کوره قوس الکتریکی (EAF)

یکی از روش های مهم تولید فولاد و چدن، ذوب و پالایش قطعات قراضه در کوره قوس الکتریکی یا کوره EAF است. نرخ تولید بالا و قدرت ایجاد حرارت زیادی که کوره قوس الکتریکی دارد، سبب شده تا نقش پر رنگی در صنایع ذوب ایران و جهان داشته باشد. در این مقاله با اصول کار، اجزا و کاربردهای این کوره بیشتر آشنا خواهیم شد.

کوره قوس الکتریکی چیست؟

کوره قوس الکتریکی، ابزاری مهم به جهت کاربرد برای ذوب قطعات آهنی و غیر آهنی با سرعتی بالاست. این کوره بر مبنای ذوب بار کوره توسط قوس الکتریکی ایجاد شده بین الکترودهای گرافیتی و بار فلزی عمل می کند.

این کوره شامل یک حمام بزرگ و کم عمق است که با لایه نسوز اسیدی یا بازی پوشش داده می شود. بالای بستر حمام مذاب، الکترودهای کربنی تعبیه می شوند که قابلیت تغییر ارتفاع دارند. لازم به ذکر است فلزی که مذاب را تشکیل می دهد، قراضه با ترکیب شناخته شده است.

هنگامی که کوره با قراضه شارژ شد، الکترودها پایین آورده می شوند و جریان الکتریکی از طریق ترانسفورمرها برقرار می گردد. سپس الکترودها بالا می روند و قوس الکتریکی از الکترود به فلز برقرار می شود.

قوس الکتریکی ایجاد شده گرمای بسیار زیادی ایجاد می کند. همین حرارت سبب می شود که فرایند ذوب شارژ آغاز شود. دما در نزدیکی نوک الکترود ممکن است تا حدود ۴۱۰۰ درجه سانتیگراد نیز برسد که قراضه را با سرعت زیادی ذوب می کند.

اصول کار کوره EAF

برای انجام ذوب با کوره EAF، ابتدا داشتن یک حوضچه مذاب آهن و شارژ آهن اسفنجی در آن ضروری است. همان طور که ذکر شد این حمام مذاب در ابتدا توسط قراضه ها شکل می گیرد. در هر کوره سه الکترود از سقف کوره عبور کرده و بر بالای جریان مذاب و یا در داخل آن قرار می گیرد.

در حالی که هریک از الکترودها به یک فاز جریان برق متصل می گردند، جریان از هر الکترود به داخل بار کوره جریان می یابد و منجر به ایجاد حرارت زیاد و در نتیجه ذوب مواد کوره می شود.

الکترودها بسته به کیفیت بار و میزان بار حرکت عمودی نوسانی به بالا و پایین دارند که در نتیجه طول قوس ایجاد شده تغییر کرده و مقدار حرارت لازم برای ذوب تنظیم می‌شود.

در ابتدا جریان بالا با ولتاژ بالا جهت استفاده از حداکثر انرژی اعمال می گردد. با برقراری جرقه و ذوب قراضه ها در هنگامی که درجه حرارت به ۱۵۵۰ برسد، شارژ آهن اسفنجی به کوره آغاز می شود و به تدریج ولتاژ نیز به مقدار مطلوب کاهش می یابد. در این خلال آهک و فلوئورین جهت تشکیل سرباره به کوره افزوده می شوند.

در این بخش، فیلمی از نحوه کار کوره قوس الکتریکی قرار داده شده است. برای مشاهده این فیلم، وارد این +لینک شوید.

ذوب توسط کوره قوس الکتریکی

حرارت حاصل از قوس الکتریکی در کوره EAF به دو روش کلی مورد استفاده قرار می گیرد:

گرم کردن غیر مستقیم

قوس الکتریکی بین دو الکترود که در بالای شارژ داخل کوره قرار دارد ایجاد می شود و حرارت حاصله از طریق تشعشع به شارژ انتقال می یابد و عمل ذوب انجام می شود. کوره قوس الکتریکی غیر مستقیم به انواع کوره های تک فاز و سه فاز تقسیم می شود.

