فولادسازی و انواع فرآیندهای مرتبط با آن

فولاد سازی چیست؟ سنگ آهن یا قراضه در فرآیند فولادسازی (Steelmaking) به فولاد تبدیل می‌شود. در این فرآیند، عناصر آلیاژی مانند کربن، وانادیوم، کروم، نیکل و منگنز را جهت ساخت درجه‌های مختلف فولاد به آن اضافه می‌کنند. ناخالصی‌های منبع آهن نیز ازجمله فسفر، گوگرد، نیتروژن، سیلیکون و کربن اضافی از ساختار آن حذف می‌شود. اصولا، محدودسازی ناخالصی‌ها و گازهای مازاد مانند نیتروژن و هیدروژن در فولاد مذاب به افزایش کیفیت تولیدات کمک می‌کند. به‌طورکلی، فولادسازی دارای پروسه و استانداردهای مشخصی است که باید در کارخانجات فولادی رعایت شوند.

انواع فرآیندهای نوین فولادسازی

بیش از هزاران سال از قدمت فولادسازی می‌گذرد و این صنعت از آن زمان تا به امروز کمک شایانی به توسعه فناوری‌های مختلف کرده است. امروزه فرآیندهای فولادسازی شامل فولادسازی اولیه و فولادسازی ثانویه می‌شود. در فولادسازی اولیه، آهن مذاب تولیدشده از کوره بلند به فولاد تبدیل می‌شود. برای این منظور، معمولا از کوره قوس الکتریکی یا اکسیژن قلیایی استفاده می‌کنند. در فولادسازی ثانویه نیز عملیات خالص‌سازی فولاد خام قبل از ریخته‌گری انجام می‌گیرد. در قسمت زیر، با این فرآیندهای نوین فولادسازی به صورت کامل آشنا خواهید شد.

فولاد سازی اولیه چیست؟

بسیاری از کارخانه های فولاد ایران با یکی از فرآیندهای فولادسازی اولیه اقدام به تولید فولاد می‌کنند. به عبارتی، واحدهای تولیدی با توجه به شرایط و امکانات خود با یکی از روش‌های فولادسازی اولیه باعث تبدیل سنگ آهن یا قراضه به فولاد می‌شوند. این روش‌ها عبارت‌اند از:

روش اکسیژن قلیایی

اکسیژن قلیایی یکی از فرآیندهای فولادسازی اولیه است که ماده اولیه آن را مواد مذاب حاصل از کوره بلند تشکیل می‌دهند. فولاد بازیافتی نیز با هدف ایجاد توازن به ترکیب آن اضافه می‌شود. این دو در کوره اکسیژن با هم ترکیب شده و اکسیژن خالص با سرعت مافوق صوت بر آن‌ها دمیده می‌شود. در ادامه، این اکسیژن با کربن و سیلیکون حاضر در کوره ادغام شده و حرارت زیادی را تولید می‌کند که نتیجه آن، ذوب فولاد افزوده شده است.

در این فرآیند، حتی ذوب منگنز، فسفر و آهن نیز باعث ایجاد گرما می‌شود. کربن مونوکسید ناشی از سوختن هم در زمان خروج از کوره، گرمای خود را به کوره منتقل می‌کند. به‌طورکلی، فولادسازی با اکسیژن قلیایی نیازی به انرژی بیرونی ندارد. روش اکسیژن قلیایی را می‌توان این‌گونه تعریف کرد که دمش اکسیژن از داخل آهن چدن موجبات کاهش درصد کربن آلیاژشده و تبدیل آن به فولاد را فراهم می‌کند.

قوس الکتریکی

ذوب مواد فلزی در این کوره با یک قوس الکتریکی انجام می‌گیرد. دمای ذوب و تخلیه آن نیز حدود ۱۶۰۰ درجه سانتی‌گراد برآورد می‌شود؛ البته دمای برخی از کوره‌های آزمایشگاهی ممکن است از 3000 درجه سانتی‌گراد هم فراتر برود. به هر حال، در کوره‌های قوس الکتریکی جهت ساخت فولاد و چدن از مواد پایه‌ای نظیر آهن اسفنجی، آهن قراضه، فرو آلیاژهای آهک و فلورین و همین‌طور شمش چدن کوره بلند استفاده می‌کنند.

