کوره قوس الکتریکی و کوره ذوب القایی و کاربرد آنها

کوره ذوب القایی

کاربرد  کوره ذوب القایی در تولید فولاد (فولاد ریخته گری) و کوره قوس الکتریکی جهت تولید فولاد های پر آلیاژ

 ذوب القایی و  قوس الکتریکی
ذوب شامل قراضه انتخاب شده با کربن مشخص است . قراضه در محفظه ای استوانه ای از مواد نسوز (بوته) قرار می گیرد که توسط یک سیم پیچ القایی خنک شونده با آب احاطه می شود . جریان متناوب با فرکانس بالا از سیم پیچ عبور می کند و باعث ایجاد میدان مغناطیسی متناوب در داخل مذاب می گردد. این امر گرمای شدید تولید نموده و  دارای اثر همزنی نیز می باشد . نه تنها دستیابی به دمای بالا ممکن است ، بلکه کنترل دقیق دما هم امکان پذیر است.

ظرفیت کوره القایی

ظرفیت آن از کمتر از یک کیلوگرم تا بیست تن متغیر است و از آن برای ذوب کردن چدن و فولاد ،مس آلومینیوم و فلزات گرانبها استفاده می گردد . یکی از اشکالات عمده استفاده از این کوره در کارخانه ریخته گری عدم قابلیت تصفیه آن می باشد ؛ مواد شارژ باید عاری از محصولات اکسیداسیون بوده و ترکیب شناخته شده ای داشته باشند. برخی از عناصر آلیاژی به دلیل اکسیداسیون ممکن است از دست برود و باید دوباره به مذاب اضافه شوند.

فرایند گرمایش القایی روشی است که در آن مواد هادی برق از طریق جریان گردابی القا شده توسط میدان الکترو مغناطیسی متغیر گرم می شوند . اصل کوره گرم کردن القایی شبیه به ترانسفورمر است .کوره های القایی دارای محدودیت خاص خود هستند . فرایند القایی مورد استفاده در کارخانه ریخته گری، فاقد قابلیت تصفیه مذاب می باشد . فرکانس عملیات این کوره نیز متفاوت است . این فرکانس معمولا به مواد مذاب شونده، ظرفیت کوره و سرعت ذوب لازم بستگی دارد .کوره با فرکانس بالا معمولا شارژ را سریعتر ذوب می کند در حالی که کوره با فرکانس کم تلاطم بیشتری در فلز ایجاد می نماید و قدرتی را که می تواند به کوره اعمال شود کاهش می دهد . این فرایند در هنگام کار کردن وزوز می کند ، که این صدا می تواند توسط اپراتور برای اطلاع از سطح قدرت کار کوره مورد استفاده قرار گیرد .

وضعیت جداره نسوز

 مواردی از جمله: سایش مکانیکی به وسیله ذوب و شارژ جامد، خوردگی شیمیایی به وسیله سرباره، ذوب و اتمسفر کوره شوکهای مکانیکی و حرارتی کندگی و انهدام در اثر برخورد و تصادف با شارژ جامد، شیوه شارژ نامناسب و غیر متناسب بودن ابعاد و کیفیت شارژ، درجه حرارت بیش از اندازه بالای ذوب، موجب آسیب دیدگی یا نازک شدن جداره کوره القایی می گردد. (نصب و پخت ناصحیح جداره و هرگونه انفجار به هر دلیلی داخل کوره هم می‌تواند باعث انهدام و آسیب به جداره نسوز شود). این جداره ممکن است در اثر رسوب مواد غیر فلزی و  غیر آلی نیز ضخیم شود که در هر دو مورد برای کوره مضر می‌باشد. مورد اول (نازک شدن جداره) گر چه در مرحله اول باعث بالا رفتن توان گرمایی کوره می‌شود ولی در مجموع  عمر جداره را پایین آورده و گاهی باعث توقف اضافی می‌گردد.

مورد دوم (ضخیم شدن جداره) باعث پایین آمدن بازدهی کوره شده و گاهی در شارژ کردن نیز اختلال ایجاد می‌کند. برای شناخت علل ضخیم شدن و نازک شدن جداره بر اثر فعل و انفعالات شیمیایی باید ترمو متالورژی ذوب،سرباره، آتمسفر کوره و آستر نسوز را شناخت. به عنوان مثال وجود اکسیدهای قلیایی در ذوب آلومینیم در کوره‌های با جداره آلومینیایی باعث اکسید شدن آلومینیم مذاب و تشکیل آلومینا و رسوب آن بر جداره و در نتیجه ضخیم شدن جداره می‌گردد. در صورتی که وجود اکسیدهای قلیایی در کوره‌های با جداره سیلیسی باعث خوردگی شدید آستر نسوز می‌شود.

