کتاب فولادسازی (متالورژی تهیه فولاد در کوره های قوس الکتریکی و پاتیلی) اثر مسعود بینش مسعود بینش

درباره‌ ی کتاب

 کتاب حاضر، اصول علمی و تکنولوژیکی فولادسازی در کوره های قوس الکتریکی را در دو بخش و هجده فصل و یک پیوست ارائه داده است. بخش اول به فولاسازی در کوره های قوس الکتریکی اختصاص دارد و بخش دوم، فولاسازی در پاتیل را تشریح می کند. بدین ترتیب، متالورژی اولیه و متالورژی در تهیه فولاد، در این دو بخش آمده است. در بخش اول، این موارد بررسی شده است: سابقه تاریخ و تشریح سیستم های مختلف کوره قوس، مواد مصرفی در کوره های قوس شامل الکترودها، مواد نسوز، قراضه و افزودنی ها، انواع روش های فولادسازی و تمرکز بر روش بازی، نقش تعیین کننده سرباره در تهیه فولاد، مراحل مختلف اکسایش و احیاء در فولادسازی شامل کربن زادیی، فسفرزدایی و اکسیژن زدایی، آخال ها و گازها در فولاد، پیشرفت های فولادسازی در کوره های قوس و بررسی مهم ترین عوامل اقتصادی در کار کوره های قوس الکتریکی.
 بخش دوم به عملیات تکمیلی فولاسازی در کوره قوس پرداخته و متالورژی تهیه فولاد در پاتیل را که به عنوان متالورژی ثانویه شناخته می شود ارائه داده است. امروزه با استفاده از فرایند کوره پاتیلی، که خود به عنوان یک کوره کوچک، عملیات تکمیلی فولاسازی را انجام می‌ دهد. ترتیبی داده شده است که کوره قوس در جایگاه اصلی خود به کار گرفته شود و با استفاده از توان بالای ترانسفورمر، همچون یک ماشین پرسرعت ذوب عمل کند و مذاب را به واحد کوره پاتیلی تحویل دهد تا عملیات نهایی تصفیه احیایی و آلیاژسازی و بهبود کیفیت و تولید فولاد تمیز در کوره پاتیلی انجام شود.

پیشگفتار

فولادسازی در دنیا اساساً به دو شیوه انجام می‏پذیرد: تبدیل آهن خام حاصل از کوره بلند در کنورتر، و ذوب قراضه یا آهن اسفنجی در کوره‏های قوس الکتریکی. هر دو روش برای تهیه فولاد در ایران به‏کار گرفته می‏شود. استفاده از روش سوم، یعنی کوره‏های روباز، امروزه دیگر مرسوم نیست. در زمینه فولادسازی در کنورتر، منابعی به زبان فارسی در دسترس وجود دارد، اما در مورد فولادسازی در کوره‏های قوس الکتریکی، متن مدون و جامعی در اختیار نیست.
