این مقاله در مجله صنعت نسوز، شماره هفتم، بهار ۱۳۹۶، از صفحه ۳۳ تا صفحه ۴۱ به چاپ رسیده است.

حمید وکیل­ نژاد (کارشناس سابق تحقیق و توسعه – شرکت دانش ­بنیان گروه پاترون)

محسن امین (مدیر سابق کنترل کیفیت و طراحی محصول – شرکت دانش ­بنیان گروه پاترون)

جهت مشاهده فایل PDF لطفا اینجا را کلیک فرمایید.

توسعه پایدار فناوری فولادسازی، محرک اصلی برای توسعه دیرگدازهای جدید و پیشرفته است. در این مقاله بطورخلاصه در مورد روندهای فولادسازی ثانویه بحث شده و اینکه چگونه دیرگدازهای پیشرفته راه­حل­های نوآورانه­ای را برای شرایط چالش­برانگیز در فرآیندهای فولادسازی فرآهم می کنند. مثال هایی نیز پیرامون نقش دیرگدازها در کیفیت فولاد و کاهش هزینه اقتصادی فرآیند ارائه گردیده است.

صنعت فولاد به دلیل اینکه ۶۰ تا ۷۰% از سهم بازار فرآورده­های دیرگداز را به خود اختصاص داده است، محرک اصلی پیشرفت های جدید در صنعت دیرگداز محسوب می­شود. برای برآورده ساختن نیازهای جدید و فزاینده فرآیند فولادسازی، نیاز به توسعه پایدار مهندسی دیرگدازها وجود دارد. در بخش اول مقاله در مورد روندهای فناوری فولادسازی توضیح داده شده و در بخش دوم مقاله مثال هایی پیرامون راه حل های ارائه شده توسط دیرگدازهای پیشرفته برای فولادسازی مقرون به صرفه و کیفیت بالا ارائه گردیده است.

۱- روندهایی در متالورژی ثانویه

روندهای فناوری فولادسازی به تفصیل توسط Fahndrich و همکارانش و Bruckhausen و Fahndrich مورد بحث قرار گرفته است. با توجه به اهداف این مقاله، به روندهای مذکور به طور خلاصه اشاره شده است:

توسعه پایداری از انواع گریدهای فولادی جدید با خواص مربوطه برای کاربردهای متفاوت وجود دارد، به گونه ای که بیش از ۲۰۰۰ گرید فولادی مختلف در بازار آماده عرضه می باشد. این فولادها، گریدهایی با خلوص بالا با مقدار اندکی از ناخالصی­های نامطلوب و عناصر آلیاژی هستند. شکل۱ حد قابل دستیابی از میزان ناخالصی ها را در فولادها و در ۵۰ سال گذشته نشان داده و در جدول۱ عناصر آلیاژساز مهم در فرآیندهای فولادسازی و درصدهای احتمالی بیشینه و کمینه برای فرآورده­های مختلف ارائه گردیده است. بهبود مداوم کیفیت فولاد با عملیات در حوزه پاتیل ها حاصل شده است. تأثیر مهم این عملیات در پاتیل فولادسازی که متالورژی ثانویه نام دارد از سال ۱۹۸۰ به بعد آشکار شد.

شکل۱- حد قابل دستیابی از میزان ناخالصی بعد از عملیات متالورژی ثانویه در سال­های ۱۹۶۰ تا ۲۰۱۰ میلادی

جدول۱- درصد عناصر آلیاژساز مربوط به فرآیندهای متالورژی ثانویه

آنالیز گریدهای مختف فولادی برای کاربرد در خودروسازی در شکل ۲، نشان از افزایش تقاضا برای فولادهای با ناخالصی کم و کیفیت بالا دارد.

تداوم فرآوری فولاد مذاب در متالورژی ثانویه، به پیشرفت آسترهای دیرگداز نیازمند است و می­توان آن را از مهم­ترین عوامل محرک برای اختراعات حوزه دیرگداز در نظر گرفت. متالورژی ثانویه گستره وسیعی از فرآیندها شامل اکسیژن­زدایی، گاززدایی، گوگردزدایی، کربن­زدایی جهت کاهش درصد کربن، آلیاژسازی در محدوده خواص معین، افزایش تمیزی فولاد با جداسازی یا اصلاح آخال­های غیرفلزی و آخرین میزان – و نه حداقل میزان- به دست آمده از همگنی ترکیب و دما را پوشش     می دهد. از این رو Lachmund از پاتیل فولادسازی با عنوان ” رآکتور متالورژیکی[۱]” یاد کرده است (شکل ۳).

