قلبي والقرأن
16-09-2011, 10:52 AM
-تقـنيات إنتـاج الصـلب
4-1-1- الفرن العالي والمحولات:
4-1-1-1- الفرن العالى:
من المعلوم أن الفرن العالي سيظل وسيلة الإنتاج الرئيسية للحديد في القرن الحالي وأن
بعد عقود من التطور أصبح وسيلة عالية الكفاءة .ويوضح الشكل التالى الفرن العالى واجزاءه الرئيسية كما يوضح التفاعلات الكيمائية الخاصة به:
http://mining.150m.com/new_page_7.files/image002.jpg
شكل ( 4-1 ) يوضح الفرن العالى وتفاعلاته
يستخدم الفرن العالى فى انتاج الحديد الغفل الذى يدخل بعد ذلك الى المحولات الاكسجينية لانتاج الصلب او الى الافران الكهربية لانتاج الصلب والسبائك الحديدية : يعمل الفرن العالى على حسب نظرية التيارين المتضادين حيث تهبط الشحنة من اعلى بينما يتم نفخ الهواء او الغاز المختزل من اسفل الى اعلى .
شحنة الفرن العالى :
1- خام الحديد : اللبيد SINTER) ) او المكورات وعادة خام الحديد يحتوى على نسبة مابين 50: 65 % من الحديد حيث تجرى علية عملية التلبيد او التكوير وقد سبق توضيح كل منها فى عمليات التجهيز والتركيز .
2- فحم الكوك : وهو الناتج من افران التكويك بعد تبريدة تبريد سريع بالماء ثم تجفيفه .
3- الحجر الجيرى والدولوميت: حيث يعملان على خفض درجة انصهار الخام والاتحاد مع الشوائب كما يعملان على تعادل حامضية بطانة الفرن حتى لاتتآكل وإنتاج ثانى أكسيد الكربون الذى يتحد مع الكربون الموجود فى فحم الكوك وينتج اول اكسيد الكربون الذى يقوم باختزال اكاسيد الحديد .
4 - الاضافات الاخرى واحيانا الخردة.
التفاعلات التى تحدث داخل الفرن العالى :
تصل درجة الحرارة فى اعلى الفرن الى 230 درجة وهى غير كافية لبدء عملية الاختزال إلا أنها كافية لامتصاص الرطوبة التى فى مواد الشحنة ويحترق الكوك احتراقا شديدا بمجرد ان يلامس تيار الهواء الساخن فى الجزء الاوسط ويوفر الكربون اللازم لاختزال الخام ويكون ثانى اكسيد الكربون الناتج غير ثابت بسبب وجود الكربون فى الكوك بكمية كبيرة لذلك فإنه يتفاعل مع الكربون ويكون أول اكسيد الكربون ويصعد الى مدخنة الفرن ويختزل معظم اكاسيد الحديد اختزالا غير مباشر وعند درجة 400 يتم تخلل الماء المتبلور فى الخام والتخلص منةوالاختزال المباشر يتم بواسطة الكوك فى الجزء الاسفل من الفرن وهو الاكثر حرارة حيث تبلغ درجة الحرارة اكثر من 1300 درجة مئوية وكلما زادت الثقوب في الخام كلما ارتفعت درجة الحرارة وزادت سرعة التفاعلات الكيميائية وفى منتصف الفرن تقريبا يبدا الحجر الجيرى فى التفاعل مع الشوائب فى خام الحديد والكوك ويبدا الخبث فى التكوين فى درجة حرارة حوالى 1000 درجة مئوية عندما يكون الحديد قد اختزل الى حديد اسفنجى وفى قاع الفرن تنصهر الشحنة لجميع مكوناتها باستثناء الكوك الذى يتفاعل جزء منه مع الأكاسيد التى لم تختزل وتصل درجة الحرارة الى 2500 درجة مئوية ويطفو الخبث فوق الحديد الغفل وذلك لان وزنه النوعى أقل من الحديد الغفل وتتخلص العناصر الاخرى التى فى الشحنة مثل المنجنيز والسيلكون والفسفور من الاكسجين وتذوب فى المعدن الساخن وغالبا يكون الكبريت متواجداً فى الكوك ويصبح حارا عندما يحترق البكوك ونظرا لان ميل الكبريت للاتحاد مع الحديد كبير لذلك ينبغى العمل علي التخلص منه بواسطة عامل مساعد صهر قلوى (Flux) وهو عادة الجير (اكسيد كالسيوم) الذى يتفاعل مع الكبريت فى درجات الحرارة العالية ويتحد الكالسيوم مع الكبريت
منتجات الفرن العالى :
1- الغازات : ينتج غازات بمعدل 4000 متر مكعب /طن حديد وتستعمل
الغازات فى انتاج بخار الغلايات وتسخين افران التكويك وفى تسخين الهواء الداخل الى الفرن .
2- الخبث : يتكون من خام حديد ورماد الفحم واكاسيد الشوائب ويعالج ثم يستعمل فى رصف الشوارع وفى صناعة الاسمنت واحجار بناء واذا تم تبريده بالماء مباشرة يستخدم كعازل حرارى 3 - الحديد الغفل : ويحتوى على كربون من 5 % الى 8 % ويدخل الى المحولات للتنقيب وانتاج الصلب وسوف ياتى شرح المحولات .
اهم انواع الحديد الغفل :
كربون
سليكون
منجنيز
فسفور
كبريت
خام حديد توماس
3.5
5.
1
2
05.
خام حديد صلب
4
1
6.2
5.2
04.
خام حديد اسبنك
3
3
1
1
6 .
جدول ( 4-1 ) يوضح انواع الحديد الغفل
4-1-1-2- المحــولات :
بعد انتاج الحديد الغفل يتم التعامل معه بالتكنولوجيات الاتيه والتى تستخدم لصناعة الصلب
1- محول بسمر القاعدي 2- محول بسمر الحامضي
3- المحول الأكسجيني 4- الفرن المفتوح
5- الفرن الكهربي
وهذه الطرق لا تحل واحدة منها محل أخري لأن كل طريقة لها منظومات مساعدة مختلفة وتتعامل في مواد خام بنسب مختلفة وتستخدم مصادر مختلفة للطاقة وتخضع اقتصادياتها لعوامل مختلفة
4-1-1-2-1- محول بسمر القاعدي :
هذه الطريقة تسمي أيضا طريقة توماس وتعمل مصانع صلب بسمر القاعدية في اتصال وثيق بصنع الحديد في الأفران العالية بحيث يبقي معدن الفرن العالي منصهراَ في البوتقة عندما يصل إلي فرن بسمر
وهذه البوتقة تكون مقفلة من جميع الجوانب لمنع الفقد الشديد في الحرارة أثناء النقل ثم تفرغ البوتقة حمولتها في خلاط ونلاحظ أن الخلاط هو عبارة عن فرن اسطواني كبير يحتفظ بالحديد المنصهر الوارد من الفرن العالي ويتم فيه تجنيس هذا الحديد وضبط تركيبه الكيميائي ليناسب المحول ويتم نقل هذا الخلاط بواسطة عربة الخلاط وهي عبارة عن خزان متحرك وتنتقل بعد تسلمها الحديد من الفرن العالي الي مصنع الصلب وبعد فصل القاطرة الديزل تثبت العربة في وضعها وتدار حول محورها لسكب الحديد المنصهر في بوتقة الشحن وهي في الحفرة ثم ترفع البوتقة وتفرغ بواسطة رافعه في أحد المحولات المرصوصة في صف واحد منها بجوار الاخر .
وصف المحول :
المحول عبارة عن وعاء كبير كما هو موضح بالشكل التالي
http://mining.150m.com/new_page_7.files/image004.jpg
شكل (4-2) يوضح محول بسمر القاعدى
و يمكن إمالة محول بسمر بحركة سريعة لصب المعدن أو بحركة بطيئة للتخلص من الخبث وبطانة الفرن وقاعه من الدولوميت المحمص الذي يمكنه أن يتحمل درجة حراراة صنع الصلب دون أن يبلي بسرعة وأن يسمح بإضافة الجير للشحنة لتكوين خبث كلسي يمتص الفوسفور من الحديد ويصل الهواء المضغوط إلي المحول خلال أحد كرسي المحول إلي أنبوب في الحيز الذي يقع تحت سدادة فتحة قاع المحول .
يدار المحول لأسفل للوضع الأفقي حتي يكون المعدن الساخن الذي يشحن في المحول بعيدا عن الودنات التي في قاع المحول ولا يسدها وعندما يدار المحول حول محوره إلي الوضع الرأسي يفتح علي تيار الهواء الذي يندفع بشدة وبصوت عالي داخل الفرن مشعاَ حزمة هائلة من اللهب والدخان من فوهة المحول ونافثاَ رذاذاَ من شرر مكون من حبيبات من الخبث والحديد تتساقط علي جدار المدخنة.
وأول العناصر التي تتأكسد هي السليكون والمنجنيز وبعد ذلك الكربون والفوسفور وتستمر النفخة حوالي 15 دقيقة وبعد ذلك يدار المحول ثانية للوضع الأفقي ويتم قلب الخبث في عربة خبث تحت المحول.
وتبعاَ لتركيب الصلب المطلوب إنتاجه تضاف كمية محدودة من السبائك الحديدية الغنية بالمنجنيز أو الكربون أو الفرومنجنيز ويكون قد سبق تسخينها أو صهرها في فرن خاص وذلك لتحقيق النسبة المطلوبة من الكربون في الصلب وتتم الاضافة بواسطة بوتقة معلقة من رافعة, ويستمر النفخ بعد ذلك لفترة قصيرة قبل أن يصب الصلب في بوتقة محمولة علي عربة
.وتوجد منظومة من الأقماع والقنوات لتغذية المحول بمساعدات الصهر(flux) والخام والخردة. وعملية التنقية في صنع الصلب أي التخلص من الكربون بواسطة الأكسجين الذي في الهواء لا تقف عندما يصب الصلب في البوتقة لأنه حتي في القالب يحدث تفاعل نشط إلي أن يتجمد الصلب وذلك بسبب كمية الأكسجين الكبيرة التي تنصهر في المعدن أثناء عملية النفخ في المحول وبسبب أول أكسيد الكربون المتصاعد الناتج من تفاعل غليان الصلب لذا يلزم عامل مزيل للأكسدة (deoxidation) غالباَ مايكون الألمونيوم لأنه قادر علي تقييد الأكسجين .
4-1-1-2-2- محول بسمرالحامضي:
تجهز مصانع الصلب بطريقة بسمر الحامضية بالطريقة نفسها مثل مصانع الصلب بطريقة بسمر القاعدية والفرق الوحيد هو أن بطانة المحولات فيها حامضية وليست قاعدية وهي تتكون من كوارتز مسحوق أوحجر رملي مع إضافة طفلة بكمية قليلة وبطانة قاع المحول مجففة فقط وليست محمصة كما هو الحال في المحولات القاعدية.
و يستخدم في هذه الطريقة حديد غفل يحتوي علي نسبة صغيره من الفوسفور في المحولات الحامضية البطانة
والشكل التالي يوضح محول بسمر القاعدي :
http://mining.150m.com/new_page_7.files/image006.jpg
شكل ( 4-3 ) يوضح محول بسمر الحامضى
4-1-1-2-3- الفرن المفتوح :
ظل الفرن المفتوح أكثر من نصف قرن الوسيلة المتميزة للإنتاج الكبير للصلب وحتي الستينات من القرن الماضي كان الفرن المفتوح مستعملا بكثرة لانتاج الأنواع العادية من الصلب الا أن استخدامه قل الان .
والشكل التالي يوضح الفرن المفتوح
http://mining.150m.com/new_page_7.files/image008.jpg
شكل ( 4-4 ) يوضح الفرن المفتوح
خصائص الفرن المفتوح :
يستخدم الفرن المفتوح في صنع الصلب من الخردة أساساَ ونظرياَ يمكن أن يستخدم الفرن المفتوح إما حديد الفرن العالي بمفرده أو خردة الصلب بمفردها إلا أن معظم الأفران تصمم لتستخدم الاثنين معا بنسبة واحدة تقريبا َ
وهذه النسبة تخضع لعوامل اقتصادية مثل سعر الخردة أو مدي توفر الحديد من الأفران العالية .
ويحتاج الأمر لتكسير القطع الكبيرة من خردة الحديد والصلب لتدخل من أبواب الفرن المفتوح
ويستعمل لذلك روافع خاصة ترفع كور الصلب 8إلي10 طن بواسطة مغناطيس وتسقطها علي هذه القطع
وتستخدم آلات الكبس كهربائية أو هيدروليكية لكبس الخردة ليمكن شحنها بسهولة في الفرن، الأفران المفتوحة تبني بأحجام مختلفة تتراوح سعتها بين 10ــ500 طن وتحتوي المصانع الكبيرة علي عدد من هذه الأفران الهائلة
وتكون الأفران المفتوحه ثابتة كقاعدة عامة إلا أنها قد تكون محمولة حتي يمكن إمالتها والأفران التي تحرق الغاز لها فتحات في طرفيها لدخول هواء وغاز الإحتراق لتوليد اللهب الذي يسخن أو يصهر في الشحنة المعدنية وتخرج غازات الاحتراق بعض حرارتها أو كلها في غرف الإسترجاع .
في حالة تشغيل مصانع الصلب المرتبطة بفرن عالى أو معمل كوك يستخدم غاز فرن الكوك مخلوطاَ بغاز الفرن العالي كما يمكن استخدام الغاز الطبيعي عند وجوده ويعتبر الغاز الطبيعي أرخص وقود للفرن المفتوح بالنسبة لقيمته الحرارية كما يفضل أن يحترق زيت الوقود أحياناَ مع غاز الكوك أو الغاز الطبيعي
وعندما تتقدم عملية التنقية في الفرن تقدماَ كافيا يضاف المنجنيز أو الكربون واذا كان المراد صنع أنواع من الصلب الخاص ذات تركيب معين تضاف مواد أخري مثل النيكل والكروم أو سبائكهما
وتكاد تكون جميع الأفران المفتوحة قد حولت لتستخدم الأكسجين لرفع درجة الحرارة وتعجيل الصهر .
