كاربرد مواد ديرگداز در صنايع آهن و فولاد

حدود ۷۰% كل توليدات مواد نسوز در صنايع توليد آهن و فولاد مصرف مي شود. بسياري از توليد كنندگان فولاد در مراكز خود داراي پخش ديرگداز هستند كه در اين بخشها آزمايشهاي متداول و معيني بر روي ديرگدازهاي جديد دريافت شده انجام مي دهند. بعضي از كارخانه ها نيز بخش هاي بزرگ تحقيقاتي دارند كه در آنها تحقيقات مداومي بر روي ساخت انواع ديرگدازهاي جديد صورت مي پذيرد.

مذاب فلزات و سرباره اثرات مخربي بر روي آستر كوره هاي مورد مصرف در صنايع آهن و فولاد دارد. اين مواد موجبات آلودگي، پوسيدگي، سائيدگي، شستن و حمل كردن آجرهاي ديرگدازي را كه ظاهراً بايد در مقابل عوامل شيميائي سخت و مقاوم باشند را فراهم مي سازند. هدف اصلي طراحان و سازندگان مواد نسوز اينستكه موادي براي آسترها تهيه كنند كه فلز و سرباره نه در آنها نفوذ نمايد و نه با آنها وارد واكنش گردند. ايده آل اين طراحان ساخت موادي است كه بدون عيب بوده و مقاوم در مقابل شوكهاي حرارتي باشند، البته آنها بايد در عمل اين ايده خود را تعديل بخشند.

توليد آهن در كوره بلند
عليرغم احتمال وجود رقابتهائي از طرف روش احيا مستقيم در آينده، بنظر ميرسد كه استفاده از كورة بلند براي تهيه آهن خام لااقل براي سالهاي زياد ديگري همچنان متداول باقي بماند. شواهد و قرائن بسياري تمايل بيشتر براي استفاده از كوره هاي بزرگتر از جانب تهيه كنندگان را نشان مي دهد. استفاده از درجه حرارتهاي بالاتر، دمش اكسيژن اضافي و كار در فشارهاي بالاتر، شرايط انتخاب و كاربرد مواد نسوز بهتر، دقيقتر و بحراني تري را فراهم مي سازد.

كورة بلند عبارتست از يك سيلندر مخروطي فولادي كه آستر آن بدليل شرايط متفاوت ساختمان هر قسمت از كوره. توسط مواد ديرگداز مختلفي پوشيده شده است مواد شارژ شامل سنگ معدن آهن، كك و آهك از دهانه بالاي كوره كه مي تواند تا حدود ۳۶ متر نيز ارتفاع داشته باشد، وارد كوره بلند مي گردد. هواي پيش گرم شده اغلب بهمراه مواد ديگري چون اكسيژن، بخار آب و ديگر گازها از ميان لوله هايي بدرون توده شارژ دميده مي شود. در نتيجه اين عمل كك سوخته و به CO2 تبديل مي گردد و آهن موجود در سنگ معدن شارژ را احياء كرده و به آهن فلزي تبديل مي كند. واكنش زير محصول كوره بلند را نشان مي دهد:

مذاب آهن تهيه شده در ته كوره جمع آوري مي گردد تا اينكه يا مستقيماً تحويل كوره فولاد سازي شود و يا براي انجام عمليات بعدي، ريخته گري و سرد گردد.
كوره بلند بر اساس تبادل متقابل انرژيهاي شيميائي و حرارتي عمل مي كند. عليرغم وجود بيش از يك قرن سابقه تحقيقاتي در مورد تهيه آهن توسط كوره بلند، اطلاعات مختصري دربارة توزيع درجه حرارت در هنگام كار اين كوره ها موجود است. اين امر مانع از عملكرد دقيق مواد ديرگداز بكار رفته در نقاط مختلف كوره مي شود. بدنه، شكم و تنوره بخش هاي اصلي يك كورة بلند را تشكيل مي دهد.( به شكل ۱ توجه كنيد). انتخاب دقيق مواد نسوز مناسب همراه با تعبيه سيستم خنك كننده در نقاط گرم كوره بخصوص نواحي شكم و بوته( محل جمع آوري مذاب) عمر كوره را افزايش مي دهد اگر چه غالباً در اثر عملكرد عوامل مخرب ناشناخته، امكان بروز شكستهاي ناگهاني وجود دارد.

