کوره قوس الکتریکی-Electric Arc Furnace-مراحل فولادسازی در کوره های قوس الکتریکی

کوره قوس الکتریکی (Electric Arc Furnace) که به صورت مخفف EAF نامیده می شود. کوره ای است که مواد فلزی با استفاده از یک قوس الکتریکی ذوب می شود.

این کوره ها اندازه های متفاوتی داشته و در ایران به صورت کوره های قوس الکتریکی سنتی. (تخلیه از ناودان) و EBT (تخلیه از کف) استفاده می گردند.

کوره قوس الکتریکی-Electric Arc Furnace-مراحل  فولادسازی در کوره های قوس الکتریکی

دمای ذوب و تخلیه در این کوره ها در حدود 1600 درجه. و در بعضی از کوره های آزمایشگاهی گاهی به 2000 درجه سانتی گراد می رسد.

مهم ترین مواد اولیه برای تولید فولاد و چدن در کوره های قوس الکتریکی. عبارتند از: آهن قراضه، آهن اسفنجی، شمش چدن کوره بلند، فروآلیاژهای آهک و فلورین می باشد. در ایران عمدتاً از آهن قراضه و از آهن اسفنجی به صورت گندله یا خشته استفاده می گردد. که می تواند به دلیل فراوانی واحدهای احیای مستقیم. با توجه به در دسترس بودن منابع گاز طبیعی در ایران باشد.

نوع دیگری از ماده شارژ کوره در برخی کشورها، تغذیه مداوم آهن اسفنجی خشته شده گرم است. کوره های قوس الکتریکی، از طریق ذوب شدن بار کوره توسط قوس الکتریکی. ایجاد شده بین الکترود های گرافیتی و بار فلزی، کار می کنند. در این روش، ابتدا آهن اسفنجی تولید شده در فرآیند احیای مستقیم. درون کوره قوس الکتریکی ریخته می شود تا ذوب گردد. دمای این کوره ها به حدی است. که در همان ذوب اولیه فولاد با درصد کربن نسبتاً پایین تولید می شود. سپس فولاد تولید شده درون کوره پاتیلی ریخته می شود تا در آنجا عملیات آلیاژ سازی انجام شود. این عملیات شامل تنظیم کردن میزان کربن، اضافه کردن عناصر آلیاژی و یکدست سازی ترکیب فولاد است.

تاریخچه فرآیند اختراع و ساخت کوره های قوس الکتریکی امروزی به قرن نوزدهم باز می گردد. اختراع اولیۀ کورۀ قوس الکتریکی بوسیلۀ همفری دیوی (Humphry davy) در سال 1808 اتفاق افتاد. همفری دیوی توانست یک قوس الکتریکی با نور شدید و دمای بالا بوجود آورد. البته اکتشاف آقای دیوی در آن زمان توجه زیادی را به خود جلب کرد. اما این اکتشاف برای چندین سال در حد یک کنجکاوی علمی باقی ماند. و هیچ کس نتوانست آن را به صورت عملی به کار گیرد.

اما بالاخره در سال 1878 فردی به نام ارنست ویلیام زیمنس (William Siemens) اولین کورۀ قوس الکتریکی را ساخت. او توانست در یک آزمایش 2 کیلوگرم آهن قراضه را ظرف 20 دقیقه بوسیله قوس الکتریکی ذوب کند. که در آن زمان موفقیت بزرگی بود و در سال های بعد سبب تحول چشمگیری در صنعت ذوب آهن شد.

کوره های اولیه

اما پل هرولت (Paul Heَroult) اولین کورۀ قوس الکتریکی تجاری را در سال 1900 در شهر لپراز فرانسه ساخت.

فولادسازان آمریکایی بسرعت متوجۀ مزیت های ذوب الکتریکی شدند. و به همین منظور از هرولت دعوت کردند که بازدیدی از امکانات کشور آنها داشته باشد. بعد از آن به کمک پل هرولت در سال 1907 اولین کوره قوس الکتریکی. در کارخانه شرکت فولادسازی هالکوم (Halcomb) در نیویورک نصب شد.

