کوره قوس الکتریکی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به ناوبری پرش به جستجو
دو کورهٔ قوس الکتریکی در یک کارخانهٔ فولاد

کوره قوس الکتریکی (به انگلیسی: Electric Arc Furnace) که به صورت مخفف EAF نامیده می‌شود، کوره‌ای است که مواد فلزی با استفاده از یک قوس الکتریکی ذوب می‌شود. این کوره‌ها اندازه‌های متفاوتی داشته و در ایران به صورت کوره‌های قوس الکتریکی سنتی (تخلیه از ناودان) و EBT (تخلیه از کف) استفاده می گردند. دمای ذوب و تخلیه در این کوره‌ها در حدود ۱۶۰۰ درجه و در بعضی از کوره‌های آزمایشگاهی گاهی دما به ۳۰۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد.

مهمترین مواد اولیه برای تولید فولاد و چدن در کوره های قوس الکتریکی عبارتند از آهن قراضه، آهن اسفنجی، شمش چدن کوره بلند، فرو آلیاژهای آهک و فلورین می باشد. در ایران عمدتاً از آهن قراضه و از آهن اسفنجی به صورت گندله یا خشته استفاده می‌گردد که می‌تواند به دلیل فراوانی واحدهای احیای مستقیم باتوجه به در دسترس‌بودن منابع گاز طبیعی در ایران باشد.

نوع دیگری از ماده شارژ کوره در برخی کشورها، تغذیه مداوم آهن اسفنجی خشته‌شده گرم است.[۱] کوره‌های قوس الکتریکی، از طریق ذوب شدن بار کوره توسط قوس الکتریکی ایجاد شده بین الکترودهای گرافیتی و بار فلزی، کار می کنند. در این روش، ابتدا آهن اسفنجی تولید شده در فرایند احیای مستقیم درون کوره قوس الکتریکی ریخته می‌شود تا ذوب گردد. دمای این کوره‌ها به حدی است که در همان ذوب اولیه فولاد با درصد کربن نسبتاً پایین تولید می‌شود. سپس فولاد تولیدشده درون کوره پاتیلی ریخته می‌شود تا در آنجا عملیات آلیاژسازی انجام شود. این عملیات شامل تنظیم کردن میزان کربن، اضافه کردن عناصر آلیاژی و یکدست‌سازی ترکیب فولاد است.[۱]

تاریخچه[ویرایش]

شروع فرآیند اختراع و ساخت کوره‌های قوس الکتریکی امروزی به قرن نوزدهم بازمی‌گردد. اختراع اولیه کوره‌ی قوس الکتریکی بوسیله‌ي آقای همفری دیوی ( Humphry Davy ) در سال ۱۸۰۸ 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 هیچ‌کس نتوانست آن‌را به صورت عملی به‌کارگیرد.

نمونه از کوره‌های اولیه

اما بلاخره در سال ۱۸۷۸ فردی به نام ارنست ویلیام زیمنس (William Siemens) اولین کوره‌ی کوره‌ی قوس الکتریکی را ساخت. او توانست در یک آزمایش ۲ کیلوگرم آهن قراضه را ظرف ۲۰ دقیقه بوسیله قوس الکتریکی ذوب کند. که در آن زمان موفقیت بزرگی بود و در سال‌های بعد سبب تحویل چشمگیری در صنعت ذوب آهن شد.

کوره‌های اولیه[ویرایش]

اما پل هرویت (Paul Héroult)اولین کوره‌ی قوس الکتریکی تجاری را در سال ۱۹۹۰ در شهر لپراز فرانسه ساخت.

فولادسازان آمريكايي بسرعت متوجه‌ی مزیت ها ذوب الکتریکی شدند و به همين منظور از هرولت دعوت كردند كه بازديدي از امكانات كشور آنها داشته باشد. بعد از آن به کمک پل هرویت در سال ۱۹۰۷ اولين كوره قوس الکتریکی در كارخانه شركت فولادسازي هالکوم (halcomb) در نيويورك نصب شد.

