انواع کوره فولادسازی
کوره فولادسازی تجهیزی برای ذوب، تصفیه یا تنظیم فولاد مذاب است. این تجهیزات در مراحل مختلف تولید فولاد، وظایف متفاوتی انجام میدهند. برخی کورهها وظیفه اصلی ذوب و تولید فولاد خام را بر عهده دارند. برخی دیگر ترکیب شیمیایی، دما و پاکیزگی فولاد مذاب را تنظیم میکنند. در فولادسازی مدرن، یک کوره بهتنهایی تمام فرایند را انجام نمیدهد. خط تولید معمولاً چند تجهیز متالورژیکی را در یک مسیر ترکیب میکند. برای مثال، مسیر EAF-LF-VD-CC چند مرحله متفاوت را شامل میشود. EAF شارژ را ذوب میکند و LF ترکیب و دمای مذاب را تنظیم میکند. VD نیز گازهای محلول و برخی عناصر مزاحم را تحت خلأ کنترل میکند. در پایان، فولاد آماده ورود به ماشین ریختهگری پیوسته میشود. بنابراین، شناخت انواع کوره فولادسازی بدون شناخت متالورژی ثانویه کامل نیست.
دستهبندی انواع کوره فولادسازی و تجهیزات
تجهیزات فولادسازی را میتوان بر اساس نقش متالورژیکی در چند گروه قرار داد:
- کورهها و تجهیزات فولادسازی اولیه
- تجهیزات متالورژی ثانویه
- فرایندهای ویژه فولادهای زنگنزن و آلیاژی
- فناوریهای بازذوب فولادهای ویژه
EAF، BOF و IF در گروه تجهیزات اصلی ذوب قرار میگیرند. LF، VD، VTD، VOD و RH عمدتاً در متالورژی ثانویه فعالیت میکنند. AOD نیز برای پالایش و دکربورهکردن فولادهای زنگنزن اهمیت زیادی دارد. ESR و VAR بیشتر برای بازذوب فولادها و آلیاژهای ویژه استفاده میشوند.
انواع کوره فولادسازی اولیه
کورهها و تجهیزات فولادسازی اولیه، وظیفه اصلی ذوب مواد اولیه و تبدیل شارژ فلزی به فولاد مذاب را بر عهده دارند و مهمترین آنها شامل EAF، BOF و IF هستند.
EAF؛ یکی از انواع کوره فولادسازی
کوره قوس الکتریکی یا Electric Arc Furnace با قوس الکتریکی فولاد تولید میکند. قوس میان الکترود و شارژ فلزی، انرژی حرارتی بسیار زیادی ایجاد میکند. شارژ EAF معمولاً شامل قراضه فولادی، DRI و گاهی چدن مذاب است. ترکیب شارژ به طراحی کارخانه، کیفیت مواد و گرید تولیدی وابسته است. الکترودهای گرافیتی در EAFهای AC سهفاز، قوس الکتریکی ایجاد میکنند. EAFهای DC از آرایش الکتریکی متفاوتی برای ایجاد قوس استفاده میکنند.
اکسیژن نیز در بسیاری از EAFها برای بهبود بهرهوری فرایند تزریق میشود. تزریق اکسیژن، اکسیداسیون کربن و عناصر همراه را افزایش میدهد. سرباره EAF در جذب اکسیدها و کنترل واکنشهای متالورژیکی نقش دارد. کنترل سرباره برای کاهش اتلاف فلز و بهبود پالایش اهمیت دارد. EAF میتواند بخش مهمی از پالایش اولیه را نیز انجام دهد. با این حال، گریدهای حساس معمولاً به متالورژی ثانویه نیاز دارند. در مسیر EAF-LF، کوره پاتیلی ترکیب و دمای فولاد را دقیقتر تنظیم میکند. این ترکیب تجهیزات، انعطاف بالایی برای تولید گریدهای مختلف ایجاد میکند.
