واحدهای تولید آهن و فولاد از عظیم ترین و مهم ترین قطب های صنعتی هر کشوری به شمار می روند و هم اکنون نیز به دلیل اولویت این صنعت مادر، رقم سرمایه گذاری در آن بسیار بالا است. در این نوشته به بررسی مختصری از روش های تولید آهن و فولاد می پردازیم.
آهن
آهن جزء هفت فلزی است که در دوران باستان شناخته شده است. این فلز از نقطه نظر تنوع کاربرد در زندگی برای ساختن قطعات، ابزار الات، ماشین آلات و زیرساخت های زندگی بشر، همواره در مقام اول قرار داشته است، به طوریکه مصالح آهنی و فولادی زیربنای واحدها و تجهیزات ساختمانی و صنعتی را تشکیل می دهد.
تولید آهن
سنگ آهن به دو روش عمده ی غیر مستقیم و مستقیم احیا می شود. اصول اساسی احیای اکسیدهای آهن به وسیله کربن به عنوان ماده احیاکننده و گرمازا، از زمان های قدیم تاکنون تغییر نکرده است. در دو دهه اخیر ده ها روش برای احیای کانی های آهن بر اساس کاربرد گاز طبیعی به عنوان عامل احیاکننده و گرمازا، ابداع شده است، که از نقطه نظر اصول و تکنولوژی با روش های سنتی تفاوت عمده دارد.
به طور کلی به سه طریق میتوان سنگ آهن را احیاء و آهن را از ناخالصی ها جدا کرد:
- احیای سنگ آهن و جدا کردن ناخالصی های آن در حالت جامد
- احیای سنگ آهن در حالت جامد و جدا کردن ناخالصی های همراه آن به صورت مذاب
- احیاء و ذوب هم زمان سنگ آهن و ناخالصی های اطراف آن
در اثر احتراق کربن با اکسیژن آهن و یا هوا، اکسید کربن، گاز کربنیک و یا ترکیبی از این دو گاز تولید و حرارت نیز ایجاد می شود. گاز کربنیک خود در اثر تماس با کربن در درجه حرارت بالا، سوخته و به اکسید کربن تبدیل می شود. سنگ های آهن از جمله هماتیت و یا مگنتیت، در صورت تماس با اکسید کربن در دمای نسبتاً بالا، احیاء و آهن فلزی تولید می شود. البته کربن به تنهایی نیز می تواند باعث احیای اکسیدهای آهن شود. همان طور که اشاره شد احیای اکسیدهای آهن با کربن، نیاز به حرارت نسبتاً بالایی دارد که باید با سوختن زغال و غیره تامین شود.
تولید آهن به روش احیای مستقیم
روش مستقیم احیای سنگ آهن بدون ذوب کردن آن انجام می شود. به آهن خامی که از این نوع کوره ها به دست می آید، آهن اسفنجی می گویند. این آهن در مراحل بعد در کوره های قوس الکتریکی یا القایی تبدیل به فولاد می شود.
انواع روش های احیای مستقیم عبارتند از:
- MIDREX
- HYL
- هوگانس
- RHF
- FINEMET
- FIOR
- SL/RN
در احیای مستقیم، آهن اسفنجی با استفاده از دو منبع انرژی عمده تولید می شود:
– استفاده از زغال سنگ
– استفاده از گاز طبیعی
احیای مستقیم با گاز در کشورهایی که دارای منابع گاز طبیعی هستند (مانند ایران) باعث می شود که بتوان با سرعت بیشتر و هزینه کمتر سنگ آهن را به آهن خام تبدیل کرد. در کل گرایش به احیاء توسط گاز بیشتر است. از سوی دیگر توجیه اقتصادی استخراج از معادن زغال سنگ در حال کاهش است. همچنین تولید آهن اسفنجی به کمک زغال سنگ سهم زیادی در آلودگی محیط زیست و انتشار گازهای گلخانه ای دارد.
