كوره قوس الكتريكي (Electric Arc Furnace) كه به صورت مخفف EAF ناميده مي شود. كوره اي است كه مواد فلزي با استفاده از يك قوس الكتريكي ذوب مي شود.
اين كوره ها اندازه هاي متفاوتي داشته و در ايران به صورت كوره هاي قوس الكتريكي سنتي. (تخليه از ناودان) و EBT (تخليه از كف) استفاده مي گردند.
دماي ذوب و تخليه در اين كوره ها در حدود 1600 درجه. و در بعضي از كوره هاي آزمايشگاهي گاهي به 2000 درجه سانتي گراد مي رسد.
مهم ترين مواد اوليه براي توليد فولاد و چدن در كوره هاي قوس الكتريكي. عبارتند از: آهن قراضه، آهن اسفنجي، شمش چدن كوره بلند، فروآلياژهاي آهك و فلورين مي باشد. در ايران عمدتاً از آهن قراضه و از آهن اسفنجي به صورت گندله يا خشته استفاده مي گردد. كه مي تواند به دليل فراواني واحدهاي احياي مستقيم. با توجه به در دسترس بودن منابع گاز طبيعي در ايران باشد.
نوع ديگري از ماده شارژ كوره در برخي كشورها، تغذيه مداوم آهن اسفنجي خشته شده گرم است. كوره هاي قوس الكتريكي، از طريق ذوب شدن بار كوره توسط قوس الكتريكي. ايجاد شده بين الكترود هاي گرافيتي و بار فلزي، كار مي كنند. در اين روش، ابتدا آهن اسفنجي توليد شده در فرآيند احياي مستقيم. درون كوره قوس الكتريكي ريخته مي شود تا ذوب گردد. دماي اين كوره ها به حدي است. كه در همان ذوب اوليه فولاد با درصد كربن نسبتاً پايين توليد مي شود. سپس فولاد توليد شده درون كوره پاتيلي ريخته مي شود تا در آنجا عمليات آلياژ سازي انجام شود. اين عمليات شامل تنظيم كردن ميزان كربن، اضافه كردن عناصر آلياژي و يكدست سازي تركيب فولاد است.
تاريخچه فرآيند اختراع و ساخت كوره هاي قوس الكتريكي امروزي به قرن نوزدهم باز مي گردد. اختراع اوليۀ كورۀ قوس الكتريكي بوسيلۀ همفري ديوي (Humphry davy) در سال 1808 اتفاق افتاد. همفري ديوي توانست يك قوس الكتريكي با نور شديد و دماي بالا بوجود آورد. البته اكتشاف آقاي ديوي در آن زمان توجه زيادي را به خود جلب كرد. اما اين اكتشاف براي چندين سال در حد يك كنجكاوي علمي باقي ماند. و هيچ كس نتوانست آن را به صورت عملي به كار گيرد.
اما بالاخره در سال 1878 فردي به نام ارنست ويليام زيمنس (William Siemens) اولين كورۀ قوس الكتريكي را ساخت. او توانست در يك آزمايش 2 كيلوگرم آهن قراضه را ظرف 20 دقيقه بوسيله قوس الكتريكي ذوب كند. كه در آن زمان موفقيت بزرگي بود و در سال هاي بعد سبب تحول چشمگيري در صنعت ذوب آهن شد.
كوره هاي اوليه
اما پل هرولت (Paul Heَroult) اولين كورۀ قوس الكتريكي تجاري را در سال 1900 در شهر لپراز فرانسه ساخت.
فولادسازان آمريكايي بسرعت متوجۀ مزيت هاي ذوب الكتريكي شدند. و به همين منظور از هرولت دعوت كردند كه بازديدي از امكانات كشور آنها داشته باشد. بعد از آن به كمك پل هرولت در سال 1907 اولين كوره قوس الكتريكي. در كارخانه شركت فولادسازي هالكوم (Halcomb) در نيويورك نصب شد.
