مطالعه و تولید بریکت خام و بریکت احیا شده و تولید چدن از لجن کنورتور ذوب آهن

انجمن آهن و فولاد ایران، سمپوزیوم فولاد ۸۹، ۱۰ و ۱۱ اسفند ماه ۱۳۸۹

چکیده

در این پژوهش استفاده از غبار کنورتور فولادسازی ذوب آهن اصفهان که به صورت لجن توسط غبارگیرها جمع آوری می­گردد مورد نظر قرار گرفته است این لجن حاوی درصد بالایی از اکسیدهای آهن بوده و می تواند یک منبع آهن دار مناسب به شمار آید در این طرح با استفاده از لجن کنورتور و نرمه کک ذوب آهن اصفهان به همراه عامل های چسب قیر پودری و سیلیکات سدیم و سیمان آلومیناتی بریکت هایی پایدار با استحکام کافی جهت دوام در کوره های متالورژیکی تهیه گردید و پس از آزمایشات احیای حالت جامد و آزمایش فشار جهت تعیین استحکام فشاری، عملیاتی در مقیاس های بزرگ در کوره های زمینی و القائی جهت ذوب آنها به همراه قراضه های چدنی صورت گرفت تا میزان بازیابی آهن موجود در لجن کنورتور تعیین شود. نتایج نشان میدهد که میزان بازیابی حدود ۵۰ الی ۵۲% می باشد که با توجه به حجم بالای تولید و دپوی لجن کنورتور می توان در جهت استفاده مجدد از این پسماند با هدف حفاظت از محیط زیست و صرفه جوئی در مصرف سنگ آهن گام برداشت.

مقدمه

با سختگیرانه تر شدن مقررات زیست محیطی و هم چنین بحران های انرژی و اقتصادی، صنایع متالورژیکی به صورتی فعال روش های اقتصادی بازیابی پسماندهای آهن دار را دنبال می کنند. این روش ها آلودگیهای محیط زیست و همچنین تقاضا برای منابع طبیعی و ضایعات فلزی گران قیمت را کاهش می دهند. جهت مقابله با رشد سریع قیمت ها، توسعه فرآیندهای تولید آهن که قادر به نشان دادن رفتاری انعطاف پذیر با شرایط منابع باشند، اجتناب ناپذیر است چنین فرآیندهائی توانائی جذب نوسانات قیمت مواد اولیه و سوخت را دارا خواهند بود. انواع مختلف پسماندهای صنایع تولید فولاد به صورت سرباره ها و لجن ها عبارتند از سرباره کوره بلند، غبار و لجن کوره بلند، سرباره کنورتور، لجن کنورتور، پوسته نورد، لجن نورد، لجن استیلن و غیره. ترکیب این مواد به طور گسترده ای تغییر می کند که بستگی به منشأ ایجاد آن دارد. اما در هر حال این پسماندها شامل برخی مواد مفید نظیر آهن، کربن، کلسیم، روی، سرب و غیره هستند که می توان آنها را بازیابی و به روش منطقی مجدداً استفاده نمود. در کنار اینها برخی از سرباره ها و لجن ها حاوی مقادیر قابل توجه فلزات سنگین هستند که این فلزات وارد زمین شده و باعث مشکلات زیست محیطی می گردد. ترکیبات خطرناک نظیر آرسنیک، کادمیوم، جیوه و غیره از نقطه نظر آلودگی حساس ترند. لذا شایسته است که عناصر مفید بازیافت شده و مورد استفاده قرار گیرد.

در کنورتور فولادسازی ذوب آهن اصفهان، ذرات جامد ریز بعد از غبارگیری مرطوب کنورتور بصورت لجن تحت عنوان لجن کنورتور بوجود می آیند. در حین این فرایند، کوره ذرات بسیار نرم اکسید آهن را متصاعد می کند که این ذرات همراه گاز خروجی وارد غبارگیر مرطوب می شود. این پسماند ممکن است حاوی مقادیر بالای Pb، Zn، CaO باشد که بستگی به نوع سنگ آهک و ترکیب شیمیایی قراضه مصرفی در حین فرایند فولادسازی دارد. به منظور حصول الزامات زیست محیطی لازم است که صنایع فولاد فرایندی برای بازیافت این ماده پسماند توسعه دهند. شواهد نشان می دهد عنصر عمده در لجن آهن می باشد و با توجه به این مسأله، این پسماند ماده مناسبی برای استفاده مجدد در صنایع آهن و فولاد می باشد. مشاهده شده است که مقدار Al₂O₃ لجن بسیار کمتر از Al₂O₃ سنگ آهن می باشد، لذا این یک مزیت برای استفاده مجدد در صنایع فولاد می باشد.

