بررسی تاثیر کربن در بریکت سرد آهن و کربن ( CBIC ) بر میزان احیاء آهن، FeO سرباره، انرژی الکتریکی، زمان بارریزی و کربن باقی مانده در مذاب

بررسی تاثیر کربن در بریکت سرد آهن و کربن ( CBIC ) بر میزان احیاء آهن، FeO سرباره، انرژی الکتریکی، زمان بارریزی و کربن باقی مانده در مذاب

دومین کنفرانس بین المللی و ششمین کنفرانس ملی

مهندسی مواد متالورژی و معدن

26 بهمن ماه 1401- دانشگاه چهران اهواز

چکیده

در این تحقیق تاثیر کربن افزوده شده به بریکت سرد آهن و کربن (CBIC) در کوره القایی بر میزان احیاء آهن، FeO سرباره، مصرف انرژی الکتریکی، زمان بارریزی و درصد کربن باقی مانده در مذاب مورد بررسی قرار گرفت و بازده کربن شارژ شده از CBIC در مقایسه با کربن آزاد شارژ شده در کوره فولادسازی نیز بررسی شد. نتایج نشان داد که میزان بازده آهن در CBIC نسبت به سایر محصولات خانواده آهن اسفنجی بیشتر و زمان بارریزی آن کمتر است که این موضوع بهره وری عملکرد کارخانه فولادسازی را بهبود می بخشد. انجام آزمایش های فولادسازی در CBIC با میزان کربن متفاوت نشان داد که افزایش ۱ درصد وزنی کربن، مصرف انرژی الکتریکی، زمان بارریزی و بازده فلز را به طور میانگین به ترتیب ۱,۴۴% ، ۱,۰۵% و 0.39٪ کاهش می دهد و بازده آهن را 0.26 افزایش می دهد. کربن شارژ شده از طریق CBIC در کوره القایی، بازیابی آهن از سرباره مذاب را به طور موثرتری افزایش داد و باعث بازدهی بیشتر آهن در مقایسه با کربن آزاد شارژ شده شد.

مقدمه

افت کیفیت قراضه فولادی موجود در بازار، کیفیت محصولات فولادی طویل و مسطح را به دلیل مقادیر زیاد عناصر ناخالص پایین می آورد. این مساله بسیاری از فولادسازان سراسر جهان را به سمت افزایش استفاده از محصولات خانواده DRI (از جمله بریکت سرد آهن اسفنجی (CDRI) بریکت گرم آهن اسفنجی (HBI) و آهن اسفنجی گرم (HDRI)) به عنوان جایگزین قراضه در دو دهه اخیر سوق داده است. از سوی دیگر، کمبود قراضه با کیفیت در بازار قیمت آن را افزایش داده و بسیاری از فولادسازان را به استفاده از محصولات DRI تشویق کرده است. علاوه بر این محدودیتهای جدی زیست محیطی در کارخانه های فولاد در کوره بلند- کنورتر اکسیژنی قلیایی (BF-BOF) نیروی محرکه دیگری برای سوق دادن فولادسازان به استفاده گسترده از محصولات DRI بوده است.

 

بریکت سرد آهن و کربن (CBIC) یک محصول جدید و ثبت اختراع شده است که از فرآیند تولید بریکت سرد CDRI (پتنت به شماره ۶۰۹۲۳IR) به دست می آید. به لطف این، فناوری کارخانه های احیای مستقیم تولید کننده CDRI که به دلیل مشتریان کم در اطراف خود از ظرفیت کامل تولید خود استفاده نمی کنند، می توانند محصولی برتر با تخریب کمتر محیط زیست و خطرات حمل و نقل و مقاومت مکانیکی بالاتر نسبت به CDRI برای ورود به بازار بین المللی مواد آهن دار تولید کنند. در مطالعه قبلی، بررسی جامعی از اثرات شرایط محیطی بر خواص فیزیکی و شیمیایی CDRI، CBIC و HBI توسط نویسندگان صورت گرفت. نشان داده شد که مقاومت به اکسیداسیون CBIC، %۶۵ بیشتر از CDRI است و نیز دارای استحکام فشاری سرد تا ۵ برابر بیشتر از CDRI است. همچنین دارای چگالی بالاتر و جذب آب کمتر است. بنابراین، این محصول نوآورانه میتواند در کنار HBI به عنوان یک محصول قابل اعتماد برای ذخیره سازی و حمل و نقل و همچنین شارژ در کوره های فولادسازی به کار رود.