کتاب حاضر، اصول علمی و تکنولوژیکی فولادسازی در کوره‏های قوس الکتریکی را در دو بخش و هجده فصل و یک پیوست ارائه داده است. بخش اول به فولادسازی در کوره‏های قوس الکتریکی اختصاص دارد و بخش دوم، فولادسازی در پاتیل را تشریح می‏کند. بدین ترتیب، متالورژی اولیه و متالورژی ثانویه در تهیه فولاد در این دو بخش آمده است. فصل اول به بررسی سابقه تاریخی و تشریح سیستم‏های مختلف کوره قوس اختصاص یافته است. مواد مصرفی در کوره‏های قوس که عمدتا عبارتند از الکترودها، مواد نسوز، قراضه و افزودنی‏ها، در فصل‏های دوم تا پنجم بررسی شده است. پس از توضیح انواع روش‏های فولادسازی و تاکید و تمرکز بر روش بازی در فصل ششم، نقش تعیین کننده سرباره در تهیه فولاد، در فصل هفتم تشریح شده است. مراحل مختلف اکسایش و احیاء در فولادسازی، که شامل کربن‏زدایی، فسفرزدایی و اکسیژن‏زدایی است در فصل‏های هشتم تا یازدهم مطرح گشته است. مسئله آخال‏ها و گازها در فولاد، به‏دلیل اهمیتی که داراست به عنوان دو فصل جداگانه ارائه شده است. پیشرفت‏های فولاسازی در کوره‏های قوس، در زمینه‏هایی همچون تخلیه مذاب بدون سرباره، نوع بارگیری، همزدن مذاب، تسریع در فرایند ذوب و کنترل عناصر باقیمانده در فصل پانزدهم توضیح داده شده است. مهم‏ترین عوامل اقتصادی در کار این نوع کوره‏ها، در زمینه کاهش هزینه و مصرف مواد نسوز، الکترود و انرژی و به‏کارگیری سیستم‏های نوین خنک‏کاری گرم و پیشگرم قراضه، در فصل پایانی بخش اول تشریح شده است.
بخش دوم به عملیات تکمیلی فولادسازی در کوره قوس پرداخته و متالورژی تهیه فولاد در پاتیل را که به عنوان متالورژی ثانویه شناخته می‏شود ارائه داده است. بر خلاف شیوه ابتدایی فولادسازی در کوره قوس، که کلیه عملیات ذوب، تصفیه و آلیاژسازی در کوره انجام می‏گرفت، امروزه با استفاده از فرایند کوره پاتیلی، که خود به عنوان یک کوره کوچک، عملیات تکمیلی فولادسازی را انجام می‏دهد، ترتیبی داده شده است که کوره قوس در جایگاه اصلی خود به‏کار گرفته شود و با استفاده از توان بالای ترانسفورمر، همچون یک ماشین پرسرعت ذوب عمل کند و مذاب را به واحد کوره پاتیلی تحویل دهد تا عملیات نهایی تصفیه احیایی و آلیاژسازی و بهبود کیفیت و تولید فولاد تمیز در کوره پاتیلی انجام شود. این تکنولوژی در فصل هفدهم تشریح شده است. روش‏های مختلف متالورژی پاتیلی، که در آن با استفاده از گرم کردن و اعمال خلاء، تصفیه نهایی صورت می‏گیرد، فصل پایانی بخش دوم را به خود اختصاص داده است.
مجموعه‏ای از واژه‏های متداول در فرایند تولید فولاد در کوره‏های قوس الکتریکی نیز در قالب فرهنگ‏نامه‏ای مختصر به عنوان پیوست آورده شده است.
البته تردیدی نیست که متالورژی تهیه فولاد در کوره‏های قوس الکتریکی، به‏ویژه با توجه به ابداع روش‏های نوین، به‏قدری گسترش یافته که آنچه در این کتاب ارائه شده تنها در حد مقدمه‎ای در این زمینه به‏شمار می‏آید، اما کوششی که در تدوین و تنظیم آن صورت گرفته و دستی که مولف، خود عملا در کار فولادسازی داشته و دوره‏های آموزشی و کارورزی که در کارخانجات بزرگ فولادسازی آلمان، از جمله هامبورگ و تیسن دیده، او را امیدوار می‏سازد که نتیجه کارش بی‏اثر نباشد و دست‏اندرکاران و علاقمندان به فولادسازی را به‏کار آید.
 

مسعود بینش
masoud.binesh@gmail.com
پاييز 1392
 

مقدمه
فولاد، مهم‌ترين ماده ساختماني و آلیاژ مهندسی
زندگي امروزي بدون وجود فولاد قابل تصور نيست. توليد جهاني فولاد بیش از 1.5 میلیارد تن در سال و تقريبا ده برابر مجموع تولید مواد غيرآهني است. آن‏چه مي‌توان گفت اين است که فولاد به‏عنوان مهم‌ترين ماده ساختماني و آلیاژ مهندسی تا دهه‏های آینده باقي خواهد ماند.