گرم کردن مستقیم

قوس الکتریکی به طور مستقیم در میان شارژ برقرار می شود و حرارت تولید شده باعث ذوب می گردد. در این روش ممکن است الکترود دوم خود شارژ باشد. یعنی قوس الکتریکی بین الکترود و شارژ برقرار شود یا اینکه الکترود در بالای شارژ و یک الکترود در پایین شارژ منظور شود تا قوس بین دو الکترود برقرار شود.

تولید فلزات آهنی با کوره قوس الکتریکی

مهم ترین کاربرد کوره قوس الکتریکی در ایران، تولید فلزات آهنی است. به دلیل اهمیت بالای این موضوع، در این بخش به آن می پردازیم.

مواد مصرفی در کوره EAF

دو ماده اصلی در کوره قوس الکتریکی قراضه و آهن اسفنجی اند. ابتدا در کوره مقداری آهن قراضه شارژ می‌شود و به وسیله ایجاد قوس الکتریکی ذوب می‌شود. در ادامه آهن اسفنجی در کوره شارژ می شود.

خواص فیزیکی قراضه در عملیات ذوب کوره قوس الکتریکی اثر مهمی دارد. عدم انتخاب صحیح ممکن است منجر به شکستن الکترودها یا سر ریز شدن فولاد مذاب و یا حتی انفجار گردد. در عمل سعی می شود از انواع قراضه در کوره استفاده شود تا عیوب کار به حداقل برسند و عملیات کوره بهینه باشد.

مواد مصرفی کمکی

گذشته از مواد اولیه آهن دار که بخش اصلی شارژ کوره های قوس الکتریکی را تشکیل می دهند، مواد دیگری به عنوان کمک ذوب، سرباره زا، روان ساز و یا موادی جهت آلیاژ کردن و یا تصحیح ترکیب نهایی مذاب مورد نیاز است. گاهی اوقات افزودن کربن نیز جهت تنظیم آنالیز نهایی ذوب و یا برای بالا بردن مقدار کربن ذوب لازم است.

کمک ذوب ها جهت تشکیل سرباره ها و اثر گذاشتن بر واکنش های شیمیایی در مراحل مختلف تصفیه متالوژیکی به کوره افزوده می شوند. عناصر آلیاژ کننده که اکثر آن ها مواد فلزی هستند، جهت رسیدن به ترکیب نهایی دلخواه به مذاب افزوده می شوند.

موادی که قسمت زیادی از عناصر آلیاژی را دارند “فروآلیاژ” نامیده می شوند. علاوه بر این مواد، مواد دیگری از قبیل فرومنگنزهای کم کربن و پر کربن و فروسیلیکو منگنز و فروسیلیسیم و سایر فرو آلیاژها نیز افزوده می شوند.

نقش کربن و آهک

برای افزایش کربن در فلز نهایی، می توان به طور مستقیم کربن را به صورت مواد خام پر کربن وارد کوره نمود و یا مواد حامل کربن مثل کُک را به شارژ افزود. میزان آن بستگی به نوع فولاد یا چدن دارد.

آهک مهم ترین مادۀ کمک ذوب است که بازی بودن سرباره در کوره EAF به آن بستگی دارد. آهک با انتقال مواد از مذاب به سرباره باعث تصفیه مذاب می‌شود. برای عملکرد بهتر، از مواد روان ساز استفاده می‌شود تا آهک به صورت مایع وارد مذاب شود.

عناصر آلیاژکننده

یکی دیگر از مواد مصرفی در کوره، عناصر آلیاژ کننده هستند. این عناصر که معمولا در تولید فولادهای کربنی کم آلیاژ، پرآلیاژ و فولادهای زنگ نزن مصرف می شوند، شامل سیلیکون، منگنز، نیکل، کروم و مولیبدن هستند و به صورت ترکیبی به مذاب اضافه می‌شوند.

تصفیه مذاب با استفاده از کوره قوس

در کورۀ قوس الکتریکی برای ذوب و جداسازی مواد و تصفیه، از دو روش اسیدی و بازی استفاده می شود.