گاز از ناحيه فوقاني كوره بلند خارج مي شود و اين در حاليست كه در حدود ۱۵ـ ۱۰ گرم بر سانتيمتر مكعب گرد و غبار حاوي ذرات سنگ معدن آهن، كك و مواد روانساز را به همراه دارد. در بعضي موارد غلظت اين گردو غبارها به حدود ۱۰۰ نيز مي‌رسد. مجموعه اي از عوامل چون درجه حرارت بالا، گرد و غبار معلق در كوره و مواد ساينده ناشي از حركت نزولي شارژ كوره از بالا به پائين، مدت عمر آستر را معين مي سازد. از آنجائيكه اين اعمال با سرعت هاي متفاوتي در قسمت هاي مختلف كوره صورت مي پذيرد لذا طراح مي بايد براي نواحي مختلف، مواد نسوز متفاوتي را انتخاب نمايد.

برحسب مواد ديرگداز بكار رفته براي كورة بلند دو ناحية متفاوت را مي توان تصور نمود:
الف) منطقة فوقاني كه بحراني ترين ناحية اين قسمت، بدنه كوره بلند است.
ب) منطقة تحتاني شامل قسمت هاي تنوره، كف، شكم و لوله هاي دمندة هوا و…

حدود تغييرات درجه حرارت در منطقة تحتاني با تقريب بسيار مابين C‌ْ ۱۸۰۰ـ۱۳۰۰ و در منطقة فوقاني بين C ْ۱۳۰۰ـ۲۰۰ مي باشد. منطقه تحتاني كه اجباراً در آن مذاب به همراه سرباره وجود دارد و فعل و انفعالات موجود در درجه حرارتهاي بالا صورت مي پذيرد، موقعي مي تواند پايدار بوده و عمل كند كه آستر توسط جريان آب سرد خنك شود. نحوه ساخت منطقة فوقاني نيز بايد بگونه اي باشد كه در مقابل عمليات مكانيكي و خوردگي شيميائي ناشي از گازها و بخاراتي كه توسط شارژ ايجاد مي شود مقاومت ورزد.
هنگاميكه كوره بلند در حال فعاليت مي باشد تنورة آن در تمام طول عمرش تحت تأثير مذاب آهن با درجه حرارتي حدود C ْ۱۵۰۰ و فشار قرار دارد. باين ترتيب تنوره بزودي از بين خواهد رفت.

در اين حالت مواد نسوز( آجرهاي كربني و يا خاك نسوز) در مذاب شناور شده و متصديان كوره در معرض خطر نشت و نفوذ آهن به خارج كوره قرار مي گيرند.
از آنجائيكه براي هر تعمير اساسي لازم است كاملاً كار كوره متوقف گردد و بنابراين تنوره كوره بلند بايد با مراقبت هاي ويژه اي ساخته شود. سرعت سايش و خوردگي مواد نسوز علاوه بر نوع و كيفيت ديرگداز بكار رفته تحت تأثير نوع آهن شارژ شده نيز مي باشد. ريخته گري چدن اسفنجي و فرو سيليس ها نياز به كوره هاي با درجه حرارت بالاتري نسبت به فولاد ريزيهاي معمولي دارد. آهن هاي فسفر دار بدليل ويسكوزيتة كمتر داراي قدرت سايش بيشتري بر روي كف كوره هستند. سايش كف كوره هاي بلند نيز بسيار پيچيده و نامشخص است. علت اين مسئله هم اينستكه از مواد ديرگداز كف كوره در طول انجام عمليات نمي توان بسادگي نمونه برداري و آزمايش نمود. كف كوره بصورت مداوم پوشيده از فلز مذاب آهن بوده و بنابراين تحت فشار زياد قرار دارد.

