مروری بر فولاد سازی و روش های تولید فولاد (بخش سوم)

مروری بر فولاد سازی و روش های تولید فولاد (بخش سوم)

سیستم تعادلی اکسیژن – آهن

اگر آهن مذاب را در تماس با اکسیژن قرار دهیم در دماهای مختلف اکسیژن در آن حل میشود. میزان حلالیت آهن در اکسیژن بستگی به دما دارد. اگر میزان اکسیژن موجود در مذاب از حد حلالیت آن بیشتر شود باعث بوجود آمدن اکسید آهن میشود. شکل زیرحلالیت اکسیژن را در آهن در دماهای مختلف نشان می دهد.

حلالیت اکسیژن در آهن با تغییر دما
حلالیت اکسیژن در آهن با تغییر دما

با افزایش دما حد حلالیت زیاد می شود لذا در فولادسازی که دما بالا است باید زمان را کم کنیم تا اکسیژن کمتری حل شود و یا اینکه شرایط انحلال آهن را محدود کنیم. مثلا از سرباره های شامل SiO۲ و CaO استفاده کنیم. این سرباره ها میزان انحلال اکسیژن در فولاد را کم می کنند چون بر روی ضریب اکتیویته اکسیژن در مذاب تاثیر میگذارند. یا اینکه باعث می شوند FeO اجازه آزاد کردن اکسیژن را نداشته و اکسیژن را به مذاب بر نگرداند.

(FeO)=[Fe]+[O]

تاثیر فشار اکسیژن بر انحلال آن
تاثیر فشار اکسیژن بر انحلال آن

در این شکل تاثیر فشار اکسیژن بر میزان اکسیژن حل شده نشان داده میشود. نمودارها بر اساس محاسبات ترمودینامیکی زیر رسم شده اند.

تاثیر فشار اکسیژن بر میزان اکسیژن حل شده

ΔG۰ برحسب استاندارد یک درصد وزنی است.

استاندارد یک درصد وزنی: ابتدا فشار بخار جسم خالص A را اندازه گیری میکنند سپس به آن یک درصد وزنی از ماده B اضافه میکنند. دوباره فشار بخار را اندازه می گیرند و نسبت این دو فشار بخار اکتیویته یک درصد وزنی را نشان می دهد. با افزایش فشار اکسیژن، میزان اکسیژن حل شده در مذاب زیاد میشود تا به حد اشباع اکسیژن در آن دما برسد. در دماهای مختلف حد اشباع اکسیژن فرق می کند. با گذشتن از حد اشباع آهن اکسید می شود.

تفاوت آهن و فولاد
بخوانید

» نوشته مرتبط: قیمت تیرآهن

سیستم های پیچیده مانند Fe-a-b-c

اثر عوامل مختلف را بر ضرایب اکتیویته بررسی می کنند، مثلا 

برای حل آن از بسط لاگرانژ استفاده می شود:

بسط لاگرانژ در ضرایب اکتیویته

Ni کسر مولی جزء i است. 

𝜀aa ضریب تاثیر متقابل جزء a بر روی خودش

𝜀ba ضریب تاثیر متقابل جزء b بر روی جزء a

روش دیگر نمایش :

فرمول

برای مطالعه سیستم های خیلی پیچیده آنها را به سیستم های کوچکتر می شکنیم (همیشه سیستمهای ۲ و سه تایی را مطالعه می کنیم.). دو شکل زیر اثر عناصر آلیاژی را بر روی ضریب اکتیویته گوگرد در آهن در ۱۶۰۰ درجه سانتیگراد نشان می دهند.

عناصر آلیاژی بر روی ضریب اکتیویته گوگرد
عناصر آلیاژی بر روی ضریب اکتیویته گوگرد

سیستم تعادلی آهن-کربن-اکسیژن

کربن زدایی آلیاژ مذاب Fe-C توسط اکسیژن گازی که درون حمام دمیده میشود و یا توسط کانی آهن شارژ شده انجام میگیرد. ابتدا اکسیژن طبق واکنشهای زیر در مذاب حل می شود.

فرمول

اکسیژن حل شده طبق واکنشهای زیر با کربن واکنش می دهد.

فرمول

محصول اصلی واکنش مونوکسید کربن است اما مقداری CO۲ نیز تولید خواهد شد.

برای واکنش تولید مونوکسید کربن داریم:

فرمول

که در آن H۰ و Hc اکتیویته های هنرین اکسیژن و کربن هستند. 𝜆co فشار جزئی گاز CO میباشد. اگر رفتار محلول رقیق در نظر گرفته شود رابطه بالا به صورت زیر نوشته خواهد شد:

فرمول

این رابطه، ارتباط معکوس اکسیژن و کربن موجود در آهن مذاب را نشان میدهد. همچنین میتوان اینگونه نتیجه گرفت که انحلال اکسیژن در حمام Fe-C با افزایش فشار جزئی CO افزایش خواهد یافت و برعکس (کاهش فشار CO با دمش گاز خنثی یا با ایجاد خلاء بدست می آید.) در شرایط عملی فشار جزئی گاز CO بین ۱.۱ تا ۱.۳ اتمسفر میباشد. نتایج آزمایشگاهی Chipman و همکارانش این پدیده را نشان می دهد.

روش های تولید فولاد خام
بخوانید
رابطه اکسیژن و کربن با فشار
رابطه اکسیژن و کربن با فشار

ضریب اکتیویته کربن در آهن آلات مذاب نیز تابعی از محتوای کربن است. این اثر توسط شکل زیر برای تغییرات ضریب اکتیویته کربن در محلول آهن در دمای ۱۶۰۰ درجه سانتیگراد به عنوان تابعی از ترکیب شیمیایی در یک محلول بسیار رقیق نشان داده می شود.

واکنش کربن و اکسیژن
واکنش کربن و اکسیژن

شکل زیر تغییرات حاصلضرب غلظت کربن و اکسیژن را در فشار یک اتمسفر CO+CO۲ نشان میدهد. بسیار جالب است که مشخص شود که فرآیند تصفیه چقدر نزدیک به شرایط ترمودینامیکی می باشد.

غلظت کربن و اکسیژن در فشار یک اتمسفر
غلظت کربن و اکسیژن در فشار یک اتمسفر

در یک [C] ثابت با افزایش دما حاصلضرب [C][O] بیشتر میشود. یعنی اکسیژن و کربن بیشتری در فولاد حل میشود. در خط بالایی هم حالت واقعی کوره زیمنس مارتین دیده میشود. مشخص است که حاصلضرب محتوای کربن و اکسیژن اندازه گیری شده در حین فرآیند تصفیه در کوره اجاق باز قلیایی بسیار از مقادیر تعادلی در فشار یک اتمسفر CO دور است. اگر این شکل را با شکل زیر (که باز برای اجاق باز است) مقایسه کنیم مشخص است که درصد اکسیژن با مقدار محاسبه شده از نظر تئوری در کنورتر اجاق باز همخوانی خوبی نشان میدهد لذا مشخص میشود که میزان انحلال کربن در کوره اجاق باز خیلی بیشتر از مقدار تعادلی است.

 

  • منبع: به نقل از دکتر مهدی مزمل / دانشگاه صنعتی سهند