BOF/LD؛ کنورتور اکسیژنی
BOF یا Basic Oxygen Furnace یکی از مهمترین تجهیزات فولادسازی اولیه است. این فرایند در بسیاری از منابع با نام LD نیز شناخته میشود. ماده اصلی شارژ BOF معمولاً چدن مذاب حاصل از کوره بلند است. قراضه فولادی نیز برای تنظیم شارژ و تعادل حرارتی وارد کنورتور میشود. لانس اکسیژن، اکسیژن خالص را با سرعت بالا به مذاب میدمد. اکسیژن با کربن، سیلیسیم، منگنز و دیگر عناصر واکنش میدهد. اکسیداسیون عناصر، گرمای مورد نیاز فرایند را تأمین میکند. به همین دلیل، BOF برای ذوب اصلی به انرژی الکتریکی وابسته نیست. سرباره بازی نیز در جذب محصولات اکسیداسیون نقش مهمی دارد. کنترل سرباره برای کاهش فسفر و مدیریت رفتار عناصر اکسیدشونده ضروری است. پس از پایان دمش، فولاد مذاب معمولاً به متالورژی ثانویه منتقل میشود. LF، RH و VD میتوانند در ادامه این مسیر قرار گیرند.
IF؛ کوره القایی
کوره القایی یا Induction Furnace با القای الکترومغناطیسی فلز را ذوب میکند. جریان متناوب، میدان مغناطیسی متغیری در اطراف شارژ ایجاد میکند. این میدان، جریانهای گردابی را داخل فلز ایجاد میکند. مقاومت الکتریکی فلز، انرژی این جریانها را به گرما تبدیل میکند. همزدن الکترومغناطیسی نیز به اختلاط مذاب کمک میکند. این ویژگی، یکنواختی دما و ترکیب را بهبود میدهد. IF برای ذوب فولاد، چدن و بسیاری از آلیاژهای فلزی کاربرد دارد. انتخاب شارژ مناسب، کنترل ترکیب نهایی را آسانتر میکند. توانایی پالایش اکسیدی IF به فرایند و طراحی کوره وابسته است. بنابراین، IF را نباید از نظر پالایش با BOF یا EAF یکسان دانست. در تولید گریدهای حساس، عملیات ثانویه میتواند پس از ذوب انجام شود. هدف این مرحله، رسیدن به ترکیب و پاکیزگی مورد نیاز است.
انواع کورههای قوس الکتریکی و فناوریهای ذوب ویژه
در کنار EAFهای متداول، طراحیهای ویژهای برای شرایط تولید خاص وجود دارد. این تجهیزات بر اساس ظرفیت، نوع شارژ و گرید فولاد طراحی میشوند. برخی خطوط به انعطاف بیشتر در ترکیب شارژ نیاز دارند. برخی دیگر روی کنترل دما، مصرف انرژی یا کیفیت فولاد تمرکز میکنند. به همین دلیل، نام تجاری و آرایش فنی کورهها میان سازندگان متفاوت است. بنابراین، بهتر است فناوریهای خاص را بدون تعریف دقیق، یک نوع مستقل کوره ندانیم.
انواع کوره فولادسازی در متالورژی ثانویه
کورهها و تجهیزات متالورژی ثانویه برای تنظیم دقیق دما و ترکیب شیمیایی فولاد مذاب و انجام عملیات پالایش پس از ذوب اولیه به کار میروند.
LF/LMF؛ کوره پاتیلی
LF یا Ladle Furnace مهمترین تجهیزات گرمادهی و پالایش پاتیلی است. این کوره پس از ذوب اولیه و پیش از ریختهگری قرار میگیرد. الکترودهای گرافیتی، انرژی الکتریکی لازم برای گرمادهی فولاد را فراهم میکنند. همزمان، آرگون از طریق پلاگ متخلخل کف پاتیل تزریق میشود. آرگون، جریان و اختلاط مذاب را افزایش میدهد. این گردش، انتقال جرم میان فولاد و سرباره را بهبود میدهد. افزودن فروآلیاژها، ترکیب شیمیایی فولاد را به مقدار هدف نزدیک میکند. کنترل سرباره نیز برای گوگردزدایی و اصلاح آخالها اهمیت دارد. LF همچنین دمای فولاد را برای ریختهگری پیوسته تنظیم میکند. این کنترل دما باید با زمان انتقال تا ماشین ریختهگری هماهنگ باشد. LF میتواند نقش بافر تولیدی میان ذوب و ریختهگری را نیز ایفا کند. این ویژگی، هماهنگی زمانی میان واحدهای مختلف فولادسازی را بهبود میدهد.