وتوجد طريقتان مستخدمتان لهذا الغرض
الأولي : يحل فيها الأكسجين النقي جزئياَ محل هواء الإحتراق وهذا يؤدي إلي الحصول علي درجات حراراة إحتراق أعلي وفي الوقت نفسه تقليل كل من حجم غاز العادم والفقد في الحرارة الأمر الذي يحقق غرضين :
1-إنخفاض معدل استهلاك الوقود
2- زيادة سعة الفرن
الثانية: هي نفخ الأكسجين خلال مزارق مباشرة في حمام المعدن لتعجيل معدل التنقية وهي احتراق الكربون وبذلك يمكن تقصير فترات الصهر بدرجة محسوسة .
تشغيل الفرن المفتوح:
توجد متغيرات كثيرة تؤثر على تشغيل الفرن المفتوح أبرزها نسبة الحديد الغفل إلى الخردة والحالة الأكثر شيوعاً هي تشغيل الفرن بنسبة واحدة منها وتكون حدود نسبة الحديد الغفل المنصهر بين 45-50% وقد تحتوي الشحنة على كميات صغيرة من خردة حديد ويشحن في الفرن أيضاً الجر الجيري.
وتكون أول خطوة لتحضير صبه جديدة هي اختبار جوف الفرن بدقة للتحقق من عدم حدوث تلف لقلب الفرن الذي يشبه الطبق غير الغويط أو لسقفه المقوس المبطن بمادة حرارية بعد الصبة السابقة وفي حالة حدوث تلف يتم ترميم المكان المطلوب بإطلاق مادة حرارية في أي ثقوب أو تشقفات تكون قد حدثت.
ثم تشحن صناديق الحجر الجيري وخردة الصلب الخفيفة ويتم دفعها من باب الفرن وينطلق اللهب والقطران والغازات من زيت الوقود المحترق من أحد أطراف الفرن خلال المواد الصلبة في قلب الفرن ويصهرها جزئياً ثم بعد ذلك يصب الحديد المنصهر في الفرن ولا بد أن تكون المواد الصلبة في درجة حرارة معينة وعلى قدر من الأكسدة بحيث لا تسبب الخردة في أن يبرد الحديد والغفل المنصهر وفي أن تتأخر أكسدة لا فلزيات الحديد الغفل بسبب مساندة أكسجينية غير كافية من الخردة المؤكسدة.
والتفاعلات الكيماوية لصنع الصلب في الفرن المفتوح مرتبطة بتخليص الخام المعدني من الكربون والمنجنيز والفوسفور والكبريت والسليكون وغيرها من الخامات.
أولاً بتأكسد السليكون والمنجنيز ويصحبان جزءاً من الخبث الذي يكون طبقة طافية على سطح الصلب المنصهر مكونة الحجر الجيري المنصهر ومواد أخرى.
ثم بعد ذلك يتسارع الكربون في الأكسدة مولداً غاز أول أكسيد الكربون الذي يسبب فوراناً عندما يترك المعدن ثم ينقل الفوسفور والكبريت إلى الخبث .
ويطلق على الدوامة الأكثر شدة التي يسببها تحميص الحجر الجيري غليان الجير.
وبعدما يهدأ الغليان تبدأ مرحلة التنقية والتي يكون الغرض منها تقليل نسبة ما يحتويه الصلب من فوسفور وكبريت للوصول إلى المواصفات المطلوبة للمنتج النهائي وكذلك التحكم في نسبة ما يحتويه من كربون أي جعل تركيب الصلب ونوعيته في المستوى المطلوب وصنع طن الصلب في الفرن المفتوح يستغرق وقتاً أطول كثيرا من طريقة المحول الأكسجين القاعدي إلا أن طريقة الفرن المفتوح توقر تحكماً جيدا جدا في التركيب الكيماوي للصلب في بعض الأحيان يمكنها أن تصنع دفعات كبيرة جدا تصل إلى 600 طن من الصلب بتركيب محدد في حموة واحدة.
وقد يتطلب الأمر استخدام شحنة خاصة من المفرقعات وذلك لكسر سداد فتحة الصب من الطفلة والحراريات التي توضع قبل شحن الفرن.
صنع الصلب بالنفخ بالأكسجين :
يعتبر العالم هنري هو أول من توصل لفكرة استخدام الأكسجين أو إضافة بخار أو أول أكسيد الكربون للهواء وذلك للعمل على تحسين الكفاءة الحرارية للمحول للحصول على استفادة المثل من الحرارية لمحول للحصول على الاستفادة المثلى من الحرارة المولدة بالأكسدة وتحسين الظروف الفلزية بتقليل محتوى النيتروجين في الصلب وتحسين نزع الفوسفور منه وذلك في منتصف القرن التاسع عشر.
ويوضح الشكل التالي فكرة تصور عام للمحول الأكسجيني :
http://mining.150m.com/new_page_7.files/image010.jpg
شكل ( 4-5 ) يوضح المحول الاكسجينى
وتعتبر طريقة الفرن الأكسجيني القاعدي هي أول طريقة للنفخ بالأكسجين استخدمت تجاريا وذلك بعد الحرب العالمية الثانية بقليل في النمسا وقد عرفت باسم (L- D).نسبه إلى اسم البلدتين اللتين يقع فيهما المصنعان.
وقد حلت هذه الطريقة التي تعتمد على نفخ الأكسجين النقي من أعلى على سطح الحمام المعدني الكثير من المشاكل وحققت المزايا الآتية.
1- تحسين الكفاءة الحرارية تحسناَ كبيرا بحيث أصبح في الإمكان صهر كميات كبيرة من الخردة.
2- عملية نزع الفوسفور تبدأ في مرحلة مبكرة عندما ينفخ الأكسجين على سطح الحمام المعدني فتتولد حرارة شديدة جدا عند سطح الإصطدام تجعل الجير يسيل حالاً عند بدء العملية ومن المعروف أن نسبة الفوسفور في الحديد الغفل المنصهر التي تستخدم في هذه الطريقة هي 50% فقط.
3- تستعمل كلاً من الخردة والخام.
معدات إزالة الكبريت:
عندما يكون محتوى الكبريت في الحديد المنصهر أعلى من المستوى المعتاد يحتاج الأمر لإزالة الكبريت قبل صنع الصلب.
والمواد التي تستخدم لإزالة الكبريت هي كربيد الكالسيوم والصودا ولإزالة الكبريت بكفاءة وتستخدم طرق مختلفة للتقليب والخلط.
4-1-1-2-4- محول (L- D):
يعتبر محول (L- D)تعديل لمحول يسمر القاعدي ولكنه يختلف عنه في أنه ليس له قاع قابل للفك لأن نفخ الأكسجين فيه يتم من أعلى وليس من القاع.
والشكل التالي يوضح محول (L- D):
http://mining.150m.com/new_page_7.files/image012.jpg
شكل ( 4-6 ) يوضح محول ( L –D)
ويعتبر محول (L- D)الآن واحداَ من الوسائل الرئيسية لصنع الصلب العادي.
ويكون المحول محمولاَ على كراسي بحيث يمكن أن يميل حول محورة الأفقي ومزارق نفخ الأكسجين ويبرد بالماء ويمكن ضبطه فوق سطح المعدن ويمكن إخراجه من المحولاًَ عند دورانه حول محوره أثناء عمليتي الشحن والتفريغ والمحول غالبا ما يزود بفتحة صب حتى لا ينسكب الخبث مع الصلب عند صب الصلب.
والمحول له شكل متماثل حول محوره الرأسي وفوهته ليست جانبية.
وشحنه المحول مادة يترواح وزنها بين 50 ، 300 طن ووقت الصبة قصير جدا عادة بين 30 إلى 40 دقيقة مقابل 5 إلى 8 ساعات في الفرن المفتوح ولذا فإن إنتاجية محول DـLأعلى بكثير من الطرق الأخرى لإنتاج الصلب.
تشغيل محول (L- D) :
أول خطوة لتحضير الصبة لصنع الصلب في المحول هي إمالته لشحنه بالخردة ويحرك المحول لتتوزع الخردة في قاع المحول وبعد شحن الخردة يتم صب الحديد المنصهر من الفرن العالي أو من الخلاط، وشحنة الخردة لا تزيد عن 30% من الشحنة الكلية لانه يلزم لبدء التفاعل كمية كبيرة من الحديد المنصهر، وعندما يعود المحول إلى وضعه الرأسي يفتح مزارق الأكسجين الذي يندفع منه الأكسجين بسرعة 2000 م/ دقيقة وتحت ضغط حتى 8-12 بار.
وفي وقت قصير جداَ يسبب الاشتعال حرارة شديدة وتتوفر الظروف الصالحة لإضافة الجير والفلسبار وأحياناَ قشور الحديد ويستمر نفخ الأكسجين الذي يتحدد مع الكربون ومع العناصر الغير مرغوب فيها ويخلص الشحنة منها ويحولها إلي صلب ويساعد الجير والفلسبارعلى صهر الشوائب وتجميعها في الخبث الذي يطفوا مكونا طبقة على سطح المعدن المنصهر.
وكمية الجير المستهلة تقدر بحوالي 150 رطلا للطن حوالي 70 كيلو جرام من الصلب السائل الناتج ويتم معرفة إنتهاء الصبة لذوي الخبرة في تشغيل المحول أن اللهب تقل شدته ويتغير مستوى الصوت وكذلك من كمية الأكسجين المستخدمة ومن الغازات المنبعثة من المحول ومن وقت النفخ الذي يعتمد على نوع الصلب وبعد أن تتم عملية صنع الصلب يقفل الأكسجين ويسحب المزارق ويدار المحول للخلف حتى يصبح الخبث الطافي فوق سطح المعدن في مستوى الشفة التي في أعلى المحول ويقاس محتوى الكربون ودرجة حرارة الخام ثم ينسكب الصلب من مزراب الصب في بوتقة تحت المحول وتتم إمالة المحول تدريجيا ليقع الخبث الطافي أعلى من فتحة الصب وتضاف السبائك حسب الطلب إلي بوتقة الصلب.
ملحقات مصنع الصلب بطريقة محول (L- D):
يستهلك محول(L- D) كمية أكسجين حوالي 50-60 م لكل طن من الصلب ويولد غازاَ ساخناَ يحتوي على أول أكسيد الكربون وغباراَ ناعماَ لذا فهو يحتوي على مجمع غبار وغلايات تستخدم غاز العادم الساخن أو منظومة استخلاص غاز العادم وهي تشكل ثلث الإنشاءات الكلية للمصنع .
مصنع توليد الأكسجين:
يتكون مصنع الأكسجين من كباس وبرج مياه ومبدل حراري وجهاز فصل هواء سائل وخزان الأكسجين السائل.
ويفصل الأكسجين من الهواء بالتقطير في درجة حرارة منخفضة .
طريقة (CـA DـL ) :
تعتبر هذه الطريقة تطوراً لطريقة (L- D)
ويتم فيها نفخ جير مسحوق على سطح الحمام في نفس الوقت مع الأكسجين للحصول بسرعة على خبث متفاعل يؤمن سرعة التخلص من الفوسفور.
وهذه الطريقة تعمل على خبثين للحصول على صلب قليل الفوسفور اقتصادياً.
والعمل بخبثين يعني إدخال كمية من الخبث صغيرة جداً عندما يفرغ الخبث الأول المحمل بالفوسفور وهذا الخبث يزداد محتواه من أكسيد الحديد وبذلك يضمن التخلص من الفوسفور ويترك الخبث الثاني في الوعاء بعد ذلك لأنه عالي الحديد وفي نفس الوقت منخفض الفوسفور لدرجة كافية، بحيث يصلح للاستخدام كخبث أول.
4-1-1-3- فرن القوس الكهربائي لصنع الصلب:
أصبحت أفران الأقواس الكهربائية هي إحدى الوسائل الرئيسية لصنع الصلب. وفي أوائل هذا القرن حل فرن القوس محل فرن البوتقة القديم.
والشكل التالي يوضح الفرن الكهربي قديما َ وحديثاَ :
http://mining.150m.com/new_page_7.files/image014.jpghttp://mining.150m.com/new_page_7.files/image016.jpg
فرن القوس الكهربي حديثا فرن القوس الكهربي قديماَ
شكل ( 4-7 ) يوضح الفرن الكهربي قديما وحديثاَ
ويعتبر العالم هرولت هو أول من فكر في صنع الصلب كهربيا وأصبحت هذه الفكرة هي الأكثر نجاحاً. والأفران الكهربائية لها سمعة طيبة في إنتاج أنواع الصلب السبائكي والصلب عديم الصدأ وصلب العدة وأصبحت تنتج الآن أيضا الصلب الكربوني بكميات كبيرة.
وشحنة معظم أفران الأقواس الكهربائية من خردة الصلب وجزء صغير من عامل مساعد للصهر وهو من الجير المحروق والأفران الكهربائية لا تشتغل بشحنات جامدة فقط بل إنها تشتغل بشحنات سائلة من الصلب السائل المنتج في الأفران الأخرى مثل المحول الأكسجيني والفرن المفتوح وفرن يسمر القاعدي وتقوم هذه الأفران الكهربائية بتنقيتها وتخليصها من الفوسفور والكبريت الزائدين.
تركيب أفران القوس الكهربي:
الفرن عبارة عن اسطوانة من الصلب غير عميقة ومبطنة بطوب حراري وسقف الفرن مركب من أحد طرفيه على قضبان صلب متينة بحيث يمكن رفع السقف ولفه لأحد الجانبين حتى يتم شحن الفرن في عملية واحدة بواسطة دلو أو أوعية محمولة بروافع علوية تسقط حمولتها في الفرن.
وسقف الفرن به ثلاث فتحات يدخل فيها ثلاثة أقطاب كربونية أو جرافيتية.
والفرن بأخذ اسمه من هذه الأقطاب حيث تتولد الشرارة بين أحد الأقطاب وبين الشحنة المعدنية في الفرن ثم تتولد بين الشحنة والقطب الثاني وترتفع درجة الحرارة بالقرب من الأقطاب إلى أكثر من 3000 م
وفي الأنواع الحديثة من الأفران الكهربائيه يتم نفخ أكسجين لتقصير وقت عملية صنع الصلب وبالفرن فتحة وميزاب للصب يمر خلاله الصلب السائل إلى البوتقة وهو مزود بجهاز إمالة وجهاز أرجحة ليمر الصلب المنصهر من الميزاب.
