آشنایی با کوره قوس الکتریکی

در کارخانه‌ها و صنایع تولید انواع فولاد که با ذوب آهن و فلزات غیر آهنی درگیر هستند، معمولا لوازم و ابزار مخصوصی مورد استفاده قرار می‌گیرند. یکی از ملزومات در این محیط‌ها، حرارت بسیار بالا است. از این رو لازم است تا از لوازم متناسب در این زمینه بهره گرفته شود. کوره قوس الکتریکی به ‌عنوان یکی از کاربردی‌ترین ابزارها در این راستا شناخته می‌شود. این مدل کوره، در انواع صنایع داخلی و خارجی مربوط به ذوب آهن مورد استفاده می‌گیرد. در ادامه با ما همراه باشید تا به معرفی و بررسی بیشتر این ابزار بپردازیم.

کوره قوس الکتریکی چیست؟

در اولین قدم باید یک تعریف کلی و مفهوم اساسی برای این کوره در نظر بگیریم. کوره قوس الکتریکی (Electric arc furnace) که با عنوان EAF نیز شناخته می‌شود، یکی از کاربردی‌ترین و مهم‌ترین لوازم در روند ذوب فلزات و قطعات مختلف است. ساز و کار اصلی این کوره از طریق قوس الکتریکی انجام می‌شود. قوس الکتریکی در واقع یک حالت تخلیه الکتریکی بین دو رسانا و یا نارسانا است که برای روشنایی هم به کار برده می‌شود.

این کوره‌ها در ابعاد مختلفی ساخته شده و انتخاب از میان آن‌ها باید بر اساس کاربردی که در نظر دارید، انجام شود. میزان دمای کوره قوس الکتریکی در حدود 1600 درجه سانتی‌گراد بوده که برای ذوب اغلب فلزات مناسب و اثرگذار است. در شرایط آزمایشگاهی می‌توان دمای این کوره‌ها را تا حدود 3000 درجه سانتی‌گراد افزایش داد. این وسیله برای اولین بار در قرن 19 میلادی اختراع شده و حدود 200 سال از اختراع آن می‌گذرد.

انواع کوره قوس الکتریکی

بعد از آشنایی با تعریف این لوازم، لازم است تا به بررسی انواع کوره‌های قوس الکتریکی بپردازیم. امروزه این ابزار را در دو دسته کلی و اساسی قرار می‌دهند که به شرح زیر هستند:

مستقیم

یکی از انواع کوره‌های قوس الکتریکی، مدل مستقیم بوده که خود دارای زیرمجموعه‌های مختلفی است. این محصول در سه نوع تک الکترود، دو الکترود و سه الکترود تولید می‌شود. یکی از الکترودهای استفاده شده، دارای گرافیت بوده و سایر الکترودها در ته کوره جاسازی می‌شوند. در این حالت جریان از سمت کاتد به سمت آند حرکت می‌کند. این مدل از کوره قوس الکتریکی، ساختار پیشرفته‌تری نسبت به نوع دوم دارد و همین موضوع باعث شده تا استفاده از آن با کاهش مصرف 50 درصدی الکترود همراه باشد. عمر کوره در این حالت افزایش پیدا کرده و در مصرف برق نیز بین 10 تا 50 درصد صرفه‌جویی می‌شود.

غیرمستقیم

در این نوع کوره، از سه الکترود گرافیت استفاده می‌شود که به‌ عنوان کاتد در سیستم عمل می‌کنند. در این حالت ضایعات به‌ عنوان آند عمل کرده و جریان به‌ صورت غیرمستقیم برقرار می‌شود.

کوره قوس الکتریکی چه کاربردی دارد؟

از دیگر موضوعاتی که در این راستا از اهمیت بسیار بالایی برخوردار بوده و حتما باید به آن پرداخته شود، کاربردهای این مدل کوره است. همان‌طور که در بخش‌های قبلی هم اشاره کردیم، امروزه این کوره به ‌عنوان یکی از مهم‌ترین تجهیزات و ابزارهای مورد استفاده در صنایع مربوط به ذوب آهن و فلزات شناخته می‌شود. به ‌صورت کلی این کوره‌ها برای ذوب آهن مورد استفاده قرار می‌گیرند. از این رو می‌توانیم عمده کاربرد این لوازم را در صنایع مرتبط با این فرایند بدانیم.

