صهر الصلب: التكنولوجيا والطرق والمواد الخام

2024 مؤلف: Howard Calhoun | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-02 13:49

يتم الحصول على خام الحديد بالطريقة المعتادة: حفرة مفتوحة أو التعدين تحت الأرض والنقل اللاحق للتحضير الأولي ، حيث يتم سحق المواد وغسلها ومعالجتها.

يُسكب الخام في فرن صهر وينفخ بالهواء الساخن والحرارة ، مما يحوله إلى حديد منصهر. ثم يتم إزالته من قاع الفرن إلى قوالب تعرف باسم الخنازير ، حيث يتم تبريدها لإنتاج حديد خام. يتم تحويله إلى حديد مشغول أو معالجته إلى صلب بعدة طرق.

ما هو الفولاذ؟

في البداية كان هناك حديد. إنه أحد أكثر المعادن شيوعًا في قشرة الأرض. يمكن العثور عليها في كل مكان تقريبًا ، جنبًا إلى جنب مع العديد من العناصر الأخرى ، في شكل خام. في أوروبا ، يعود تاريخ أشغال الحديد إلى عام 1700 قبل الميلاد

في عام 1786 ، حدد العلماء الفرنسيون Berthollet و Monge و Vandermonde بدقة أن الفرق بين الحديد والحديد الزهر والصلب يرجع إلى محتوى الكربون المختلف. ومع ذلك ، سرعان ما أصبح الفولاذ المصنوع من الحديد أهم معدن في الثورة الصناعية. في بداية القرن العشرين ، كان إنتاج الصلب في العالم 28مليون طن - هذا ستة أضعاف ما كان عليه في عام 1880. مع بداية الحرب العالمية الأولى ، بلغ إنتاجها 85 مليون طن. لعدة عقود ، تم استبدال الحديد عمليا.

محتوى الكربون يؤثر على خصائص المعدن. هناك نوعان رئيسيان من الفولاذ: المخلوط وغير المخلوط. سبائك الصلب تشير إلى العناصر الكيميائية بخلاف الكربون المضاف إلى الحديد. وهكذا ، يتم استخدام سبيكة من 17٪ كروم و 8٪ نيكل لإنشاء الفولاذ المقاوم للصدأ.

حاليًا ، هناك أكثر من 3000 علامة تجارية مفهرسة (تركيبات كيميائية) ، دون احتساب تلك التي تم إنشاؤها لتلبية الاحتياجات الفردية. كلهم يساهمون في جعل الفولاذ أنسب مادة لتحديات المستقبل.

المواد الخام لصناعة الصلب: الابتدائية والثانوية

صهر هذا المعدن باستخدام العديد من المكونات هو أكثر طرق التعدين شيوعًا. يمكن أن تكون مواد الشحن أولية وثانوية. التركيب الرئيسي للشحنة ، كقاعدة عامة ، هو 55٪ من الحديد الزهر و 45٪ من الخردة المعدنية المتبقية. تُستخدم السبائك الحديدية والحديد الزهر المحول والمعادن النقية تجاريًا كعنصر رئيسي في السبائك ، وكقاعدة عامة ، يتم تصنيف جميع أنواع المعادن الحديدية على أنها ثانوية.

خام الحديد هو أهم وأهم مادة خام أساسية في صناعة الحديد والصلب. يتطلب إنتاج طن من الحديد الخام حوالي 1.5 طن من هذه المادة. يتم استخدام حوالي 450 طنًا من فحم الكوك لإنتاج طن واحد من الحديد الخام. العديد من مصانع الحديدحتى الفحم يستخدم.

الماء مادة خام مهمة لصناعة الحديد والصلب. وهي تستخدم بشكل أساسي في تبريد فحم الكوك ، وتبريد أفران الصهر ، وإنتاج بخار باب فرن الفحم ، وتشغيل المعدات الهيدروليكية ، والتخلص من مياه الصرف الصحي. يتطلب إنتاج طن من الفولاذ حوالي 4 أطنان من الهواء. يستخدم التدفق في فرن الصهر لاستخراج الملوثات من خام المصهر. يتحد الحجر الجيري والدولوميت مع الشوائب المستخرجة لتكوين الخبث.