در سالهای اخیر مطالعات زیادی در مورد عملکرد CDRI و HBI در کوره های مختلف فولادسازی انجام شده است. نتایج نشان داد که افزایش درجه متالیزاسیون (درصد آهن فلزی تقسیم بر جرم کل آهن) و چگالی ظاهری و کاهش میزان گنگ مواد آهن دار شارژ شده در کوره به طور قابل ملاحظه ای مصرف انرژی و زمان بارریزی را کاهش میدهد و باعث افزایش بازدهی فلز و بهره وری فرآیند فولادسازی می شود.

علاوه بر چگالی بالا و تخلخل حجمی کم و سطح ویژه خاص، CBIC یک مزیت عمده نسبت به CDRI و HBI دارد و آن میزان کربن قابل تنظیم آن تا ۱۰ درصد وزنی است از آنجایی که کربن موجود در مواد حاوی آهن نسبت به کربن آزاد و تزریقی در طی فرآیندهای فولادسازی کارآمدتر است، انتظار میرود که این ویژگی CBIC بازدهی مصرف کربن را افزایش داده و تلفات کربن را در طول فولادسازی کاهش دهد. بنابراین هدف دیگر این مطالعه، مقایسه بازدهی کربن از طریق CBIC با کربن آزاد شارژ شده در کوره فولادسازی است.

۲- روش آزمایش

ترکیب شیمیایی آهن اسفنجی تهیه شده از کارخانه احیای مستقیم به روش Midrex مورد استفاده در این تحقیق در جدول ۱ آورده شده است. جدول ۲ ترکیب شیمیایی قراضه شارژ شده در کوره فولادسازی را نشان میدهد. شکل ۱ نیز عکس نمونه CBIC مورد استفاده در این تحقیق می باشد.

 

مواد افزودنی مورد استفاده برای تولید CBIC، سیلیکات سدیم (به عنوان بایندر مایع)، آهک هیدراته (به عنوان بایندر جامد) و کک نفتی (به عنوان ماده حاوی کربن) بودند. برای تولید CBIC،DRI ، آهک و کک ابتدا توسط یک میکسر آزمایشگاهی مخلوط شده و سپس بایندر مایع اضافه شد. از اختلاط کامل، مواد به دست آمده با استفاده از قالب پرس هیدرولیک ۲۵۰ تنی پرس شدند. کیورینگ طبیعی سه روزه در دما و اتمسفر محیط، نمونه های CBIC را برای آزمایشهای فولادسازی آماده می کند.

میزان چسب سیلیکات سدیم به میزان ۳,۵% و آهک هیدراته به میزان ۱,۵% در همه نمونه ها ثابت در نظر گرفته شد. کربن نیز به صورت کک نفتی با مقادیر ۱ تا ۱۰ درصد جهت بررسی متغیرهای فولادسازی به CBIC اضافه گردید. فرایند ذوب با استفاده از قراضه های روغنی خودرویی وCBIC  تهیه شده، در کوره القایی ۱۰ تن آژاکس با فرکانس متوسط و توان ۴ مگاوات انجام شد. برای تهیه هر نمونه، ۱ تن قراضه روغنی با ترکیب شیمیایی منطبق بر جدول ۲ شارژ شده و در ادامه با شارژ CBIC ظرفیت ذوب به میزان ۱۰ تن رسید. مصرف انرژی الکتریکی، زمان ذوب و دمای آزمایش برای هر مرحله اندازه گیری شد. در پایان هر مرحله، میزان ذوب و سرباره تولید شده با استفاده از لودسل کوره توزین شدند. دمای بارریزی برای همه نمونه ها ۱۶۱۰ درجه سانتی گراد در نظر گرفته شد. علاوه بر این، ترکیب شیمیایی ذوب و سرباره تولید شده به ترتیب با استفاده از طیف سنجی تابشی نوری(OES) و طیف سنجی فلورسانس اشعه ایکس (XRF) به دست آمد. انرژی مصرفی الکتریکی توسط کنتر دیجیتال سه فاز تحت شبکه ثبت شد فاصله زمانی بین شارژ CBIC به داخل کوره تا ۲ دقیقه پس از مشاهده اولین جوشش در مذاب به عنوان زمان ذوب گزارش شد.

