بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحي وساخت سيستم گاززدايي فولاد در خـلاء (V.D)
چکيده :
مـي دانـيم کـه انحـلال گازها در ذوب فولاد با کاهش فشار محيط و کاهش فشار جزيي گاز در حضور يک گاز بي اثر کاهش مـي يـابد از طرفـي قلـيان واختشـاش ناشـي از دمش گاز خنثي تخت خلاء باعث حذف اغلب ناخالصي هاي بين فلزي وسرباره محلـول مـي گـردد يکـي از روش هـاي گـاز زدايـي انجام عمليات گاز زدايي تحت خلاء VD مي باشد در اين فرآيند پاتيل حمـل فولادمـذاب درون يک محفظه قرار مي گيرد و کل محفظه تحت اتمسفر خلاء قرار مي گيرد و از طرف ديگر گاز خنثي آرگون از طريق چشمه هاي دمش گاز به درون مذاب دميده مي گردد.
در پـژوهش انجـام گرفـته کلـيه تجهيزات فرآيند شامل سيستم خلاء ساز از جمله اجکتورهاي بخار و محفظه وسايــر تجهيزات مـورد نـياز طراحـي و سـاخته شـد وجهت گـاززدايي پاتيل هاي حمل فولاد به ظرفيت ١٣٠ تن در کارخانه ذوب آهن اصفهان مورد استفاده قرارگرفت
مقدمه :
پيشـرفت دانـش بشري و فن آوري لزوم دستيابي به مواد با کيفيت بالاتر و قابليت هاي بهتر را در پي داشته است اولين مطالعـات اوليه در مورد متالورژي تحت خلاء مربوط به سال ١٨٨٦ مي باشد ولي اولين طرح گاز زدايي پاتيل در سال ١٩١٤ جهـت عملـيات Ton ١٢.٥ فـولاد مـذاب بـا خلاء atm ٢⁄١ توسط Muller –Baradue انجام پذيرفت . پس از جـنگ جهاني دوم با پيشرفت در مهندسي خلاء و ساخت پمپ هاي جديد دستيابي به خلاء لازم ايده ال ممکن شد و اوليـن واحـد گاز زدايي پاتيل Ton ١٦ در سال ١٩٥٥در روسيه به کار افتاد و طي مدت ١٠ سال ٢٠٠ واحد گاز زدايي در دنيا راه اندازي شد .
اهداف اصلي از انجام گاز زدايي همراه با ساير روش هاي متالورژي ثانويه عبارتند از :
١ - هموژن کردن ترکيب شيميايي و درجه حرارت مذاب فولاد .
٢- جداسازي و شناور نمودن اخالها غير فلزي وسرباره محلول از فولاد مذاب .
٣- افـزايش راندمـان توليدي واحد فولاد سازي (کوره ها به عنوان ماشين ذوب عمل کرده و در واحد هاي متالورژي ثانويه آلياژي سازي وفراوري مذاب صورت مي گيرد و همچنين حفظ و نگهداري فولاد مذاب تا زمان ريخته گري )
٤- الياژسازي و اصلاح ترکيب شيميايي
٥- عمليات نهايي فسفر زدايي
٦- عمليات نهايي گوگرد زدايي
٧- خارج سازي گازهاي محلول در مذاب فولاد
٨- توليد فولادهاي کم کربن ، فوق کم کربن والياژي
٩ – افزايش ارزش افزوده فولاد توليدي
امروزه انواع متفاوتي از فرايند هاي گاز زدايي تحت خلاء ابداع شده و توسعه يافته اند اين مکانيزم ها شامل :
١- دمـش گـــاز خنثـي از طـريق لانـس دمـش يـا مـنافذ کـف پاتـيل تحـت خــلاء درون تـا نک خلاء ويا د ر پاتيل
(Purging gas)
٢- گاز زدايي تحت خلاء توسط به هم زدن تخت جريان القايي (Induction Stirring )
٣- گاز زدايي پاتيل به پاتيل (Ladle To Ladle)
٤- گاز زدايي در حين تخليه مذاب (Top degassing )
٥- گاز زدايي در حين ريخته گري درون قالب (Ladle to Mould)
٦- گاز زدايي در حين ريخته گري درون مجموعه قالب ها (Ladle to Mltiple Mould)
٧- گاز زدايي دو مرحله أي ( Tow-stage Treatment)
٨- گاز زدايي در حين بالا کشيده شدن مذاب توسط خلاء (فرايند D-H)Vacuum Lift( )
٩- گـاز زدايـي در حيـن بـالا کشيده شدن مذاب توسط خلاء و چرخش مذاب توسط دمش گاز خنثي (فرايند R-H)
(Circulation by Gas Lift)
١٠ گاز زدايي در قالب شمش (Ingit degassing)
١١- گــــاز زدايــي در حيــن بــالا کشــيده شــدن مــذاب توســط خـــلاء و چــرخش مــذاب توســط جــــريان القايــي
(Combination process)
١٢- گاز زدايي توسط فرايند مرکب (Combination process)
١٣- گـــاز زدايـي تحت خـلاء همراه با چرخش مذاب توسط جــريان القايي و گـــرم شد ن توسط قوس الکتـريکي
( Arc heating)
١٤- عمليات گاز زدايي با فرايند R-H درون کوره (Treatment in Furnace )
شکل ١- فرايند هاي مختلف گاز زدايي تحت خلاء را نشان مي دهد .