در ابتدا دستیابی به قوس الکتریکی به علت عدم تامین برق بسیار محدود و گران بود. به تدریج با توسعه‌ی صنعت برق، کوره‌های قوس الکتریکی نیز توسعه پیدا کردند و بتدريج كوره‌‌هاي بزرگ‌تري ساخته شدند، كه بزرگ‌ترين آن تاكنون توسط شركت دانيلي ايتاليا با وزن 420 تن ساخته شده، كه كارخانه فولادسازي توكيو در سال 2010 راه‌اندازي کرده است.

اجزا و ساختمان کوره‌های قوس الکتریکی[ویرایش]

بدنه‌‌ی کوره[ویرایش]

کوره‌های قوس الکتریکی اساسا یک حمام بزرگ و کم عمق با بدنه‌ی فولادی هستند. که با مواد نسوز(Refractory) مقاوم در برابر حرارت پوشش داده می‌شوند.

همچنین دما در این کوره‌ها بسیار بالا است (حدود ۳۰۰۰ درجه سانتی‌گراد ) و تقریبا هیچ ماده نسوزی تحمل همچین دمایی را ندارد. به همین علت برای کاهش دما، بدنه و سقف این کوره‌ها را با لوله‌های آبگرد پوشانده شده است.

به طور کلی بدنه‌ي کوره‌های قوس الکتریکی از سه بخش اصلی تشکیل شده است که عبارت‌اند از : کف یا بوته (heats) ، دیوار جانبی (‌shell ) و سقف (roof).

  • سقف کوره (roof) : به صورت یک کلاهک است و معمولا به گونه‌ای طراحی می‌شود که هم سبک باشد و هم استحکام لازم را داشته باشد. در سقف کوره‌های قوس الکتریکی معمولا سه سوراخ قرار دارند که این سه منفذ محل عبور الکترودها هستند. در کوره‌های قوس الکتریکی معمولا سقف به گونه‌ای طراحی می‌شود که همراه با الکتردها قابل حرکت باشند.
  • دیوار جانبی کوره (‌shell ) : عموما به صورت استوانه‌ای هستند و با مواد نسوز و همچنین لوله‌های آبگرد پوشیده شده است.
  • کف یا بوته کوره (heats) : حالت قوسی شکل دارد و برعکس سقف آن عمقش نسبتا کم و سطح آن زیاد است تا فصل مشترک مذاب با سرباره بیشترین مقدار باشد.

تجهیزات الکتریکی[ویرایش]

تجهیزات الکتریکی از مهم‌ترین اجزای تشکیل دهنده‌ی کوره‌های قوس الکتریکی می‌باشد. که از سه قسمت زیر تشکیل شده است:

  1. کلید قطع و وصل مدار
  2. راکتور و ترانسفور ماتور
  3. تنظیم کننده‌های الکترود
کلید قطع و وصل مدار[ویرایش]

به‌خاطر مصرف خیلی زیاد انرژی در کوره‌های قوسی، این کوره‌ها به یک منبع الکتریکی فشار قوی متصل می‌شوند. در این میان کلید خودکار وظیفه‌ی حساس و مشکلی دارد. زیرا که در هر ذوب کوره حدود ۵یا۶ دفعه برق قطع می‌گردد. در نتیجه ضروری است که از یک کلید قطع و وصل فوق‌العاده مقاوم استفاده شود.

راکتور و ترانسفورماتور[ویرایش]

راکتور برای پایین آوردن نوسان‌ها و افزایش ناگهانی ولتاژ مورد استفاده قرار می‌گیرد. راکتور از یک سیم پیچ ساده که جریان الکتریکی از آن عبور می‌کند تشکیل شده است. جریان عبور کرده از سیم پیچ، ولتاژی را القا می‌کند که سبب ایجاد یک جریان مخالف در سیم پیچ مجاور می‌شود. به این ترتیب راکتور وارد خط شده و جلوی جریان را می‌گیرد و نتیجه باعث پایین آمدن نوسان‌ها می‌شود.

