رفتار آهن اسفنجی در ذوب با کوره القائی

.: / رفتار آهن اسفنجی در ذوب با کوره القائی :.

رفتار آهن اسفنجی در ذوب با کوره القائی

رفتار آهن اسفنجی در ذوب با کوره القائی

 

مترجم: حامد نامدار اصل، شرکت آذرغلطک

Azarghaltak.Com

منبع: K.N. GUPTA, A.M. PANDE AND A. K. VAISFI، National Metallurgical Laboratory, Jamshedpur-831007(india)

 

 

چکیده

آهن اسفنجی[1]،  با ثبات در ترکیب شیمیایی و پایین بودن عناصر مضر به خصوص فسفر و گوگرد پایین توجه ریخته گری های متوسط و بزرگ را برای تولید قطعات ریختگی با کیفیت فولادی، جلب نموده است. آهن اسفنجی یکی از مواد اولیه جایگزین قراضه برای ذوب در کوره های القائی است. آزمایشگاه ملی متالورژی برای ذوب آهن اسفنجی درکوره های القائی و بهینه سازی رفتار ذوب آن آزمایشاتی را انجام داده است. استفاده از آهن اسفنجی در صورت شارژ به صورت مداوم می تواند تا 100 درصد در کوره های القائی استفاده شود.

 

مقدمه

آهن قراضه معمولا منبع اصلی شارژ برای تولید فولاد در کوره های القائی است. کمیابی قراضه در کنار نوسانات ترکیب شیمیایی، اندازه های متفاوت و مشکلات تامین، همه واحدهای کوچک فولاد ریز را که دارای کوره القائی هستند، نگران نموده است، بنابراین نوسانات بازار آهن قراضه انگیزه ای را برای جایگزینی آهن اسفنجی با آهن قراضه ایجاد کرده است.کیفیت نامطلوب، قیمت های متغیر و در دسترس نبودن قراضه در مقایسه با ثبات ترکیبی آهن اسفنجی و پایین بودن سطح عناصر مضرر به خصوص پایین بودن میزان گوگرد و فسفر توجه فولاد ریزان بزرگ و متوسط را برای تولید فولادهای با کیفیت جلب نموده است.

در گذشته تلاش هایی برای توسعه تکنیک تولید فولاد در کوره های القائی بدون هسته با استفاده از آهن اسفنجی انجام شده است [1-6] اما در این تلاش ها بیشتر توجه بر روی مطالعه اثر تشکیل سرباره، خوردگی جداره نسوز و میزان توان مصرفی بوده است. در یک فرآیند طبیعی در کوره القائی قبل از افزودن آهن اسفنجی یک حجمی از مذاب درکوره ایجاد میشود، اما به دلیل قابلیت هدایت حرارتی پایین سرباره، با سرد شدن آن یک توده سخت بر روی مذاب به وجود می آید که افزودن آهن اسفنجی بیشتر برای تغذیه مذاب را دشوار می نماید. این مشکل را میتوان با استفاده از روش شارژ مداوم و سرباره گیری به طور متناوب رفع نمود. شکل (1) در آزمایشگاه ملی متالورژی هند(NML) تلاش هایی برای مطالعه رفتار ذوبی آهن اسفنجی در کوره های القائی بدون هسته انجام گرفت تا بتوان عوامل موثر در زمینه تولید فولاد های کیفی را بهینه کرد.

آزمایشات

ذوب در کوره القایی با آهن اسفنجی های متفاوت مورد بررسی قرار گرفت. الف_ رفتار انحلالی تک ذرات  در سرباره های بازی و اسیدی در درجه حرارت ثابت، ب_ سرعت ذوب در دمای ثابت با افزودن مقادیر مختلف آهن اسفنجی به کار رفته در این آزمایشات با دو فرآیند مختلف تولید شده بودند:

1- ( فرآیند احیا در کوره دوار با شعله مستقیم و در بستر زغال سنگ[2]، 2_( فرآیند احیا در کوره عمودی با شعله غیرمستقیم و در بستر زغال سنگ[3]

