دانلود مقاله کاربرد مواد دیرگداز در صنایع آهن و فولاد

حدود 70% کل تولیدات مواد نسوز در صنایع تولید آهن و فولاد مصرف می شود. بسیاری از تولید کنندگان فولاد در مراکز خود دارای پخش دیرگداز هستند که در این بخشها آزمایشهای متداول و معینی بر روی دیرگدازهای جدید دریافت شده انجام می دهند. بعضی از کارخانه ها نیز بخش های بزرگ تحقیقاتی دارند که در آنها تحقیقات مداومی بر روی ساخت انواع دیرگدازهای جدید صورت می پذیرد.

مذاب فلزات و سرباره اثرات مخربی بر روی آستر کوره های مورد مصرف در صنایع آهن و فولاد دارد. این مواد موجبات آلودگی، پوسیدگی، سائیدگی، شستن و حمل کردن آجرهای دیرگدازی را که ظاهراً باید در مقابل عوامل شیمیائی سخت و مقاوم باشند را فراهم می سازند. هدف اصلی طراحان و سازندگان مواد نسوز اینستکه موادی برای آسترها تهیه کنند که فلز و سرباره نه در آنها نفوذ نماید و نه با آنها وارد واکنش گردند. ایده آل این طراحان ساخت موادی است که بدون عیب بوده و مقاوم در مقابل شوکهای حرارتی باشند، البته آنها باید در عمل این ایده خود را تعدیل بخشند.

تولید آهن در کوره بلند

علیرغم احتمال وجود رقابتهائی از طرف روش احیا مستقیم در آینده، بنظر میرسد که استفاده از کوره بلند برای تهیه آهن خام لااقل برای سالهای زیاد دیگری همچنان متداول باقی بماند. شواهد و قرائن بسیاری تمایل بیشتر برای استفاده از کوره های بزرگتر از جانب تهیه کنندگان را نشان می دهد. استفاده از درجه حرارتهای بالاتر، دمش اکسیژن اضافی و کار در فشارهای بالاتر، شرایط انتخاب و کاربرد مواد نسوز بهتر، دقیقتر و بحرانی تری را فراهم می سازد.

کوره بلند عبارتست از یک سیلندر مخروطی فولادی که آستر آن بدلیل شرایط متفاوت ساختمان هر قسمت از کوره. توسط مواد دیرگداز مختلفی پوشیده شده است مواد شارژ شامل سنگ معدن آهن، کک و آهک از دهانه بالای کوره که می تواند تا حدود 36 متر نیز ارتفاع داشته باشد، وارد کوره بلند می گردد. هوای پیش گرم شده اغلب بهمراه مواد دیگری چون اکسیژن، بخار آب و دیگر گازها از میان لوله هایی بدرون توده شارژ دمیده می شود. در نتیجه این عمل کک سوخته و به CO2 تبدیل می گردد و آهن موجود در سنگ معدن شارژ را احیاء کرده و به آهن فلزی تبدیل می کند. واکنش زیر محصول کوره بلند را نشان می دهد:

مذاب آهن تهیه شده در ته کوره جمع آوری می گردد تا اینکه یا مستقیماً تحویل کوره فولاد سازی شود و یا برای انجام عملیات بعدی، ریخته گری و سرد گردد.

کوره بلند بر اساس تبادل متقابل انرژیهای شیمیائی و حرارتی عمل می کند. علیرغم وجود بیش از یک قرن سابقه تحقیقاتی در مورد تهیه آهن توسط کوره بلند، اطلاعات مختصری درباره توزیع درجه حرارت در هنگام کار این کوره ها موجود است. این امر مانع از عملکرد دقیق مواد دیرگداز بکار رفته در نقاط مختلف کوره می شود. بدنه، شکم و تنوره بخش های اصلی یک کوره بلند را تشکیل می دهد.( به شکل 1 توجه کنید). انتخاب دقیق مواد نسوز مناسب همراه با تعبیه سیستم خنک کننده در نقاط گرم کوره بخصوص نواحی شکم و بوته( محل جمع آوری مذاب) عمر کوره را افزایش می دهد اگر چه غالباً در اثر عملکرد عوامل مخرب ناشناخته، امکان بروز شکستهای ناگهانی وجود دارد.