در قسمت دیگر مدار، تراسفورماتور قرار گرفته است، که مهم‌ترین قسمت تجهیزات الکتریکی می‌باشد.

تراسفورماتور اساسا یک وسیله‌ی الکترومغناطیسی است که میزان و جهت تغییر ولتاژ یک منبع جریان متغیر ر ا، به میزانی که برای دستگاه مورد نیاز باشد، تنظیم می‌نماید. تراسفورماتور نیز اساسا از دو سیم پیچ اولیه و ثانویه تشکیل می‌شود. این دو سیم پیچ دارای یک مدار مغناطیسی مشترک هستند که آن دو را به هم متصل می‌نماید.

تنظیم کننده‌های الکترود[ویرایش]

در حین ذوب اعمال حدکثر توان کوره ضروری است، زیرا که قراضه‌ها داخل حمام مذاب ریخته شده‌اند و مقاوت شارژ کوره دائما تغییر می‌کند. علاوه بر این الکترودها فرسوده می‌شوند و کم کم طول قوس بیشتر می‌شود.

طول قوس، قدرت ورودی کوره را تعیین می‌کند، به همین دلیل وسایل و تجهیزات فراوانی برای اندازه‌گیری آن ساخته شده است، که به آن‌ها تنظیم کننده گفته می‌شود.

این تجهیزات میزان اختلاف توان مطلوب ورودی را با قدرت وارده اندازه‌گیری می‌کنند و برای تطابق دقیق آن‌ها و همچنین طول قوس مطلوب، الکترودها را بالا و پایین می‌برند و درنتیجه قدرت ورودی یکنواخت می‌شود.

الکترود‌ها[ویرایش]

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

الکترودهای گرافیتی و زغالی از مهمترین مواد مصرفی در کوره‌های قوس الکتریکی هستند. این الکترودها تاثیر زیادی در کیفیت مذاب و البته تولید محصول داشته و از نظر اقتصادی نیز سهم قابل توجهی از هزینه‌ها را به خود اختصاص می‌دهدند. برای تولید مذاب باکیفیت 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 معمولا براساس میزان تولید فولاد و فروآلیاژهای مورد نیاز، از سه نوع الکترود استفاده می‌شود که به ترتیب عبارتند از:

  • الکترودهای زغالی
  • الکترودهای گرافیتی
  • الکترودهای زینترشده

الکترودها به دو شیوه‌ی زیر مصرف می‌شوند:

  1. مصرف جانبی ناشی از اکسایش که به لاغر شدن ستون الکترود(به‌سوی نوک آن) می‌انجامد
  2. مصرف نوک الکترود.

داده‌های فراوانی درباره سایش نوک و جوانب الکترود یافت می‌شود که عموما این داده‌ها را براساس آهنگ سایش برحسب کیلوگرم گرافیت در ساعت بر مترمربع بیان می‌شود.

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

نکته‌ای که در ارتباط با اتصال الکترودها باید توجه داشت این است که اگر اتصال الکترودها سست باشد، جریان به جای اینکه از تمام الکترود عبور کند، تنها از مغزی رد می‌شود. به این ترتیب سست بودن اتصال الکترودها باعث افت زیاد انرژی الکتریکی می‌شود. البته باید توجه داشته باشیم که بیش از حد محکم کردن الکترودها نیز منجر به شکاف برداشتن آن در ناحیه گردن می‌شود که به هیچ‌عنوان برای ما مطلوب نمی‌باشد. در نتیجه میتوان گفت، اهمیت اتصال‌های محکم در صرفه‌جویی انرژی الکتریکی می‌باشد.