3- نتایج و بحث

۱-۳- عملکرد فولادسازی CBIC

شکل ۲ عملکرد فولادسازی CBIC با کربن های مختلف را نشان میدهد. همانطور که در شکل ۲ (الف) مشاهده میشود، بازده آهن (جرم کل آهن در فلز تولید شده تقسیم بر جرم کل آهن در خوراک) با افزایش کربن نمونه های CBIC بیشتر میشود. این به دلیل چگالی بالاتر CBIC است که باعث عبور سریعتر از سرباره و اکسیداسیون آهن کمتر در حین ذوب میشود زیرا تخلخل حجمی کمتری دارد (با شارژ CBIC، درصد آهن بیشتری وارد مذاب می شود).

مطابق شکل ۲ (ب) و (ج)، CBIC حاوی ١٠% کربن، کمترین مصرف انرژی و زمان بارریزی را دارد (به ترتیب ۰٫۸۳ کیلووات ساعت بر کیلوگرم و ۱۶۲ دقیقه)، که می تواند به دلیل تخلخل کمتر و هدایت حرارتی بالاتر آن باشد (به دلیل سطح تماس بیشتر بین ذرات که در فرایند بریکت سازی ایجاد میشود). همچنین طبق شکل (۲) (د)، مقدار FeO و سرباره تولید شده برای نمونه CBIC با کربن ۱۰%کمتر از سایر نمونه هاست.

لذا میتوان نتیجه گرفت که عملکرد فولادسازی CBIC با کربن تا ۱۰% از نقطه نظر مصرف انرژی، زمان بارریزی و بازدهی از سایر نمونه های CBIC با مقادیر کمتر کربن بهتر است. زمان کمتر بارریزی CBIC با کربن بالاتر منجر به کاهش زمان بارریزی تولید کوره های فولادسازی صنعتی شده و لذا بهره وری کارخانه فولادسازی را بهبود می بخشد. از طرف دیگر، چگالی بالاتر CBIC با کربن بالاتر باعث میشود که در هر بار ذوب، مقادیر بیشتری از مواد آهن دار به کوره فولادسازی صنعتی شارژ شود. این موضوع مقدار فلز تولید شده را در هر ذوب افزایش می دهد که به سود فرایند فولادسازی می باشد.

– مقدار کربن CBIC

مطابق با شکل ۲ (الف)، افزایش میزان کربن CBIC بازده آهن را به علت کاهش تلفات آهن در مقادیر بالاتر کربن افزایش میدهد (هر ۱ درصد وزنی افزایش در میزان کربن CBIC، بازده آهن را تا 0.26 درصد افزایش میدهد) و بازدهی فلز در ازاء افزایش یک درصد وزنی کربن CBIC ، 0.39درصد کاهش می یابد. دلیل این رفتار افزایش جایگزینی آهن با کربن در مقادیر کربن بالاتر است که باعث افت میزان آهن بریکت می شود.

طبق معادله (۱)، اکتیویته کربن در فلز به میزان کربن فلز بستگی دارد همانطور که در جدول ۳ نشان داده شده است، درصد وزنی کربن در فلز با افزایش میزان کربن CBIC شارژ شده در کوره افزایش می یابد که اکتیویته کربن را مطابق با معادله (۱) افزایش میدهد. علاوه بر این با توجه به معادله (۳) (ثابت تعادل معادله (۲) با فرض اینکه فشار CO سیستم ۱ اتمسفر و اکتیویته آهن در فلز مذاب ۱ باشد)، اکتیویته FeO در سرباره با درصد وزنی کربن در فلز در دمای ثابت رابطه معکوس دارد. از این رو، افزایش میزان کربن در فلز مذاب، بازیابی آهن از سرباره را با کاهش اکتیویته FeO افزایش میدهد و در نتیجه بازده آهن را بهبود می بخشد.

h_c=f_c [wt%C]

که در آن hc  و fc و [wt%C] به ترتیب اکتیویته، ضریب اکتیویته و درصد وزنی کربن در فلز مذاب نسبت به فلز مذاب با ۱ درصد وزنی کربن به عنوان حالت استاندارد می باشد.

(FeO)+[C]=[Fe]+CO(g) و ΔG° = 109, 570–97.44 T(J/mole)

که در آن پرانتزها فاز سرباره مایع و براکت ها فاز فلز مایع را نشان می دهند.