کوره قوس الکتریکی چه اجزایی دارد؟

در راستای آشنایی هرچه بیشتر با این مدل کوره‌های ذوب فلزات، لازم است تا اطلاعات و آگاهی خود را درباره اجزاء و قسمت‌های مختلف آن‌ها ارتقا دهیم. این کوره‌ها نیز مانند سیستم‌های دیگر، از بخش‌های مختلفی تشکیل شده‌اند که زنجیره‌وار، وظایفی را بر عهده دارند. در این بخش با چند نمونه از مهم‌ترین و اصلی‌ترین اجزاء کوره قوس الکتریکی آشنا می‌شویم.

بدنه کوره

یکی از اصلی‌ترین بخش‌های این کوره‌ها، بدنه آن‌ها است. به‌ صورت کلی کوره قوس الکتریکی را می‌توانیم یک حمام بزرگ و حجیم با عمق کم و بدنه فولادی در نظر بگیریم. این بدنه با مواد نسوز و مقاوم در برابر حرارت، کاملا پوشیده شده است. می‌دانیم که دما در این کوره‌ها ممکن تا 3000 درجه سانتی‌گراد بالا برود و هیچ ماده‌ای وجود ندارد که بتواند در برابر چنین دمایی از خود مقاومت نشان دهد. از این رو برای کاهش دما در بخش بدنه و سقف، از لوله‌های آبگرد استفاده شده و این بخش‌ها به‌ صورت کامل، پوشش داده شده‌اند. بدنه کوره دارای زیرمجموعه‌هایی است و از بخش‌های مختلفی تشکیل شده که از میان آن‌ها می‌توانیم به سقف، دیوار جانبی و کف یا بوته اشاره کنیم.

سقف کوره مشابه به یک کلاهک است و باید به‌گونه‌ای طراحی شود که وزن زیادی نداشته و در عین حال کاملا مستحکم باشد. در قسمت سقف این کوره‌ها معمولا سه سوراخ تعبیه ‌شده که محل عبور الکترودها است. این سقف همراه با الکترودها در مواقع مورد نیاز حرکت می‌کند. دیوار جانبی کوره قوس الکتریکی به‌ صورت یک استوانه بوده که با مواد نسوز و لوله‌های آبگرد به‌ طور کامل پوشش داده شده است. کف بوته که آخرین بخش آن بوده، به حالت قوسی شکل طراحی شده و عمق کم و سطح بسیار زیادی دارد.

تجهیزات الکتریکی

این دسته از تجهیزات را می‌توانیم به نوعی، مهم‌ترین بخش تشکیل‌دهنده کوره‌های قوس الکتریکی بدانیم. تجهیزات استفاده‌شده در این کوره‌ها از سه قسمت اصلی زیر تشکیل شده‌اند که هر کدام از آن‌ها وظایف مخصوصی را بر عهده دارند.

کلید قطع و وصل در مدار

این کوره‌ها انرژی مصرفی بسیار بالایی دارند؛ از این رو لازم است تا به یک منبع تغذیه الکتریکی فشار قوی متصل شوند. پس به یک کلید خودکار نیاز دارند که وظیفه‌ای حساس و اساسی بر عهده دارد. این کلید در هر سری ذوب کوره، حدود 5 یا 6 بار به قطع برق کوره می‌پردازد. در نتیجه معمولا توصیه می‌شود که از یک کلید قطع و وصل مقاوم و مناسب استفاده شود.