[۱] Metallurgical Reactor

فولاد بطور پیوسته درطی زمان­های عملیاتی در پاتیل فولادسازی سرد می­شود (شکل۴). بنابراین حتی دماهای ذوب­ریزی بالاتر کنورتور فولادسازی (BOF) یا کوره قوس الکتریکی (EAF) یا بازگرمایش فولاد در کوره­ پاتیلی یا با روش های ترموشیمیایی مثل CAS-OB نیازمند جبران این افت دمایی و تضمین دمای واقعی برای ریخته­گری فولاد است. طبق گزارش منابع مختلف، هزینه جبران افت دما به ویژه افزایش دمای یک درجه کلوین مذاب فولاد، بین ۳ و ۵ یا حتی تا ۱۰ یورو در هر تن تولید فولاد است.

شمار زیادی از انواع فولادهای مختلف (بیش از ۲۰۰۰ نوع) و همچنین شرایط کاری مختلفی در هر کارخانه فولاد وجود دارد که هیچ کدام دقیقاً مانند دیگری نیست، لذا بمنظور بدست آمدن فرآورده فولادی با کیفیت بالا به روش­های فرآوری پیچیده و چندگانه درطی متالورژی ثانویه نیاز است. برخی روش­ها در شکل ۵ با در نظر گرفتن ذوب اولیه، هم­زدن، گاززدایی VD/VOD و RH، کوره پاتیلی و تجهیزات گرمایش شیمیایی ارائه گردیده است. برای تولید فولاد مقرون به صرفه و کیفیت بالا، به برنامه­ریزی دقیق و منظم و عملکرد فرآوری نیاز است. بنابراین Bruckhaus در مورد ” راهبردهای خطای صفر ” با حداکثر توان تولید و انعطاف­پذیری به عنوان یک راهبرد مهم در فولادسازی نوین اشاره کرده است. متالورژی ثانویه تنها با آسترهای دیرگداز با عملکرد بالا در پاتیل فولادسازی قابل انجام است. مثال­های زیر نشان می دهند دیرگدازهای مهندسی شده در آستر پاتیل فولادی چگونه برای شرایط چالش برانگیز فولادسازی نوین راهکارهای فنی و اقتصادی ارائه می کنند. تمرکز اصلی در مورد دیرگدازهای آلومینایی خلوص بالا ارائه شده است.

۲- توسعه در مهندسی دیرگدازها

۱-۲- دیرگدازهای خنثی برای تولید فولاد تمیز

دیرگدازها برای جدار داخلی پاتیل فولادسازی باید در مقابل سرباره­های خورنده، سرباره­های واکنشگر متالورژیکی مثل سرباره آلومینات کلسیم با نسبت CaO/Al₂O₃ حدود ۱ برای فولادهای کشته­ آلومینیوم­دار (شکل۶) مقاومت کنند. علاوه براین آستر دیرگداز باید از نظر ترمودینامیکی در تماس با فولاد – برای مثال در برابر آلومینیوم اضافی حل شده در فولاد کشته­ آلومینیوم­دار-  پایدار باشد تا از اکسیداسیون مجدد فولاد و مشکلات مربوط به تمیزی فولاد جلوگیری گردد. این مورد بطورمعمول  برای آسترهای دیرگداز قلیایی مثل آجرهای دولومایی یا منیزیا-کربنی مسئله ای نیست. آجر منیزیا کربنی ماده استاندارد برای خط سرباره پاتیل فولادسازی است.

دیرگدازهای آلومینا بالای حاوی سیلیس، مانند بوکسیتی یا آندالوزیتی در مقابل سرباره های خورنده و با دمای ذوب پایین آلومینات کلسیمی نرخ فرسایش بالایی دارند. SiO₂ در این دیرگدازها از نظر ترمودینامیکی در تماس با آلومینیوم حل­شده در مذاب فولاد، پایدار نبوده و با آلومینیوم کاهیده می شود تا Al₂O₃ شکل بگیرد که باعث افت تمیزی فولاد خواهد شد:

 ۳SiO₂ + 4 [Al] à ۲Al₂O₃ + 3 [Si]

بنابراین دیرگدازهای آلومینا-اسپینل و آجرهای منیزیا-کربن خلوص بالا جایگزین آندالوزیت و بوکسیت در آستر پاتیل شدند (شکل۷).

