فولاد آهن پرشیا

فولاد چیست

فولاد چیست؟

 

آلیاژي از کربن و آهن و دیگر عناصر نظیر منگنز، کروم، فسفر، گوگرد و … به صورت خواسته یا ناخواسته

است. مهمترین عنصري که در کنار آهن حضور دارد کربن است.

سئوال: چرا کربن همواره در همه فولادها حضور دارد؟ به علت روش تولید آهن که روش کربوترمی است

مقداري کربن در آهن احیا شده و حل میشود. از نظر تئوري فولاد کمتر از 2 %کربن دارد. اما اکثر فولادهاي

رایج، ترکیب فولادهاي هیپویوتکتوئید را دارند. یعنی کربن کمتر از 8/0 %دارند. فولادهاي یوتکتوئید و هایپر

یوتکتوئید به ندرت و براي مصارف خاص تولید میشوند.

سئوال: چند مورد از مصارف فولادهاي یوتکتوئید و هایپر یوتکتوئید را بیان کنید.

آهن در طبیعت فقط به صورت اکسیدهاي آن حضور دارد. این اکسیدها در کوره بلند و یا واحدهاي احیاي

مستقیم، احیا میشوند. مورد اول تولید آهن خام و مورد دوم تولید آهن اسفنجی میکند. آهن خام مقادیر زیادي

.دارد%) 0/06-0/07) گوگرد و%) 0/22-0/3) فسفر%)، 0/4-0/5) منگنز%)، 1-1/4) سیلسیم%)، 3/5-4) کربن

لذا حذف مقادیر اضافی کربن، سیلسیم ، منگنز، فسفر و گوگرد باید توسط واکنشهاي شیمیایی حذف شده و به

ترکیب مورد نظر فولاد رسیده شود. این واکنشها شامل اکسیداسیون ناخالصیها و جذب اکسید آنها به فاز سرباره

یا فاز گاز (مانند ZnO (میباشد. این واکنشها بر اساس دیاگرام الینگهام انجام میگیرد.

این دیاگرام نشان می دهد که انرژي تشکیل SiO2 ، MnO ، CO ،P2O5 از انرژي تشکیل اکسیدهاي

مختلف آهن کوچکتر است. لذا این ناخالصی ها در حضور آهن توسط اکسیژن ، اکسید خواهند شد و از آهن

خام جدا می شوند.

SiO2 ، MnO ، P2O5 تشکیل سرباره می دهند تشکیل سرباره با اضافه کردن یک فلاکس بازي مانند CaO

تسهیل می شود.

CO نیز به صورت گازي خارج شده و به صورت CO2 می سوزد.

4

در نهایت فولاد مایعی که بدست می آید دماي بالاتري نسبت به چدن خام حاصل از کوره بلند دارد.

کشورهاي مهم فولاد ساز در دنیا

توسعه و پیشرفت کشورها را از توسعه آنها در صنعت فولادسازي می سنجند.

67کشور جهان تولیدکننده فولاد هستند.به ترتیب چین،ژاپن،آمریکا،روسیه،هند،کره جنوبی،آلمان،

اوکراین،برزیل و ترکیه، رتبه هاي اول تا دهم را به خود اختصاص می دهند. ایران در رتبه 17 جهان قرار دارد.

چین،ایران و هند جزو بزرگترین تولیدکننده هاي آهن خام دنیا هستند.

تولید فولاد در ایران

5

اشیاء فولادي زیادي در مناطق مختلف ایران پیدا شده که نشان دهنده دانش فنی تولید آهن و فلز در ایران باستان

است. نیاز روزافزون به محصولات فولادي باعث گردید که از سه قرن اخیر یعنی از زمان قاجاریه تاسیس

کارخانه ذوب آهن یک آرمان و هدف ملی تلقی شود. ولی با ایجاد مشکلات و موانع این کار به تعویق می

افتد.

در تاریخ 23 دي ماه 1342 یک کارخانه نورد با ظرفیت 65 هزار تن توسط بخش خصوصی ایجاد شداین

کارخانه در سال 1346 با مواد اولیه خارجی در اهواز شروع به تولید کرد.

در سال 1351اولین کارخانه فولادسازي در اصفهان شروع به کارکرد.

شرکت هاي تولید کننده فولاد در ایران

شرکت ملی تولید فولاد ایران، شرکت فولاد مبارکه، شرکت ذوب آهن اصفهان، شرکت فولاد خوزستان

سئوال: تفاوت عمده شرکت ذوب آهن اصفهان و شرکت فولاد مبارکه در چیست؟ اولی با کوره بلند و دومی با

گاز طبیعی (احیاي مستقیم) آهن اسفنجی تولید میکند.

فولاد مبارکه از سال 1360 شروع شده و در سال 1370) به دلیل جنگ) شروع به تولید کرده است. ذوب آهن

در سال 1344 در مجلس تصویب شده با شرکت تیاژ پروم اکسپورت شوروي قرارداد منعقد شد. مراحل اجرایی

از 1346 شروع شده و در سال 1350 کوره بلند 1 ساخته شد. در سال 1351 کوره بلند شماره 2 ساخته شد.

تکلیف: تاریخچه تولید آهن و فولاد را در کشورهاي چین، ژاپن، ارومیه ، آلمان، ترکیه، امریکا، ایران بنویسید؟

سئوال: روش میدرکش (60 %تولید جهان در سال 1987 (و روش HYL) 23 %تولید جهان در سال 1987 (را

جهت تولید آهن اسفنجی شرح دهید؟ ( از نظر صنعتی در درجات اهمیت اول و دوم قرار دارند).

HYL غیر مداوم است. داراي 4 مرحله و هر مرحله 3 ساعت طول می کشد.

1 -بار کردن شارژ و تخلیه گندله احیا شده

2 -احیاي اولیه گندله ها.

6

3 -احیاي کامل گندله ها

4 -سرد کردن گندله هاي احیا شده.

3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O

2 Fe3O4 + 2H2 = 6FeO + 2H2O

6FeO +6H2 = 6Fe + 6H2O

CH4 + CO2 = 2H2 + 2CO یا CH4 + H2O = CO+ 3H2 :احیایی گاز تولید

میدرکس: یک روش با شارژ مداوم است. دما 750 است. از خیلی جهت ها شبیه کوره بلند است فقط ذوب

شدن مواد اتفاق نمی افتد و به جاي اکسیژن از گاز احیایی استفاده می شود.

تاریخچه:

تاریخ تمدن بشریت به شدت به توسعه فلزات و آلیاژها گره خورده است. آغاز عصر مس در حدود شش هزار

سال پیش به عنوان آغاز تمدن بشریت شناخته می شود.بعد از این عصر ، اعصار برنز و بعد عصر آهن شروع شد.

در عصر آهن بشر هنر تولید آهن را توسط واکنشهاي حالت جامد با استفاده از زغال آموخت.

محصول عمدتاً شامل آهن خالص، اکسید آهن، ذرات کربن و سرباره می شد. بشر بعدها توانست سرباره را از

آهن خام جدا کند.

– هندوستان یکی از کشورهاي پیشرو در زمینه تولید فولاد کربن بالا (بنام Wootz شناخته می شود) می باشد.

این فولاد ماده خام تولید شمشیرهاي مودف هندي بوده و حدود 1000 سال در انحصار هندي ها بوده است.

– چینی ها ریخته گري آهن را 700 -800 سال قبل از میلاد مسیح انجام می دادند. چینی ها تکنیکهاي شبیه

کوره بلند براي تولید آهن بار استفاده از زغال ابداع کرده بودند.

– هندي ها فرایند بوتهاي را جهت تولید فولاد ابداع کردند. متاسفانه روشهاي فرایند در جایی ثبت نشده است.

همچنین توسعه این روشها در هر دو کشور در حدود سالهاي 1000 بعد از میلاد متوقف شده است.

7

فولادسازي مدرن از سال 1760 با ابداع فرایند بوته اي در انگلستان توسط huntsman شروع می شود. این

فرایند سپس جهت تولید فولادهاي آلیاژي و فولادهاي ابزار بهینه سازي شد. اما تولید به وسیله روش بوتهاي

بسیار کم بود. آنها بعد از ابداع روش سمبر توسط هنري سمبر در سال 1856 ظرفیت تولید فولاد افزایش یافت.

در 150 سال گذشته پیشرفتها و تحولات زیادي در زمینه فولادسازي صورت گرفته است. مثلاً چین دوباره به

بزرگترین تولید کننده فولاد تبدیل شده است و هند تلاش می کند تا به افتخارات گذشته اش دست پیدا بکند.

خوراك کوره هاي تولید کننده فولاد را آهن خام، قراضه و آهن اسفنجی تشکیل می دهند.

کوره هاي تولید کننده فولاد:

کنورتور LD -LDAC – زیمنس مارتین – EAF) کوره قوس الکتریک) – کوره هاي القایی

توجه زیادي که اخیراً براي کیفیت فولاد می شود باعث شده است که سرمایه گذاري براي تصفیه مجدد فولاد

امري اقتصادي جلوه کند.

– مسائل محیط زیست در سالهاي اخیر باعث شده است که توجه زیادي به استفاده بهینه از کنورتورها و کاهش

گازهابی خروجی و یا استفاده از گازهایی مانند CO2 در صنایع دیگر بشود.

تکلیف: عناصر موجود در فولاد (اعم از آلیاژي و ساده کربنی) را نام برده و نقش (مضر یا مفید) آنها را در

(Si, P, S, Mn, Cr, Mo, C, O, N, H مانند عناصري. (دهید شرح فولاد خواص مورد

تقسیم بندي فولادها

چند نوع تقسیم بندي وجود دارد:

الف- تقسیم بندي بر اساس ترکیب شیمیایی:

1 -فولاد ساده کربنی (1-1-کم کربن: تا 25/0 %کربن دارد./ 1-2-کربن متوسط: بین 25/0 تا 5/0 کربن

دارد./ 1-3-پرکربن: بین 5/0 تا 4/1 %کرین دارد.)

8

2 -فولاد آلیاژي (2-1-کم آلیاژ: کمتر از 5 %عناصرآلیاژ دارد./ 2-2-آلیاژ متوسط: بین 5 تا 10 %عناصر

آلیاژي دارد./ 2-3 -پر آلیاژ: بالاي 10 %عناصر آلیاژي دارد.)

فولادهاي کربنی:

این فولادها خواص مکانیکی خود را از کربن میگیرند لذا براي داشتن استحکام باید کربن بیشتري داشته باشند.

فولادهاي کم کربن قابلیت عملیات حرارتی ندارند. لذا جهت افزایش استحکام و انعطاف پذیري آنها برخی

مواقع نیاز به اضافه کردن عناصر آلیاژي بجز کربن میباشد. اضافه کردن عناصر آلیاژي در برخی مواقع بنا به

دادن خواص مغناطیسی یا بهبود خواص خوردگی فولاد صورت میگیرد.

سئوال: چه عناصري باعث ایجاد و بهبود خواص مغناطیسی فولاد میشوند؟

ب- تقسیم بندي بر اساس کاربرد:

1 -فولاد ساختمانی (حدود 90 %تولید جهان را شامل میشود.) ارزانترین نوع فولاد است و در سازه ها

کاربرد دارد.

2 -فولاد ابزار (2-1 -فولاد سردکار: از نوع فولاد کربنی بوده و در دماي پایین کار میکنند./ 2-2-فولاد

گرم کار: به /آنها کروم و مولیبدن اضافه میکنند و دماي کاري را بالا میبرند./ 2-3 -فولاد تندبر: براي

برش در دستگاه فرز و تراش استفاده میشود. براي این منظور سرمتها هم کاربرد دارند.)

3 -فولادهاي زنگ نزن

تکلیف: تقسیم بندي فولادها را باتوجه به کتاب کلید فولاد نوشته و ویژگیهاي هر دسته را بنویسید.

پ- تقسیم بندي بر اساس روش تولید

1 -فولاد بسمر

2 -فولاد اجاق باز

Vacume Arc Remelting فولاد- 3

9

Electroslag remelting فولاد- 4

فولادهاي 3 و 4 از فولادهاي تصفیه شده و مرغوب هستند.

ت- تقسیم بندي بر اساس منشاء

1 -آهن آسمانی: شهاب سنگی: در این آهن مقدار زیادي نیکل وجود دارد.

2 -آهن طبیعی: در طبیعت به صورت ترکیب با نیکل و برخی عناصر دیگر یافت میشود.

3 -آهن ساخت بشر

مشکل اساس پیش روي فولادسازي در گذشته

مشکل رسیدن به دماي ذوب آهن. وجود کربن باعث پایین آمدن دماي ذوب شد (Mn و Si نیز همین نقش را

دارند.). بشر در قدیم به دماي 1400 درجه سانتیگراد رسیده بود. در قدیم با استفاده از آهن خام، آهن کار شده

تولید میکردند. به این طریق که به آهن خام، اکسید آهن اضافه میکردند. اکسیژن اکسید آهن، ناخالصیها را

اکسید کرده و آنها را حذف میکرد. اما دماي ذوب بالا میرفت و مذاب خمیري میشد. لذا فولادي تهیه میشود

که ناخالصیها در داخل آن به صورت اکسیدي به دام افتاده اند.

محصول جامد حاوي ناخالصیها را تکه تکه کرده و مورد چکش کاري قرار میدهند. ناخالصیها به سطح آمده و

با چکش کاري خرد شده و خارج میشوند. لذا آهن خام مقداري خالص تر شده و انعطاف پذیري بهتري بدست

می آورد.

بعدها بشر به دماهاي بالاتر دست پیدا کرد و توانست از کوره هاي مختلف براي تولید آهن و فولاد استفاده کند.

به عنوان مثال امروزه آهن خام در کوره بلند تهیه شده و در کنورتر به فولاد تبدیل میشود. جهت این کار باید

انتقال آهن خام به کنورتر صورت گیرد.

این انتقال به دو صورت مستقیم و غیر مستقیم انجام میگیرد.

10

1 -انتقال مستقیم: آهن خام از کوره بلند مستقیما وارد کنورتر میشود. تجهیزات اضافی لازم نیست. اما

کنورتر کاملا وابسته به کوره بلند خواهد شد. براي واحدهاي با ظرفیت پایین خوب است.

2 -انتقال غیر مستقیم: واحد میکسر حد واسط بین کوره بلند و کنورتر است. میکسر دو نوع است. الف:

میگسر فعال: دومشعل دارد که همواره یکی از آنها روشن است. ب: میکسر غیر فعال: مشعل ندارد.

فواید وجود میکسر

1 -از قطع شدن فعالیت واحد فولادسازي در اثر از کار افتادن واحد تولید آهن جلوگیري میکند.

2 -یکنواخت کردن ترکیب شیمیایی: چون میکسرها تا 600 تن ظرفیت دارند لذا نیانگین ترکیب شیمیایی

آهن خام ثابت می ماند.

3 -یکنواخت شدن دما: به دلیل ذکر شده در بالا دماي آهن خام درون میکسر ثابت باقی می ماند.

4 -گوگرد زدایی: در صورت حضور منگنز در داخل مذاب یا افزودن Mn به داخل ذوب میتوان گوگرد

زدایی را انجام داد:

[Mn]+[FeS]=(MnS) +[Fe]

(CaO)+[FeS]=(CaS)+(FeO)

واکنش اول در دماهاي پایینتر و دومی در دماهاي بالاتر انجام میشود. پس واکنش دوم در میکسرها سرعت

مناسبی نداشته و واکنش اول ارجحیت دارد. واکنش دوم نیاز به حرارت دارد و با جذب گرما فعال میشود لذا

در میکسر هاي غیر فعال انجام نمیشود.

میتوان براي گوگردزدایی بهتر از کربنات سدیم استفاده کرد. البته چون اکسید سدیم باعث خوردگی نسوزهاي

میکسر میشود، در میکسرها کمتر استفاده میشود:

تجزیه در دماي بالا Na2O+CO2=Na2CO3

Na2O+[FeS]=(Na2S)+(FeO)

11

در صورت حضور عناصر اکسید کننده مانند Mn یا Si در آهن خام، FeO احیا شده و آهن دوباره به مذاب

برمیگردد و MnS به سرباره میرود. حال اگر به نحوي Mn دوباره آزاد شود میتواند به درون مذاب برگشته و

فرآیند گوگرد زدایی را به صورت مداوم انجام دهد. این کار توسط اکسیژن موجود در مشعلهاي دمنده میکسر

انجام میگیرد.

(MnS)+ 3

2 O2=(MnO)+SO2

2(MnO)+[Si]=SiO2+2[Mn]

مقدار SiO2 با ادامه یافتن این واکنش در سرباره به تدریج زیاد میشود و لذا معمولا SiO2 با MnO تولید

سیلیکات منگنز کرده و ادامه فرآیند زنجیري را متوقف میکند. نسوزهاي میکسرهاي غیر فعال از جنس اسیدي و

در انواع فعال از جنس قلیایی هستند.

ساختار سرباره هاي سیلیکاتی

اساسی ترین واحد سازنده در سیلیس و همه سیلیکاتها، فضاي چهاروجهی سیلیکات است که شامل چهار اتم یا

یون اکسیژن میباشد که یک اتم سیلسیم کوچک را محاصره کرده اند. هر اتم اکسیژن در یک گوشه فضاي

چهاروجهی یک ظرفیت اضافه دارد لذا گروه SiO4 چهار بار منفی دارد. این فضاها میتوانند در گوشه ها با هم

شریک شوند. وقتی عمل شریک شدن انجام میگیرد ماده بوجود آمده فرمول استکیومتري SiO2 خواهد داشت.

وقتی سیلیس حالت خمیري یا مذاب به خودش میگیرد، همه یا تقریبا همه گوشه ها به حالت مشارکتی باقی

میمانند. این پیوندهایی که در همه جهتها حفظ شده است باعث بالا رفتن ویسکوزیته میشود.

12

وقتی که یک اکسید فلزي مانند آهک یا دي اکسید منیزیم به سیلیس مذاب اضافه میشود، یونهاي اکسیژن از

اکسید اضافه شده باعث شکسته شدن زنجیره سیلیس میشوند. تعدا پیوندهاي شکسته شده تقریبا برابر با تعداد

اضافه شده میباشد. هر اتم اکسیژن در چنین محلهاي شکستگی یک بار منفی دارد و کاتیونهاي -2 یونهاي O

در محلهاي نزدیک محلهاي شکست قرار میگیرند. وقتی این اکسیدها در غلظتهاي بالاتر اضافه +2 یا Mn+ Ca2

میشوند، شبکه سیلیس بیشتر و بیشتر شکسته شده و به همین نسبت ویسکوزیته افت میکند.

4 در مذابهایی که کمتر از ترکیب ارتوسیلیکات ( �𝑖𝑆�

و -2 ، O+ 2 ( سیلیس دارند، مذاب شامل یونهاي Ca− 4

𝑆𝑖𝑂4

میباشد. اما وقتی که میزان سیلیس بیشتر از ترکیب ارتوسیلیکات باشد، پدیده پلیمریزاسیون گروههاي −4

𝑆𝑖𝑂4

7 اتفاق می افتد. ابتدا پلیمرهاي خطی مانند 2O− 𝑆𝑖4

6− 𝑆𝑖3O ، 10

8− 𝑆𝑖4O و 12

بوجود آمده و با −10

13

افزایش بیشتر غلظت سیلیس پلیمریزاسیون حلقه اي بوجود خواهد آمد(شکل صفحه بعد). در غلظتهاي خیلی

زیاد سیلیس ساختار به صورت سیلیس خالص خواهد بود که در آن تعداد باندهاي شکسته شده مساوي با تعداد

اضافه شده است. -2 یونهاي O

اثر فلورید کلسیم در سرباره ها (فلورسپار)

اثر فلورید کلسیم در سرباره ها به صورت زیر است:

1 -دماي ذوب سرباره ها را کم کرده و لذا سرباره هایی با درجه قلیایی بیشتر نیز قابل استفاده میشود.

2 -ویسکوزیته را کاهش میدهد.

