فرآیند ذوب و احیاء در کوره بلند

محصول نهایی کوره بلند چدن همراه سرباره می باشد. چدن دارای کربن (تا حد اشباع)، سیلیسیم ، منگنز ، فسفر و گوگرد است. گاهی اوقات برخی از فلزات که همراه کانی آهن بوده و در شرایط کوره بلند احیاء می شوند ، درون چدن خام موجود است. بطور کلی هر ترکیبی که در شرایط کوره بلند احیاء شود وارد چدن و موادی که احیاء نشوند وارد سرباره می شوند.

سرباره کوره بلند حاوی اکسیدهای ترکیبات بار ورودی از جمله اکسید کلسیم ، اکسید منیزیم ، سیلیس ، اکسید آلومینیوم به همراه اکسید منگنز ، اکسید آهن و گوگرد است که بصورت محلول جامد در یکدیگر حل شده اند. چنانچه کانه آهن یا سایر مواد ورودی حاوی فلزاتی مانند کرم ، تیتانیم ، وانادیم و ... باشند اکسیدهای آنها در سرباره وجود دارد.

واکنشهای شیمیایی که در کوره بلند رخ می دهد ، می توان آن را به سه منطقه بصورت زیر تقسیم کرد:

1ـ منطقه بالایی کوره بلند یا ناحیه پیشگرم یا منطقه آماده سازی

2ـ منطقه میانی یا احیاء غیر مستقیم

3ـ منطقه پایین یا فرآوری یا ذوب یا منطقه احیاء مستقیم

واکنشهای منطقه بالایی کوره بلند(پیشگرم)

در این منطقه ، در محدوده ای به طول 6 ـ 4 متر از سطح بار ، مواد ورودی به سرعت از دمای محیط به دمای 800 درجه سانتیگراد می رسد و گازهایی که از ناحیه میانی کوره بلند بطرف بالا حرکت می کنند با از دست دادن گرمای خود ، از دمای 900 درجه سانتیگراد به دمای 200 ـ 100 می رسند تا از کوره بلند خارج شوند. مهمترین واکنش های انجام شده در این منطقه عبارتند از :

1ـ تجزیه کربنات های فلزی (غیر از کربنات سدیم)

2ـ تبخیر رطوبت و آب مولکولی بار ورودی

3ـ واکنش رسوب کربن

4ـ احیاء کامل یا جزئی هماتیت و مگنتیت

تجزیه کربنات های فلزی

در این ناحیه کربنات های فلزی از جمله کربنات های آهن ، منگنز ، منیزیم و کلسیم ـ منیزیم(دولومیت)به استثناء کربنات کلسیم که به دماهای بالا (1100 ـ 900 درجه سانتیگراد) نیاز دارد با جذب حرارت تجزیه می شوند.

شکل زیر فشار تجزیه برخی از کربنات های فلزی را بر حسب دما نشان می دهد. مشاهده می شود که فشار تجزیه کربنات ها با افزایش دما زیاد می شود. دمایی که در آن فشار 1اتمسفر است، دمای تجزیه کربنات نام دارد که دمای تجزیه اکثر کربنات ها (به جز کربنات کلسیم) نسبتاً کم است. (حدود 400 درجه سانتیگراد) چون فشار جزئی دی اکسید کربن در نواحی بالایی کوره حدود 0.2تا 0.3 اتمسفر است دمای تجزیه کربناتها باید کم باشد اما به دلیل وجود شیب حرارتی از سطح ذرات به طرف مرکزوهمچنین اختلاف غلظت CO2 درسطح ومرکز دمای تجزیه کم نمی شود

شکل

از دیگر واکنشهایی که در نقاط بالایی کوره بلند انجام می شود، اکسیداسیون بخار فلزات فرار است. فلزات فرار که همراه مواد اولیه وارد کوره می شوند ، عبارتند از سرب، روی و ترکیبات قلیایی این ترکیبات با مواد نسوز کوره بلند ترکیباتی با دمای ذوب کم تشکیل داده و باعث تخریب آنها می شوند.