كل من أفران الصهر والفولاذ مبطنة بمواد الحراريات. يتم استخدامها لمواجهة الأفران المعدة لصهر خام الحديد. يستخدم ثاني أكسيد السيليكون أو الرمل في التشكيل. تُستخدم المعادن غير الحديدية في إنتاج الفولاذ بمختلف درجاته: الألومنيوم ، والكروم ، والكوبالت ، والنحاس ، والرصاص ، والمنغنيز ، والموليبدينوم ، والنيكل ، والقصدير ، والتنغستن ، والزنك ، والفاناديوم ، إلخ.

نفايات الحديد من هياكل المصانع المفككة ، والآلات ، والمركبات القديمة ، وما إلى ذلك ، يتم إعادة تدويرها واستخدامها على نطاق واسع في الصناعة.

حديد للصلب

صهر الفولاذ بالحديد الزهر أكثر شيوعًا من المواد الأخرى. يشير مصطلح الحديد الزهر عادةً إلى الحديد الرمادي ، ومع ذلك يتم تحديده أيضًا بمجموعة كبيرة من السبائك الحديدية. يشكل الكربون حوالي 2.1 إلى 4٪ بالوزن بينما يتكون السيليكون عادةً من 1 إلى 3٪ بالوزن في السبيكة.

يحدث صهر الحديد والصلب عند درجة حرارةنقطة انصهار بين 1150 و 1200 درجة ، وهي أقل بحوالي 300 درجة من درجة انصهار الحديد النقي. يُظهر الحديد الزهر أيضًا سيولة جيدة ، وآلية ممتازة ، ومقاومة للتشوه ، والأكسدة ، والصب.

الصلب هو أيضًا سبيكة من الحديد ذات محتوى كربون متغير. محتوى الكربون في الفولاذ هو 0.2 إلى 2.1٪ كتلة ، وهو أكثر مواد صناعة السبائك اقتصادية للحديد. يعتبر صهر الفولاذ من الحديد الزهر مفيدًا لمجموعة متنوعة من الأغراض الهندسية والهيكلية.

خام الحديد للصلب

تبدأ عملية صنع الفولاذ بمعالجة خام الحديد. يتم سحق الصخور المحتوية على خام الحديد. يتم استخراج الركاز باستخدام بكرات مغناطيسية. تتم معالجة خام الحديد الدقيق الحبيبات في كتل خشنة الحبيبات لاستخدامها في فرن الصهر. يتم تكرير الفحم في فرن فحم الكوك لإنتاج شكل شبه نقي من الكربون. ثم يتم تسخين خليط خام الحديد والفحم لإنتاج الحديد المصهور ، أو الحديد الخام ، الذي يصنع منه الفولاذ.

في فرن الأكسجين الرئيسي ، يعتبر خام الحديد المنصهر هو المادة الخام الرئيسية ويتم خلطه بكميات مختلفة من خردة الفولاذ والسبائك لإنتاج درجات مختلفة من الفولاذ. في فرن القوس الكهربائي ، يتم صهر خردة الفولاذ المعاد تدويره مباشرة في الفولاذ الجديد. حوالي 12٪ من الفولاذ مصنوع من مواد معاد تدويرها

تقنية الصهر

الصهر هو عملية يتم من خلالها الحصول على معدن إما في شكل عنصر ،إما كمركب بسيط من خامه عن طريق التسخين فوق نقطة الانصهار ، عادة في وجود عوامل مؤكسدة مثل الهواء أو عوامل الاختزال مثل فحم الكوك.

في تكنولوجيا صناعة الصلب ، يتم تسخين المعدن الذي يتم دمجه مع الأكسجين ، مثل أكسيد الحديد ، إلى درجة حرارة عالية ، ويتكون الأكسيد مع الكربون في الوقود ، والذي يتم إطلاقه في صورة أول أكسيد الكربون أو الكربون ثاني أكسيد.الشوائب الأخرى ، التي تسمى مجتمعة الأوردة ، تتم إزالتها عن طريق إضافة تيار تتحد به لتشكيل الخبث.

صناعة الصلب الحديثة تستخدم فرن عاكس. يتم تحميل الخام المركز والتيار (الحجر الجيري عادة) في الأعلى ، بينما يتم سحب المادة المنصهرة (مركب من النحاس والحديد والكبريت والخبث) من القاع. المعالجة الحرارية الثانية في فرن المحول ضرورية لإزالة الحديد من السطح المطفأ.