روش تحقیق

یکی از مشکلات در راستای بازیافت جامدات از صنایع مختلف مخصوصا صنایع متالورژی، نرم (ریز) بودن آنها می باشد. حمل و نقل و کار کردن با این گونه مواد دشوار بوده و باعث آلودگیهای ثانویه می شود. همچنین به دلیل سطح ویژه بالای آنها این مواد به راحتی اکسید می شود. یکی از راه های مؤثر بر غلبه بسیاری از مشکلات درشت کردن ذرات یا بهم فشردن آنها می باشد.

در تهیه بریکت، از لجن کنورتور ذوب آهن به عنوان منبع اصلی آهن دار استفاده شده است. آنالیز لجن کنورتور ذوب آهن اصفهان در سال ۱۳۸۸ در جدول ۱ دیده می شود.

P	S	SiO2	MnO	MgO	Al2O3	CaO	FeO	Fe total
0/17-0/19	0/34-0/39	1/99-2/43	2/01-2/04	0/71-0/82	0/45-0/72	10/07-13/2	8/66-8/74	51/29-54/63

همانگونه که در جدول ۱ دیده می شود لجن کنورتور حاوی درصد بالایی از آهن می باشد که باعث گشته این ترکیب به عنوان منبع ارزشمندی مورد بازیابی قرار گیرد. نرمه کک شامل مواد گرانوله ای از کک بوده که نسبتاً ارزان بوده و از پسماندها محسوب می شود. اندازه متوسط ذرات کک کمتر از ۶ میلی متر می باشد. ترکیب شیمیائی نرمه کک ذوب آهن اصفهان در جدول ۲ آورده شده است.

L.O.I	رطوبت	خاکستر	کربن واقعی
%5/8	%4/2	%24/3	%69/9-75

عامل چسب نقش بسیار مهمی در فرآیند تولید بریکت ایفا می کنند. بریکت ها به واسطه تغییرات شیمی فیزیکی عامل چسب در شرایط محیط سخت می شوند. انواع مختلفی از این عوامل را برای ساخت بریکت ها بکار برده اند در این تحقیق از سیلیکات سدیم و قیر پودری (gilsonite (Foundary Grade به عنوان چسب استفاده شده است. قیر پودری سطح ماشین بریکت سازی را روانکاری می کند و سایش را کاهش می دهد و باعث بهبود فشردگی می گردد. به علاوه این ماده، یک پیوند مقاوم در برابر آب بین ذرات فلزی در بریکت فراهم می آورد. همچنین افزودن قیر پودری باعث افزایش کربن بریکت می گردد و به عنوان احیا کننده کمکی عمل می کند. به علت احتراق قیر در حین عملیات، بريكتها احیا و خروج گازهای اکسید کربن و گاز کربنیک موجب افزایش تخلخل و درصد احیا می شود.

مراحل ساخت بریکت شامل دو گروه مختلف از اجزای تشکیل دهنده آن است. در شکل ۱ نمودار تهیه بریکت مشاهده می شود. در گروه A از سیلیکات سدیم و قیر به عنوان عامل چسب و در گروه B از سیمان آلومیناتی به عنوان عامل چسب استفاده شده است.