تشغيل فرن القوس الكهربي:
يتم شحن الفرن بالخردة والمواد الأخرى المساعدة ويتم شحن العناصر السبائكية وفي حالة نقص الكربون في المواد المشحونة تزود الشحنة بإضافات من الكوك أو الأقطاب القديمة ، وفي جميع الأحوال ينبغي أن تكون كمية الكربون التي تشحن في الفرن أكثر من تلك التي تلزم لإكساب الصلب المنتج التركيب الكيميائى المطلوب.
وبعد الشحن يدار سقف الفرن عائداً إلى مكانه ويغلق وتخفض الأقطاب من خلال السقف ويوصل التيار الكهربائي وتتولد الشرارة الكهربائية مسببة فرقعة وتبدأ الحرارة الناتجة من القوس الكهربي المتولد بين الأقطاب والمعدن في صهر الخردة ويبيض الجزء الأسفل من الأقطاب ويمكن أن ترفع الأقطاب أو تنخفض في حركة رأسية كلما زاد انصهار الشحنة وفي حالة إنتاج صلب عالي النوعية تضاف كمية من الخام لتقليل محتوى الكربون وإثارة الغليان في الشحنة وهو أمر هام لتحقيق النوعية المطلوبة
ويتم شحن الحجر الجيري ومساعد الصهر فوق سطح الحمام المنصهر لتتخلص الشحنة من الشوائب تصعد إلى الخبث الذي يطفو على سطح المعدن المنصهر .
وعندإنتاج الصلب الكربوني يتم إمالة الفرن قليلا ويصب معظم الخبث الذي يحتوي على الشوائب من باب الشحن.
بعد الحصول على نتائج التحليل يزود الحمام بإضافات من عناصر مختلفة لضبط محتوى الكربون والتكوين السبائكي ثم يضاف إليه الفروسليكون ويلقى بالألومنيوم للتحكم في الحجم الحبيبي للصلب الناتج.
وبعد التحقق من التركيب الكيميائي المطلوب يتم إمالة الفرن بالسقف والأقطاب للأمام بحيث يمكن صب الصلب المنصهر من فتحة الصب والميزراب ووزن الصبة الواحدة في الفرن حوالي 300 طن والطاقة الكهربائية للفرن بلغت حديثاَ 8000 كيلو فولت أمبير بعد أن كانت حوالي 25000 إلى 35000 كيلو فولت.
ولما كانت تكلفة الكهرباء تحسب على أساس عدد الكيلووات ساعة للطن منن الصلب الخام فإنه كلما زادت طاقة الفرن وحجمه كلما قل وقت إنتاج الصبة وكلما قل عدد الكيلووات ساعة للطن وهذا الأمر حقق لأفران القوس الكهربي ميزة اقتصاد الإنتاج الكبير وجعلها وسيلة للإنتاج الكبير للصلب.
أنماط أفران الأقواس الكهربية:
أفران ذات قدرة عادية:
وهي تستمد قدرتها من محولات كهربائية ذات قدرة تتراوح من 350 إلى 450 كيلو فولت
أمبير للطن من الصبة.
أفران ذات قدرة عالية:
وهي تستمد قدرتها من محولات ذات قدرة من 400-500 كيلو فولت أمبير للطن
من الصبة.
أفران ذات قدرة فائقة:
وهي تستمد قدرتها من محولات ذات قدرة 550-700 كيلو فولت أمبير للطن من
الصبة وتترواح سعة أفرانالقوس الكهربي من عدد قليل من الأطنان إلى 200 طن للصبة
الواحدة، وتنتج صلباً كربونياً عاديا بمعدلات من 1 طن إلى 50 طن في الساعة.
إزالة الغازات بالتفريغ:
يتلوث الصلب بالأكسجين والهيدروجين من الجو والمواد الخام الداخلة في عملية صنع الصلب عند التعرض للهواء أثناء الصهر.
والغازات التي تمتص في الصلب السائل تسبب عيوبا متعددة في الصلب بعد أن يتجمد مثل التقشر والتقصف والفجوات والتخللات وغيرها من الظواهر غير المرغوبة.
وهذه الغازات يتم التخلص منها بالإزالة بالتفريغ والصهر التفريغي كما تستخدم إزالة الغاز من تيار الصلب أساسا للتخلص من الهيدروجين لإنتاج تماسيح ((كتل)) كبيرة.
عملية إزالة الغازات :
في هذه العملية يتم رفع بواتق الصلب المنصهر في أفران الصلب التقليدية بواسطة روافع علوية وتحريكها إلى أن تأتي فوق بوتقة صغيرة مفرغة مركبة في قمة غرفة مفرغة يوجد بها قالب أو بوتقة أخرى، ويتساقط الصلب المنصهر من ثقب في قاع فرن البوتقة إلى البوتقة الصغيرة التي تتحكم في تدفق الصلب المنصهر إلى القالب أو البوتقة الموضوع أو الموضوعة في الغرفة المفرغة لاستقبال المعدن المنصهر ويتفرق تيار الصلب المنصهر المتساقط في قطرات في نفس اللحظة التي يتعرض فيها للفراغ في الغرفة وأثناء تساقط القطرات تخرج كميات كبيرة من الغازات غير المرغوب فيها من الصلب ويتم سحبها بواسطة مضخة تفريغ قبل أن يتجمد المعدن في القالب أو البوتقة.
4-1-1-4- صب الصلب إلى تماسيح (كتل)
الطريقة التقليدية القديمة هي صب الصلب من البوتقة في قوالب تماسيح ذات أحجام وأشكال مختلفة وهذه القوالب تصنع من الحديد الزهر، وقد يبلغ طول التمساح لأنواع الصلب الإنشائي أو لألواح السيارات أكثر من 8 وقطرة أكثر من 3، أما التماسيح لأنواع الصلب المخصوص مثل صلب العدة فإنها صغيرة نسبيا بطول 3بوصة وقطر6بوصة ، وتستخدم قوالب ضخمة تستقبل عدة مئات من الأطنان من الصلب لإنتاج تماسيح ضخمة تشكل في مكابس هيدروليكية إلى منتجات ضخمة مثل عوامة التوربينات، وقطع الآلات الضخمة التي تتعرض لإجهاد عال.
وقطاع التمساح مادة إما مربع أو مستطيل وأركانه مستديرة وجوانبه معرجة ومسلوبة الطرف ليسهل خلعها عن تمساح الصلب بعد أن يتجمد، ويكسى السطح الداخلي للقالب بعناية بطبقة واقية بحيث لا يلتصق رشاش الصلب أثناء الصب بجوانب القالب. ويسبب تلفها كما أن هذه الطبقة تسهل إخراج القالب في عملية الخلع والقوالب تبلى بالاستعمال ويتم صهرها بعد أن ينتهي عمرها ويعاد صبها إلى قوالب جديدة أو تستعمل كخردة .
أنواع تماسيح الصلب:
تحدد درجة إزالة الأكسدة الأنواع الأربعة للصب أو التماسيح حيث تقل كمية الغازات الذائبة في الصلب المنصهر والغازات وخاصة الأكسجين مع انخفاض درجة الحرارة، وتتخلص من الصلب المنصهر أثناء تجمده، وقبل الصب( التطييب) تضاف مواد مزيلة للأكسدة مثل الألمنيوم إلى الصلب المنصهر لتقليل كمية الأكسجين المذاب.
وفيما يلي أنواع تمساح الصلب:
1- صلب/ تمساح مخمد:ـ تكوين متجانس ويستخدم في صنع المطروقات والألواح السميكة والهياكل ومنتجات الصلب السبائكي.
2- صلب/ تمساح معمم: فيستخدم في صنع الألواح غير السميكة والقضبان العريضة والشرائط والألواح المقصدرة والأسلاك.
3- صلب/ تمساح مخفف: ويحتوي على أقل قدر من الفجوات الأنبوبية وله سطح جيد لذا يستخدم في الاستعمالات التي يكون لنوعية سطح المنتج فيها الأهمية الأعلى مثل الألواح المدرفلة على البارد أو الشرائط ذات السطح الجيد.
4- صلب/ تمساح شبه مخمد: تكوين شبه متجانس.
ساحة صب الصلب: يسكب الصلب المنقى في بوتقة ويصب إلى تماسيح في قوالب تماسيح مصنوعة من الحديد الزهر، وينقل الصلب المصبوب في قوالب التماسيح إلى حفرة تبريد حيث يبرد إلى أن يتجمد بالكامل وبعد ذلك يتم خلع القالب من على التمساح بواسطة رافعة خلع وقبل التشكيل يوضع التمساح المتجمد في حفر تقع حيث يسخن لإزالة أي عدم تجانس حراري ويدر فل إلي بلاطات أو كتل أو عروق بواسطة مدرفلات لهذا الغرض .
4-1-1-4-1- طريقة الصب الدوار :
وهي طريقة آلية يتحرك فيها القالب والبوتقة ثابتة ويتم السكب فيها من أعلي وهي تناسب صب التماسيح الصغيرة والمتوسطة الحجم من الصلب التجاري ويعزي لهذه الطريقة أن نسبة استفادتها من المواد عالية وتحتاج إلي عدد أقل من الأفراد واستثمارات أقل وتكاليف صيانة أقل وذلك بالمقارنة بطرق الصب الأخرى من أعلي ومن أسفل.
4-1-1-4-2- طريقة الصب بضغط متحكم فيه
وهي طريقة لتكوين أشكال من المعدن عن طريق ذلك المعدن المنصهر في قوالب جرافيت بواسطة ضغط هوائي وهي تختصر خطوات الإنتاج التقليدية مثل التطييب والدرفلة الابتدائية وفي هذه الطريقة يتدفق المعدن المنصهر صاعداَ من غرفة محكمة غلي قالب ويتدفق في فجوة القالب بدون دوامة أو امتصاص هواء وتحت تحكم كامل في معدل الملء وينتج عنها منتج مصبوب بحدود سماح ضيقة وسطح جيد نظيف بحيث لا يحتاج لمعالجة
4-1-1-4-3- طريقة الصب المستمر
يصب الصلب المنصهر الذي في البوتقة في مسكبه موضوعه فوق القالب ذي قاع مفتوح يأخذ شكل وأبعاد المقطع المطلوب للمصبوبة مع الأخذ في الاعتبار انكماش المعدن عندما يبرد ، والقالب مصنوع من النحاس ويبرد بالماء ليتجمد الجزء الداخلي للمصبوبة وتبريد الجزء الداخلي للمصبوبة يطلق عليه التبريد الثانوي ويتم إجراؤه برشاش مياه أثناء سحب المصبوبة من قاع القالب بواسطة درافيل قرص ويتم قطع المصبوبات التي تم تبريدها بالكامل إلي الأطوال المطلوبة بواسطة مصباح قطع باللهب أو جهاز قطع ميكانيكي أو هيدروليكي
مكونات مصانع الصب المستمر:
يتكون من مسبكة تعمل كموزع للصلب المنصهر من البوتقة إلي القالب وقالب مركب في طاولة هزازة وجهاز هز لتحريك القالب لأعلي وأسفل بمعدل 60إلي 120 دورة / دقيقة وغرفة تبريد وغطاء درافيل لحمل وتوجيه المصبوبة بعد خروجها من القالب ودرافيل قرص وأداة قطع بلهب غاز أو أداة قطع ميكانيكية أو هيدروليكية ودليل المصبوبة وطاولة درافيل لاستقباله ونقله وتحويل اتجاهه ورأس دليل المصبوبة يعمل كسدادة لقاع القالب عند بدء الصب ويسقط عليها الصلب المنصهر ويتجمد
أنواع آلات الصب المستمر
يوجد ثلاث أنواع لآلات الصب المستمر وهي :
1-النوع الرأسي: إذا كان المطلوب سرعة صب عالية وإنتاج كبير وينبغي توفر طول معين لغطاء الدرافيل لتأمين التجمد بالكامل للمصبوبة
2- النوع المقوس
3- النوع الرأسي المقوس
ومن الممكن تصنيف آلات الصب إلي آلات صب :
1-عروق
2- نورات
3- بلاطات
أنواع الصلب المستخدم في الصب المستمر :
بالنسبة لأنواع الصلب فإن الصب المستمر يستخدم تقريباَ لجميع أنواع الصلب الكربوني وصب السليكون والصلب عديم الصدأ باستثناء بعض أنواع الصلب المخصوص
مميزات الصب المستمر للصلب :
1- زيادة سعة الآلات للصب المستمر للمصبوبات وحتى مليون طن في السنة من البلاطات أو أكثر, زيادة مقطع البلاطات المصبوبة, زيادة معدل الصب
2- آلات الصب المقوسة مكنت من زيادة معدل الصب وطول المصبوبات وبالتالي وزنها
3- تحسين نوعية المصبوبات بالصب المستمر بالنسبة لانتظام التركيب الكيماوي للمعدن بطول المصبوبة والخواص الطبيعية والميكانيكية للمعدن خلال جسم المصبوبة
4- التغلب علي الصعوبة في الإنتاج بالصب المستمر للصلب الذي يستخدم في الصفائح للسيارات والألواح السوداء
5- التحسين في الوحدات والأجهزة الأساسية للآلات
6- التوصل لتجمعات صناعية تجمع بين الصب المستمر والدرفلة
7- الجمع الأكثر إندماجا َ بين آلات الصب المستمر ومعدات صنع الصلب (المحولات الأكسجينية والأفران الكهربائية ) باستخدام بواتق كبيرة السعة .
الصب المستمر المتتابع :
تقوم فكرة الصب المستمر المتتابع علي أن يتم الصب المستمر للمصبوبات بدون إيقاف الالة من خلال استخدام بوتقة سكب صلب ثانية لتستمر في تزويد الآلة بالمعدن المنصهر بعد أن تفرغ البوتقة الأولي .
مميزات الصب المستمر المتتابع:
1 - زيادة كفاءة استغلال المادة إلي 99% بتقليل كمية مايفقد نتيجة لإيقاف الالة
2- خفض تكلف التشغيل المرتبطة بالتحضير لكل سبيكة للصلب المنصهر فى الالة
3 - زيادة الإنتاج السنوي بحوالى 30-40% نتيجة لزيادة وقت تشغيل الآلة إلى 90-95%
طريقة الضغط من أسفل لصب البلاطات والكتل في قوالب جرافيتية:
هذه الطريقة تتمير بعلو نوعية أسطح المصبوبة وعدم احتياجها إلى تنظيف وهو أمر هام خاصة لأنواع الصلب السبائكية العالية لذا فأن هذه الطريقة تستخدم لصب أنواع الصلب السبائكى ،وتستخدم أبضا لصب أنواع الصلب الكربوني ، وتستخدم لصب مصبوبات مربعه ومستديرة ومسطحة ومجوفة من صلب عديم الصدأ.