“ فاكتورهاي موثر در آستر كوره”

كاركرد خوب و موثر يك كوره بلند تحت تأثير عوامل مختلفي چون طراحي كوره و نحوه سرد شدن آن، كيفيت و خواص مواد ديرگداز بكار رفته، اندازة ذرات شارژ( سنگ آهن، كك و آهك)و روش كار عمومي آن به عنوان يك واحد تقريباً خودكار كه بطور مداوم كار مي كند، دارد. بايد توجه عمده اي به اندازة ذرات مواد شارژ شده داشت زيرا كه ميزان ذرات ريز( بصورت گرد) موجود در شارژ تأثير بحراني و موثري بر روي مواردي چون عمر آستر بدنه و شكم كوره بلند دارد. استفاده از مواد نسوز كائوليني با دانسيته بالا در بدنه كوره موجب جلوگيري از نفوذ كربن مونواكسيد مي شود( به بحث هاي بعدي توجه كنيد). جلوگيري از نفوذ CO باعث كاهش احتمال شكست آستر گرديده و اين خود تائيدي براي اين تئوري خواهد بود كه شكست آستر توسط تجزيهCO و رسوب كربن صورت مي پذيرد البته در اين شرايط نيز ذرات كربن بخصوص بر روي نواحي اتصال آجرها با ملاط ديده مي شود. اين پديده در مراحل ابتدائي آغاز كار كوره مهم است و باين خاطر اهميت دارد كه موجب انبساط حجمي
در ساختمان مي گردد.

“ بوته كوره بلند”
هم اكنون در ايالات متحده آمريكا مصرف آجرهاي كربني براي كف بوته كوره بلند امري متداول است. براي چنين بوته هايي سرد كردن امري ضروري است. توپي مركزي بوته از جنس آجر خاك نسوز ساخته مي شود. اخيراً از سليمانيت نيز براي اين منظور استفاده مي شود. تاكنون تركيبات مختلفي از آجرهاي كربني و آجرهاي خاك نسوز در دنيا براي بوته بكار گرفته شده اند اما برخي متخصصان نسبت به كار برد بلوك هاي كربني در قسمت فوقاني بوته هشدار داده اند زيرا احتمال سايش آنها در اثر دمش هوا وجود دارد.
علاوه بر اين وقتيكه آهن هاي كم كربن در كوره ذوب شوند احتمالاً كربن هاي موجود در آجر كربني در مذاب حاصله حل شده و آجرها بيش از پيش متخلخل گرديده و در نتيجه سريعتر سائيده مي شوند. استفاده از مخلوط كوبيدني كربن ـ كرم منيزيت در آستر عموماً به افزايش عمر بوته كمك مي نمايد.

در مواقعيكه آجرهاي كربني با دانه هاي كربن ريز در ديواره هاي بوته قرار داشته باشد، رسوب نمودن كربن بر روي آجر نيز مي تواند نقشي تعيين كننده در عمر بلوك‌ها داشته باشد. يك راه ممكن براي رفع اين اشكال استفاده از آجرهاي كربني با نفوذ پذيري كمتر مي باشد. اين امر ارتباط كامل به منبعي كه كربن از آن تهيه شده است دارد( بعنوان مثال كربن حاصل از كك نفتي، آنتراسيت و… ) در مدت بهره برداري از آجرهاي دير گداز بوته كورة بلند، تغييرات مينرالوژيكي و شيميائي مهمي در آنها رخ مي دهد.

مواد قسمت تحتاني با موادي چون آهن، كاربيد و گرافيت آغشته گرديده كه اين امر موجب افزايش دانسيته و بالا رفتن هدايت حرارتي آنها مي شود. بالا رفتن هدايت حرارتي سبب افزايش راندمان سرد شدن و در نتيجه جلوگيري از سايش آستر مي گردد. بمرور در ضمن فعاليت كوره صرفنظر از نوع آجر بكار رفته ناحية مركزي ته بوته بوسيلة سرباره و آهن جايگزين مي گردد.

در سالهاي اخير شكلهاي غير مترقبه و غير منتظره از بين رفتن بوته هاي كوره بلند مورد بررسي قرار گرفته است. آزمايشها نشان داده كه برخي بوته ها حاوي ذرات فلزي كروي با قطر حدود ۵/۷ سانتي متر است. در نزديكي ديوارة بوته رگه هاي سفيد رنگي كه بعداً معلوم شده كريستوباليت است با ضخامت حدود ۵/۱ سانتي متر نيز ديده شده است. بنظر مي رسد كه كريستوباليت ها از تجزيه دير گدازهاي بوته ناشي شده اند.