شایان ذکر است، در کشور ما معمولا از آهن اسفنجی و آهن قراضه به شکل گندله یا خشته استفاده می‌کنند که دلیل اصلی آن، وجود واحدهای حرفه‌ای احیای مستقیم است. آهن در فولادسازی با قوس الکتریکی تحت دمای بالا که پیش‌تر به این دما رسیده است، با مقداری قراضه آهن به کوره ریخته می‌شود و سپس، با القای جریان الکتریکی با میله‌های حامل جریان، دما بیشتر شده و فولادسازی رخ می‌دهد. همچنین، به منظور جداسازی راحت‌تر سرباره از مواد خالص‌کننده‌ای مانند ترکیبات آهک استفاده می‌شود.

کوره بلند روباز

کوره بلند روباز یکی دیگر از انواع کوره مورداستفاده در فولادسازی است که در آن، ناخالصی‌هایی مانند کربن اضافی از آهن خام سوزانده می‌شوند. به عبارتی، تولید فولاد به علت دمای ذوب زیاد کار سختی است و کوره‌ها و سوخت‌های معمولی پاسخگوی آن نیستند؛ برای حل این مشکل، کوره‌های بلند باز ساخته شدند. به‌طورکلی، ساخت فولاد در این کوره‌ها آسان‌تر از روش‌های ماقبل آن‌ها مانند روش بسمر است. همچنین، کوره‌های بلند روباز معمولا ظرفیت زیادی دارند و می‌توان مقادیر زیادی از آهن را جهت ساخت فولاد به داخل آن‌ها منتقل کرد.

روش کوره القائی

کوره القائی یک نوع کوره الکتریکی است که در آن، گرمای موردنیاز با گرمایش القائی ایجاد می‌شود. این کوره دارای فرآیند ذوب تمیز، کم‌مصرف و مدیریت دقیق متالورژی مواد مذاب نسبت به بسیاری از روش‌های مشابه خود است. ظرفیت آن نیز از 1 کیلوگرم تا 100 تن متغیر بوده و در حال جایگزینی با کوره‌های بلند است. کوره‌های بلند به دلیل آلودگی‌های زیاد در حال منسوخ شدن هستند و کارخانه‌های مدرن نیز کوره‌های القائی را جایگزین آن‌ها کرده‌اند. در این کوره‌ها، ذوب با ایجاد جریان برق آغاز شده و فولاد مذاب با ریخته‌گری به فولاد قابل‌استفاده تبدیل می‌شوند.

فولاد سازی ثانویه چیست؟

فولاد سازی ثانویه در درون پاتیل رخ می‌دهد. کنش‌های داخل پاتیل شامل اکسیژن‌زدایی معروف به کیلینگ، گاززدایی در خلا، انتقال آلیاژ، نابودی ناخالصی‌ها، اصلاح شیمیایی ناخالصی‌های موجود، عملیات گوگردزدایی و همگن‌سازی می‌شود. تمام این کنش‌ها در پاتیل توسط همزن گازی و گرم‌کننده قوس الکتریکی قرارگرفته در پاتیل صورت می‌گیرند. درضمن، وارسی دقیق متالورژی پاتیل اهمیت زیادی دارد؛ چراکه باعث تولید فولادهای درجه بالا با تلرانس عالی می‌شود.

انتشار کربن‌دی‌اکسید در فرآیند فولاد سازی و روش‌های جلوگیری از آن

فرآیند فولادسازی باعث گسترش صنایع دیگر شده است اما معایبی نیز به همراه دارد که یکی از مهم‌ترین آن، نشر گاز کربن دی‌اکسید در هوا است. این آلاینده هوا در صورت کنترل نشدن آسیب‌های جدی به سلامت ما و طبیعت وارد می‌کند؛ به همین دلیل، باید تا حد امکان از انتشار آن جلوگیری کرد. جوامع پیشرفته جهت کنترل گازهای کربن دی‌اکسید ناشی از فولادسازی به سراغ تولید مدرن آن رفته‌اند. به‌عنوان‌مثال، از کوره‌های مناسبی مانند کوره قوس الکتریکی استفاده می‌کنند و منابع انرژی آن‌ها نیز سوخت‌‌های غیر فسیلی است. با رعایت همین نکات ساده می‌توان از انتشار بی‌رویه آلاینده‌های مضری چون کربن دی‌اکسید جلوگیری کرد.