كاربرد مواد دیرگداز در صنایع آهن و فولاد
حدود 70%
كل تولیدات مواد نسوز در صنایع تولید آهن و فولاد مصرف می شود. بسیاری از
تولید كنندگان فولاد در مراكز خود دارای پخش دیرگداز هستند كه در این بخشها
آزمایشهای متداول و معینی بر روی دیرگدازهای جدید دریافت شده انجام می
دهند. بعضی از كارخانه ها نیز بخش های بزرگ تحقیقاتی دارند كه در آنها
تحقیقات مداومی بر روی ساخت انواع دیرگدازهای جدید صورت می پذیرد.
مذاب
فلزات و سرباره اثرات مخربی بر روی آستر كوره های مورد مصرف در صنایع آهن و
فولاد دارد. این مواد موجبات آلودگی، پوسیدگی، سائیدگی، شستن و حمل كردن
آجرهای دیرگدازی را كه ظاهراً باید در مقابل عوامل شیمیائی سخت و مقاوم
باشند را فراهم می سازند. هدف اصلی طراحان و سازندگان مواد نسوز اینستكه
موادی برای آسترها تهیه كنند كه فلز و سرباره نه در آنها نفوذ نماید و نه
با آنها وارد واكنش گردند. ایده آل این طراحان ساخت موادی است كه بدون عیب
بوده و مقاوم در مقابل شوكهای حرارتی باشند، البته آنها باید در عمل این
ایده خود را تعدیل بخشند.
تولید آهن در كوره بلند
علیرغم
احتمال وجود رقابتهائی از طرف روش احیا مستقیم در آینده، بنظر میرسد كه
استفاده از كورة بلند برای تهیه آهن خام لااقل برای سالهای زیاد دیگری
همچنان متداول باقی بماند. شواهد و قرائن بسیاری تمایل بیشتر برای استفاده
از كوره های بزرگتر از جانب تهیه كنندگان را نشان می دهد. استفاده از درجه
حرارتهای بالاتر، دمش اكسیژن اضافی و كار در فشارهای بالاتر، شرایط انتخاب و
كاربرد مواد نسوز بهتر، دقیقتر و بحرانی تری را فراهم می سازد.
كورة
بلند عبارتست از یك سیلندر مخروطی فولادی كه آستر آن بدلیل شرایط متفاوت
ساختمان هر قسمت از كوره. توسط مواد دیرگداز مختلفی پوشیده شده است مواد
شارژ شامل سنگ معدن آهن، كك و آهك از دهانه بالای كوره كه می تواند تا حدود
36 متر نیز ارتفاع داشته باشد، وارد كوره بلند می گردد. هوای پیش گرم شده
اغلب بهمراه مواد دیگری چون اكسیژن، بخار آب و دیگر گازها از میان لوله
هایی بدرون توده شارژ دمیده می شود. در نتیجه این عمل كك سوخته و به CO2 تبدیل می گردد و آهن موجود در سنگ معدن شارژ را احیاء كرده و به آهن فلزی تبدیل می كند. واكنش زیر محصول كوره بلند را نشان می دهد:
مذاب آهن
تهیه شده در ته كوره جمع آوری می گردد تا اینكه یا مستقیماً تحویل كوره
فولاد سازی شود و یا برای انجام عملیات بعدی، ریخته گری و سرد گردد.
كوره
بلند بر اساس تبادل متقابل انرژیهای شیمیائی و حرارتی عمل می كند. علیرغم
وجود بیش از یك قرن سابقه تحقیقاتی در مورد تهیه آهن توسط كوره بلند،
اطلاعات مختصری دربارة توزیع درجه حرارت در هنگام كار این كوره ها موجود
است. این امر مانع از عملكرد دقیق مواد دیرگداز بكار رفته در نقاط مختلف
كوره می شود. بدنه، شكم و تنوره بخش های اصلی یك كورة بلند را تشكیل می
دهد.( به شكل 1 توجه كنید). انتخاب دقیق مواد نسوز مناسب همراه با تعبیه
سیستم خنك كننده در نقاط گرم كوره بخصوص نواحی شكم و بوته( محل جمع آوری
مذاب) عمر كوره را افزایش می دهد اگر چه غالباً در اثر عملكرد عوامل مخرب
ناشناخته، امكان بروز شكستهای ناگهانی وجود دارد.