فولادسازي به روش سنتي
مسير فولادسازي درکارخانجات بزرگ فولاد با کوره بلند و یا کوره‏های احیا آغاز می‏شود. مرحله بعدي در کارخانجات فولادسازي انجام مي‌شود، جایي که فلز مذاب توسط اکسايش کنترل شده و طي عمليات بعدي به فولاد تبديل مي‏گردد. پس از ريخته‌گري و انجماد فولاد مذاب، عمليات نورد در کارخانجات نورد تا رسيدن به محصول نهايي صورت مي‌پذيرد.

توليد آهن خام
تکنولوژي کوره بلند دائماً در حال رشد بوده است. توليد آهن خام با واحدهاي بزرگ‏تر و ظرفيت توليدي بيشتر، سبب کاهش تعداد واحدهاي کوره بلند شده است. قطر دهانه کوره بلند در واحدهاي بزرگ مدرن متجاوز از 11 متر است که هم‏اکنون بیش از 100 واحد از اين دست، در سراسر دنيا وجود دارد. متوسط توليد روزانه آنها 7000 تن - و در بعضي موارد بيش از 10000 تن- است که 40 درصد توليد جهاني آهن خام را تامين مي‌کنند. مصرف سوخت که تاثير اساسي بر هزينه توليد يک کوره بلند دارد با استفاده از روش‌هاي متعددي کاهش يافته است. هدف نهایي عبارت است از جايگزيني تدريجي کک به‏وسيله شکل‌هاي بسيار ارزان‌تر انرژي. اما به‏هر حال براي دست‏یابی به توزيع همگن گاز و تشکيل يک چارچوب پشتيبان در جداره داخلي کوره، وجود حداقل مقدار کک ضروري است. هنوز مقدار مشخصي به عنوان حد تعيين نشده است. امروزه سعي بر آن است که هر چه بيشتر، زغال سنگ ارزان پودري شکل به کوره بلند تزريق شود. اين حالت منجر به 40 درصد جايگزيني کک توسط زغال سنگ شده است. با استفاده از انرژي الکتريکي و اکسيژن به‏جاي دمش هواي گرم، ميزان دمش زغال تا kg 400 به ازاء هر تن آهن خام افزايش خواهد يافت.
هنوز توانایي افزايش توليد کک وجود دارد. باطري‌هاي بزرگ کک‌سازي به‏کار گرفته خواهند شد. در اين زمينه، تحقيقات بر روي بهبود بهره‌‌‌وري و بازده و نيز کاهش آلودگي محيط زيست متمرکز است. محدوده زغال‌سنگ‌هاي قابل استفاده نيز بيشتر خواهد شد. واحدهاي بزرگ کانه‌آرایي براي تهيه گندله و زينتر، به عنوان مواد اصلي مورد مصرف نيز در بهبود بازدهي کوره‌هاي بلند مؤثر خواهند بود. زمينه‌هاي ديگر کار بر روي کوره بلند به عنوان فرآيند احياء سنگ آهن، در آينده قابل پيش‌بيني است.

فولادسازي
با مطرح شدن فرآيند فولادسازي اکسيژني در ميانه دهه 50م، مسير توليد فولاد تغيير اساسي نمود. مشخصه اين فرآيند متالورژيکي کنورتري، بهره‌وري زياد و بازده اقتصادي است. سهم فولادسازي اکسيژني در توليد جهاني فولاد حدود 65 درصد است و فولادسازي الکتريکي به عنوان تنها جانشين جدی آن مطرح است. امروزه کوره‌هاي روباز عمدتا در کشورهاي شرقي، در حد اندک وجود دارند و در آينده نزديک، درست مانند فرايندهاي بسمر و توماس، از صحنه توليد حذف خواهند شد.