فولاد
فولادها گروهی از آلیاژهای آهن-کربن هستند که در آن ها عناصری مانند سیلیسیم و منگنز در مقادیر کم و عناصر فسفر و گوگرد به عنوان ناخالصی حضور دارند. فولادها بدون تحول یوتکتیک منجمد می شوند و میزان کربن آن ها کمتر از ۲% است. با توجه به اینکه آهن خام دارای مقدار زیادی کربن حل شده است، لذا از حداقل قابلیت فرم پذیری، چکش خواری و جوشکاری برخوردار است. برای کاهش میزان کربن معادل، آهن خام را تحت دمش اکسیژن قرار می دهند.
فولادسازی
از جمله روش های فولادسازی، می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- تولید فولاد در کنورتور با دمش هوا (بسمر)
- تولید فولاد در کنورتور با دمش اکسیژن (اِل دی)
- فولادسازی در کوره زیمنس-مارتین
- فولادسازی در کوره های قوس الکتریکی
- فولادسازی به کمک روش های جدید VAR و ESR
تولید فولاد به روش بسمر-توماس و زیمنس-مارتین
هنری بسمر و ویلیام کِلی برای حذف کربن آهن خام و تولید فولاد در سال ۱۸۵۰ میلادی، تزریق هوا در آهن خام را به کار بردند. در روش ابداعی این دو دانشمند، عناصر نامطلوب همراه آهن خام مذاب از جمله کربن، سیلیسیم و غیره از طریق اکسیژن هوا اکسیده و به سرباره منتقل می شدند. برای این منظور از کف کنورتور، به داخل آهن خام و یا چدن مذاب هوا دمیده میشد. در این فرایند، قسمتی از عناصر همراه آهن خام اکسیده شده و حرارت لازم جهت گرم تر شدن آهن مذاب تا حدود ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد را تامین میکردند.
کوره بسمر در موزه صنعتی کلاهام در بریتانیا
نمایی از داخل و خارج کوره بسمر
تولید فولاد به روش زیمنس-مارتین، پس از روش بسمر، اولین بار توسط ویلیام زیمنس در صنایع فولادسازی آلمان و سپس در انگلستان و سایر کشورهای صنعتی پیاده شد. کوره های زیمنس-مارتین نه تنها توسعه چشم گیری داشتند، بلکه در فاصله سال های ۱۸۶۰ تا ۱۹۶۰ میلادی، جای کنورتور بسمر را گرفتند. در این روش برای گرم کردن و نیز گرم نگه داشتن آهن خام مذاب در حین پالایش و فولادسازی، از سوخت خارجی استفاده شده و هوای لازم برای سوختن، توسط ژنراتورها گرم می شد. در این روش، اکسیژن لازم برای اکسایش عناصر همراه آهن خام، از زنگ آهن قراضه ها، پوسته نورد، گندله کانه های آهن و اکسید آهنی که در اثر شعله در سطح مذاب به وجود می آاید، تامین می شود.
تولید فولاد در کنورتور با دمش اکسیژن (اِل دی)
مصرف اکسیژن به جای هوا برای پالایش آهن خام، اولین بار توسط بسمر در سال ۱۸۵۶ میلادی، به ثبت رسید. اما کاربرد اکسیژن در صنایع فولادسازی به علت هزینه زیاد اکسیژن، تا سال ۱۹۵۰ میلادی، امکان پذیر نشد. حدود ۱۹۵۰ میلادی، در سوییس و اتریش روش نوینی در صنایع فولادسازی ابداع شد که با دمیدن اکسیژن خالص در آهن خام مذاب، فولاد تولید می شد. در این روش، اکسیژن توسط یک لوله از بالای کنورتور به داخل آهن خام مذاب، تزریق می شود. در این روش، آهن خام کوره بلند، به همراه ۲۰ تا ۳۰ درصد آهن قراضه، جهت تنظیم درجه حرارت و پالایش، به فولاد تبدیل می شود.