مقادیر بسیار کم از CaF2 نقطه ذوب فازهایی مانند Ca2SiO4 را بسیار پایین می آورد. در سرباره هاي حاوي

فلورسپار، فلوئور به صورت SiF4 تشکیل ترکیب میدهد. واکنش به صورت زیر است:

2CaF2+SiO2=2CaO+SiF4

CaF2 با سیلیس موجود در سرباره SiO2-CaO فقط در حضور آب واکنش میدهد. مکانیزم احتمالی این

واکنش کاتالیزوري ممکن است به صورت زیر باشد:

2H2O+2CaF2=2CaO+4HF

4HF+SiO2=SiF4+2H2O

14

2CaF2+SiO2=2CaO+SiF4

علت خردایش نسوزهاي سیلیسی

کم کردن محتواي آب سرباره با اضافه کردن فلورسپار ممکن است. خوردگی شدید سقف سیلیسی کوره هایی

که از سرباره حاوي فلورسپار استفاده میکنند را میتوان توسط تبخیر فلورید هیدروژن (که به سیلیس حمله میکند

و تنها اسیدي است که باعث انحلال سیلیس میشود.) توجیه کرد.

واکنشهاي مهم فولادسازي

مهمترین واکنشها در فولادسازي شامل واکنشهاي اکسیژن با آهن، کربن، منگنز، سیلسیم و فسفر و نیز واکنش

گوگرد با آهک میشوند:

Fe+[O]=(FeO) 𝐾𝑂 = (𝐹𝑒𝑂)

[𝑂]

[C]+[O]={CO}(g) 𝐾𝐶 = 𝑃𝐶𝑂

[𝐶][𝑂]

[Mn]+[O]=(MnO) 𝐾𝑀𝑛 = (𝑀𝑛𝑂)

[𝑀𝑛][𝑂]

[Si]+2[O]=(SiO2) 𝐾𝑆𝑖 = (𝑆𝑖𝑂2)

[𝑆𝑖][𝑂]2

2[P]+5[O]=(P2O5) 𝐾𝑃 = (𝑃2𝑂5)

[𝑃]2[𝑂]5

[S]+(CaO)=(CaS)+[O] 𝐾𝑆 = (𝐶𝑎𝑆)[𝑂]

(𝐶𝑎𝑂)[𝑆]

این واکنشها در عین سادگی شامل سه فاز گاز، سرباره و مذاب فلز میشوند. در فولادسازي با استفاده از گاز

اکسیژن، واکنشگرها به دلیل تلاطم سرباره و مذاب به سرعت و به خوبی با هم تماس خواهند داشت.تزریق

مسنقیم اکسیژن و تلاطم سرباره و فلز مذاب سرعت واکنشها را افزایش میدهد. اما این افزایش سرعت واکنش،

تاثیري در مقادیر تعادلی واکنشها ندارد.

شکل کوره بوسیله ساده کردن فرآیند شارژ، بهبود انتقال حرارت، سرعت شارژ واکنشگرها و تحمل تلاطم

شدید سرباره و فلز، میتواند بر سینتیک فولادسازي تاثیر گذارد.

15

سیستم تعادلی اکسیژن- آهن

اگر آهن مذاب را در تماس با اکسیژن قرار دهیم در دماهاي مختلف اکسیژن در آن حل میشود. میزان حلالیت

آهن در اکسیژن بستگی به دما دارد. اگر میزان اکسیژن موجود در مذاب از حد حلالیت آن بیشتر شود باعث

بوجود آمدن اکسید آهن میشود. شکل زیرحلالیت اکسیژن را در آهن در دماهاي مختلف نشان میدهد.

با افزایش دما حد حلالیت زیاد میشود لذا در فولادسازي که دما بالا است باید زمان را کم کنیم تا اکسیژن

کمتري حل شود و یا اینکه شرایط انحلال آهن را محدود کنیم. مثلا از سرباره هاي شامل SiO2 یا CaO

استفاده کنیم. این سرباره ها میزان انحلال اکسیژن در فولاد را کم میکنند چون بر روي ضریب اکتیویته اکسیژن

در مذاب تاثیر میگذارند. یا اینکه باعث میشوند FeO اجازه آزاد کردن اکسیژن را نداشته و اکسیژن را به مذاب

بر نگرداند.

(FeO)=[Fe]+[O]

تاثیر فشار اکسیژن بر انحلال آن:

16

در این شکل تاثیر فشار اکسیژن بر میزان اکسیژن حل شده نشان داده میشود. نمودارها بر اساس محاسبات

ترمودینامیکی زیر رسم شده اند.

1

2

O2=[O]wt.% in Fe ΔG0

=-27930-0.57T (cal)

ΔG0

=-RTLnK logK=− ∆𝐺0

𝑅𝑇 = 6100

𝑇

+ 0.125 , 𝐾 = [𝑂]𝑤𝑡.% 𝑖𝑛 𝐹𝑒

𝑃𝑂2

1

2�

برحسب استاندارد یک درصد وزنی است. ΔG0

استاندارد یک درصد وزنی: ابتدا فشار بخار جسم خالص A را اندازه گیري میکنند سپس به آن یک درصد

وزنی از ماده B اضافه میکنند. دوباره فشار بخار را اندازه میگیرند و نسبت این دو فشار بخار اکتیویته یک درصد

وزنی را نشان میدهد.

با افزایش فشار اکسیژن، میزان اکسیژن حل شده در مذاب زیاد میشود تا به حد اشباع اکسیژن در آن دما برسد.

در دماهاي مختلف حد اشباع اکسیژن فرق میکند. با گذشتن از حد اشباع آهن اکسید میشود.

 Fe-a-b-c مانند پیچیده سیستمهاي

�𝑓� .�� اثر عوامل مختلف را بر ضرایب اکتیویته بررسی میکنند مثلا �𝑓� = �𝑓�

𝑏. 𝑓𝑎

𝑐

براي حل آن از بسط لاگرانژ استفاده میشود:

𝐿𝑛𝑓𝑎 = 𝑁𝑎

𝜕𝐿𝑛𝑓𝑎

𝜕𝑁𝑎

+ 𝑁𝑏

𝜕𝐿𝑛𝑓𝑎

𝜕𝑁𝑏

+ 𝑁𝑐

𝜕𝐿𝑛𝑓𝑎

𝜕𝑁𝑐

𝐿𝑛𝑓𝑎 = 𝑁𝑎𝜀𝑎

𝑎 + 𝑁𝑏𝜀𝑎

𝑏 + 𝑁𝑐𝜀𝑎

𝑐 , ∑ 𝑁𝑖 = 1

Niکسر مولی جزء i است.

17

𝜀𝑎

: ضریب تاثیر متقابل جزء a بر روي خودش ��

𝜀𝑎

: ضریب تاثیر متقابل جزء b بر روي جزء a𝑏

روش دیگر نمایش :

𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑓𝑎 = 𝑤𝑡. %𝑎𝑒𝑎

𝑎 + 𝑤𝑡. %𝑏𝑒𝑎

𝑏 + 𝑤𝑡. %𝑐𝑒𝑎

𝑐

براي مطالعه سیستمهاي خیلی پیچیده آنها را به سیستمهاي کوچکتر میشکنیم (همیشه سیستمهاي 2 و سه تایی را

مطالعه میکنیم.). دو شکل زیر اثر عناصر آلیاژي را بر روي ضریب اکتیویته گوگرد در آهن در 1600 درجه

سانتیگراد نشان میدهند.

سیستم تعادلی آهن-کربن-اکسیژن

کربن زدایی آلیاژ مذاب C-Fe توسط اکسیژن گازي که درون حمام دمیده میشود و یا توسط کانی آهن شارژ

شده انجام میگیرد. ابتدا اکسیژن طبق واکنشهاي زیر در مذاب حل میشود.

1

2

O2(g)=[O] (FeO)slag=[Fe]+[O]

اکسیژن حل شده طبق واکنشهاي زیر با کربن واکنش میدهد.

[C]+[O]={CO} , [C]+2[O]={CO2}

محصول اصلی واکنش مونوکسید کربن است اما مقداري CO2 نیز تولید خواهد شد.

18

براي واکنش تولید مونوکسید کربن داریم:h

ΔG0

=-8510-7.52T

logK=− ∆𝐺0

𝑅𝑇 = 1860

𝑇

+ 1.64 , 𝐾 = 𝜆𝐶𝑂

[h𝐶][h𝑂]

که در آن hO و hC اکتیویته هاي هنرین اکسیژن و کربن هستند. �𝐶𝜆� فشار جزئی گاز CO میباشد. اگر رفتار

محلول رقیق در نظر گرفته شود رابطه بالا به صورت زیر نوشته خواهد شد:

(𝑓𝐶. 𝑤𝑡. %𝐶)(𝑓𝐶. 𝑤𝑡. %𝐶) = 𝑃𝐶𝑂

𝑘𝑘 = 𝑘𝑘́ 𝑃𝐶𝑂

این رابطه، ارتباط معکوس اکسیژن و کربن موجود در آهن مذاب را نشان میدهد. همچنین میتوان اینگونه نتیجه

گرفت که انحلال اکسیژن در حمام C-Fe با افزایش فشار جزئی CO افزایش خواهد یافت و برعکس (کاهش

فشار CO با دمش گاز خنثی یا با ایجاد خلاء بدست می آید.) در شرایط عملی فشار جزئی گاز CO بین 1/1-

3/1 اتمسفر میباشد. نتایج آزمایشگاهی Chipman و همکارانش این پدیده را نشان میدهد.

ضریب اکتیویته کربن در آهن مذاب نیز تابعی از محتواي کربن است. این اثر توسط شکل زیر براي تغییرات

ضریب اکتیویته کربن در محلول آهن در دماي 1600 درجه سانتیگراد به عنوان تابعی از ترکیب شیمیایی در

یک محلول بسیار رقیق نشان داده میشود.

19

شکل زیر تغییرات حاصلضرب غلظت کربن و اکسیژن را در فشار یک اتمسفر CO2+CO نشان میدهد. بسیار

جالب است که مشخص شود که فرآیند تصفیه چقدر نزدیک به شرایط ترمودینامیکی میباشد.

در یک [C [ثابت با افزایش دما حاصلضرب [O][C [بیشتر میشود. یعنی اکسیژن و کربن بیشتري در فولاد حل

میشود. در خط بالایی هم حالت واقعی کوره زیمنس مارتین دیده میشود. مشخص است که حاصلضرب

محتواي کربن و اکسیژن اندازه گیري شده در حین فرآیند تصفیه در کوره اجاق باز قلیایی بسیار از مقادیر

تعادلی در فشار یک اتمسفر CO دور است. اگر این شکل را با شکل زیر (که باز براي اجاق باز است) مقایسه

کنیم مشخص است که درصد اکسیژن با مقدار محاسبه شده از نظر تئوري در کنورتر اجاق باز همخوانی خوبی

نشان میدهد لذا مشخص میشود که میزان انحلال کربن در کوره اجاق باز خیلی بیشتر از مقدار تعادلی است.

20

علت عدم تعادل کربن در کنورتر زیمنس مارتین

در کنورترهاي دمش از بالا و دمش از پایین حرکت گاز از درون مذاب باعث به هم خوردن مذاب و تعادل

سیستم میشود اما در کوره هاي زیمنس مارتین نسبت سطح به حجم خیلی کم بوده و ایجاد حباب گاز CO نیز

بسیار مشکل است.

𝑃𝑏𝑢𝑏𝑙𝑒 = 𝑃𝑚𝑒𝑙𝑡 + 𝑃𝑠𝑙𝑎𝑔 + �

2𝜎

𝑟 �

σ کشش سطحی و r شعاع حباب است.

10 سانتیمتر باشد فشار حباب 284 اتمسفر و 5 -شعاع تاثیر زیادي در فشار حباب دارد به طوریکه اگر شعاع حباب

اگر شعاع 01/0 میلیمتر فشار 84/2 اتمسفر خواهد بود. چون r در شرایط جوانه زنی همگن حباب بسیار کوچک

است بذا کشش سطحی بسیار زیاد شده و احتمال تشکیل حباب بسیار کم میشود.

تشکیل عملی حباب در کوره زیمنس مارتین

به علت حضور آخال در مذاب، حفرات نسوزها و … جوانه زنی حباب به صورت غیر همگن و با شعاعهاي

بزرگ صورت میگیرد.

21

با توجه به شکل بالا در حدود 4/0 %کربن، میزان اکسیژن حل شده در فولاد در فشار CO معادل یک اتمسفر

مساوي 04/0 %است. لذا در حضور کربن، اکسیژنی براي واکنش با آهن و تشکیل سرباره باقی نمی ماند. این

فشار CO بوجود آمده را فشار مرکزي میگویند. این فشار در اثر واکنش ناخالصیهاي موجود در فولاد با

اکسیژن محلول در آن بوجود می آید.

نوع دیگر فشار مرکزي، فشاري است که در اثر واکنش گاز اکسیژن دمیده شده به کنورتر با ناخالصیهاي

موجود در فولاد ایجاد میشود. این نوع واکنش در تصویر زیر نشان داده شده است.

[c]wt.% in Fe+1/2O2=CO , ΔG0

=-33500-10.15T

logK=7320/T+2.22

22

در این شکل در سمت راست قسمت اشباع از کربن را داریم که در این قسمت کربن حل نشده و رسوب

خواهد کرد. در قسمت بالا حد اشباع اکسیژن قرار دارد و در این قسمت اولین سرباره ها (به صورت FeO (

بوجود می آید. براي محاسبه این خط، تعادل دوتایی آهن و اکسیژن بدون حضور کربن در نظر گرفته شده

است. در یک فشار اکسیژن ثابت با کاهش فشار CO) فشار مرکزي، ایجاد خلاء) میتوان میزان حلالیت کربن

را کم کرد (در مورد تولید فولاد زنگ نزن و فولادهاي کم کربن).

علت تخریب و خردایش و از بین رفتن نسوزهاي کوره هاي فولادسازي

عوامل محتمل تخریب نسوز به صورت زیر است:

1 -احیاي نسوزها: نسوزها که اکسیدهاي فلزي هستند. ممکن است توسط کربن در دماي بالا احیا شوند. چون

کربن به میزان کم در فولاد حل میشود از طرف دیگر در اثر انحلال آهن اکتیویته آن پایین می آید لذا

نمیتواند نسوزهاي کنورتر را احیا کند.

2 -حمله سرباره به نسوز: سرباره اشباع از FeO با ترکیب با اکسیدهاي نسوزها ایجاد ترکیب کرده و نسوز را

از بین برده و آن را وارد سرباره میکند. سرباره هاي اسیدي (FeO دار) میتوانند نسوز هاي فولادسازي که

از جنس قلیایی (اغلب منیزیتی MgO (هستند را از بین ببرند. براي این منظور سرباره باید در دماي 1700

درجه سانتیگراد حدود 94 %FeO داشته باشد. یعنی درصد اکسیژن حل شده در مذاب باید 28/0 %باشد.

اما در نموداري که در صفحات قبل نشان داده شده، مشخص گردید که در مقادیر بسیار کمی از کربن در

آهن، چنین حلالیتی از اکسیژن در فولاد امکان پذیر نیست.

23

علاوه بر این در اثر حضور کربن و عوامل دیگر سرباره ساز، میزان FeO در سرباره به شدت کاهش می

یابد. این مطلب در شکل صفحه قبل نشان داده شده است. همچنین شکل نشان میدهد که در اثر کاهش

بازیسیته سرباره و نیز در اثر افزایش حلالیت کربن در مذاب، میزان FeO سرباره کاهش یافته و احتمال

حمله سرباره به نسوز کاهش می یابد.

3 -شوك حرارتی و سایش: در اثر تلاطم فولاد مذاب و گرم و سرد شدن نسوزها در اثر شارژ و دشارژ و

دمش، فرسایش در جداره کوره ایجاد میشود.

واکنش منگنز و آهن (سیستم O-Mn-Fe(

منگنز معمولا در بار کوره بلند به صورت اکسید منگنز حضور دارد و در کوره بلند احیا شده و در آهن خام

حل میشود. منگنز در گوگردزدایی مفید است. این عنصر دومین عنصر مهم فولاد بعد از کربن است. واکنش

حذف منگنز به صورت زیر است:

[Mn]+[O]wt.% in Fe=(MnO)

در واقع در اثر دمش اکسیژن ابتدا آهن اکسید شده و اکسید آهن تولید میشود. سپس اکسید آهن با منگنز احیا

میشود:

[Mn]+(FeO)=(MnO)+[Fe] logK=− ∆𝐺0

𝑅𝑇 = 6440

𝑇 − 2.95 , 𝐾 = 𝑤𝑡.%𝐹𝑒(𝑀𝑛𝑂)

[𝑀𝑛](𝐹𝑒𝑂)

24

مواد موجود در سرباره برحسب کسر مولی و مواد موجود در مذاب بر حسب درصد وزنی نوشته خواهند شد.

درصد آهن را میتوان 100 %در نظر گرفت. چون درصد بزرگی از محلول مذاب را شامل میشود و لذا اکتیویته

آهن را میتوان یک درنظر گرفت. میزان منگنز نیز عددي مشخص میباشد. لذا در یک دماي مشخص (k ثابت)

(�𝑛𝑀�) نسبت

مقداري ثابت خواهد بود. این مطلب در توافق کامل با مشاهدات تجربی میباشد به گونه اي که (�𝑒𝐹�)

در دماهاي بالاتر میزان منگنز باقیمانده در مذاب بیشتر است.

فاکتورهایی که باعث کاهش منگنز باقیمانده در حمام مذاب خواهند شد عبارتند از:

1 -محتواي منگنز کمتر در شارژ ورودي

2 -حجم بالاي سرباره

3 -میزان FeO زیاد در سرباره

4 -دماي پایین

5 -سرباره نیمه بازي با نسبت آهک به سیلیس زیر 2/2

6 -جذف کامل یا جزئی سرباره

شکل زیر در مورد واکنش (MnO]=(O]+[Mn [رسم شده است.

25

در این شکل از پایین به بالا دما در حال افزایش است. در یک مقدار اکسیژن ثابت دیده میشود که در اثر

افزایش دما منگنز محلول در مذاب افزایش می یابد. خطوطی که فلش دارند محدوده نمودار را به سه ناحیه

تقسیم میکنند. ناحیه I :ناحیه FeO و MnO و خود فولاد مذاب است. ناحیه II :مربوط به سرباره جامد و فلز

مذاب است و ناحیه III :مربوط به سرباره و فلز جامد است. لذا در حین فولادسازي اگر دما افزایش پیدا کند

میزان انحلال منگنز افطایش پیدا کرده و منگنز موجود در سرباره میتواند به درون مذاب برگردد. در حین

جوشش شدید کربن در اثر کم شدن مقدار FeO ممکن است واکنش ذکر شده برگشته و مقداري از منگنز

سرباره دوباره در مذاب حل شود. وقتی که سرعت فرآیند کربن زدایی کم می شود، دو مرتبه میزان FeO در

سرباره زیاد شده و لذا منگنز دوباره اکسید خواهد شد. سرباره هاي کوره قوس الکتریک بدین منظور قبل از

اضافه کردن اکسیژن زداها کاملا حذف میشوند تا از برگشت منگنز و فسفر جلوگیري شود.

MnO و FeO کاملا در همدیگر قابل حل هستند. زمانیکه فرومنگنز به حمام فولاد اضافه میشود محصول

معمولا سرباره MnO-FeO در دماي 1600 درجه سانتیگراد است که بسته به نسبتهاي FeO و MnO میتواند

26

جامد یا مایع باشد.(شکل زیر) اگر محتواب FeO بیشتر باشد انتظار میرود که سرباره مایع بوده و شناور شود. اما

معمولا سرباره جامد بوده و در درون فولاد به صورت آخالهاي غیرفلزي باقی میماند.

با توجه به شکل بالا میتوان دید که در 1600 درجه سانتیگراد در حضور 4/0 %منگنز فقط 1/0 %اکسیژن پایدار

است در مورد کربن در 1600 درجه سانتیگراد به ازاي 05/0 %کربن میزان 05/0 %اکسیژن پایدار است. لذا در

1600 درجه سانتیگراد ابتدا کربن سوخته و سپس منگنز سوخته و حذف میشود.

مثال: محلول مذابی شامل MnO ،FeO و منگنز در آهن در دماي 1600 درجه سانتیگراد است. فرض کنید

این محلولها ایده آل باشند. غلظت منگنز را در آهن بر حسب درصد وزنی در حالت تعادل با سرباره شامل 40 %

MnO و 60 %FeO) برحسب درصد وزنی) محاسبه کنید (55:Mn و 56:Fe میباشد.) (راهنمایی: از شکل

زیر استفاده کنید.)