گاز از
ناحیه فوقانی كوره بلند خارج می شود و این در حالیست كه در حدود 15ـ 10 گرم
بر سانتیمتر مكعب گرد و غبار حاوی ذرات سنگ معدن آهن، كك 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 كوره و
مواد ساینده ناشی از حركت نزولی شارژ كوره از بالا به پائین، مدت عمر آستر
را معین می سازد. از آنجائیكه این اعمال با سرعت های متفاوتی در قسمت های
مختلف كوره صورت می پذیرد لذا طراح می باید برای نواحی مختلف، مواد نسوز
متفاوتی را انتخاب نماید.
برحسب مواد دیرگداز بكار رفته برای كورة بلند دو ناحیة متفاوت را می توان تصور نمود:
الف) منطقة فوقانی كه بحرانی ترین ناحیة این قسمت، بدنه كوره بلند است.
ب) منطقة تحتانی شامل قسمت های تنوره، كف، شكم و لوله های دمندة هوا و…
حدود
تغییرات درجه حرارت در منطقة تحتانی با تقریب بسیار مابین Cْ 1800ـ1300 و
در منطقة فوقانی بین C ْ1300ـ200 می باشد. منطقه تحتانی كه 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 كند كه آستر توسط
جریان آب سرد خنك شود. نحوه ساخت منطقة فوقانی نیز باید بگونه ای باشد كه
در مقابل عملیات مكانیكی و خوردگی شیمیائی ناشی از گازها و بخاراتی كه توسط
شارژ ایجاد می شود مقاومت ورزد.
هنگامیكه
كوره بلند در حال فعالیت می باشد تنورة 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 كربنی و یا خاك نسوز) در مذاب شناور شده و متصدیان
كوره در معرض خطر نشت و نفوذ آهن به خارج كوره قرار می گیرند.
از
آنجائیكه برای هر تعمیر اساسی لازم است كاملاً كار كوره متوقف گردد و
بنابراین تنوره كوره بلند باید با مراقبت های ویژه ای ساخته شود. سرعت سایش
و خوردگی مواد نسوز علاوه بر نوع و كیفیت دیرگداز بكار رفته تحت تأثیر نوع
آهن شارژ شده نیز می باشد. ریخته گری چدن اسفنجی و فرو سیلیس ها نیاز به
كوره های با درجه حرارت بالاتری نسبت به فولاد ریزیهای معمولی دارد. آهن
های فسفر دار بدلیل ویسكوزیتة كمتر دارای قدرت سایش بیشتری بر روی كف كوره
هستند. سایش كف كوره های بلند نیز بسیار پیچیده و نامشخص است. علت این
مسئله هم اینستكه از مواد دیرگداز كف كوره در طول انجام عملیات نمی توان
بسادگی نمونه برداری و آزمایش نمود. كف كوره بصورت مداوم پوشیده از فلز
مذاب آهن بوده و بنابراین تحت فشار زیاد قرار دارد.
“ فاكتورهای موثر در آستر كوره”
كاركرد
خوب و موثر یك كوره بلند تحت تأثیر عوامل مختلفی چون طراحی كوره و نحوه
سرد شدن آن، كیفیت و خواص مواد دیرگداز بكار رفته، اندازة ذرات شارژ( سنگ
آهن، كك و آهك)و روش كار عمومی آن به عنوان یك واحد تقریباً خودكار كه بطور
مداوم كار می كند، دارد. باید توجه عمده ای به اندازة ذرات مواد شارژ شده
داشت زیرا كه میزان ذرات ریز( بصورت گرد) موجود در شارژ تأثیر بحرانی و
موثری بر روی مواردی چون عمر آستر بدنه و شكم كوره بلند دارد. استفاده از
مواد نسوز كائولینی با دانسیته بالا در بدنه كوره موجب جلوگیری از نفوذ
كربن مونواكسید می شود( به بحث های بعدی توجه كنید). جلوگیری از نفوذ CO
باعث كاهش احتمال شكست آستر گردیده و این خود تائیدی برای این تئوری خواهد
بود كه شكست آستر توسط تجزیهCO و رسوب كربن صورت می پذیرد البته در این
شرایط نیز ذرات كربن بخصوص بر روی نواحی اتصال آجرها با ملاط دیده می شود.
