فرآیند اکسیژن بازی در تولید فولاد

انواع روش های تولید فولاد | معرفی روش های مختلف تولید فولاد

قبلاً در نوشته هایی از دانیال زاده نمین در همین وبسایت، فرایند تولید الیاف فورتا، انواع بست داربست، انواع لوله داربست، میلگرد و سایر محصولات صنعتی را توضیح دادیم. اما ماده اولیه  میلگردهای فولادی چطور به دست می آید؟ در این نوشته کمی مفصل تر درباره روش های تولید فولاد می خوانید.

تولید فولاد با دو روش اصلی؛ کوره بلند یا کوره القایی

انتخاب یکی از این دو روش برای تولید فولاد بستگی به شرایط خاص هر کشور، نوع مواد اولیه و منابع انرژی دارد. در کشور ما از این هر دو روش  استفاده می شود. روش کوره بلند اکنون در کارخانه ذوب آهن اصفهان و روش احیای مستقیم در مجتمع های فولاد مبارکه و اهواز استفاده می شوند.

1. فرآیند اکسیژنِ بازی یا کوره بلند

فرآیند اکسیژن بازی (Basic Oxygen Steel-making Process) از اصلی ترین فرآیندها در تبدیل آهن به فولاد است. در این روش، اکسیژن در محفظه کوره دمیده و فرآیندی گرماده رخ می دهد. کوره ای به نام کنورتور (Converter) را با 30درصد از ضایعات فولاد و آهن مذاب پر می کنند. در مرحله بعد لوله ای باریک را به داخل کوره می فرستند که اکسیژن خالص با سرعتی دو برابر سرعت صوت به کوره تزریق کند. این کار، ناخالصی های موجود در کوره را به اکسیدهای آن تبدیل می کند. به غیر از مونواکسید کربن، بقیه فرآورده ها با آهکی که در طول واکنش اضافه شده است واکنش می دهند و «سرباره» (Slag) تولید می کنند.

روش کوره بلند Blast Furnace) )، روش سنتی برای تهیه آهن خام یا چدن مذاب در کوره بلند و تولید فولاد در کنورتورهای اکسیژنی است. در این شیوه از احیای غیرمستقیم آهن استفاده می شود و سنگ آهن پس از فرآوری به همراه آهک و کک وارد کوره بلند شده، آهن خام یا چدن مذاب به دست می آید.

آهن خام در یک مبدل به فولاد مذاب تبدیل و کربن و ناخالصی های دیگر آن به کمک اکسیژن خارج و فولاد خام تولید می شود. تولید آهن آلات با استفاده از این روش سنتی، دارای سابقه طولانی است. اولین کوره بلند در سال 1600 میلادی در انگلستان ساخته شده است. فولادی که بدین ترتیب به دست می آید در قالب ریخته شده و به صورت شمش، بیلت  یا بلوم به کارخانه نورد حمل می شود تا به شکل محصول نهایی درآید.

2. فرآیند تولید فولاد با روش قوس الکتریکی

در این روش از ضایعات آهن استفاده می شود. در واقع این روش، استفاده از کوره های الکتریکی(Electric Arc Furnace Process) و ذوب مجدد قراضه آهن و فولاد است. به دلیل کمبود منابع قراضه در جهان می توان از آهن اسفنجی نیز برای ذوب استفاده کرد. در روش احیای مستقیم سنگ آهن در کنار ذغال احیا می شود و به صورت آهن اسفنجی در می آید. در گذشته آهن اسفنجی را چکش کاری کرده و فرم می دادند تا آهن آلات به دست آید. این روش اولین روش تولید آهن از سنگ آهن است که با استفاده از تکنولوژی پیشرفته امروزی متحول شده است.

از کوره احیای مستقیم برای اولین بار در سال 1869 میلادی استفاده شده است. برای تولید فولاد با استفاده از روش احیای مستقیم، سنگ معدن را از ابتدا به گندله تبدیل و به کوره احیای مستقیم منتقل می کنند. در آنجا بدون آنکه حالت جامد گندله تغییر کند، آن را احیا  و اکسیژن اکسیدهای آهن را از آن جدا می کنند.

آهن اسفنجی به دست آمده از احیای مستقیم با درصدی از آهن قراضه برای ذوب وارد کوره های قوس الکتریکی می شود. در این مرحله ناخالصی موجود در آهن اسفنجی، همراه با مقدار کمی اکسید آهن به صورت سرباره از فولاد مذاب جدا می شود. فولاد به دست آمده را می توان، مثل تولید فولاد از طریق کوره بلند، با ماشین های ریخته گری مداوم یا با روش ریخته گری با قالب به صورت مناسب برای ارسال به کارخانه نورد آماده کرد.