در ابتدا دستيابي به قوس الكتريكي به علت عدم تأمين برق بسيار محدود و گران بود. به تدريج با توسعۀ صنعت برق، كوره هاي قوس الكتريكي نيز توسعه پيدا كردند. و بتدريج كوره هاي بزرگ تري ساخته شدند. كه بزرگترين آن تا كنون توسط شركت دانيلي ايتاليا با وزن 420 تن ساخته شده. كه كارخانه فولادسازي توكيو در سال 2010 راه اندازي كرده است.
اجزاي ساختمان كوره هاي قوس الكتريكي
بدنۀ كوره
كوره هاي قوس الكتريكي اساساً يك حمام بزرگ و كم عمق با بدنۀ فولادي هستند. كه با مواد نسوز مقاوم در برابر حرارت پوشش داده مي شوند.
همچنبن دما در اين كوره ها بسيار بالا است. (حدود 3000 درجه سانتي گراد) و تقريباً هيچ ماده نسوزي تحمل چنين دمايي را ندارد. به همين علت با كاهش دماف بدنه و سقف اين كوره ها را با لوله هاي آبگرد مي پوشانند.
بطور كلي بدنۀ كوره هاي قوس الكتريكي از سه بخش اصلي تشكيل شده است. كه عبارتند از: كف يا بوته (heats) ديوار جانبي (shell) و سقف (roof).
- سقف كوره (roof): بصورت يك كلاهك است و معمولاً به گونه اي طراحي مي شود. كه هم سبك باشد و هم استحكام لازم را داشته باشد. در سقف كوره هاي قوس الكتريكي معمولاً سه سوراخ قرار دارند كه اين سه منفذ محل عبور الكترودها هستند. در كوره هاي قوس الكتريكي معمولاً سقف به گونه اي طراحي مي شود كه همراه با الكترودها قابل حركت باشند.
- ديوار جانبي كوره (shell): عموماً به صورت استوانه اي هستند. و با مواد نسوز و همچنين لوله هاي آبگرد پوشيده شده است.
- كف يا بوته كوره (heats): حالت قوسي شكل دارد. و برعكس سقف آن عمقش نسبتاً كم و سطح آن زياد است. تا فصل مشترك مذاب با سرباره بيشترين مقدار باشد.
تجهيزات الكتريكي
تجهيزات الكتريكي از مهم ترين اجزاي تشكيل دهندۀ كوره هاي قوس الكتريكي مي باشد. كه از سه قسمت تشكيل شده است.
- كليد قطع و وصل مدار
- راكتور و ترانسفور ماتور
- تنظيم كننده هاي الكترود
كليد قطع و وصل مدار
به خاطر مصرف خيلي زياد انرژي در كوره هاي قوسي. اين كوره ها به يك منبع الكتريكي فشار قوي متصل مي شوند. در اين ميان كليد خودكار وظيفۀ حساس و مشكلي دارد. زيرا كه در هر ذوب كوره حدود 5 يا 6 دفعه برق قطع مي گردد. در نتيجه ضروري است كه از يك كليد قطع و وصل فوق العاده مقاوم استفاده شود.
راكتور و ترانسفورماتور
راكتور براي پايين آوردن نوسان ها و افزايش ناگهاني ولتاژ مورد استفاده قرار مي گيرد. راكتور از يك سيم پيچ ساده كه جريان الكتريكي از آن عبور مي كند تشكيل شده است. جريان عبور كننده از سيم پيچ، ولتاژي را القا مي كند. كه سبب ايجاد يك جريان مخالف در سيم پيچ مجاور مي شود. به اين ترتيب راكتور وارد خط شده و جلوي جريان را مي گيرد. و در نتيجه باعث پايين آمدن نوسان ها مي شود.
در قسمت ديگر مدار، ترانسفورماتور قرار گرفته است. كه مهم ترين قسمت تجهيزات الكتريكي مي باشد.