در ابتدا دستیابی به قوس الکتریکی به علت عدم تأمین برق بسیار محدود و گران بود. به تدریج با توسعۀ صنعت برق، کوره های قوس الکتریکی نیز توسعه پیدا کردند. و بتدریج کوره های بزرگ تری ساخته شدند. که بزرگترین آن تا کنون توسط شرکت دانیلی ایتالیا با وزن 420 تن ساخته شده. که کارخانه فولادسازی توکیو در سال 2010 راه اندازی کرده است.

اجزای ساختمان کوره های قوس الکتریکی

بدنۀ کوره

کوره های قوس الکتریکی اساساً یک حمام بزرگ و کم عمق با بدنۀ فولادی هستند. که با مواد نسوز مقاوم در برابر حرارت پوشش داده می شوند.

همچنبن دما در این کوره ها بسیار بالا است. (حدود 3000 درجه سانتی گراد) و تقریباً هیچ ماده نسوزی تحمل چنین دمایی را ندارد. به همین علت با کاهش دماف بدنه و سقف این کوره ها را با لوله های آبگرد می پوشانند.

بطور کلی بدنۀ کوره های قوس الکتریکی از سه بخش اصلی تشکیل شده است. که عبارتند از: کف یا بوته (heats) دیوار جانبی (shell) و سقف (roof).

  • سقف کوره (roof): بصورت یک کلاهک است و معمولاً به گونه ای طراحی می شود. که هم سبک باشد و هم استحکام لازم را داشته باشد. در سقف کوره های قوس الکتریکی معمولاً سه سوراخ قرار دارند که این سه منفذ محل عبور الکترودها هستند. در کوره های قوس الکتریکی معمولاً سقف به گونه ای طراحی می شود که همراه با الکترودها قابل حرکت باشند.
  • دیوار جانبی کوره (shell): عموماً به صورت استوانه ای هستند. و با مواد نسوز و همچنین لوله های آبگرد پوشیده شده است.
  • کف یا بوته کوره (heats): حالت قوسی شکل دارد. و برعکس سقف آن عمقش نسبتاً کم و سطح آن زیاد است. تا فصل مشترک مذاب با سرباره بیشترین مقدار باشد.

تجهیزات الکتریکی

تجهیزات الکتریکی از مهم ترین اجزای تشکیل دهندۀ کوره های قوس الکتریکی می باشد. که از سه قسمت تشکیل شده است.

  1. کلید قطع و وصل مدار
  2. راکتور و ترانسفور ماتور
  3. تنظیم کننده های الکترود

کلید قطع و وصل مدار

به خاطر مصرف خیلی زیاد انرژی در کوره های قوسی. این کوره ها به یک منبع الکتریکی فشار قوی متصل می شوند. در این میان کلید خودکار وظیفۀ حساس و مشکلی دارد. زیرا که در هر ذوب کوره حدود 5 یا 6 دفعه برق قطع می گردد. در نتیجه ضروری است که از یک کلید قطع و وصل فوق العاده مقاوم استفاده شود.

راکتور و ترانسفورماتور

راکتور برای پایین آوردن نوسان ها و افزایش ناگهانی ولتاژ مورد استفاده قرار می گیرد. راکتور از یک سیم پیچ ساده که جریان الکتریکی از آن عبور می کند تشکیل شده است. جریان عبور کننده از سیم پیچ، ولتاژی را القا می کند. که سبب ایجاد یک جریان مخالف در سیم پیچ مجاور می شود. به این ترتیب راکتور وارد خط شده و جلوی جریان را می گیرد. و در نتیجه باعث پایین آمدن نوسان ها می شود.

در قسمت دیگر مدار، ترانسفورماتور قرار گرفته است. که مهم ترین قسمت تجهیزات الکتریکی می باشد.

ترانسفورماتور اساساً یک وسیلۀ الکترومغناطیسی است. که میزان و جهت تغییر ولتاژ یک منبع جریان متغیر را. به میزانی که برای دستگاه مورد نیاز باشد، تنظیم می نماید. ترانسفورماتور نیز اساساً از دو سیم پیچ اولیه و ثانویه تشکیل می شود. این دو سیم پیچ دارای یک مدار مغناطیسی مشترک هستند. که آن دو را به هم متصل می نماید.