“ شكم كوره”
مواد ديرگداز بكار رفته در آستر شكم كوره بلند تحت سايش و خوردگي حاصل از تماس سربارة مذاب با درجه حرارتي حدود C ْ۱۵۰۰ و عوامل ساينده اي چون كلوخه هاي باركوره قرار دارند. نحوة عمل كوره بخصوص از نظر سرعت دمش هوا بسيار مهم است. بعضي از توليد كنندگان آهن خام معتقد بودند كه سرعت كم دمش، اثر معكوسي بر روي عمر شكم كوره بلند دارد. هنوز هم مباحثه در مورد بهترين انواع مواد ديرگداز بكار گرفته شده در شكم كوره ادامه دارد، و بسياري از توليد كنندگان مكرراً عقايدشان را تغيير مي دهند.

آجرهاي كربني، خاك نسوز و گاهي اوقات آجرهاي آلومينائي ذوب و ريخته گري شده( شامل زيركون ـ آلومينا) بعنوان آستر شكم كوره بكار گرفته مي شوند. آجرهاي كربني تعبيه شده در نزديكي خنك كننده هاي جت هاي دمش هوا به سرعت بوسيله بخار آب، گاز CO2 و يا هوا اكسيده مي گردند. با تحقيقات انجام شده آجرهاي كربني با نفوذ پذيري كم براي پيشگيري از رسوب كربن و تجزية CO پيشنهاد شده است. خواص مطلوب ديگر آجرهاي كربني مورد مصرف در شكم كوره بلند، بالا بودن هدايت حرارتي، مقاومت در برابر محيط هاي قليائي، مقاومت بالا در مقابل اكسيداسيون و استحكام فشاري بالا مي باشد. اثر نمكهاي پتاسيمي كه از طريق گازها و بار كوره بدرون خلل و فرج آستر نفوذ مي كنند نيز از اهميت ويژه اي برخوردار است، علت اين اهميت آنستكه يونهاي پتاسيم توسط نفوذ در شبكه ذرات كربن آنها را منبسط كرده و موجب تجزيه آجر مي گردند.

مقدار خوردگي شيميائي در آستر شكم كوره ها مستقيماً به ميزان قليائيت سرباره و ويسكوزيته آن بستگي دارد، مثلاً سرباره اي حاوي ۴۵% اكسيد كلسيم بسيار خورنده هستند. عمر آستر شكم كوره به شكل گيري پوسته اي از آلومينا و سيليس( ناشي از شاموت موجود در آجر در مورد آجرهاي آلومينو سيليكاتي) غني شده از آهك، منيزيم و ديگر اكسيدهاي حاصله از شارژ بستگي دارد.

تنوره كوره بلند
جنبه هاي شيمي فيزيكي كاركرد ديرگدازهاي تنورة كوره بلند شايد يكي از جالب ترين وجوه تكنولوژي ديرگدازها از نقطه نظر تاثير آن بر كوره بلند باشد. پديدة كلاسيك تجزيه در اثر كربن فقط يكي از دلايل شكست مواد نسوز بكار رفته در بدنه كوره است. اگرچه همانطور كه قبلاً هم ذكر شد استفاده از آسترهاي كائوليني با دانسيته بيشتر از وخامت و اهميت اين مسئله ميكاهد ولي آنرا كاملاً از بين نبرده و همچنان اين مسئله مطرح است. در هر حال مسايل بسيار ديگري نيز براي توليدكنندگان ديرگدازها وجود دارد. با تحقيقات فراوان انجام شده معين شده است كه:

شكست آستر تنوره كوره بستگي كامل به خواص ديرگدازها، سيستم خنك كنندگي آستر، سيكل عملكرد كوره، عمل قليائيها، سربارة اوليه، اكسيد روي(Zincite) ، رسوب كربن، شدت دمش كوره، تنش حرارتي حاصل در ساختمان، سايش حاصله توسط شارژ، و فاكتورهاي ديگر دارد. جهت افزايش مقاومت آستر بايد اين موارد را رعايت كرد: اولاً بايد از آجر متراكمي كه از مواد كائوليني همراه با مقادير زيادي از شاموت و حداقل مقدار مواد روانساز تهيه شده و در درجه حرارت بالائي پخته شده باشد استفاده نمود. ثانياً بهترين سيستم خنك كنندگي را پيش بيني و اجرا كرد. ثالثاً سيكل كار كوره را مخصوصاً در آغاز سيكل پس از دمش هوا و قبل از مرحله خشك كردن نهائي آستر تنظيم و تثبيت نمود.