تبلغ الإستفاده بالنسبة للمصبوبات المباعة هذه الطريقة حوالي 95% وتقل تكلفة الإنتاج للطن بنسبة كبيرة
4-1-2- الاخـتزال المـباشر
سيظل إنتاج الحديد من الفرن العالي مرغوبا فيه وخاصة البلاد الصناعية وذلك لأنه يرتبط ارتباط وثيقا بمصادر الطاقة، وفى البلاد النامية التي لم تترابط فيها مصادر الطاقة بشكل مؤثر فإن
الطاقة الأخرى التي تعتمد على الاختزال المباشر لخام الحديد ذات أهمية اقتصادية وأيضا تبعا لأوضاع وظروف الخام مثل زيادة نسبة الناعم في الخام والرغبة في التخلص منه والتخلص من الحاجة الى فحم الكوك الذي يلزم الفرن العالي بسبب عدم توفره في كثير من البلاد.
أيضا يرجع السبب فى الاتجاه إلي الاختزال المباشر إلى أن الخام لكي يكون اقتصاديا ً لابد من إنتاج 2 مليون طن سنويا أيضا التلوث الذي يسببه الفرن العالي
وتتلخص مزايا طريقة الاختزال المباشر فيما يأتي
.نحتاج إلى استثمار اقل للإنشاء والتوسع
.أكثر مناسبة للسعات الإنتاجية الصغيرة
- تستخدم عاملاَ مختزلاَ رخيصاَ ومتاحاَ ذلك على حسب الدولة التي تقام فيها الصناعة
- يمكن استخدام الحديد المختزل مباشرة في الأفران الكهربية بدلاً من الخردة التي تتعرض أسعارها للارتفاع والانخفاض باستمرار.
الطرق المختلفة للاختزال المباشر
توجد العديد من طرق الاختزال المباشر
والجداول التالية توضح العمليات المختلفة او الطرق المختلفة للإختزال المباشر ثم يتم توضيح اهم هذه الطرق فى نبذه مختصرة .
طريقة الاختزال المباشر التي تعمل تجارياَ :
النوع
الطريقة
المادة الخام
العامل المختزل
استخدام المنتج
فرن قائم
shaft
مدركس
قطع , مكورات
غاز طبيعي
صنع الصلب
فرن قائم
ويبرج
سودرفوس
قطع خام
كوك, غاز
صنع الصلب الخاص
فرن إنبيقي
retort
Hyli
مكورات
غاز طبيعي
صنع الصلب
فرن دوار
rotary
Sl/Rn
قطع خام أو مكورات
فحم
صنع الصلب
فرن دوار
كاوازاكي
غبار متساقط
أو خام
كوك ناعم
تغذية الفرن العالي اوصنع صلب
صنع الصلب الخاص
فرن نفقي
tunnel
هوجانس
خام ناعم
كوك أو فحم
المسحوقات وصنع الصلب الخاص
جدول ( 4-2 ): يوضح طريقة الاختزال المباشر التي تعمل تجارياَ
ب- طريقة الصهر الكهربي التي تعمل تجارياَ
النوع
الطريقة
المادة الخام
العامل المختزل
استخدام المنتج
فرن قوس كهربي
الكم ALKEM
قطع او مكورات خام
فحم وكوك
صنع الصلب
جدول (4-3) يوضح طريقة الصهر الكهربي التي تعمل تجارياَ
جـ - طريقة الاختزال المباشر تحت الإنشاء في مرحلة التصنيع
النوع
الطريقة
المادة الخام
العامل المختزل
استخدام المنتج
فرن دوار
إسفنجي
قطع أو مكورات
كوك أو فحم
صنع الصلب
فرن قائم
ارمكو
قطع خام
أكسدة للغاز الطبيعي
صنع الصلب
فرشة مائعة
فيور
خام ناعم
معالجة بالبخار للغاز
تغذية فرن الصهر
فرشة عائمة HIB
HIB
خام ناعم
معالجة بالبخار للغاز
تغذية فرن الصهر
فرشة مائعة
حديد
H-IRON
خام ناعم
الهيدروجين
صنع الصلب والسحوقات
جدول (4-4) يوضح الاختزال المباشر تحت الإنشاء في مرحلة التصنيع
وفيما يلي شرح موجز لأهم هذه الطرق :
4-1-2-1- طريقة الفرن الانبيقى :Retort Process) )
يتم التفاعل في غرفة إنبقية ذات فرشة ثابتة أي أن الشحنة ثابتة ويتكون العامل المختزل من مخلوط من اول أكسيد الكربون والهيدروجين المستخرجين من الغاز الطبيعى بالمعالجة (Reforming) وتستخدم اربعة مفاعلات ثابتة على التوالى بحيث يقوم كل مفاعل بعملية من العمليات الانتاجية لمدة ثلاث ساعات عل الوجه الأتى :
1- تفريغ منتوج الدورة السابقة والتغذية بشحنةجديدة .
2- تسخين الشحنة تسخيناً ابتدائيا ً بواسطة غاز مختزل
3- الاختزال
4- تبريد الخام المختزل بغاز مختزل جديد
ويوضح الشكل الاتي الفرن الإنبيقي :
http://mining.150m.com/new_page_7.files/image018.jpg
http://mining.150m.com/new_page_7.files/image019.gifشكل (4-8) يوضح الفرن الإنبيقي
.
4-1-2-2-طريقة الفرن الدوار: Rotary Klin process
يشحن الخام في شكل قطع او او مكررات مع عامل مختزل مع مساعد صهر ويستخدم الفحم الكوك كعامل مختزل
ووظيفة مساعد الصهر هى التحكم فى نسبة الكبريت
ومن عيوبها أن التحكم فى درجةالحرارة يكون بشكل حرج وتوجد طريقتان تستخدمان الفرن الدوار
1- طريقة Sl/Rn
2- طريقة Mtu
وكل منهما تستخدم نفس الميكانيكة الا ان طريقة Sl/Rn
يتم فيه خلط الخام مع الفحم مع عامل مصهر ثم تشحن مباشرة إلى الفرن الدوار أما طريقة mtu يتم فيها خلط الخام مع الفحم ثم يتم عمل تكوير لهما
4-1-2-3- طريقة الفرشة المائعة ( (Fluidized bed
فى هذه الطريقة نستخدم هيدروجيناً عالى النقاوة كعامل مختزل ويتم التفاعل تحت ضغط عال نسبيا ً ودرجة حرارة منخفضة نسبيا ً وفى هذه الطريقة يتدفق الخام من مرتبة الى مرتبة اخرى فى المفاعل بصفة مستمرة اوشبه دفعات وذلك وفقاً لخصائص الخام .
والشكل التالي يوضح طريقة الفرشة المائعة :
http://mining.150m.com/new_page_7.files/image021.jpg
شكل (4-9) يوضح طريقة الفرشة المائعة
4-1-2-4- طريقة الصهر الكهربائى Electric smelting process
وهذه الطريقة تحتاج الى حوالى 2000 إلى 2500 كيلو وات ساعة لكل طن من الحديد ولذلك فتكون هذه الطريقة اقتصادية حيثما توافرت الكهرباء
ولهذه الطريقة الفوائد التالية :
تكلفة استثمارية اقل بالمقارنة بالفرن العالى
2- يمكن لهذه الطريقة ان تستخدم الخام الذى لا يمكن استخدامه لتغذية الفرن العالى بسبب تلوثه بخامس اكسيد الفاناديوم واكسيد التيتانيوم
حيث يتم صهر للخام ومعه الحجر الجيرى والفحم الحجرى وذلك بتأثير الشرارة المنبعثة والحديد المنصهر يترسب على الكاثود .
والشكل التالي يوضح فرن الصهر الكهربائي :
http://mining.150m.com/new_page_7.files/image022.jpg
شكل (4-10) يوضح فرن الصهر الكهربائي
4-1-2-5- طريقة الفرن القائم shaft furnace proces (Midrex process) ::
وهذه الطريقة هي المتبعة في الأقطار العربية وفي مصر في مصنع عز الدخيلة لذا سنتناولها ببعض التفصيل حيث تشحن قطع الخام أو المكورات من أعلي فرن قائم وتهبط باستمرار ملامسة غازاَ مختزلاَ ساخناَ مكوناَ من أول أكسد الكربون والهيدروجين ويبرد الخام والمكورات في الجزء الأسفل من الفرن بكمية مقيسه من غاز مختزل مبرد
والشكل التالي يوضح فرن مدركس
http://mining.150m.com/new_page_7.files/image023.jpg
شكل (4-11) يوضح فرن مدركس
والشكل التالي يوضح مخطط لإنتاج الصلب بطريقة فرن مدركس :
http://mining.150m.com/new_page_7.files/image025.jpg
شكل (4-12 )يوضح مخطط لإنتاج الصلب بطريقة فرن مدركس
يتكون مصنع الإختزال المباشر للحديد بطريقة فرن مدركس من الأقسام الرئيسية التالية
1- فرن الإختزال. Vertical Shaft Reduction Furnace
2- المستعوض Recuperator
3- معالج الغاز Reformer
4- مجموعة تنظيم وتبريد الغاز ومنظومات المياه
Gas scrubbing & cooling system & water system
فرن الاختزال الراسى القائم :
يعمل الفرن القائم مثل الفرن العالى بنظرية التيار والتيارالمضاد الأجزاء الرئيسية للفرن القائم
1- وعاء الشحن
2- الموزع : يعمل على توزيع الشحنة فى القطاع المستعرض للفرن
3-منظومة الاختزال
4- منظومة التبريد
5- منظومة تفريغ المواد: يوجد في قاع الفرن منظومة تفريغ الحديد الاختزال مباشرة والمبرد على سير ناقل
6- منظومة إحكام الغاز: لمنع اى غاز معالج من ان يخرج من الفرن
نظرية عمل الفرن الراسى القائم
يتم شحنة أكسيد الحديد في الشكل قطع خام او مكورات من فوهة الفرن شحنا مستمراً, وتهبط الشحنة ببطء
وإلى قاع الفرن وتقابل فى طريقها الغاز الصاعد فترتفع درجة حرارتها ثم يخرج الغازمن الفرن كغاز علوي ؛
وبمجرد ان تصل درجة حرارة اكسيد الكربون والهيدروجين الذين يكونتان 90% من الغاز المعالج ,
وتتراوح درجة الحرارة الاختزال بين 557 م 955 م ْ وبعد أن تجاوز المادة المختزلة منطقة الاختزال تبرده
لانها اذا تعرضت وهى ساخنة للهواء الجوى فانها تبدأ فوراً فى التاكد مرة ثانية .
معـالج الـغاز :
يتكون الغاز المعالج اللازم الاختزال فى الفرن القائم اساساً من أول أكسيد الكربون وهيدروجين
الاجزاء الرئيسية الى يتكون منها المعالج :
1- جدار صندوقي من الصلب مبطن بطوب حراري لان درجة الحرارة داخلة تصل الى 1100 م ْ
2-مواسير المعالجة:
يحتوى المعالجة على عدد من الغرف بكل منها من1 إلى ستة صفوف من المواسير
الراسية تبعا لسعة المعالج
الحراقات :
يحتوى المعالج على صفوف من الحراقات مركبة فى جزئه من الأسفل, وتحرق غاز وقود وهو مخلوط
من الغاز الطبيعي والغاز العلوي المبرد .
تحضير الغاز المعالج :
يتم عن طريق خلط لجزء الاكبر من غاز اعلى فرن الاختزال الغاز الطبيعى كما ياتى
- 5:4 أجزاء بالحجم من غاز اعلى الفرن ( بعد ان يبرد و يتنظف ) ويحتوى هذا الغاز على نسبة
كبيرة من ثانى اكسيد الكربون وبخاز الماء .
- جزء واحد بالوزن من الغاز الطبيعى يتكون من الميثان (CH4)ويحدث التفاعل الكيماوى
للمعالجة فى مواسير المعالجة عند درجة حرارة 900-750 فى حضور عامل منشط وهو عبارة
عن نيكل اوكوبالت مرصع في حلقات من السيراميك.
المستعوض:
للإقتصاد فى الطاقة يستخدم الغاز الخارج من المعالج في أعراض التسخين في المستعوض , وهذا الغاز
الذى ينتج من الاحتراق يخرج من المعالج فى درجة حرارة 1100ْ م
ويؤدى الى عدة اعراض هى :
1_ تسخين الهواء اللازم لاحتراق غاز الوقود فى الطرقات الرئيسية
2_ تسخين غاز التغذية قبل المعالجة
3_ تسخين الغاز الطبيعى الذى يضاف الى غاز العملية الانتاجية قبل ان يدخل المعالج
مجموعات تنظيف وتبريد الغاز منظومات المياة
Gas scrubbing & cooling system & water system
تحتوى الغازات مثل الغاز العلوى وغاز التبريد على كميات كبيرة من الغبار وتحتاج إلى ان تنظف قبل
إن يعاد استخدامها ؛ كما يحتاج كل من غاز التبريد وغاز الاحكام وجزء من الغاز المعالج الى ان يبرد ,
ويتم التنظيف والتبريد بالماء
المعدات المستخدمة فى التنظيف والتبريد :
1- المبردات :مبرد الغاز المعالج, مبرد غاز الإحكام؛ مبرد غاز العملية والانتاجية
2- منظفات غاز: منظف غاز التبريد _ منظف الغاز العلوى
3- معدات تجميع الغبار عند مخرج الفرن
فرومنجنيز كربوني :
اختزال متزامن للسيليكا (كوارتزيت) وأول أكسيد المنجنيز (الموجود في الخبث)
بكربون الكوك و هذه الطريقة أكثر شيوعا لأنه
يمكن أن تتم في الجهاز نفسه وهذا أكثر اقتصادا ويستخدم لذلك الفرن الكهربي .
http://mining.150m.com/images/spacer.gif
http://mining.150m.com/images/spacer.gif
http://mining.150m.com/images/spacer.gif
http://mining.150m.com/images/spacer.gif
4-1-1- الفرن العالي والمحولات:
4-1-1-1- الفرن العالى:
من المعلوم أن الفرن العالي سيظل وسيلة الإنتاج الرئيسية للحديد في القرن الحالي وأن
بعد عقود من التطور أصبح وسيلة عالية الكفاءة .ويوضح الشكل التالى الفرن العالى واجزاءه الرئيسية كما يوضح التفاعلات الكيمائية الخاصة به:
http://mining.150m.com/new_page_7.files/image002.jpg
شكل ( 4-1 ) يوضح الفرن العالى وتفاعلاته
يستخدم الفرن العالى فى انتاج الحديد الغفل الذى يدخل بعد ذلك الى المحولات الاكسجينية لانتاج الصلب او الى الافران الكهربية لانتاج الصلب والسبائك الحديدية : يعمل الفرن العالى على حسب نظرية التيارين المتضادين حيث تهبط الشحنة من اعلى بينما يتم نفخ الهواء او الغاز المختزل من اسفل الى اعلى .