تنظیم کننده های الکترود.

در حین ذوب اعمال حداکثر توان کوره ضروری است. زیرا که قراضه ها داخل حمام مذاب ریخته شده اند و مقاومت شارژ کوره دائماً تغییر می کند. علاوه بر این الکترودها فرسوده می شوند و کم کم طول قوس بیشتر می شود.

طول قوس، قدرت ورودی کوره را تعیین می کند. به همین دلیل وسایل و تجهیزات فراوانی برای اندازه گیری آن ساخته شده است. که به آنها تنظیم کننده گفته می شود.

این تجهیزات میزان اختلاف توان مطلوب ورودی را با قدرت وارده اندازه گیری می کنند. و برای تطابق دقیق آنها و همچنین طول قوس مطلوب. الکترودها را بالا و پایین می برند و در نتیجه قدرت ورودی یکنواخت می شود.

الکترودها

یکی دیگر از اجزای اصلی کوره های قوس الکتریکی الکترودها هستند. کار الکترودها انتقال جریان از بازوهای الکترود به بار کوره از طریق ایجاد قوس الکتریکی می باشد.

الکترودهای گرافیتی و زغالی از مهم ترین مواد مصرفی در کوره های قوس الکتریکی هستند. این الکترودها تأثیر زیادی در کیفیت مذاب و البته تولید محصول داشته. و از نظر اقتصادی نیز سهم قابل توجهی از هزینه ها را به خود اختصاص می دهند. برای تولید مذاب با کیفیت باید از الکترودهای با خواص مشخصی استفاده کرد.

همچنین یک الکترود خوب باید خواصی به شرح زیر داشته باشد

  • هدایت الکتریکی خوب
  • مقاومت مکانیکی بالا
  • مقاومت در مقابل اکسایش به ویژه در درجه حرارت بالا
  • حاوی حداقل مواد مضر مانند گوگرد و …
  • تهیه ارزان قیمت آنها

در صنعت معمولاً براساس میزان تولید فولاد و فروآلیاژهای مورد نیاز. از سه نوع الکترود استفاده می شود که به ترتیب عبارتند از:

  • الکترودهای زغالی
  • الکترودهای گرافیتی
  • الکترودهای زینتر شده

الکترودها به دو شیوۀ زیر مصرف می شوند:

  1. مصرف جانبی ناشی از اکسایش که به لاغر شدن ستون الکترود (به سوی نوک آن) می انجامد.
  2. مصرف نوک الکترود/

داده های فراوانی دربارۀ سایش نوک و جوانب الکترود یافت می شود. که عموماً این داده ها را براساس آهنگ سایش برحسب کیلوگرم گرافیت در ساعت بر متر مربع بیان می شود.

همانطور که گفته شد در حین عمل ذوب در کوره قوس الکتریکی. الکترودها به دلایل مختلف از جمله اکسیداسیون، تصعید و شکستگی، از بین می روند. در نتیجه تعویض مرتب الکترودها ضروری می باشد. به همین جهت بخش انتهایی هر یک از الکترودها دارای یک سرپیچ گرد مخروطی شکل است. که داخل آن می توان یک مغزی پیچ داد. به همین ترتیب الکترودها به یکدیگر پیچ شده و به طور پیوسته در داخل مذاب مصرف می شوند.

نکته ای که در ارتباط با اتصال الکترودها باید توجه داشت این است که اگر اتصال الکترودها سست باشد. جریان به جای اینکه از تمام الکترود باعث افت زیاد انرژی الکتریکی میشود. به این ترتیت سست بودن اتصال الکترودها باعث افت زیاد انرژی الکتریکی می شود. البته باید توجه داشته باشیم که بیش از حد محکم کردن الکترودها. نیز منجر به شکاف برداشتن آن در ناحیه گردن می شود. که به هیچ عنوان برای ما مطلوب نمی باشد. در نتیجه می توان گفت، اهمیت اتصال های محکم در صرفه جویی انرژی الکتریکی می باشد.

