مقاله تولید فولاد های زنگ نزن به روش کربن زدایی توسط اکسیژن تحت خلا

بخشی از مقاله

چکیده:

مساله اساسی در تولید فولادهای زنگ نزن، حداقل اکسیداسیون عناصر آلیاژی گران قیمت طی فرآیند کاهش میزان کربن توسط اکسیژن می باشد. تحقق این هدف از طریق کاهش میزان فشار جزئی محصولات گازی واکنش سوختن کربن میسر خواهد بود. یکی از روش های مدرن تولید فولاد های زنگ نزن تحت عنوان فرآیند کربن زدایی توسط اکسیژن تحت خلا - VOD - در محفظه ای که اکسیژن توسط لنس اکسیژن از بالا به مذاب حاوی مقادیر بالای کربن دمیده می شود، مطرح می باشد. در این تحقیق که به صورت صنعتی در مجتمع صنعتی اسفراین انجام شده است، تاثیر پارامترهای مختلف بر نتایج این فرآیند مورد بررسی قرار گرفته شده است.

واژه های کلیدی: فولاد زنگ نزن، کربن زدایی توسط اکسیژن تحت خلا، اکسیژن زدایی توسط کربن تحت خلا.

.1  مقدمه

فولادهای زنگ نزن از جمله آلیاژهای تجاری محسوب می شوند که حاوی حداقل 10 درصد وزنی کروم در ترکیب شیمیایی خود هستند. همچنین میزان کربن این گروه از آلیاژها در حد پایین - کمتر از 0.1 درصد وزنی - می باشد. از آنجایی که استفاده از مواد اولیه کم کربن در تولید این گونه آلیاژها از لحاظ اقتصادی منجر به افزایش قابل توجه قیمت این فولاد ها می شود، تولیدکنندگان این گرید از فولادها به فکر روش هایی به منظور حذف کربن از مذاب بدون سوخت قابل توجه کروم افتاده اند. یکی از معروف ترین و رایج ترین این روش ها، روش کربن زدایی توسط اکسیژن تحت خلا - VOD - است. در حین تولید فولاد های زنگ نزن به روش VOD، هم کربن و هم کروم اکسید می شوند . [1-4]

بر اساس دیگرام الینگهام، با وجود کروم، حذف کربن از طریق اکسیداسیون در فشار اتمسفر در دماهای بالاتر از 2073 کلوین امکان پذیر می باشد. جهت انجام واکنش اکسیداسیون در دماهای پایین تر نیازمند اعمال فشار های بسیار پایین می باشیم. [2] از این رو، روش VOD به عنوان یکی از راهکارهای مناسب جهت تولید فولادهای زنگ نزن از جمله از نوع بسیار کم کربن به همراه مقادیر بسیار پایین نیتروژن می باشیم. در این روش، ابتدا پاتیل حاوی مذاب با درصد بالای کربن و کروم به محفظه خلا وارد می شود. سپس فرآیند اکسیداسیون از طریق دمش اکسیژن از بالا توسط لنس به داخل ذوب انجام می شود. اساس این روش اکسیداسیون ترجیحی کربن نسبت به کروم است .[3] در شکل 1 ، تجهیزات مربوط به فرآیند VOD نشان داده شده است. میزان نرخ دمش گاز اکسیژن از طریق لنس و همچنین گاز حنثی - آرگون - از کف بسته به شرایط کاری ذوب متفاوت است.

میزان فشار خلا در مرحله VOD بین 180 - 250 میلی بار متغیر است. حد پایین فشار خلا به منظور ایجاد شرایط خلا حداکثر و حد بالای آن نیز علاوه بر جلوگیری از پرت بسیار زیاد اکسیژن تزریقی، از طریق لنس به این دلیل نمی تواند از یک حدی کمتر باشد که در اثر کاهش بیشتر فشار خلا، عمقی از مذاب که درگیر فرآیند کربن-زدایی می شود، افزایش یافته و از آنجایی که واکنش های کربن زدایی همواره با اغتشاش شدید مذاب همراه است، به همین دلیل در صورت اعمال خلا بسیار پایین، تزریق اکسیژن از طریق تحت تاثیر قرار خواهد گرفت. مزایای انجام این فرآیند نسبت به روش استفاده از فروکروم کم کربن در کوره قوس را میتوان موارد زیر بر شمرد:

-1 هزینه کمتر مواد اولیه در نتیجه استفاده از فروکروم پرکربن

-2 دمای کمتر مورد نیاز جهت کربن زدایی در VOD نسبت به EAF و در نتیجه افزایش عمر نسوز        

-3    رسیدن    به    مقادیر    بسیار    پایین    کربن - کمتر از 0.03 درصد وزنی -             

-4    سوخت کمتر کروم به نسبت EAF        

با توجه به میزان کروم بالای موجود در    مذاب و سطح پایین انرژی آزاد اکسیداسیون کروم، در دمای فولاد سازی عمده اکسیژن تزریقی با کروم موجود در مذاب واکنش داده و تولید اکسید کروم می نماید. به طوری که در این شرایط در صورتی که میزان کربن به اندازه 0.05 درصد وزنی کاهش یابد، تنها 4 درصد وزنی کروم در ترکیب باقی خواهد ماند. با کاهش فشار کل محفظه خلا در نتیجه کاهش فشار جزئی گاز مونوکسیدکربن حاصل از سوخت کربن، کربن قادر به احیا اکسید کروم موجود در سرباره خواهد بود. در شکل 2، تاثیر میزان خلا سیستم بر غلظت عناصر موجود در ذوب به ازای مقادیر مختلف اکسیژن تزریق شده آورده شده است.

