تولید فولاد به روش کوره بلند

در دنیای امروزی نیاز ما به فلزات مقاوم بر کسی پوشیده نیست؛ اما برای دستیابی به این فلزات، نیاز به کوره‌هایی با دمای بالا داریم. در گذشته فلزاتی مانند قلع و سرب را در کوره‌هایی با سوخت چوب به دست می‌آوردند. اما امروزه فلزات مقاوم‌تر مانند آهن و انواع فولاد به کوره‌هایی با دمای بالاتر نیاز دارند. یکی از این کوره‌ها، کوره بلند است که برای تولید آهن خام در دنیا مورد استفاده قرار می‌گیرد. از این کوره‌ها برای احیای سنگ آهن و به دست آوردن آهن خام استفاده می‌کنند. در این مقاله قصد داریم تا به طور کامل به معرفی و بررسی کوره بلند و تولید فولاد درون آن بپردازیم.

کوره بلند چیست؟

کوره بلند، کوره‌ای به شکل عمودی است که برای احیاء سنگ آهن و استخراج این فلز در کارخانه‌های ذوب آهن مورد استفاده قرار می‌گیرد. این کوره قدیمی‌ترین روشی است که برای به دست آوردن آهن خام به کار گرفته می‌شود. در کوره بلند می‌توان فرایند ذوب را به‌ صورت پیوسته و با ظرفیت‌های بالا انجام داد. بیش از 90 درصد سنگ آهنی که از معادن به دست می‌آید، در کوره بلند مصرف می‌شود. کوره‌های بلند را در ارتفاعی بین 30 تا 80 متر می‌سازند؛ به طوری که قطر ناحیه بزرگ آن‌ها بین 10 تا 14 متر باشد.

ساختمان کوره بلند به چه شکل است؟

کوره بلند از قسمت‌های مختلفی تشکیل شده است که ستون‌ها، دهانه کوره، تجهیزات نگهدارنده و فوندانسیون کوره از مهم‌ترین بخش‌های آن به شمار می‌روند. این کوره شکلی شبیه به دو مخروط ناقص دارد که از طرف قاعده روی هم قرار گرفته‌اند. بدنه داخلی آن جنس فولادی دارد و دیواره‌ها را با مواد نسوز پوشانده‌اند. برای خنک‌سازی کوره، بین دیواره‌های آن، آب در جریان است. ظرفیت کوره، ابعاد آن را تعیین می‌کند و ساخت آن بر اساس اصول اولیه‌ای انجام می‌گیرد که امکان تغییر ابعاد بخش‌های مختلف آن وجود دارد. عواملی که در ساخت کوره در نظر گرفته می‌شوند، شامل موارد زیر هستند:

• ظرفیت کوره
• فشار هوای داغ ورودی
• فشار بالای کوره
• مقدار کک مورد نیاز به ازای میزان آهن خام تولیدی

قسمت پایینی کوره، شکل مستطیلی دارد و به آن بوته کوره گفته می‌شود. بوته، محلی است که مواد مذاب و سرباره جمع می‌شود و باید آن را به‌ طور مرتب تخلیه کرد. به دلیل قرار گرفتن سرباره در بالاتر از مواد مذاب، بوته شامل دو خروجی می‌شود. خروجی بالایی به‌ منظور خروج سرباره است و از خروجی پایینی، مواد مذاب را خارج می‌کنند. لازم به ذکر است در کوره‌هایی که به‌ تازگی طراحی می‌شوند، شیب تنوره را کاهش داده‌اند. ضمن اینکه بزرگ شدن کوره، روی ابعاد بوته تاثیری نمی‌گذارد. همچنین به منظور آنکه هوای داغ برای احتراق کک به درون کوره دمیده شود، در اطراف کوره شیپورک‌هایی را تعبیه می‌کنند.

سوخت مورد نیاز در کوره بلند چیست؟

برای آنکه بتوان حرارت مورد نیاز کوره را تامین کرد، به یک ماده سوختنی نیاز است. ماده سوختنی به منظور استفاده در کوره بلند، باید از شرایط خاصی برخوردار باشد. ارزش حرارتی سوخت باید به‌ اندازه‌ای بالا باشد که بتواند حرارت مورد نیاز برای ذوب آهن را فراهم کند. علاوه بر این، باید توانایی عبور گاز و هوای داغ را از خود داشته باشد و بتواند به همه قسمت‌های کوره به‌طور یکسان برسد. از این رو سوخت مورد نیاز بایستی به صورت متخلخل باشد؛ به طوری که ذرات آن به یکدیگر نچسبند. با تمام توصیفاتی که گفته شد، ماده کک که از زغال سنگ تهیه می‌شود، از شرایط لازم برخوردار است و می‌تواند گزینه بسیار مناسبی برای این منظور باشد.