ترکیب شیمیایی و خصوصیات فیزیکی هر دو نوع آهن اسفنجی به کار رفته در جدول های 1و 2و 3 ارایه شده است. از یک کوره القائی بدون هسته فرکانس متوسط TOCCO برای این تحقیق استفاده شده است. مطالعات انجام شده شامل بررسی رفتار ذوبی ذرات جدا از هم و توده ای آهن اسفنجی، اثر وزن مخصوص بر سرعت ذوب و تغییرات سرعت ذوب آهن اسفنجی در واحد وزنی حمامی مذاب با تغییرات درجه حرارت بوده است. ذوب آهن اسفنجی در کوره القائی همراه با مشکلاتی در خصوص الزامات یک حمام ذوب و تشیکل سرباره ناشی از مواد کانی است. سرباره از نظر الکتریکی غیرهادی می باشد و فقط با جذب حرارت از حمام مذاب ذوب می شود و به دلیل اینکه نسبت به ذوب بسیار سبکتر است بر روی سطح حمام مذاب باقی مانده و بعد از تشیکل یک لایه جامد مانع افزوده شدن آهن اسفنجی به داخل حمام مذاب می شود. بررسی بر روی سرعت بهینه افزودن آهن اسفنجی به داخل کوره القائی جهت انجام یک ذوب مداوم انجام شد. سرباره گیری مذاب به طور متناوب انجام می گردد تا امکان افزودن حداکثر میزان آهن اسفنجی به ذوب فراهم شود اما حمام مذاب همواره با یک لایه سرباره پوشیده شده و در این حال رفتار انحلالی تک ذرات آهن اسفنجی در سرباره های اسیدی و بازی در درجه حرارت ثابت بررسی شد. در شکل های 5 و 6 ترکیبات شیمیایی سرباره ها ارایه شده است. در این تحقیق 70 درصد مذاب کوره در هر مرحله تخلیه شده و 30 درصد به عنوان پاشنه ذوب جهت افزودن آهن اسفنجی حفظ گردید و سرباره نیز به طور متناوب از سطح مذاب برداشته می شد. آزمایشات جهت تعیین سرعت ذوب بهینه در °C 1300 با تغییرات در نسبت آهن اسفنجی شارژ شده به حمام مذاب انجام گردید. سری اول آزمایشات با افزودن هر دو نوع آهن اسفنجی همانگونه که در قبل اشاره شد، به یک حمام مذاب با کربن بالا در °C 1300 صورت گرفت. نتایج این سری از آزمایشات با ایجاد یک حمام مذاب به وزن 7 کیلوگرم به دست آمد. از آنجا که هر دو نوع آهن اسفنجی مدل های سرعت ذوب یکسانی از خود نشان دادند تصمیم گرفته شد برای ادامه آزمایشات از یک نوع آهن اسفنجی NML در درجه حرارت های مختلف استفاده شود. آزمایشات بعدی با حمام مذابی به وزن 5 کیلوگرم انجام شد و در درجه حرارت های مختلف اثرات سرعت ذوب با نسبت های وزنی مختلف از آهن اسفنجی مورد بررسی قرار گرفت. درجه حرارت حمام مذاب در جریان ذوب آهن اسفنجی به وسیله پیرومتر نوری و همچنین ترموکوپل Pt/13% , Pt/Rh  اندازه گیری گردید.

 

نتایج و بررسی

-1 مشخصات ذوبی ذرات آهن اسفنجی

زمان ذوب آهن اسفنجی به صورت ذرات جدا از هم تحت تاثیر نوع سرباره، اندازه ذرات و وزن مخصوص آن ها بوده است. در شکل 2 میانگین زمان ذوب با یک انحراف استاندارد از آهن اسفنجی NML در یک سرباره بازی و در °C 1300 و در شکل 3 میانگین زمان ذوب با یک انحراف استاندارد از آهن اسفنجی NML و همچنین SAIL در یک سرباره اسیدی در °C 1300 نشان داده شده است. به خوبی مشاهده می شود که سرباره اسیدی ذوب را تسهیل می نماید زیرا در آهن اسفنجی NML  زمان ذوب با سرباره بازی 8/7 ثانیه بوده در حالی که در سرباره اسیدی این زمان به 1/7 ثانیه کاهش یافته است. میانگین زمان ذوب آهن اسفنجیSIAL  در سرباره اسیدی و در  °C 1300 بالاتر از آهن اسفنجی NML بوده که این موضوع به دلیل گسترده بودن تفاوت اندازه ذرات (جدول2) می باشد. شکل 4 رگراسیون[4] نتایج سرعت ذوب را در مقابل وزن مخصوص ذرات برای هر دو نوع آهن اسفنجی در °C 1300 نشان میدهد. این نتایج نشان دهنده اثر مفید وزن مخصوص بالاتر بر سرعت ذوب برای آهن اسفنجی NML است. جمع بندی بررسی ذوب ذرات با توجه شرایط فیزیکی و شیمیایی این است که جهت حصول به بهترین نتایج آهن اسفنجی باید توزیع اندازه ذرات نزدیک به هم داشته، وزن مخصوص بالاتر و درجه فلزی بودن بیشتر از 92 درصد داشته باشد. ذوب با سرباره اسیدی نیز بهتر از سرباره بازی است.