فرایند BOP تولید فولاد

فرایند اکسیژن پایه BOP از جمله روش هایی که برای تولید فولاد مورد استفاده قرار می گیرد. در این روش اکسیژن خالص از طریق یک لوله به درون حمام مذاب آهن دمیده می شود. اکسیژن با ناخالصی های موجود در آهن مانند کربن، سیلیسیم، فسفر و منگنز واکنش میدهد و آهن تقریبا خالص به دست می آید.

فرایند اکسیژن پایه در تولید فولاد

فرایند اکسیژن پایه (Basic Oxygen Process) یا BOP یک روش تولید فولاد است که در آن اکسیژن خالص به حمامی از آهن مذاب کوره بلند و قراضه دمیده می شود. اساس کار این فرایند به این صورت است که اکسیژن مجموعه ای از واکنش های گرماده را آغاز می کند و منجر به اکسید شدن ناخالصی هایی مانند کربن، سیلیسیم، فسفر و منگنز در آهن می شود.

مزیت استفاده از اکسیژن

مزیت استفاده از اکسیژن خالص به جای هوا برای تبدیل آهن خام به فولاد در سال 1855 توسط هنری بسمر کشف شد اما از آنجا که در آن سال ها امکان تولید اکسیژن خالص در حجم های بالا و به منظور مقاصد تجاری وجود نداشت امکان پیاده سازی این روش تا قرن بیستم فراهم نشد. اما در قرن بیستم اکسیژن خالص با قیمت اقتصادی و در تناژ بالا در دسترس قرار گرفت. استفاده از اکسیژن در فرایند تولید فولاد مزایایی زیادی به همراه دارد که از آن جمله می توان به افزایش نرخ تولید، کاهش نیروی کار و تولید فولاد با میزان نیتروژن کمتر اشاره کرد.

تاریخچه ی روش BOP

توسعه ی BOP از سوئیس و توسط رابرت دورر (Robert Durrer) در اواخر دهه 40 میلادی آغاز شد. در ابتدا یک واحد تست 2.5 تنی راه اندازی شد و پس از انجام اصلاحاتی دورر با همکاری مهندسان در سال 1952 و در Austria به صورت تجاری یک مبدل 35 تنی را به کار انداخت. واحد دوم نیز در کمتر از یک سال شروع به کار کرد. به دلیل محل راه ندازی این پروژه در ابتدا این روش تولید به نام LD شناخته می شد. در طول 40 سال تمام فولاد ژاپن و بیش از نیمی از فولادی که در دنیا به روش BOP تولید می شود.

فرایند BOP

یک کوره ی اکسیژن پایه به صورت نوعی شبیه به یک سیلندر عمودی است که انتهای آن بسته و سر آن به شکل مخروطی و باز است. از سر این کوره لوله های اکسیژن که به وسیله آب خنک می شوند می توانند بالا و پایین شوند. شارژ کوره عموما از 70 تا 75 درصد آهن مذاب کوره بلند که تقریبا 4 درصد کربن دارد به همراه 25 تا 30 درصد فلز قراضه و آهک و سایر مواد است. پس از شارژ کوره لوله اکسیژن پایین آورده می شود و اکسیژن با سرعت فراصورت به داخل حمام دمیده می شود. نرخ ورود اکسیژن نیز به بیشتر از 800 متر مکعب در دقیقه می رسد.

مدت زمانی که اکسیژن دمیده می شود به طور معمول به 20 دقیقه می رسد. البته این زمان با توجه به مقدار کربن برنامه ریزی شده در فولاد می تواند متغیر باشد. فولاد که دمایی در حدود 1600 درجه سانتیگراد دارد سپس داخل پاتیل ریخته می شود و برخی فروآلیاژها و مواد اکسیدزدا (Deoxidizer) به آن اضافه می شود تا ترکیب فولاد مورد نظر شکل بگیرد. در این روش مدت زمان تولید 30 تا 360 تن فولاد حدود 30 تا 45 دقیقه خواهد بود.

انواع دیگر BOP

برای تولید فولید به روش BOP یک راه دیگر نیز وجود دارد که البته کمتر مرسوم است. در این روش اکسیژن از قسمت پایین کوره دمیده می شود. این روش در نقاط مختلف دنیا با نام های متفاوتی نیز شناخته می شود به عنوان نمونه در آمریکای شمالی به آن Q-BOP یا OBM گفته می شود.

در اروپا نیز با نام oxygen bottom-blowing furnace شناخته می شود. در این روش اکسیژن با آهک توسط نازلهایی از قسمت پایین کوره وارد می شود. در این سیستم یک لوله با تو تیوب هم محور داریم. اکسیژن و آهک از طریق تیوب داخلی و یک هیدروکربن مانند گاز طبیعی از طریق فضای بین دو تیوب تزریق می شود. تجزیه هیدروکربن گرماگیر است و باعث خنک شدن لوله ها در نزدیکی حمام مذاب می شود و از نسوزهای مجاور نیز محافظت می کند.