LTS؛ ایستگاه تصفیه پاتیلی
LTS یا Ladle Treatment Station یک ایستگاه عملیات پاتیلی است. این تجهیز را نباید در همه طراحیها معادل LF در نظر گرفت. LTS میتواند برای عملیات آلیاژسازی و تنظیم فولاد مذاب استفاده شود. تزریق گاز خنثی نیز برای همگنسازی ترکیب و دمای مذاب کاربرد دارد. در صورت وجود تجهیزات مناسب، عملیات مربوط به سرباره نیز انجام میشود. نوع دقیق عملیات LTS به طراحی خط و الزامات گرید وابسته است. Primetals، LF و LTS را بهعنوان دو تجهیز مرتبط در متالورژی ثانویه معرفی میکند.
VD؛ واحد خلأزدایی
VD یا Vacuum Degassing برای تصفیه فولاد مذاب در فشار پایین استفاده میشود. پاتیل فولاد داخل یک محفظه خلأ قرار میگیرد. کاهش فشار، خروج هیدروژن و نیتروژن محلول را تسهیل میکند. تزریق آرگون از کف نیز گردش مذاب را افزایش میدهد. گردش مذاب، انتقال گازهای محلول به سطح آزاد را تقویت میکند. خلأ سپس خروج این گازها از مذاب را آسانتر میکند. VD میتواند شرایط مناسبی برای گوگردزدایی و شناورسازی آخالها ایجاد کند. تنظیم دما و ترکیب نیز در برخی طراحیها انجام میشود. VD بیشتر یک واحد پالایش است تا کوره ذوب مستقل. به همین دلیل، آن را باید در گروه متالورژی ثانویه قرار داد.
VTD؛ واحد خلأزدایی پاتیلی
VTD یا Vacuum Tank Degassing یکی از آرایشهای خلأزدایی فولاد مذاب است. در این سیستم، پاتیل داخل محفظه خلأ قرار میگیرد. هدف اصلی، کاهش گازهای محلول و بهبود شرایط متالورژیکی مذاب است. آرگونزنی کف پاتیل، گردش فولاد و انتقال جرم را تقویت میکند. VTD در برخی خطوط برای ذوبهایی با نیاز اصلی به گاززدایی استفاده میشود. نامگذاری VD و VTD در خطوط مختلف میتواند تفاوت داشته باشد. بنابراین، مشخصات فنی واقعی تجهیزات باید از طراحی کارخانه استخراج شود. منابع صنعتی نیز VD و VTD را در یک خانواده فناوری خلأ قرار میدهند.
VD-OB؛ خلأزدایی همراه با دمش اکسیژن
VD-OB نسخهای از واحد خلأزدایی با قابلیت دمش اکسیژن است. اضافهشدن لانس اکسیژن، ظرفیت دکربورهکردن فرایند را افزایش میدهد. اکسیژن با کربن مذاب واکنش میدهد و گازهای واکنش را ایجاد میکند. خلأ، خروج محصولات گازی و ادامه واکنش دکربورهکردن را تسهیل میکند. این روش زمانی اهمیت دارد که مقدار کربن نهایی باید بسیار پایین باشد. کنترل اکسیژن برای جلوگیری از اکسیداسیون ناخواسته عناصر ضروری است.
VOD؛ خلأزدایی و دکربورهکردن اکسیژنی
VOD یا Vacuum Oxygen Decarburization برای فولادهای زنگنزن اهمیت ویژهای دارد. این واحد، محفظه خلأ را با لانس دمش اکسیژن ترکیب میکند. اکسیژن از طریق لانس وارد سطح مذاب میشود. در شرایط خلأ، واکنش کربن و اکسیژن به تولید CO کمک میکند. کاهش فشار جزئی CO، ادامه دکربورهکردن را از نظر ترمودینامیکی تسهیل میکند. این ویژگی امکان کاهش کربن با محدودکردن اتلاف کروم را فراهم میکند. VOD میتواند بهصورت مستقل یا پس از یک مرحله AOD استفاده شود. در مسیرهای خاص، AOD دکربورهکردن اولیه را انجام میدهد. VOD سپس دکربورهکردن عمیقتر را تکمیل میکند. Tenova این آرایش را در مسیرهای Duplex و Triplex توضیح میدهد.