مراحل ذوب آهن و فولادسازی در کوره های قوس الکتریکی

مواد مصرفی اولیه

دو ماده اصلی در کورۀ قوس الکتریکی، آهن قراضه و آهن اسفنجی می باشند. ابتدا در کوره مقداری آهن قراضه شارژ می کنند. و آن را به وسیله ایجاد قوس الکتریکی ذوب می نمایند. و سپس آهن اسفنجی در کوره شارژ می نمایند. خواص فیزیکی قراضه در عملیات ذوب کوره های قوس الکتریکی اثر مهمی دارد. عدم انتخاب صحیح مواد اولیه ممکن است منجر به شکستن الکترودها یا سرریز شدن فولاد مذاب یا حتی انفجار گردد. در عمل سعی می شود از انواع قراضه در کوره استفاده شود. تا معایب به حداقل برسد و عملیات کوره بهینه باشد.

گذشته از مواد اولیه آهن دار که بخش اصلی شارژ کوره های قوس الکتریکی را تشکیل می دهند. مواد دیگری به عنوان کمک ذوب، سرباره زا. روان ساز با موادی جهت آلیاژ کردن یا تصحیح ترکیب نهایی مذاب مورد نیاز می باشند. گاهی اوقات افزودن کربن نیز جهت تنظیم آنالیز نهایی ذوب یا برای بالا بردن مقدار کربن فولاد لازم است.

کمک ذوب ها که مهمترین آنها آهک است جهت تشکیل سرباره ها و اثر گذاشتن بر واکنش های شیمیایی. در مراحل مختلف تصفیه متالورژیکی به کوره افزوده می شوند. عناصر آلیاژ کننده که اکثر آنها مواد فلزی هستند جهت رسیدن به ترکیب نهایی دلخواه به ذوب افزوده می شوند. موادی که قسمت زیادی از عناصر آلیاژی را دارند فروآلیاژ نامیده می شوند. علاوه بر این مواد، مواد دیگری از قبیل فرومنگنزهای کم کربن. و پرکربن و فروسیلیکومنگنز و فروسیلیسیم و سایر فروآلیاژها نیز افزوده می شوند.

یکی دیگر از مواد مصرفی در کوره، عناصر آلیاژکننده هستند. این عناصر که معمولاً در تولید فولادهای کربنی کم آلیاژ، پر آلیاژ و فولادهای زنگ نزن مصرف می شود. شامل سیلیکون، منگنز، نیکل، کروم و مولیبدن هستند. این عناصر را به صورت ترکیبی با سایر عناصر به فولاد مذاب می افزایند. که معمولاً ترکیب با آهن انجام می گیرد. گاهی اوقات نیز از آلیاژهای دوتایی یا سه تایی که مقدار آهن آن کم است. مثل فروسیلیکو منگنز استفاده می شود.

فرآیند ذوب گرفتن آهن

برای ذوب و جداسازی مواد و تصفیه از دو روش اسیدی و بازی استفاده می شود. در روش اسیدی که آستر کوره نیز باید متناسب با آن انتخاب شود. آهن قراضه و مواد خام بایستی درصد گوگرد و فسفر پایین داشته باشند. زیرا امکان جدا کردن این مواد در این روش وجود ندارد. هزینه پایین مواد نسوز و دوام بیشتر آسترها و مصرف کمتر انرژی. و سیالیت و روانی بیشتر مذاب و سیالیت کم سرباره از مزایای این روش می باشد. ولی مصرف قراضه های مخصوص کاربرد آن را بسیار محدود نموده است. در این روش مواد شارژ به همراه مقداری مواد کربن زا به کوره ریخته می شود. و هیچ نوع مواد سرباره زا به کوره افزوده نمی گردد. و پس از عملیات ذوب مقداری ماسه و در مواردی 1 الی 3 درصد سنگ آهک به آن می افزایند.

