برچسب: فولاد

فولاد چیست و چگونه تولید می شود

فولاد چیست و چگونه تولید می شود

فولاد چیست و چگونه تولید می شود

فولاد یکی از مواد مهم در ایجاد پایه های جامعه صنعتی است. فولاد یک ماده آهنی است که از مقادیر کمی کربن و عناصر آلیاژی تشکیل می شود و می تواند به صورت هزاران ترکیب با خواص دقیق جهت برآورد نیازهای مختلف ایجاد شود. ارزش فولاد تولید شده در جهان سالانه بیش از ۲۰۰ میلیارد دلار است. آهن آلات در مجموعه وسیعی از صنایع مانند تولید وسایل حمل و نقل، ساختمان سازی، آزادسازی انرژی مثل الکتریسیته و گاز طبیعی، تولید غذا به کمک ماشین های کشاورزی، آبرسانی به وسیله پمپ ها و خطوط لوله و توجه به سلامتی با تجهیزات پزشکی کاربرد دارد.

فولاد در اکثر کشورهای جهان تولید می شود، بیش از ۹۶ درصد فولاد جهان در ۳۶ کشور تولید می شود. چین بزرگ ترین تولیدکننده فولاد است .در حالی که چین بزرگ ترین تولیدکننده فولاد است، در عین حال بزرگ ترین مصرف کننده آن نیز می باشد. ۲۰ کشور اول دنیا در مصرف فولاد بیش از ۸۳ درصد فولاد جهان را مصرف می کنند.

تاریخچه آهن

آهن چهارمین عنصر فراوان است که بیش از ۵ درصد پوسته زمین را تشکیل می دهد.تولید آهن توسط انسان ها در حدود ۲۰۰۰ سال قبل از میلاد در جنوب غربی یا جنوب آسیا آغاز شد. این نشانگر آغاز عصر آهن بود که جایگزین گسترده برنز با آهن برای ابزارها و سلاح ها بود. در طول این دوران، آهن ریختگی توسط آهنگران ساخته شده بود که آهن را گرم می کرد و ناخالصی ها را بر روی یک سندان خرد کرد. آهن حاصل سخت ولی چکش خوار بود.

در قرون وسطی، نوع جدیدی از آهن با استفاده از دماهای بالاتر توسعه یافت. این فلز به عنوان چدن شناخته شد، که سخت تر از آهن ساخته شده بود اما شکننده تر بود. آهن در طول بیش از سه هزار سال، تا زمانی که تولید انبوه فولاد در سال ۱۸۷۰ میلادی آغاز شد، اساس فرهنگ تمدن بشری را تشکیل داد.

ترکیب فولاد

فولاد، آلیاژی از آهن و کربن است. فولاد می تواند مقدار کمی از سیلیکون، فسفر، گوگرد و اکسیژن را نیز داشته باشد. محتوای کربن فولاد بین ۰٫۰۸ تا ۱٫۵ درصد است. این مساله باعث می شود که فولاد سخت تر از آهن نورد باشد. نکته جالب توجه این است که فولاد با این ویژگی همانند آهن ریختگی ( چدن) شکننده نیست.

فولاد دارای تعادل منحصر به فرد از سختی، انعطاف پذیری و استحکام کششی است. فولاد با دوام تر است و لبه ای تیزتر از آهن نوردی دارد. در عین حال، در برابر شوک و تنش مقاوم تر از چدن شکننده است.

معرفی روش های تولید فولاد

با توجه به تنوع موارد استفاده فولاد در دنیا و گسترده شدن دایره مصرف فولاد، تولید فولاد همگام با پیشرفت تکنولوژی تغییرات بسیاری داشته است که در پی این تغییرات تولیدکنندگان سعی در بالا بردن بهره وری و استفاده از انرژی و سوخت های ارزان تر با توجه به محیط جغرافیایی خود کرده اند.

امروزه فناوری های مورد استفاده در تولید محصولات فولادی در مراحل بعد از به دست آوردن فولاد مذاب یعنی ریخته گری و نورد، کم و بیش یکسان است اما برای به دست آوردن فولاد مذاب یا خام، از فناوری های مختلفی می توان استفاده کرد.

به طور کلی فولاد خام در ایران از دو روش زیر تولید می گردد

۱ – تهیه آهن خام یا چدن مذاب در کوره بلند و تولید فولاد در کنورتورهای اکسیژنی که این روش در ذوب آهن اصفهان انجام می شود.