راکتور

راکتور در یک کوره قوس الکتریکی، وظیفه پایین آوردن نوسان‌ها و افزایش ناگهانی ولتاژ را بر عهده دارد. این بخش از یک سیم‌پیچ ساده تشکیل شده است که جریان الکتریکی را عبور می‌دهد. جریان عبور کرده از این سیم‌پیچ، باعث ایجاد یک ولتاژ القایی می‌شود که جریان مخالف را در سیم‌پیچ مجاور به وجود می‌آورد. در این حالت راکتور وارد مدار شده و از جریان جلوگیری می‌کند تا نوسان‌ها پایین بیایند.

ترانسفورماتور

بخش دیگر تجهیزات الکتریکی کوره‌ها که از اهمیت بسیار بالایی برخوردار بوده و به‌نوعی مهم‌ترین قسمت آن محسوب می‌شود، ترانسفورماتور است. این قسمت را می‌توانیم یک وسیله الکترومغناطیسی بدانیم. این وسیله وظیفه دارد که تغییر ولتاژ یک منبع جریان غیرمستقیم را به میزانی که برای دستگاه مورد نیاز باشد، به بهترین نحو ممکن تنظیم کند. ترانسفورماتور از دو سیم‌پیچ اولیه و ثانویه تشکیل شده که دارای یک مدار مغناطیسی مشترک هستند و از این طریق به یکدیگر متصل می‌شوند.

الکترودها

الکترودها در این سیستم وظیفه ‌دارند که جریان را از بازوها به بار کوره از طریق قوس الکتریکی منتقل کنند. الکترودهای مصرفی در دو نوع گرافیتی و زغالی در این کوره‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. توجه داشته باشید که الکترودها می‌توانند تا حد زیادی در کیفیت مواد مذاب و همچنین محصول نهایی اثرگذار باشند.

عملکرد کوره قوس الکتریکی چگونه است؟

در قسمت بالا و درب این کوره‌ها، الکترودهای کربنی مخصوصی قرار گرفته‌اند. این الکترودها با شارژ کوره به سمت پایین حرکت می‌کنند تا در جایگاه مناسب و مخصوص خود واقع شوند. سپس ترانسفورماتورها جریان الکتریکی را برقرار می‌کنند. در مرحله بعدی جریان الکتریکی از طریق جاری شدن الکترون‌ها در یک مسیر رسانای مخصوص ایجاد می‌شود. در صورتی که در چنین مسیری یک شکاف گازی با شدت جریان زیاد، اختلاف پتانسیل بالا و همچنین دهانه باریک وجود داشته باشد، باعث یونیزه شدن گاز در میان شکاف خواهد شد و بعد از شکست الکتریکی، فوق در شکاف ایجاد می‌شود.

شارژ کوره قوس الکتریکی

کیفیت مواد مذاب و محصول نهایی در فرایند ساخت از اهمیت بالایی برخوردار بوده و اصلا نباید نادیده گرفته شود. از این رو لازم است در روند فرایند، مواد افزودنی به کوره اضافه شود. شارژ کوره‌های قوس الکتریکی به دو روش انجام می‌شود که یکی از آن‌ها خرید ضایعات از انبارها و شرکت‌های ضایعاتی و دیگری استفاده از برگشتی‌های واحد ریخته‌گری است. در این حالت به‌ عنوان مواد فرو آلیاژ، فرو کربن، مواد سرباره و انواع روان‌ساز از این مواد استفاده می‌شود.

مراحل ذوب آهن و فولادسازی در کوره‌های قوس الکتریکی به چه شکل است؟

بعد از آشنایی با بخش‌های مختلف یک کوره قوس الکتریکی، لازم است تا به بررسی مراحل ذوب آهن و فولادسازی در این کوره بپردازیم. در اولین مرحله فرایند، باید ضایعات و مواد اولیه به کمک یک جرثقیل سقفی، به داخل کوره وارد شوند. این ضایعات از سه بخش ضایعات خانگی، ضایعات صنعتی و ضایعات کهنه تشکیل می‌شوند. بعد از اینکه ضایعات به صورت کامل داخل کوره قرار گرفتند، سقف متحرک آن بسته شده و الکترودهای تعبیه‌شده در آن، در داخل کوره قرار می‌گیرند. سپس نوبت به فرایند قوس الکتریکی می‌رسد.