روش کنورتر دمش از کف (OBM) رقيب فرآيند فولادسازي اکسيژني معمولي شده است. گرچه اين شيوه هنوز موفق به جايگزيني کنورترهاي دمش از بالا نشده است اما عرصه جديدي در پيشرفت تکنيک گشوده که منجر به ابداع روش‌هاي دمش ترکيبي گشته است. اين فرآيند کامپيوتري با دمش اضافي، توسط شرکت فولاد تيسن توسعه داده شده و فوايد اقتصادي زيادي در توليد فولادهاي تميز کم کربن عايد کرده است. اتلاف آهن به‏دليل اکسايش نيز کاهش يافته است. گاز خروجي کنورتر که غني از انرژي است، با استفاده از روش خشک در سيستم جمع‌آوري و تصفيه، بازيابي مي‌شود.
اساسا کنورتر، يک مخزن تصفيه است و بهره‌وري بالاي آن به انتقال سريع جرم و انرژي بستگي دارد. معمولا شارژ کنورترهاي اکسيژني شامل آهن خام و تقريبا 20 درصد قراضه است. تلاش‌هايي صورت گرفته تا کنورتر کاملا به‏صورت يک محفظه ذوب قراضه درآيد. امروزه بعضي مدل‌ها، امکان استفاده از صددرصد قراضه را فراهم آورده‌اند. راه اساسي و بهتر براي ذوب قراضه، کوره قوس الکتريکي است. سهم اين کوره‌ها در توليد جهاني فولاد، بسته به مقدار قراضه دردسترس است. نکته ديگر اين‏که کوره‌هاي قوس، قراضه‌هاي مخصوص (آلياژي) براي توليد فولادهاي پرآلياژ مصرف مي‌کنند و بنابراين از سوي ديگر، قراضه درجه دو که آلودگي زيادي دارد در فولادسازي اکسيژني به‏کار مي‌رود. دوسوم قراضه مصرفي در فولادسازي توسط کوره‌هاي قوس و یک‏سوم توسط کوره‌هاي اکسيژني مصرف مي‌شود. مصرف اضافي توسط کارخانجات قطعه‌ريزي نيز بايد به‏حساب آيد. کوره‌هاي قوس UHP داراي ظرفيت تا 170 تن و تعدادي نيز متجاوز از 300 تن هستند. با تداوم پيشرفت‌ تکنيکي کوره‌هاي قوس، مي‌توان آنها را به عنوان ماشين ذوب در نظر گرفت.
مدت زمان مرحله ذوب يک کوره 130 تني به يک‏ساعت مي‌رسد. اين مقدار با توجه به نکات زيردست يافتني است:
افزايش توان ترانسفورمر
دمش اکسيژن + سوخت اضافي
همزدن حمام مذاب با استفاده از همزن‌هاي کف
تخليه مذاب بدون سرباره
حفاظت مناطق گرم کوره توسط خنک‏کاري
سيستم‌هاي کنترل کامپيوتري
زمينه پيشرفت آينده، مطرح شدن روش‌هاي جريان مستقيم مي‌باشد. علاوه بر هزينه‌ الکتريسيته، سودمندي فولادسازي الکتريکي، اساسا تحت تاثير قيمت قراضه است. بنابراين استفاده از قراضه‌هاي ارزان، کوره‌هاي قوس را براي توليد انواع فولاد مناسب و جذاب مي‌سازد.