27

:Fe-O-Mn-C سیستم

این سیستم را به سیستمهاي Mn-O-Fe و C-O-Fe تبدیل کرده و در ایم حالت فرض میکنیم که کربن و

منگنز تاثیري روي همدیگر ندارند. فرض: 04/0 %کربن و 2 %منگنز داریم:

– اگر فرض کنیم: 45.0=PCO با توجه به شکل زیر میزان کربن معادل با 04 %/در تعادل با 03/0 %

Fe-0.04%C-0.03%O یعنی. میباشد اکسیژن

– اگر اینبار از روي شکل زیر و دماي 1600 درجه سانتیگراد و با دانستن اینکه منگنز معادل 2 %باشد

Fe-2%Mn-0.04%O یعنی O=0.04% داریم

28

این سیستم یک سیستم ناپایدار است چون میزان اکسیژن در تعادل با منگنزبیشتر از اکسیژن در تعادل با کربن

است لذا کربن تمایل دارد با اکسیژن واکنش داده و کمتر شود.(چون هر چه کربن کمتر شود با اکسیژن بیشتري

در تعادل خواهد بود.). لذا اگر به سیستم اکسیژن دمیده شود، کربن سوخته و از بین خواهد رفت تا اینکه کربن

با 04/0 %اکسیژن در تعادل قرار گیرد. بعد از این قضیه در اثر دمش اکسیژن بیشتر هر دو عنصر کربن و منگنز با

هم خواهند سوخت. این مطلب به دلیل منفی تر بودن انرژي گیبس واکنش سوختن منگنز نسبت به کربن در

دماي 1600 در جه سانتیگراد است.

جوشش شمش

از واکنش منگنز و کربن در اکسیژن زدایی شمشها استفاده میشود:

[Mn]+[O]=(MnO)

[C]+[O]={CO}

واکنش اول باعث ایجاد آخال شده و واکنش دوم سبب جوشان شدن شمش میشود. واکنش دوم براي انجام

شدن به فشار بخار CO مناسب نیاز دارد تا بتواند مذاب را پس زده و باعث جوشان شدن مذاب شود. در

قسمتهاي ته قالب شمش چون ارتفاع مذاب زیاد است لذا PCO زیاد میشود و لذا واکنش اول اتفاق می افتد و

ته شمش پر از آخال میشود.

29

براي این منظور نمودارهایی وجود دارند که تاثیر درصد اکسیژن، کربن و منگنز به همراه فشار را بر جوشان

شدن شمش نشان می دهد. شکل زیر نمونه اي از این نمودارها را نشان میدهد.

…….

محور عمودي سمت چپ درصد اکسیژن، محور عمودي سمت راست درصد منگنز و محور افقی درصد کربن

حل شده را نشان میدهد. منحنی ها در سه فشار مختلف 1 ،7/1 و 4/2 اتمسفر (فشار ستون مذاب) رسم شده اند.

با افزایش ارتفاع ستون مذاب فشار آن نیز افزایش می یابد.

اگر در این شکل از مقدار اکسیژن معادل 04/0 %خط افقی رسم کنیم به 5/0 %منگنز خواهیم رسید. لذا در

اکسیژن 04/0 %میزان 5/0 %منگنز در تعادل خواهد بود. در این حالت نمودار خطوط فشار 1 و 7/1 اتمسفر را در

مقادیر 048/0 %و 09/0 %کربن قطع خواهد کرد. یعنی اگر مذاب 048/0 %کربن داشته باشد، فقط سطح شمش

جوشان خواهد شد و براي جوشان شدن عمقهاي بیشتر (مثلا یک متر) فشار بیشتر شده و کربن بیشتري براي

جوشان شدن شمش نیاز است (09/0 %کربن). لذا براي جوشان شدن شمشها باید کنترل خوبی بر میزان کربن و

منگنز آن داشته باشیم و یا اینکه باید ارتفاع شمش را کمتر کرد و اثر فشار ستون مذاب را کم کرد.

Carbon in metal(%)

Oxygen in metal(%)

Pressure(atm) 1500̊C

/۰۴

/۰۸

۰/۱۲

/۰۸ ۰/۱۲ /۰۴ /۱۶

0

۰/۵

۰/۴

۰/۳

۰/۲

/۲۵

۱/۰ ۱/۷ ۲/۴

30

در این شرایط براي دماهاي مختلف دصدهاي کربن و منگنز مشخص میتوان تعیین کرد که چه مقدار اکسید

منگنز در سیستم تولید خواهد شد.

این شکل نشان میدهد که براي درصدهاي مشخص کربن و منگنز هر چه دما بیشتر شود میزان اکسید منگنز

تولید شده کمتر خواهد بود. درصورتیکه در سرباره علاوه بر MnO ،FeO نیز حضور داشته باشد از نوع

دیگري از نمودارها که یک مورد در زیر نشان داده شده است، استفاده میشود.

Fe-Si-O سیستم

Carbon in metal(%)

Manganese in metal(%)

31

سیلسیوم جزء عناصر اصلی موجود در آهن خام است. این آهن براي تولید چدن مناسب است اما براي تولید

فولاد باید مقدار سیلسیوم کم شود. وجود سیلسیوم در حین فولادسازي باعث تولید SiO2 و افزایش اسیدیته

سرباره و حجم سرباره خواهد شد. اما به هر حال باید سیلسیوم در فولاد کم شود. جهت این کار اکسیژن به آهن

خام مذاب دمیده شده و سیلسیوم به صورت سیلیس حذف خواهد شد. اما ابتدا آهن اکسید شده و تولید FeO

میکند و سپس FeO ،سیلسیوم رت اکسید کرده و آهن آزاد خواهد شد (چون مقدار سیلسیوم کم و مقدار آهن

زیاد است.)

[Si]+2[O]=(SiO2) 𝐾 = 𝑎(𝑆𝑖𝑂2)

[𝜆𝑆𝑖][𝜆𝑂]2

[�𝜆�] و [ : اکتیویته هاي هنرین سیلسیوم و اکسیژن هستند. اکتیویته سیلیس یک در نظر گرفته میشود �𝑆𝜆�]

چون سیلیس در سرباره به صورت اشباع است.

𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝐾 = 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 1

[𝜆𝑆𝑖][𝜆𝑂]2 = − 19050

𝑇

+ 5.75

[Si]+2(FeO)=(SiO2)+2[Fe] 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝐾 = 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 1

[𝑆𝑖]𝑎𝐹𝑒𝑂

2 = − 6410

𝑇

+ 0.0282

اگر نسوزهاي کوره از نوع SiO2 باشد اکتیویته آن را یک میگیریم. چون حتی در اثر عدم حرکت واکنش به

سمت راست، در اثر دماي بالاي کنورتر نسوزها در سرباره حل خواهند شد.

اگر مذاب را خیلی رقیق در نظر بگیریم و از استاندارد یک درصد وزنی استفاده کنیم، داریم:

[𝑤𝑡. % 𝑆𝑖][𝑤𝑡. % 𝑂]2 = 1

𝑘𝑘 ⇒ 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙[𝑤𝑡. % 𝑆𝑖] + 2𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙[𝑤𝑡. % 𝑂] = 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 �

1

𝑘𝑘

مقادیر تجربی معادله بالا بر حسب [Si.% wt[log و [O.% wt[log در شکل زیر نشان داده شده است:

32

شکل شامل چهار منحنی براي دماهاي 1550 ،1600 ،1650 و 1700 درجه سانتیگراد است. دیده میشود که در

هر دماي مشخصی با کم شدن میزان سیلسیوم اکسیژن در تعادل با آن در مذاب بیشتر میشود. یعنی با دمشاکسیژن

سیلسیوم حذف خواهد شد. از طرف دیگر با زیاد شدن سیلسیوم اکسیژن کاهش خواهد یافت. پس یکی از

روشهاي اکسیژن زدایی فولاد میتواند استفاده از سیلسیوم باشد. در مقدار اکسیژن ثابت نیز، با افزایش دما،

سیلسیوم افزایش می یابد. در فولادسازي در اثر دمش اکسیژن ابتدا سیلسیوم کم میشود اما در اثر بالا رفتن دما،

مقداري از سیلسیوم دوباره داخل فولاد حل خواهد شد و مقدار آن افزایش خواهد یافت.

ترکیب سرباره

سرباره ایجاد شده میتواند SiO2 خالص یا ترکیبی از سیلیکاتها باشد (در این حالت نقطه ذوب سرباره تغییر

میکند.)

33

این شکل نشان می دهد که در چه شرایطی کدام سرباره تشکیل خواهد شد. محور افقی درصد سیلسیوم و

محور عمودي درصد اکسیژن را نشا میدهد. نمودارها در دماهاي بین 1550 تا 1700 درجه سانتیگراد رسم شده

اند. در منطقه بالاتر از خط مورب سرباره به صورت سیلیکاتهاي مذاب و در پایین تر از آن به صورت SiO2

جامد خواهد بود.

سیلسیوم اکسیژن زداي بسیار قوي تري نسبت به منگنز است (به جایگاه آن در دیاگرام الینگهام توجه کنید.). اما

وقتی Mn و Si با هم و با نسبتهاي مناسب به منظور اکسیژن زدایی استفاده شوند محصول واکنش به صورت

SiO2.2MnO مذاب خواهد بود (تاییدي بر مطالب پاراگراف قبلی). ذرات مذاب سیلیکات به راحتی به هم

ملحق شده و ذرات بزرگتري می سازند. این ذرات طبق قانون استوکس به سمت بالا حرکت کرده و از حمام

مذاب جدا میشوند.

𝜗𝜗 = 2

9

𝑔�∆−∆́ �𝑅2

𝜇

که در آن:

ʋ :سرعت حرکت ذره

m/s ) ثقل شتاب: g

2 (

34

) 3 ∆ و ́∆ : به ترتیب دانسیته سرباره و فولاد مذاب ( m/kg

R :شعاع ذرات (m(

Ns/m ) دینامیک ویسکوزیته: µ

) میباشند. 2

:Fe-O-Si-C سیستم

سیستم فوق را به دو سیستم سه تایی O-Si-Fe و O-C-Fe تقسیم میکنیم. واکنش اول تولید سیلیکات یا

سیلیس میکند و به فشار بستگی ندارد اما چون محصول واکنش دوم CO گازي استبه فشار وابسته خواهد بود.

واکنشهاي مربوط به این دو سیستم در شکل زیر نشان داده می شود. محور افقی و عمودي به صورت لگاریتمی

است. نمودارهاي مربوط به سیلسیوم به صورت موازي و در دماهاي 1500 ،1600 و 1700 درجه سانتیگراد رسم

شده اند. در مورد کربن علاوه بر دما، فشار CO نیز تغییر داده شده است.

در مورد کربن، در یک درصد اکسیژن ثابت با افزایش دما و افزایش PCO میزان کربن حل شده بیشتر میشود.

%Oxygen لذا اگردر حین فولادسازي کاري انجام شود که فشار CO کاهش یابد، کربن زدایی انجام خواهد شد.

35

نمودارهاي این شکل نشان میدهند که در حضور کربن، سیلسیوم بیشتر تمایل به حذف شدن دارد چون شیب

خطوط از 45 درجه کمتر است لذا در مقادیر مساوي کربن و سیلسیوم، سیستم تمایل به مقادیر کمتر سیلسیوم

دارد لذا سیلسیوم نسبت به کربن بیشتر حذف خواهد شد. (�𝑆�∆ بیشتر از ��∆ خواهد بود.)

 :Fe-P-O سیستم

معمولا فسفر به خاطر وجود اکسید آن در کانه آهن وارد آهن خام میشود. طی فرآیند تولید آهن خام، احیا

شده و با حل شدن در آهن خام، آهن خام فسفر دار ایجاد میکند. جذف فسفر کار سختی است و لذا بهتر است

که از اول حضور نداشته باشد. اکسد فسفر به علت دماي احیاي آن در کوره بلند به صورت گازي است پس

مقداري از آن از دهانه کوره بلند خارج میشود اما چون ارتفاع کوره بلند زیاد است، در قسمتهاي بالاي کوره

دوباره روي سنگ آهن مینشیند. لذا آهن خام در نهایت شامل فسفر هم خواهد بود. ساده ترین راه حذف فسفر،

اکسید کردن آن است.

2[P]+5[O]={P2O5} 𝐾 = 𝑎{𝑃2𝑂5}

[𝑂]5[𝑃]2 , 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝐾 = 36850

𝑇 − 29.07

36

با توجه به دیاگرامهاي الینگهام در دماهاي پایین براي حذف فسفر در حضور آهن، ابتدا آهن اکسید میشود و

نهایتا در صورت تمام شدن آهن، فسفر اکسید خواهد شد. اما در دماهاي بالا این مسئله برعکس خواهد شد و

لذا در دماهاي فولادسازي احتمال حذف فسفر وجود دارد. (سئوال: دماي بحرانی را که در بالاتر و پایین تر از

آن تقدم حذف آهن و فسفر عوض میشود، چگونه محاسبه میشود؟) مشکل این قضیه این است که دیاگرامهاي

الینگهام براي مواد خالص رسم شده اند، P2O5 در دماهاي فولادسازي گاز است و فشار بخار کمی دارد و با

ایجاد خلا نمیتوان آن را حذف کرد. مشکل بعدي کم بودن مقدار فسفر در فولادهاست و براي انجام واکنش

بالا ایلاف خیلی زیادي در آهن صورت میگیرد. زیرا فسفر تمایل خیلی کمی به اکسید شدن دارد. لذا باید ابتدا

آن را وارد سرباره کرده و در سرباره حذف حذف کرد.

2[P]+8(FeO)=(3FeO.P2O5)+5[Fe]

(P2O5.3FeO (تري فسفات آهن نامیده میشود.

این واکنش در دماي پایین میل به انجام دارد و با افزایش دما واکنش برمیگردد. لذا در فولادسازي که به تدریج

دماي مذاب افزایش می یابد، ابتدا فسفر حذف شده و دوباره برمیگردد.

37

شکل بالا تعادل فسفر و اکسیژن را در دماهاي 1500 تا 1650 درجه سانتیگراد نشان میدهد. در 1500 درجه

سانتیگراد با کاهش درصد فسفر اکسیژن زیاد میشود. به صورت تجربی مشخص شده است که در حین کم

شدن فسفر تا زمانی که مذاب 2/1 %فسفر داشته باشد، P2O5 تولید شده در مذاب قابلیت انحلال دارد لذا تا

2/1 %سرعت حذف فسفر کم بوده و در 2/1 %حد حلالیت وجود داشته و p2O5 از مذاب جدا میشود و لذا

حذف فسفر سرعت بالایی میگیرد. این فرآیند در روش توماس دیده میشود.

در این نمودار با افزایش دما واکنش برگشته و میزان فسفر موجود در مذاب بیشتر میشود. چون در فولادسازي

دما زیاد میشود لذا باید روشی پیدا کنیم که در دماي بالا فسفرزدایی خوبی داشته باشد. مخصوصا که حد مجاز

فسفر در آهن 001/0 %است. مشخص شده است که استفاده از سرباره هاي بازي میتواند فسفرزدایی مناسبی

انجام دهد.

شکل بالا توزیع فسفر را در آهن خام و سرباره خالص (FeO (نشان میدهد. همچنین اثر سرباره هاي مختلف بر

فرآیند فسفرزدایی نشان داده میشود. منحنیها براي بوته هاي Al2O3) سرباره اسیدي) و MgO) سرباره بازي)

Wt.% P

Wt.%

P

O2 5

38

5𝑂2 𝑃انجام گرفته است. جهت فسفر زدایی خوب باید نسبت

زیاد شود. در مورد استفاده از سرباره اسیدي ��

Al2O3 ،با استفاده از دماهاي 1450 و 1525 درجه سانتیگراد فسفرزدایی مناسبی صورت نگرفته است. در ضمن

افزایش دما باعث کاهش فسفرزدایی شده است. لذا سرباره Al2O3 مناسب نیست. استفاده از سرباره MgO

5𝑂2 𝑃علاوه بر اینکه باعث

بزرگتر شده، با افزایش دما فسفرزدایی بهتري نیز نشان داده است. لذا فسفر زدایی با ��

MgO مناسب است.

این نتیجه در مورد استفاده از Na2O و CaO نیز صادق است اما معمولا از آهک که ارزنتر است استفاده میشود.

FeO-CaO-P2O5 سیستم

واکنشی که براي فسفرزدایی اتفاق می افتد به صورت زیر است:

2[P]+5[O]+4(CaO)=(4CaO.P2O5) 𝑘𝑘 = 𝐶(𝐶𝑎4𝑃2𝑂9)

𝐶(𝐶𝑎𝑂)

4 𝐶[𝑃]

2 𝐶[𝑂]

5

واضح است که براي استفاده از این رابطه لازم است که غلظت تترافسفات و آهک آزاد موجود در سرباره

بدست آید. این مطلب توسط محاسبات اسید و بازي که در آن اکسیدهایی مانند FeO ،CaO ،Na2O و

MgO توسط مقادیر مناسب اکسیدهاي اسیدي مانند SiO2 ،Al2O3 و P2O5 خنثی میشود، بدست می

آید. لذا سرباره هایی که مقادیر مازاد از اکسیدهاي اسیدي دارند، سرباره هاي اسیدي و سرباره هایی که

مقادیر مازاد از اکسیدهاي فلزي دارند، سرباره هاي بازي نامیده میشوند.

  • فاکتورهاي موثر در انتقال فسفر از فلز به سرباره به صورت زیر میباشند:
  • محتواي زیاد FeO در سرباره

39

�𝑎𝐶� • بازیسیته بالاي سرباره (ترجیحا نسبت

𝑆𝑖𝑂2

بالاتر از 2/2(

  • استفاده از دماهاي نسبتا پایین
  • حجم نسبتا زیاد سرباره با سیالیت خوب
  • حذف سرباره قبل از اکسیژن زدایی (که از برگشت سرباره جلوگیري میکند.)

جهت بررسی این سیستم باید دیاگرام سه تایی آن را مورد مطالعه قرار دهیم. شکل زیر این دیاگرام را نشان

میدهد.

چون رفتار FeO و MnO در طی فسفر زدایی یکسان است لذا هر دو در یک محور آورده شده اند. ناحیه

عدم حلالیت به صورت بیضی دیده میشود. هر چه به گوشه عدم حلالیت میرسیم FeO زیاد میشود لذا گوشه

اي از آن در FeO غنی و گوشه دیگر آن در P2O5 و CaO زیاد است. پس دو فاز جداگانه با FeO زیاد و

CaO-P2O5 زیاد داریم که در هم حلالیت ندارند. خط چینی که در شکل دیده میشود، به گونه اي رسم

میشود که اکتیویته FeO در طول این خط ثابت باقی بماند.

40

به علت مقادیر متفاوت سیلیس بیضیها بزرگ و کوچک میشوند. بزرگترین بیضی مربوط به 1 %سیلیس بوده و با

افزایش سیلیس بیضی کوچکتر میشود به طوریکه اگر میزان سیلیس 15 %باشد، بیضی حذف خواهد شد.

خط کناري گوشه سمت راست خط اشباع از CaO را نشان میدهد. با تغییر ترکیب سرباره خط CaO اشباع

تغییر میکند. حال بهترین شرایط حذف فسفر را بررسی میکنیم. براي این منظور باید در نمودار به سمت مقادیر

زیاد CaO و P2O5 حرکت کنیم. چون CaO را طی فرآیند اضافه میکنند بذا بهترین راه این است که CaO

زیاد شود. لذا حالت بهینه مقادیر آهک زیاد است. در روش توماس ناحیه اي که کار میکنند و ناحیه بهینه است،

منطقه هاشور خورده در شکل زیر است.

میتوان پیش بینی کرد که در لحظات اول که سرباره اشباع از آهک شده است، سیستم در گوشه CaO قرار

دارد و با پیشرفت فرآیند فولادسازي و افزایش مقدار اکسیژن در مذاب، درصد FeO در سرباره اضافه شده و

به تدریج به سمت نواحی نزدیک به FeO میرسد. در این شکل یک سري خطوط پر و خط چین دیده میشود

که مربوط به خطوط اکتیویته یکسان FeO هستند. در شکل زیر خطوط هم اکتیویته CaO نیز رسم شده است

41

در شکل زیر نیز اثر تغییرات دما بر ناحیه عدم حلالیت دیده میشود. منحنیها در دو حالت بدون سیلیس و 4

درصد سیلیس رسم شده اند.