2 -خصوصیات ذوبی افزودن توده آهن اسفنجی به حمام ذوب

نرخ ذوب آهن اسفنجی در یک حمام مذاب در یک درجه حرارت خاص تابعی از میزان انرژی اضافی ورودی بیشتر از نقطه ذوب آن و ذرات در اختیار جهت ذوب است. از نقطه نظر منطقی حداکثر سرعت ذوب با بهینه سازی دو عامل به دست می آید. شکل 5 تغییرات سرعت ذوب در محدوده افزودنی 05/0 تا 25/0 کسر وزنی در °C 1300 برای هر دو نوع آهن اسفنجی را نشان میدهد. بالاترین سرعت ذوب برای کسر وزنی 0/07  در دقیقه در °C 1300 گویای این مطلب است که میزان انرژی اضافی ورودی به یک حمام مذاب می تواند در هر دقیقه معادل 07/0 وزن خود، آهن اسفنجی جذب و ذوب نماید. این موضوع اساس شارژ مداوم آهن اسفنجی به حمام مذاب کوره ها را شکل می دهد و هر دو نوع آهن اسفنجی از این نظر رفتار مشابهی را نشان دادند. در ادامه، آزمایشاتی بر روی ذوب آهن اسفنجی NML در درجه حرارت های 1300، 1400،1500 و °C 1600 انجام شد که در شکل های 6 و 7 نتایج به دست آمده ارایه شده است:

الف_ سرعت ذوب با افزایش درجه حرارت حمام در تمامی افزودن ها مرتباً افزایش یافت.

ب_در هر نوع آهن اسفنجی بالاترین سرعت ذوب برای تمام درجه حرارت ها با تنظیم بهینه فوق گداز حمام مذاب به دست آمده است.

پ_ حداکثر سرعت ذوب با نسبت های وزنی آهني اسفنجي 07/0،14/0 ، 19/0 ، 23/0 در دقیقه به ترتیب در 1300 ، 1400 ، 1500 و 1600°C به دست آمد که نشان دهنده امکان ذوب مداوم است در حالی که با افزایش سرعت شارژ مقادیر مذکور افزایش نیافته است.

ت_حداکثر سرعت ذوب به طور مستمر با افزایش درجه حرارت تا °C 1500 افزایش یافته و بعد از آن و بیش از °C 1600 تغییرات غیریکنواخت می گردد. در شکل 6 تغییرات حداکثر سرعت ذوب با تغییر درجه حرارت نشان داده شده است.

 

مشکلات ذوب آهن اسفنجی در کور ه های القائی

برای ذوب در کوره های القائی آهن اسفنجی با درجه فلزی بالا و درصد پایین کانی همراه، مورد نیاز است. درصد اکسید آهن پایین برای ایمنی بیشتر و مصرف انرژی کمتر اهمیت دارد. هرگاه حجم زیادی از آهن اسفنجی با درجه فلزی پایین وارد یک حمام مذاب با درجه حرارت بالا و درصد کربن بالا شود یک جوشش کربن شدید به وجود می آید. چنین جوشیدن شدیدی برای ادامه فرآیند ایجاد اختلال کرده و می تواند از نظر ایمنی بسیار خطرناک نیز باشد. حتی هنگامی که آهن اسفنجی درجه فلزی بالای دارد باردهی آن باید از نظر میزان شدت واکنش تحت کنترل انجام گردد. خط بالایی در نمودار شکل 8  ارتباط مقدار اکسید آهن در آهن اسفنجی شارژ شده را در قالب تابعی از درجه فلزی بودآن و خط پایینی میزان اکسید آهن در ارتباط با سرباره به شکل درصدی از آهن اسفنجی، نشان می دهد. این نمودار نشان می دهد که 65 درصد اکسید آهن در کوره القائی تا هنگامی که شرایط اکسیدی حاکم باشد احیا می گردد. شکل 9 تاثیر درجه فلزی بودن بر مصرف انرژی را نشان می دهد به طوری که مشاهده میشود با کاهش درجه فلزی بودن میزان مصرف انرژی افزایش می یابد. این موضوع ظرفیت ذوب دهی کوره را پایین آورده و به علاوه مصرف کربن و فروسیلیسيم مورد نیاز جهت حصول به ترکیب شیمیایی مورد نظر را افزایش می دهد.

 

اصلاحات پیشنهادی برای شارژ مداوم و ذوب آهن اسفنجی در کور ه های القائی

آماده سازی ذوب مداوم با مشکل سرد شدن سرباره و به وجود آمدن یک لایه سخت بر روی کوره مواجه است. بنابراین مقدماتی برای غلبه بر مشکلات ذوب مداوم با 100 درصد آهن اسفنجی NML پیش بینی گردید. کوره القائی بوته ای به حالت کج نگه د اشته شد تا خروج سرباره در جریان ذوب تسهیل شود. شکل (10 ) زاویه کج شدن کوره می تواند مطابق با حجم حمام مذاب تغییر کند، بنابراین کل ظرفیت کوره القائی بدون بروز مشکلی قابل استفاده خواهد بود. در هر صورت، خصوصیات سرباره و متناسب با آن، عمر جداره دیرگداز فرکانس مناسب، شکل و وضعیت دلخواه سطح بالایی مذاب و پرهیز و جلوگیری از تشیکل سرباره سخت، از نکاتی هستند که قبل از به کارگیری کوره القائی می باید مورد توجه قرار گیرند.