کنورتور LD
فولادسازی در کوره های قوس الکتریکی
کاربرد کوره های الکتریکی که در سال ۱۸۰۰ میلادی توسط ویلیام دیوی، اختراع شده بود، اولین بار به وسیله ویلیام زیمنس در صنایع فولادسازی به کار گرفته شد و در سال ۱۸۷۸ میلادی، به نام او به ثبت رسید.
دو ماده اصلی مورد استفاده در این کوره ها، قراضه و آهن اسفنجی می باشد. ابتدا در کوره مقداری آهن قراضه شارژ می شود و آن را به وسیله ایجاد قوس الکتریکی ذوب می نمایند و سپس آهن اسفنجی در کوره شارژ می شود. خواص فیزیکی قراضه در عملیات ذوب کوره های قوس الکتریکی اثر مهمی دارد. عدم انتخاب صحیح ممکن است منجر به شکستن الکترودها یا سرریز شدن فولاد مذاب و یا حتی انفجار گردد. در عمل سعی می شود از انواع قراضه در کوره استفاده شود تا معایب به حداقل رسیده و عملیات کوره بهینه باشد.
نمایی از کوره قوس الکتریکی
گذشته از مواد اولیه آهن دار که بخش اصلی شارژ کوره های قوس الکتریکی را تشکیل میدهند، مواد دیگری به عنوان کمک ذوب، سرباره ساز، روان ساز و یا موادی جهت آلیاژ کردن و یا تصحیح ترکیب نهایی مذاب مورد نیاز می باشد. گاهی اوقات افزودن کربن نیز جهت تنظیم آنالیز نهایی ذوب و یا برای بالا بردن مقدار کربن ذوب لازم است.
با توجه به این که در دو دهه اخیر، سرمایه گذاری های زیادی در ایران برای احداث واحدهای تولید آهن و فولاد انجام گرفته است و واحدهای تولید آهن و فولاد به یکی از بزرگ ترین و مهم ترین قطب های صنعتی کشور تبدیل شده و حجم زیادی از بازار کار مهندسان و فارغ التحصیلان مهندسی مواد و متالورژی را به خود اختصاص داده اند، داشتن اطلاعات تخصصی در این حوزه از نیازهای مبرم دانشجویان و متخصصین مهندسی متالورژی است. یکی از کتاب های ارزشمند و کاربردی در این حوزه، کتاب” Iron and Steel Production” می باشد که توسط انجمن اروپایی EIPPCB (انجمن کنترل و پیشگیری از آلودگی های زیست محیطی در اروپا) منتشر شده است. این کتاب در ۶۲۳ صفحه و ۱۳ فصل به بیان شرح موارد زیر می پردازد:
- فصل اول: اطلاعات عمومی
- فصل دوم: فرایندها و روش های عمومی
- فصل سوم: فرایند زینترینگ
- فصل چهارم: فرایند گندله سازی
- فصل پنجم: فرایند پخت کک
- فصل ششم: کوره های دمشی
- فصل هفتم: ریخته گری و تولید فولاد بر پایه اکسیژن
- فصل هشتم: ریخته گری و تولید فولاد با استفاده از کوره های قوس الکتریکی
- فصل نهم: بهترین تکنیک های در دسترس به منظور تولید آهن و فولاد
- فصل دهم: سایر تکنیک های تولید آهن
- فصل یازدهم: تکنیک های نوین و ابداعی
- فصل دوازدهم: نتایج و رویکردهای آینده
- فصل سیزدهم: پیوست ها
علاقمندان و کاربران محترم وب سایت عصر مواد می توانند این کتاب را از لینک زیر دریافت نمایند:
Iron and Steel Production
فرمت: PDF
تعداد صفحه: ۶۲۳
زبان: انگلیسی
حجم: ۹٫۸۳ مگابایت
لینک دانلود از عصر مواد:
 |
 |
 |
 |
برای نوشتن دیدگاه باید وارد بشوید.