این اکسیدها در نقاط پایین کوره بلند بدلیل پتانسیل احیایی بالااحیا شده واز طرفی به خاطر بالا بودن دما بخار شده وبه قسمتهای بالایی کوره منتقل ودر انجا با بالا بودن پتانسیل اکسیدی (مقدار CO2 وH2O زیاد است ) ودما کم است دوباره احیا شده و فرایند بالا تکرار می شود بنابراین ، اکسیدهای روی و فلزات قلیایی در کوره بلند این چرخه را همواره طی می کنند. انجام این چرخه علاوه بر مصرف انرژی در کوره بلند ، باعث تخریب نسوزهای کوره بلند، کاهش بازده و آلودگی محیط زیست می شود. از این رو دقت در ترکیب شیمیایی مواد ورودی به کوره بلند اهمیت زیادی دارد.

تبخیر رطوبت وآب ملکولی

رطوبتی که همراه مواد ورودی است به صورت جذبی می باشد تبخیر این آب حدود 2427 کیلو ژول برکیلوگرم انرژی مصرف می کند . آب ممکن است به صورت شیمیایی با مواد ترکیب شده باشد که آب تبلور نام دارد

آب تبلوری که در دمای بالاتر از 300 تا 400 درجه آزاد می شود ممکن است با CO واکنش دهد

CO + H2O = CO2 + H2

بنا براین احیاء H2O با CO در نقاط بالایی امکانپذیر است اما بدلیل کند بودن واکنش در دمای پایین در ناحیه میانی که دما بالاتراست رخ می دهد .

واکنش رسوب کربن

با توجه به گرمازا بودن واکنش رسوب کربن ، این واکنش از نظر ترمودینامیکی در دماهای کم بهتر انجام می شود. بطور کلی واکنش رسوب کربن در یک محدوده دمایی کوچک (600ـ450 درجه سانتیگراد) بیشترین سرعت را دارد. کربن راسب شده به صورت گرافیت و سمنتیت است. هنگامیکه بیشتر آهن به سمنتیت تبدیل شود رسوب کربن متوقف می شود.

واکنش رسوب کربن گرمازا است و به گرم شدن سریع بار ورودی کمک می کند. چون واکنش رسوب کربن وابسته به فشار است پس افزایش فشار متوسط در کوره باعث رسوب بیشتر کربن می شود. عیب عمده رسوب کربن این است که ذرات ریز کربن بسیار فعال است و در دماهایی بسیار کمتر از کربن کک ، با دی اکسید کربن ترکیب و واکنش گازی شدن انجام می شود. در نتیجه واکنش بودوارد در ناحیه بالای کوره آغاز می شود و طول منطقه احیاء غیر مستقیم را کوتاه می کند در نتیجه طول منطقه واکنشهای احیاء مستقیم زیاد می شود و در نهایت مصرف کک بالا می رود. همچنین کربن حاصل از واکنش رسوب ، بدلیل ریز بودن ذراتش در حفره های آجرهای نسوز دیواره کوره بلند رسوب کرده و باعث تخریب آنها می شود.

احیاء اکسیدهای آهن

اکسیدهای آهن موجود در مواد ورودی به کوره بلند از دماهای 925 درجه سانتیگراد توسط گازهای احیاکننده شروع به احیا شدن می کنند از آنجایی که پتانسیل احیایی گاز در بالای کوره بلند به اندازه کافی است ، هماتیت (Fe2O3)از همان زمانی که بار وارد کوره بلند شده می تواند احیاء شود. درصد احیاء هماتیت ، تابع اندازه ذرات ، طبیعت کانه و شدت فلوی گاز احیا کننده . مگنتیت عمدتاً در محدوده دمایی 900ـ700 درجه سانتیگراد به وستیت (Fe1-xO) احیاء می شود واکنشهای احیاء در این ناحیه بصورت غیر مستقیم(احیاء با گاز منواکسید کربن)

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2

Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2

واکنشهای منطقی میانی (منطقه احیاء غیر مستقیم)

این منطقه ، از 4 تا 6 متر زیر سطح بار تا 5ـ3 متر بالای سطح لوله های دمنده هوای گرم امتداد دارد. محدوده دمایی این منطقه ، 1000ـ800 درجه سانتیگراد است. این ناحیه در حدود 60ـ50 درصد ارتفاع تنوره کوره بلند را تشکیل می دهد(حدود 75 درصد حجم تنوره). مدت زمان عبور بار از این ناحیه ، در حدود 5/2 تا 3 ساعت است.