اخيراً يكي از محققين مقاله اي پس از راهنمائي هاي عملي در مورد آنچه كه براي بهبود وضعيت مواد ديرگداز كوره بلند مورد نياز است ارائه نموده و در اين مقاله بر تفاوت شرايط بالا و پائين تنورة كوره تائيد كرده است. آجرهاي كائوليني و سليمانيتي براي كاربرد در قسمت فوقاني تنوره مناسب است و امكان دارد در مواقعيكه آجرهاي ديرگداز قسمت تحتاني كه رضايتبخش نبوده اند تعويض مي شوند آجرهاي قسمت فوقاني در جاي خود باقي بمانند. ديرگدازهاي مختلفي در محدودة ۴۲ـ ۹۵% آلومينا( سيليمانيت، آجر نسوز، آجرهاي ذوب و ريخته گري شده) در قسمت تحتاني تنوره كوره بلند مورد استفاده واقع شده اند.

يكي از محققين تجربيات بدست آمده در مورد عمر آسترهاي كوره بلند در ايالات متحده را مورد بحث قرار داده است.
نتيجه گيري هاي او كه مبتني بر تجربيات حاصل از ساليان متمادي كار در شركت تهيه فولاد ايالات متحده است بر روي تغييرات مينرالورژيكي آجرها ضمن كار در كوره و اهميت آماده سازي شارژ( شامل اندازه دانه هاي كك، سنگ معدن و آهك) تاكيد فراوان دارد. اظهار نظر محققين انگليسي در مورد كاهش اهميت اثر كربن در شكست آستر در واقع نتايج اين محقق آمريكائي را تائيد مي كند.

امروزه بنظر مي رسد كه مسئله محل اتصال آجرها اهميت بيشتري دارد.
“ اثر قليائيها بر تنوره كوره بلند”
در ناحيه تحتاني تنورة كوره مواد قليائي قادرند تا عمق زيادي در آستر نفوذ كنند. عمماً غلظت مواد قليائي ۱۰ـ۹% بوده كه گاهي تا ۲۵% نيز ميرسد. در آمريكا توسط اضافه كردن سطوح مبردها ميزان خسارت وارده به آستر تنوره كوره را كاهش مي دهند. در گذشته خسارت وارده به آجرهاي خاك نسوز آستر را مربوط به تجزيه كربن ميدانستند ولي امروزه تحقيقات نشان داده است كه اين مسئله مربوط به نفوذ قليائيها مي باشد. مواد قليائي بداخل آجر خاك نسوز نفوذ كرده و قبل از اينكه رسوب كربن به مرحلة خطرناك رسيده و باعث شكست آجر گردد، موجب تركاندن آن مي گردد. در واقع اين امر بخاطر تشكيل كلسيت(Kalsite) در آجر است. يك آزمايش نشان مي دهد كه تركيب حاصله شامل K2O 4/28% و Na2O 2/4% مي باشد.

مطالعات انجام شده بر روي مقطع آجر خاك نسوز تنورة كوره نفوذ قابل توجهي از مواد قليائي را از بالا بسمت پائين مشخص كرده و نشان مي دهد كه واكنش هاي شيميائي صورت گرفته در ديرگداز منجر به تشكيل تركيبات آلومينا سيليكاتي قليائي گرديده است. ساختمان ديرگداز مخصوصاً ميزان نفوذ پذيري آن در مقابل قليائيها نسبت به تركيب شيميائي ديرگداز از اهميت بيشتري برخوردار است. كربناتها، اكسيدها و همچنين سيانيد پتاسيم مي توانند مسئول روانسازي و تجزيه آستر تلقي گردند( به جدول شماره ۲ نگاه كنيد).
برخي محققان عقيده دارند هنگاميكه مواد قليائي با آجر خاك نسوز آلوميناي پائين واكنش مي كند يك مايع شيشه اي حاصل مي شود در حاليكه در صورت واكنش با مواد آلوميناي بالا محصولي خشك و پودري شكل توليد مي كنند، كه مي تواند موجبات تركيدن مواد ديرگداز را فراهم كند. تركيبي شامل ۴۲% آلومينا تركيب مناسبي است كه مي تواند مواد قليائي را جذب كرده بدون اينكه تغييرات ابعادي داده و يا فازي مايع توليد نمايد.

