمده و فرصت خوبي براي برداشتن گاز مي باشد.
همچنين در كوره هاي با آستربازي ميتوان سرباره را با استفاده از روشهايي همچون ميزان ويسكوزيته ، ‌تست هاي بهم چسبيدن سرباره و يا مقادير وزن مخصوص كنترل كرد. يك رابطه نزديك بين ويسكوزيته سرباره و اسيد موجود در سرباره وجود دارد Sio2 به اضافه AL2O3 كه به وسيله شكل 7-16 نشان داده شده است. اينجا يك ويسكوزيته بالا و در واقع اهميت سياليت بالا نشان داده شده است. زمانيكه نمونه داراي طول زياد باشد، سرباره خيلي سيال مي باشد، يك طرح از شكل قالب تست ويسكوزيته در شكل 8-16 نشان داده شده است. همچنين يك رابطه بين ويسكوزيته FeO موجود سرباره ميتواند نمايش داده شود. با افزايش ميزان FeO موجود ويسكوزيته كاهش مي يابد.

ذوب كردن الكتريكي – اسيدي :
ذوب دركوره الكتريكي اسيدي مشابه ذوب در زيمنس مارتين اسيدي مي باشد،‌به جزء آن ميتوان از سطح عمق و پهناي زيادي نيز استفاده كرد به دليل اينكه خصوصيات اكسندگي در كوره اتمسفري در مقايسه با زيمنس مارتين كمتر مي باشد. ساخت كوره همانند ساخت كوره الكتريكي بازي مي باشد. و به وسيله شكل 5-16 نشان داده شده است. ظرفيت متوسط كوره 3 تن مي باشد. اما معمولاً بيشتر از ظرفيتشان شارژ مي شوند. يك نوع عالي از كوره هاي الكتريكي اسيدي در كشور وجود دارد كه از انواع ديگر كوره هاي ذوب فولاد بيشتر براي ريخته گري فولاد كاربرد دارد.

شارژ كوره معمولاً قطعات اسكرپ كارگاهها و خريد اسكرپ مي باشد.
اخيراً از انتخاب شارژ با فسفر و گوگرد زياد اجتناب مي شود.

ذوب و تصفيه :
بيشتر كارخانه ها براي حاصل اطمينان از توليد فولاد با كيفيت عالي، يك جوشش شديد را ادامه مي دهند. اين جوشش باعث ايجاد يك اكسيد آهن و در نتيجه زنگ زدن فولاد مي‌شود. سنگ معدن آهن با پوسته نورد در حمام اضافه مي شود. و يا از لانس اكسيژن استفاده ميشود. (قسمتي از تزريق اكسيژن نشان داده شده است). اصول روش عمليات حرارت دادن شبيه زيمنس مارتين اسيدي مي باشد. اين روش ذوب كردن همان روش اكسيداسيون كامل مي باشد.
زمانيكه از روش اكسيداسيون ناقص استفاده ميشود فقط يك جوشش ملايم ايجاد ميشود كه به وسيله واكنش كربن با مقداري از FeO حاصل از رنگ زدن و اكسيد موجود روي شارژ القا مي شود. اين روش داراي مزيت،‌توليد سريع مي باشد اما ممكن است گاهي اوقات داريا خواص مكانيكي نامرغوب باشد.
ميتوان سرباره را به وسيله مشاهده رنگ سرباره يا بوسيلة آزمايش ويسكوزيته (ويسكوزي متر) كنترل كرد رابطه بين ويسكوزيته اسيد موجود همانند روش زيمنس مارتين اسيدي بدست مي آيد.

در بعضي مواقع و به هنگام كربن دهي مجدد،‌نخستين سربارة روي فولاد حذف ميشود و يك سربارة جديد خنثي از آهك و ماسه ساخته ميشود . ضرورت افزودن منگنز و سيلسيم ميتواند شرايط غيرمعمولي را بهبود بخشد و همچنين مي توان به كنترل بهتر از حرارت و دما دست يافت.
معمولاً در افزودنيها ، اكسيژن زداها در پايان حرارت دادن اضافه مي شوند،‌AL را ميتوان به مقدار دلخواه در پاتيل اضافه كرد مخصوصاً اگر فلز در قالبهاي ماسه اي تر ريخته گري ميشوند. علت و عوامل كاستي ها در ريخته گري مهم هستند مگر اينكه فلز به اندازة كافي اكسيژن زدايي شده باشد.
احتمالاً ، جذب سيليسيم از سرباره يا ديواره هاي كوره باعث انجام واكنش الكتريكي – اسيدي دركورة زيمنس مارتين اسيدي مي شود و به وسيله بالابردن مقدار منگنز شارژ كاهش داده ميشود.

فرآيند كنورتر اسيدي :
بعضي كارخانه ها فولاد را در يك كنورتر با پوشش اسيدي توليد مي كنند. معمولاً مذاب مورد نياز بوسيله كوپلا تأمين ميشود. كنورتر مورد استفاده در كارخانه فولادسازي نوع بسمر نمي باشد (كه هوا از ته دميده شود)
بنابراين اين يك كنورتر مي باشد كه در شكل 9-16 نشان داده شده است فلز مذابي كه در كنورتر مورد استفاده قرار مي گيرد داراي رنج آناليز زير مي باشد:

75/2 الي 5/3 % كربن
3/1 الي 2% سيليسيم
5/0 الي 06% منگنز
04/ فسفر max
04/0 گوگرد max

مذاب به دست آمده از كوپلا معمولاً داراي گوگرد بالا مي باشد بنابراين بايد عملي انجام دهيم كه باعث كاهش گوگرد شود. اين عمل را ميتوان با استفاده از نمك قليايي (كربنات سديم) يا سود سوزآور (هيدروكسيد سديم) درجلوي مجراي كوپلا انجام داد. اين مواد سرباده هاي سيال تشكيل مي دهند و به سرعت با گوگرد موجود در مذاب كوپلا واكنش نشان ميدهند و مقدار آن را حدود 75% كاهش مي‌دهند.