روش اسیدی: آستر کوره EAF در روش اسیدی باید متناسب با آن انتخاب شود. قراضه و مواد خام نیز بایستی درصد گوگرد و فسفر پایین داشته باشند؛ زیرا امکان جدا کردن این مواد در این روش وجود ندارد. هزینه پایین مواد نسوز و دوام بیشتر آسترها و مصرف کمتر انرژی و سیالیت و روانی بیشتر مذاب و سیالیت کم سرباره از مزایای این روش است.

روش بازی: در روش بازی نیز کوره با آستر مناسب بایستی انتخاب گردد. روش بازی روشی آسان تر برای ساخت فولاد است و با استفاده از تخلیه سرباره می توان گوگرد و فسفر مذاب را تا حد زیادی کاهش داد.

در مجموع روش بازی مورد استفاده بیشتری دارد و استفاده از مواد سرباره زا چون آهک و روان ساز مانند فلوئوراسپار در آن معمول است. در مجتمع فولاد مبارکه اصفهان از این روش استفاده می گردد.

کاربردهای کوره قوس الکتریکی

امروزه به کمک کوره قوس الکتریکی تولید مواد زیر بسیار آسان تر گردیده است.

• طیف وسیعی از گریدهای فولاد
• میلگرد آجدار تقویت کننده بتن
• تولید ناودانی، میله، تسمه و دیگر انواع مقاطع فولاد تجاری
• گریدهای میله با کیفیت مخصوص مورد استفاده در صنعت خودرو و نفت
• تامین مذاب فولاد برای مینی میل های تولید کننده میله یا نوار ورق

روند رشد کاربرد کوره های قوس الکتریکی از میزان تولید سالیانه فولاد آن ها معلوم می شود. در حال حاضر حدود ۳۰ درصد فولادهای جهان با استفاده از کوره های قوس تولید می‌شوند. یکی از علل رشد استفاده از کوره‌های EAF بازدهی بالای آن‌ها در تبدیل انرژی الکتریکی به حرارتی است.

عوامل زیر موجب شده اند تا در دهۀ اخیر، استفاده اقتصادی از کوره قوس الکتریکی در سطح وسیعی امکان پذیر شود:

• افزایش تولید انرژی الکتریکی و گسترش شبکه های برق
• مجهز کردن کوره ها به مشعل های اکسیژن – سوخت
• استقرار واحدهای سرد شده با آب در بدنه و سقف کوره ها
• تکنولوژی تغذیه مداوم بار
• کنترل اتوماتیک ذوب و پالایش
• استفاده از فنون جدید برای افزایش کارایی کوره قوس الکتریکی و شیوه های ذوب و پالایش نوین

انتخاب و خرید کوره قوس الکتریکی

کوره قوس قیمت بالاتری نسبت به بقیۀ انواع کوره ها دارد. بنابراین اگر قرار باشد تصمیمی برای تهیۀ کوره EAF برای کارگاه یا کارخانۀ اتخاذ گردد، عوامل زیادی باید بررسی و شفاف گردند. از جمله هزینه مواد شارژ، هزینه‌ عملیات (آب، برق و …)، هزینه‌های بهره برداری، نیروی کار، محیط زیست و …

همه این عوامل باید بر حسب دلار بر تن فولاد یا چدن به طور دقیق محاسبه گردد. سپس با توجه به نوسانات بازار فولاد و بررسی قیمت کوره ها سیستم ذوبی که برای وضعیت تولید خاص، گزینه مقرون به صرفه تر است را انتخاب کرد.

منابع

مشخصات و ویژگی‌های کوره قوس الکتریکی . اصفهان: پایگاه خبری تحلیل فولاد مرکز آهن
مقیمیان؛ محمد ، ضابط؛ احد ، خاوری؛ محمد ، کوهی؛ سیما . (۱۳۸۶) . اثر احتراق بر کاهش مصرف انرژی الکتریکی در کوره های قوس الکتریک . مشهد: دانشگاه فردوسی مشهد