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

تقسیم بندي فولادها

• الف) تقسیم بندي بر اساس ترکیب شیمیایی

1- فولاد ساده کربنی ( کم کربن تا 0.25 درصد کربن دارد، کربن متوسط بین 0.25 تا 0.5 درصد کربن دارد، پرکربن بین 0.5 تا  1.4 درصد کربن دارد )

2- فولاد آلیاژی (کم آلیاژ کمتر از 5 درصد عناصر آلیاژ دارد، آلیاژ متوسط بین 5 تا 10 درصد عنار آلیاژ دارد، پر آلیاژ بالای 10 درصد عناصر آلیاژ دارد )

فولادهای کربنی

این فولادها خواص مکانیکی خود را از کربن میگیرند لذا براي داشتن استحکام باید کربن بیشتري داشته باشند. فولادهاي کم کربن قابلیت عملیات حرارتی ندارند. لذا جهت افزایش استحکام و انعطاف پذیري آنها برخی مواقع نیاز به اضافه کردن عناصر آلیاژي بجز کربن می باشد. اضافه کردن عناصر آلیاژي در برخی مواقع بنا به دادن خواص مغناطیسی یا بهبود خواص خوردگی فولاد صورت می گیرد.

• ب) تقسیم بندي بر اساس کاربرد

1- فولاد ساختمانی (حدود 90 % تولید جهان را شامل می شود.) ارزانترین نوع فولاد است و در سازه ها کاربرد دارد.

2- فولاد ابزار ( فولاد سردکار از نوع فولاد کربنی بوده و در دماي پایین کار میکنند، فولاد گرم کار به آنها کروم و مولیبدن اضافه می کنند و دماي کاري را بالا می برند، فولاد تندبر: براي برش در دستگاه فرز و تراش استفاده می شود. براي این منظور سرمتها هم کاربرد دارند.)

3-  فولاد های زنگ نزن

• پ) تقسیم بندي بر اساس روش تولید

1- فولاد بسمر

2- فولاد اجاق باز

3- فولاد Vacume Arc Remelting

4-  فولاد Electroslag remelting

فولادهاي 3 و 4 از فولادهاي تصفیه شده و مرغوب هستند.

• ت) تقسیم بندي بر اساس منشاء

1- آهن آسمانی: شهاب سنگی: در این آهن مقدار زیادي نیکل وجود دارد.

2- آهن طبیعی: در طبیعت به صورت ترکیب با نیکل و برخی عناصر دیگر یافت می شود.

3- آهن ساخت بشر

مشکل اساسی پیش روي فولادسازي در گذشته

مشکل رسیدن به دماي ذوب آهن از اساسی ترین موارد بود. وجود کربن باعث پایین آمدن دماي ذوب می شد ( Mn و Si نیز همین نقش را دارند ). بشر در قدیم به دماي 1400 درجه سانتیگراد رسیده بود. در قدیم با استفاده از آهن خام، آهن کار شده تولید میکردند. به این طریق که به آهن خام، اکسید آهن اضافه میکردند. اکسیژن اکسید آهن، ناخالصیها را اکسید کرده و آنها را حذف میکرد. اما دماي ذوب بالا میرفت و مذاب خمیري میشد. لذا فولادي تهیه میشود که ناخالصیها در داخل آن به صورت اکسیدي به دام افتاده اند.

محصول جامد حاوي ناخالصیها را تکه تکه کرده و مورد چکش کاري قرار میدهند. ناخالصیها به سطح آمده و با چکش کاري خرد شده و خارج میشوند. لذا آهن خام مقداري خالص تر شده و انعطاف پذیري بهتري بدست می آورد.

بعدها بشر به دماهاي بالاتر دست پیدا کرد و توانست از کوره هاي مختلف براي تولید آهن و فولاد استفاده کند. به عنوان مثال امروزه آهن خام در کوره بلند تهیه شده و در کنورتر به فولاد تبدیل میشود. جهت این کار باید انتقال آهن خام به کنورتر صورت گیرد.

این انتقال به دو صورت مستقیم و غیر مستقیم انجام میگیرد:

1- انتقال مستقیم: آهن خام از کوره بلند مستقیما وارد کنورتر میشود. تجهیزات اضافی لازم نیست. اما کنورتر کاملا وابسته به کوره بلند خواهد شد. براي واحدهاي با ظرفیت پایین خوب است.