قراضه يک ماده خام مهم است که از طريق آن مي‌توان در مصرف انرژي صرفه‌جويي کرد. با پيشرفت روش ريخته‌گري مداوم و ساير روش‌ها، بازده مطلق فولاد 14 درصد اضافه شده که موجبات تعطيل شدن نیمی از واحدهاي قراضه را فراهم آورده است. بنابراين برگشت قراضه‌هاي بزرگ در فرآيند فولادسازي قوسي، که مبتني بر ذوب قراضه است، بسيار مهم مي‌باشد. آلمان با 4 ميليون تن صادرات قراضه در سال 1990 ميلادي جزء صادرکنندگان قراضه محسوب مي‌شود. استفاده مجدد از قراضه‌هاي بزرگ، از لحاظ اقتصادي همواره مورد توجه بوده است. يک امکان، کوره کوپل با دمش گرم، همراه با يک کارخانه فولادسازي اکسيژني است. در کوره کوپل عناصر مضر با آهن خام رقيق مي‌شوند تا استاندارد مناسب کيفيت محصول به‏دست آيد. به عبارت ديگر، امروزه روش‏هاي ريخته‌گري و نورد امکان بالابودن محدوده عناصر مضر را براي بعضي محصولات
ميسر مي‌سازد.
متالورژي ثانويه اساسا با دگرگون کردن وضعيت توليد فولاد، کيفيت را بهبود بخشيده و باعث سوددهي ساخت فولادهاي مرغوب شده است. اين نقطه آغازي بود براي پيشرفت و توسعه در زمينه فولادهاي مخصوص، مثلا فولادهاي ساختماني ميکروآلياژي يا فولادهایي که در ساخت لوله‌هاي مقاوم در برابر گازهاي اسيدي به‏کار مي‌رود. هدف از متالورژي ثانويه، رها ساختن فرآيند اوليه از اهداف متالورژيکي بود. کنورتر بايد منحصرا به عنوان يک مخزن تصفيه - مخصوص اکسايش کربن - به‏کار گرفته شود و کوره قوس به عنوان يک محفظه براي ذوب مواد جامد باقي بماند. مراحل متالورژيکي ضروري بعدي، توسط متالورژي ثانويه انجام مي‌گيرد. بدين ترتيب آناليزهاي خارج از استاندارد و آخال‌هاي غيرفلزي کاهش مي‌يابد و دما و آناليز شيميايي مذاب همگن مي‌شود. به‏علاوه، شکل آخال‌هاي غيرفلزي کنترل و بهينه مي‌شود تا خواص مخصوص و مورد نظر فولاد پديد آيد. گرم کردن در واحدهاي متالورژي ثانويه امکانات ديگري از لحاظ مهندسي فرآيند نيز فراهم کرده است. به متالورژي ثانويه، متالورژي پاتيلي نيز گفته مي‌شود زيرا فرآيند، معمولا در پاتيل انجام مي‌گيرد. معمولا مذاب پس از مرحله فولادسازي، در واحدهاي متالورژي ثانويه تحت عمليات قرار مي‌گيرد. براي اجتناب از اکسايش مجدد، بايد اقداماتي به هنگام تخليه مذاب از پاتيل به تانديش و از تانديش به قالب‌هاي ريخته‌گري مداوم صورت گيرد.
با استفاده از متالورژي ثانويه مي‌توان به فولادهاي خاص دست يافت؛ فولادهايي که توليد آنها در محفظه‌هایي با حجم بزرگ غيرممکن مي‌نمود. با به‏کارگيري وسايل تکنيکي، کل غلظت عناصر همراه، امروزه تا حد کمتر از ppm 30 کاهش يافته است. محدوده‏های کمتر از این مقدار نیز با فرآيندهاي خلاء قابل دست‏یابی است.
تنظيم دقيق شيميایي با محدوده تغييرات بسيار کم، پيش‏شرط لازم براي فرآيندهاي فولاد در کارخانجات فولادسازی شده است. ترکيب دقيق و موزانه شده عناصر آلياژي، تنظيم کربن، اکسيژن، نيتروژن و هيدروژن و نورد کنترل شده براي دست‏یابی به خواص مطلوب فولاد، ضرورت يک عمليات حرارتي اضافي را از بين مي‌برد.