۲ – احیای مستقیم سنگ آهن و ذوب آهن اسفنجی و قراضه در کوره های الکتریکی از قبیل قوس الکتریکی نظیر کوره های قوس الکتریکی فولاد خوزستان یا کوره های القایی مجتمع فولاد جنوب

لازم به ذکر است که تولید فولاد از روش های دیگری نظیر روش کوره باز نیز انجام می گیرد که با توجه به حجم تولید بسیار محدود آن در جهان ، که طبق آمار جامعه جهانی فولاد حدود ۲٫۵ درصد از کل تولید فولاد جهان بوده است و همچنین کاهش پیوسته تولید از این روش ، در اینجا مورد بررسی قرار نمی گیرد.

 در روش اول، که شیوه سنتی تولید است از احیای غیر مستقیم آهن استفاده گردیده، سنگ آهن پس از فرآوری به همراه آهک و کک وارد کوره بلند شده، آهن خام یا چدن مذاب به دست می آید. در مرحله بعد آهن خام در یک مبدل به فولاد مذاب تبدیل گردیده، کربن و ناخالصی های دیگر آن به کمک اکسیژن خارج و فولاد خام تولید می گردد. روش دوم تولید فولاد، استفاده از کوره های الکتریکی و ذوب مجدد قراضه آهن و فولاد می باشد. به دلیل کمبود منابع قراضه در جهان و نیز رشد فزاینده قیمت آن در طول سال های گذشته، در این روش می توان به همراه قراضه از آهن اسفنجی نیز برای ذوب در کوره استفاده نمود.

فرآیند احیای مستقیم در طی چند دهه اخیر، یکی از فرایندهای بسیار مهم در جهت تولید آهن آلات به شمار می رود. تقریبا ۷۵ درصد از کل آهن اسفنجی تولیدی در جهان با دو روش میدرکس و اچ وای ال تولید می شود. امروزه بیشتر تولید فولاد در دنیا اختصاص به دو روش کوره بلند- کنورتور و احیای مستقیم – ذوب الکتریکی دارد که روش دوم به طور قابل توجهی در حال توسعه و پیشرفت می باشد. فرایند تولید فولاد بر پایه احیای مستقیم – ذوب الکتریکی شامل دو مرحله تولید آهن اسفنجی و سپس تبدیل آن به فولاد در کوره قوس الکتریکی می باشد. در روش احیای مستقیم ، ذرات اکسیدی آهن در تماس با گازهای احیاکننده شامل H2، CO و CH4 در دمای ۷۵۰ تا ۹۰۰ درجه سانتی گراد احیا شده و به آهن اسفنجی تبدیل می گردند. آهن اسفنجی معمولا دارای بیش از ۹۰ درصد آهن به صورت فلزی می باشد که میل زیادی به ترکیب شدن با اکسیژن دارد.

انواع فولاد و کاربرد آنها

از نظر محتوای کربن، فولاد به سه نوع تقسیم می‌شود:

فولاد نرم: این نوع فولاد کمتر از ۲/۰ درصد کربن دارد و بیشتر در تهیه پیچو مهره، سیم خاردار و چرخ دنده ساعت و … بکار می‌رود.

فولاد متوسط: این فولاد بین ۲/۰تا ۶/۰ درصد کربن دارد و برای تهیه ریل وراه آهن و مصالح ساختمانی مانند تیرآهن مصرف می‌شود.

فولاد سخت: فولاد سخت بین ۶/۰  تا  ۶/۱ درصد کربن دارد که قابل آب دادن است و برای تهیه فنرهای فولادی، تیر، وسایل جراحی، مته و … بکار می‌رود. اصطلاح فولاد (Steel) برای آلیاژهای آهن که تا حدود ۱،۵ درصد کربن دارند و غالبا با فلزهای دیگر همراهند، بکار می‌رود. خواص فولاد به درصد کربن موجود در آن، عملیات حرارتی انجام شده بر روی آن و فلزهای آلیاژ دهنده موجود در آن بستگی دارد.

مزایای استفاده از آهن اسفنجی

مزایای استفاده از آهن اسفنجی

استفاده از آهن اسفنجی در کوره های القایی

کمبود روز افزون ضایعات فلزی، مشکلات متعددی را برای واحدهای کوچک و بزرگ فولادی منجر شده است که با جایگزینی درصدی از شارژ فلزی کوره با آهن اسفنجی با بریکت، میتوان به حل این معضل پرداخت.