ترانسفورماتور اساساً يك وسيلۀ الكترومغناطيسي است. كه ميزان و جهت تغيير ولتاژ يك منبع جريان متغير را. به ميزاني كه براي دستگاه مورد نياز باشد، تنظيم مي نمايد. ترانسفورماتور نيز اساساً از دو سيم پيچ اوليه و ثانويه تشكيل مي شود. اين دو سيم پيچ داراي يك مدار مغناطيسي مشترك هستند. كه آن دو را به هم متصل مي نمايد.
تنظيم كننده هاي الكترود.
در حين ذوب اعمال حداكثر توان كوره ضروري است. زيرا كه قراضه ها داخل حمام مذاب ريخته شده اند و مقاومت شارژ كوره دائماً تغيير مي كند. علاوه بر اين الكترودها فرسوده مي شوند و كم كم طول قوس بيشتر مي شود.
طول قوس، قدرت ورودي كوره را تعيين مي كند. به همين دليل وسايل و تجهيزات فراواني براي اندازه گيري آن ساخته شده است. كه به آنها تنظيم كننده گفته مي شود.
اين تجهيزات ميزان اختلاف توان مطلوب ورودي را با قدرت وارده اندازه گيري مي كنند. و براي تطابق دقيق آنها و همچنين طول قوس مطلوب. الكترودها را بالا و پايين مي برند و در نتيجه قدرت ورودي يكنواخت مي شود.
الكترودها
يكي ديگر از اجزاي اصلي كوره هاي قوس الكتريكي الكترودها هستند. كار الكترودها انتقال جريان از بازوهاي الكترود به بار كوره از طريق ايجاد قوس الكتريكي مي باشد.
الكترودهاي گرافيتي و زغالي از مهم ترين مواد مصرفي در كوره هاي قوس الكتريكي هستند. اين الكترودها تأثير زيادي در كيفيت مذاب و البته توليد محصول داشته. و از نظر اقتصادي نيز سهم قابل توجهي از هزينه ها را به خود اختصاص مي دهند. براي توليد مذاب با كيفيت بايد از الكترودهاي با خواص مشخصي استفاده كرد.
همچنين يك الكترود خوب بايد خواصي به شرح زير داشته باشد
- هدايت الكتريكي خوب
- مقاومت مكانيكي بالا
- مقاومت در مقابل اكسايش به ويژه در درجه حرارت بالا
- حاوي حداقل مواد مضر مانند گوگرد و …
- تهيه ارزان قيمت آنها
در صنعت معمولاً براساس ميزان توليد فولاد و فروآلياژهاي مورد نياز. از سه نوع الكترود استفاده مي شود كه به ترتيب عبارتند از:
- الكترودهاي زغالي
- الكترودهاي گرافيتي
- الكترودهاي زينتر شده
الكترودها به دو شيوۀ زير مصرف مي شوند:
- مصرف جانبي ناشي از اكسايش كه به لاغر شدن ستون الكترود (به سوي نوك آن) مي انجامد.
- مصرف نوك الكترود/
داده هاي فراواني دربارۀ سايش نوك و جوانب الكترود يافت مي شود. كه عموماً اين داده ها را براساس آهنگ سايش برحسب كيلوگرم گرافيت در ساعت بر متر مربع بيان مي شود.
همانطور كه گفته شد در حين عمل ذوب در كوره قوس الكتريكي. الكترودها به دلايل مختلف از جمله اكسيداسيون، تصعيد و شكستگي، از بين مي روند. در نتيجه تعويض مرتب الكترودها ضروري مي باشد. به همين جهت بخش انتهايي هر يك از الكترودها داراي يك سرپيچ گرد مخروطي شكل است. كه داخل آن مي توان يك مغزي پيچ داد. به همين ترتيب الكترودها به يكديگر پيچ شده و به طور پيوسته در داخل مذاب مصرف مي شوند.