K=(fC.[wt%C].a_FeO)

که در آن K ثابت تعادل معادله (۲) و a_FeO اکتیویته FeO در سرباره مذاب با توجه به حالت استاندارد مایع خالص است.

طبق شکل ۲ (ب) و (ج) افزایش هر ۱ درصد وزنی در میزان کربن CBIC مصرف انرژی الکتریکی و زمان ذوب را به ترتیب ۱,۴۴%

و ۱,۰۵٪ کاهش می دهد. این به دلیل نقش کربن به عنوان منبع انرژی است که به انرژی الکتریکی برای تسریع فرآیند فولادسازی کمک می کند. با توجه به جدول ۳ همچنین دیده می شود که شارژ CBIC با میزان کربن بالاتر در کوره فولادسازی، میزان سرباره تولیدی و همچنین FeO سرباره را کاهش میدهد که به علت احیاء موثرتر Feo از سرباره در طول فرآیند است. افزایش بیشتر از ۱۰ درصد وزنی کربن به CBIC باعث افزایش کربن باقی مانده در مذاب می شود که برای آلیاژسازی بیشتر فولادها مناسب نیست و نیاز به فرایند کربن سوزی می باشد.

 

3-3- نوع افزودنی کربن

نوع کربن شارژ شده در کوره به طور قابل توجهی بر بازدهی مصرف کربن در طی واکنش های فولادسازی تأثیر می گذارد. در شکل ۳ اثرات نوع افزودنی کربن کوره بر پارامترهای فولادسازی مورد بررسی قرار گرفته است. همانطور که در شکل ۳ (الف) نشان داده شده است، با افزودن کربن به کوره از طریق CBIC، نرخ افزایش بازده آهن بیشتر از افزودن کربن آزاد است. این رفتار حاکی از آن است که کربن شارژ شده توسط CBIC بازیابی آهن از سرباره را به طور مؤثرتری نسبت به کربن آزاد شارژ شده افزایش میدهد. از سوی دیگر، با مقایسه اثرات نوع کربن شارژ شده بر درصد وزنی Feo در سرباره (شکل 3ب)، میتوان مشاهده کرد که شارژ کربن از طریق CBIC سودمندتر است (کاهش اکسید آهن سرباره) و باعث افزایش بازده آهن می شود.

میزان کربن مذاب برای کربن شارژ شده از طریق CBIC بیشتر از شارژ آزاد است. این نشان دهنده تلفات کمتر و بازدهی مصرف بالاتر کربن در CBIC است که در فرآیندهای فولادسازی مطلوب تر است.

از طرف دیگر، همانطور که در بالا ذکر شد، نوع کربن موجود در CBIC نسبت به کربن آزاد بهتر است. به عبارت دیگر، به دلیل توزیع همگن کربن آزاد در CBIC و دسترسی آسان FeO به کربن، کاهش FeO در حالت جامد اتفاق می افتد و سرعت کاهش FeO و تشکیل سرباره نسبت به سایر روش های افزایش کربن بیشتر است.

 

۴- نتیجه گیری

در این تحقیق تاثیر کربن افزوده شده در CBIC بر میزان احیاء آهن، Feo سرباره، مصرف انرژی الکتریکی، زمان بارریزی و درصد کربن باقی مانده در مذاب مورد بررسی قرار گرفت و نتایج زیر بدست آمد:

1. میزان بازده آهن در CBIC با کربن تا ۱۰ % نسبت به سایر نمونه های CBIC بیشتر و زمان بارریزی آن کمتر است که این موضوع بهره وری عملکرد کارخانه فولادسازی را بهبود می بخشد.
2. افزایش هر ۱ درصد وزنی در میزان کربن CBIC ، مصرف انرژی الکتریکی، زمان بارریزی و بازدهی فلز را به ترتیب ۱,۴۴، ۱,۰۵ و ۰.۳۹ درصد کاهش میدهد و بازده آهن را ۰,۲۶ درصد افزایش می دهد.
3. کربن شارژ شده از طریق CBIC در فرآیند فولادسازی، بازیابی آهن از سرباره را به طور مؤثرتری افزایش می دهد و باعث بازدهی بیشتر آهن در مقایسه با کربن آزاد میشود
4. میزان Feo و سرباره تولید شده برای نمونه CBIC با کربن 10% کمتر از سایر نمونه هاست همچنین درصد کربن باقی مانده در CBIC با کربن 10% مطابق با انتظار از همه نمونه ها بیشتر است.