شحنة الفرن العالى :
1- خام الحديد : اللبيد SINTER) ) او المكورات وعادة خام الحديد يحتوى على نسبة مابين 50: 65 % من الحديد حيث تجرى علية عملية التلبيد او التكوير وقد سبق توضيح كل منها فى عمليات التجهيز والتركيز .
2- فحم الكوك : وهو الناتج من افران التكويك بعد تبريدة تبريد سريع بالماء ثم تجفيفه .
3- الحجر الجيرى والدولوميت: حيث يعملان على خفض درجة انصهار الخام والاتحاد مع الشوائب كما يعملان على تعادل حامضية بطانة الفرن حتى لاتتآكل وإنتاج ثانى أكسيد الكربون الذى يتحد مع الكربون الموجود فى فحم الكوك وينتج اول اكسيد الكربون الذى يقوم باختزال اكاسيد الحديد .
4 - الاضافات الاخرى واحيانا الخردة.
التفاعلات التى تحدث داخل الفرن العالى :
تصل درجة الحرارة فى اعلى الفرن الى 230 درجة وهى غير كافية لبدء عملية الاختزال إلا أنها كافية لامتصاص الرطوبة التى فى مواد الشحنة ويحترق الكوك احتراقا شديدا بمجرد ان يلامس تيار الهواء الساخن فى الجزء الاوسط ويوفر الكربون اللازم لاختزال الخام ويكون ثانى اكسيد الكربون الناتج غير ثابت بسبب وجود الكربون فى الكوك بكمية كبيرة لذلك فإنه يتفاعل مع الكربون ويكون أول اكسيد الكربون ويصعد الى مدخنة الفرن ويختزل معظم اكاسيد الحديد اختزالا غير مباشر وعند درجة 400 يتم تخلل الماء المتبلور فى الخام والتخلص منةوالاختزال المباشر يتم بواسطة الكوك فى الجزء الاسفل من الفرن وهو الاكثر حرارة حيث تبلغ درجة الحرارة اكثر من 1300 درجة مئوية وكلما زادت الثقوب في الخام كلما ارتفعت درجة الحرارة وزادت سرعة التفاعلات الكيميائية وفى منتصف الفرن تقريبا يبدا الحجر الجيرى فى التفاعل مع الشوائب فى خام الحديد والكوك ويبدا الخبث فى التكوين فى درجة حرارة حوالى 1000 درجة مئوية عندما يكون الحديد قد اختزل الى حديد اسفنجى وفى قاع الفرن تنصهر الشحنة لجميع مكوناتها باستثناء الكوك الذى يتفاعل جزء منه مع الأكاسيد التى لم تختزل وتصل درجة الحرارة الى 2500 درجة مئوية ويطفو الخبث فوق الحديد الغفل وذلك لان وزنه النوعى أقل من الحديد الغفل وتتخلص العناصر الاخرى التى فى الشحنة مثل المنجنيز والسيلكون والفسفور من الاكسجين وتذوب فى المعدن الساخن وغالبا يكون الكبريت متواجداً فى الكوك ويصبح حارا عندما يحترق البكوك ونظرا لان ميل الكبريت للاتحاد مع الحديد كبير لذلك ينبغى العمل علي التخلص منه بواسطة عامل مساعد صهر قلوى (Flux) وهو عادة الجير (اكسيد كالسيوم) الذى يتفاعل مع الكبريت فى درجات الحرارة العالية ويتحد الكالسيوم مع الكبريت
منتجات الفرن العالى :
1- الغازات : ينتج غازات بمعدل 4000 متر مكعب /طن حديد وتستعمل
الغازات فى انتاج بخار الغلايات وتسخين افران التكويك وفى تسخين الهواء الداخل الى الفرن .
2- الخبث : يتكون من خام حديد ورماد الفحم واكاسيد الشوائب ويعالج ثم يستعمل فى رصف الشوارع وفى صناعة الاسمنت واحجار بناء واذا تم تبريده بالماء مباشرة يستخدم كعازل حرارى 3 - الحديد الغفل : ويحتوى على كربون من 5 % الى 8 % ويدخل الى المحولات للتنقيب وانتاج الصلب وسوف ياتى شرح المحولات .
اهم انواع الحديد الغفل :
كربون
سليكون
منجنيز
فسفور
كبريت
خام حديد توماس
3.5
5.
1
2
05.
خام حديد صلب
4
1
6.2
5.2
04.
خام حديد اسبنك
3
3
1
1
6 .
جدول ( 4-1 ) يوضح انواع الحديد الغفل
4-1-1-2- المحــولات :
بعد انتاج الحديد الغفل يتم التعامل معه بالتكنولوجيات الاتيه والتى تستخدم لصناعة الصلب
1- محول بسمر القاعدي 2- محول بسمر الحامضي
3- المحول الأكسجيني 4- الفرن المفتوح
5- الفرن الكهربي
وهذه الطرق لا تحل واحدة منها محل أخري لأن كل طريقة لها منظومات مساعدة مختلفة وتتعامل في مواد خام بنسب مختلفة وتستخدم مصادر مختلفة للطاقة وتخضع اقتصادياتها لعوامل مختلفة
4-1-1-2-1- محول بسمر القاعدي :
هذه الطريقة تسمي أيضا طريقة توماس وتعمل مصانع صلب بسمر القاعدية في اتصال وثيق بصنع الحديد في الأفران العالية بحيث يبقي معدن الفرن العالي منصهراَ في البوتقة عندما يصل إلي فرن بسمر
وهذه البوتقة تكون مقفلة من جميع الجوانب لمنع الفقد الشديد في الحرارة أثناء النقل ثم تفرغ البوتقة حمولتها في خلاط ونلاحظ أن الخلاط هو عبارة عن فرن اسطواني كبير يحتفظ بالحديد المنصهر الوارد من الفرن العالي ويتم فيه تجنيس هذا الحديد وضبط تركيبه الكيميائي ليناسب المحول ويتم نقل هذا الخلاط بواسطة عربة الخلاط وهي عبارة عن خزان متحرك وتنتقل بعد تسلمها الحديد من الفرن العالي الي مصنع الصلب وبعد فصل القاطرة الديزل تثبت العربة في وضعها وتدار حول محورها لسكب الحديد المنصهر في بوتقة الشحن وهي في الحفرة ثم ترفع البوتقة وتفرغ بواسطة رافعه في أحد المحولات المرصوصة في صف واحد منها بجوار الاخر .
وصف المحول :
المحول عبارة عن وعاء كبير كما هو موضح بالشكل التالي
http://mining.150m.com/new_page_7.files/image004.jpg
شكل (4-2) يوضح محول بسمر القاعدى
و يمكن إمالة محول بسمر بحركة سريعة لصب المعدن أو بحركة بطيئة للتخلص من الخبث وبطانة الفرن وقاعه من الدولوميت المحمص الذي يمكنه أن يتحمل درجة حراراة صنع الصلب دون أن يبلي بسرعة وأن يسمح بإضافة الجير للشحنة لتكوين خبث كلسي يمتص الفوسفور من الحديد ويصل الهواء المضغوط إلي المحول خلال أحد كرسي المحول إلي أنبوب في الحيز الذي يقع تحت سدادة فتحة قاع المحول .
يدار المحول لأسفل للوضع الأفقي حتي يكون المعدن الساخن الذي يشحن في المحول بعيدا عن الودنات التي في قاع المحول ولا يسدها وعندما يدار المحول حول محوره إلي الوضع الرأسي يفتح علي تيار الهواء الذي يندفع بشدة وبصوت عالي داخل الفرن مشعاَ حزمة هائلة من اللهب والدخان من فوهة المحول ونافثاَ رذاذاَ من شرر مكون من حبيبات من الخبث والحديد تتساقط علي جدار المدخنة.
وأول العناصر التي تتأكسد هي السليكون والمنجنيز وبعد ذلك الكربون والفوسفور وتستمر النفخة حوالي 15 دقيقة وبعد ذلك يدار المحول ثانية للوضع الأفقي ويتم قلب الخبث في عربة خبث تحت المحول.
وتبعاَ لتركيب الصلب المطلوب إنتاجه تضاف كمية محدودة من السبائك الحديدية الغنية بالمنجنيز أو الكربون أو الفرومنجنيز ويكون قد سبق تسخينها أو صهرها في فرن خاص وذلك لتحقيق النسبة المطلوبة من الكربون في الصلب وتتم الاضافة بواسطة بوتقة معلقة من رافعة, ويستمر النفخ بعد ذلك لفترة قصيرة قبل أن يصب الصلب في بوتقة محمولة علي عربة
.وتوجد منظومة من الأقماع والقنوات لتغذية المحول بمساعدات الصهر(flux) والخام والخردة. وعملية التنقية في صنع الصلب أي التخلص من الكربون بواسطة الأكسجين الذي في الهواء لا تقف عندما يصب الصلب في البوتقة لأنه حتي في القالب يحدث تفاعل نشط إلي أن يتجمد الصلب وذلك بسبب كمية الأكسجين الكبيرة التي تنصهر في المعدن أثناء عملية النفخ في المحول وبسبب أول أكسيد الكربون المتصاعد الناتج من تفاعل غليان الصلب لذا يلزم عامل مزيل للأكسدة (deoxidation) غالباَ مايكون الألمونيوم لأنه قادر علي تقييد الأكسجين .
4-1-1-2-2- محول بسمرالحامضي:
تجهز مصانع الصلب بطريقة بسمر الحامضية بالطريقة نفسها مثل مصانع الصلب بطريقة بسمر القاعدية والفرق الوحيد هو أن بطانة المحولات فيها حامضية وليست قاعدية وهي تتكون من كوارتز مسحوق أوحجر رملي مع إضافة طفلة بكمية قليلة وبطانة قاع المحول مجففة فقط وليست محمصة كما هو الحال في المحولات القاعدية.
و يستخدم في هذه الطريقة حديد غفل يحتوي علي نسبة صغيره من الفوسفور في المحولات الحامضية البطانة
والشكل التالي يوضح محول بسمر القاعدي :
http://mining.150m.com/new_page_7.files/image006.jpg
شكل ( 4-3 ) يوضح محول بسمر الحامضى
4-1-1-2-3- الفرن المفتوح :
ظل الفرن المفتوح أكثر من نصف قرن الوسيلة المتميزة للإنتاج الكبير للصلب وحتي الستينات من القرن الماضي كان الفرن المفتوح مستعملا بكثرة لانتاج الأنواع العادية من الصلب الا أن استخدامه قل الان .
والشكل التالي يوضح الفرن المفتوح
http://mining.150m.com/new_page_7.files/image008.jpg
شكل ( 4-4 ) يوضح الفرن المفتوح
خصائص الفرن المفتوح :
يستخدم الفرن المفتوح في صنع الصلب من الخردة أساساَ ونظرياَ يمكن أن يستخدم الفرن المفتوح إما حديد الفرن العالي بمفرده أو خردة الصلب بمفردها إلا أن معظم الأفران تصمم لتستخدم الاثنين معا بنسبة واحدة تقريبا َ
وهذه النسبة تخضع لعوامل اقتصادية مثل سعر الخردة أو مدي توفر الحديد من الأفران العالية .
ويحتاج الأمر لتكسير القطع الكبيرة من خردة الحديد والصلب لتدخل من أبواب الفرن المفتوح
ويستعمل لذلك روافع خاصة ترفع كور الصلب 8إلي10 طن بواسطة مغناطيس وتسقطها علي هذه القطع
وتستخدم آلات الكبس كهربائية أو هيدروليكية لكبس الخردة ليمكن شحنها بسهولة في الفرن، الأفران المفتوحة تبني بأحجام مختلفة تتراوح سعتها بين 10ــ500 طن وتحتوي المصانع الكبيرة علي عدد من هذه الأفران الهائلة
وتكون الأفران المفتوحه ثابتة كقاعدة عامة إلا أنها قد تكون محمولة حتي يمكن إمالتها والأفران التي تحرق الغاز لها فتحات في طرفيها لدخول هواء وغاز الإحتراق لتوليد اللهب الذي يسخن أو يصهر في الشحنة المعدنية وتخرج غازات الاحتراق بعض حرارتها أو كلها في غرف الإسترجاع .
في حالة تشغيل مصانع الصلب المرتبطة بفرن عالى أو معمل كوك يستخدم غاز فرن الكوك مخلوطاَ بغاز الفرن العالي كما يمكن استخدام الغاز الطبيعي عند وجوده ويعتبر الغاز الطبيعي أرخص وقود للفرن المفتوح بالنسبة لقيمته الحرارية كما يفضل أن يحترق زيت الوقود أحياناَ مع غاز الكوك أو الغاز الطبيعي
وعندما تتقدم عملية التنقية في الفرن تقدماَ كافيا يضاف المنجنيز أو الكربون واذا كان المراد صنع أنواع من الصلب الخاص ذات تركيب معين تضاف مواد أخري مثل النيكل والكروم أو سبائكهما
وتكاد تكون جميع الأفران المفتوحة قد حولت لتستخدم الأكسجين لرفع درجة الحرارة وتعجيل الصهر .