کوره قوس الکتریکی (EAF)

شامل یک حمام بزرگ و کم عمق با لایه نسوز اسیدی یا بازی و الکترودهای کربنی بر بالای بستر ذوب می باشد که می توانند بالا و پایین بروند . جریان الکتریکی از ترانسفورمر ها به این الکترودها وارد می شود. آهک برای حذف ناخالصی ها و تشکیل سرباره به ذوب اضافه می شود . فلزی که مذاب را تشکیل می دهد ،قراضه با ترکیب شناخته شده است. هنگامی که کوره با قراضه شارژ می شود، الکترودها پایین آورده می شوند و جریان الکتریکی برقرار می گردد. سپس الکترودها بالا می روند و قوس الکتریکی از الکترود به فلز برقرار و ذوب شدن آغاز می شود . آهک ، فلور اسپار ، کربن و فروآلیاژها برای اکسیژن زدایی فلز نیز اضافه می شوند .

 برای تولید فولاد های پرآلیاژ ، HSS، فولاد پر استحکام و غیره از کوره EAF می توان استفاده نمود. این امر به دلیل داشتن کنترل بیشتر بر ناخالصی و در نتیجه بر فولاد سازی امکان پذیر است . در حال حاضر از این کوره به طور فزاینده ای برای تولید فولاد معمولی استفاده می شود . اندازه EAF ها از محدوده ظرفیت کوچک حدود یک تن برای استفاده در کارخانه های ریخته گری جهت تولید محصولات چدنی، تا حدود ۴۰۰ تن برای فولاد سازی ها در بر می گیرد. (ظرفیت EAF های مورد استفاده در آزمایشگاه های تحقیقاتی و در دندانپزشکی ممکن است تنها چند ده گرم باشد) . هدف این مقاله مقایسه بین تکنولوژی کوره قوس الکتریکی با تکنولوژی ذوب القایی است . کوره EAF روش ساده و مؤثری را برای ذوب گرید های مختلف قراضه و سپس انجام عملیات تصفیه فلز تا مشخصات مورد نظر فراهم می کند .

موارد استفاده کوره (EAF)

این کوره برای ساخت انواع فولاد از جمله فولاد های ابزار و فولاد های آلیاژی مفید بوده و امکان استفاده از قراضه ارزان را نیز فراهم می کند . مزیت کلیدی ذوب با کوره EAF این است که امکان تصفیه مذاب و همچنین تولید فولاد های کم کربن وجود دارد . کوره EAF عمدتاً برای ساخت فولاد مورد استفاده قرار می گیرد و شامل مواردی همچون بدنه نسوز چینی شده و الکترودها می باشد . الکترود ها مقطع گرد دارند و با کوپلینگ رزوه شده به هم متصل می شوند. به طوری که با فرسایش یک قطعه الکترود می توان الکترود جدید را به آن اضافه نمود . بین مواد شارژ و الکترود قوس الکتریکی برقرار می شود . شارژ کوره علاوه بر گرم شدن به وسیله جریان الکتریکی عبوری از شارژ ، توسط انرژی تابشی ساطع شده از قوس نیز گرم می شود .

الکترود ها توسط سیستم موقعیت یابی خودکار بالا و پایین می روند .برای موقعیت یابی ، از وینچ بالابر برقی یا سیلندرهای هیدرولیک استفاده می گردد . سیستم تنظیم ، جریان برق ورودی تقریبا ثابت در طی ذوب کردن شارژ را حفظ می کند.  حتی اگر قراضه زیر الکترودها در هنگامی که ذوب می شود جابجا شود . برای انتقال جریان برق به الکترودها  از دکل بازوی نگهدارنده الکترود استفاده می گردد .

ترانسفورمر

برای محافظت ترانسفورمر از حرارت کوره ، آن را در یک اتاق نصب می کنند . بدنه نسوز چینی شده هم با سقف قابل جابجایی از سیستم برق جدا شده است . پایین کوره ، با آجرهای نسوز و مواد نسوز بی شکل پوشیده شده است . کوره بر روی یک سکوی کج کردن ساخته شده است به طوری که فولاد مذاب را می توان به درون ظرف دیگری (پاتیل) برای انتقال به فرایند بعدی ریخت . کوره های مدرن برای جلوگیری از آلایندگی فولاد مذاب با نیتروژن و سرباره دارای مجرای تخلیه از کف در محل ناودانی تخلیه مذاب می باشند . در برخی از کارخانه های جدید ، از روش های مختلف پیش گرم قراضه به منظور کاهش مصرف برق و افزایش بهره وری استفاده می شود .