ريخته‌گري مداوم
تغييرات بسيار زيادي در زمينه ريخته‌گري صورت گرفته است. فرآيند ريخته‌گري مداوم در سطح جهان رونق يافته است. بسته به نوع محصولات،کارخانجات مدرن فولادسازي تقريباً تماماً ريخته‌گري مداوم دارند. بیش از 70 درصد فولاد در سطح جهان به‏صورت مداوم ريخته‌گري مي‌شود. بدون ترديد ريخته‌گري مداوم به‏دلیل فواید اقتصادي و کيفي، جاي ريخته‌گري کنده را خواهد گرفت. بهبود توليد ريخته‌گري مداوم سبب صرفه‌جویي‌هاي قابل توجهي در فولاد شده است. با به‏کارگيري روش ريخته‌گري مداوم، اولين مرحله نوردکلاسيک تختال مي‌تواند حذف شود. راه مناسب براي توليد سودمند فولاد، احداث واحدهاي کوچک فولاد است. فوايد ريخته‌گري مداوم اساسا در حذف ترک‌هاي داخلي و عيوب سطحي و بهبود بهره‌وري کارخانجات است. پيشرفت‌هايي در جهت استفاده از شارژ کردن گرم و مستقيم محصولات نيمه‏تمام ريخته‌گري مداوم، به کارخانجات نورد صورت گرفته است. بنابراين اجراي يک عمليات بسيار مطمئن و با کنترل دقيق ضروري است. مزيت اين روش عبارت است از کوتاه‌تر کردن مسير توليد، که هزينه‌هاي انرژي و عمليات را کاهش مي‌دهد.
ضخامت مقاطع فولادهاي ريختگي به‏طريق مداوم mm 300 - 100 براي محصولات بلند و mm 350-150 براي تختال است. در دو دهه اخير تلاش‌هاي زيادي در جهت استفاده از مذاب فولاد در ريخته‌گري مقاطعي با ابعاد و اندازه کوچک‌تر براي محصولات بلند و تخت انجام شده است. اين فرآيند تحت عنوان "ريخته‌گري شبيه شکل نهایي محصول " شناخته مي‌شود. اين سيستم براساس ريخته‌گري معمولي تختال است اما با استفاده از يک قالب شکل داده شده مخصوص. ريخته‌گري تسمه نیز يک گام به پيش برداشته است. نورد اضافي در ريخته‌گري مداوم منجر به رسيدن تا ضخامت‌هاي حدود mm 20 شده است. روش CPR، تختال گرم را پس از خروج از قالب يا نورد پرسي، به‏سرعت نازک مي‌کند. ماده به‏صورت معمولي در قسمت پایيني ريخته‌گري، نورد شده و سطح مقطع آن کاهش مي‌يابد. ريخته‌گري تسمه نازک به سمت توليد محصولات با ضخامت کمتر از mm 10 نشانه رفته است. به نظر مي‌رسد روش دوغلتکي اميدبخش است.
ريخته‌گري تسمه و تسمه نازک موانع را پشت سر خواهد گذاشت. اهميت نورد گرم تسمه بسيار قابل ملاحظه است. نورد گرم تنها توسط چند قفسه و یا حتي با حذف آنها انجام مي‌شود. اين امرمنوط به ساختار جديدي در توليد مي‌شود. فولاد مي‌تواند در کارخانجات بزرگ فولادسازي تهيه شود. عمليات بعدي در يک واحد تک ‏محصولي توسط روش‌هاي ريخته‌گري طراحي شده براي توليد تسمه گرم، صفحات سنگين، تسمه سرد يا محصولات مخصوص بلند انجام مي‌شود. کارخانجات کوچک فولاد بيشتر به سمت توليد فولاد براي محصولات تخت - به‏دلیل هزينه سرمايه‌گذاري کمتر - خواهند رفت. براي محصولات بلند با کيفيت بالا، روش ريخته‌گري شکلي مي‌تواند به شکل نهايي محصول نزديک شود. علاوه بر هزينه‌ الکتريسيته، بحران اقتصادي براي کارخانجات کوچک فولاد، کوره‌هاي قوس را به سویي مي‌راند که بتواند با قراضه تامين شده از خارج از کارخانه، سطح مشابهي از کيفيت محصول را به‏دست دهد.