در این ناحیه ، احیاء مگنتیت به وستیت کامل شده و احیاء غیر مستقیم وستیت که حاصل احیاء هماتیت و مگنتیت در ناحیه بالایی است انجام می شود. احیاء غیر مستقیم تمام اکسیدهای آهن در دمای کمتر از 1000 درجه سانتیگراد و برای وستیت در محدوده دمایی 1000ـ800 درجه سانتیگراد رخ می دهد. این منطقه یک ناحیه غیر فعال از نظر شیمیایی است زیرا ترکیب شیمیایی گاز احیاء کننده تغییر محسوس نمی کند. بهره شیمیایی گاز منو اکسید کربن در این ناحیه برای وستیت، 30ـ25 درصد است. اگرچه انتظار است که سرعت واکنش احیاء وستیت در این منطقه زیاد باشد ، اما در واقع به دلیل نزدیک بودن ترکیب شیمیایی گاز احیاء کننده ناحیه میانی با ترکیب شیمیایی تعادلی ، سرعت احیاء کند است و عملاً احیاء وستیت در قسمتهای پایین تر کوره بلند(ناحیه احیاء مستقیم و ذوب) کامل می شود.

FeO + CO = Fe + CO2

واکنش احیاء مستقیم و غیر مستقیم

اهمیت ناحیه میانی یا ناحیه احیاء غیر مستقیم در کوره بلند با دانستن نقش احیاء مستقیم یا غیر مستقیم بر روی بازدهی سوخت مشخص می شود. بطور کلی احیاء با گاز CO را احیاء گازی یا احیاء غیر مستقیم می نامند.

به عبارت دیگر ، چنانچه اکسیدهای آهن توسط گاز منواکسید کربن احیاء شده و گاز دی اکسید کربن حاصل بدون انجام واکنشی از کوره بلند خارج شود ، این واکنش را احیاء غیر مستقیم می نامند. در حالیکه در دماهای بالاتر ، به خصوص هنگامیکه اکسیدهای آهن به صورت مذاب هستند، کربن ممکن است مستقیماً با آنها واکنش داده و گاز منواکسیدکربن تولید کند. احیاء با کربن را که واکنشی گرماگیر است احیاء مستقیم می نامند. احیاء غیر مستقیم اکسیدهای آهن یک واکنش گرمازا می باشد( بجز احیاء وستیت به آهن) در حالیکه احیاء مستقیم گرماگیر می باشد. هرچه احیاء غیر مستقیم بیشتر باشد ، انرژی گرمایی کمتری در کوره مصرف شده در نتیجه این نوع احیاء ترجیح داده می شود. اما واکنش احیاء غیر مستقیم تابع تعادل ترمودینامیکی سیستم است. با افزایش مقدار گازهای احیا کننده می توان درصد واکنش احیاء غیر مستقیم را افزایش داد. چنانچه برای این کار لازم باشد کک بیشتری در پایین کوره بلند بسوزد ، این کار اقتصادی نمی باشد. با تزریق سوختهای هیدروکربنی و یا بخار آب به کوره بلند ، می توان درصد احیاء غیر مستقیم را افزایش داد.

کربوره شدن آهن

ناحیه میانی کوره بلند به علت دمای بالا و با توجه به پتانسیل کم اکسیژن ، امکان رسوب کربن به صورت کربن خالص وجود ندارد اما امکان کربوره شدن آهن تازه احیاء شده به صورت جامد وجود دارد. واکنشهای جذب کربن توسط آهن جامد در ناحیه میانی به صورت زیر است.

2CO = CO2 + C

3Fe + C = Fe3C

3FeO + 5CO = Fe3C + 4CO2

واکنش های منطقه پایین کوره بلند

دمای این منطقه بالاتر از 1000 درجه سانتیگراد است. محدوده این منطقه از 5ـ3 متر بالای سطح لوله های دمنده هوای گرم تا پایین بوته کوره بلند می باشد. سوختن کک در جلوی لوله های دم(ناحیه احتراق) باعث ایجاد یک فضای خالی اطراف بوته شده که در نتیجه مواد به طرف پایین حرکت می کنند. مهمترین واکنشهای شیمیایی که در این ناحیه رخ می دهد عبارتند از:

1ـ کلسینه شدن سنگ آهک

2ـ احیاء مستقیم FeO

3ـ احیاء مستقیم SiO2

4ـ احیاء مستقیم MnO

5ـ احیاء مستقیم P2O5

6ـ واکنشهای گوگرد زدایی

7ـ سوختن گرمازای کربن کک

8ـ احیاء گرماگیر CO2

9ـ واکنش گرماگیر آب(رطوبت) با کربن

تمامی واکنشهای بالا گرماگیر می باشند تنها واکنش سوختن کربن کک گرمازا است. بدلیل دمای بسیار زیاد در ناحیه لوله های دم(حدود 1650 درجه سانتیگراد)، کربن کک می سوزد. گاز دی اکسید کربن در دمای بالا پایدار نیست و بلافاصله با کربن کک واکنش داده و گاز منواکسیدکربن تولید می شود. گاز منواکسیدکربن تولیدی در هنگام حرکت به طرف بالای کوره بلند ، اکسیدهای آهن را احیاء می کند. در یک کوره بلند مدرن در حدود 400ـ250 کیلوگرم کربن کک به ازای یک تن چدن تولیدی می سوزد.

واکنش سوختن کربن منشأ اصلی تولید حرارت در کوره بلند است تمامی حرارت کوره بلند توسط سوختن کربن کک تامین نمی شود زیرا در بیشتر کوره بلندها در حدود 40 درصد حرارت توسط هوای گرم ورودی به دست می آید. گاهی اوقات مقداری مواد سوختنی مانند گاز طبیعی ، گازوئیل ، نفت ، زغال و ... به درون لوله های دم تزریق می شود بدلیل مقدار زیاد کربن ، چنانچه آب در اثر سوختن موادی مانند گاز طبیعی تولید شود با کربن کک واکنش داده و گاز هیدروژن تولید می شود در نتیجه به احیاء اکسیدهای آهن در کوره بلند کمک می کند C + H2O = CO + H2 Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O

FeO + H2 = Fe + H2O

در ناحیه احتراق کوره بلند ، رطوبت موجود با کربن کک واکنش می دهد. این واکنش مقداری از حرارت کوره بلند را مصرف می کند. باتوجه به واکنش C + H2O = CO + H2 مشخص می شود به ازای یک مول کربن کک که با آب واکنش می دهد ، گاز احیایی بیشتری در مقایسه با هنگامیکه کربن کک بسوزد تولید می شود. هنگامیکه کربن کک بسوزد تنها یک مول گاز منواکسید کربن تولید می شود اما در واکنش یک مول منواکسید کربن و یک مول گاز هیدروژن هنگامیکه دمای هوای دم نسبتاً بالا باشد(در حدود 1100ـ1000 درجه سانتیگراد) بهتر است که مقدار رطوبت ورودی به کوره بلند را افزایش داد تا توان احیایی گازهای کوره بلند افزایش یابد

کلسینه شدن سنگ آهک

سنگ آهک به عنوان یک ماده گداز آور به بار ورودی اضافه می شود واکنش تجزیه آن گرماگیر و به صورت زیر است.

CaCO3 = CaO + CO2 - 181385 j

استفاده از سنگ آهک خام بر روی بازدهی سوخت اثرات زیان آوری دارد که عبارتند از:

1ـ افزایش مصرف سوخت به دلیل واکنش گرماگیر تجزیه کربنات کلسیم

2ـ افزایش مصرف سوخت به واسطه افزایش احیاء مستقیم. مولکولهای CO2آزاد شده حاصل از تجزیه کربنات کلسیم در دماهای بالاتر از 1000 درجه سانتیگراد در واکنش بودوارد شرکت می کند در نتیجه مقدار کربن آزاد بیشتر می شود و در نهایت احیاء مستقیم بیشتر می گردد.