روش تحقيق :
ترموديناميک گاز زدايي تحت خلاء:
يکـي از فرايـند هـاي گاززاديـي تحـت خـلاء کـاهش فشار جزيي گازهاي محلول در مذاب به منظور تقليل حبابهاي گازي فولادي مي باشد در طول انجماد دندريت هاي فلزي غني از گاز ايجاد مي شوند که موجب تشکيل حباب گاز مي گردد. مقدار گاز ايجاد شده براي هر يک از عناصر از رابطه (١) به دست مي آيد .
که در آن F کسري از مذاب منجمد شده
Xs مقدار اوليه عنصر گازي در مذاب
Xf مقدار نهايي عنصر گازي در مذاب مي باشد
مـي دانـيم که ميزان انحلال گازهاي هيدروژن ، نيتروژن و اکسيژن به فشار جزيي بستگي دارد و اين گازها به صورت اتمي در مذاب فولاد حل مي شوند .
لـذا بـا کـاهش فشـار جزيي هر يک از گازهاي محلول از طريق کاهش فشار محيط ميزان انحلال آنها نيز کاهش مي يابد .
که مقدار نسبي آن براي هيدروژن و نيتروژن مي باشد .
نمودار هاي ١و٢و٣ مقادير گازهاي هيدروژن ، نيدروژن و اکسيژن را براساس فشار محيط و ارتفاع هر مذاب در دماي
Co ١٦٠٠-Co ١٥٤٠ نشـان مـي دهد همچنين حذف گاز اکسيژن از طريق ترکيب آن با ساير عناصر امکان پذير است
.براي مثال حذف همزمان اکسيژن و کربن را در نظر مي گيريم .نمودارهاي اثر کاهش جزيي CO بر حذف اکسيژن و کربن را نشان مي دهد .
که با کاهش فشار Co محيط مقدار اکسيژن و کربن هر دو کاهش مي يابد اين موضوع در رابطه با حذف ساير عناصر در اثر کاهش مقدار اکسيژن نيز صادق مي باشد .
در هـر حـال بـايد بـر تاثـير متقابل عناصر بر يکديگر در حذف اکسيژن نيز توجه نمود .نمودار ٥ تاثير عناصر الياژي بر مقـدار اکسـيژن در دماي Co١٦٠٠ را نشان مي دهد .نمودار ٦و٧و٨ اثر مقدار عناصر الياژي بر ضريب اکتيويته گازهاي هيدروژن و نيتروژن و اکسيژن و عنصر کربن را نشان مي دهد
سينتيک گاز زدايي تحت خلاء:
- اثر عوامل فعال کننده سطح :
- انتقال جرم بين فولاد مذاب وحباب هاي فعال شده از فرمول زير تبعيت مي کند.
که در ان : Km ضريب انتقال جرم
de قطر حباب کروي شکل
D ضريب نفوذ در مذاب
g ثابت جذب مي باشد
- واکنش بين مواد نسوز وعناصر محلول موجب تسريع در حذف گازها مي شود .