نورد
مقدار تغيير شکل در نورد گرم با روي کارآمدن ريخته‌گري مداوم سه‏چهارم کاهش يافته است. اهميت نورد به‏عنوان يک مرحله فرايند تغييرشکل، به سمت حذف شدن پيش مي‌رود، در حالي‏که اهميت آن براي تنظيم کيفيت خواص محصول بيشتر مي‌شود. اين مسئله بر کيفيت شکل و سطح محصولات نوردي اثر مي‌گذارد. با استفاده از کنترل هيدروليکي ضخامت، محدوده‌هاي کوچک دقت ابعادي در طول يک تسمه بزرگ را مي‌توان حفظ نمود. شيب ضخامت در عرض تسمه توسط روش cvc تنظيم مي‌شود.
تغيير سيکلي محور غلتک‏ها همراه با صيقل‏کاري معمولي، منجر به يکنواختي بيشتر شيب سايش مي‌شود. برنامه نورد با توجه به عرض تسمه، انعطاف‌پذيرتر مي‌شود و مواد بيشتري مي‌تواند در طي يک برنامه، نورد شود. انتخاب برنامه نورد به کيفيت محصولات فولادي و عمليات بعدي وابسته است، که عمدتا عبارتند از: نرماله‌کردن، عمليات ترمومکانيکي، خنک‌کاري شديد و سردکردن مستقيم. آماده کردن برنامه نورد براساس جنبه‌هاي فيزيکي و شيميايي و متالورژيکي، يک امکان براي انتقال از نتايج علمي به عملي است. مدل‌هاي فرايند شبيه‌سازي کامپيوتري بسيار مورد استفاده قرار خواهند گرفت.
مرحله بعد فرآيند، در کارخانه نورد سرد صورت مي‌گيرد. محصول در طي پنج مرحله تحت عمليات قرار مي‌گيرد: اسيدشویي براي تميز کردن سطح، کارسرد در نورد پشت‏سرهم، آنيل تبلور مجدد براي حذف کارسختي، نورد ظريف‏کاري براي تنظيم کيفيت سطح و بازرسي و لبه‌زني در کارگاه پرداخت. به نظر مي‌رسد ترکيب همه مراحل مختلف در يک عمليات مداوم، فوایدي دربرداشته باشد. جانشين روش آنيل مداوم، استفاده از جعبه‌هاي آنيل با انتقال حرارت شديد است در مقايسه با جعبه‌هاي معمولي. اين فرآيند، زمان آنيل را با برقراري بهتر شرايط انتقال حرارت کاهش مي‌دهد. روزبه‏روز بر حجم تسمه‌هاي نورد سرد شده با پوشش سطحي افزوده مي‌شود. اين امر نيز اثر خاصي بر توليد اتوماتيک مداوم تسمه سرد مي‌گذارد. بخش اعظم کلاف‌هايي که بايد عمليات سطحي روي آنها صورت گيرد خط توليد را پس از نورد پشت‏سرهم ترک مي‌کنند.

پوشش‌هاي سطحي
امروزه پوشش‌هاي متنوع فلزي و غيرفلزي به منظور افزايش مقاومت خوردگي و بهتر شدن ظاهر سطح، به‏کار مي‌رود و تغييرات آن نيز بسته به نياز بازار مصرف دارد. عوامل متغير زيادي، بنا به‏دلايل اقتصادي، بايد در نظر گرفته شود. فرآيندهاي مختلف پوشش دادن مثل پوشش‌هاي روي، روي - نيکل يا روي - آلومينيوم وجود دارد. پوشش مي‌تواند يک‏رو يا دورو با ضخامت‌هاي مختلف باشد. عمليات حرارتي اضافي، متغيرهاي ديگري را نيز مطرح مي‌سازد. رونق بازار صفحات پوشش داده شده باعث ايجاد کارخانجات پوشش بسياري شده است. توليد انبوه توسط پوشش‌هاي خلاء و پوشش‌هاي بسيار نازک، هنوز در آغاز راه است و جذابيت‌هاي زيادي براي پوشش‌هاي چند لايه‌اي در مورد کاربردهاي خاص وجود دارد. هدف، رسيدن به تسمه پيش‏رنگ شده يا رنگ شده به‏عنوان يک محصول آماده از نظر سطح است. صفحات ساندويچي نيز به گروه محصولات پوشش داده شده متعلق هستند. آنها شامل دو ورق فولادي با پوشش سطحي هستند که توسط يک لايه پلاستيکي نازک، براي جذب صدا و يک پلاستيک کلفت‌تر، براي استفاده به عنوان مصالح ساختماني، از يکديگر جدا مي‌شوند.