این پدیده در مراحل ابتدائی آغاز كار كوره مهم است و باین خاطر اهمیت دارد
كه موجب انبساط حجمی
در ساختمان می گردد.
“ بوته كوره بلند”
هم اكنون
در ایالات متحده آمریكا مصرف آجرهای كربنی برای كف بوته كوره بلند امری
متداول است. برای چنین بوته هایی سرد كردن امری ضروری است. توپی مركزی بوته
از جنس آجر خاك نسوز ساخته می شود. اخیراً از سلیمانیت نیز برای این منظور
استفاده می شود. تاكنون تركیبات مختلفی از آجرهای كربنی و آجرهای خاك نسوز
در دنیا برای بوته بكار گرفته شده اند اما برخی متخصصان نسبت به كار برد
بلوك های كربنی در قسمت فوقانی بوته هشدار داده اند زیرا احتمال سایش آنها
در اثر دمش هوا وجود دارد.
علاوه بر
این وقتیكه آهن های كم كربن در كوره ذوب شوند احتمالاً كربن های موجود در
آجر كربنی در مذاب حاصله حل شده و آجرها بیش از پیش متخلخل گردیده و در
نتیجه سریعتر سائیده می شوند. استفاده از مخلوط كوبیدنی كربن ـ كرم منیزیت
در آستر عموماً به افزایش عمر بوته كمك می نماید.
در
مواقعیكه آجرهای كربنی با دانه های كربن ریز در دیواره های بوته قرار داشته
باشد، رسوب نمودن كربن بر روی آجر نیز می تواند نقشی تعیین كننده در عمر
بلوكها داشته باشد. یك راه ممكن برای رفع این اشكال استفاده از آجرهای
كربنی با نفوذ پذیری كمتر می باشد. این امر ارتباط كامل به منبعی كه كربن
از آن تهیه شده است دارد( بعنوان مثال كربن حاصل از كك نفتی، آنتراسیت و… )
در مدت بهره برداری از آجرهای دیر گداز بوته كورة بلند، تغییرات
مینرالوژیكی و شیمیائی مهمی در آنها رخ می دهد.
مواد
قسمت تحتانی با موادی چون آهن، كاربید و گرافیت آغشته گردیده كه 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 كوره صرفنظر از نوع آجر بكار رفته ناحیة
مركزی ته بوته بوسیلة سرباره و آهن جایگزین می گردد.
در
سالهای اخیر شكلهای غیر مترقبه و غیر منتظره از بین رفتن بوته های كوره
بلند مورد بررسی قرار گرفته است. آزمایشها نشان داده كه برخی بوته ها حاوی
ذرات فلزی كروی با قطر حدود 5/7 سانتی متر است. در نزدیكی دیوارة بوته رگه
های سفید رنگی كه بعداً معلوم شده كریستوبالیت است با ضخامت حدود 5/1 سانتی
متر نیز دیده شده است. بنظر می رسد كه كریستوبالیت ها از تجزیه دیر
گدازهای بوته ناشی شده اند.
“ شكم كوره”
مواد
دیرگداز بكار رفته در آستر شكم كوره بلند تحت سایش و خوردگی حاصل از تماس
سربارة مذاب با درجه حرارتی حدود C ْ1500 و عوامل ساینده ای چون كلوخه های
باركوره قرار دارند. نحوة عمل كوره بخصوص از نظر سرعت دمش هوا بسیار مهم
است. بعضی از تولید كنندگان آهن خام معتقد بودند كه سرعت كم دمش، اثر
معكوسی بر روی عمر شكم كوره بلند دارد. هنوز هم