در روش بازی نیز کوره با آستر مناسب بایستی انتخاب گردد روش بازی روشی آسان تر برای ساخت فولاد است. و با استفاده از تخلیه سرباره می توان باعث کاهش گوگرد و فسفرزدایی تا میزان بسیار زیاد گردید. و تبدیل نارمرغوب ترین قراضه به فولاد مرغوب را امکان پذیر می سازد. این روش ممکن است به صورت یک سرباره ای یا دو سرباره ای انجام گیرد.

در مجموع روش بازی مورد استفاده بیشتری دارد. و استفاده از مواد سرباره زا چون آهک و روان ساز چون فلوئوراسپار در آن معمول است. در مجتمع فولاد مبارکه اصفهان از این روش استفاده می گردد.

همانطور که قبلاً نیز گفته شد برای انجام ذوب و طریقه عملی استفاده از گندله احیا شده. داشتن یک حوضچه مذاب آهن در آغاز و شارژ آهن اسفنجی بدان است. این حمام مذاب در ابتدا توسط قراضه ها تشکیل می شود. در هر کوره سه الکترود از سقف کوره عبور کرده. و بر بالای مذاب و در داخل آن قرار می گیرد. در حالی که هر یک از الکترود به یک فاز جریان برق متصل می گردند. جریان از هر الکترود به داخل بار کوره جریان می یابد. و منجر به ایجاد حرارت زیاد و در نتیجه ذوب مواد کوره می شود.

الکترود بسته به کیفیت بار و میزان بار حرکت عمودی نوسانی به بالا و پایین دارند. که در نتیجه طول قوس ایجاد شده تغییر کرده و مقدار حرارت لازم برای ذوب تنظیم می گردد. در ابتدا جریان بالا با ولتاژ بالا جهت استفاده از حداکثر انرژی اعمال می گردد. با برقراری جرقه و ذوب قراضه ها. در هنگامی که درجه حرارت به 1550 برسد شارژ آهن اسفنجی به کوره آغاز می شود. و به تدریج ولتاژ نیز به مقدار مطلوب کاهش می یابد. در این خلال آهک و فلوئورین جهت تشکیل سرباره به کوره افزوده می شوند. اگر بخواهیم در ارتباط با فرایند ذوب، جمع بندی شود، می توان فرآیند ذوب را در سه مرحله خلاصه شود.

  1. معمولاً مرحله شروع ذوب با ولتاژ متوسط قوس الکتریکی آغاز می شود. تا از صدمه زدن قوس به سقف جلوگیری شود.
  2. وقتی الکترودها به داخل بار وارد شدند، ولتاژی انتخاب می شود که حداکثر انرژی ورودی را به کوره بدهد.
  3. وقتی حوضچه مذاب ایجاد شد، میزان ولتاژ را به مقدار متوسط کاهش می دهند. تا از آسیب رساندن تشعشع به آسترهای نسوز جلوگیری شود. به محض اینکه سه چهارم بار ذوب شد. یا حوضچه فرورفت، روش معمول این است که الکترودها را بالا می کشند. و قراضه های گداخته شده باقیمانده را که در قسمت های دیگر کوره موجودند. با هم (مذاب) مخلوط کنند، که این کار را بوسیلۀ میله مخصوص و یا جابجا کردن قراضه ها. و یا بوسیله لوله مخصوص دمش اکسیژن انجام می دهند.

فولاد رسول دلاکان

با سالها تجربۀ ارزشمند و گرانبها در عرصه تأمین و توزیع انواع ورق آلیاژی و انواع فولاد آلیاژی. با گواهینامه ها و آنالیزهای معتبری که ضمیمه محصولاتش به مشتریان خویش ارائه داده است. توانسته رضایتمندی مشتریان خویش را همواره فراهم آورد.

صنعتگر شریف و گرامی از اینکه ما را جهت خرید کالا (فولاد آلیاژی) مورد نیاز خویش. انتخاب می نمایید از شما سپاسگزاریم.

ارتباط با ما
09122136675 – 02128423820-09922704358
واتس آپ: 09122136675
اینستاگرام: fooladdalakan
ایمیل : [email protected]