RH؛ واحد خلأزدایی چرخشی
RH یا Ruhrstahl-Heraeus یک فناوری گاززدایی چرخشی تحت خلأ است. این سیستم از یک محفظه خلأ و دو Snorkel استفاده میکند. دو Snorkel داخل فولاد مذاب قرار میگیرند. گاز خنثی به یکی از مسیرها تزریق میشود و گردش مذاب را ایجاد میکند. مذاب از پاتیل وارد محفظه خلأ میشود. پس از گاززدایی، مذاب از مسیر دیگر به پاتیل بازمیگردد. این چرخه بهصورت پیوسته تکرار میشود. در نتیجه، حجم بزرگی از مذاب در مدت نسبتاً کوتاه تصفیه میشود. RH برای کاهش هیدروژن و نیتروژن کاربرد دارد. این فرایند برای دکربورهکردن فولادهای کمکربن نیز استفاده میشود.
RH-OB؛ RH همراه با دمش اکسیژن
RH-OB نسخهای از RH با قابلیت دمش اکسیژن است. اکسیژن در شرایط خلأ برای افزایش سرعت دکربورهکردن وارد فرایند میشود. کربن مذاب با اکسیژن واکنش میدهد و محصولات گازی تولید میکند. خلأ، حذف محصولات گازی و پیشرفت واکنش را تسهیل میکند. RH-OB برای تولید برخی فولادهای کمکربن و فوقکمکربن کاربرد دارد. کنترل دقیق اکسیژن و شرایط خلأ برای حفظ کیفیت فولاد ضروری است.
VLD؛ واحد خلأزدایی برای ذوبهای کوچک
VLD یا Vacuum Ladle Degassing برای عملیات متالورژی ثانویه در ذوبهای کوچک طراحی شده است. Primetals ظرفیت ۵ تا ۲۰ تن را برای این فناوری ذکر میکند. این واحد میتواند عملیات مشابه VD و VOD را انجام دهد. به همین دلیل، VLD برای برخی فولادهای ویژه و زنگنزن کاربرد دارد. VLD در میکرو میلها، کارگاههای آهنگری و ریختهگری نیز استفاده میشود. طراحی فشرده، استفاده اقتصادی از متالورژی خلأ را امکانپذیر میکند.
انواع کوره فولادسازی برای فولادهای زنگنزن و آلیاژی
فرایندهای ویژه فولادهای زنگنزن و آلیاژی برای کنترل دقیق ترکیب شیمیایی و کاهش عناصر نامطلوب در گریدهایی با الزامات متالورژیکی خاص به کار میروند.
AOD؛ دکربورهکردن با آرگون و اکسیژن
AOD یا Argon Oxygen Decarburization برای فولادهای زنگنزن کاربرد گستردهای دارد. هدف اصلی آن، کاهش کربن با حداقل اکسیداسیون کروم است. اکسیژن و گاز خنثی از طریق نازلهای غوطهور وارد مذاب میشوند. برخی طراحیها دمش اکسیژن از لانس بالایی را نیز به کار میگیرند. کاهش سهم اکسیژن و افزایش سهم آرگون، شرایط دکربورهکردن را تغییر میدهد. این کنترل، اکسیداسیون کروم را در مراحل پایانی محدود میکند. پس از دکربورهکردن، آلیاژهای مورد نیاز به مذاب اضافه میشوند. کنترل کروم، نیکل، کربن و عناصر آلیاژی در این مرحله اهمیت دارد. AOD میتواند نسبت به دکربورهکردن مستقیم در EAF، مسیر تخصصیتری ایجاد کند. در بسیاری از خطوط، EAF ذوب اولیه و AOD پالایش اصلی را انجام میدهد.
فناوریهای بازذوب فولادهای ویژه
فرایندهای ویژه فولادهای زنگنزن و آلیاژی برای کاهش کربن، کنترل ترکیب شیمیایی و حفظ عناصر آلیاژی در گریدهای خاص به کار میروند.