2- انتقال غیر مستقیم: واحد میکسر حد واسط بین کوره بلند و کنورتر است. میکسر دو نوع است. الف: میگسر فعال: دو مشعل دارد که همواره یکی از آنها روشن است. ب: میکسر غیر فعال: مشعل ندارد.

» نوشته مرتبط: شناسایی میلگرد از روی آج

فواید وجود میکسر

از قطع شدن فعالیت واحد فولادسازي در اثر از کار افتادن واحد تولید آهن جلوگیري میکند.

یکنواخت کردن ترکیب شیمیایی: چون میکسرها تا 600 تن ظرفیت دارند لذا نیانگین ترکیب شیمیایی آهن خام ثابت می ماند.

یکنواخت شدن دما: به دلیل ذکر شده در بالا دماي آهن خام درون میکسر ثابت باقی می ماند.

گوگرد زدایی: در صورت حضور منگنز در داخل مذاب یا افزودن Mn به داخل ذوب میتوان گوگرد زدایی را انجام داد:

[Mn]+[FeS]=(MnS) +[Fe]

(CaO)+[FeS]=(CaS)+(FeO)

 

واکنش اول در دماهاي پایینتر و دومی در دماهاي بالاتر انجام می شود. پس واکنش دوم در میکسرها سرعت مناسبی نداشته و واکنش اول ارجحیت دارد. واکنش دوم نیاز به حرارت دارد و با جذب گرما فعال میشود لذا در میکسر هاي غیر فعال انجام نمی شود.

میتوان براي گوگردزدایی بهتر از کربنات سدیم استفاده کرد. البته چون اکسید سدیم باعث خوردگی نسوزهاي میکسر میشود، در میکسرها کمتر استفاده میشود:

Na₂CO₃=CO₂+Na₂O
Na₂O+[FeS]=(Na₂S)+(FeO)

[/vc_column_text][vc_column_text]در صورت حضور عناصر اکسید کننده مانند Mn یا Si در آهن خام، FeO احیا شده و آهن دوباره به مذاب برمیگردد و MnS به سرباره میرود. حال اگر به نحوي Mn دوباره آزاد شود میتواند به درون مذاب برگشته و فرآیند گوگرد زدایی را به صورت مداوم انجام دهد. این کار توسط اکسیژن موجود در مشعل هاي دمنده میکسر انجام میگیرد.

مقدار SiO₂ با ادامه یافتن این واکنش در سرباره به تدریج زیاد میشود و لذا معمولا SiO₂ با MnO تولید سیلیکات منگنز کرده و ادامه فرآیند زنجیري را متوقف میکند. نسوزهاي میکسرهاي غیر فعال از جنس اسیدي و در انواع فعال از جنس قلیایی هستند.

ساختار سرباره هاي سیلیکاتی

اساسی ترین واحد سازنده در سیلیس و همه سیلیکاتها، فضاي چهاروجهی سیلیکات است که شامل چهار اتم یا یون اکسیژن میباشد که یک اتم سیلسیم کوچک را محاصره کرده اند. هر اتم اکسیژن در یک گوشه فضاي چهاروجهی یک ظرفیت اضافه دارد لذا گروه SiO₄ چهار بار منفی دارد. این فضاها میتوانند در گوشه ها با هم شریک شوند. وقتی عمل شریک شدن انجام میگیرد ماده بوجود آمده فرمول استکیومتري SiO₂ خواهد داشت. وقتی سیلیس حالت خمیري یا مذاب به خودش میگیرد، همه یا تقریبا همه گوشه ها به حالت مشارکتی باقی میمانند. این پیوندهایی که در همه جهتها حفظ شده است باعث بالا رفتن ویسکوزیته می شود.