دیرگدازهای آلومینا- اسپینل هم بصورت جرم ریختنی و هم بصورت آجر برای هر دو نوع گرید فولاد کشته حاوی سیلیسیم و آلومینیوم و در دیواره پاتیل فولادسازی با موفقیت به کار گرفته شده اند. در دیواره­های کناری پاتیل فولادسازی،     جرم­های ریختنی با فاز اسپینل درجا نسبت به جرم­های ریختنی حاوی اگریگیت اسپینل، از نظر مقاومت به سرباره و رفتار ترموپلاستیک در دماهای بالا امتیازات بیشتری دارد. آجرهای دیرگداز فوق به صورت آجرهای بدون کربن با پخت دما بالا یا آجرهای آلومینا-منیزیا-کربن (AMC) باند کربنی با فاز اسپینل درجا هستند.

آجرهای دیرگداز اسپینلی فوق الذکر بایستی جهت ایجاد علمکرد مطلوب، درصد بسیاری کمی SiO₂ داشته باشند. Franken و همکارانش گزارش کردند که طول عمر آجرهای اسپینلی با ۱ درصد سیلیس تنها ۴۰ درصد آجرهای اسپینلی با ۱/۰ درصد سیلیس می باشد. بنابراین عوامل رسی سنتی برای آجرهای دیرگداز مذکور، بایستی با عوامل دیگر مانند آلومینای ری اکتیو جایگزین شوند.

عملکرد آجرهای دیرگداز آلومینا-منیزیا-کربن به اگریگیت­های آلومینای مورد استفاده در دیرگداز بستگی دارد. آجرهای حاوی بوکسیت در این رده کمترین کیفیت را دارند. چنین آجرهای دیرگدازی نمی­توانند عملکرد مناسبی برای فرآیندهای منعطف و فزاینده فولادسازی در پاتیل داشته باشند. در کف پاتیل، آجرهای آلومینا-منیزیا-اسپینل برپایه آلومینای تبولار به وضوح کیفیت بالاتری نسبت آجرهای برپایه آلومینای ذوبی قهوه­ای دارد. طبق گزارش Krausz و همکارانش طول عمر آجر دیرگداز برپایه آلومینای ذوبی قهوه­ای به مقدار ۵۰٪ کمتر از آجر دیرگداز برپایه تبولار آلومینا در کف پاتیل بوده است. آجرهای دیرگداز خلوص بالا برپایه آلومینای تبولار مقاومت بالاتری در برابر سرباره و خزش داشته و دارای بیشترین نرخ تشکیل اسپینل درجا در طول سیکل های گرمایی است. بررسی­های اخیر نشان می­دهد که دیرگداز برپایه اگریگیت آلومینای سینتری (BSA 96)، تشکیل همگن­تر و سریعتر فاز اسپینل درجا را در آجرهای AMC نسبت به آجرهای برپایه آلومینای ذوبی قهوه­ای نشان می دهد.

اگر دیرگداز حاوی کربن و گرافیت باشد، فولادهای فوق­کم­کربن مثل ورق های فولاد خودروسازی حساسیت زیادی به ورود کربن از آستر دیرگداز به درون مذاب فولاد دارد. چنین گریدهای فولادی حداکثر ppm 20- 10 کربن دارند و لذا امروزه ورود چند ppm کربن از طریق کربن موجود در دیرگداز به درون فولاد، عامل بحرانی محسوب می گردد. برخلاف دیرگدازهای منیزیایی، دیرگدازهای آلومینایی جهت دستیابی به انعطاف پذیری ترمومکانیکی و مقاومت به شوک حرارتی مطلوب، نیازمند محتوای کربن/گرافیت در فرمولاسیون خود نیستند. حتی دیرگدازهای آلومینا-منیزیا-کربن باند کربنی درصد گرافیت به مراتب کمتری (طبق جدول۲) نسبت به آجرهای دیرگداز منیزیا- کربنی دارند.