در حالت بدون سیلیس تغییر دما باعث شده که بتوانیم با مقادیر آهن بالاتري کار کنیم. یعنی با افزایش دما

مقدار CaO زیاد شده و لذا فسفرزدایی بهتري خواهیم داشت. واکنش لنجلم شده در اینجا به صورت زیر

است:

2[P]+5[FeO]+4(CaO)=(4CaO.P2O5)+5[Fe] 𝑘𝑘 = 𝐶(𝐶𝑎4𝑃2𝑂9)[𝐹𝑒]5

𝑎(𝐶𝑎𝑂)

4 𝐶[𝑃]

2 𝑎[𝐹𝑒𝑂]

5

42

این واکنش نشان میدهد که فسفر زدایی به این صورت انجام میشود: فسفر موجود در مذاب با دو عامل در

سرباره یعنی FeO و CaO واکنش داده و فسفات آهک تشکیل میشود. این واکنش بسیار حساس به فصل

مشترك است و هر چه فصل مشترك و تماس مذاب و سرباره زیادتر باشد واکنش به تعادل نزدیکتر میشود و

لذا ایجاد تلاطم بسیار خوب و مفید است. وجود عناصر دیگر (علاوه بر انچه در رابطه ذکر شده است) با تاثیر

گذاشتن بر ضریب اکتیویته این ترکیب فرآیند فسفرزدایی را تحت تاثیر قرار میدهد. بعضی عناصر باعث روان

سازي بیشتر سرباره میشوند یعنی سیالیت سرباره را افزایش میدهند و روي فسفر زدایی اثر میگذارند (اثر

غیرمستقیم). مثلا MnO مشابه FeO بوده و تاثیر چندانی بر سرباره ندارد و تنها اثرش این ایت که مقداري

سیستم را از FeO رقیق میکند. SiO2) سیلیس) جزئی مضر در سرباره است چون مقداري از آهک را با

خودش به صورت ترکیب در می آوردو فرآیند فسفرزدایی را به تاخیر می اندازد. MgO رفتاري قلیایی دارد

مشابه آهک عمل میکند. Al2O3 دیرگدازي است که براي روان سازي سرباره در مقادیر کم در حد1 تا 2 %به

سرباره اضافه میشود و باعث فعال شدن آهک و سیال شدن سرباره میشود. TiO2 یا اکسید تیتانیوم یک روان

ساز است که در مقادیر کم میتواند سیالیت سرباره را افزایش دهد. Na2O معمولا به صورت کربنات سدیم

وارد سیستم میشود. عامل قلیایی قوي است و بازیسیته سیستم را افزایش میدهد و براي حذف فسفر مفید است.

بخاطر سمی بودن آن در مراحل آخر فولادسازي براي حذف مقادیر کم فسفر باقیمانده در مذاب افزوده میشود.

معمولا در روشهاي کنورتر آن را به صورت کربنات اضافه نمیکنند. چون به خاطر تکلیس آن فرآیندي

گرماگیر اتفاق افتاده و روي فرآیند کنورتر اثر میگذارد. در روش اجاق باز میتوان ان را به صورت کربنات

اضافه کرد.

بازیسیته سرباره چه تاثیري روي فسفرزدایی دارد:

43

در کل براي بدست آوردن مقدار کم فسفر در فولاد (کمتر از 01/0 %فسفر) لازم است که از شارژ با محتواي

�𝑎𝐶� فسفر کم استفاده کنیم. از طرف دیگر محتواي SiO2 سرباره نیز باید کم باشد تا

𝑆𝑖𝑂2

(بازیسیته) بالا حفظ

شود. محتواي سیلیس توسط روشهاي فولادسازي به مقادیر زیر 1 %رسانده میشود. امروزه در روشهاي

کنورترهاي LD و EAF بازیسیته 3 تا 5/3 حاصل میشود.

نسبت توزیع فسفر (نسبت محتواي فسفر در سرباره به محتواي فسفر در فلز مذاب) توسط محتواي FeO سرباره و

بازیسیته سرباره تغییر میکند (شکل زیر)

�𝑎𝐶� شکل بالا اثر بازیسیته را روي فسفرزدایی نشان میدهد. محور افقی نسبت

و محور عمودي نسبت �𝑒𝐹�

𝑃2𝑂5

[𝑃]

را نشان میدهد. مثلا بازیسیته 4/2 را در نظر بگیرید. با افزایش نسبت

𝐶𝑎𝑂

یعنی با افزایش مقدار آهک �𝑒𝐹�

میبینیم که فسفر زدایی کمتر میشود. در صورتیکه انتظار داریم که با افزایش آهک فسفرزدایی بهتر شود. لذا

دلیل این اتفاق میتواند فعال نشدن آهک در این بازیسیته باشد. اما در مقادیر بالاتر بازیسیته، با افزایش مقدار

�𝑎𝐶� آهک تا یک مقدار بحرانی، راندمان فسفرزدایی بیشتر میشود. نسبت

5.3 = عددي بهینه براي فسفر �𝑒𝐹�

زدایی است.

44

وقتی CaO خیلی زیاد شود، سیستم در نمودار سه تایی به سمت گوشه CaO نزدیک میشود و در این

قسمت سرباره جامد است لذا واکنش نمینتواند صورت گیرد و فسفرزدایی کم خواهد شد.

در شکل زیر بازیسیته در 4/2 ثابت نگه داشته شده و اثر دما بر روي فسفرزدایی بررسی شده است.

دماي 1370 را مورد مطالعه قرار میدهیم. دیده میشود که راندمان فسفرزدایی با افزایش نسبت

𝐶𝑎𝑂

کم �𝑒𝐹�

میشود چون دما پایین است. لذا آهک فعال نشده است. اما با افزایش دما تا 1560 درجه سانتیگراد دیده

میشود که فسفرزدایی خیلی زیاد شده است. براي فسفر زدایی بهترین روش استفاده از سرباره هاي قلیایی

است. سرباره هاي اسیدي قادر به حذف فسفر در مقادیر مورد نظر نیستند و همچنین سرباره هاي قلیایی با

زیاد شدن دما، که مطابق با روند فرآیند فولادسازي نیز میباشد، فسفرزدایی را کاملا اقتصادي میکنند.

گوگردزدایی (سیستم S-Fe:(

در دیاگرام آهن- گوگرد یوتکتیکی در 988 درجه سانتیگراد و 31 %گوگرد دیده میشود.

45

این یوتکتیک مشکلات زیادي براي فولادها ایجاد میکند. طی فرآیند تولید آهن خام، شامل سینتر کردن و

کوره بلند مقدار زیادي از گوگرد موجود در سنگ معدن حذف میشود ولی با این حال در آهن خام تولید

شده مقداري گوگرد باقی میماندکه بایستی حذف شود. دماي بالا، سیلیس زیاد و گوگرد کم براي تولید

چدن مناسب است. در فولادها نیز اگر گوگرد از حد مجاز بیشتر باشد در حین اجماد در مرز دانه ها، مذاب

یوتکتیک قرار میگیرد که نقطه ذوب پایینی داشته و در فرآیند شکل دادن (گرم) محصول تاثیر مخرب

دارد. اصطلاحا به ترك ناشی از وجود گوگرد در فولاد ترك گرم می گویند (Shortness Red .(عامل

ترك سرد نیز فسفر میباشد. تا 3/0 %گوگرد براي بهبود خواص ماشینکاري و کیفیت سطح فولادها مفید

است. اگر بخواهند در حضور گوگرد خواص فولاد را افزایش دهند:

1 -ترکیبی باید ایجاد شود که با گوگرد یوتکتیک دما بالاتري ایجاد کند.

2 -کاري کرد که یوتکتیک به جاي مرزدانه در داخل دانه هاي فلز پخش شود.

هر عاملی باعث چنین تغییراتی شود خواص محصول را افزایش میدهد. سیستمهایی که بحث خواهند شد

یکی و یا هردو مورد از این عوامل مهم را عوض خواهند کرد.

46

Fe-H-S سیستم

این سیستم فقط در مورد فرآیند فولادسازي اجاق باز مهم است. چون H2 و H2S به صورت محصولات

احتراق در حالت گرمایش شعله اي حضور دارند. واکنشی که میتوان براي این سیستم نوشت به صورت زیر

است:

H2+[S]=H2S, 𝐾 = 𝑃𝐻2𝑆

𝑃𝐻2[𝑆]% , 𝐿𝑛𝐾 = − 2150

𝑇 − 1.426

اگر مذاب در فضاي بالاي خود در تماس با این دو گاز باشد واکنش فوق اتفاق می افتد. اگر فشار H2S

زیاد باشد، واکنش به سمت چپ میرود و گوگرد وارد مذاب میشود. این در شرایطی است که محصولا

حاصل از احتراق در تماس با مذاب باشد اگر سعی شود که محصولات احتراق را سریعا از فضاي داخل

کوره خارج کنند مشکل فوق قابل حل شدن خواهد بود.

:Fe-O-S سیستم

تا کنون براي حذف همه عناصر از اکسید کردن آنها با اکسیژن کمک گرفته ایم. در اینجا سئوال این است

که آیا گوگرد را نیز میتوان با اکسیداسیون حذف کرد؟ براي این منظور واکنش زیر را از نظر ترمودینامیک

مطالعه میکنیم:

SO2=[S]+2[O] , 𝐾 = [𝑆][𝑂]2

𝑃𝑆𝑂2

 , ∆𝐺° = −1340 − 12.81𝑇

0 ° < این واکنش به سمت راست میرود. یعنی اگر در اتمسفرکوره SO2 وجود داشته باشد به چون ��∆

سرعت تجزیه شده و باعث جذب گوگرد در مذاب فلزي خواهد شد. پس اکسیداسیون گوگرد منتفی

است. پس مقدار ترکیبات گوگرددار سوخت باید در حد مجاز باشد. اما در مورد سیستم S-O-Fe دیده

شده است که استحاله یوتکتیکی به جاي اینکه در مرز دانه اتفاق بیفتد در داخل دانه صورت گرفته و تمایل

47

به ترك گرم را کم میکند. لذا درحضور اکسیژن یوتکتیک مرز دانه حذف میشود. حسن این کار این است

که در هنگام شکل دادن مانع خارجی در مقابل لغزش مرز دانه ها وجود نداشته و لذا شکل دادن آنها راحت

تر است.

:Fe-Mn-S سیستم

راه دیگر حذف مشکل گوگرد استفاده از Mn است. از آنجا که Mn از آهن فعالتر است لذا واکنش زیر

اتفاق می افتد:

FeS+Mn=MnS+Fe

حسن بزرگ استفاده از این روش این است که MnS برخلاف FeS در مذاب محلول نبوده و به سرباره

میرود و باعث گوگردزدایی میشود. از طرف دیگر MnS یوتکتیکی تشکیل میدهد که دماي ذوب 1170

درجه سانتیگراد دارد که بالاتر از دماي ذوب FeS یوتکتیک است. اما فعالیت بیشتر Mn نسبت به Fe

باعث میشود که از اول فولادسازي نتوانیم از آن به عنوان گوگرد زدا استفاده کنیم. چون با تزریق Mn به

سیستم، منگنز شروع به اکسید شدن میکند و گوگردزدایی نمیکند لذا باید منگنز را در مراحل پایانی

فولادسازي اضافه کنیم تا بتواند به خوبی فعال شده و گوگرد را حذف کند.

�𝑀� باید منگنز را نیز به اندازه اي اضافه کرد که نسبت

22 = حفظ شود. با توجه به اینکه Mn باعث ��

افزایش استحکام و سختی فولاد میشود، نهایتا باعث افزایش هزینه هاي نورد و شکل دادن مقاطع فولادي

میشود. از آنجا که نسبت یاد شده نسبت برزگی میباشد لذا براي فولادهاي ساختمانی قابل استفاده نیست.

براي فولادهاي ساختمانی نیز درصد منگنز از فرمول زیر محاسبه میشود که نسبت به فرمول بالا مقدار منگنز

خیلی کمتري استفاده میکند اما با این حال مشکل ترك گرم در شکل دهی فولادها حذف میشود:

%[Mn]=0.3+1.7[S]%

48

k

kMn

kCaO

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

1477 152 1577

Temperature

Fe-S-CaO سیستم

براي داشتن سرباره بازي باید آهک اضافه کنیم تا گوگرد زدایی خوبی داشته باشیم.

[FeS]+[Mn]=(MnS)+[Fe], 𝐾𝑀𝑛 = [𝐹𝑒](𝑀𝑛𝑆)

[𝑀𝑛][𝐹𝑒𝑆]

[FeS]+(CaO)=(CaS)+(FeO), 𝐾𝐶𝑎𝑂 = (𝐹𝑒𝑂)(𝐶𝑎𝑆)

(𝐶𝑎𝑂)[𝐹𝑒𝑆]

با توجه به نمودار بالا معلوم میشود که براي منگنز با افزایش دما، ثابت تعادل k کاهش می یبد. یعنی در دماهاي

بالا واکنش برمیگردد. اما براي آهک وضعیت برعکس است و با افزایش دما، گوگردزدایی بهتر انجام

میگیرد.افزایش دما حد حلالیت گوگرد در سرباره را نیز زیاد میکند. عوامل موثر برگوگرد زدایی:

در گوگرد زدایی با آهک، اگر درصد CaO در سرباره زیاد شود میل واکنش به رفت بیشتر میشود. هرچه

درصد FeO در سرباره بیشتر شود وضعیت گوگرد زدایی بدتر میشود و واکنش برمیگردد. ولی تغییر درصد

49

FeO در دست ما نیست چون ما خودمان اکسیژن اضافه میکنیم و لذا تولید FeO اجتناب ناپذیر است. لذا

FeO نمیتواند عامل کنترل کننده باشد. هم چنین در مورد گوگردزدایی با آهک، FeS در مذاب و CaO در

سرباره است لذا باید در فصل مشترك سرباره و مذاب واکنش صورت گیرد. اما در مورد گوگرد زدایی با

منگنز هر دو عامل واکنش درون فاز مذاب است و لذا سرعت آن بیشتر است. براي آنکه گوگردزدایی با آهک

به خوبی انجام شود باید FeS از مذاب و CaO از سرباره به فصل مشترك حرکت کرده و واکنش دهند. لذا

این عمل باعث بوجود امدن یک شیب غلظت در فصل مشترك وخود سرباره و مذاب خواهد شد. لذا باید با

افزایش دما و به علت افزایش سرعت دیفوزیون، سینتیک گوگردزدایی را بیشتر کرد. از طرف دیگر باید تماس

سرباره و مذاب را زیاد کرد تا فاصله دیفوزیون کوتاه تر شود. یعنی هر چه تلاطم مذاب و سرباره زیادتر باشد

گوگردزدایی بهتر با آهک انجام خواهد شد. اما میزان دمش اکسیژن، که بر روي میزان FeO در سرباره تاثیر

میگذارد، اثر بسیار بارزي بر گوگردزدایی دارد. تاثیر میزان FeO بر گوگردزدایی توسط chipman و

همکارانش بررسی شده است و در شکل زیر نشان داده شده است.

در این تصویر منحنی ها که براي بازیسیته هاي مختلف رسم شده اند، نشان میدهند که توزیع گوگرد (نسبت

گوگرد در سرباره و گوگرد در مذاب) در کوره هاي قوس الکتریک و کوره هاي دمشی به شدت با کاهش

میزان اکسیژن در سرباره (کاهش FeO (افزایش می یابد. اما همین نسبت وقتی که میزان FeO در سرباره

50

حدود 5-10 مولی است تغریبا از میزان FeO مستقل است. این مقدار FeO در سرباره ویژگی سرباره هاي

کنورتر اجاق باز میباشد. در این حالت و وقتی از اجاق باز بازي استفاده شود تقریبا یک سوم گوگرد موجود در

مذاب حذف شده و نسبت توزیع معمولا بین 4 تا 6 و به ندرت 8 تا 10 است. لذا در کوره اجاق باز قلیایی که

وزن سرباره حدود 10 %وزن مذاب است، زیاد جاي تعجب نیست که اکثر گوگرد به جاي حذف شدن در

سرباره، در مذاب باقی بماند. در این شرایط موثرترین راه براي کنترل میزان گوگرد ممانعت از استفاده شارژ پر

گوگرد است. لذا میتوان عوامل مهم در گوگرد زدایی را به صورت زیر جمع بندي کرد:

– بازیسیته بالاي سرباره

– محتواي پایین FeO در سرباره

– اکسیژن حل شده کم در مذاب

– دماي بالا

– سیالیت بالا

– تماس خوب سرباره و مذاب

تاثیر بازیسیته بر میزان گوگردزدایی در شکل زیر بهتر نشان داده میشود. در این شکل تاثیر FeO و CaO

سرباره بر توزیع گوگرد در سرباره و مذاب نشان داده میشود. اعداد نوشته شده بر روي خطوط نشان دهنده

نسبت گوگرد در سرباره به میزان گوگرد در مذاب است.

51

مشخص است که هر چه FeO زیادتر میشود، نسبتها کوچکتر میشوند. یعنی گوگرد زدایی بدتر صورت میگیرد.

هر چه به سمت اکسیدهاي قلیایی زیاد (یعنی FeO کمتر) برویم نسبتها بیشتر و گوگردزدایی بهتر میشود. شکل

زیر نشان میدهد که حتی وجود FeO در سرباره بر روي سرعت گوگردزدایی مذاب نیز تاثیر گذاشته و ان را

کم میکند.

براي اینکه بتوان میزان FeO در سرباره را کم کرد میتوان به سرباره کربن و سیلسیوم اضافه کرد. این کار باعث

کاهش درصد FeO در سرباره میشود اما مشکل دیگري ایجاد میکند. ممکن است عناصر مضري مانند فسفر

که اکسید شده و به صورت اکسید در سرباره حضور دارند با این عناصر احیا شده و به مذاب برگردند. مشکل

52

بعدي آن این است که در همه جا (مثلا در روز اجاق باز) قابل استفاده نیست. چون روش اجاق باز با شعله

اکسیژن کار میکند و با عث اکسید شدن عناصر میشود. تنها جایی که با افزودن کربن و سیلسیوم بهبود

گوگردزدایی را داریم کوره هاي قوس الکتریک هستند. واکنش انجام شده به صورت زیر است:

[FeS]+[CaO]+[C]=(CaS)+[Fe]+CO

در روشهاي دیگر فولادسازي این روش عملی و اقتصادي نیست (چون این عناصر گران هستند.). افزودن این

عناصر را هنگامی که سرباره اشباع از عناصر قیمتی مانند Cr،Mn و FeO باشند انجام میدهند تا عناصر گرانبها

احیا شده و وارد مذاب شوند. روش دیگر گوگردزدایی افزودن Na2O است:

(Na2O)+[FeS]=(Na2S)+(FeO)

چون Na2O سمس است لذا از ان استفاده نمیکنند. حسن بزرگ Na2O این است که سرباره خیلی سریع

ایجاد میشود و گوگردزدایی خیلی سریع انجام میگیرد.

گازها در فولاد

CO ،N2 و O2 گازهاي رایج فولادسازي هستند. ممکن است CO2 و H2O هم وجود داشته باشد یا اینکه

برخی گازها به صورت عمدي اضافه شوند.

گازها به چند طریق باعث ایجاد مشکل میشوند. برخی از آنها در حین انجماد فولاد باعث ایجاد مک گازي شده

و سطح مقطع را کم کرده و موجب کاهش استحکام میشوند. برخی دیگر با آهن واکنش داده و تولید آخال

(مانندFeO (میکنند. آخالها به نوعی سرامیک محسوب میشوند و لذا نمیتوانند تنش کششی را تحمل کنند لذا با

عث افت شدید استحکام ماده میشوند. برخی از آنها نیز مانند H2 میتوانند ایجاد ترك سرد بکنند و ماده را ترد

بکنند. علاوه براین H2 و N2 ترکیبات ترد با آهن ایجاد کرده و باعث افت خواص فولاد میشوند.

53

گاز هیدروژن:

وقتی مواد مختلف به داخل کنورتر شارژ میشوند همراه با آنها هیدراتهاي مختلفی از جمله آب وارد میشود.

همچنین آهک نیز تمایل زیادي به جذب آب دارد و لذا بخار آب زیادي وارد سیستم میشود و همچنین در

اتمسفر کوره هم مقدار بخار آب زیادي وجود دارد. لذا در کوره همواره H2 خواهیم داشت. شکل زیر حلالیت

هیدروژن را به صورت تابعی از دما در آهن نشان میدهد.