وقتی که یک اکسید فلزي مانند آهک یا دي اکسید منیزیم به سیلیس مذاب اضافه میشود، یونهاي اکسیژن از اکسید اضافه شده باعث شکسته شدن زنجیره سیلیس میشوند. تعدا پیوندهاي شکسته شده تقریبا برابر با تعداد یونهاي ^–O² اضافه شده میباشد. هر اتم اکسیژن در چنین محلهاي شکستگی یک بار منفی دارد و کاتیونهاي ⁺Ca² و ⁺Mn² در محلهاي نزدیک محلهاي شکست قرار میگیرند. وقتی این اکسیدها در غلظتهاي بالاتر اضافه میشوند، شبکه سیلیس بیشتر و بیشتر شکسته شده و به همین نسبت ویسکوزیته افت می کند.

در مذابهایی که کمتر از ترکیب ارتوسیلیکات ( -𝑆𝑖𝑂₄⁴ ) سیلیس دارند، مذاب شامل یونهاي +CA²⁺ ، O² و -𝑆𝑖𝑂₄⁴ میباشد. اما وقتی که میزان سیلیس بیشتر از ترکیب ارتوسیلیکات باشد، پدیده پلیمریزاسیون گروههاي -𝑆𝑖𝑂₄⁴ اتفاق می افتد. ابتدا پلیمرهاي خطی مانند -𝑆𝑖₃𝑂₁₀^8- ، -𝑆𝑖₂𝑂₇⁶ و -𝑆𝑖₄𝑂₁₂¹⁰ به وجود آمده و با افزایش بیشتر غلظت سیلیس پلیمریزاسیون حلقه اي بوجود خواهد آمد(شکل صفحه بعد). در غلظتهاي خیلی زیاد سیلیس ساختار به صورت سیلیس خالص خواهد بود که در آن تعداد باندهاي شکسته شده مساوي با تعداد یونهاي -O² اضافه شده است.

» نوشته مرتبط: بندیل تیرآهن چیست ؟

اثر فلورید کلسیم در سرباره ها (فلورسپار)

اثر فلورید کلسیم در سرباره ها به صورت زیر است:

1- دماي ذوب سرباره ها را کم کرده و لذا سرباره هایی با درجه قلیایی بیشتر نیز قابل استفاده میشود.

2- ویسکوزیته را کاهش میدهد.

مقادیر بسیار کم از CaF₂ نقطه ذوب فازهایی مانند Ca₂SiO₄ را بسیار پایین می آورد. در سرباره هاي حاوي فلورسپار، فلوئور به صورت SiF₄ تشکیل ترکیب میدهد. واکنش به صورت زیر است:

2CaF₂+SiO₂=2CaO+SiF₄

CaF₂  با سیلیس موجود در سرباره CaO-SiO₂ فقط در حضور آب واکنش میدهد. مکانیزم احتمالی این واکنش کاتالیزوري ممکن است به صورت زیر باشد:

2H₂O+2CaF₂=2CaO+4HF

4HF+SiO₂=SiF₄+2H₂O

2CaF₂+SiO₂=2CaO+SiF₄

علت خردایش نسوزهاي سیلیسی

کم کردن محتواي آب سرباره با اضافه کردن فلورسپار ممکن است. خوردگی شدید سقف سیلیسی کوره هایی که از سرباره حاوي فلورسپار استفاده میکنند را میتوان توسط تبخیر فلورید هیدروژن (که به سیلیس حمله میکند و تنها اسیدي است که باعث انحلال سیلیس می شود) توجیه کرد.

واکنشهاي مهم فولادسازی

مهمترین واکنشها در فولادسازي شامل واکنشهاي اکسیژن با آهن، کربن، منگنز، سیلسیم و فسفر و نیز واکنش گوگرد با آهک می شوند:

این واکنشها در عین سادگی شامل سه فاز گاز، سرباره و مذاب فلز میشوند. در فولادسازي با استفاده از گاز اکسیژن، واکنشگرها به دلیل تلاطم سرباره و مذاب به سرعت و به خوبی با هم تماس خواهند داشت. تزریق مستقیم اکسیژن و تلاطم سرباره و فلز مذاب سرعت واکنشها را افزایش میدهد. اما این افزایش سرعت واکنش، تاثیري در مقادیر تعادلی واکنشها ندارد.

شکل کوره بوسیله ساده کردن فرآیند شارژ، بهبود انتقال حرارت، سرعت شارژ واکنشگرها و تحمل تلاطم شدید سرباره و فلز، میتواند بر سینتیک فولادسازي تاثیر گذارد.

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