3ـ رقیق شدن گاز کوره بلند از منواکسید کربن در اثر تجزیه سنگ آهک

احیاء ترکیبات احیاء نشده آهن

قسمت اعظم ترکیبات احیاء نشده آهن که به پایین کوره بلند می رسند به صورت فایالیت ، فریتهای کلسیم یا مخلوط با سرباره هایی است که در ناحیه شکم کوره بلند تشکیل شده است. این مواد می توانند بالای سطح لوله های دم قبل از ورود به بوته مذاب که دما بسیار بالا است، احیا شوند. فایالیت که در کلوخه های اسیدی وجود دارد و یا ممکن است همراه کانه باشد ، حتی در دماهای بالا هم احیاء نمی شود. ممکن است مقداری از اکسیدهای آهن(به صورت وستیت) در نقاط بالایی کوره بلند به دلایل متعدد احیاء نشده باشد در این صورت این اکسیدها در ناحیه پایین کوره بلند احیاء می شوند در کل عمده اکسید آهن در نقاط پایین کوره بلند بصورت وستیت است. چون دی اکسید کربن و آب در دماهای بالا و در حضور مقدار زیاد کربن کک پایدار نمی باشند با کربن کک به سرعت واکنش می دهند به عبارت دیگر سرعت واکنش آنها با کربن کک سریعتر از تشکیل آنها است. بنابراین صرف نظر از اینکه عامل احیا کننده گاز منواکسید کربن باشد و یا گاز هیدروژن ، واکنش کلی احیاء اکسیدهای آهن در نقاط پایین کوره بلند(دمای بالاتر از 1000 درجه سانتیگراد) به صورت زیر است.

FeO + CO = Fe + CO2

C + CO2 = 2 CO

FeO + C = Fe + CO

FeO + H2 = Fe + H2O

H2 O + C= CO + H2

واکنش های بالا مقدار زیادی حرارت را جذب می کند بنابراین اگر مقدار زیادی احیاء به این روش رخ دهد حرارت زیادی بایستی در کوره بلند مصرف شود. از طرفی واکنشهای بالا گاز منواکسید کربن تولید می کند که برای احیاء هماتیت و مگنتیت در نقاط بالایی کوره بلند همچنین احیاء FeO با CO در ناحیه شکم کوره بلند مناسب است. چنانچه در حدود یک سوم احیاء در کوره بلند بر اساس واکنش های بالا رخ دهد منجر به افزایش بازدهی کوره بلند می شود.

احیاء سیلیس

سیلیسیم به صورت سیلیس و انواع سیلیکات ها همراه کانه های آهن ، آگلومره ، مواد گداز آور و کک وارد کوره بلند می شود با توجه به 2CO = CO2 + C امکان احیاء سیلیس از سرباره های سیلیکاتی در دماهای بالاتر از 1300 درجه سانتیگراد وجود دارد. مقدار نهایی سیلیسیم در چدن خام بستگی به احیاء ترکیبات سیلسیم دار یا اکسیداسیون سیلیسیم دارد که این واکنش ها بین سرباره و چدن مذاب در پایین کوره بلند رخ می دهد. احیاء سیلیس به سیلیسیم موضوع تحقیقات مختلفی بوده است زیرا چدنهای کم سیلیسیم بدلیل سرباره کمتری که هنگام فولادسازی ایجاد می کنند مصرف آهک را کاهش داده در نتیجه برای فرآوری و تهیه فولاد مناسبت تر است. علاوه بر این برای چدنهایی که کمتر از 1/0 درصد سیلیسیم دارند ، امکان رسیدن به مقادیر کمتر فسفر فراهم است و نرخ مصرف کک در کوره بلند کاهش می یابد. در ناحیه بوته کوره بلند هنگامی که قطرات آهن مذاب از میان لایه سرباره بالای حوضچه مذاب عبور می کند، سیلیس احیاء شده و وارد مذاب می شود. دو حالت برای احیاء سیلیس وجود دارد:

حالت اول:

هنگامی که کک در جلوی لوله های دم می سوزد بدلیل حرارت زیادی که تولید کرده ، دما در این ناحیه افزایش یافته و به حدود 2000 درجه سانتیگراد می رسد در نتیجه سیلیس درون خاکستر کک احیاء شده و طبق واکنش 1 بخار SiO تشکیل می شود. SiO با چدن مذاب واکنش داده و سیلیسیم به صورت واکنش 2 وارد مذاب می شود.

واکنش (1) : SiO2(S) + C(S) = SiO(g) + CO(g)

احیاء سیلیس از طریق گاز CO هم می تواند رخ دهد:

SiO2(S) + CO(g) = SiO(g) + CO2

جذب سیلیسیم در آهن بر اساس واکنش زیر رخ می دهد.

واکنش (2): SiO (g) + Fe=[Si]+ FeO

FeO تولید شده توسط واکنش بالا بلافاصله با گاز CO موجود در کوره بلند احیاء می شود.