انواع کوره بلند در ایران

کوره‌های بلند در دو مدل رنگ‌دار و بدون رنگ موجود هستند. در ابتدا کوره‌های بلند ایران را بر اساس فناوری که از شوروی سابق وارد کشور شد، می‌ساختند؛ اما به تازگی فناوری جدیدی توسط شرکت پوسکو کره جنوبی وارد کشور شده است. کوره‌های روسی در مدل‌های رنگ‌دار هستند؛ در حالی که کوره‌های کره‌ای از فناوری جدیدتری برخوردار بوده و آن‌ها را بدون رنگ می‌سازند. لازم به ذکر است که کوره‌های رنگ‌دار ظرفیت بیشتری نسبت به کوره‌های بدون رنگ دارند.

تولید فولاد به روش کوره بلند چگونه است؟

در تولید برخی فلزات به ‌صورت مایع مانند فولاد از کوره بلند استفاده می‌کنند. از لحاظ تئوری می‌توان گفت که این کوره اساس کار ساده‌ای دارد.  فشار هوا با فشاری بالا به محفظه وارد می‌شود و در قسمت کف کوره با مخلوطی از سنگ معدن فلز مورد نظر، فلاکس و کک مورد واکنش قرار می‌گیرد. در اثر این واکنش، مواد مذاب فلز، سرباره و مقداری گاز حاصل می‌شود. از بالای کوره، گازها خارج شده و مواد مذاب از قسمت کف کوره به پاتیل‌های کوچک‌تر انتقال داده می‌شوند. سپس آن‌ها را به منظور ریخته گری یا شمش‌ریزی به مکان‌های مورد نظر انتقال می‌دهند.

محصولات کوره بلند چیست؟

زمانی که تمام مراحل در کوره بلند انجام گیرد، آهن خام مذاب و سرباره‌ای که تولید شده است، در بوته جمع می‌شود. به دلیل آنکه وزن سرباره و آهن مذاب با یکدیگر اختلاف دارد، از هم جدا می‌شوند. آن چیزی که به عنوان محصول نهایی از کوره بلند به دست می‌آید، آهن خام است که 3 یا 4 درصد کربن را شامل می‌شود و دمای ذوبی برابر با 1300 درجه سانتی‌گراد دارد. آهن خام حاصل، از شکنندگی بالایی برخوردار است و ناخالصی‌های فراوانی دارد. از طریق کنترل مقدار سیلسیم و منگنز و همچنین تنظیم درجه حرارت کوره بلند، می‌توان به دو نوع آهن خام رسید که آهن خام سفید و آهن خام خاکستری را شامل می‌شوند.

1- آهن خام سفید

آهن سفید، 3.5 تا 4 درصد کربن، 0.1 تا 0.2 درصد سیلیسیم، 1 تا 4 درصد منگنز، 0.3 درصد فسفر و 0.04 درصد گوگرد دارد. وجود منگنز باعث می‌شود که آهن با کربن به شکل کاربید آهن باقی بماند. وجود منگنز و کاربید آهن باعث می‌شود تا مقطع این آهن خام، رنگ سفید و درخشانی داشته باشد.

2- آهن خام خاکستری

آهن خاکستری دارای 3.5 تا 4 درصد کربن، 1.5 تا 3 درصد سیلسیم، 0.3 تا 2 درصد فسفر، 1 درصد منگنز و 0.6 درصد گوگرد است. سیلسیم زیاد در این محصول باعث می‌شود که در حین سرد شدن، کربن از کاربید آهن جدا شود و به صورت گرافیت خود را نشان دهد. مقطع شکسته آهن خام خاکستری به رنگ خاکستری است. قابلیت ریخته‌گری خوب این محصول باعث می‌شود تا در تهیه انواع چدن‌ها مورد استفاده قرار گیرد.

3- سرباره

سرباره از ذوب اکسید ناخالصی‌ها، مواد گدازآور و خاکستر کک تشکیل می‌شود. حجم سرباره حاصل از کوره بلند، سه برابر حجم آهن خام تولیدی است. از این محصول در تهیه سیمان، عایق حرارتی، آجرهای نسوز، کود شیمیایی و زیرسازی جاده‌ها استفاده می‌کنند.