قوس الکتریکی در واقع به معنای عبور شوک جریان الکتریکی از یک فلز بوده که گرمای تولیدشده از این طریق، باعث ذوب شدن ضایعات می‌شود. در این حالت باید جریان با ولتاژ بسیار بالا به الکترودها اعمال شده تا گرمای مورد نیاز به وجود آید. در مرحله بعدی لازم است تا موادی از جمله آهک، کلسیم فلوراید و سنگ آهن به ترکیبات درون کوره اضافه شوند. این مواد تحت عنوان سرباره شناخته می‌شوند. بعد از اینکه ترکیب استیل مورد نظر به دست آمد، سرباره از کوره خارج شده و تنها استیل نهایی در آن باقی می‌ماند. در نهایت استیل ساخته شده بعد از تخلیه کوره، قابل دسترس خواهد بود.

مواد اولیه فولادسازی در کوره‌های قوس الکتریکی چیست؟

به ‌صورت کلی دو ماده اصلی در این فرایند مورد استفاده قرار می‌گیرند که از میان آن‌ها باید به آهن قراضه و آهن اسفنجی اشاره کنیم. انتخاب مواد اولیه در این راستا اهمیت بسیار زیادی دارد و در صورتی که به شیوه صحیحی اجرا نشود، می‌تواند باعث شکستن الکترودهای کوره و یا سرریز شدن مواد مذاب شود.

کمک ذوب در روش کوره قوس الکتریکی چیست؟

علاوه بر مواد اولیه، متریال و مواد دیگری هم به کوره‌ها اضافه می‌شوند که به‌ عنوان کمک ذوب ساخته شده و وظایف مشخصی را بر عهده دارند. مهم‌ترین بخش مواد کمک ذوب را آهک تشکیل می‌دهد. این مواد برای تشکیل سرباره‌ها و اثرگذاری بهتر و بیشتر بر روی واکنش‌های شیمیایی در مراحل مختلف، به کوره اضافه می‌شوند.

روش‌های ذوب و جداسازی در کوره قوس الکتریکی

برای فرایند ذوب و جداسازی در کوره‌های قوس الکتریکی، عموما از دو روش اسیدی و بازی استفاده می‌شود که هر کدام از آن‌ها ویژگی‌های مخصوص به خود را دارند. در این بخش به معرفی بیشتر و بررسی این روش‌ها می‌پردازیم.

روش اسیدی

برای اجرای روش اسیدی، لازم است تا آستر کوره نیز متناسب با آن انتخاب شود تا نتیجه مطلوب‌تری را به همراه داشته باشد. آهن قراضه و مواد مصرفی در این روش باید دارای درصد گوگرد و فسفر پایینی باشند؛ چراکه در این حالت امکان جداسازی آن‌ها وجود ندارد. مصرف قراضه‌های مخصوص برای اجرای این روش، باعث شده تا همواره با محدودیت‌هایی همراه باشد. از جمله مزایای اجرای این روش می‌توانیم به هزینه پایین مواد نسوز، دوام بیشتر آسترها، مصرف کمتر انرژی، روانی بیشتر مواد مذاب و ... اشاره کنیم. برای اجرای این روش باید مواد شارژ به همراه مقداری مواد کربن‌زا به داخل کوره ریخته شوند، بدون اینکه هیچ نوع مواد سرباره‌ای درون آن‌ها قرار بگیرد. پس از اینکه عملیات ذوب به‌ صورت کامل اجرا شد، مقداری ماسه و حدود 1 الی 3 درصد سنگ‌آهک در نهایت به آن‌ها اضافه می‌شود.