 شکل ۸ افت دمایی در دیواره پاتیل فولادسازی ۱۸۰ تنی با آستر دیرگداز جرم ریختنی اسپینل درجا را نسبت به آجرهای دیرگداز MgO-C نشان می­دهد. به دلیل هدایت حرارتی بالاتر آجر دیرگداز MgO-C (طبق جدول۲)، افت دمایی با وجود یک لایه عایق اضافی در آستر اصلی، ۱۵- ۱۰ درجه کلوین  بالاتر می باشد. با توجه به اینکه هزینه افت دمای ۱ درجه کلوین بین ۵ تا ۱۰ یورو به ازای هر تن تولید فولاد متغیر است، هزینه متوسط افت دمایی ۱۵ درجه کلوین به مقدار ۷۵/۰ تا ۵/۱ یورو به ازای هر تن تولید فولاد خواهد بود. بطورکلی هزینه آسترکاری دیرگداز پاتیل بدون سیستم اسلاید گیت، از ۵/۱ تا ۲ یورو به ازای هر تن تولید فولاد متغیر است. بنابراین هزینه افت گرمای لازم برای فرآیند فولادسازی بیش از ۵۰٪ هزینه آسترکاری دیرگداز پاتیل اهمیت دارد.

دیرگدازهای آلومینا بالا با محتوای کربن کمتر و یا بدون کربن به دلیل هدایت حرارتی پایین­تر، امتیازات بهتری نسبت به دیرگدازهای با محتوی کربن بالا دارند و چنین جنبه هایی در ارزیابی­های اقتصادی طراحی آستر پاتیل بایستی مدنظر قرار گیرد.

۲-۲- آستری دیرگداز نازک با خواص مقاومت به سایش جهت افزایش ظرفیت پاتیل

برای پاتیل فولادسازی با ظرفیت ۲۰۰ تن مذاب فولاد، با کاهش ضخامت آستر دیرگداز تا mm 10 می­توان ظرفیت آن را تا  ۵/۲ تن اضافه کرد. به استثنای هزینه مواد ورودی، دیگر هزینه های فرآیند ثابت می ماند و لذا این تناژ اضافی می­تواند بطور قابل ملاحظه­ای خروجی اقتصادی فولادسازی را افزایش دهد. بنابراین ضخامت آستر دیرگداز در بسیاری از کارخانه­های فولادسازی اروپا کاهش یافته است. جدول۳ نمونه­هایی از  موارد با فرسایش شدید را ارائه کرده است که در آنها دیرگدازهای آلومینا- اسپینل  با ضخامت mm 140- 110 در آسترهای تازه نصب شده بطور متوسط ۱۴۰- ۱۱۰ ذوب گرفته­اند.

چنین افزایشی در ظرفیت پاتیل تاجایی امکان پذیر است که توان وزنی جرثقیل محدودیت ایجاد نماید. در اینگونه موارد، وزن آستر دیرگداز پاتیل نیز هدف گذاری می­شود. دیرگدازهای آلومینا بالا برپایه اگریگیت های سینترشده به دلیل وجود تخلخل های بسته داخلی در اگریگیت های سینتر شده، معمولاً دارای چگالی بالک کمتر نسبت به دیرگدازهای آلومینا بالا برپایه اگریگیت­های ذوبی هستند. مثالی از این موارد در جدول۲ آمده است.

۳- نتیجه­ گیری

مثال هایی از دیرگدازهای پیشرفته که در این مقاله مورد بحث قرار گرفت، ارتباط دیرگدازها با فولادسازی نوین را هم از نظر فنی و هم اقتصادی نشان داد. هنگام بررسی جنبه های اقتصادی مواد دیرگداز، بایستی علاوه بر هزینه­های مسقتیم مصرف دیرگداز، هزینه های مربوط به اپراتوری دیرگدازها نیز لحاظ گردند. هزینه­های مربوط به اپراتوری دیرگداز ورای هزینه خرید و نصب دیرگدازها، می تواند بدین شکل خلاصه شود: کاهش تولید به دلیل خارج از سرویس بودن پاتیل (آسترکاری مجدد، عدم اعتمادپذیری، تخریب های غیرمنتظره و یا حتی حوادث غیرمترقبه)، تأثیر بر کیفیت فولاد، هدررفت انرژی، افت بازدهی، مسایل زیست محیطی، ایمنی و سلامت تأثیر می­گذارد. تجربه­ها نشان داده است که هزینه­های مربوط به اپراتوری دیرگداز به همان اندازه اهمیت دارد که هزینه­های مصرف دیرگداز مهم هستند و معمولاً تهیه دیرگدازهای ارزان قیمت و با کیفیت پایین با لحاظ کردن هزینه های اپراتوری، تبعات سنگین­تری برای صنایع مصرف­کننده به وجود می­آورد. انعطاف پذیری لازم در فرآیند فولادسازی نوین نیازمند عملکرد مناسب مواد دیرگداز است.