4- گاز

از واکنش سنگ معدن با فلاکس و کک، گازی به وجود می‌آید که از بالای کوره خارج می‌شود. این گاز شامل مونوکسید کربن، متان، ازت، هیدروژن و دی اکسید کربن بوده و با ذرات معلقی همراه است. این گاز را از غبارگیر و فیلترهای الکترواستاتیکی عبور می‌دهند و از آن برای گرم کردن کوره بلند، کک‌سازی، کلوخه‌سازی، دیگ بخار، توربین‌های گازی و موارد دیگر استفاده می‌کنند.

ظرفیت کوره بلند آهن چقدر است؟

کوره‌های بلند موجود در ایران ظرفیت‌های مختلفی دارند. برای مثال کوره‌های بلند ذوب اصفهان از ظرفیت تولید 800000 و 1400000 تن در سال برخوردار هستند و کوره بلند شرکت فولاد میبد، ظرفیت تولیدی برابر با 1400000 تن در سال را دارد.

عملیات احیا در کوره بلند چگونه است؟

عملیات احیا در کوره بلند به چهار منطقه زیر تقسیم می‌شود:

1- منطقه خشک کردن

این منطقه در قسمت بالایی کوره قرار گرفته است و درجه حرارتی در حدود 300 درجه سانتی‌گراد دارد. با عبور گازهای گرم از این منطقه، درجه حرارت مواد ریخته شده به داخل کوره افزایش می‌یابد و باعث تبخیر رطوبت آن‌ها می‌شود.

2- منطقه احیاء غیرمستقیم

در این منطقه زمانی که درجه حرارت افزایش پیدا کند، کک، مواد سیاله و گدازآور اثر می‌کنند و گاز منوکسید کربن به دلیل احتراق ناقص کک متصاعد می‌شود و با تاثیر بر روی اکسید آهن، آن را در چند مرحله احیا می‌کند. در این منطقه، شکل‌های مختلفی از اکسید آهن در اثر واکنش با گاز مونوکسید کربن به یکدیگر تبدیل می‌شوند و در نتیجه آهن فلزی تشکیل خواهد شد.

3- منطقه کربنیزه شدن

این منطقه درجه حرارتی برابر با 1000 درجه سانتی‌گراد دارد. از احیای سنگ آهن، آهن خالصی به دست می‌آید که در حین رفتن به سمت پایین کوره با کک گداخته برخورد می‌کند و با کربن درون آن ترکیب می‌شود. همچنین در این مرحله، سیلسیم، گوگرد، منگنز و فسفر همراه با اکسید آهن به سمت پایین حرکت کرده و قسمتی از آن با اکسید آهن ترکیب می‌شود.

4- احیا مستقیم

در این مرحله ترکیبات ذوب‌شده به سمت پایین در حال حرکت هستند. به دلیل آنکه همه اکسیدهای آهن، فرصتی برای احیا شدن پیدا نمی‌کنند، بقیه آن‌ها به ‌وسیله کربن جامد احیاء می‌شوند. درجه حرارت این عملیات بین 1200 تا 1400 درجه سانتی‌گراد است.

مزایا و معایب استفاده از کوره بلند

مزایای کوره بلند شامل موارد زیر هستند:

• فرایند بهینه شده
• هزینه تولید پایین
• کیفیت بالای محصول
• حجم تولید بالا ناشی از شارژ پیوسته

معایب استفاده از کوره بلند به قرار زیر است:

• زیاد بودن میزان سوخت مصرفی
• فرایند طولانی
• وارد کردن آسیب‌های بالا به محیط زیست نسبت به سایر روش‌ها
• وابستگی این فرایند به کک
• کاهش معادن سنگ آهک و به دنبال آن افزایش قیمت محصول افزایش

سخن پایانی

در این مقاله به صورت کامل به معرفی روش تولید فولاد با استفاده از کوره بلند پرداختیم و ساختمان این کوره را مورد بررسی قرار دادیم. همچنین مراحل عملیات احیا و مزایا و معایب استفاده از این روش را بیان کردیم. شما می‌توانید از کوره بلند برای ساخت محصولات مختلفی مانند آهن خام سفید، آهن خاکستری یا سرباره استفاده کنید.