نمودار سمت چپ نشان میدهد که با افزایش دما حلالیت هیدروژن در آهن افزایش پیدا میکند اما بسته به اینکه

شبکه کریستالی چه باشد، حد حلالیت فرق میکند. مهمترین نقطه، نقطه انجماد آهن است که در آن آهن δ به

آهن مذاب تبدیل میشود. هنگام انجماد از دماي بالا به دماي پایین می آییم و تغییر حد حلالیت شدیدي دیده

میشود و میزان H2 حل به حدود یک سوم کاهش می یابد.

نمودار سمت راست نشان میدهد که حد حلالیت هیدروژن در مذاب بسته به عناصر آلیاژي فولادي تغییر میکند.

بعضی از عناصر حد حلالیت را زیاد و برخی حد حلالیت را کم میکنند. دو حالت در مورد انجماد وجود دارد:

1 -انجماد با سرعت کم انجام شود و اجازه داده شود تا حبابهاي هیدروژن تولید شده خارج شوند.

54

2 -مذاب را که پر از هیدروژن است به سرعت سرد کنند و در این حالت فولادي اشباع از هیدروژن

بدست می آید.

یکی از روشهاي حذف هیدروژن هم همان خنک کردن آهسته مذاب است. اما این روش اقتصادي نیست. براي

حذف هیدروژن باید واکنشهاي ورود آن به مذاب را بررسی کنیم:

H2O+[Fe]=(FeO)+H2 , H2=2[H] , log 𝑘𝑘 = 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 [𝐻]2

𝑃𝐻2

= −5340

𝑇 − 2.3

هر چه فشار جزئی هیدروژن بیشتر باشد، هیدروژن حل شده نیز زیادتر خواهد بود.

اگر فرض کنیم که دماي فولادسازي 1530 درجه سانتیگراد باشد با جایگذاري این دما در رابطه بالا داریم:

𝑃𝐻2 = 1.82 × 105 × [0.0023]2 = 1 𝑎𝑡𝑚

عدد داخل کروشه حد حلالیت هیدروژن را نشان میدهد که از نمودار بالا بدست می آید.

حال اگر فرض شود که دما 27 درجه سانتیگراد باشد:

𝑃𝐻2 = 1.26 × 1020 × [6.2 × 10−8]2 = 4.8 × 105 𝑎𝑡𝑚

اگر فولاد را سریعا از دماي بالا سرد کنیم این هیدروژن با این فشار تمایل به خروج دارد که فشار زیادي هم

است. لذا یکی مکانیزمهاي ترد شدن فولادها هم تغییر همین حد حلالیت هیدروژن در دماهاي مختلف است. لذا

در ماهواره ها آهن نداریم. از سطح فولاد میتوان گفت که حفره ها ناشی از چه گازي است.

حفره هاي ناشی از هیدروژن سطحی درخشنده داشته و در داخل آنها شکافهایی وجود دارد که علت انها ناشی

از فشار H2 و تردي ناشی از هیدروژن است. حفره هاي ناشی از نیتروژن سطحی مات دارند. اگر علت بروز

حفره ها اکسیژن باشد لایه اکسیدي در داخل سطح دیده میشود ولی نکته مهم در این نوع حفره ها این است که

حفره هایی که در اثر گازهایی که به صورت احیایی عمل میکنند (CO و H2 (ایجاد میشوند را میتوان با تغییر

شکل گرم از بین برد.

راههاي حذف هیدروژن

55

1 -فولاد را در هنگام انجماد آرام سرد کنیم.

2 -با ایجاد تلاطم در مذاب و ایجاد حباب CO و یا دمیدن گاز ارگون از داخل مذاب، هیدروژن کاهش

پیدا میکند. چون فشار جزئی هیدروژن در داخل حباب کاهش پیدا کرده و اتمهاي هیدروژن با این

حبابها خارج میشوند.

3 -مذاب را بعد از فولادسازي نگه نداریم تا از اتمسفر هیدروژن جذب نکند.

گاز N2) نیتروژن)

علت اصلی ورود این گاز دمش هوا بخصوص در سیستمهاي کف دم یا سیستمهاي فولادسازي است که با

اتمسفر هوا در تماس هستند. چون 80 %هوا نیتروژن است و لذا وجود نیتروژن اجتناب ناپذیر است. به خاطر تغییر

حد حلالیت ازت در حین انجماد در داخل شمش حفره هایی ناشی از گاز ازت خواهیم داشت. علاوه بر این

ازت میتواند ترکیبات تردي با آهن ایجاد کند و خواص فولاد را کاهش دهد.مورد استثنا براي ازت این است

که ازت پایدار کننده γ است و براي فولادهاي زنگ نزن از آن استفاده میشود و لذا مصرف نیکل و کروم کم

میشود. شکل زیر سمت چپ حد حلالیت ازت در آهن برحسب دما را نشان میدهد.

56

با افزایش دما حلالیت ازت در داخل فولاد زیاد میشود و در محدوده پایداري آستنیت حد حلالیت نیتروژن

خیلی زیاد است (چون نیتروژن پادارکننده آستنیت است.). با مقایسه شکل بالا با حد حلالیت هیدروژن،

مشخص میشود که با افزایش دما حلالیت هیدروژن در آستنیت زیاد و در نیتروژن کم میشود. چون در این ناحیه

نیتروژن با آهن یک ترکیب نیتریدي تولید میکند که محلول در آهن است. شکل سمت راست تاثیر عناصر

آلیاژي روي حد حلالیت نیتروژن در آهن را نشان میدهد.

N2=2[N] , 𝑘𝑘 = [𝑁]2

𝑃𝑁2

با ایجاد حبابهاي CO و دمش گاز Ar میتوان مقدار ازت را کاهش داد. در روشهاي فولادسازي که همراه با

اکسیژن گاز ازت وجود دارد تا زمانیکه حبابهاي CO وجود دارند مقدار نیتروژن حل شده در مذاب کم است.

لذا در روش توماس در مرحله اي که فسفرزدایی انجام میشود مقدار نیتروژن در داخل مذاب شدیدا افزایش می

یابد و به همین دلیل کیفیت این فولادها را از روي گاز ازت حل شده در آنها باید چک کرد.

روشهاي حذف نیتروژن

1 -کاهش درصد ازت در اکسیژنی که به داخل فولاد مذاب دمیده میشود. معمولا 40 %گاز دمیده شده را

میتوان اکسیژن در نظر گرفت. اضافه بر آن چون تخریب نسوزها را خیلی تسریع میکند، اقتصادي

نیست. فقط در روش دمش از بالا (مثلا LD (میتوان درصد اکسیژن را زیاد در نظر گرفت. با این کاز

زمان تماس مذاب با نیتروژن کمتر شده و چون از اکسیژن بیشتري استفاده میکنیم تلفات گرمایی کمتر

میشود و جمله قبلی توجیه پذیر میشود. N2 در دماي محیط وارد کنورتر شده، گرم شده و خارج

میشود. تنها کاري که انجام میدهد تلفات گرمایی است. لذا با کم شدن N2 تلفات گرمایی کم میشود.

2 -ازت را با گازهاي دیگري مثل بخار آب یا گازهاي بی اثر مانند آرگون یا CO2 جایگزین کنیم.

گذشته از بخار آب که خودش مشکل هیدروژن ایجاد میکند، از بقیه میتوان براي کاهش نیتروژن

استفاده کرد.

57

3 -روشهاي متالورژیکی دیگر: مثلا اگر داخل فولاد مذاب مقداري آلومینیوم داشته باشیم، موجود در

فولاد با Al واکنش داده و ترکیب AlN را تولید میکند که تاثیر مضري بر روي فولاد ندارد.

سرباره هاي فولادسازي

اکثر ناخالصیهایی که در فولادسازي با افزودن اکسیژن حذف میشوند به صورت سرباره در آمده و بر روي

مذاب قرار میگیرند. این اکسیدها به اضافه موادي که به عنوان کمک ذوب به صورت عمدي اضافه میشوند

(مانند آهک یا فلورین: CaF2 ،(سرباره را میسازند. اجزایی که به سرباره اضافه میشوند مثل فلورین،

سیالیت سرباره را زیاد کرده و گوگردزدایی و حذف فسفر را تسریع میکنند. یکی از عوامل سرباره FeO

است. این ماده چون عامل اصلی اکسیداسیون ناخالصیهاي موجود در آهن خام است لذا عامل بسیار مهمی

است. با دمش اکسیژن ابتدا FeO تولید شده و سپس FeO با عناصر آلیاژي واکنش کرده و آنها را اکسید

میکند. چون نمیتوان سرعت دمش گاز را زیاد اضافه کرد لذا عامل FeO براي ما اهمیت خیلی زیادي پیدا

میکند. علت محدودیت داشتن سرعت دمش، جلوگیري از تولید گرماي زیاد و همچنین جلوگیري از

پاشش زیاد مذاب است.

مقدار FeO داخل سرباره تحت تاثیر عوامل متعددي از جمله جنس خود سرباره است. بسته به ترکیب

سرباره اکتیویته سرباره تغییر میکند همچنین با افزودن عناصر آلیاژي مانند سیلسیوم و کربن این اکتیویته را

میتوان تغییر دارد.

عامل مهم دیگر در سرباره سیالیت سرباره است . سرباره ها بر اساس سیالیت به دو دسته تقسیم می شوند:

– سرباره هاي ویسکوز

– سرباره هاي سیال و روان

در مواردي که نیاز داریم تا واکنشی بین سرباره و مذاب اتفاق بیفتد سیالیت سرباره اهمیت زیادي پیدا

میکند. ولی مشکل این نوع سرباره ها این است که خالی کردن آنها کار مشکلی بوده و توام با تلفات مذاب

58

است. در حالیکه سرباره هاي ویسکوز هیچگونه تبادل شیمیایی قابل توجهی با فولاد مذاب نداشته و در

عوض تخلیه انها بسیار ساده بوده و با تلفات بسیار اندکی همراه است.

چرا سیالیت مهم است؟

این مساله را با مثال گوگرد زدایی به کمک آهک شرح میدهیم. براي این منظور FeS از مذاب با CaO از

سرباره واکنش کرده و گوگرد را حذف میکند. این واکنش در فصل مشترك سرباره و مذاب انجام

میگیرد. هر چه به فصل مشترك نزدیک تر می شویم مقدار CaO و FeS کم می شود علت ایجاد این

پروفیل سرعت نفوذ CaO و FeS در سرباره و مذاب است هر چه سرعت نفوذ را زیاد کنیم سرعت

واکنش زیادترمی شود. عوامل زیر در افزایش سرعت نفوذ موثرند:

1 -یکی از عوامل زیاد شدن سرعت نفوذ، همان سیالیت (در اثر دما) می باشد. یعنی اختلاف غلظت در

فصل مشترك سرباره و مذاب کم می شود .

2 -سطح تماس را باید زیاد بکنیم. لذا باید تلاطم ایجاد کنیم تا سرباره به صورت کره داخل مذاب پخش

شود .

3 – -جنس خود سرباره : اجزاي سازنده سرباره هم بر کار سرباره اثر می گذارند . سرباره هاي سیال را در

دو مرحله خالی می کنند ابتدا مقدار زیادي خالی می شود تا جایی که قابل رویت نباشد حال بر اساس

اینکه سرباره اسیدي یا بازي باشد SiO2 و CaO اضافه می شود تا سرباره ویسکوز شود سپس سرباره

ویسکوز را خالی می کنند .

جنس سرباره : براساس جنس سرباره براي سرباره بازیسیته تعریف می شود :

اسیدي هاي اکسید :SiO2 P2O5 V2O5 Cr2O5

قلیایی هاي اکسید :CaO MgO FeO MnO

59

Fe2O3 V2O3 Al2O3: اکسید هاي آمفوتر

= R بازیسیته

اکسید هاي قلیایی % .��W

اکسید هاي بازي% .Wt

≤ 1.1 تا 1.3 ∶ اسیدي سرباره

و براي مقادیر R بیشتر از این مقدار سرباره قلیایی خواهد بود.

روش هاي فولاد سازي:

روش بسمر :

کنورتینگ: معمولا به روشی کنورتینگ گفته می شود که در آن از حرارت خبري نیست و حرارت مورد

نیاز به فولاد سازي در حین فولاد سازي با اکسید شدن عناصر موجود در سیستم تامین می شود . ابداع روش

بسمر به 50 سال پیش برمیگردد. سیستم به صورت کف دم است جداره کنورتر از جنس اسیدي و داراي

طراحی خاص خود است . شکل زیر یک کنورتر بسمر را نشان می دهد .

60

معمولا جداره فولادي mm 30-20 ضخامت دارد. جداره نسوز آنها 80cm- 60 است . معمولا در قسمتی

که به جداره فولادي نزدیک است از دانه هاي سیلیسی استفاده می شود. بعد سه ردیف آجر هاي سیلیسی

چیده میشود. ضخامت نسوز کف کوره می تواند تا یک متر باشد. در کف کوره 100 تا 250 حفره جهت

دمش هوا تعبیه شده است. از آنجاییکه عمر قسمت کف کوره بسار کمتر از قسمت جداره است این

کنورترها را طوري طراحی می کنند تا امکان تعویض کف کنورتر فراهم باشد. معمولا بعد از هر 50 ذوب

نسوز کف و بعد از هر 150 تا 200 بار ذوب گیري نسوز جداره ها تعویض می شود. قطر سوراخ هاي کف

کنورتر 15 تا 20 میلی متر است. این سوراخها معمولا به صورت ریختگی تولید می شوند. جاهایی که باید

حفره باشد چوب و یا لوله هاي فولادي می گذارند. معمولا فشار هواي ورودي 5/1 تا 5/2 اتمسفر است.

طراحی کنورتر به گونه اي است که می تواند در سه وضعیت شارژ ، دمش گاز و تخلیه مذاب قرار بگیرد.

شکل زیر سه وضعیت قرارگیري کنورتر را نشان میدهد.

معمولا براي شارژ از آهن خام استفاده می شود. سرباره در اینجا خاصیت اسیدي دارد و نمیتوان CaO

اضافه کرد. مقدار قراضه اي که ریخته می شود خیلی کم است. دماي شارژ آهن خام 350 درجه سانتی

61

گراد بوده و طی فرایند فولادسازي و سوختن عناصر آلیاژي افزایش خواهد یافت. گرماي ایجاد شده

بایستی قادر باشد گرماي لازم براي افزایش دماي قراضه اضافه شده و سرباره احتمالی را فراهم کرده و

همچنین بایستی بتواند اتلاف حرارتی که به خاطر دمش هوا ، تشعشع و انتقال حرارت از اطراف کنورتر

انجام میگیرد نیز جبران کند. اولین عنصري که می سوزد و گرما ایجاد می کند کربن است. کربن با سوختن

خودش گاز CO ایجاد می کند که واکنشی گرمازا است معمولا در آهن خام 5/3 تا 5/4 درصد کربن

وجود دارد که سوختن این کربن می تواند بخشی از انرژي مورد نیاز را تامین کند.

محاسبات نشان می دهد که بخش کمی از گرماي مورد نیاز توسط این واکنش تامین می شود (حدود 5

درصد) بقیه گرما از سوختن سیلیسیم و منگنر تامین می شود. مقدار سیلیسیم در آهن خام 8/1 تا 2/2 درصد

و مقدار منگنز 5/1-1درصد است. حد مطلوب این دو عنصر در کنورتر بسمر رعایت می شود و اگر نشد

حداقل نسبت را رعایت می کنند. (سعی می شود تا

Si

ثابت باشد.) وقتی کربن شروع به سوختن می کند Mn

شعله زرد رنگی در دهانه کنورتر دیده می شود. اتمام مرحله سوختن کربن با خروج گازي قهوه اي رنگ

در اثر تبدیل FeO به Fe3O4 می باشد. با خروج CO از دهانه کنورتر و تماس با اتمسفر این گاز تبدیل به

CO2 می شود که گرماي زیادي را می تواند تولید کند. می توان گفت سرباره کنورتر از اولین لحظه اي

که دمش هوا آغاز می شود بوجود می آید. این سرباره شامل FeO و SiO2 خواهد بود. تقریبا نسبت

FeO

2 = بوده و با پیشرفت واکنش ها و سوختن سیلیس این نسبت تغییر می کند. معمولا با پیشرفت SiO2

واکنش و افزایش SiO2 سرباره به حد اشباع از سیلیس می رسد که جنس جداره کنورتر به این امر بیشتر

کمک می کند.

62

Si آیا SiO2 به اشباع خواهد رسید یا نه ؟ این امر به نسبت

بستگی دارد هر چه Mn فولاد بیشتر باشد Mn

رسیدن به حد اشباع سخت تر می شود. سرباره ایجاد شده در روش بسمر کاملا ویسکوز است و به راحتی از

سطح مذاب برداشته می شود.

ترکیب نمونه یک سرباره :

SiO2 56-62%

Fe 16-22%

MnO 14-18%

Al2O3 2-4%

سرباره ها هیچ ارتباط متالورژیکی با مذاب داخلشان نداشتهو کاملا خشک و ویسکوز هستند .

مراحل کار در روش بسمر :

3 مرحله کاملا متمایز را می توان در روش بسمر تشخیص داد . شکل زیر نمودار اول : تغییرات هیدروژن،

اکسیژن و نیتروژنحل شده در مذاب را طی دمش هوا نشان می دهد. در همه نمودار ها محور افقی زمان

دمش است .

63

ماکزیمم زمان دمش 16 دقیقه است. منحنی دوم: تغییرات گازهاي N2 ، O2 ،CO ،CO2 را نشان می دهد.

منحنی سوم اجزاي سرباره اي شامل SiO2، FeO،MnO را نشان می دهد و منحنی چهارم درصدهاي C و

Mn و Si به اضافه منحنی تغییرات دماي مذاب در طی فولاد سازي را نشان می دهد. در مرحله اول فولاد

سازي به خاطر میل شدید منگنز و سیلیس به اکسید شدن کاهش شدید این دو عنصر دیده میشود. معمولا

مدت زمان مربوط به این مرحله 3 تا 4 دقیقه است. در مرحله دوم اکسیژن اضافه شده با کربن حل شده در

مذاب واکنش داده و گاز CO ایجاد می کند. با پایان مرحله حذف کربن در مرحله سوم، افزایش درصد

عناصر گازي مثل اکسیژن و ازت اتفاق می افتد. منحنی تغییرات دماي مذاب نشان میدهد که با سوختن

منگنز و سیلیس مذاب، دماي مذاب شدیدا افزایش می یابد. منحنی تغییرات کربن نشان می دهد که در

مراحلی که حذف گوگرد و سیلیس را داریم درصد کربن افزایش یافته است ( در مرحله اول ) چون بقیه

مواد سوخته اند لذا کسر کربن زیاد شده است لذا منحنی کربن در اول یک مقدار برآمدگی نشان می دهد.

معمولا در پایان مرحله دوم شعله خروجی از دهانه کنورتر حذف می شود و نشان دهنده این است که

واکنش تولید CO غیر فعال شده است. تنها در مواردي مرحله سوم را اعمال می کنند که نیاز به حذف بیشتر

64

کربن وجود داشته باشد. یعنی هدف تولید فولاد کم کربن باشد. در صورتیکه مقدار عناصر آلیاژي موجود

در آهن خام زیاد باشد طی فرایند فولاد سازي گرماي زیادي ایجاد خواهد شد که در برخی موارد مشکل

ساز خواهد شد. براي استفاده از این گرما درصد قراضه را در شارژ افزایش می دهند تا از آن استفاده

اقتصادي بکنند. در تولید فولادهاي با کربن زیاد، ممکن است روش بسمر را تا نقطه اي از مرحله دوم فولاد

سازي ادامه بدهند بطوریکه مقدار کربن موجود در مذاب در حد مورد نظر باقی بماند و از آن به بعد دمش

را حذف کنند. این کار اگر چه از نظر اقتصادي مناسب است ولی چون کنترل فرایند حذف کربن در زمانی

به این کوتاهی خیلی مشکل است، کمتر از این روش استفاده می شود . لذا غالبا حذف کربن را تا مقدار

مورد نظر حذف کرده و سپس به وسیله کک بدون فسفر ترکیب فولاد را تنظیم می کنند. آهن خامی که

در این روش مورد استفاده قرار می گیرد باید فسفر و گوگرد کمی داشته باشد. چون در این روش عناصر

مذکور را نمی توان حذف کرد. لذا در فرآیندهاي قبل و بعد از فولاد سازي این مقادیر را تنظیم می کنند.