کاربرد و مزایای استفاده از آهن اسفنجی در کوره القایی به شرح ذیل میباشد :

تولید فولاد با کیفیت بهتر

با جایگزینی آهن اسفنجی بجای قراضه، میزان مس، کروم، تنگستن، سرب، قلع و روی و سایر عناصر مزاحم و مضر در فولاد مذاب کاهش یافته و کیفیت و خواص مکانیکی محصولات تولیدی افزایش می یابد.

کاهش قیمت تمام شده فولاد

طبق ارزیابی های انجام شده، قیمت تمام شده فولاد خام، در کوره های القایی با شارژ ترکیبی قراضه و آهن اسفنجی، بین ۵ تا ۱۰ درصد، کمتر از قیمت تمام شده فولاد با شارژ ۱۰۰ درصد قراضه می باشد که بسته به شرایط کارفرما و در اختیار گذاشتن امکانات و نجهیزات، متغیر می باشد.

کاهش مدت زمان بین دو تخلیه

سهولت و سرعت انبارسازی، انتقال و شارژ آهن اسفنجی و عدم نیاز به تجهیزات و ماشین آلات سنگین در مقایسه با قراضه، علاوه بر کاهش قیمت تمام شده، موجب کاهش زمان بین دو تخلیه می شود.
ماهیت ناهمگون قراضه و عدم امکان شارژ مداوم آن موجب نوسان توان مصرفی در کوره گشته که علاوه بر افزایش زمان بین دو تخلیه، آسیب پذیری کوره را افزایش میدهد.

افزایش عمر نسوز کوره در صورت استفاده صحیح

ماهیت ناهمگون قراضه و سقوط یکباره آن به داخل کوره، منجر به آسیب دیدگی نسوز کف کوره و سایش جداره کوره می گردد، در نتیجه عمر نسوز کوره، کاهش می یابد. با توجه به تمهیداتی که در نحوه شارژ آهن اسفنجی در نظر گرفته شده و ماهیت یکنواخت آن نه تنها عمر نسوز کوره را کاهش نمیدهد، بلکه افزایش نیز می یابد.

امکان تعدیل عناصر مزاحم و خنک کردن مذاب

گوگرد و فسفر کمتر در آهن اسفنجی نسبت به آهن قراضه، امکان کاهش و تعدیل درصد آن ها را در حد قابل ملاحظه ای فراهم می سازد.

مزایای مصرف آهن اسفنجی نسبت به آهن قراضه در کوره های برقی

‏با توجه به افزایش روز افزون مصرف فولاد در دنیا، تامین بار آهنی و مواد اولیه همواره مورد نیاز فولاد سازیهای جهان می باشد که در این راستا، تولید و مصرف آهن اسفنجی سهم قابلی توجهی را به خود تخصیص داده است.

‏برخی از مزایای تردید ناپذیر مصرف آهن اسفنجی در مقایسه با آهن قراضه

‏تحقق آنالیز شیمیایی استاندارد محصولات فولادی در صورت استفاده از آهن اسفنجی در کوره های برقی

‏الف- استمرار یکنواختی آنالیز در محصول
‏ب- گوگرد و فسفر کمتر در آهن اسفنجی نسبت به آهن قراضه

همچنین با مصرف و شارژ توام آهن اسفنجی و قراضه در کوره های قوس الکتریکی و القایی از میزان ناخالصی ها و عناصر گو گرد و فسفر در حد قابل ملاحظه ای کاسته می شود. با دقیق کردن ترکیب شارژ آهن اسفنجی و قراضه نیاز به عملیات تصفیه مذاب کمتر شده و در نتیجه عملیات متالوژیکی در داخل کوره آسانتر انجام شده و بهره وری کوره بالا می رود.

ج- با جایگزینی آهن اسفنجی به جای قراضه

میزان مس، کروم، تنگستن، سرب، قلع و روی و سایر عناصر مزاحم و مضر در چدن و فولاد مذاب کاهش یافته و کیفیت و خواص مکانیکی محصولات ریخته گری و فولادی افزایش می یابد.