وتوجد طريقتان مستخدمتان لهذا الغرض
الأولي : يحل فيها الأكسجين النقي جزئياَ محل هواء الإحتراق وهذا يؤدي إلي الحصول علي درجات حراراة إحتراق أعلي وفي الوقت نفسه تقليل كل من حجم غاز العادم والفقد في الحرارة الأمر الذي يحقق غرضين :
1-إنخفاض معدل استهلاك الوقود
2- زيادة سعة الفرن
الثانية: هي نفخ الأكسجين خلال مزارق مباشرة في حمام المعدن لتعجيل معدل التنقية وهي احتراق الكربون وبذلك يمكن تقصير فترات الصهر بدرجة محسوسة .
تشغيل الفرن المفتوح:
توجد متغيرات كثيرة تؤثر على تشغيل الفرن المفتوح أبرزها نسبة الحديد الغفل إلى الخردة والحالة الأكثر شيوعاً هي تشغيل الفرن بنسبة واحدة منها وتكون حدود نسبة الحديد الغفل المنصهر بين 45-50% وقد تحتوي الشحنة على كميات صغيرة من خردة حديد ويشحن في الفرن أيضاً الجر الجيري.
وتكون أول خطوة لتحضير صبه جديدة هي اختبار جوف الفرن بدقة للتحقق من عدم حدوث تلف لقلب الفرن الذي يشبه الطبق غير الغويط أو لسقفه المقوس المبطن بمادة حرارية بعد الصبة السابقة وفي حالة حدوث تلف يتم ترميم المكان المطلوب بإطلاق مادة حرارية في أي ثقوب أو تشقفات تكون قد حدثت.
ثم تشحن صناديق الحجر الجيري وخردة الصلب الخفيفة ويتم دفعها من باب الفرن وينطلق اللهب والقطران والغازات من زيت الوقود المحترق من أحد أطراف الفرن خلال المواد الصلبة في قلب الفرن ويصهرها جزئياً ثم بعد ذلك يصب الحديد المنصهر في الفرن ولا بد أن تكون المواد الصلبة في درجة حرارة معينة وعلى قدر من الأكسدة بحيث لا تسبب الخردة في أن يبرد الحديد والغفل المنصهر وفي أن تتأخر أكسدة لا فلزيات الحديد الغفل بسبب مساندة أكسجينية غير كافية من الخردة المؤكسدة.
والتفاعلات الكيماوية لصنع الصلب في الفرن المفتوح مرتبطة بتخليص الخام المعدني من الكربون والمنجنيز والفوسفور والكبريت والسليكون وغيرها من الخامات.
أولاً بتأكسد السليكون والمنجنيز ويصحبان جزءاً من الخبث الذي يكون طبقة طافية على سطح الصلب المنصهر مكونة الحجر الجيري المنصهر ومواد أخرى.
ثم بعد ذلك يتسارع الكربون في الأكسدة مولداً غاز أول أكسيد الكربون الذي يسبب فوراناً عندما يترك المعدن ثم ينقل الفوسفور والكبريت إلى الخبث .
ويطلق على الدوامة الأكثر شدة التي يسببها تحميص الحجر الجيري غليان الجير.
وبعدما يهدأ الغليان تبدأ مرحلة التنقية والتي يكون الغرض منها تقليل نسبة ما يحتويه الصلب من فوسفور وكبريت للوصول إلى المواصفات المطلوبة للمنتج النهائي وكذلك التحكم في نسبة ما يحتويه من كربون أي جعل تركيب الصلب ونوعيته في المستوى المطلوب وصنع طن الصلب في الفرن المفتوح يستغرق وقتاً أطول كثيرا من طريقة المحول الأكسجين القاعدي إلا أن طريقة الفرن المفتوح توقر تحكماً جيدا جدا في التركيب الكيماوي للصلب في بعض الأحيان يمكنها أن تصنع دفعات كبيرة جدا تصل إلى 600 طن من الصلب بتركيب محدد في حموة واحدة.
وقد يتطلب الأمر استخدام شحنة خاصة من المفرقعات وذلك لكسر سداد فتحة الصب من الطفلة والحراريات التي توضع قبل شحن الفرن.
صنع الصلب بالنفخ بالأكسجين :
يعتبر العالم هنري هو أول من توصل لفكرة استخدام الأكسجين أو إضافة بخار أو أول أكسيد الكربون للهواء وذلك للعمل على تحسين الكفاءة الحرارية للمحول للحصول على استفادة المثل من الحرارية لمحول للحصول على الاستفادة المثلى من الحرارة المولدة بالأكسدة وتحسين الظروف الفلزية بتقليل محتوى النيتروجين في الصلب وتحسين نزع الفوسفور منه وذلك في منتصف القرن التاسع عشر.
ويوضح الشكل التالي فكرة تصور عام للمحول الأكسجيني :
http://mining.150m.com/new_page_7.files/image010.jpg
شكل ( 4-5 ) يوضح المحول الاكسجينى
وتعتبر طريقة الفرن الأكسجيني القاعدي هي أول طريقة للنفخ بالأكسجين استخدمت تجاريا وذلك بعد الحرب العالمية الثانية بقليل في النمسا وقد عرفت باسم (L- D).نسبه إلى اسم البلدتين اللتين يقع فيهما المصنعان.
وقد حلت هذه الطريقة التي تعتمد على نفخ الأكسجين النقي من أعلى على سطح الحمام المعدني الكثير من المشاكل وحققت المزايا الآتية.
1- تحسين الكفاءة الحرارية تحسناَ كبيرا بحيث أصبح في الإمكان صهر كميات كبيرة من الخردة.
2- عملية نزع الفوسفور تبدأ في مرحلة مبكرة عندما ينفخ الأكسجين على سطح الحمام المعدني فتتولد حرارة شديدة جدا عند سطح الإصطدام تجعل الجير يسيل حالاً عند بدء العملية ومن المعروف أن نسبة الفوسفور في الحديد الغفل المنصهر التي تستخدم في هذه الطريقة هي 50% فقط.
3- تستعمل كلاً من الخردة والخام.
معدات إزالة الكبريت:
عندما يكون محتوى الكبريت في الحديد المنصهر أعلى من المستوى المعتاد يحتاج الأمر لإزالة الكبريت قبل صنع الصلب.
والمواد التي تستخدم لإزالة الكبريت هي كربيد الكالسيوم والصودا ولإزالة الكبريت بكفاءة وتستخدم طرق مختلفة للتقليب والخلط.
4-1-1-2-4- محول (L- D):
يعتبر محول (L- D)تعديل لمحول يسمر القاعدي ولكنه يختلف عنه في أنه ليس له قاع قابل للفك لأن نفخ الأكسجين فيه يتم من أعلى وليس من القاع.
والشكل التالي يوضح محول (L- D):
http://mining.150m.com/new_page_7.files/image012.jpg
شكل ( 4-6 ) يوضح محول ( L –D)
ويعتبر محول (L- D)الآن واحداَ من الوسائل الرئيسية لصنع الصلب العادي.
ويكون المحول محمولاَ على كراسي بحيث يمكن أن يميل حول محورة الأفقي ومزارق نفخ الأكسجين ويبرد بالماء ويمكن ضبطه فوق سطح المعدن ويمكن إخراجه من المحولاًَ عند دورانه حول محوره أثناء عمليتي الشحن والتفريغ والمحول غالبا ما يزود بفتحة صب حتى لا ينسكب الخبث مع الصلب عند صب الصلب.
والمحول له شكل متماثل حول محوره الرأسي وفوهته ليست جانبية.
وشحنه المحول مادة يترواح وزنها بين 50 ، 300 طن ووقت الصبة قصير جدا عادة بين 30 إلى 40 دقيقة مقابل 5 إلى 8 ساعات في الفرن المفتوح ولذا فإن إنتاجية محول DـLأعلى بكثير من الطرق الأخرى لإنتاج الصلب.
تشغيل محول (L- D) :
أول خطوة لتحضير الصبة لصنع الصلب في المحول هي إمالته لشحنه بالخردة ويحرك المحول لتتوزع الخردة في قاع المحول وبعد شحن الخردة يتم صب الحديد المنصهر من الفرن العالي أو من الخلاط، وشحنة الخردة لا تزيد عن 30% من الشحنة الكلية لانه يلزم لبدء التفاعل كمية كبيرة من الحديد المنصهر، وعندما يعود المحول إلى وضعه الرأسي يفتح مزارق الأكسجين الذي يندفع منه الأكسجين بسرعة 2000 م/ دقيقة وتحت ضغط حتى 8-12 بار.
وفي وقت قصير جداَ يسبب الاشتعال حرارة شديدة وتتوفر الظروف الصالحة لإضافة الجير والفلسبار وأحياناَ قشور الحديد ويستمر نفخ الأكسجين الذي يتحدد مع الكربون ومع العناصر الغير مرغوب فيها ويخلص الشحنة منها ويحولها إلي صلب ويساعد الجير والفلسبارعلى صهر الشوائب وتجميعها في الخبث الذي يطفوا مكونا طبقة على سطح المعدن المنصهر.
وكمية الجير المستهلة تقدر بحوالي 150 رطلا للطن حوالي 70 كيلو جرام من الصلب السائل الناتج ويتم معرفة إنتهاء الصبة لذوي الخبرة في تشغيل المحول أن اللهب تقل شدته ويتغير مستوى الصوت وكذلك من كمية الأكسجين المستخدمة ومن الغازات المنبعثة من المحول ومن وقت النفخ الذي يعتمد على نوع الصلب وبعد أن تتم عملية صنع الصلب يقفل الأكسجين ويسحب المزارق ويدار المحول للخلف حتى يصبح الخبث الطافي فوق سطح المعدن في مستوى الشفة التي في أعلى المحول ويقاس محتوى الكربون ودرجة حرارة الخام ثم ينسكب الصلب من مزراب الصب في بوتقة تحت المحول وتتم إمالة المحول تدريجيا ليقع الخبث الطافي أعلى من فتحة الصب وتضاف السبائك حسب الطلب إلي بوتقة الصلب.
ملحقات مصنع الصلب بطريقة محول (L- D):
يستهلك محول(L- D) كمية أكسجين حوالي 50-60 م لكل طن من الصلب ويولد غازاَ ساخناَ يحتوي على أول أكسيد الكربون وغباراَ ناعماَ لذا فهو يحتوي على مجمع غبار وغلايات تستخدم غاز العادم الساخن أو منظومة استخلاص غاز العادم وهي تشكل ثلث الإنشاءات الكلية للمصنع .
مصنع توليد الأكسجين:
يتكون مصنع الأكسجين من كباس وبرج مياه ومبدل حراري وجهاز فصل هواء سائل وخزان الأكسجين السائل.
ويفصل الأكسجين من الهواء بالتقطير في درجة حرارة منخفضة .
طريقة (CـA DـL ) :
تعتبر هذه الطريقة تطوراً لطريقة (L- D)
ويتم فيها نفخ جير مسحوق على سطح الحمام في نفس الوقت مع الأكسجين للحصول بسرعة على خبث متفاعل يؤمن سرعة التخلص من الفوسفور.
وهذه الطريقة تعمل على خبثين للحصول على صلب قليل الفوسفور اقتصادياً.
والعمل بخبثين يعني إدخال كمية من الخبث صغيرة جداً عندما يفرغ الخبث الأول المحمل بالفوسفور وهذا الخبث يزداد محتواه من أكسيد الحديد وبذلك يضمن التخلص من الفوسفور ويترك الخبث الثاني في الوعاء بعد ذلك لأنه عالي الحديد وفي نفس الوقت منخفض الفوسفور لدرجة كافية، بحيث يصلح للاستخدام كخبث أول.
4-1-1-3- فرن القوس الكهربائي لصنع الصلب:
أصبحت أفران الأقواس الكهربائية هي إحدى الوسائل الرئيسية لصنع الصلب. وفي أوائل هذا القرن حل فرن القوس محل فرن البوتقة القديم.
والشكل التالي يوضح الفرن الكهربي قديما َ وحديثاَ :
http://mining.150m.com/new_page_7.files/image014.jpghttp://mining.150m.com/new_page_7.files/image016.jpg
فرن القوس الكهربي حديثا فرن القوس الكهربي قديماَ
شكل ( 4-7 ) يوضح الفرن الكهربي قديما وحديثاَ
ويعتبر العالم هرولت هو أول من فكر في صنع الصلب كهربيا وأصبحت هذه الفكرة هي الأكثر نجاحاً. والأفران الكهربائية لها سمعة طيبة في إنتاج أنواع الصلب السبائكي والصلب عديم الصدأ وصلب العدة وأصبحت تنتج الآن أيضا الصلب الكربوني بكميات كبيرة.
وشحنة معظم أفران الأقواس الكهربائية من خردة الصلب وجزء صغير من عامل مساعد للصهر وهو من الجير المحروق والأفران الكهربائية لا تشتغل بشحنات جامدة فقط بل إنها تشتغل بشحنات سائلة من الصلب السائل المنتج في الأفران الأخرى مثل المحول الأكسجيني والفرن المفتوح وفرن يسمر القاعدي وتقوم هذه الأفران الكهربائية بتنقيتها وتخليصها من الفوسفور والكبريت الزائدين.
تركيب أفران القوس الكهربي:
الفرن عبارة عن اسطوانة من الصلب غير عميقة ومبطنة بطوب حراري وسقف الفرن مركب من أحد طرفيه على قضبان صلب متينة بحيث يمكن رفع السقف ولفه لأحد الجانبين حتى يتم شحن الفرن في عملية واحدة بواسطة دلو أو أوعية محمولة بروافع علوية تسقط حمولتها في الفرن.
وسقف الفرن به ثلاث فتحات يدخل فيها ثلاثة أقطاب كربونية أو جرافيتية.
والفرن بأخذ اسمه من هذه الأقطاب حيث تتولد الشرارة بين أحد الأقطاب وبين الشحنة المعدنية في الفرن ثم تتولد بين الشحنة والقطب الثاني وترتفع درجة الحرارة بالقرب من الأقطاب إلى أكثر من 3000 م
وفي الأنواع الحديثة من الأفران الكهربائيه يتم نفخ أكسجين لتقصير وقت عملية صنع الصلب وبالفرن فتحة وميزاب للصب يمر خلاله الصلب السائل إلى البوتقة وهو مزود بجهاز إمالة وجهاز أرجحة ليمر الصلب المنصهر من الميزاب.