طريقة مسخن الأكسجين

عملية BOF هي عملية صناعة الصلب الرائدة في العالم. بلغ الإنتاج العالمي من الصلب المحول في عام 2003 إلى 964.8 مليون طن أو 63.3٪ من إجمالي الإنتاج. إنتاج المحول هو مصدر للتلوث البيئي. وتتمثل المشاكل الرئيسية لهذا في الحد من الانبعاثات والتصريف وتقليل النفايات. يكمن جوهرها في استخدام الطاقة الثانوية والموارد المادية.

الحرارة الطاردة للحرارة تنتج عن تفاعلات الأكسدة أثناء التفريغ.

العملية الرئيسية لصناعة الصلب باستخدام منطقتناالأسهم:

• الحديد المنصهر (يسمى أحيانًا المعدن الساخن) من فرن الصهر يصب في وعاء كبير مبطّن حراريًا يسمى مغرفة.
• يتم إرسال المعدن الموجود في المغرفة مباشرة إلى مرحلة إنتاج الصلب الرئيسية أو مرحلة ما قبل المعالجة.
• يتم حقن الأكسجين عالي النقاء عند ضغط 700-1000 كيلو باسكال بسرعة تفوق سرعة الصوت على سطح الحمام الحديدي من خلال رمح مبرد بالماء يتم تعليقه في وعاء ويتم وضعه على ارتفاع بضعة أقدام فوق الحمام.

يعتمد قرار المعالجة المسبقة على جودة المعدن الساخن وجودة الفولاذ النهائية المطلوبة. لا تزال أولى المحولات السفلية القابلة للإزالة والتي يمكن فصلها وإصلاحها قيد الاستخدام. تم تغيير الرماح المستخدمة في النفخ. لمنع تشويش الرمح أثناء النفخ ، تم استخدام أطواق مشقوقة ذات طرف نحاسي طويل مستدق. أطراف الطرف ، بعد الاحتراق ، تحترق من ثاني أكسيد الكربون المتكون عند نفخها في CO_{2وتوفر حرارة إضافية. تستخدم السهام والكرات المقاومة للحرارة وكاشفات الخبث لإزالة الخبث.}

طريقة مسخن الأكسجين: مزايا وعيوب

لا تتطلب تكلفة معدات تنقية الغاز ، حيث يتم تقليل تكوين الغبار ، أي تبخر الحديد ، بمقدار 3 مرات. بسبب انخفاض إنتاج الحديد ، لوحظ زيادة في إنتاج الصلب السائل بنسبة 1.5 - 2.5 ٪. الميزة هي أن شدة النفخ في هذه الطريقة تزداد ، مما يعطيإمكانية زيادة أداء المحول بنسبة 18٪. جودة الفولاذ أعلى لأن درجة الحرارة في منطقة التطهير أقل ، مما ينتج عنه تكوين أقل للنيتروجين.

عيوب هذه الطريقة في صهر الفولاذ أدت إلى انخفاض الطلب على الاستهلاك ، حيث ارتفع مستوى استهلاك الأكسجين بنسبة 7٪ نتيجة الاستهلاك العالي لاحتراق الوقود. هناك زيادة في محتوى الهيدروجين في المعدن المعاد تدويره ، ولهذا السبب يستغرق الأمر بعض الوقت بعد نهاية العملية لإجراء التطهير بالأكسجين. من بين جميع الطرق ، يحتوي محول الأكسجين على أعلى تكوين للخبث ، والسبب هو عدم القدرة على مراقبة عملية الأكسدة داخل الجهاز.

طريقة الموقد المفتوح

كانت عملية الموقد المفتوح لمعظم القرن العشرين الجزء الرئيسي من معالجة جميع الفولاذ المصنوع في العالم. سعى ويليام سيمنز ، في ستينيات القرن التاسع عشر ، إلى إيجاد وسيلة لرفع درجة الحرارة في الفرن المعدني ، وإحياء اقتراح قديم لاستخدام الحرارة المهدرة الناتجة عن الفرن. قام بتسخين الطوب إلى درجة حرارة عالية ، ثم استخدم نفس المسار لإدخال الهواء إلى الفرن. زاد الهواء المسخن درجة حرارة اللهب بشكل ملحوظ

يتم استخدام الغاز الطبيعي أو الزيوت الثقيلة الصغيرة كوقود ؛ يتم تسخين الهواء والوقود قبل الاحتراق. الفرن محمل بحديد خام سائل وخردة فولاذية مع خام الحديد والحجر الجيري والدولوميت والتدفق.