روش بازی

روش دیگر استفاده‌شده در این راستا، روش بازی بوده که موارد استفاده و کاربرد آن بیشتر از روش اسیدی است. این روش فرایند ساده‌تری را برای تولید فولاد پشت سر می‌گذارد. برای استفاده از روش بازی هم، نیاز به انتخاب کوره با آستر مناسب خواهیم داشت. در این روش از تخلیه سرباره مخصوص استفاده می‌شود که در طی آن کاهش گوگرد و فسفر زدایی را به دنبال دارد. از این رو با استفاده از روش بازی می‌توان حتی نامرغوب‌ترین قراضه‌ها را نیز به فولاد مرغوب و باکیفیت تبدیل کرد. امروزه این روش به دو صورت یک سرباره‌ای و دو سرباره‌ای قابل ‌اجرا است.

مزایا و معایب کوره قوس الکتریکی

همان‌طور که اشاره کردیم، کوره قوس الکتریکی این روزها به ‌عنوان یکی از اصلی‌ترین و کاربردی‌ترین تجهیزات در صنایع مرتبط با فولاد و ذوب آهن شناخته شده و مورد استفاده قرار می‌گیرد. از این رو، یکی دیگر از موضوعاتی که در این راستا از اهمیت بسیار بالایی برخوردار بوده و نیاز به بررسی بیشتر دارد، مزایا و معایب استفاده از این کوره در فرایند ذوب و ساخت فولاد است. در این بخش به معرفی مزایا و معایب استفاده از این کوره می‌پردازیم. مزایای این کوره عبارت است از:

• امکان استفاده مجدد از فولاد قراضه و ضایعات آهنی
• قابل استفاده برای ذوب‌های سبک و فرایندهای کوچک

معایب کوره قوس الکتریکی نیز عبارت است از:

• زمان طولانی فرایند ذوب و مصرف بسیار بالای انرژی در این زمان
• احتمال زیاد ورود ناخالصی به فولاد

تفاوت کوره قوس الکتریکی و کوره القایی

پس از اینکه به‌ صورت کامل با کوره قوس الکتریکی آشنا شدیم، لازم است تا تفاوت‌های اصلی و اساسی میان کوره قوس الکتریکی و القایی را مورد بررسی قرار دهیم. اصلی‌ترین تفاوت موجود، در نوع ذوب و کاربرد آن‌ها دیده می‌شود. در بخش‌های قبلی با همه قسمت‌ها و نوع کاربرد کوره قوس الکتریکی آشنا شدیم؛ از این رو در این بخش به بررسی کوره القایی می‌پردازیم. در کوره القایی، گرمایش با روش القایی انجام می‌شود. همین موضوع باعث شده تا در این حالت کنترل بیشتری بر روی متالوژی و ساختار مواد مذاب داشته باشیم. دما در این روش بالاتر از حد لازم نمی‌رود؛ از این رو عناصر آلیاژی ارزشمندی که در فلز وجود دارند، از بین نمی‌روند.

مهم‌ترین تفاوت در بین این دو کوره همین موضوع است. در روش قوس الکتریکی دما تا حد زیادی بالا می‌رود که باعث از بین رفتن کامل این عناصر می‌شود. از طرفی در کوره‌های القایی، توان تصفیه وجود ندارد. مواد اولیه استفاده شده در این سیستم، نباید هیچ‌گونه اکسیداسیونی در خود داشته باشند؛ از این رو برخی از عناصر آلیاژی ممکن است به خاطر اکسید شدن از بین بروند.

سخن پایانی

فرایند ذوب و ساخت فولاد و استیل باکیفیت، با سختی‌ها و چالش‌های متعدد همراه است و به لوازم مخصوصی نیاز دارد. یکی از اصلی‌ترین لوازم استفاده شده در این راستا، کوره قوس الکتریکی است که برای ذوب‌های کم‌حجم و پرحجم، مورد استفاده قرار می‌گیرد. در بخش‌های قبلی این مقاله به‌ صورت کامل به معرفی کوره قوس الکتریکی، انواع آن، کاربردها، اجزا و تمام موضوعات مرتبط با این لوازم پرداختیم. از این رو شما با مطالعه مطالب قسمت‌های قبلی می‌توانید اطلاعات خود را تا حد زیادی درباره عملکرد و فرایند کار این کوره‌ها ارتقا دهید.