تشغيل فرن القوس الكهربي:
يتم شحن الفرن بالخردة والمواد الأخرى المساعدة ويتم شحن العناصر السبائكية وفي حالة نقص الكربون في المواد المشحونة تزود الشحنة بإضافات من الكوك أو الأقطاب القديمة ، وفي جميع الأحوال ينبغي أن تكون كمية الكربون التي تشحن في الفرن أكثر من تلك التي تلزم لإكساب الصلب المنتج التركيب الكيميائى المطلوب.
وبعد الشحن يدار سقف الفرن عائداً إلى مكانه ويغلق وتخفض الأقطاب من خلال السقف ويوصل التيار الكهربائي وتتولد الشرارة الكهربائية مسببة فرقعة وتبدأ الحرارة الناتجة من القوس الكهربي المتولد بين الأقطاب والمعدن في صهر الخردة ويبيض الجزء الأسفل من الأقطاب ويمكن أن ترفع الأقطاب أو تنخفض في حركة رأسية كلما زاد انصهار الشحنة وفي حالة إنتاج صلب عالي النوعية تضاف كمية من الخام لتقليل محتوى الكربون وإثارة الغليان في الشحنة وهو أمر هام لتحقيق النوعية المطلوبة
ويتم شحن الحجر الجيري ومساعد الصهر فوق سطح الحمام المنصهر لتتخلص الشحنة من الشوائب تصعد إلى الخبث الذي يطفو على سطح المعدن المنصهر .
وعندإنتاج الصلب الكربوني يتم إمالة الفرن قليلا ويصب معظم الخبث الذي يحتوي على الشوائب من باب الشحن.
بعد الحصول على نتائج التحليل يزود الحمام بإضافات من عناصر مختلفة لضبط محتوى الكربون والتكوين السبائكي ثم يضاف إليه الفروسليكون ويلقى بالألومنيوم للتحكم في الحجم الحبيبي للصلب الناتج.
وبعد التحقق من التركيب الكيميائي المطلوب يتم إمالة الفرن بالسقف والأقطاب للأمام بحيث يمكن صب الصلب المنصهر من فتحة الصب والميزراب ووزن الصبة الواحدة في الفرن حوالي 300 طن والطاقة الكهربائية للفرن بلغت حديثاَ 8000 كيلو فولت أمبير بعد أن كانت حوالي 25000 إلى 35000 كيلو فولت.
ولما كانت تكلفة الكهرباء تحسب على أساس عدد الكيلووات ساعة للطن منن الصلب الخام فإنه كلما زادت طاقة الفرن وحجمه كلما قل وقت إنتاج الصبة وكلما قل عدد الكيلووات ساعة للطن وهذا الأمر حقق لأفران القوس الكهربي ميزة اقتصاد الإنتاج الكبير وجعلها وسيلة للإنتاج الكبير للصلب.
أنماط أفران الأقواس الكهربية:
أفران ذات قدرة عادية:
وهي تستمد قدرتها من محولات كهربائية ذات قدرة تتراوح من 350 إلى 450 كيلو فولت
أمبير للطن من الصبة.
أفران ذات قدرة عالية:
وهي تستمد قدرتها من محولات ذات قدرة من 400-500 كيلو فولت أمبير للطن
من الصبة.
أفران ذات قدرة فائقة:
وهي تستمد قدرتها من محولات ذات قدرة 550-700 كيلو فولت أمبير للطن من
الصبة وتترواح سعة أفرانالقوس الكهربي من عدد قليل من الأطنان إلى 200 طن للصبة
الواحدة، وتنتج صلباً كربونياً عاديا بمعدلات من 1 طن إلى 50 طن في الساعة.
إزالة الغازات بالتفريغ:
يتلوث الصلب بالأكسجين والهيدروجين من الجو والمواد الخام الداخلة في عملية صنع الصلب عند التعرض للهواء أثناء الصهر.
والغازات التي تمتص في الصلب السائل تسبب عيوبا متعددة في الصلب بعد أن يتجمد مثل التقشر والتقصف والفجوات والتخللات وغيرها من الظواهر غير المرغوبة.
وهذه الغازات يتم التخلص منها بالإزالة بالتفريغ والصهر التفريغي كما تستخدم إزالة الغاز من تيار الصلب أساسا للتخلص من الهيدروجين لإنتاج تماسيح ((كتل)) كبيرة.
عملية إزالة الغازات :
في هذه العملية يتم رفع بواتق الصلب المنصهر في أفران الصلب التقليدية بواسطة روافع علوية وتحريكها إلى أن تأتي فوق بوتقة صغيرة مفرغة مركبة في قمة غرفة مفرغة يوجد بها قالب أو بوتقة أخرى، ويتساقط الصلب المنصهر من ثقب في قاع فرن البوتقة إلى البوتقة الصغيرة التي تتحكم في تدفق الصلب المنصهر إلى القالب أو البوتقة الموضوع أو الموضوعة في الغرفة المفرغة لاستقبال المعدن المنصهر ويتفرق تيار الصلب المنصهر المتساقط في قطرات في نفس اللحظة التي يتعرض فيها للفراغ في الغرفة وأثناء تساقط القطرات تخرج كميات كبيرة من الغازات غير المرغوب فيها من الصلب ويتم سحبها بواسطة مضخة تفريغ قبل أن يتجمد المعدن في القالب أو البوتقة.
4-1-1-4- صب الصلب إلى تماسيح (كتل)
الطريقة التقليدية القديمة هي صب الصلب من البوتقة في قوالب تماسيح ذات أحجام وأشكال مختلفة وهذه القوالب تصنع من الحديد الزهر، وقد يبلغ طول التمساح لأنواع الصلب الإنشائي أو لألواح السيارات أكثر من 8 وقطرة أكثر من 3، أما التماسيح لأنواع الصلب المخصوص مثل صلب العدة فإنها صغيرة نسبيا بطول 3بوصة وقطر6بوصة ، وتستخدم قوالب ضخمة تستقبل عدة مئات من الأطنان من الصلب لإنتاج تماسيح ضخمة تشكل في مكابس هيدروليكية إلى منتجات ضخمة مثل عوامة التوربينات، وقطع الآلات الضخمة التي تتعرض لإجهاد عال.
وقطاع التمساح مادة إما مربع أو مستطيل وأركانه مستديرة وجوانبه معرجة ومسلوبة الطرف ليسهل خلعها عن تمساح الصلب بعد أن يتجمد، ويكسى السطح الداخلي للقالب بعناية بطبقة واقية بحيث لا يلتصق رشاش الصلب أثناء الصب بجوانب القالب. ويسبب تلفها كما أن هذه الطبقة تسهل إخراج القالب في عملية الخلع والقوالب تبلى بالاستعمال ويتم صهرها بعد أن ينتهي عمرها ويعاد صبها إلى قوالب جديدة أو تستعمل كخردة .
أنواع تماسيح الصلب:
تحدد درجة إزالة الأكسدة الأنواع الأربعة للصب أو التماسيح حيث تقل كمية الغازات الذائبة في الصلب المنصهر والغازات وخاصة الأكسجين مع انخفاض درجة الحرارة، وتتخلص من الصلب المنصهر أثناء تجمده، وقبل الصب( التطييب) تضاف مواد مزيلة للأكسدة مثل الألمنيوم إلى الصلب المنصهر لتقليل كمية الأكسجين المذاب.
وفيما يلي أنواع تمساح الصلب:
1- صلب/ تمساح مخمد:ـ تكوين متجانس ويستخدم في صنع المطروقات والألواح السميكة والهياكل ومنتجات الصلب السبائكي.
2- صلب/ تمساح معمم: فيستخدم في صنع الألواح غير السميكة والقضبان العريضة والشرائط والألواح المقصدرة والأسلاك.
3- صلب/ تمساح مخفف: ويحتوي على أقل قدر من الفجوات الأنبوبية وله سطح جيد لذا يستخدم في الاستعمالات التي يكون لنوعية سطح المنتج فيها الأهمية الأعلى مثل الألواح المدرفلة على البارد أو الشرائط ذات السطح الجيد.
4- صلب/ تمساح شبه مخمد: تكوين شبه متجانس.
ساحة صب الصلب: يسكب الصلب المنقى في بوتقة ويصب إلى تماسيح في قوالب تماسيح مصنوعة من الحديد الزهر، وينقل الصلب المصبوب في قوالب التماسيح إلى حفرة تبريد حيث يبرد إلى أن يتجمد بالكامل وبعد ذلك يتم خلع القالب من على التمساح بواسطة رافعة خلع وقبل التشكيل يوضع التمساح المتجمد في حفر تقع حيث يسخن لإزالة أي عدم تجانس حراري ويدر فل إلي بلاطات أو كتل أو عروق بواسطة مدرفلات لهذا الغرض .
4-1-1-4-1- طريقة الصب الدوار :
وهي طريقة آلية يتحرك فيها القالب والبوتقة ثابتة ويتم السكب فيها من أعلي وهي تناسب صب التماسيح الصغيرة والمتوسطة الحجم من الصلب التجاري ويعزي لهذه الطريقة أن نسبة استفادتها من المواد عالية وتحتاج إلي عدد أقل من الأفراد واستثمارات أقل وتكاليف صيانة أقل وذلك بالمقارنة بطرق الصب الأخرى من أعلي ومن أسفل.
4-1-1-4-2- طريقة الصب بضغط متحكم فيه
وهي طريقة لتكوين أشكال من المعدن عن طريق ذلك المعدن المنصهر في قوالب جرافيت بواسطة ضغط هوائي وهي تختصر خطوات الإنتاج التقليدية مثل التطييب والدرفلة الابتدائية وفي هذه الطريقة يتدفق المعدن المنصهر صاعداَ من غرفة محكمة غلي قالب ويتدفق في فجوة القالب بدون دوامة أو امتصاص هواء وتحت تحكم كامل في معدل الملء وينتج عنها منتج مصبوب بحدود سماح ضيقة وسطح جيد نظيف بحيث لا يحتاج لمعالجة
4-1-1-4-3- طريقة الصب المستمر
يصب الصلب المنصهر الذي في البوتقة في مسكبه موضوعه فوق القالب ذي قاع مفتوح يأخذ شكل وأبعاد المقطع المطلوب للمصبوبة مع الأخذ في الاعتبار انكماش المعدن عندما يبرد ، والقالب مصنوع من النحاس ويبرد بالماء ليتجمد الجزء الداخلي للمصبوبة وتبريد الجزء الداخلي للمصبوبة يطلق عليه التبريد الثانوي ويتم إجراؤه برشاش مياه أثناء سحب المصبوبة من قاع القالب بواسطة درافيل قرص ويتم قطع المصبوبات التي تم تبريدها بالكامل إلي الأطوال المطلوبة بواسطة مصباح قطع باللهب أو جهاز قطع ميكانيكي أو هيدروليكي
مكونات مصانع الصب المستمر:
يتكون من مسبكة تعمل كموزع للصلب المنصهر من البوتقة إلي القالب وقالب مركب في طاولة هزازة وجهاز هز لتحريك القالب لأعلي وأسفل بمعدل 60إلي 120 دورة / دقيقة وغرفة تبريد وغطاء درافيل لحمل وتوجيه المصبوبة بعد خروجها من القالب ودرافيل قرص وأداة قطع بلهب غاز أو أداة قطع ميكانيكية أو هيدروليكية ودليل المصبوبة وطاولة درافيل لاستقباله ونقله وتحويل اتجاهه ورأس دليل المصبوبة يعمل كسدادة لقاع القالب عند بدء الصب ويسقط عليها الصلب المنصهر ويتجمد
أنواع آلات الصب المستمر
يوجد ثلاث أنواع لآلات الصب المستمر وهي :
1-النوع الرأسي: إذا كان المطلوب سرعة صب عالية وإنتاج كبير وينبغي توفر طول معين لغطاء الدرافيل لتأمين التجمد بالكامل للمصبوبة
2- النوع المقوس
3- النوع الرأسي المقوس
ومن الممكن تصنيف آلات الصب إلي آلات صب :
1-عروق
2- نورات
3- بلاطات
أنواع الصلب المستخدم في الصب المستمر :
بالنسبة لأنواع الصلب فإن الصب المستمر يستخدم تقريباَ لجميع أنواع الصلب الكربوني وصب السليكون والصلب عديم الصدأ باستثناء بعض أنواع الصلب المخصوص
مميزات الصب المستمر للصلب :
1- زيادة سعة الآلات للصب المستمر للمصبوبات وحتى مليون طن في السنة من البلاطات أو أكثر, زيادة مقطع البلاطات المصبوبة, زيادة معدل الصب
2- آلات الصب المقوسة مكنت من زيادة معدل الصب وطول المصبوبات وبالتالي وزنها
3- تحسين نوعية المصبوبات بالصب المستمر بالنسبة لانتظام التركيب الكيماوي للمعدن بطول المصبوبة والخواص الطبيعية والميكانيكية للمعدن خلال جسم المصبوبة
4- التغلب علي الصعوبة في الإنتاج بالصب المستمر للصلب الذي يستخدم في الصفائح للسيارات والألواح السوداء
5- التحسين في الوحدات والأجهزة الأساسية للآلات
6- التوصل لتجمعات صناعية تجمع بين الصب المستمر والدرفلة
7- الجمع الأكثر إندماجا َ بين آلات الصب المستمر ومعدات صنع الصلب (المحولات الأكسجينية والأفران الكهربائية ) باستخدام بواتق كبيرة السعة .
الصب المستمر المتتابع :
تقوم فكرة الصب المستمر المتتابع علي أن يتم الصب المستمر للمصبوبات بدون إيقاف الالة من خلال استخدام بوتقة سكب صلب ثانية لتستمر في تزويد الآلة بالمعدن المنصهر بعد أن تفرغ البوتقة الأولي .
مميزات الصب المستمر المتتابع:
1 - زيادة كفاءة استغلال المادة إلي 99% بتقليل كمية مايفقد نتيجة لإيقاف الالة
2- خفض تكلف التشغيل المرتبطة بالتحضير لكل سبيكة للصلب المنصهر فى الالة
3 - زيادة الإنتاج السنوي بحوالى 30-40% نتيجة لزيادة وقت تشغيل الآلة إلى 90-95%
طريقة الضغط من أسفل لصب البلاطات والكتل في قوالب جرافيتية:
هذه الطريقة تتمير بعلو نوعية أسطح المصبوبة وعدم احتياجها إلى تنظيف وهو أمر هام خاصة لأنواع الصلب السبائكية العالية لذا فأن هذه الطريقة تستخدم لصب أنواع الصلب السبائكى ،وتستخدم أبضا لصب أنواع الصلب الكربوني ، وتستخدم لصب مصبوبات مربعه ومستديرة ومسطحة ومجوفة من صلب عديم الصدأ.