روش دیگري که براي کنترل افزایش بیش از حد دماي ذوب استفاده می شود این است که مقداري بخار

آب به همراه هواي دمیده شده و یا از دهانه کنورتر به داخل سیستم اضافه می کنند. به این ترتیب با واکنش

گرماگیر تجزیه بخار آب، افزایش دماي ایجاد شده تعدیل می شود. پس از حذف کربن و کامل شدن

مرحله سوم و قبل از ریخته گري باید مقدار اکسیژن موجود در مذاب را بسته به نوع شمشی که مورد نظر

است تنظیم کرد. براي این کار می توان با افزودن عناصر آلیاژي در سطح مذاب مقدار اکسیژن داخل مذاب

را کاهش داد. از آنجا که سرباره از نوع سیال نیست باید آن را از مذاب جدا کرده و پس از آن اکسیژن

زدایی را انجام شود.

روش فولاد سازي توماس:

65

این روش دقیقا مشابه روش بسمر است. با این تفاوت که جنس نسوز مورد استفاده در این روش از جنس

نسوز بازي است. کلیه مراحلی که براي روش بسمر گفته شده براي روش توماس هم صادق است. جنس

نسوزها از دولومیت است (CO3(Ca.Mg) ⇐ CaO-MgO (هر چه مقدار MgO در نسوز بیشتر باشد

نسوز بهتر است . معمولا این نسوز را خرد کرده و با قطران مخلوط می کنند به ترتیب یک آجر نسوز خام

تولید می شود سپس در کنورتر چیده شده تا 100 درجه سانتی گراد حرارت دیده در اثر این حرارت قطران

گازهاي خودش را از دست می دهد پخت کامل آن در فولاد سازي انجام می شود .

ترکیب نسوز دولومیتی :

MgO 36-40%

CaO 56-58%

SiO2 ≤2%

Fe2O3 + Al2O3 <4%

مواد اولیه اي که در کنورتر توماس استفاده می شود :

آهن خام :

C 3.5-3.8%

Si 0.25-0.5%

Mn 0.4-1%

S ≤0.08%

P >1.5%

اختلاف : اگر مقایسه اي بین ترکیب آهن خام که در روش توماس و بسمر استفاده می شود در صد سیلیس

این روش کمتر از روش بسمر است .

علت : چون سوختن آن باعث ایجاد سیلیس زیادي می شود که باعث سرباره سیلیس زیاد می شود و چون

سرباره بازي است سرباره غیر فعال می شود و خوب عمل نمی کند .

66

نسوز آنها بیشتر از 5.1 درصد است چون سیلیس را کم کرده ایم لذا باید گرماي معدل سوختن آن را

فسفرتامین می کند نمی تواند فسفر را حذف بکند به علت جنس سرباره اش براي تشکیل سرباره باید آهک

اضافه کرد براي فعال شدن آهک باید حرارت بالا برود لذا بخشی از گرماي ناشی از سوختن صرف ایجاد

سرباره فعال می شود لذا در تعیین درصد ها فقط توانایی تولید گرمایی که بتواند گرماي فولاد سازي و

حذف مواد آلیاژي را داشته باشد ، مطرح می شود .

مذابی شامل 3.0 درصد Mn و 06.0 درصد کربن را می خواهیم داخل شمشی به ارتفاع 4m.2 ریخته

گري کنیم

اگر مذاب را به حال خود رها کنیم سرباره اي تشکیل می شود ؟ چرا ؟

وضعیت جوشش در داخل شمش را در حالت atm 1.0= PCO , atm 1= PCO بررسی کنید .

Tمذاب = 1500℃ و 1 atm = 105 N

m2 و ρFe(1500℃) = 6 g

cm3

1) [C] + [O] = CO(g) log k = 1860

T + 1.643

2) [Mn] + [O] = (MnO) Mn = 0.3

تعادلی

��� % [O] = 0.05 %

یعنی با 05.0 در صد اکسیژن در تعادل است یعنی اگر یک کمی بیشتر باشد به سمت راست می رود .

1واکنش ( K = PCO

[C][O] ⇒ K(1773) = 492.12 = 1

[0.06][O] ⇒ [O] = 0.034 %

یعنی واکنش اول پیش خواه رفت چون اولی بیشتر نیاز دارد .

ب) چون اکسیژن بحرانی 05.0 است .

PCO ≥ Pمذاب ستون + P°

K = 422.12 = PCO

[0.06]×[0.05] ⇒ PCO = 1.476 atm

@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@

1.476 × 105 ≥ ρgh + 0.1 × 105 ⇒ h ≤ 2.34

67

یک فولاد کربنی در داخل بوته اي از جنس سیلیکات دي کلسیم در دماي 1600 درجه سنتی گراد تحت

سرباره CaO و SiO2 ذوب می گردد این مذاب در اتمسفر CO2-CO قرار دارد که در این اتمسفر

 PCO یک اتمسفر است

الف ) ترکیب سرباره اي که در تعادل با فولاد و بوته می باشد را تعیین کنید و اکتیویته هاي CaOو

 SiO2 را نیز مشخص نمایید ؟

ب) براي فولادي شامل 1 درصد کربن بر حسب درصد وزنی درصد Si و اکسیژن تعادلی را مشخص کنید

 .

روش فولاد سازي توماس :

چرا در روش توماس مجبوریم از آهن خام با درصد سیلیس پایین استفاده کنیم ؟

اگر سیلیس بالا باشد چون فولاد سازي سیلیس زیادي تشکیل خواهد شد و آن روي سرباره اثر منفی خواهد

داشت لذا باید کم داشته باشیم لذا با یک @ فعال با یک سیلیس را کاهش داد اگر نتوانیم باید در کنورتر

دمش کوتاه مدت انجام می دهیم تا سیلسیم به SiO2 تبذیل شده سرباره را تخلیه می کنیم سپس آهک

اضافه می کنیم و بقیه کارها را انجام می دهیم .

عنصر بعدي منگنز است و منگنز مشکلی را ایجاد نخواهد کرد چون تبدیل به MnO شده و آن باعث

کاهش کشش سطحی سرباره خواهد شد که براي کار ما مفید است . جز دیگر اضافه شده به فواد سازي

آهک است که می تواند به صورت کربنات و یا به صورت خشک شده(CaO (باشد . ترجیح داده می

شود که کربنات به صورت خشک باشد . تفاوت بین این دو حالت این است که واکنش کلسینه شدن

کربنات گرماگیر است و بایستی که توي @ حرارتی قبلا لحاظ شود تا این کمبود حرارت جبران شود . لذا

همیشه به صورت آهک و خشک اضافه می شود چون دوست داریم کبنات ( آهک) به صورت فعال باشد

و CaO نقش خودش را به خوبی بازي کند بایستی مقدار فسفر مذاب بیشتر از %5.1 باشد تا گرماي

68

ناشی از سوختن آن بتواند دماي آهک و کل مجموعه فولاد سازي را به دماي مطلوب برساند. جز دیگر

اضافه شده در روش توماس ، آهن قراضه است در صورتیکه میزان فسفز بش از 2 و 5.2 درصد باشد طی

فولاد سازي گرماي زیادي ایجاد خواهد شد و از این گرما جهت ذوب قراضه می توان استفاده کرد که

معمولا تا 20 درصد وزن آهن خام می توان قراضه به سیستم فولاد سازي اضافه کرد . معمولا مقدار آهکی

که در روش توماس اضافه می شود 10 تا 15 درصد وزن آهن خام است ولی مقدار دقیق آن براساس

ترکیب سرباره مورد نیاز مقدار فسفر و گوگرد موجود در مذاب تعیین می شود . جز بعدي اضافه شده هوا

است تقریبا درحد 340 تا 450 m3 هوا به ازاي هر تن آهن خام به سیستم اضافه می شود . فشار هواي

ورودي بین 2 تا 5.2 اتمسفر است که این مقدار کمی بشتر از روش بسمر است . علت افزایش فشار هم

وجود سرباره و فشار ناشی از ستون سرباره است . عاملی که در هواي فشرده مهم است مقدار بخر آب

همراه با هوا است وجود بخار آب به سیستم فولاد سازي باعث تجزیه آن به هیدروژن و اکسیژن خواهد شد

و می تواند باعث خشک شدن سیستم شود . ابتدا آهن سپس قراضه اضافه شده و در نهایت مذاب را داخل

کنوتر می ریزند .

راندمان کنورتر توماس : نسبت وزنی فولاد بدست آمده از کنورتر به اجزاي حاوي آهن ورودي به

کنورتر را راندمان گویند . براي محاسبه راندمان کنورتر بایستی اول اجزاي آهنی را شناخت . وزن آهن

خام ، مقدار قراضه و آهنی که در اکسید آهن اضافه شده به سیستم جزو صورت کسر هستند مخرج کسر

وزن تمامی اقلامی که آهن دار بودند . مثلا اکسید آهن در صورت فقط وزن آهن آن و در صورت وزن

همه آن را حساب می کنیم. عواملی که باعث کاهش راندمان توماس می شود آهنی است که در اثر پاشش

به اطراف یا در اثر به دام افتادن در سرباره هدر رفته است راندمان کنورتر توماس حدود 80 تا 85 درصد

است .

مراحل فولاد سازي در روش توماس :

69

با دمش هوا به داخل مجموعه اولین عناصر حذف شده سیلسیم و منگنز خواهند بود بعد از آن کربن شروع

به سوختن کرده و به صورت CO از مجموعه حذف می شود و حذف فسفر در آخرین مرحله فولاد سازي

اتفاق می افتد . براي کنترل روند کار فولاد سازي از شعله اي که در دهانه کنورتر ایجاد می شود استفاده

می کنیم . در مرحله اول که حذف منگنز و سیلیس بود به خاطر خروج گاز N2 و دماي زیاد سیلیس و

منگنز شعله اي کوتاه آبی رنگ دیده می شود که نسبت به بسمر کدرتر است و علت آن همراه شدن ذرات

ریز آهک @ خروجی است . (که در بسمر نداشتیم) در مرحله دوم شعله ایجاد شده طویلتر و بلندتر است

به رنگ زرد رنگ و علت این پدیده هم ترکیب شدن CO با اکسیژن اتمسفر است که باعث شعله طویل

می شود پس از تمام مرحله دوم شعله مجددا کوتاه می شود و در آخرین مرحله فولاد سازي رنگ قهوه اي

رنگی به خود می گیرد به خاطر ایجاد اکسید آهن .

شکل 74 : تغییر ترکیب عناصر طی فرایند فولاد سازي توماس ( بسمر بازي ) را نشان می هد . خط چین

دماي مذاب است . نکته مهم : 1 -کاهش فسفر : در مرحله دوم کاهش تدریجی و در مرحله سوم کاهش

خیلی سریعتر است . براي منگنز ابتدا کاهش پیدا کرده سپس در مرحله سوم ابتدا اضافه می شود و علت آن

برگشت منگنز از سرباره به مذاب است . نکته بعدي درصد ازت : زیاد شدن در مرحله سوم سرعت افزایش

زیاد است .

فسفر زدایی :

سرباره ایجاد شده بازي است . مکانیزم آن هم قبلا گفته شده :

2[P] + 5[O] + 4CaO = (4CaO. P2O5)

KP = a4CaO.P2O5

aCaO

4 .[O]5.[P]2

اگر سرباره اشباع از P2O5. 4CaO باشد اکتیویته آن را 1 در نظر می گیریم اگر aCaO را هم 1 بگیریم :

KP = 1

[O]5.[P]2

70

= 2]P.[5 شرط فرض بالایی برقراري تعادل است . ارتباط معکوسی بین P و O وجود دارد یعنی [O[

cte

فسفر زدایی تا چه حدي انجام خواهد شد ؟

براي حالت تعادلی نموداري داریم :

جایی که گفته می شود اشباع از آهک یا اشباع از فسفات یعنی اکتیویته آن جز یک است . طی فرایند

فولاد سازي با گذشت زمان و حذف بیشتر فسفر چیزي که در نمودار اتفاق می افتد این است که ابتدا

فسفات غیر اشباع داریم و با گذشت زمان شروع می کند به اشباع شدن از فسفات ( سرباره را می گوییم .)

چرا به سمت اشباع نمی رویم ؟

چون وقتی به حد اشباع از فسفات رسیدیم با حذف بیشتر فسفر اکسیژن مذاب زیاد می شود با افزایش

اکسیژن مقدار FeO سرباره زیاد می شود لذا تلفات آهن افزایش پیدا خواهد کرد . براي اینکه این کار

روش اقتصادي نیست معمولا فسفر زدایی را تا 04.0 درصد ادامه می دهند در حالت استاندارد فولاد ها

هم معمولا میزان فسفر 04.0 است . اگر بخواهیم فسفر را سریعتر و یا بیشتر کاهش دهیم این کار بوسیله

دو سرباره اي انجام می دهند یعنی سرباره پر از فسفر را خالی کرده و سرباره پر از آهک را ایجاد می کنند .

گوگرد زدایی :

به خاطر وجود سرباره بازي انتظار داریم که حذف گوگرد هم اتفاق بیفتد اما با توجه به سرباره ایجاد شده

ماکزیمم نسبت گوگرد در سرباره به گوگرد در مذاب د این روش بیشتر از 10 نمیتواند باشد . اگر حجم

سرباره را 50 درصد مذاب در نظر بگیریم حداکثر گوگرد زدایی در این روش تنها 50 درضد گوگرد اولیه

خواهد بود . بهترین شرایط براي گوگرد زدایی لحظه اي است که دماي مذاب به بالاترین حد خودش

رسیده است . در آن لحظه بایستی سرباره راتخلیه کرد و براي گ.گرد زدایی بهتر سرباره جدیدي با مقدار

71

آهک زیاد ایجاد کرد ولی عموما بایستی مقدار گوگرد موجود در آهن خام طوري انتخاب شود که نیاز به

حذف زیادي نداشته باشد . چون در این روش نمی توان مقدار گوگرد را خیلی کم کرد .

اکسیژن زدایی :

پس از حدف فسفر موجود در فولاد مقدار اکسیژن موجود در مذاب افزایش پیدا می کند که بایستی به

روشی آن را کاهش داد . بهترین راه براي اکسیژن زدایی اضافه کردن عناصر اکسید کننده قوي مانند

سیلیسیم و… در حضور سرباره امکان اضافه کردن این عناصر ندارد چون باعث برگشت واکنش هاي حذف

گوگرد و فسفر می شود لذا ابتدا سرباره را حذف می کنند و بعد با اضافه کردن عناصر آلومینیوم و سیلیسیم

اکسیژن زدایی را انجام می دهند .

راه دیگر اکسیژن زدایی انجام اکسیژن زدایی در پاتیل است که این عناصر را در کف پاتیل قرار می دهند و

فولاد را روي آن خالی می کنند . مشکل روش اخیر این است که کاملا بستگی به اپراتور فولاد سازي دارد

و کنترل این روش بسیار سخت است . تفاوت اساسی روش توماس و بسمر در مقدار سیلیس و منگنز این

فولاد هاست . در روش توماس می توان فولادي با سیلیس بسیار کم تولید کرد و در روش بسمر مقدار

منگنز را خیلی خیلی می تواند کم کرد و علت آن هم بستگی به نسوز هاي مورد استفاده دارد . فولاد هاي

توماس عیب بزرگ آنها حل شدن ازت زیاد در آنهاست. در صورتی یک فولاد قابل قبول است که

85 < 100)N%5 + P (%باشد چون در روش توماس نیتروژن در مرحله سوم زیاد می شود لذا این

رابطه اهمیت خاصی پیدا می کند . نیتروژن زیاد باعث می شود که در دماي محیط فولاد فازهاي تردي

داشته باشیم مه به خاطر ترکیبات آهن و نیتروژن ایجاد می شود .

چرا نیتروژن در این روش زیاد است ؟

در مرحله اول و دوم افزایش ازت بستگی به افزایش دماي مذاب دارد اما در مرحله سوم افزایش زیاد است

؟ علت ؟ در مراحل اول و دوم به خاطر ایجاد گاز CO فشار جزئی ازت در داخل حباب هاي CO بسیار

72

پایین است بنابراین ازت حل شده در مذاب تمایل به ورود به داخل حباب ها و خارج شدن همراه آنها دارد

اما در مرحله سوم چون حباب CO وجود ندارد و از طرفی هواي دمیده شده از کف حاوي 80 درصد گاز

ازت است مقدار زیادي از ازت در داخل مذاب حل می شود براي اینکه مقدار ازت در فولاد هاي توماس

را کاهش دهند روش هاي مختلفی را اعمال می کنند اولین راه براي حذف ازت موجود در روش توماس

استفاده از کنورتر هاي با دمش جانبی است در این کنورتر ها با تعبیه مجاري ورود هوا در دیواره جانبی

کنورتر کل مسیري که ازت در داخل مذاب طی می کند کاهش می دهد و بنابراین زمان تماس ازت با

مذاب کم شده @ مقدار ازت باقیمانده در مذاب کاهش می یابد . روش دوم این است که درصد ازت

موجود در هوا را کاهش داد با این روش مقدار ازت را تا مقدار 70 کاهش داده اند ولی کاهش بیشتر آن

باعث افزایش شدید درجه حرارت در محل مجاري خروج هوا خواهد شد که خراب شدن نسوز ها را در

پی دارد. روش بعدي جایگزینی گاز هاي CO2 و یا بخار آب به جاي ازت است . با انجام این کار دیگر

مشکل افزایش مقدار ازت وجود ندارد از نظر اقتصادي افزودن بخار آب ارجحیت دارد چون ازرزان تر از

CO2 است ولی مشکل آن افزایش هیدروژن فولاد می باشد . در مورد حالتیکه از CO2 استفاده می شود

در صورتیکه هدف تولید فولاد کم کربن باشد این روش می تواند مشکل ساز باشد .

CO2 → CO + O

چون می خواهند هزینه را بیشتر کاهش دهند تنها در مرحله سوم فولاد سازي از گاز CO2 استفاده می

کنند چون مشکل مذاب نیتروژن فقط در مرحله سوم است . روشی دیگري که پیشنهاد شده استفاده از

سنگ آهن در مرحله آخر فولاد سازي است . در این روش باید دقت کرد که سنگ آهن اضافه شده

داراي دانه بندي مناسب باشد تا طی فرایند فولاد سازي فرصت واکنش کردن و حذف عناصر را داشته باشد

. کار دیگر مورد استفاده در روش هاي جدید فولاد سازي تزریق گاز آرگون و یا هر گاز خنثی دیگر است

. فشار بخار گاز اول کم می شود و بیرون می آید .

73

روش هاي اصلاح شده توماس :

توماس روشی قدیمی است و روش هاي جدید آن عرضه شده است . یکی از روش هایی که جدید است

ولی اصلاح شده روش توماس است، روش OBM است . در ساخت ذوب آهن اصفهان اولین سیستم

پیشنهادي OBM است در آلمان غربی توسعه یافته، کنورتري که در این روش استفاده می شود از نوع

کف دم است برخلاف روش توماس سنتی فقط @ از کف آن را مجراهاي دمش گاز تشکیل می دهند

حسن بزرگ اینروش این است که عمر نسوز کف و جداره آن یکسان است و علتش به سبک کار آن بر

می گردد . تفاوت اساسی که با روش توماس دارد این است که از کف آن لوله هایی خارج شده اند که هر

کدام دو مسیر دارد از وسط آنها گاز اکسیژن و پودر آهک عبور می کند و از مسیر کناري گاز پروپان یا

متان وارد سیستم می شود .

دمش اکسیژن همراه با پودر آهک باعث می شود که آهن سریع فعال شده و حذف فسفر و گوگرد را به

خوبی انجام دهد . از آنجا که واکنش حذف CO تا حدي گرماگیر است و در کنار آن گاز هاي متان و

پروپان در عمل ورود به کنورتر تجزیه می شوند اما در آن ناحیه افزایش زیادي پیدا نمی کند فقط عمر

ناحیه ناحیه کف و جداره ها یکسان است . چون فشار جزئی متان و پروپان زیاد است در روش می توان از

مذاب با ارتفاع بیشتري استفاده کرد . نکته بعدي واکنش هاي سوختن کربن و گاز هیدروژن ——–

در این کنورتر گرمازا است و فقط می توان قراضه بیشتري را استفاده کرد .