گاز از ناحیه فوقانی کوره بلند خارج می شود و این در حالیست که در حدود 15 10 گرم بر سانتیمتر مکعب گرد و غبار حاوی ذرات سنگ معدن آهن، کک و مواد روانساز را به همراه دارد. در بعضی موارد غلظت این گردو غبارها به حدود100 نیز می‌رسد. مجموعه ای از عوامل چون درجه حرارت بالا، گرد و غبار معلق در کوره و مواد ساینده ناشی از حرکت نزولی شارژ کوره از بالا به پائین، مدت عمر آستر را معین می سازد. از آنجائیکه این اعمال با سرعت های متفاوتی در قسمت های مختلف کوره صورت می پذیرد لذا طراح می باید برای نواحی مختلف، مواد نسوز متفاوتی را انتخاب نماید.

برحسب مواد دیرگداز بکار رفته برای کوره بلند دو ناحیه متفاوت را می توان تصور نمود:

الف) منطقه فوقانی که بحرانی ترین ناحیه این قسمت، بدنه کوره بلند است.

ب) منطقه تحتانی شامل قسمت های تنوره، کف، شکم و لوله های دمنده هوا و…  

حدود تغییرات درجه حرارت در منطقه تحتانی با تقریب بسیار مابین C‌ْ 18001300 و در منطقه فوقانی بین C ْ1300200 می باشد. منطقه تحتانی که اجباراً در آن مذاب به همراه سرباره وجود دارد و فعل و انفعالات موجود در درجه حرارتهای بالا  صورت می پذیرد، موقعی می تواند پایدار بوده و عمل کند که آستر توسط جریان آب سرد خنک شود. نحوه ساخت منطقه فوقانی نیز باید بگونه ای باشد که در مقابل عملیات مکانیکی و خوردگی شیمیائی ناشی از گازها و بخاراتی که توسط شارژ ایجاد می شود مقاومت ورزد.

هنگامیکه کوره بلند در حال فعالیت می باشد تنوره آن در تمام طول عمرش تحت تأثیر مذاب آهن با درجه حرارتی حدود C ْ1500 و فشار  قرار دارد. باین ترتیب تنوره بزودی از بین خواهد رفت.

در این حالت مواد نسوز( آجرهای کربنی و یا خاک نسوز) در مذاب شناور شده و متصدیان کوره در معرض خطر نشت و نفوذ آهن به خارج کوره قرار می گیرند.

از آنجائیکه برای هر تعمیر اساسی لازم است کاملاً کار کوره متوقف گردد و بنابراین تنوره کوره بلند باید با مراقبت های ویژه ای ساخته شود. سرعت سایش و خوردگی مواد نسوز علاوه بر نوع و کیفیت دیرگداز بکار رفته تحت تأثیر نوع آهن شارژ شده نیز می باشد. ریخته گری چدن اسفنجی و فرو سیلیس ها نیاز به کوره های با درجه حرارت بالاتری نسبت به فولاد ریزیهای معمولی دارد. آهن های فسفر دار بدلیل ویسکوزیته کمتر دارای قدرت سایش بیشتری بر روی کف کوره هستند. سایش کف کوره های بلند نیز بسیار پیچیده و نامشخص است. علت این مسئله هم اینستکه از مواد دیرگداز کف کوره در طول انجام عملیات نمی توان بسادگی نمونه برداری و آزمایش نمود. کف کوره بصورت مداوم پوشیده از فلز مذاب آهن بوده و بنابراین تحت فشار زیاد قرار دارد.