 

اثر CO بر روي آستر كوره بلند
بدليل طبيعت فرآيندهاي متالورژيكي كه در كوره بلند اتفاق مي افتد محيط كوره مملو از گاز CO مي باشد. در حضور اكسيد آهن كه بعنوان ناخالصي در مواد رسي آجرهاي خاك نسوز موجود است، مونواكسيد كربن(CO) تجزيه شده بصورت ذرات ريز كربن در داخل خلل و فرج آجرها رسوب مي كنند. اين عمل در درجه حرارت حدود C ْ۶۰۰ـ۳۰۰ براي خلل و فرج ريز كوچكتر از ۵-۱۰ سانتي متر صورت مي گيرد، و به همين علت مقدار دقيق تخلخل آجرهاي بكار رفته براي تنورة كورة بلند از اهميت خاصي برخوردار است. كربن ناشي از تجزيه CO با آهن موجود در ماده اوليه آجر تشكيل سمنتيت(Fe3C) داده، مقداري انبساط حجمي بوجود ميآورد. بدين ترتيب آجر ترد شده و سرانجام مي شكند. حاصل اين امر از بين رفتن آستر تنورة كوره مي باشد.
واكنش مربوط به صورت :

مي باشد. ميزان نفوذ CO و در نتيجه رسوب كردن كربن مستقيماً به قابليت نفوذ پذيري آستر كوره در مقابل گاز و فشار گازهاي موجود در كوره بستگي دارد. از آنجائيكه تصور مي شود ذرات كربن موجب تردي ساختمان آجرها مي گردد. بنابراين هر چيزي كه بتواند از ميزان نفوذ گاز بكاهد در جلوگيري از تجزيه كربن مفيد خواهد بود. لذا بعضي از متصديان بر اين عقيده اند كه نفوذ مواد قليائي بعلت كاهش دادن خاصيت نفوذ پذيري در مقابل گازها در بعضي موارد به كاهش تجزيه كربن كمك مي‌كند.( به بخش قبلي در موارد قليائي رجوع كنيد).

اثر كاتاليتكي(Catalytic) اكسيدهاي آهن در آجرهاي خاك نسوز را مي توان توسط پختن ديرگدازها در حرارتهاي بالاتر(تا C ْ۱۵۰۰) و تبديل تركيبات آهن به سيليكاتهاي غير قابل احياء، كاهش داد. امروزه سعي مي شود كه از مواد رسي كائوليني با مقدار آهن كم استفاده شود و براي حصول به حداكثر دانسيته ممكن، پخت آنها در درجه حرارتهاي بالا انجام مي شود. ولي از آنجائيكه اين امر ممكن است موجبات كم شدن مقاومت در مقابل پوسته اي شدن گردد، بايد برخي خواص و مزايا را فداي برخي ديگر كرده، و با در نظر گرفتن كليه جوانب تركيبي مناسب را براي كار انتخاب نمود.

تاثير اكسيد روي
بعضي ها عقيده دارند كه روي و اكسيد روي كه از طريق اكسيد روي موجود در سنگ معدن آهن وارد آستر تنوره كوره بلند مي شود مي تواند عمل تجزيه مونواكسيد كربن را كه قبلاً ذكر شد تسريع بخشد. عليرغم انكار پديدة فوق توسط بعضي از افراد و اينكه هنوز در مورد نحوه انتقال و رسوب تركيبات روي بر آستر كوره بلند اطلاعات كمي موجود است ولي بهرحال اين تركيبات بر روي آستر كوره بلند نقشي مخرب ايفا مي نمايد. طي آزمايشهاي مختلف، مقدار زيادي فلز روي رسوب كرده در آستر از بين رفتة تنورة كوره ها ديده شده است.( تا عمق ۱۵ سانتي متري لايه ها.) احتمالاً واكنش صورت پذيرفته بشكل زير است :
: ۱
: ۲
در اينجا نيز كربن رسوب كرده و اين مسئله احتمالاً موجب تردي ساختمان مي گردد.