سیلیسیم، نیکل، و عناصر کمیاب	اکسیژن	نیتروژن	هیدروژن	کربن
%0/3	%1/5	%3	%10	%85

شکل1. نمودار مراحل تهیه بریکت

نتایج و بحث

تعیین استحکام فشاری

آزمایشات فشار جهت تعیین استحکام فشاری بریکت ها توسط دستگاه SANTAM انجام شد. ملاحظه می شود استحکام بریکت ها با تغییر نوع و مقدار چسب بین 5/3 تا حدود 5/6 مگا پاسکال تغییر می کند. به عبارت دیگر بریکت ها حداقل نیروی فشاری حدود ۵۰۰۰ نیوتن یا ۵۰۰ کیلوگرم را می توانند تحمل کنند. در جدول نتایج آزمون استحکام فشاری بریکت ها مشاهده می شود. با توجه به کافی بودن استحکام و جنبه های اقتصادی نمونه های A₁ و B₁ برای انجام آزمایشهای احیا در دمای بالا انتخاب شدند.

آب	سیمان آلومیناتی	قیر	سیلیکات سدیم	آهک	نرمه کک	لجن کنورتور	نمونه
%1/6	–	%0/8	%1/2	%2/4	%13/3	%80/64	A1
%2/71	–	%1/06	%1/6	%3/18	%11/6	%70/77	A2
%7/46	–	%2/14	%2/85	%4/28	%11/79	%71/45	A3
%4/81	%1/6	–	–	–	%13/25	%80/32	B1
%6/9	%3/83	–	–	–	%12/64	%76/62	B2
%7/45	%7/31	–	–	–	%12/07	%73/16	B3

احیا در حالت جامد بریکتها

آزمایشات احیای حالت جامد به دو منظور انجام شد. اول اینکه با این آزمایش ها پایداری مکانیکی بریکت ها در دمای بالا و شرایط احیائی ( شرایطی که گازهای CO و CO₂ از آن خارج می شود) مورد بررسی قرار گرفت. دوم اینکه احیا پذیری بریکت ها و تاثیر دما بر آن و حداقل زمان لازم برای احیا مورد ارزیابی قرار گرفت. لذا نمونه های A₁ و B₁ پس از قرار گرفتن در کوره الکتریکی در دماهای ۱۱۰۰ و̊C1200 به مدت زمان ۳ ساعت احیا شدند.

عمل احيا توسط کربن نرمه کک و قیر موجود در بریکت انجام می شود. یک نمونه بریکت A₁ و یک نمونه بریکت B₁ در دمای ̊C ۱۱۰۰ به مدت زمان ۳ ساعت در داخل جعبه حاوی پودر آلومینا جهت جلوگیری از اکسیداسیون داخل کوره حرارت داده شدند همچنین یک نمونه بریکت A₁ و یک نمونه بریکت B₁ در دمای̊C ۱۲۰۰ به مدت زمان ۳ ساعت به طریق مشابه حرارت داده شدند. نمونه ها قبل و بعد از حرارت توزین شدند که در جدول ۶ نشان داده شده است.

کاهش وزن بریکت در هنگام واکنش به دلیل مصرف شدن کک و کاهش اکسیژن اکسیدهای آهن بوده است. پس از خارج کردن نمونه ها از کوره مشاهده شد که مقدار خرد شدن هر دو نمونه در دمای̊C ۱۲۰۰ بسیار بیشتر از دمای̊C ۱۱۰۰ درجه سانتی گراد بوده است. خرد شدن نمونه ها در ۱۱۰۰ نامحسوس است. نمونه B₁ در دمای̊C ۱۲۰۰ بیشترین مقدار خرد شدن را داشته است. با توجه به بررسی های بعمل آمده بر روی پایداری مکانیکی نمونه ها در دمای بالا مشخص شد نمونه های گروه B₁ که با استفاده از سیمان ساخته شده اند در دمای بالاتر از̊C ۱۱۰۰ استحکام کافی نداشته و خرد می شوند. به همین جهت در آزمایش های احیای حالت مذاب یا مصرف بریکت در ریخته گری از بریکت با چسب سیلیکات سدیم استفاده شد.