“ فاکتورهای موثر در آستر کوره”

کارکرد خوب و موثر یک کوره بلند تحت تأثیر عوامل مختلفی چون طراحی کوره و  نحوه سرد شدن آن، کیفیت و خواص مواد دیرگداز بکار رفته، اندازه ذرات شارژ( سنگ آهن، کک و آهک)و روش کار عمومی آن به عنوان یک واحد تقریباً خودکار که بطور مداوم کار می کند، دارد. باید توجه عمده ای به اندازه ذرات مواد شارژ شده داشت زیرا که میزان ذرات ریز( بصورت گرد) موجود در شارژ تأثیر بحرانی و موثری بر روی مواردی چون عمر آستر بدنه و شکم کوره بلند دارد. استفاده از مواد نسوز کائولینی با دانسیته بالا در بدنه کوره موجب جلوگیری از نفوذ کربن مونواکسید می شود( به بحث های بعدی توجه کنید). جلوگیری از نفوذ CO باعث کاهش احتمال شکست آستر گردیده و این خود تائیدی برای این تئوری خواهد بود که شکست آستر توسط تجزیهCO و رسوب کربن صورت می پذیرد البته در این شرایط نیز ذرات کربن بخصوص بر روی نواحی اتصال آجرها با ملاط دیده می شود. این پدیده در مراحل ابتدائی آغاز کار کوره مهم است و باین خاطر اهمیت دارد که موجب انبساط حجمی

در ساختمان می گردد.

“ بوته کوره بلند”

هم اکنون در ایالات متحده آمریکا مصرف آجرهای کربنی برای کف بوته کوره بلند امری متداول است. برای چنین بوته هایی سرد کردن امری ضروری است. توپی مرکزی بوته از جنس آجر خاک نسوز ساخته می شود. اخیراً از سلیمانیت نیز برای این منظور استفاده می شود. تاکنون ترکیبات مختلفی از آجرهای کربنی و آجرهای خاک نسوز در دنیا برای بوته بکار گرفته شده اند اما برخی متخصصان نسبت به کار برد بلوک های کربنی در قسمت فوقانی بوته هشدار داده اند زیرا احتمال سایش آنها در اثر دمش هوا وجود دارد.

علاوه بر این وقتیکه آهن های کم کربن در کوره ذوب شوند احتمالاً کربن های موجود در آجر کربنی در مذاب حاصله حل شده و آجرها بیش از پیش متخلخل گردیده و در نتیجه سریعتر سائیده می شوند. استفاده از مخلوط کوبیدنی کربن کرم منیزیت در آستر عموماً به افزایش عمر بوته کمک می نماید.

در مواقعیکه آجرهای کربنی با دانه های کربن ریز در دیواره های بوته قرار داشته باشد، رسوب نمودن کربن بر روی آجر نیز می تواند نقشی تعیین کننده در عمر بلوک‌ها داشته باشد. یک راه ممکن برای رفع این اشکال استفاده از آجرهای  کربنی با نفوذ پذیری کمتر می باشد. این امر ارتباط کامل به منبعی که کربن از آن تهیه شده است دارد( بعنوان مثال کربن حاصل از کک نفتی، آنتراسیت و… ) در مدت بهره برداری از آجرهای دیر گداز بوته کوره بلند، تغییرات مینرالوژیکی و شیمیائی مهمی در آنها رخ می دهد.

مواد قسمت تحتانی با موادی چون آهن، کاربید و گرافیت آغشته گردیده که این امر موجب افزایش دانسیته و بالا رفتن هدایت حرارتی آنها می شود. بالا رفتن هدایت حرارتی سبب افزایش راندمان سرد شدن و در نتیجه جلوگیری از سایش آستر می گردد. بمرور در ضمن فعالیت کوره صرفنظر از نوع آجر بکار رفته ناحیه مرکزی ته بوته بوسیله سرباره و آهن جایگزین می گردد.

در سالهای اخیر شکلهای غیر مترقبه و غیر منتظره از بین رفتن بوته های کوره بلند مورد بررسی قرار گرفته است. آزمایشها نشان داده که برخی بوته ها حاوی ذرات فلزی کروی با قطر حدود 5/7 سانتی متر است. در نزدیکی دیواره بوته رگه های سفید رنگی که بعداً معلوم شده کریستوبالیت است با ضخامت حدود 5/1 سانتی متر نیز دیده شده است. بنظر می رسد که کریستوبالیت ها از تجزیه دیر گدازهای بوته ناشی شده اند.