مراحل ذوب آهن و فولاد سازی در کوره‌های قوس الکتریکی[ویرایش]

مواد مصرفی و اولیه[ویرایش]

دو ماده اصلی در کوره‌ی قوس الکتریکی،آهن قراضه و آهن اسفنجی می باشند. ابتدا در کوره مقداری آهن اسفنجی شارژ می کنند و آن را به وسیله ایجاد قوس الکتریکی ذوب می نمایند و سپسآهن 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 و 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 و یا موادی جهت آلیاژ کردن و یا تصحیح ترکیب نهایی مذاب مورد نیاز می باشند. گاهی اوقات افزودن کربن نیز جهت تنظیم آنالیز نهایی ذوب و یا برای بالا بردن مقدار کربن فولاد لازم است.

کمک ذوب ها که مهمترین آن ها آهک است جهت تشکیل سرباره ها و اثر گذاشتن بر واکنش های شیمیایی در مراحل مختلف تصفیه متالوژیکی به کوره افزوده می شوند. عناصر آلیاژ کننده که اکثر آن ها 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 پر کربن و فروسیلیکو منگنز و فروسیلیسیم و سایر فرو آلیاژها نیز افزوده می شوند.

یکی دیگر از مواد مصرفی در کوره، عناصر آلیاژکننده هستند. این عناصر که معمولا در تولید فولادهای کربنی کم آلیاژ، پرآلیاژ 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 معمولا 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.[۱]

فرآیند ذوب گرفتن آهن[ویرایش]

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 ۱ الی ۳ 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 نامرغوب ترین قراضه به فولاد  مرغوب را امکان پذیر می سازد. این روش ممکن است به صورت یک سرباره ای و 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 آهک و روان ساز چون فلوئوراسپار در آن معمول است. در مجتمع فولاد مبارکه اصفهان از این روش استفاده می گردد.

همانطور که قبلا 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 هریک از الکتروده 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.

الکترودها 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 ۱۵۵۰ 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.[۲]

خوب اگر بخواهیم در ارتباط با فرآیند ذوب، جمع‌بندی کنیم، می‌توانیم فرآیند ذوب را در سه مرحله خلاصه کنیم:

  1. معمولا مرحله شروع ذوب با ولتاژ متوسط قوس الکتریکی آغاز می‌شود تا از صدمه زدن قوس به سقف جلوگیری شود.
  2. وقتی الکترودها به داخل بار وارد شدند، ولتاژی انتخاب می‌شود که حداکثر انرژی ورودی را به کوره بدهد.
  3. وقتی حوضچه مذاب ایجاد شد، میزان ولتاژ را به مقدار متوسط کاهش می‌دهند تا از آسیب رساندن تشعشع به آسترهای نسوز جلوگیری شود. به محض اینکه سه چهارم بار ذوب شد یا حوضچه فرو رفت، روش معمول این است که الکترود ها را بالا می‌کشند و قراضه‌های گداخته شده باقیمانده را که در قسمت‌های دیگر کوره موجودند، با هم(مذاب) مخلوط کنند. که این کار را بوسیله‌ی میله مخصوص ویا جابجا کردن قراضه‌ها، ویا بوسیله لوله مخصوص دمش اکسیژن انجام می‌دهند.
  4. برای تخلیه کوره‌های قوس الکتریکی آن‌ها را ۴۰ تا ۵۰ درجه به جلو خم می‌کنیم و برای تخلیه سرباره، آن‌ها را ۱۰ الی ۱۵درجه به عقب خم میکنیم.[۳]

منابع[ویرایش]

پانویس[ویرایش]

  1. ۱٫۰ ۱٫۱ ریحانی زاده، آرمین (۱۳۹۸). انتخاب شارژ کوره‌های قوس الکتریکی. نوربخش. صص. ۱۵۶. شابک ۹۷۸-۶۰۰-۷۳۰۹-۹۹-۵-.

پیوند به بیرون[ویرایش]