د-کاهش میزان نیتروژن

در مذاب فولاد باعث می شود تا تختال و شمش های با کیفیت بمراتب بهتر جهت تولید ورق های گرم ، وایر و انواع محصولات دیگر تولید گردد.
مس نیتروژن
شارژ قراضه ۰.۲ درصد ۸۰ppm
شارژ آهن اسفنجی ۰.۰۵ درصد ۲۲ppm

انبارسازی، انتقال، شارژ، عملیات تولید ذوب در صورت استفاده از آهن اسفنجی

‏الف- سهولت انبار سازی، انتقال و شارژ آهن اسفنجی در کوره برقی و عدم نیاز به تجهیزات و ماشین آلات سنگین نظیر جرثقیل و لودر برای متریال هندلینگ‏
ب- امکان شارژ مداوم آهن اسفنجی گرم در کوره های برقی و به تبع آن کاهش مصرف انرژی و زمان ذوب،‏تغذیه مستمر آهن اسفنجی به کوره های برقی فولاد سازی در مقایسه با شارژ صد در صد قراضه در همان شرایط امکان افزایش قدرت الکتریکی ورودی به کوره را بالاتر برده و نتیجتا زمان ذوب کاهش یافته و راندمان تولید فولاد را افزایش می دهد. به دلیل ماهیت ناهمگون قراضه و تغییر پیوسته طول قوس بین الکترود و قراضه شارژ شده به کوره، نوسانات شدید و هارمونیکهای مزاحم و فیلکرهای زائد کار کرد کوره های برقی و پایداری شبکه انتقال قدرت را مختل می نماید.
‏شارژ مستمر آهن اسفنجی موجب می شود تا برق مصرفی حدود ۱۵ کیلو وات در ساعت به ازاء هر تن مصرف آهن اسفنجی ‏و با استفاده از ترانسفورماتورهایUHP ‏ کاسته شود.
ج- مصرف مستمر آهن اسفنجی باعث می شود تا کوره های برقی عملیات سرباره گیری به آسانی صورت گیرد.
د- عدم نوسان برق مصرفی در کوره های برقی

بهبود مصارف، زمان ها، میزان خطرات و میزان آلودگی های ایجاد شده با توجه به مصرف آهن اسفنجی

  1. تأمین بخشی از انرژی الکتریکی مورد نیاز در کوره های برقی به وسیله کربن موجود در آهن اسفنجی ‏یکی دیگر از مواردی که باعث کاهش انرژی مصرفی به ازای هر تن تولید می شود، کربن موجود در آهن اسفنجی است. با شارژ آهن اسفنجی و با کربن مناسب (معمولأ بیشتر از۱/۵ درصد) ‏انرژی مصرفی حدود ۵ کیلو وات ساعت کاهش می یابد.
  2.  کاهش میزان شکست الکترود و سایش دیواره آن در کوره های قوس الکتریکی (EAF)

Kwh/ton درصد آهن اسفنجی
۴۲۱ ۱۰۰درصد آهن قراضه
۳۷۵ ۲۵درصد آهن اسفنجی
۳۷۷ ۳۰درصد آهن اسفنجی
۳۸۰ ۳۵درصد آهن اسفنجی
۳۹۳ ۴۰درصد آهن اسفنجی
۳۹۹ ۴۵درصد آهن اسفنجی
۴۰۸ ۵۰درصد آهن اسفنجی

استفاده از آهن اسفنجی در مقایسه با قراضه به دلایل مشروحه ذیل موجب کاهش مصرف الکترود می شود:
سقوط قراضه منجر به افزایش شکستگی الکترود می شود که در زمان استفاده از آهن اسفنجی این اتفاق رخ نخواهد داد.‏
با استفاده از آهن اسفنجی به دلیل میزان بالای منوکسید کربن (CO) در کوره باعث کاهش اکسیداسیون الکترود می گردد.

  1. کاهش آسیب دیدگی نسوز کف وجداره کوره و همچنین پانلهای آبگرد دیواره و سقف در کوره های قوس الکتریکی و القایی.
  2. کاهش خطرات آلود گی های اطراف کوره های ذوب (ناشی از انفجار قراضه های مرطوب و آلوده به روغن و مخازن و محفظه های بسته و یا گالوانیزه که احتمال خطرات ناشی ازبخارات روی، سرب، قلع و سایر فلزات وجود دارد)
  3. مصرف پایین اکسیژن
  4. با مصرف آهن اسفنجی و با توجه به ورود اکسیژن از اکسیدهای احیا نشده آهن به کوره، میزان اکسیژن تزریقی به کوره کاهش می یابد.اکسید آهن احیا نشده در آهن اسفنجی به حدی کافی است که می تواند نیازهای سرباره به اکسیدهای آهن را تامین نماید.
  5. نظر به اینکه قراضه دانسیته ظاهری کمتری نسبت به آهن اسفنجی دارد لذا مصرف آهن اسفنجی باعث کاهش تعداد سبدهای آهن قراضه شارژ شده به کوره شده و باعث کاهش زمان ذوب و افزایش راندمان کوره های برقی خواهد شد.