استحکام فشاری (MPa)	نمونه
3/665	A1
3/205	A2
4/638	A3
3/8487	B1
4/549	B2
6/42	B3

بررسی احیا شوندگی بریکت

پس از انجام احیا در کوره، درصد آهن کل و آهن فلزی نمونه های A₁ و B₁ تعیین گردید که در جدول ۶ ارائه شده است. در فرآیندهای احیا همه اکسیژن حذف نمی شود، لذا مقداری از اکسیژن به صورت وستیت باقی می ماند. به این علت از مقدار کل آهن در نمونه مقداری به صورت وستیت است. درجه فلز شدن برابر نسبت آهن فلزی به کل آهن می باشد. طبق این تعریف درجه متالیزاسیون محاسبه و در جدول ۷ گزارش شده است. ملاحظه میشود در دمای̊ C ۱۲۰۰ متالیزاسیون حدود ۵۰٪ بدست می آید.

کاهش جرم (∆m) در ̊C 1200	کاهش جرم (∆m) در ̊C 1100	نمونه
gr21/315	gr18/011	A1
gr21/583	gr20/753	B1

درجه فلز شدگی M.D	Fe% فلزی	Fe% کل	دمای انجام آزمایش	نمونه
%28	17/59	59/66	1100	A1
%54	36/47	67/03	1200	A1
%43	28/17	64/08	1100	B1
%56	37/44	66/40	1200	B1

تهیه چدن از بریکت در کوره القائی بزرگ

در این مرحله بریکت ها و سپس قراضه ها در بوته کوره القائی شارژ شدند. پس از فروپاشی بریکت ها، آهن آنها وارد مذاب گشت و سیلیکاتها در سطح شناور شده تا بخشی از سرباره را تشکیل دهند. پس از سرباره گیری، مذاب وارد قالبهای ریخته گری شده و پس از سرد شدن توزین شد. نتایج آزمایش ذوب بریکت همراه با چدن در کوره القائی در جدول ۸ نشان داده شده است. ملاحظه می شود که حدود ۵۰ درصد وزن بریکت مصرفی به وزن چدن اضافه شده و این نشان میدهد تقریباً تمامی آهن موجود در بریکت ها بازیافت شده است.

وزن قراضه چدن	124 کیلوگرم
وزن بریکت	28/3 کیلوگرم
تلفات ذوب چدن در حالت کلی	%5 معادل 6/2 کیلوگرم
وزن مذاب حاصل از قراضه با در نظر گرفتن تلفات	117/8
مذاب نهائی توزین شده	131/9
اختلاف وزن مذاب نهائی همراه با بریکت با مذاب حاصل از قراضه	14/1
نسبت اختلاف وزن مذاب نهائی به وزن بریکت اضافه شده (درصد بازیابی چدن از بریکت)	49/8 %

آنالیز و تعیین سختی

آنالیز کمی وای بلاک نمونه ریختگی کوره القائی که توسط دستگاه طیف سنج نشر نوری اندازه گیری شده در جدول ۹ آورده شده است. سختی اندازه گیری شده نمونه ریختگی با اعمال نیروی اولیه ۱۰ کیلوگرم نیرو و نیروی نهائی ۱۵۰ کیلوگرم نیرو معادل با HRC ۵۴ می باشد.

%Cu	%MO	% Ni	%Cr	%S	%P	%Mn	%Si	%C	%Fe
0/217	0/016	0/158	0/167	0/080	0/092	0/419	1/395	2/045	95/216
%Sb	%Sn	%Pb.Zn	%Nb	%B	%Co	%Al	%V	%Ti	%W
0/032	0/016	0	0/022	0	0/013	0	0/058	0	0/010

نتیجه گیری

امکان تبديل لجن کنورتور به بریکت هایی با استحکام بالا به کمک سیلیکات سدیم و قیر وجود دارد. بریکت های حاصل از لجن کنورتور می تواند در صنایع مختلفی نظیر تهیه چدن با کوره زمینی، القائی، دوار، قوس الکتریک، کوره بلند و کوپل مورد استفاده قرار گیرد. بریکت احیا شده در صورتی که دارای درصد کمی از سرباره و ناخالصی های مضر مانند گوگرد و فسفر باشد می تواند در کوره های القایی برای تولید فولاد یا چدن مورد استفاده قرار گیرد. در این کوره ها برای دستیابی به سرعت ذوب بالا باید درصد آهن فلزی موجود در نمونه بالا بوده و درصد عوامل سرباره ساز بریکت احیا شده کم باشد تا از حجم مفید کوره در اثر افزایش حجم سرباره کم نشود.