FeO+ CO= Fe+ CO2

C + CO2 = 2CO

واکنش های منطقه پایین کوره بلند

1ـ کلسینه شدن سنگ آهک

2ـ احیاء مستقیم FeO

3ـ احیاء مستقیم SiO2

4ـ احیاء مستقیم MnO

5ـ احیاء مستقیم P2O5

6ـ واکنشهای گوگرد زدایی

7ـ سوختن گرمازای کربن کک

8ـ احیاء گرماگیر CO2

9ـ واکنش گرماگیر آب(رطوبت) با کربن

FeO + H2 = Fe + H2O

کلسینه شدن سنگ آهک

سنگ آهک به عنوان یک ماده گداز آور به بار ورودی اضافه می شود واکنش تجزیه آن گرماگیر و به صورت زیر است.

CaCO3 = CaO + CO2 - 181385 j

استفاده از سنگ آهک خام بر روی بازدهی سوخت اثرات زیان آوری دارد که عبارتند از:

1ـ افزایش مصرف سوخت به دلیل واکنش گرماگیر تجزیه کربنات کلسیم

3ـ رقیق شدن گاز کوره بلند از منواکسید کربن در اثر تجزیه سنگ آهک

احیاء ترکیبات احیاء نشده آهن

FeO + CO = Fe + CO2

C + CO2 = 2 CO

FeO + C = Fe + CO

FeO + H2 = Fe + H2O

H2 O + C= CO + H2

احیاء سیلیس

حالت اول:

واکنش (1) : SiO2(S) + C(S) = SiO(g) + CO(g)

احیاء سیلیس از طریق گاز CO هم می تواند رخ دهد:

SiO2(S) + CO(g) = SiO(g) + CO2

جذب سیلیسیم در آهن بر اساس واکنش زیر رخ می دهد.

واکنش (2): SiO (g) + Fe=[Si]+ FeO

FeO تولید شده توسط واکنش بالا بلافاصله با گاز CO موجود در کوره بلند احیاء می شود.

FeO+ CO= Fe+ CO2

C + CO2 = 2CO

حالت دوم :

هنگام تماس چدن مذاب با سرباره دردماهای بالا سیلیس سرباره می تواند توسط کربن درون چدن مذاب احیاء شود

SiO2(L) + 2[C] = [Si] + 2CO

احیاء منگنز :

منگنز به صورت اکسید, سیلیکات و فسفات وارد کوره بلند می شود. مهمترین کانه منگنز MnO2 است این ماده بسیار ناپایدار است وبلا فاصله بعد ازورود به کوره بلند احیاء وتبدیل به Mn3O4 می شود ویا ممکن است به MnO احیاء شود Q=+147904 kj/kmol MnO2 + CO = MnO + CO2 Mn3O4 + CO =3 MnO + CO2 Q= -55440J

درپایین کوره بلند MnO مستقیما توسط کربن در پایین کوره دردمای بالاتراز1500 درجه بر اساس واکنش زیراحیاء می شود kmol MnO + C = Mn + CO Q=274470 kj/

احیاء منگنز توسط عوامل زیر آسانتر می شود :

1- در اثرانحلال ترکیبات منگنزدرمذاب اکتیویته منگنزکاهش یافته واحیاء منگنز آسانتراست

2- استفاده ازسرباره بازی

3- چون احیاء MnO گرما گیراست افزایش دما

4- افزایش سیلیسیم مذاب زیرا انحلال گرمازای سیلیسیم درچدن مذاب به انحلال منگنز کمک می کند

احیاء فسفر

قسمت اعظم فسفر از طریق کک ، مواد گلداز آور ، کانه آهن و کانه منگنز وارد کوره بلند می شود. فسفر به صورت فسفات در بیشتر کانه های آهن موجود است. سیلیس بر اساس واکنش زیر به شکستن پیوندهای فسفات کمک می کند و به صورت غیر مستقیم به احیاء ترکیبات فسفر کمک می کند.

3CaO.P2O5 + 3SiO2 = 3(CaO.SiO2 )+ P2O5

احیاء فسفر در دماهای بالا رخ می دهد فسفر بطور کلی در کوره بلند احیاء می شود یعنی تمامی فسفر بار ورودی احیاء و وارد چدن می شود بدلیل اثرات زیان آور فسفر در فولاد و مشکلات مربوط به حذف فسفر هنگام فولاد سازی بایستی مقدار فسفر بار ورودی به کوره بلند را کنترل کرد .