الموقد نفسه مصنوع منمواد شديدة المقاومة للحرارة مثل طوب موقد المغنسيت. يصل وزن أفران المجمرة المفتوحة إلى 600 طن وعادة ما يتم تثبيتها في مجموعات ، بحيث يمكن استخدام المعدات الإضافية الضخمة اللازمة لشحن الأفران ومعالجة الفولاذ السائل بشكل فعال.

على الرغم من أن عملية المجمرة المفتوحة قد تم استبدالها بالكامل تقريبًا في معظم البلدان الصناعية من خلال عملية الأكسجين الأساسية وفرن القوس الكهربائي ، إلا أنها تصنع حوالي 1/6 من إجمالي الفولاذ المنتج في جميع أنحاء العالم.

مزايا وعيوب هذه الطريقة

تشمل المزايا سهولة الاستخدام وسهولة إنتاج سبائك الصلب مع الإضافات المختلفة التي تمنح المادة خصائص متخصصة متنوعة. يتم إضافة المواد المضافة والسبائك الضرورية مباشرة قبل نهاية الصهر.

تشمل العيوب انخفاض الكفاءة مقارنة بطريقة تحويل الأكسجين. كما أن جودة الفولاذ أقل مقارنة بطرق صهر المعادن الأخرى.

طريقة صناعة الفولاذ الكهربائي

الطريقة الحديثة لصهر الفولاذ باستخدام احتياطياتنا الخاصة هي الفرن الذي يسخن مادة مشحونة بقوس كهربائي. تتراوح أفران القوس الصناعي في الحجم من وحدات صغيرة بسعة حوالي طن واحد (تستخدم في المسابك لإنتاج منتجات الحديد) إلى وحدات 400 طن المستخدمة في المعادن الثانوية.

أفران القوس ،المستخدمة في المعامل البحثية قد لا يتجاوز سعتها بضع عشرات من الجرامات. يمكن أن تصل درجات حرارة فرن القوس الكهربائي الصناعي إلى 1800 درجة مئوية (3 ، 272 درجة فهرنهايت) ، في حين أن التركيبات المختبرية يمكن أن تتجاوز 3000 درجة مئوية (5432 درجة فهرنهايت).

تختلف أفران القوس عن أفران الحث في أن مادة الشحن تتعرض مباشرة لقوس كهربائي ، ويمر التيار في الأطراف عبر المادة المشحونة. يستخدم فرن القوس الكهربائي لإنتاج الفولاذ ، ويتكون من بطانة مقاومة للحرارة ، وعادة ما يتم تبريدها بالماء ، وحجم كبير ، ومغطى بسقف قابل للسحب.

الفرن ينقسم بشكل أساسي إلى ثلاثة أقسام:

• هيكل يتكون من جدران جانبية ووعاء فولاذي سفلي.
• يتكون الموقد من مادة مقاومة للحرارة تسحب الوعاء السفلي.
• يمكن تصنيع السقف المبطن المقاوم للصهر أو السطح المبرد بالماء كقسم كروي أو مخروط مقطوع (مقطع مخروطي).

مزايا وعيوب الطريقة

تحتل هذه الطريقة مكانة رائدة في مجال إنتاج الصلب. تُستخدم طريقة صهر الفولاذ لإنشاء معدن عالي الجودة إما خالٍ تمامًا من أو يحتوي على كمية صغيرة من الشوائب غير المرغوب فيها مثل الكبريت والفوسفور والأكسجين.

الميزة الرئيسية لهذه الطريقة هي استخدام الكهرباء للتدفئة ، بحيث يمكنك بسهولة التحكم في درجة حرارة الانصهار وتحقيق معدل تسخين لا يصدق للمعدن. سيصبح العمل الآليإضافة ممتعة للفرصة الممتازة للمعالجة عالية الجودة لمختلف الخردة المعدنية.

عيوب تشمل ارتفاع استهلاك الطاقة.