 

جمع بندی

1-تجارب ذوب آهن اسفنجی در کوره های القائی نشان می دهد که بهترین فرآیند ذوب آهن اسفنجی در شرایطی به دست می آید که اندازه ذرات آهن اسفنجی در یک دامنه نزدیک به هم بوده و درجه فلزی بودن آن نیز بیش از 90 درصد و همچنین وزن مخصوص ذرات نیز حتی المقدور بالا باشد.

-2 وجود یک سرباره یکنواخت اسیدی به ذوب آهن اسفنجی کمک می نماید.

3 -سرعت ذوب با افزایش درجه حرارت افزوده می شود. این موضوع نیازمند کنترل دقیق سرعت شارژ آهن اسفنجی به حمام فلز مذاب است.

4- در صورت انجام اصلاحات لازم میتوان تا 100 درصد آهن اسفنجی را به صورت شارژ مداوم در کوره های القائی فرکانس متوسط ذوب نمود.

 

مراجع

[1]V. Grumbrecht, D. Karsten and H .W.Lownie – Melting of Sponge Iron in Coreless Induction Furnace, AFS Transactions 1975.

[2]S. Pantke and C.Queens – Metallurgy of Sponge Iron Melting in Coreless Induction Furnace – Proceedings of International Iron and Steel Congress,Dusseldorf, 1974, V. II, Paper 3 .1.2.3.

[3]H.D.Pantke and C.Queen, Isimclt – A new Process for Steelmaking, Proceedings of 2nd ILAFA Seminar on Direct Reduction, Porto Algere, Brazil, 1975.

[4]D.Pantke, and C. Queens, The Proceedings of Sponge Iron in Crucible induction furnace , Stah and Eisen , 94 (1974) Nr.23, Nov.7, pp.1114-1120.

[5]W. Wenzel, F.R.Block and V.Grumbrecht, Meltdown of sponge iron in Induction Furnace, Stahl and Eisen 95, No.11, May 22, 1975, pp.496-502.

[6]Dotsch, Sponge Iron as burden in Foundry, Electrowacme International 32(1974) B5 D273-77 (In German).

 

جدول 1-ترکیب شیمیایی آهن اسفنجی

 

جدول2- دانه بندی آهن اسفنجی

 

جدول3- تراکم توده ای و وزن مخصوص آهن اسفنجی

 

شکل1-  روش شارژ مداوم آهن اسفنجی در کوره های القایی فرکانس متوسط

 

شکل2- میانگین سرعت ذوب و و انحراف استاندارد (δ) آهن اسفنجی NML در کوره القایی فرکانس متوسط با سرباره بازی در °C 1300

 

شکل3- میانگین سرعت ذوب و و انحراف استاندارد (δ) آهن اسفنجی NML در کوره القایی فرکانس متوسط با سرباره اسیدی در °C 1300

 

شکل4 – رگراسیون مقادیر سرعت ذوب در وزن مخصوص های مختلف آهن اسفنجی با سرباره بازی از °C 1300

 

شکل 5-بهینه سازی سرعت ذوب آهن اسفنجی در حمام چدن مذاب(C=3.9, Si=1.7) به وزن 7 کیلوگرم در یک کوره القائی با درجه حرارت ثابت °C 1300

 

شکل 6 -بهینه سازی سرعت ذوب آهن اسفنجی در حمام چدن مذاب(C=4.5-3.5, Si=1.7-1.9) با درجه حرارتهای مختلف

 

شکل 7- تغییرات حداکثر سرعت ذوب با افزایش درجه حرارت درحمام مذاب کوره القائی

 

شکل 8- تاثیر درجه فلزی بودن آهن اسفنجی بر مقدار اکسید آهن موجود در شارژ و سرباره برحسب درصد آهن اسفنجی شارژ شده

 

شکل9- تأثیر درجه فلزی بودن آهن اسفنجی بر مصرف انرژی در هنگام ذوب دسته ای در یک کوره القایی بدون هسته

 

شکل10- تنظیمات ایجاد شده برای ذوب مداوم آهن اسفنجی (NML)در کوره القائی

 


[1] DRI(Direct reduced iron)

[2] (SAIL)RDCIS

[3] NML

[4] Regression (وجود یک رابطه همبستگی بین متغییر ها برای تخمین روابط بین متغیر ها)

 

 


دانلود فایل PDF مقاله


 

دیدگاه بگذارید

avatar
  Subscribe  
اطلاع رسانی