کنورتر S.W.L : توسز فرانسوي ها توسعه داده شده است تفاوت آن با OBM این است که به جاي گاز

متان و پروپان از یک مایع استفاده می کنند . مثلا از گازوئیل استفاده می شود .

کنورتر LD یا کنورتر اکسیژنی :

مشکل روش هاي توماس و بسمر این بود که هوا از کف کنورتر دمیده می شد و براي همین سریعا نسوز

آن منطقه از بین می رفت در روش LD براي حذف این مشکل دمش گاز از بالا مذاب انجام می گیرد و

74

براي حذف مشکل وجود ازت به جاي دمش هوا از دمش اکسیژن خالص استفاده می کنند . نمونه این

کنورتر در شکل 77 و 78 دیده می شود. مجراي خروجی روي کنورتر ها داریم که در شکل 77 دیده می

شود . در این کنورتر ها برخلاف بسمر و توماس اول مذاب خارج شده و سپس سرباره خارج می شود . اگر

بخواهند سرباره را خارج کنند کنورتر را می چرخانند و سرباره سر ریز می شود نحوه خارج کردن در

شکل 83 دیده می شود .

اندازه دهانه کنورتر ( دهانه خروجی ) هرچه بزرگتر باشد مقدار پاشش اتفاق افتاده بیشتر است لذا براي

کاهش اتلاف قطر دهانه کوچکتر است اما کوچک شدن هم مشکلی ایجاد می کند این است که از آنجا

که با دمش اکسیژن از بالا صورت می گیرد، توزیع حرارتی داریم که در دهانه لانس بیشترین و با دور شدن

از مقدارش کم می شود لذا براي اینکه نسوز ها کمتر خراب شوند هر چه قطر کنورتر بزرگتر باشد بهتر

است . براي همین از بستهاي بهینه اي استفاده می کنند که هم پاشش کم باشد و هم تلفاتی که در نسوز

اتفاق می افتد . جداره نسوزي که در این کنورتر ها استفاده می شود ضخامت زیادي دارد علت ضخامت

زیاد این است که نمی توان در قسمت هاي اهنی کنورتر از سیستم آبگرد استفاده کنیم چون اتلاف حرارت

کنورت و کاهش راندمان فولاد سازي خواهد شد . در حین فرآیند فولاد سازي به علت پاشش مذاب در

دهانه کنورتر تجمع ذرات مذاب را داریم که کندن آنها بعضی مواقع خیلی مشکل است و معمولا بعد از

اتلاف یک مرحله فولاد سازي آن منطقه را تمیز می کنیم . در کنورتر هاي جدید براي جدا شدن راحت تر

این @ سیستم آبگردي در دهانه نصب می شود که باعث خنک شدن دهانه شده و جدا کردن این مواد را

راحت می کند . قسمت بعدي مورد استفاده در این کنورتر ها لانس اکسیژن است . وظیفه لانس اکسیژن

هدایت اکسیژن مورد نیاز فولاد سازي به بالاي سطح مذاب است به خاطر دماي بالاي فولاد سازي قسمت

سر لانس را از جنس مس انتخاب می کنند بقیه آن از جنس فولاد با عبور دادن آب از اطراف مجراي عبور

هوا لانس اکسیژن را خنک نگه می دارند دبی آب را طوري انتخاب می کنند که پس از عبور از مسیر مورد

75

نظر دمایش از 40 درجه بالاتر نرود . شکل 80-79 شکل لانس را نشان می دهد . مجراي وسطی وظیفه اش

هدایت اکسیژن به مذاب است سپس مسیر شاخه شاخه می شود تا 5 تا هم تقسیم می شود . شکل 79 کار

لانس را نشان می دهد مقطع لانس دید از بالا :

زاویه باعث می شود که جرینی در داخل مذاب از عمق آن به طرف لانس اتفاق بیفتد .

هدف از طراحی لانس و زاویه این است که تا جایی که ممکن است مقدار پاشش داخل مذاب را کم کرده

معمولا مقدار مصرف آب داخل لانس بین 70تا 100m3 می باشد و در هزینه هاي فوللاد سازي لحاظ

می شود هرچه اکسیژن هدایت شده به داخل مذاب یکنواخت تر به مذاب پاشیده شود نتیجه کار بهتر

خواهد بود لذا مسیر گاز کاملا صیقی است تا مسیر گاز تحت تاثیر عاملی قرار نگیرد . معمولا ترکیب

شیمیایی مذابی که در کنورتر هاي LD استفاده می شود حد واسطی بین روش هاي بسمر و توماس است .

یکی از شرطهاي اساسی توماس بالا بودن فسفر تا 5.1 درصد بوده اما LD همچنین کحدودیتی ندارد . در

روش LD حذف گوگرد فسفر امکان پذیر است اما در روش بسمر امکان پذیر نیست . کلیه کنورتر هاي

LD داراي نسوز نوع بازي هستند معمولا مذاب هایی تا 7.0 درصد گوگرد را در کنورتر هاي LD می

توان استفاده کرد ولی براي این نوع فولاد ها باید از روش هاي دو سرباره اي استفاده کرد . در مواردي می

توان با ایجاد چندین سرباره به فولاد مطلوب دست یافت ولی از نطر اقتصادي این روشها استفاده نمی شوند

. سیلیسیم در این سیستم باید مقدار کمی داشته باشد در صورتیکه مقدار سیلیسیم زیاد باشد آن را پس از

چند ثانیه دمش اکسیژن و ایجاد سیلیس به صورت سرباره و خارج کردن سرباره ایجاد شده کار با این نوع

کنورتر را ادامه می هیم . حذف فسفر در این روش مقداري با روش توماس فرق می کند، ریشه این تفاوت

در نحوه دمش اکسیژن در محل ایجاد حرارت است در روش LD چون اکسیژن مستقیما به بالاي مذاب و

جایی که سرباره حضور دارد وارد می شود لذا دماي آنجا تا 2000 درجه سانتی گراد هم به سرعت افزایش

می یابد این کار باعث سرعت زیاد فعال شدن آهک می شود و به ایت ترتیب از همان شروع کار فولاد

76

سازي، حذف عناصر مضر مانند گوگرد را می توانیم داشته باشیم . این روش با فسفر بالا کار نمی کند

مقدار فسفري که در آهن خام کنورتر استفاده می کنند 2.0 تا 3.0 درصد است . چون اکسیژن به صورت

خالص استفاده می شود راندمان حرارتی این روش بالاتر از روشهاي قبلی است لذا مصرف قراصه در این

روش بالاتر است . روند تغییرات ترکیب مذاب و سرباره در روش LD را در شکل 81 می توان دید :

محور افقی زمان دمش و محور افقی مقدار عناصر فسفر، کوکرد و کربن را در سمت راست و عناصر فلزي

را در سمت راست نشان می دهد . چون درصد آن ها کم است همه عناصر از همان بدو دمش شروع به کم

شدن می کنند . بخصوص فسفر و گوگرد در این روش کم می شوند . اگر گوگرد زدایی را با توماس

مقایسه کنیم هیچ فرقی نخواهد داشت و تمام توضیحات روش توامس در LD هم صادق است . محور

مربوط به از بدو دمش دما شروع به افزایش پیدا می کند و آن هم سریع ( از مشخصات روش LD (چون از

همان ابتدا علاوه بر عناصر آلیاژ با دمش اکسیژن خود آهن هم اکسید می شود و این یک واکنش گرمازا

است و دما بالا می رود . پدیده اي که براي منگنز دیده می شود مربوط به برگشت منگنز از سرباره است .

معمولا حذف گوگرد در این روش 50 درصد مقدار اولیه خواهد بود ولی با تجدید سرباره و اشباع آن از

آهک حذف گوگرد بیشتري بدست می آید .

بهترین زمان حذف گوگرد در کنورتر LD زمانی است که جوشش ناشی از گاز CO اتمام یافته و درصد

FeO در سرباره به کمترین حد خودش رسیده است . در مرحله آخر بعد از حذف کربن مقدار FeO در

سرباره کم می شود چون با خروج گاز CO مقدار اکسیژن در مذاب کم می شود لذا FeO کم می شود

درصد MnO به خاطر حذف منگنز زیاد می شود سپس به تدریج کم می شود چون مواد دیگر اضافه می

2 شوند . آهک اضافه می شود چون به تدریج آهک اضافه می شود . معمولا

آهک مورد نیاز را اول وارد 3

کنورتر می کنند بعد قراضه ودر مرحله سوم آهن خام وارد مجموعه می شود . بهترین زمان حذف گوگرد

پس از حذف گوگرد پس از حذف کربن است در این صورت اکتیویته FeO در سرباره کمترین مقدار

77

1 است و گوگرد زدایی خوب است سپس سرباره تخلیه شده و سرباره جدید ایجاد می شود سرباره جدید

4

کل آهکی که در فولاد سازي استفاده می شود + مقداري گداز آور مثل CaF2 اضافه می شود تا سرباره

به سرعت فعال شود و گوگرد زدایی به سرعت اتفاق بیفتد مشکل CaF2 این است که روي آجر هاي

نسوز HF تولید می کند و تخریب نسوز ها را تشدید می کند .

کربن زدایی : اگر کربن زدایی را بررسی کنیم دیده می شود که مرحله براي جذف کربن در کنورتر LD

می توان مشخص کرد . براي هر مرحله رابطه اي براي کربن یر حسب زمان می توان نوشت :

1)

dc

dt = −k1t

2)

dc

dt = k2

3)

dc

dt = −k3. C

در مرحله اول سرعت کربن زدایی با نرخ ثابتی مثل K1 افزایش می یابد سپس سرعت کربن زدایی ثابت

است و در مرحله سوم با k3 ) ضریب) سرعت کربن زدایی کاهش می یابد .

K1 بستگی به زمان، نوع لانس و نوع طراحی آن دارد ولی در مرحله دوم سوم تغییر وابسته به غلظت کربن

است و هرچه غلظت کربن کمتر می توان آن سرعت هم کمتر می شود .

ثابت k3 وابستگی به دبی اکسیژن، نوع لانس و طراحی آن دارد .

این سرعت ها، سرعت هاي حذف کربن در کل کنورتر LD است اما آنچه که ئر محفظه LD اتفاق می

افتد متفاوت از این مسائل است . شکل 79 را می بینیم : با دمش اکسیژن در اطراف لانس اکسید شدن

شدید را داریم لذا با اختلاف شدید دما و غلظت بین اینجا و سایر نقاط را خواهیم داشت . ( قسمتهاي

داخلی مذاب : سایر قسمت ها ) . اما در نهایت تغییرات ترکیب شییایی فولاد ( مغز مذاب ) همین نمودار ات

. تفاوت بین روش هاي مثل اجاق باز و LD از نظر تعادلی بودن این واکنش وجود دارد این است که :

78

میبینیم که روش LD به تعادل خیلی نزدیک تر است . چرا روش اجاق اجاق باز خیلی تعادلی است ولی

LD نزدیکتر به تعادل است ؟

چون در LD دمش نداریم اما در H.O مشکل ایجاد حباب خواهیم داشت.

حال با چه مکانیزمی روش LD به سمت تعادلی شدن پیش می رود ؟

از آنجایی که لانس وارد شده دما بالاست اما دما زیادتفاوت ندارد لذا دلیل واقعی نیست . لذا واکنشها به

سمت تعادلی پیش می روند .

سطح تماس موجود در داخل مذاب است . این هم غیر واقعی به نظر می رسد چون فضایی که دارد به خاطر

دمش گاز بوجود می آید سطح قابل توجهی نیست براي اینکار از یک سیستم مذاب-سرباره-گاز استفاده

می شود .

(براي توجیح افزایش سطح تماس ) : در لحظه اولی که دمش گاز را شروع م کنیم سرباره اي وجود ندارد

با دمش گاز و پیشرفت واکنشها سرباره شروع به متخلخل شدن می کند و حالت پف کرده پیدا می کند در

آن حالت سیستم مذاب –سرباره-گاز خواهیم داشت در اثر دمش گاز پاشش مذاب به داخل سرباره را

خواهیم داشت . پس قطراتی از مذاب بخاطر سرعت گاز موجود و تلاطم وارد سرباره می شود . واکنشهایی

که به صورت تعادلی گفتیم در مورد این قطرات صادق است و این قطرات طبق واکنشهاي قبلی کربن خود

را از دست می دهند و CO ایجاد می کنند . براي این براي این @ شواهدي داشته باشیم باید بخشی از

سرباره را برداریم و ببینیم که قطرات است یا نه : دیده شده که مذاب با اندازه mm 2.1-8.0 وجود دارند

سطح این قطرات متخلخل است و شکل آنها به صورت عدسی شکل است .

تخلخل به علت گاز CO می باشد . به این ترتیب براي رسیدن مذاب به حالت تعادلی لازم است قطرات

وارد سرباره شوند و در آنجا کربن خودشان را شدیدا از دست بدهند و پس از آن برگردند به داخل مذاب،

79

ادامه این روش باعث خواهد شد که درصد هاي اکسیژن و کربن در روش هاي LD به حالت تعادلی خیلی

نزدیک شود .

بررسی ترکیب شیمیایی این قطرات : اندازه گیري اکسیژن و کربن نشان داده است که فشار CO در تعادل

با مقادیر کربن و اکسیژن در حدود 50 تا 100 اتمسفر است . این نشان دهنده این است که براي اینکه در

آنجا حفره ایجاد شود باید بر کشش سطحی غلبه پیدا کند و سرباره را پس بزند و لذا این فشار موضعی لازم

است ترکیب هاي اکسیژن و کربن اندازه گیري شده است . ( در قطرات کوچک) :

@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@

@@@@

روند : از زمان 3.6 تا 15 دقیقه دمش اتفاق افتاده : عدد ها یک پراکندپی نشان می دهند اما در حالت کلی با

افزایش زمان درصد کربن و اکسیژن کم شده است . اختلاف بین درصد کربن و اکسیژن در قطرات با

مذاب اصلی خیلی زیاد است . در کل پروسه کاري می بینیم که با افزایش زمان دمش مقادیر اکسیژن و

کربن در قطرات و به تبع آن در مذاب کم شده است . انداره قطره ها می تواند در این پراکندگی مهم باشد

براي قطره هاي مختلف با قطره هاي متفاوت این تغییرات بررسی شده است :

مذاب

اصلی

1

4

1

4

1

2

1

2

-1 قطر d >1in

قطرات

مذاب

%C 0.38 0.32 0.29 0.225 0.61

%P 0.014 0.006 0.005 0.004 0.136

%S 0.024 0.025 0.025 0.027 0.021

80

روند : با افزایش قطر درصد عناصر افزایش پیدا می کند . مقایسه ترکیب مذاب اصلی با قطرات با قطر

متفاوت نشان می دهد که ترکیب قطرات بزرگتر به مذاب نزدیکتر است به غیر از گوگرد . علت اینکه

قطرات با قطر برزگتر حذف عنصر آلیاژي کمتري در آنها اتفاق می افتد این است که نسبت سطح به حجم

تنها کمتر از قطرات با قطر گوچکتر است و هرچه سطح بیشتري داشته باشیم حذف بیشتر خواهد شد در

مورد گوگرد موضوع عکس است علت این رفتار این است که در داخل مذاب یک محیط اکسیدان داریم

که شرایط مناسبی براي حذف گوگرد نیست . لذا زیاد حذف نشده است .

کربن زدایی در کوره LD : گفته شد .

هنگامی که درصد کربن کم شود کف کردن کم می شود چون تولید CO کم می شود و سیستم گاز-

فولاد و .. را نداریم و مرحله سوم شروع می شود .

در اثر تلاتم قطرات وارد سرباره می شوند ولذا شروع به اکسید شدن می کنند و لذا تمام عناصر آلیاژي آن

حذف می شود . ابتدا حذف Si سپس حذف کربن و سپس حذف فسفر را خواهیم داشت .

بزرگترین مزیت روش LD این است که در جایی که اکسیژن وارد می شود دما شدیدا افزایش می یابد لذا

دماي سرباره بالا می رود و سرباره دماي بالا تصفیه خوب انجام می دهد . این رش شاهد اصلاحاتی بوده

یکی از این اصلاحات استفاده از روش LD.AC است . در این روش به همراه اضافه کردن اکسیژن پودر

آهک را هم تزریق می کنند .

مقایسه لانس مصرفی :

براي اینکه دماي لانس بالا نرود از جداره ها آب عبور داده می شود . چون CaO به صورت پودر اضافه

می شود سریعا فعال می شود . در مقایسه با روش قبلی انتظار می رود که فسفر سریعتر حذف شود چون

1 سرباره اي اشباع از آهک فعال داریم . معمولا در این روش موقعی که کنورتر را می خواهند شارژ کند

3

آهک به صورت کلوخه هاي 30-20 میلی متر بعد با دمش اکسیژن 50 درصد آهک به سیستم اضافه می

81

شود . اگر مقدار فسفر زیاد باشد معمولا بعد از اینکه تزریق 50 درصد آهک تمام شد . سرباره خالی شده و

سرباره جدیدي با باقیمانده آهک ایجاد می کنند و بعد از تخلیه مذاب سرباره را جهت استفاده در مراحل

بعدي نگه می دارند . براي همین روش LD.AC را در جاهایی که مقدار فسفر مذاب بیشتر از حالت LD

باشد استفاده می کنند .

روش Phonix :

روش مورد استفاده در آهن خام با فسفر زییاد شهري در ایالات امریکا است . در روش Phonix که

اصلاح شده روش توماس است . کنورتر استفاده شده مشابه روش کف دم است توماس است .

تفاوت در روش توماس :

علاوه بر مجراهایی براي دمش گاز در کف از یک لانس اکسیژن هم استفاده می کند .

مراحل کار :

ابتدا کنورتر ررا در وضعیت افقی قرار می دهند شارژ را که شامل قراضه ، آهک و آهن خام است به آن

اضافه می کنند . بعد آن را به صورت قائم در آورده و دمش اکسیژن را از کف شروع می کنند مقدار

اکسیژن مورد استفاده با خلوص 40-30 درصد است . مدت زمان دمش تا 6 دقیقه ادامه می دهند . وجود

آهک و حدف کربن باعث می شود که کربن زدایی خوبی داشته باشیم و ازتی که همراه هوا وجود دارد

در داخل فولاد زیاد باقی نماند . بعد از تمام شدن این مرحله دوبار آن را به صورت افقی در آورده و حذف

عناصر را با دمیدن گاز اکسیژن ادامه می دهند . حسن این کار این است که در این مرحله فسفر بیشتر حذف

می شود و احتمال حل شدن نیتروژن در مذاب زباد است، این احتمال را از بین برده ایم . ( چون اکسیژن به

صورت خالص اضافه می شود .) در مرحله سوم دوبار آن را به صورت قائم در می آوردند و در مدت زمان

کوتاهی به مدت 1 دقیقه بقیه عناصر را حذف می کنند . چون زمان خیلی کوتاه است مقدار اضافه کردن

ازت به مذاب خیلی ناچیز است اما اگر مقایسه را با روش LD داشته باشیم مذاب بدست آمده از روش

82

LD ازت کمتري نسبت به Phonix دارد . اما مزایاي زیادي دارد . یکی از آنها این است که از اکسیژن

خالص کمتر استفاده می کنیم .

در مرحله اول حذف کربن و در مرحله دوم حذف فسفر در مرحله سوم حذف هر دو را داریم .

مزایاي روش Phonix :

مقدار قراضه قابل استفاده بیشتر است چون بازیابی حرارتی آن بیشتر است . مزیت دوم آن این است که

میزان اکسیژن مصرفی کمتر از روش LD است . چون در اینجا به صورت کف دم عمل می کنیم لذا همه

اکسیژن دمیده شده واکنش داده است . مزیت بعدي این است که زمان این عملیات نسبت به LD کوتاهتر

است .

معایت روش Phonix :

تعداد مراحل کار زیاد و از نظر اپراتوري مشکلتر است و تجربه فولاد ساز در نتیجه کار دخیل است .

با ظرفیتهاي بالا نمی شود با آن کار کرد . چون مجبوریم کنورتر را در مراحل مختلف ظرفیت آن را تغییر

بدهیم

مرغوبیت فولادي که در این روش تولید می شود به خاطر تماس فولاد با ازت کمتر از روش LD است .