ESR؛ بازذوب الکترواُسلاگ
ESR یا Electroslag Remelting یک فرایند بازذوب برای فولادها و آلیاژهای ویژه است. این فرایند با ذوب دوباره یک الکترود مصرفشونده انجام میشود. الکترود مصرفشونده داخل یک حمام سرباره رسانا قرار میگیرد. عبور جریان الکتریکی، سرباره را گرم و مذاب نگه میدارد. گرمای سرباره، نوک الکترود را بهتدریج ذوب میکند. قطرات فلزی پس از عبور از سرباره وارد حوضچه مذاب میشوند. انجماد کنترلشده در قالب آبگرد، ساختار یکنواختتری ایجاد میکند. فرایند ESR میتواند پاکیزگی و همگنی محصول را بهبود دهد. این فناوری در فولادها و آلیاژهای ویژه با الزامات کیفی بالا کاربرد دارد. ESR یک فرایند بازذوب است و نباید با EAF یکسان تلقی شود.
VAR؛ بازذوب قوس در خلأ
VAR یا Vacuum Arc Remelting یک فرایند بازذوب ثانویه تحت خلأ است. در این روش، یک الکترود مصرفشونده دوباره ذوب میشود. قوس الکتریکی میان الکترود و حوضچه مذاب ایجاد میشود. خلأ، محیط فرایند را برای کنترل گازها و واکنشهای ناخواسته مناسب میکند. فلز مذاب بهصورت قطرات از الکترود جدا میشود. این قطرات در حوضچه مذاب جمع میشوند و سپس انجماد میکنند. کنترل نرخ ذوب و شکل حوضچه برای کیفیت شمش اهمیت دارد. VAR برای آلیاژهایی با نیاز بالا به پاکیزگی و همگنی استفاده میشود. در این فرایند، هدف تولید اولیه فولاد نیست. هدف اصلی، ارتقای کیفیت فلز تولیدشده در مرحله قبل است.
EBM؛ ذوب با پرتو الکترونی
EBM یا Electron Beam Melting از پرتو الکترونی برای ذوب فلز استفاده میکند. پرتو الکترونی انرژی خود را در یک ناحیه بسیار متمرکز منتقل میکند. فرایند در محیط خلأ انجام میشود تا پرتو الکترونی پایدار بماند. خلأ همچنین امکان کنترل بهتر برخی ناخالصیها و عناصر فرار را فراهم میکند. EBM در تولید مواد و آلیاژهای ویژه کاربرد دارد. این فناوری بیشتر در حوزه فلزات پیشرفته و کاربردهای با ارزش افزوده بالا دیده میشود. EBM را نباید در رده کورههای اصلی تولید انبوه فولاد قرار داد. نقش آن بیشتر به ذوب یا پالایش مواد خاص مربوط میشود.
مقایسه انواع کوره فولادسازی
در جدول زیر، مهمترین کورهها و تجهیزات فولادسازی از نظر مرحله فرایند، وظیفه اصلی و کاربردهای شاخص با یکدیگر مقایسه شدهاند.