نكته اي كه در ارتباط با اتصال الكترودها بايد توجه داشت اين است كه اگر اتصال الكترودها سست باشد. جريان به جاي اينكه از تمام الكترود باعث افت زياد انرژي الكتريكي ميشود. به اين ترتيت سست بودن اتصال الكترودها باعث افت زياد انرژي الكتريكي مي شود. البته بايد توجه داشته باشيم كه بيش از حد محكم كردن الكترودها. نيز منجر به شكاف برداشتن آن در ناحيه گردن مي شود. كه به هيچ عنوان براي ما مطلوب نمي باشد. در نتيجه مي توان گفت، اهميت اتصال هاي محكم در صرفه جويي انرژي الكتريكي مي باشد.
مراحل ذوب آهن و فولادسازي در كوره هاي قوس الكتريكي
مواد مصرفي اوليه
دو ماده اصلي در كورۀ قوس الكتريكي، آهن قراضه و آهن اسفنجي مي باشند. ابتدا در كوره مقداري آهن قراضه شارژ مي كنند. و آن را به وسيله ايجاد قوس الكتريكي ذوب مي نمايند. و سپس آهن اسفنجي در كوره شارژ مي نمايند. خواص فيزيكي قراضه در عمليات ذوب كوره هاي قوس الكتريكي اثر مهمي دارد. عدم انتخاب صحيح مواد اوليه ممكن است منجر به شكستن الكترودها يا سرريز شدن فولاد مذاب يا حتي انفجار گردد. در عمل سعي مي شود از انواع قراضه در كوره استفاده شود. تا معايب به حداقل برسد و عمليات كوره بهينه باشد.
گذشته از مواد اوليه آهن دار كه بخش اصلي شارژ كوره هاي قوس الكتريكي را تشكيل مي دهند. مواد ديگري به عنوان كمك ذوب، سرباره زا. روان ساز با موادي جهت آلياژ كردن يا تصحيح تركيب نهايي مذاب مورد نياز مي باشند. گاهي اوقات افزودن كربن نيز جهت تنظيم آناليز نهايي ذوب يا براي بالا بردن مقدار كربن فولاد لازم است.
كمك ذوب ها كه مهمترين آنها آهك است جهت تشكيل سرباره ها و اثر گذاشتن بر واكنش هاي شيميايي. در مراحل مختلف تصفيه متالورژيكي به كوره افزوده مي شوند. عناصر آلياژ كننده كه اكثر آنها مواد فلزي هستند جهت رسيدن به تركيب نهايي دلخواه به ذوب افزوده مي شوند. موادي كه قسمت زيادي از عناصر آلياژي را دارند فروآلياژ ناميده مي شوند. علاوه بر اين مواد، مواد ديگري از قبيل فرومنگنزهاي كم كربن. و پركربن و فروسيليكومنگنز و فروسيليسيم و ساير فروآلياژها نيز افزوده مي شوند.
يكي ديگر از مواد مصرفي در كوره، عناصر آلياژكننده هستند. اين عناصر كه معمولاً در توليد فولادهاي كربني كم آلياژ، پر آلياژ و فولاد هاي زنگ نزن مصرف مي شود. شامل سيليكون، منگنز، نيكل، كروم و موليبدن هستند. اين عناصر را به صورت تركيبي با ساير عناصر به فولاد مذاب مي افزايند. كه معمولاً تركيب با آهن انجام مي گيرد. گاهي اوقات نيز از آلياژهاي دوتايي يا سه تايي كه مقدار آهن آن كم است. مثل فروسيليكو منگنز استفاده مي شود.
فرآيند ذوب گرفتن آهن
براي ذوب و جداسازي مواد و تصفيه از دو روش اسيدي و بازي استفاده مي شود. در روش اسيدي كه آستر كوره نيز بايد متناسب با آن انتخاب شود. آهن قراضه و مواد خام بايستي درصد گوگرد و فسفر پايين داشته باشند. زيرا امكان جدا كردن اين مواد در اين روش وجود ندارد. هزينه پايين مواد نسوز و دوام بيشتر آسترها و مصرف كمتر انرژي. و سياليت و رواني بيشتر مذاب و سياليت كم سرباره از مزاياي اين روش مي باشد. ولي مصرف قراضه هاي مخصوص كاربرد آن را بسيار محدود نموده است. در اين روش مواد شارژ به همراه مقداري مواد كربن زا به كوره ريخته مي شود. و هيچ نوع مواد سرباره زا به كوره افزوده نمي گردد. و پس از عمليات ذوب مقداري ماسه و در مواردي 1 الي 3 درصد سنگ آهك به آن مي افزايند.