مشکل آخر عمر نسوز کف کم است و لذا نسبت به LD یک عیب بزرگ است .

روش کالدو Kaldo :

کنورتر کالدو مشابه کنورتر LD است . روش اصلاح شده براي تولید فولاد از آهن خام حاوي فسفر زیاد .

تفاوت آن با روش LD این است که این کنورتر نسبت به افق زاویه 17 الی 20 درجه دارد و حول محور

مرکزي آن قابل چرخیدن است .

براي دمش اکسیژن مشابه روش LD از یک لانس اکسیژن استفاده می کنند که زاویه آن حدودا 20 درجه

است ولی این زاویه را می شود تا 10 درجه تغییر داد. از نظر لانس تفاوتی با روش LD دارد و آن این است

83

که در روش LD براي @ شدن اکسیژن دهی فاصله لانس تا سطح مذاب را تغییر می دهند اما در این

روش زاویه آن را تغییر می دهند. سرعت چرخشی که کنورتر کالدو دارد چیزي حدود 30 دور در دقیقه

است . این روش در سوئد طراحی شده و ایجاد شد . مزیت بزرك آن بازیابی حرارتی قابل توجه آن است

طوري که مقدار قراضه قابل شارژ به آن دو برابر روش LD است .

علت بالا بودن راندمان :

در این روش با توجه به طراحی که استفاده شده گاز CO خارج شده از مذاب در قسمت بالاي کنورتر با

اکسیژن واکنش کرده و گاز CO2 را ایجاد می کند گرماي ایجاد شده به خاطر این واکنش جداره هاي

کنورتر را گرم می کند و با چرخش کنورتر این گرما به مذاب منتقل می شود . حسن دیگري که این روش

دارد این است که به خاطر چرخش این کنورتر سرباره تماس بیشتري با مذاب دارد و می تواند فسفر زدایی

بهتري را براي ما انجام دهد . حسن دیگري که روش کالدو نسبت به LD دارد این است که ماکسیمم

دمایی که در این کنورتر ایجاد می شود تا 2000 درجه بیشتر نسبت به خاطر تداوم و انتقال حرارت سریع در

صورتیکه روش LD انتقال حرارت به سرعت انجام نمی شود در ناحیه اي که دمش اکسیژن داریم اما

آنقدر بالا می رود که مقداري آهن به صورت بخار از دهانه کنورتر خارج می شود . معمولا در این روش

بعد از 20 دقیقه دمش و رسیدن مقدار فسفر به 1.0 درصد و کربن 2 درصد سرباره را خارج می کنند و

سرباره جدیدي را بر روي مذاب ایجاد می کنند . براي سرباره دوم 10 دقیقه دمش ادامه پیدا می کند تا

مقادیر عناصر اضافی به مقدار مورد نظر برسد . اگر مقدار فسفر بیش از حد بالا باشد ممکن است مراحل

ایجاد سرباره را به 3 بار هم افزایش دهد اما در مقادیر کم فسفر ممکن است این کار فقط با یک سرباره

انجام شود . معمولا براي اینکه تعادلی بین سرباره و مذاب ایجاد شود بدون اینکه دمشی انجام شود فرصت

داده می شود تا تعادلی کامل برقرار شود و بعد مذاب را خارج می کنند دادن فرصت باعث می شود

مقداري FeO باقی مانده در سرباره به مذاب برگردد لذا از این نظر از روش LD بهتر خواهد بود .

84

بزرگترین اشکال این روش مشکل سایش نسوز است و این سایش به خاطر چرخشی که این سیستم دارد

بوجود می آید .

روش Rotor :

استوانه اي است که به صورت افقی قرار گرفته و حول محور خودش می چرخد سرعت این گردش 5-3

دور در دقیقه و قطر آنها 5-3 متر و ارتفاع این استوانه برحسب ظرفیت 5 تا 10 متر متغییر است .

تفاوت آن با روش کالدو این است که در سیستم از دو لانس استفاده می شود که لانس اول اکسیژن را به

روي سطح مذاب می رساند و لانس دوم هوا را به بالاي مذاب . این روش مصرف اکسیژن ا نسبت به کالدو

کاهش داده که باعث کاهش هزینه می شود .

مواردي که براي افزایش راندمان و فعال شدن آهک در کالدو گفته شد در اینجا نیز صادق است . در این

روش هم بسته به اینکه مقدار فسفر چقدر باشد معمولا از یک یا دو سرباره استفاده می شود سرباره اول

موقعی خارج می شود که مقدار فسفر مذاب به 3.0 – 1.0 رسیده باشد . مشکل این روش مشابه کالدو

است و به خاطر چرخش سیستم سایش نسوز ها را داریم که به عنوان یکی از معایب این روش است .

روش Tandem :

این روش اصلاح شده H.O یا اجاق باز است . هدف از انجام این روش این ات که سرعت کار و بازیابی

حرارتی روش اجاق باز را افزایش بدهیم . براي این کار در کنار یک کوره اجاق باز معمولی محفظه

مشابهی درست می شود زمانیکه در قسمتی از کوره فولاد سازي انجام می شود که این فولاد سازي با دمش

اکسیژن سرعتش قابل افزایش است محصولات احتراق (CO (با اکسیژن هوا در محفظه بعدي واکنش داده

و گرماي ایجاد شده صرف ذوب شدن (شارژ) می شود .

لذا بازده کار بالا می رود . وجود لانس اکسیژن در H.O باعث سرعت زیاد واکنش ها می شود . بعد از

خارج کردن مذاب در قسمت اول با اضافه کردن قراضه در محفظه دوم ذوب شده است لذا به آن آهک و

85

غیره اضافه کرده و محفظه اول را پر از قراضه می کنیم دمش هوا و اکسیژن جایشان عوض می شود و

عکس کار اول در اینجا انجام می شود . این کار پیوسته انجام خواهد گرفت .

روش H.O ) اجاق باز ) :

زیمنس – مارتین ( H.O.B (علت نامگذاري این است که ممکن است نسوز بازي در آن استفاده شده

باشد اما چون در تاریخچه این کوره ها از این کوره ها براي تولید فلزات غیر آهنی استفاده می شود لذا نوع

اسیدي آن هم موجود است . دلایلی که براي توسعه این روش می شود عنوان کرد :

افزایش بی رویه مقدار قراضه ( در امریکا ) لذا خواستند روشی تولید کنند که تا 100 % هم قراضه در خود

حل کنند .

سرعت فولاد سازي بالا بود و کنترل فرآیند کار سخی بود براي همین لازم بود که سرعت فولاد سازي یا

فرآیند فولاد سازي طوري انتخاب شود که با روش هاي کانالیزه موجود همخوانی داشته باشد . مهمترین

نکته اي که اهمیت داشت این بود که بتوانیم روشی ایجاد کنیم که در داخل آن بشود فولاد هاي کربنی –

کم آلیاژ و با آلیاژ متوسط را تولید کنیم .

هیچکدام از آنها فولاد آلیاژي تولید نمی کنند چون اساسا عنصر آلیاژي را حذف می کنند . براي همین این

روش ایجاد شد .

حداکثر دمایی که با استفاده از شعله قابل ایجاد بود معادل حدودا 1400 درجه سانتی گراد بود در صورتیکه

براي فولاد سازي دماي بین 1750-1700 لازم داریم که این مشکل هم با توسعه روش H.O برطرف شده

معمولا رابطه اي که بین دماي شعله و دماي باري که در تماس با شعله قرار دارد به صورت زیر است یعنی

همواره دماي شعله بالاتر از بار است .

T شعله

بار T = 1

0.7

86

براي حل این مشکل روش H.O را ایجاد کرده اند و از بازیابیهاي حرارتی استفاده می کنند وظیفه بازیابی

حرارتی این است که دماي کاري را تا می توان افزایش داد .

بازیابی گرماي لازم برا پیش گرم کردن را تامین می کنند اگر سوخت ما متان باشد . واکنش انجام شده به

صورت زیر است :

8N2 + 2O2 + CH4 = CO2 + 2H2O + 8N2

شعلهT ⇒ در صورت استفاده از هوا

≈ 3600℃

براي بالاتر بردن دما می توانیم

هواي وارد شده را پیش گرم کنیم .

مقدار نیتروژن ورودي را کم و اکسیژن ورودي را زیاد کنیم .

خود گاز را بیاییم پیش گرم کنیم .

در مرحله اول مذابی داریم و در مشعل سوخت با مقداري بازیافت ایجاد شعله می کند و محصولات احتراق

با دماي بالا ایجاد می کنند گاز هاي گرم در بازیاب باز هم گرمتر می شوند این عمل 30-20 دقیقه ادامه

می یابد تا بازیاب سمت راست دمایش پایین بیاید در مرحله دوم جهت مشعل و گاز خروجی عوض می

شود سپس همین کار تکرار می شود این کار باعث گرم شدن هوا می شود . گرما در بازیاب حفظ می شود

. براي اصلاح این روش باید تا می توانیم پیش گرم هواي ورودي را زیاد کنیم لذا باید بازیابها بزرگتر بوده

و بهتر کار کنند و همچنین گاز مصرفی را م باید گرم کنیم . بازیابها جهت حفظ گرماي گاز هاي خروجی

به کار می روند .

براي اینکه تشعشع ایجاد شده در داخل کوره راندمان بالاتري داشته باشد همراه گاز 5 درصد مازوت هم

اضافه می کنند لذا تشعشع ایجاد شده در کوره بیشتر شده و لذا حرارت شعله بهتر به مذاب منتقل می شود

چون گاز متان از نظر جهانی قیمت بالایی دارد در کوره هاي H.O حتما از CH4 استفاده نمی گنند لذا

87

هرجا که سوخت ارزانی باشد از آن استفاده می شود . معمولا عمر نسوز قسمت کف 200 تا 300 ذوب

است و سعی می کنند تا عمر جداره ها هم مشابه عمر کف باشد چون سقف کوره تماسی با بار ندارد

ممکن است سقف را از آجر هاي سیلیسی استفاده کنند چون مقاومت به تشعشع بهتري نسبت به آجر هاي

بازي دارند از این مرحله کار کوره H.O : بارگیري است . اول آهن قراضه نرم را جهت جلوگیري از

صدمه به نسوز ها اضاقه می کنند بعد آهک و قراضه و اگر چدن به صورت شمش باشد به کوره اضافه می

شود . در مرحله دوم ذوب کردن بار انجام می شود براي این کار از توان کامل مشعلها استفاده می شود تا

در کوتاهترین مدت زمان عملیات ذوب انجام شود در مرحله سوم اگر لازم باشد به کوره آهن خام اضافه

می کنند براي این کار از لوله هاي سرامیکی استفاده می کنند تا باعث فرسایش قسمتهاي مختلف کوره

نشود . در مرحله آخر عملیات تصفیه انجام می شود که زمان آن بستگی به ضخامت مذاب موجود در کوره

دارد هرچه این ضخامت بیشتر باشد این زمان طولانی تر خواهد بود علت آن به ازاي هر متر مربع از سطح

کوره 4 تا 5 تن مذاب خاوهیم داشت . زمان فولاد سازي بین 18-12 ساعت است .

واکنش هایی که در این کوره انجام می شود حذف سیلیسیم است . این عنصر تولید SiO2 می کند که با

پیوستن به سرباره با آهک ترکیب شده و قدرت سرباره را کم می کند . واکنش حذف کربن سرعتش کم

است . براي اینکه سرعت آن را افزایش بدهند آهک را به صورت کربنات وارد می کنند تا مقداري از

مشکل جوانه زنی حباب کم کنند . معمولا براي اینکه سرعت واکنش ها زیاد شود به سرباره مواد سیال

کننده اضافه می شود و یک مشکل بزرگ این کار افزایش مقدار ، از بین رفتن نسوز هاي جداره هاست .

براي اینکه راندمان این نوع کوره ها را اضافه کنند از روش هاي مختلفی استفاده می کنند . یکی از این

روش ها اضافه کردن اکسیژن بر روي سطح مذاب است . مشابه روش Tandem ولی لانسی که براي

این نوع کوره ها استفاده می کنند با لانس LD متفاوت است معمولا سرعت دمش گاز در روش LD

آنچنان زیاد است که سرعت خروج گاز تا حد سرعت صوت هم می رسد ولی در این روش به علت کف

88

کردن سرباره و محدودیت ارتفاعی که در این کوره ها وجود دارد نمی شود از سرعتهاي زیاد استفاده کرد

. روش بهتر براي افزایش سرعت فولاد سازي به این روش استفاده از روش هاي فولاد سازي دو گانه یا چند

گانه است . براي مثال در صورتیکه مقدار عناصري مثل سیلسیم یا منگنز بیش از حد باشد با دمش اکسیژن

بر سطح مذاب در داخل پاتیل ابتدا مقدار این عناصر را کاهش می دهند و بعد از آن آهن خام الاح شده را

وارد کوره می کنند . روش دیگر این است که ایتدا با استفاده از کنوتر هاي ارزانی مثل بسمر مقدار این

عناصر ( کربن ، Si ، Mn ( کاهش داده می شود و بعد از آن ادامه کار در کوره H.O یا اجاق گاز پی

گیري می شود .

کوره هاي الکتریکی :

به دو دسته القایی و قوسی تقسیم می شوند . در مورد موره هاي قوسی به دو دسته تقسیم می شوند با قوس

مستقیم و غیر مستقیم . به خاطر اساس کار متفاوت کوره هاي القایی از این کوره ها براي فولاد سازي (

حذف عناصر آلیاژي مضر مثل فسفر و گوگرد ) استفاده نمی شود . در سیستم القایی جریان الکتریکی در

داخل شارژ القا می شود در اثر این جریان شارژ گرم می شود و در نهایت به صورت مذاب در می آید هر

چه فرکانس کوره بالاتر باشد حرارت ایجاد شده د ر شارژ بر روي سطح آن متمرکز می شود اما اگر

فرکانس پایین باشد در عمق هاي بیش تر از آن گرما ایجاد می شود . سیستم کار براي تغییر فرکانس کوره

ها دو نوع است .

اولین روش به این صورت است که ابتدا برق شهر با فرکانس Hz 60-50 وارد یک الکترو موتور می

شود ، در مقابل این الکتروموتور، الکتروموتور دیگري وجود دارد که سبک سیم پیچی آن متفاوت از

الکتروموتور اولیه است به این ترتیب فرکانس Hz 60-50 به فرکانس هاي گمتر یا بیشتر تبدیل می شود .

استفاده از روش هاي الکترونیک : که مزیت بزرگ آنها حجم کم تجهیزات کوره اي آنها است . به خاطر

اینکه در این روش ها گرما در داخل مذاب متمرکز می شود و همیشه سرباره خشک تر از مذاب است لذا

89

از این روش ها همیشه براي ذوب مجدد استفاده می کنند به این صورت که مواد اولیه خالی از عناصر مضر

مثل گوگرد و فسفر را به داخل کوره شارژ می کنند و با افزودن عناصر مورد نظر آلیاژي فولادي مطلوب را

بدست می آورند .

بزرگترین کاربرد روش هاي القایی در تولید فولاد هاي آلیاژي خاص و در صنایع نظامی و هوایی است .

به طور خلاصه روش القایی فقط کار ذوب مجدد را انجام می دهد و اصلاح ترگیب شیمیایی به صورت

افزودن عناصر آلیاژي است . براي اینکه عناصر فعالی مثل Ti ، Nb در موقع فولاد سازي از مذاب خارج

نشوند ممکن است در سطح این نوع فولاد ها سرباره ایجاد کنند ولی وظیفه این سرباره تنها حفاظت از این

عناصر است و واکنش متالورژیکی خاصی را انجام نمی دهد . مزیت بزرگ این نوع کوره ها این است که

کنترل دمایی خیلی خوبی را می شود روي آنها اعمال کرد که ریشه آنها بر می گردد به سیستم کنترل برقی

دارند .

بزرکترین مزیت آنها راندمان بالاي آنها است ولی این راندمان تنها در داخل کوره راندمان بالایی است .

چون قوس مستقیما بین دو قطب مثبت و منفی ایجاد می شود و انرژي الکتریکی به انرژي حرارتی تبدیل

می شود . مزیت دیگر آنها این است که از نظر محیط زیست آلایندگی کمی دارند و صنعت فولاد سازي

به سمت این کوره ها پیش می رود . اگر این راندمان را به صورت از تولید تا مصرف انرژي الکتریکی نگاه

گنیم راندمان خوبی ندارند و در کشور ما استفاده از این روش ها زیاد اقتصادي نیست چون در مرحله تولید

انرژي الکتریکی راندمان نیروگاه ها %30 است و راندمان کل با حاصلضرب راندمان کوره قوس X

راندمان نیروگاه بدست می آید . حسن بزرگ روش هاي فولاد سازي قوسی این است که چون گرما در

بالاي سرباره آزاد می شود سرباره ایجاد شده از نظر متالورژیکی توانایی انجام تصفیه را دارد و بسته به اینکه

به چه صورتی شارژ را وارد کوره بکنند و یا اینکه قوس به چه ترتیبی اعمال شود می تواند داراي طراحی

هاي مختلفی باشد . این کوره ها معمولا مشکل جذب عناصر عناصر گازي نظیر عناصر ازت ، نیتروژن و

90

اکسیژن را دارند به خصوص مواردي که سرباره را از روي سطح اینها برداشته اند و بروي همین توصیه می

کنند در کمترین زمان ممکن فولاد تولید شده مورد استفاده قرار بگیرند . البته این کوره ها مشکل اساسی

دارند و آن ایجاد گاز هایی است که می توانند براي محیط زیست خطرناك باشند و حتی باعث ایجاد باران

هاي اسیدي می شوند .

فولاد کربنی در یک بوته سیلیکات دي کلسیم در دماي 1600 درجه تحت سرباره CaO و در اتمسفر

CO-CO2 قرار دارد که در این اتمسفر PCO معادل یک اتمسفر است :

الف ) ترکیب سرباره اي که در تعادل با فولاد در بوته می باشد و اکتیویته هاي CaO و SiO2 را تعیین

کنید .

ب) براي فولادي شامل 1 درصد کربن درصد Si را تعیین کنید .

[Si] + O2

جامد

�� 〈SiO2〉 ∆G° = −222800 + 47.6T

2〈C〉 + 2[O] → 2CO ∆G° = −53400 − 42T

〈C〉 + 2[O] → CO2 ∆G° = −24200 − 0.2T

〈C〉 → [O]1% ∆G° = 5400.10.1T

O2 → 2[O]1% ∆G° = −56600 − 1.14T

SiO2 + 2(CaO) → 〈Ca2SiO4〉 ∆G° = −24400 − 5.2T

Si → [Si] ∆G° = −2800 + 5.5T

2[Fe] + 2[O] → 2(FeO) ∆G° = −111250 + 21.7T

باید نمودار تعادلی CaO-SiO2 را ببینیم .

91

Ca2SiO4

در تعادل است با

������� 42% SiO2, 58%CaO

aCaO =?

aSiO2 = ?

(SiO2) + 2(CaO) = 〈2CaO. SiO2〉

از جمع و تفریق هاي واکنش فوق → 104 × 29.1 = 1600°G∆

چون جنس بوته از SiO2.2CaO است لذا سرباره اشباع از این ماده است لذا اکتویته آن صفر است .

K = a2CaO.SiO2

aCaO

2 aSiO2

 K معلوم است .

aSiO2 = 0.02 ⇒ aCaO = 0.062

ب) مذابی شامل Fe-C-Si داریم :

[C]1% + [O] = CO(g) ∆G° = −3870 − 10.33T = −RTlnK(O−C)

SiO2 + 2[C]1% = 2CO + [Si]1% ∆G° = 130600 − 63.8T

= −RTlnK(Si−C)

چون مقدار کربن معلوم است لذا رابطه بین اکسیژن و کربن نوشته شده است .

K(Si−C) = 0.054 , Kc−o = 492

در

⇒ T = 1600℃

فرمولها برحسب درصد وزنی است .

%[O] = PCO

K(C−O)%[C] = 1

492 = 2.53 × 10−3

%[Si] = K(Si−C)×aSiO2×[%C]2

PCO

2 = 0.054×0.02

1 = 1.58 × 10−3

92

ارسال یک دیدگاه

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

اسکرول به بالا