مقایسه کوره ذوب القایی و کوره قوس الکتریکی

هنگامی که یک کارخانه ریخته گری – کارخانه ذوب قصد دارد از بین کوره قوس الکتریکی مدرن و کوره ذوب القایی فرکانس متوسط بدون هسته برای عملیات خود انتخاب نماید، بحث بر عوامل کلیدی همانند هزینه های انرژی ، مقررات زیست محیطی ، مواد شارژ ، نیروی کار و سطح تولید متمرکز می گردد . برای انجام تجزیه و تحلیل مناسب از اینکه بهترین سیستم عملیاتی کدام است ، همه عوامل باید بر حسب دلار برتن فولاد مذاب اندازه گیری شده و سپس برای تعیین راهکار ذوب مقرون به صرفه با هم جمع شوند .

این تجزیه و تحلیل عوامل زیر را برای هر دو سیستم مذاب مورد بررسی قرار داده و هزینه بر حسب دلار بر تن فولاد را به آنها تخصص می دهد :

• هزینه مواد شارژ – عملیات
• هزینه های بهره برداری
• هزینه نیروی کار
• هزینه های زیست محیطی
• تجزیه و تحلیل سرمایه گذاری و نقطه سر به سر .

سپس این عوامل را می توان برای تعیین سیستم ذوبی که برای وضعیت تولید خاص گزینه مقرون به صرفه تر است با هم جمع کرد .

مواد شارژ

تفاوت عمده بین فرآیندهای ذوب مورد مقایسه، توانایی آنها در استفاده از مواد شارژ با کیفیت های متفاوت است . واکنش های اکسیداسیون و احیا در داخل و بالای منطقه مذاب در طی فولاد سازی با قوس الکتریکی رخ می دهند که امکان استفاده از مواد قراضه بسیار اکسید شده و با کیفیت پایین را می دهند . کوره های ذوب القایی به مواد شارژ با کیفیت پایین و آلاینده ها حساس تر هستند که به هزینه های اضافی برای قراضه منجر می شود و اتمسفر احیائی در آنها وجود ندارد. بنابراین اکسید آهن احیا نخواهد شد . این موضوع سبب افزایش تلفات آهن از طریق سرباره می شود . یکی دیگر از تفاوت ها در مواد شارژ بین فرآیندهای ذوب،  هزینه آلیاژها و مواد افزودنی غیرفلزی است .

عملیات کوره القایی از کاربید سیلسیم پرعیار برای تنظیم ترکیب شیمیایی و علاوه بر این از کربن خالص به صورت گرافیت برای کربن دهی استفاده می شود . این افزودنی ها هزینه هایی هستند که برای EAF مورد نیاز نمی باشند .

برق

از آنجا که ورود انرژی الکتریکی بالاتر همراه با جریان بالاتر الکترود است ، بازدهی الکتریکی بالاتر با راکتورها و به واسطه ورود انرژی شیمیایی اضافی (نزدیک به ۳۵% از کل انرژی) توسط مشعل های اکسیژن – سوخت و تزریق کربن ،عملیات EAF نیاز به مصرف انرژی مخصوص کمتر در حدود kwh/ton 420 -380 دارد در حالی که کوره IMF نیاز به مصرف kwh/ton 720 -680 دارد .

بهره وری

با توجه به ورود انرژی شیمیایی با اکسیژن مافوق صوت و تزریق کربن ، زمان روشن بودن EAF ،کمتر است. به طور کلی ، زمان ذوب تا ذوب EAF حدود ۶۰-۵۰ دقیقه است در حالی که یک ذوب در کوره IMF حدود ۱۵۰-۱۲۰دقیقه طول می کشد . سود آوری هر واحد صنعتی به طور مستقیم با سرعت تولید کم و زیاد می شود.

نیروی انسانی

عملیات EAF با مدرن ترین تجهیزات به نیروی کار زیر نیاز دارد :

چهار نفر در هر نوبت کاری

نیروی کار مورد نیاز یک سیستم کوره ذوب القائی فرکانس متوسط عبارتند از :

دو اپراتور کوره ، دو اپراتور شارژ کننده و جرثقیل ، یک ناظر . در مجموع پنج نفر در هر نوبت برای ذوب کردن در کل عملیات مورد نیاز است .