| تجهیز | مرحله فرایند | وظیفه اصلی | کاربرد شاخص |
|---|---|---|---|
| EAF | فولادسازی اولیه | ذوب و پالایش اولیه | فولادهای کربنی و آلیاژی |
| BOF/LD | فولادسازی اولیه | تبدیل چدن به فولاد | تولید انبوه فولاد |
| IF | ذوب | ذوب القایی | فولاد و آلیاژها |
| LF | متالورژی ثانویه | گرمادهی و تنظیم ترکیب | فولادهای کیفی |
| LTS | متالورژی ثانویه | عملیات پاتیلی | تنظیم ترکیب و دما |
| VD | متالورژی ثانویه | خلأزدایی | کاهش گازهای محلول |
| VTD | متالورژی ثانویه | خلأزدایی پاتیلی | فولادهای با کیفیت بالا |
| VD-OB | متالورژی ثانویه | خلأ + دکربورهکردن | فولاد کمکربن |
| VOD | پالایش ویژه | دکربورهکردن تحت خلأ | فولاد زنگنزن |
| RH | متالورژی ثانویه | خلأزدایی چرخشی | فولاد کمگاز |
| RH-OB | متالورژی ثانویه | خلأ + اکسیژن | فولاد فوقکمکربن |
| VLD | متالورژی ثانویه | خلأزدایی ذوب کوچک | فولاد ویژه |
| AOD | پالایش ویژه | دکربورهکردن کنترلشده | فولاد زنگنزن |
| ESR | بازذوب | پالایش و بازذوب | فولادهای ویژه |
| VAR | بازذوب | بازذوب تحت خلأ | آلیاژهای ویژه |
| EBM | ذوب ویژه | ذوب با پرتو الکترونی | مواد پیشرفته |
تأثیر نوع کوره بر کیفیت فولاد
نوع کوره، مسیر واکنشهای متالورژیکی و کیفیت نهایی فولاد را تحت تأثیر قرار میدهد. با این حال، کیفیت فولاد فقط به نوع کوره وابسته نیست. ترکیب شارژ، کیفیت مواد اولیه و کنترل سرباره نیز اهمیت زیادی دارند. دما، زمان فرایند و شدت همزدن نیز باید بهدقت کنترل شوند. در LF، کنترل سرباره و ترکیب مذاب اهمیت ویژهای دارد. در VD و RH، کنترل خلأ و گردش مذاب اهمیت بیشتری پیدا میکند. در AOD و VOD، کنترل کربن و اکسیداسیون کروم اهمیت اساسی دارد. در ESR و VAR، کنترل انجماد و پاکیزگی فلز اهمیت بیشتری پیدا میکند. بنابراین، انتخاب تجهیزات باید بر اساس گرید و الزامات محصول انجام شود. یک مسیر تولید مناسب، چند مرحله متالورژیکی را بهصورت هماهنگ ترکیب میکند.
تأثیر انواع کوره فولادسازی بر هزینه و قیمت شمش
انواع کوره فولادسازی بهتنهایی قیمت شمش را تعیین نمیکند. با این حال، فناوری تولید روی ساختار هزینه فولاد اثر میگذارد. مصرف برق EAF یکی از هزینههای مهم مسیر فولادسازی الکتریکی است. ترکیب شارژ نیز مصرف انرژی و بازده فلزی را تغییر میدهد. در LF، مصرف برق، الکترود، آلیاژها و مواد سربارهساز اهمیت دارد. واحدهای خلأ نیز هزینه انرژی، تجهیزات و نگهداری مخصوص خود را دارند. فرایندهای ویژه مانند VOD، ESR و VAR برای محصولات تخصصی استفاده میشوند. بنابراین، هزینه تولید آنها را نباید با فولادهای معمولی یکسان دانست. در نهایت، هزینه فولاد به مجموعهای از عوامل تولید وابسته است. نوع کوره یکی از این عوامل است و بهتنهایی قیمت بازار را تعیین نمیکند. همچنین میتوانید برای اطلاع از قیمت روزانه شمش فولادی در بازار ایران به صفحه قیمت شمش فولادی مراجعه فرمایید.
مسیرهای رایج ترکیب تجهیزات فولادسازی
در یک کارخانه، تجهیزات مختلف بر اساس گرید و مسیر تولید ترکیب میشوند. برای مثال، مسیر EAF-LF-CC برای بسیاری از فولادهای کربنی کاربرد دارد. در صورت نیاز به خلأزدایی، مسیر میتواند شامل VD نیز باشد. برای برخی فولادهای زنگنزن، مسیر EAF-AOD-LF-CC استفاده میشود. مسیر EAF-VOD-LF-CC نیز برای برخی گریدهای زنگنزن کاربرد دارد. در فولادهای ویژه، VIM و سپس VAR یا ESR نیز ممکن است استفاده شوند. بنابراین، «کوره فولادسازی» یک تجهیز منفرد در خط تولید نیست. مسیر متالورژیکی، مجموعهای از عملیات مکمل برای رسیدن به گرید نهایی است.
ویدیو و مطالب مرتبط به کورههای فولادسازی در اینستاگرام اسپاد فولاد منتشر میشود.