چنانچه مقدار فسفر در کانه آهن زیاد باشد بایستی عملیات کانه آرایی بر روی آن انجام داد همچنین با کنترل ترکیب شیمیایی خاکستر کک می توان مقدار فسفر ورودی را تا حد زیادی کاهش داد. حذف کامل فسفر از بار ورودی امکان پذیر نیست. در نتیجه همواره مقداری فسفر وارد کوره بلند می گردد. احیاء فسفر در ناحیه پایین کوره بلند که دما بالا است توسط کربن بر اساس واکنش زیر انجام می شود.

P2O5 + 5C = 2P + 5CO

پنتا اکسید فسفر در ناحیه پایین کوره بلند بخار می شود و می تواند مستقیما با کک داغ واکنش دهد. کربن یا مستقیماً از کک تامین شده یا از طریق واکنش بودوارد یا کربن حل شده در چدن مذاب به احیاء فسفر کمک می کند. بیش از 90 درصد فسفر ورودی به کوره بلند وارد چدن خام می شود و بقیه آن جذب سرباره می شود یا توسط گاز خروجی از کوره بلند خارج می شود یا ممکن است جذب نسوزهای جداره کوره بلند شود. فسفر احیا شده توسط قطرات چدن مذاب که از میان سرباره عبور می کند جذب می شود

احیاء سایر عناصر

کانه های آهن اکسیدهای خالص نمی باشند کک هم کربن خالص نیست. کانه آهن و سایر مواد ورودی به کوره بلند دارای ناخالصی های زیادی است و بیشتر آنها هنگام آهن سازی احیاء می شود. مواد احیاء شده ممکن است در آهن حل شوند یا همراه با گاز خروجی از کوره بلند خارج شده یا به سرباره بروند یا جذب نسوزهای کوره بلند شوند. اکسیدهای نیکل ، مس و سرب به آسانی در کوره بلند احیاء می شوند و روی , سرب , کرم , تیتانیم , آلومینیم , کلسیم ومنیزیم نیز با CO و C احیا می شود این اکسید ها (به غیر از اکسید سرب و روی ) پس از احیاء در چدن مذاب حل شده و در آن باقی می ماند .

کربوره شدن آهن در ناحیه پایین کوره بلند

در نواحی پایین شکم کوره بلند ، قطرات مذاب هنگام عبور از بستر کک گداخته ، مقدار قابل ملاحظه ای (نزدیک حد حلالیت) کربن را در خود حل می کنند. تجزیه شیمیایی نشان داده که نمونه های آهن این منطقه اغلب دارای 3ـ5/2 درصد کربن می باشند. مقدار کربن نمونه های چدن خام بدست آمده از کوره بلند در محدوده دمایی 1450ـ1350 درجه سانتیگراد در حدود 5/2 تا 5/4 درصد می باشد که به حد اشباع نرسیده این مسئله بدلیل اثر عناصر ناخالصی محلول در چدن خام و تاثیر آنها بر روی حلالیت کربن می باشد که باعث می شود مقدار کربن هیچگاه به حد اشباع نرسد.

سیلیسیم از جمله عناصری است که حلالیت کربن را کاهش می دهد تقریباً به ازای هر یک درصد افزایش سیلیسیم در آهن 3/0 درصد از حلالیت کربن کم می شود اما افزایش انحلال سیلیسیم در چدن خام با زیاد شدن دمای بوته کوره بلند بدست می آید. همچنین حلالیت کربن هم با دما زیاد می شود از طرف دیگر چدن هایی که سیلیسیم کمی دارند مقدار کربن آنها هیچ گاه از 5/3 درصد بیشتر نمی شود فسفر هم حلالیت کربن را کاهش می دهد به ازای یک درصد افزایش فسفر درچدن خام3/0 درصد از حلالیت کربن کم می شود. اما منگنز برعکس سیلیسیم و فسفر ، حلالیت کربن را در چدن خام افزایش می دهد. به ازای هر یک درصد منگنز حل شده در چدن خام ، حلالیت کربن در حدود 1/0 درصد افزایش می یابد چنانچه عناصر کاربید زا مانند کرم و تیتانیم در چدن خام موجود باشند مقدار کربن حل شده را افزایش می دهند. با سرد شدن مذاب در پاتیل ، کربن اضافه ، به صورت گرافیت جدا می شود.