مواد نسوز

کوره EAF برای دو هفته عملیات تولید مذاب طراحی می شود . پس از دو هفته ، تغییرات پیش بینی شده عبارت خواهند بود از : تعمیرات سینه کوره و مجرای تخلیه ، ناودانی ، قسمت پایین کوره (ول) و منطقه ذوب علاوه بر این ، تعویض و تعمیرات عمده برای ناودانی ، قسمت پایین کوره (ول) ، منطقه ذوب و پوشش آجری بالای منطقه مذاب باید در نظر گرفته شود .

برای سه کوره القایی فرکانس متوسط نیز مواد نسوز و نیروی کار باید در نظر گرفته شود که شامل نسوزکاری مجدد ، تعمیر کلی / جزئی کوره و تعمیر ناودانی است . بزرگترین تفاوت بین دو نوع کوره در ارتباط با مواد نسوز به طور کلی و تعمیرات جزئی به دلیل افزایش مقدار مواد و ساعت کار نیروی انسانی برای سیستم سه کوره ای است . سیستم فرکانس متوسط دارای این مزیت است که از کوره نگهدارنده استفاده نمی کند ، لذا موجب صرفه جویی در هزینه های مواد نسوز می شود .

دفع گرد و غبار

باطله های انباشته شده از هر سیستم را سرباره و گرد و غبار تشکیل می دهند . تفاوت در مقدار مواد باطله آنهاست . کوره EAF به میزان حدود ۸ % از تولید خود سرباره و به میزان ۳۰-۲۰ پوند به ازای هر تن آهن مذاب ، گرد و غبار ایجاد می کند . سرباره EAF برای استفاده مجدد سودمند بوده و ارزش تجاری دارد . مقدار باطله های کوره القایی فرکانس متوسط کمتر می باشد ، وزن سرباره ۱% از وزن مذاب است . این عملیات ، سرباره برای استفاده مجدد تجاری تولید نمی کند .

علاوه بر این در ذوب با کوره القایی فرکانس متوسط ، گرد و غبار جمع آوری شده (۱ پوند بر تن مذاب تولیدی) در فیلتر کیسه ای نیاز به فرآوری برای فلزات سنگین قابل لیچینک دارد . اما علاوه بر مکش غیر مستقیم از هود بالایی (کانوپی هود) در مورد IMF ، مکش مستقیم گرد و غبار از سقف به اتمسفر برای عملیات EAF است که به دلیل شانس خارج کردن گازهای خروجی از کوره به طور مستقیم می باشد .

تعمیر و نگهداری

هزینه های تعمیر و نگهداری برای هر دو عملیات با فرض هزینه تجهیزات ، قطعات یدکی ، تعمیر و نگهداری در داخل کارخانه و پیمانکاران بیرونی و براساس گزارش کارخانه های ریخته گری محاسبه شده اند . هزینه های عملیات EAF به میزان ۴۰/۶ دلار بر تن آهن مذاب و برای عملیات کوره القایی فرکانس متوسط به میزان ۴۰/۴ دلار بر تن آهن مذاب برآورده شده است .

ساختمان ها و سایر

این مورد شامل هزینه های ساختمان های عملیاتی از جمله تاسیسات برق و گاز طبیعی ، عملیات اداری ، حمل و نقل ایمنی می باشد و طبق گزارش کارخانه های ریخته گری ، این پارامتر برای دو نوع عملیات یکسان است.

سرمایه گذاری

در این تجزیه و تحلیل ، سرمایه گذاری برای این دو سیستم بر اساس پروژه های گذشته می باشد . طبق این تجربه ، سیستم های ذوب فرکانس متوسط در مقایسه باسیستم های EAF به میزان ۲۵% هزینه کمتری دارند . عوامل عمده هزینه برای سیستم ذوب قوس الکتریکی عبارتند از : کوره سیستم شارژ ، ساختمان ها شامل منبع تغزیه و کنترل های زیست محیطی .

انتخاب کدام یک؟!

کوره ذوب القایی یا کوره قوس الکتریکی؟!