“ شکم کوره”

مواد دیرگداز بکار رفته در آستر شکم کوره بلند تحت سایش و خوردگی حاصل از تماس سرباره مذاب با درجه حرارتی حدود C ْ1500 و عوامل ساینده ای چون کلوخه های بارکوره قرار دارند. نحوه عمل کوره بخصوص از نظر سرعت دمش هوا بسیار مهم است. بعضی از تولید کنندگان آهن خام معتقد بودند که سرعت کم دمش، اثر معکوسی بر روی عمر شکم کوره بلند دارد. هنوز هم مباحثه در مورد بهترین انواع مواد دیرگداز بکار گرفته شده در شکم کوره ادامه دارد، و بسیاری از تولید کنندگان مکرراً عقایدشان را تغییر می دهند.        

آجر های کربنی، خاک نسوز و گاهی اوقات آجرهای آلومینائی ذوب و ریخته گری شده( شامل زیرکون آلومینا) بعنوان آستر شکم کوره بکار گرفته می شوند. آجرهای کربنی تعبیه شده در نزدیکی خنک کننده های جت های دمش هوا به سرعت بوسیله بخار آب، گاز CO2 و یا هوا اکسیده می گردند. با تحقیقات انجام شده آجرهای کربنی با نفوذ پذیری کم برای پیشگیری از رسوب کربن و تجزیه CO  پیشنهاد شده است. خواص مطلوب دیگر آجرهای کربنی مورد مصرف در شکم کوره بلند، بالا بودن هدایت حرارتی، مقاومت در برابر محیط های قلیائی، مقاومت بالا در مقابل اکسیداسیون و استحکام فشاری بالا می باشد. اثر نمکهای پتاسیمی که از طریق گازها و بار کوره بدرون خلل و فرج آستر نفوذ می کنند نیز از اهمیت ویژه ای برخوردار است، علت این اهمیت آنستکه یونهای پتاسیم توسط نفوذ در شبکه ذرات کربن آنها را منبسط کرده و موجب تجزیه آجر می گردند.

مقدار خوردگی شیمیائی در آستر شکم کوره ها مستقیماً به میزان قلیائیت سرباره و ویسکوزیته آن بستگی دارد، مثلاً سرباره ای حاوی 45% اکسید کلسیم بسیار خورنده هستند. عمر آستر شکم کوره به شکل گیری پوسته ای از آلومینا و سیلیس( ناشی از شاموت موجود در آجر در مورد آجرهای آلومینو سیلیکاتی) غنی شده از آهک، منیزیم و دیگر اکسیدهای حاصله از شارژ بستگی دارد.

تنوره کوره بلند

جنبه های شیمی فیزیکی کارکرد دیرگدازهای تنوره کوره بلند شاید یکی از جالب ترین وجوه تکنولوژی دیرگدازها از نقطه نظر تاثیر آن بر کوره بلند باشد. پدیده کلاسیک تجزیه در اثر کربن فقط یکی از دلایل شکست مواد نسوز بکار رفته در بدنه کوره است. اگرچه همانطور که قبلاً هم ذکر شد استفاده از آسترهای کائولینی با دانسیته بیشتر از وخامت و اهمیت این مسئله میکاهد ولی آنرا کاملاً از بین نبرده و همچنان این مسئله مطرح است. در هر حال مسایل بسیار دیگری نیز برای تولیدکنندگان دیرگدازها وجود دارد. با تحقیقات فراوان انجام شده معین شده است که:

شکست آستر تنوره کوره بستگی کامل به خواص دیرگدازها، سیستم خنک کنندگی آستر، سیکل عملکرد کوره، عمل قلیائیها، سرباره اولیه، اکسید روی(Zincite) ، رسوب کربن، شدت دمش کوره، تنش حرارتی حاصل در ساختمان، سایش حاصله توسط شارژ، و فاکتورهای دیگر دارد. جهت افزایش مقاومت آستر باید این موارد را رعایت کرد: اولاً باید از آجر متراکمی که از مواد کائولینی همراه با مقادیر زیادی از شاموت و حداقل مقدار مواد روانساز تهیه شده و در درجه حرارت بالائی پخته شده باشد استفاده نمود. ثانیاً بهترین سیستم خنک کنندگی را پیش بینی و اجرا کرد. ثالثاً سیکل کار کوره را مخصوصاً در آغاز سیکل پس از دمش هوا و قبل از مرحله خشک کردن نهائی آستر تنظیم و تثبیت نمود.