گوگرد زدایی

گوگرد همراه مواد اولیه و خاکستر کک به صورت سولفید آهن ، سولفید کلسیم و مواد آلی گوگرد دار وارد کوره بلند می شود. حدود 80 درصد گوگرد توسط کک وارد کوره بلند می شود و بقیه آن توسط سنگ معدن و مواد گداز آور. در حدود 85 درصد گوگرد توسط سرباره جذب می شود و 13 درصد آن ، به صورت گاز از کوره بلند خارج شده و حدود 2 درصد گوگرد باقیمانده ، وارد چدن می شود.

گوگرد درون کک به دو صورت جدا می شود :

اول توسط احتراق کک در دمای 600 درجه سانتیگراد و توسط واکنشهای شیمیایی بین کک و مذاب ، گوگرد سوخته شده هنگام بالا رفتن در کوره بلند توسط مواد شارژ جذب می شود. در ناحیه تنوره ، شکم و در جلوی لوله های دم ، هنگام احتراق مقداری از گوگرد کک بخار شده و در مذاب حل می شود. گوگرد موجود در چدن خام ، بصورت محلول یا به صورت ترکیب (عمدتاً سولفید آهن) است هنگامی که قطرات مذاب دارای گوگرد از لابه لای سرباره بوته کوره بلند عبور می کنند گوگرد موجود در مذاب توسط سرباره جذب می شود. به طور کلی حذف گوگرد به دو صورت امکان پذیراست:

1ـ توسط اکسیداسیون ، که به صورت گاز دی اکسید گوگرد خارج شود. این روش تنها در هنگام کلوخه سازی و یا تشویه امکان پذیر است.

2ـ تبدیل کردن گوگرد به سولفیدهای غیر محلول در مذاب( حذف توسط سرباره) این روش به اتمسفرهای احیایی نیاز دارد در نتیجه ، در کوره بلند امکان پذیر است.

گوگرد از طریق یکی از پنج حالت زیر جذب مذاب می شود که این مساله بستگی به ترکیب شیمیایی گوگرد در ماده اولیه دارد به عبارت دیگر ، گوگرد ماده اولیه به صورت سولفید یا سولفات باشد.

حالت اول :

MS + Fe = [FeS]

حالت دوم :

FeS + 10 Fe2O3 = 7 Fe2O4 + SO2

SO2 + 2C = 0/5 S2(g) + 2CO

[Fe] + 0/5 S2(g) = [FeS]

حالت سوم :

CaSO4 + [Fe] + 3C = [FeS] + CaO + 3CO

حالت چهارم:

CaSO4 + 4C = CaS + 4CO

CaS+FeO= CaO + [FeS]

حالت پنجم

CaS + SiO(g) = SiS(g) + CaO

SiS(g) +2[Fe] = [Fe-Si] + [FeS]

در ناحیه اکسیدی کوره بلند ، قبل از لوله های دم که نسبت فشار جزئی گاز دی اکسید کربن به منواکسید کربن در محدوده 26ـ 26/0 است ، گوگرد عمدتاً به صورت گاز دی اکسید گوگرد است در ناحیه مرکزی کوره بلند ، ناحیه احیا کننده که در دمای 1600 درجه سانتیگراد است ، گوگرد به صورت CS2است. با کاهش دما ، در ناحیه محوری و بالای کوره بلند که فشار جزئی گاز منواکسید کربن بیشتر از گاز دی اکسید کربن است گوگرد عمدتاًٌ به صورت گازهای COS و H2S وجود دارد. واکنش های زیر در نقاط مختلف کوره رخ می دهد.

برگرفته شده از:

سیمرغ سعادت

فرآیند ذوب و احیاء در کوره بلند

مطالب مشابه :

مجتمع ارون(آزاد راه تهران _کرج)

آناتومی

آغاز و چگونگی ثبت نام پذیرفته شدگان کارشناسی ارشد فراگیر بهمن ۹۲ دانشگاه پیام نور

اناتومی و فیزیولوژی قلب

همایش منطقه ای ریاضی محض و کاربردی دانشگاه آزاد اسلامی واحد کرج

فاسيولا هپاتيكا

فرایند دایکاست Diecasting

راهنمای سیستم (دستورالعمل اجرائي نحوه تكميل اطلاعات آموزشگاه هاي ازاد)

کارت ورود به جلسه امتحان

فرآیند ذوب و احیاء در کوره بلند