در زمان انتخاب یک سیستم ، باید تمام داده ها و عوامل مناسب برای اطمینان از کارآمدترین عملیات مذاب در نظر گرفته شود . دمای قوس بسیار بالاتر از حداکثر دمای ایجاد شده توسط القا است . تفاوت بزرگ در هزینه های انرژی خواهد بود . قوس از نظر الکتریکی کارآمدتر است . اکثر کوره های ذوب القایی بدون هسته برای ذوب فلزات غیر آهنی هستند و بسیار کوچکتر از یک کوره قوس کوچک می باشند . عملیات با کوره EAF نیاز به ذوب کننده و اپراتورهای با تجربه که البته بسیار کمیاب هستند دارد . هزینه الکترودهای گرافیتی و مواد نسوز هزینه های عملیاتی آنها را افزایش می دهد . در مقایسه با هزینه انرژی برای ذوب با کوره های القایی ممکن است هزینه کوره EAF کم باشد. اما هزینه ترانسفورمر الکتریکی ، جعبه سوئیچ ۳ و کابل ها گران قیمت خواهند بود.  علاوه بر این تجهیزات اضافی کنترل آلودگی باید برای تامین قوانین محلی شرکت نصب شود .

به طور معمول در جایی که تقاضای فلز مذاب بیش از ۲۵ تن به طور مداوم می باشد ، EAF نصب می شود . اشکال عمده در ذوب القایی یکی استفاده قراضه تمیز و تفکیک شده است که گران قیمت می باشد و دیگری عدم وجود هر گونه عملیات تصفیه است . نصب و راه اندازی تجهیزات در القا سریع است و یک اپراتور با مهارت کم می تواند با کوره کار کند . گریدهای خیلی کم کربن (۰۰۰،۰۳%) را می توان در کوره القایی تولید کرد . همچنین تغییر گریدهای فولاد را براساس یک ذوب تا ذوب دیگر می توان انجام داد .ثابت شده که برای نیاز به چدن مذاب به میزان کمتر از ۵ تن بر ساعت کوره القایی فرکانس متوسط بدون هسته بهترین انتخاب از نظر عملیاتی و اقتصادی است.

عمیلات ذوب

تولید و جمع آوری گرد و غبار همچنان به عنوان دو مشکل جدی کوره های القایی است و هیچ راه حل رضایت بخشی قریب الوقوع به نظر نمی رسد . اگر عملیات نسوز کاری و پاتیل خوب باشد ، فلز کوره قوس نیز باید کیفیت بهتری داشته باشد . گرید های فولاد مستعد به عیوب ناشی از نیتروژن یا هیدروژن ممکن است در زمانی که در کوره های القایی ذوب می شوند مشکل داشته باشند . هر دو نوع عملیات کوره ذوب از استفاده از عملیات تصفیه (متالورژی ثانویه) ، به ویژه به نیازمندی به ” فولاد” بهره مند می شوند . هر عملیات ذوب مجموعه ای از الزامات منحصر به فرد خود را ارائه می دهد و عملیات مطلوب باید براساس مورد به مورد توسعه داده شود و قواعد تخمینی ناکافی هستند .

نتیجه گیری

با توجه به ماهیت فرآیند ذوب کوره القایی ، مرحله تصفیه قابل انجام نیست . در نتیجه کاهش فسفر و حذف سرباره را نمی توان با موفقیت انجام داد . برای به دست آوردن کیفیت مناسب ، قراضه عاری از عناصر مضر و خاک باید مورد استفاده قرار گیرد .این نوع قراضه گرانتر و کمیاب تر از قراضه عادی است . با توجه به شکل کوره القایی ، اندازه قراضه بسیار محدود است . آماده سازی مخلوط قراضه نیز هزینه اضافی به بار می آورد .مصرف برق برای EAF کمتر است . حتی مقادیر کمتر از kwh/ton 400 هم قابل تضمین می باشند . زمان تحویل تجهیزات مکانیکی کوره قوس الکتریکی حدود ۴ ماه است . اما برای تجهیزات الکتریکی مانند ترانسفورمر پله ای ، ترانسفورمر کوره و غیره این زمان ۸ تا ۱۰ ماه است که همان زمان کوره القایی می باشد .

بهره دهی قراضه در EAF به میزان ۹۰% است ، اما همان طور که قبلا ذکر شد ، EAF فرصت استفاده از قراضه ارزان تر را نسبت به کوره القایی دارد . تولید فولاد با استفاده از کوره قوس الکتریکی به میزان قابل توجهی در سال های اخیر افزایش یافته و اکنون حدود یک سوم از کل تولید فولاد جهان را به خود اختصاص داده است .