تبلغ الإستفاده بالنسبة للمصبوبات المباعة هذه الطريقة حوالي 95% وتقل تكلفة الإنتاج للطن بنسبة كبيرة
4-1-2- الاخـتزال المـباشر
سيظل إنتاج الحديد من الفرن العالي مرغوبا فيه وخاصة البلاد الصناعية وذلك لأنه يرتبط ارتباط وثيقا بمصادر الطاقة، وفى البلاد النامية التي لم تترابط فيها مصادر الطاقة بشكل مؤثر فإن
الطاقة الأخرى التي تعتمد على الاختزال المباشر لخام الحديد ذات أهمية اقتصادية وأيضا تبعا لأوضاع وظروف الخام مثل زيادة نسبة الناعم في الخام والرغبة في التخلص منه والتخلص من الحاجة الى فحم الكوك الذي يلزم الفرن العالي بسبب عدم توفره في كثير من البلاد.
أيضا يرجع السبب فى الاتجاه إلي الاختزال المباشر إلى أن الخام لكي يكون اقتصاديا ً لابد من إنتاج 2 مليون طن سنويا أيضا التلوث الذي يسببه الفرن العالي
وتتلخص مزايا طريقة الاختزال المباشر فيما يأتي
.نحتاج إلى استثمار اقل للإنشاء والتوسع
.أكثر مناسبة للسعات الإنتاجية الصغيرة
- تستخدم عاملاَ مختزلاَ رخيصاَ ومتاحاَ ذلك على حسب الدولة التي تقام فيها الصناعة
- يمكن استخدام الحديد المختزل مباشرة في الأفران الكهربية بدلاً من الخردة التي تتعرض أسعارها للارتفاع والانخفاض باستمرار.
الطرق المختلفة للاختزال المباشر
توجد العديد من طرق الاختزال المباشر
والجداول التالية توضح العمليات المختلفة او الطرق المختلفة للإختزال المباشر ثم يتم توضيح اهم هذه الطرق فى نبذه مختصرة .
طريقة الاختزال المباشر التي تعمل تجارياَ :
النوع
الطريقة
المادة الخام
العامل المختزل
استخدام المنتج
فرن قائم
shaft
مدركس
قطع , مكورات
غاز طبيعي
صنع الصلب
فرن قائم
ويبرج
سودرفوس
قطع خام
كوك, غاز
صنع الصلب الخاص
فرن إنبيقي
retort
Hyli
مكورات
غاز طبيعي
صنع الصلب
فرن دوار
rotary
Sl/Rn
قطع خام أو مكورات
فحم
صنع الصلب
فرن دوار
كاوازاكي
غبار متساقط
أو خام
كوك ناعم
تغذية الفرن العالي اوصنع صلب
صنع الصلب الخاص
فرن نفقي
tunnel
هوجانس
خام ناعم
كوك أو فحم
المسحوقات وصنع الصلب الخاص
جدول ( 4-2 ): يوضح طريقة الاختزال المباشر التي تعمل تجارياَ
ب- طريقة الصهر الكهربي التي تعمل تجارياَ
النوع
الطريقة
المادة الخام
العامل المختزل
استخدام المنتج
فرن قوس كهربي
الكم ALKEM
قطع او مكورات خام
فحم وكوك
صنع الصلب
جدول (4-3) يوضح طريقة الصهر الكهربي التي تعمل تجارياَ
جـ - طريقة الاختزال المباشر تحت الإنشاء في مرحلة التصنيع
النوع
الطريقة
المادة الخام
العامل المختزل
استخدام المنتج
فرن دوار
إسفنجي
قطع أو مكورات
كوك أو فحم
صنع الصلب
فرن قائم
ارمكو
قطع خام
أكسدة للغاز الطبيعي
صنع الصلب
فرشة مائعة
فيور
خام ناعم
معالجة بالبخار للغاز
تغذية فرن الصهر
فرشة عائمة HIB
HIB
خام ناعم
معالجة بالبخار للغاز
تغذية فرن الصهر
فرشة مائعة
حديد
H-IRON
خام ناعم
الهيدروجين
صنع الصلب والسحوقات
جدول (4-4) يوضح الاختزال المباشر تحت الإنشاء في مرحلة التصنيع
وفيما يلي شرح موجز لأهم هذه الطرق :
4-1-2-1- طريقة الفرن الانبيقى :Retort Process) )
يتم التفاعل في غرفة إنبقية ذات فرشة ثابتة أي أن الشحنة ثابتة ويتكون العامل المختزل من مخلوط من اول أكسيد الكربون والهيدروجين المستخرجين من الغاز الطبيعى بالمعالجة (Reforming) وتستخدم اربعة مفاعلات ثابتة على التوالى بحيث يقوم كل مفاعل بعملية من العمليات الانتاجية لمدة ثلاث ساعات عل الوجه الأتى :
1- تفريغ منتوج الدورة السابقة والتغذية بشحنةجديدة .
2- تسخين الشحنة تسخيناً ابتدائيا ً بواسطة غاز مختزل
3- الاختزال
4- تبريد الخام المختزل بغاز مختزل جديد
ويوضح الشكل الاتي الفرن الإنبيقي :
http://mining.150m.com/new_page_7.files/image018.jpg
http://mining.150m.com/new_page_7.files/image019.gifشكل (4-8) يوضح الفرن الإنبيقي
.
4-1-2-2-طريقة الفرن الدوار: Rotary Klin process
يشحن الخام في شكل قطع او او مكررات مع عامل مختزل مع مساعد صهر ويستخدم الفحم الكوك كعامل مختزل
ووظيفة مساعد الصهر هى التحكم فى نسبة الكبريت
ومن عيوبها أن التحكم فى درجةالحرارة يكون بشكل حرج وتوجد طريقتان تستخدمان الفرن الدوار
1- طريقة Sl/Rn
2- طريقة Mtu
وكل منهما تستخدم نفس الميكانيكة الا ان طريقة Sl/Rn
يتم فيه خلط الخام مع الفحم مع عامل مصهر ثم تشحن مباشرة إلى الفرن الدوار أما طريقة mtu يتم فيها خلط الخام مع الفحم ثم يتم عمل تكوير لهما
4-1-2-3- طريقة الفرشة المائعة ( (Fluidized bed
فى هذه الطريقة نستخدم هيدروجيناً عالى النقاوة كعامل مختزل ويتم التفاعل تحت ضغط عال نسبيا ً ودرجة حرارة منخفضة نسبيا ً وفى هذه الطريقة يتدفق الخام من مرتبة الى مرتبة اخرى فى المفاعل بصفة مستمرة اوشبه دفعات وذلك وفقاً لخصائص الخام .
والشكل التالي يوضح طريقة الفرشة المائعة :
http://mining.150m.com/new_page_7.files/image021.jpg
شكل (4-9) يوضح طريقة الفرشة المائعة
4-1-2-4- طريقة الصهر الكهربائى Electric smelting process
وهذه الطريقة تحتاج الى حوالى 2000 إلى 2500 كيلو وات ساعة لكل طن من الحديد ولذلك فتكون هذه الطريقة اقتصادية حيثما توافرت الكهرباء
ولهذه الطريقة الفوائد التالية :
تكلفة استثمارية اقل بالمقارنة بالفرن العالى
2- يمكن لهذه الطريقة ان تستخدم الخام الذى لا يمكن استخدامه لتغذية الفرن العالى بسبب تلوثه بخامس اكسيد الفاناديوم واكسيد التيتانيوم
حيث يتم صهر للخام ومعه الحجر الجيرى والفحم الحجرى وذلك بتأثير الشرارة المنبعثة والحديد المنصهر يترسب على الكاثود .
والشكل التالي يوضح فرن الصهر الكهربائي :
http://mining.150m.com/new_page_7.files/image022.jpg
شكل (4-10) يوضح فرن الصهر الكهربائي
4-1-2-5- طريقة الفرن القائم shaft furnace proces (Midrex process) ::
وهذه الطريقة هي المتبعة في الأقطار العربية وفي مصر في مصنع عز الدخيلة لذا سنتناولها ببعض التفصيل حيث تشحن قطع الخام أو المكورات من أعلي فرن قائم وتهبط باستمرار ملامسة غازاَ مختزلاَ ساخناَ مكوناَ من أول أكسد الكربون والهيدروجين ويبرد الخام والمكورات في الجزء الأسفل من الفرن بكمية مقيسه من غاز مختزل مبرد
والشكل التالي يوضح فرن مدركس
http://mining.150m.com/new_page_7.files/image023.jpg
شكل (4-11) يوضح فرن مدركس
والشكل التالي يوضح مخطط لإنتاج الصلب بطريقة فرن مدركس :
http://mining.150m.com/new_page_7.files/image025.jpg
شكل (4-12 )يوضح مخطط لإنتاج الصلب بطريقة فرن مدركس
يتكون مصنع الإختزال المباشر للحديد بطريقة فرن مدركس من الأقسام الرئيسية التالية
1- فرن الإختزال. Vertical Shaft Reduction Furnace
2- المستعوض Recuperator
3- معالج الغاز Reformer
4- مجموعة تنظيم وتبريد الغاز ومنظومات المياه
Gas scrubbing & cooling system & water system
فرن الاختزال الراسى القائم :
يعمل الفرن القائم مثل الفرن العالى بنظرية التيار والتيارالمضاد الأجزاء الرئيسية للفرن القائم
1- وعاء الشحن
2- الموزع : يعمل على توزيع الشحنة فى القطاع المستعرض للفرن
3-منظومة الاختزال
4- منظومة التبريد
5- منظومة تفريغ المواد: يوجد في قاع الفرن منظومة تفريغ الحديد الاختزال مباشرة والمبرد على سير ناقل
6- منظومة إحكام الغاز: لمنع اى غاز معالج من ان يخرج من الفرن
نظرية عمل الفرن الراسى القائم
يتم شحنة أكسيد الحديد في الشكل قطع خام او مكورات من فوهة الفرن شحنا مستمراً, وتهبط الشحنة ببطء
وإلى قاع الفرن وتقابل فى طريقها الغاز الصاعد فترتفع درجة حرارتها ثم يخرج الغازمن الفرن كغاز علوي ؛
وبمجرد ان تصل درجة حرارة اكسيد الكربون والهيدروجين الذين يكونتان 90% من الغاز المعالج ,
وتتراوح درجة الحرارة الاختزال بين 557 م 955 م ْ وبعد أن تجاوز المادة المختزلة منطقة الاختزال تبرده
لانها اذا تعرضت وهى ساخنة للهواء الجوى فانها تبدأ فوراً فى التاكد مرة ثانية .
معـالج الـغاز :
يتكون الغاز المعالج اللازم الاختزال فى الفرن القائم اساساً من أول أكسيد الكربون وهيدروجين
الاجزاء الرئيسية الى يتكون منها المعالج :
1- جدار صندوقي من الصلب مبطن بطوب حراري لان درجة الحرارة داخلة تصل الى 1100 م ْ
2-مواسير المعالجة:
يحتوى المعالجة على عدد من الغرف بكل منها من1 إلى ستة صفوف من المواسير
الراسية تبعا لسعة المعالج
الحراقات :
يحتوى المعالج على صفوف من الحراقات مركبة فى جزئه من الأسفل, وتحرق غاز وقود وهو مخلوط
من الغاز الطبيعي والغاز العلوي المبرد .
تحضير الغاز المعالج :
يتم عن طريق خلط لجزء الاكبر من غاز اعلى فرن الاختزال الغاز الطبيعى كما ياتى
- 5:4 أجزاء بالحجم من غاز اعلى الفرن ( بعد ان يبرد و يتنظف ) ويحتوى هذا الغاز على نسبة
كبيرة من ثانى اكسيد الكربون وبخاز الماء .
- جزء واحد بالوزن من الغاز الطبيعى يتكون من الميثان (CH4)ويحدث التفاعل الكيماوى
للمعالجة فى مواسير المعالجة عند درجة حرارة 900-750 فى حضور عامل منشط وهو عبارة
عن نيكل اوكوبالت مرصع في حلقات من السيراميك.
المستعوض:
للإقتصاد فى الطاقة يستخدم الغاز الخارج من المعالج في أعراض التسخين في المستعوض , وهذا الغاز
الذى ينتج من الاحتراق يخرج من المعالج فى درجة حرارة 1100ْ م
ويؤدى الى عدة اعراض هى :
1_ تسخين الهواء اللازم لاحتراق غاز الوقود فى الطرقات الرئيسية
2_ تسخين غاز التغذية قبل المعالجة
3_ تسخين الغاز الطبيعى الذى يضاف الى غاز العملية الانتاجية قبل ان يدخل المعالج
مجموعات تنظيف وتبريد الغاز منظومات المياة
Gas scrubbing & cooling system & water system
تحتوى الغازات مثل الغاز العلوى وغاز التبريد على كميات كبيرة من الغبار وتحتاج إلى ان تنظف قبل
إن يعاد استخدامها ؛ كما يحتاج كل من غاز التبريد وغاز الاحكام وجزء من الغاز المعالج الى ان يبرد ,
ويتم التنظيف والتبريد بالماء
المعدات المستخدمة فى التنظيف والتبريد :
1- المبردات :مبرد الغاز المعالج, مبرد غاز الإحكام؛ مبرد غاز العملية والانتاجية
2- منظفات غاز: منظف غاز التبريد _ منظف الغاز العلوى
3- معدات تجميع الغبار عند مخرج الفرن
فرومنجنيز كربوني :
اختزال متزامن للسيليكا (كوارتزيت) وأول أكسيد المنجنيز (الموجود في الخبث)
بكربون الكوك و هذه الطريقة أكثر شيوعا لأنه
يمكن أن تتم في الجهاز نفسه وهذا أكثر اقتصادا ويستخدم لذلك الفرن الكهربي .
http://mining.150m.com/images/spacer.gif
http://mining.150m.com/images/spacer.gif
http://mining.150m.com/images/spacer.gif
http://mining.150m.com/images/spacer.gif