- رابط بين تنش سطحي وفشار اضافي درون حباب : با افزايش يک دهم درصد از عناصر نيتروژن ، اکسيژن وگوگرد تنش سطحي فولاد مذاب از مقدار dynes.Cm ١٨٥٠ به ترتيب به ١٢٠٠,١٢٥٠,١٧٠٠ کاهش مي يابد .
- تبخـير شـدن فلـزات در فشـار خيلـي کـم (Cu,Cr,Mn ) موجـب افـزايش سـرعت حـذف اکسيژن از طريق واکش اکسيداسيون فلز مي گردد .اين موضوع در رابطه با حذف هيدروژن ، نيتروژن ومنواکسيد کربن نيز صادق مي باشد .
جدول ١- مقادير عوامل موثر بر سينيتک گاززدايي رانشان مي دهد .
در هـر حـال افزايش تلاطم مذاب موجب حذف سريعتر گازهاي محلول مي گردد .اين عمل توسط دمش گاز خنثي آرگون ويا به هم زدن توسط جريان القايي صورت مي پذيرد [٢]
نتايج بحث :
سيسـتم گـاز زدايي تحت خلاء از نوع تانک خلاء يکي از مکانيزم هاي متداول در توليد فولادهاي کيفي مي باشد که در آن پاتـيل حـاوي فـولاد مـذاب درون يـک محفظه (تانک خلاء) قرار مي گيرد .در اين هنگام از طريق منافذ کف پاتـيل گـاز خنثـي درون پاتيل دميده شده وهم زمان محفظه تحت خلاء قرار مي گيرد .در حين عمليات در اثر کاهش فشار جزيي گازهاي محلول و تلاطم مذاب گاز زدايي انجام شده وسرباره هاي محلول وآخال غير اکسيدي شناور مي گـردند .نمـودار ٩ تغيـيرات پارامترهاي مختلف حين عمليات (Vacuum degasing ) را نشان مي دهد .سيستم خلاء- ساز معمولاً از پمپ هاي خلاء واجکتورهاي بخار تشکيل يافته است .
جدول ٢ ميزان گازهاي حلال در مذاب فولاد و ميزان تقليل آن را طي فرايند گاز زدايي نشان مي دهد .
بـه منظور و تکميل زنجيره فرايند توليد فولاد کيفي و تنوع محصولات ذوب آهن اصفهان طرح ايجاد يک واحد گاز زدايـي فولاد از نوع تانک خلاء با اجکتور بخار مطرح گرديد که توسط شرکت فولاد سايا طراحي هاي مربوط به آن انجـام گرفـته وبـا همکـاري واحدهاي اجرايي ذوب آهن و شرکت هاي اقماري تکادو کار ساخت و نصب تجهيزات شکل گرفت .
مشخصات سيستم گاز زدايي ساخته شده به قرار زير است :
- ظرفيت عملياتي : گاز زدايي پاتيل ton ١٣٠ فولاد (در يک سيکل کاري توليد ١٥٠٠٠٠ تن فولاد کيفي در سال )
- قطر تانک خلاء : ٧.٥ متر
- زمان انجام عمليات : ٢٠ دقيقه
- زمان رسيدن به خلاء : ٦ دقيقه
- مقدار خلاء ايجاد شده : ١ تور
- مقدار بخار مصرفي : ٢٠ تن بر ساعت با دماي Co ١٨٥ و فشار ١٠ بار
- مقدار اب خنک کننده : ٦٠٠ تن بر ساعت با دماي Co١٧ و فشار ٢ بار
- سيسـتم خـلاء سـاز : شـامل ٧ اجکتور بخار مي باشد که در پنج مرحله عمليات خلاء سازي را انجام مي دهند که به صورت سري به دنبال هم استقرار يافته اند همراه با٢ کندانسورويک چاه گرم ( Hot well ) .
- حجـم فعاليـت هاي انجام شده : علاوه بر نصب تجهيزات جنبي و اتوماسيون و برق رساني حدود ٣٠٠ تن تجهيزات فلـزي و٢٠٠ تـن نسوز به کار رفته است و ميزان ١٤٠٠٠٠ نفر ساعت عمليات اجرايي و١١٦٠٠ نفر ساعت فعاليت هاي طراحي در پي داشته است .[٣]