همان طور که از شکل 2 پیداست، با کاهش فشار کل سیستم و در نتیجه فشار جزئی گاز مونوکسید کربن، درصد اکسیداسیون کربن افزایش یافته و در عین حال میزان اکسیداسیون کروم کاهش می یابد. همچنین همانطور که در شکل 2 قابل ملاحظه است، حتی با وجود اعمال خلا نیز در صورتی که میزان دمش اکسیژن از حدی بیشتر شود در این صورت همچنان شاهد اکسیداسیون کروم نیز خواهیم بود. در شکل 5 نحوه توزیع اکسیژن مصرفی بین عناصر مختلف موجود در ذوب در دما و فشارهای متفاوت آورده شده است. همچنان که از این شکل نیز پیداست، با کاهش فشار سیستم، درصد اکسیداسیون کروم کاهش می یابد.[1-5]

2.    دستورالعمل اپراتوری فرآیند VOD در مجتمع صنعتی اسفراین

3.    فرآیند VOD در مجتمع صنعتی اسفراین دارای سه مرحله اصلی است. به طوری که نتایج عملی فرآیند تابع شرایط اولیه مذاب و نوع گرید فولادی است.

.2-1  دمش گاز اکسیژن

در این مرحله اکسیداسیون کربن توسط دمش گاز اکسیژن از طریق لنس از بالا، انجام می پذیرد. نرخ دمش اکسیژن در این مرحله بین 300-800 نرمال مترمکعب بر ساعت تحت فشار خلا 180 - 250 میلی بار تنظیم می شود.

.2-2 اکسیژن زدایی توسط کربن تحت خلا - VCD -

در این مرحله دمش گاز اکسیژن قطع شده و میزان خلا به حداقل مقدار ممکن - کمتر از 2 میلی بار - رسانده می شود تا شرایط جهت حذف اکسیژن باقی مانده در ذوب توسط کربن مهیا شود. تحت این شرایط حذف موثرتر کربن از مذاب انجام می شود.

.2-3  احیا

از آنجایی که همواره طی فرآیند VOD با وجود اعمال خلا باز هم شاهد اکسیداسیون مقداری کروم هستیم، بنابراین در مرحله نهایی مواد احیاگر اکسید کروم جهت احیا کروم سرباره و همچنین مواد فروآلیاژ جهت تنظیم رنج نهایی مذاب به ذوب اضافه می شود.

.2-4 محاسبه میزان اکسیژن مورد نیاز در : VOD

یکی از مهم ترین محاسبات اپراتوری در فرآیند VOD ، محاسبه میزان اکسیژن مورد نیاز جهت انجام این فرآیند است. میزان اکسیژن مورد نیاز جهت انجام فرآیند به دما و ترکیب شیمیایی مذاب دقیقا قبل از ورود به محفظه خلا بستگی دارد. در شرایط نرمال دمای ارسال    ذوب به VOD  ، می بایست در حدود 1800 25 کلوین    باشد. در جدول 1 نحوه محاسبه تئوری میزان اکسیژن مورد نیاز به منظور اکسیداسیون عناصر مختلف آورده شده است. در این شرایط بر اساس محاسبات تئوری، میزان اکسیژن مورد نیاز به صورت زیر محاسبه می شود:

.4  مواد و روش تحقیق

به منظور انجام مطالعه حاضر، تعداد هشت ذوب تولید شده در مقیاس صنعتی تولید شده در مجتمع صنعتی اسفراین بررسی شدند. روش تولید مذاب فولاد زنگ نزن در این مجتمع طبق مسیر EAF - LF - VOD - VCD - VD می باشد. در واقع پس از تنظیم نهایی رنج عناصر آلیاژی و دما در مرحله LF، پاتیل مذاب حاوی حدود 50 تن ذوب به محفظه خلا ارسال می گردد. در این مرحله فشار خلا بین 180 - 250 میلی بار تنظیم گردیده و لنس اکسیژن در فاصله 1100 میلی متری تنظیم می شود. با توجه به آنالیز اولیه مذاب، میزان اکسیژن مورد نیاز جهت انجام فرآیند محاسبه شده و سپس با دبی 300-800 نرمال مترمکعب بر ساعت به سطح ذوب دمیده می شود. پس از مصرف تمام اکسیژن، لنس اکسیژن از مدار خارج شده و میزان خلا به کمتر از 2 میلی بار افت می کند. در واقع این مرحله شروع فرآیند VCD است.

مبنای پایان مرحله VCD، دستگاه Pat Meter است. این دستگاه بر اساس میزان گاز CO خروجی از محفظه خلا، اعلام می کند که تا چه زمانی سوخت کربن ادامه دارد. به محض افت میزان CO خوانده شده توسط دستگاه، فرآیند به اتمام رسیده و سقف محفظه خلا برداشته می شود. در مرحله نهایی نیز مواد احیاگر و فروآلیاژ به ذوب اضافه گردیدند. در نهایت پس از گرفتن نمونه آنالیز و اندازه گیری دما، در صورت حصول آنالیز مورد نظر، عملیات گاززدایی تحت خلا - VD - انجام شده و سپس به خط ریخته گری شمش انتقال می یابند. شرایط اولیه و نهایی هشت ذوب که تحت عملیات VOD قرار گرفته اند در جدول 2 آورده شده است.

.5  نتایج و بحث

.4-1 تغییرات کربن:

میزان و نحوه سوختن کربن در محفظه خلا متاثر از پارامترهای متعددی است. از جمله این پارامترها را میتوان کربن اولیه، دمای ارسال مذاب به خلا و میزان اکسیژن دمش شده عنوان کرد. تاثیر هر کدام از این پارامترها بر میزان اکسیداسیون کربن در شکل های - a, b,c - 3 آورده شده است.