اخیراً یکی از محققین مقاله ای پس از راهنمائی های عملی در مورد آنچه که برای بهبود وضعیت مواد دیرگداز کوره بلند مورد نیاز است ارائه نموده و در این مقاله بر تفاوت شرایط بالا و پائین تنوره کوره تائید کرده است. آجرهای کائولینی و سلیمانیتی برای کاربرد در قسمت فوقانی تنوره مناسب است و امکان دارد در مواقعیکه آجرهای دیرگداز قسمت تحتانی که رضایتبخش نبوده اند تعویض می شوند آجرهای قسمت فوقانی در جای خود باقی بمانند. دیرگدازهای مختلفی در محدوده 42 95% آلومینا( سیلیمانیت، آجر نسوز، آجرهای ذوب و ریخته گری شده) در قسمت تحتانی تنوره کوره بلند مورد استفاده واقع شده اند.

یکی از محققین تجربیات بدست آمده در مورد عمر آسترهای کوره بلند در ایالات متحده را مورد بحث قرار داده است.

نتیجه گیری های او که مبتنی بر تجربیات حاصل از سالیان متمادی کار در شرکت تهیه فولاد ایالات متحده است بر روی تغییرات مینرالورژیکی آجرها ضمن کار در کوره و اهمیت آماده سازی شارژ( شامل اندازه دانه های کک، سنگ معدن و آهک) تاکید فراوان دارد. اظهار نظر محققین انگلیسی در مورد کاهش اهمیت اثر کربن در شکست آستر در واقع نتایج این محقق آمریکائی را تائید می کند.

امروزه بنظر می رسد که مسئله محل اتصال آجرها اهمیت بیشتری دارد.

“ اثر قلیائیها بر تنوره کوره بلند”

در ناحیه تحتانی تنوره کوره مواد قلیائی قادرند تا عمق زیادی در آستر نفوذ کنند. عمماً غلظت مواد قلیائی 109% بوده که گاهی تا 25% نیز میرسد. در آمریکا توسط اضافه کردن سطوح مبردها میزان خسارت وارده به آستر تنوره کوره را کاهش می دهند. در گذشته خسارت وارده به آجرهای خاک نسوز آستر را مربوط به تجزیه کربن میدانستند ولی امروزه تحقیقات نشان داده است که این مسئله مربوط به نفوذ قلیائیها می باشد. مواد قلیائی بداخل آجر خاک نسوز نفوذ کرده و قبل از  اینکه رسوب کربن به مرحله خطرناک رسیده و باعث شکست آجر گردد، موجب ترکاندن آن می گردد. در واقع این امر بخاطر تشکیل کلسیت(Kalsite)   در آجر است. یک آزمایش نشان می دهد که ترکیب حاصله شامل K2O 4/28% و Na2O 2/4% می باشد.

مطالعات انجام شده بر روی مقطع آجر خاک نسوز تنوره کوره نفوذ قابل توجهی از مواد قلیائی را از بالا بسمت پائین مشخص کرده و نشان می دهد که واکنش های شیمیائی صورت گرفته در دیرگداز منجر به تشکیل ترکیبات آلومینا سیلیکاتی قلیائی گردیده است. ساختمان دیرگداز مخصوصاً میزان نفوذ پذیری آن در مقابل قلیائیها نسبت به ترکیب شیمیائی دیرگداز از اهمیت بیشتری برخوردار است. کربناتها، اکسیدها و همچنین سیانید پتاسیم می توانند مسئول روانسازی و تجزیه آستر تلقی گردند( به جدول شماره 2 نگاه کنید).

برخی محققان عقیده دارند هنگامیکه مواد قلیائی با آجر خاک نسوز آلومینای پائین واکنش می کند یک مایع شیشه ای حاصل می شود در حالیکه در صورت واکنش با مواد آلومینای بالا محصولی خشک و پودری شکل تولید می کنند، که می تواند موجبات ترکیدن مواد دیرگداز را فراهم کند. ترکیبی شامل 42% آلومینا ترکیب مناسبی است که می تواند مواد قلیائی را جذب کرده بدون اینکه تغییرات ابعادی داده و یا فازی مایع تولید نماید.