در روش بازي نيز كوره با آستر مناسب بايستي انتخاب گردد روش بازي روشي آسان تر براي ساخت فولاد است. و با استفاده از تخليه سرباره مي توان باعث كاهش گوگرد و فسفرزدايي تا ميزان بسيار زياد گرديد. و تبديل نارمرغوب ترين قراضه به فولاد مرغوب را امكان پذير مي سازد. اين روش ممكن است به صورت يك سرباره اي يا دو سرباره اي انجام گيرد.
در مجموع روش بازي مورد استفاده بيشتري دارد. و استفاده از مواد سرباره زا چون آهك و روان ساز چون فلوئوراسپار در آن معمول است. در مجتمع فولاد مباركه اصفهان از اين روش استفاده مي گردد.
همانطور كه قبلاً نيز گفته شد براي انجام ذوب و طريقه عملي استفاده از گندله احيا شده. داشتن يك حوضچه مذاب آهن در آغاز و شارژ آهن اسفنجي بدان است. اين حمام مذاب در ابتدا توسط قراضه ها تشكيل مي شود. در هر كوره سه الكترود از سقف كوره عبور كرده. و بر بالاي مذاب و در داخل آن قرار مي گيرد. در حالي كه هر يك از الكترود به يك فاز جريان برق متصل مي گردند. جريان از هر الكترود به داخل بار كوره جريان مي يابد. و منجر به ايجاد حرارت زياد و در نتيجه ذوب مواد كوره مي شود.
الكترود بسته به كيفيت بار و ميزان بار حركت عمودي نوساني به بالا و پايين دارند. كه در نتيجه طول قوس ايجاد شده تغيير كرده و مقدار حرارت لازم براي ذوب تنظيم مي گردد. در ابتدا جريان بالا با ولتاژ بالا جهت استفاده از حداكثر انرژي اعمال مي گردد. با برقراري جرقه و ذوب قراضه ها. در هنگامي كه درجه حرارت به 1550 برسد شارژ آهن اسفنجي به كوره آغاز مي شود. و به تدريج ولتاژ نيز به مقدار مطلوب كاهش مي يابد. در اين خلال آهك و فلوئورين جهت تشكيل سرباره به كوره افزوده مي شوند. اگر بخواهيم در ارتباط با فرايند ذوب، جمع بندي شود، مي توان فرآيند ذوب را در سه مرحله خلاصه شود.
- معمولاً مرحله شروع ذوب با ولتاژ متوسط قوس الكتريكي آغاز مي شود. تا از صدمه زدن قوس به سقف جلوگيري شود.
- وقتي الكترودها به داخل بار وارد شدند، ولتاژي انتخاب مي شود كه حداكثر انرژي ورودي را به كوره بدهد.
- وقتي حوضچه مذاب ايجاد شد، ميزان ولتاژ را به مقدار متوسط كاهش مي دهند. تا از آسيب رساندن تشعشع به آسترهاي نسوز جلوگيري شود. به محض اينكه سه چهارم بار ذوب شد. يا حوضچه فرورفت، روش معمول اين است كه الكترودها را بالا مي كشند. و قراضه هاي گداخته شده باقيمانده را كه در قسمت هاي ديگر كوره موجودند. با هم (مذاب) مخلوط كنند، كه اين كار را بوسيلۀ ميله مخصوص و يا جابجا كردن قراضه ها. و يا بوسيله لوله مخصوص دمش اكسيژن انجام مي دهند.
- ارتباط با ما:
۰۹۱۲۱۲۲۴۲۲۷
۰۹۳۷۱۹۰۱۸۰۷
تلفن: ۰۲۱۶۶۸۰۰۲۵۱
فكس: ۶۶۸۰۰۵۴۶