گسترش و تنوع عرضه محصولات فولادي
سازنده‌هاي فولاد با عرضه محصولاتي که بر روي آنها عمليات سطحي صورت گرفته، بر تنوع محصولات خود افزوده‌اند. همين مسئله در مورد روش جوشکاري صدق مي‌کند. موفقيت‌هاي زيادي در روش برش ليزري و جوش ليزري صفحات فلزي به‏دست آمده است. صفحات بزرگ جوش ليزري شده و قطعات مرکب، اکنون براساس مقياس دقيقي توليد مي‌شوند. قطعات مرکب شامل چند صفحه مجزا از جنس فولادهاي مختلف، با ضخامت و با پوشش سطحي متفاوت است. آنها توسط تکنيک پرتو ليزري و يا در حالات خاص با روش خميري به‏هم جوش داده مي‌شوند. بنابراين يک محصول به گونه‌اي است که کاملا نيازهاي يک کاربرد ويژه را پاسخ می‏دهد.
انواع فولاد نرم براي مناطقي از صفحه، که اغلب در فرآيندهاي توليد، شکل داده مي‌شوند انتخاب مي‌شود. مناطقي از صفحه که نياز به استحکام کششي بالا در اجزاء ساختار دارند، از فولادهاي با استحکام بالا ساخته مي‌شوند. به‏علاوه، ترکيب صفحات با ضخامت‌هاي مختلف، شرايط فرايند و خواص کاربردي را - در عين داشتن وزن کم - بهينه مي‌کند. در مناطقي که در معرض خوردگي است از صفحات با پوشش سطحي استفاده مي‌شود، در نتيجه پرس‌هاي برش ورق و خطوط جوشکاري به حوزه کارخانجات متالورژيکي وارد خواهند شد تا محدوده کار فولاد گسترش يابد. قبلا نيز از واحدهاي برش ريز و خطوط برش طولي استفاده مي‌شده است.

جنبه‌هاي زيست‌محيطي
حفاظت محيط زيست يک جنبه مهم و حساس کار صنعتي است. فولاد به‏دلیل داشتن خواص مغناطيسي، به‏راحتي قابل بازيابي است. مدتهاست که قراضه‌هاي فولادي بازيابي مي‌شوند و مجدداً به عنوان يک ماده شارژ با کيفيت بالا مورد استفاده قرار مي‌گيرند. براي فولادسازان اين يک سنت است که مواد زاید خود را مجددا استفاده کنند يا براي استفاده ديگران عرضه نمايند. کارهاي جاري بر روي کانه‌آرایي آلياژهاي دانه‏ريز بازيافتي، سرباره‌هاي فولادسازي و پوسته‌هاي اکسيدي نورد متمرکز است. بازيافت‌هاي آهني دانه‏ريز، مخصوصا غبار دودکش کوره بلند با غلظت کم سرب و روي، در يک فرايند مجدد در محفظه واکنش از نوع بستر سيال، براي استفاده دوباره درکارخانجات زينتر مورد عمليات قرار مي‌گيرد. به‏علاوه يک ماده غني از روي و سرب براي بازيابي بعدي جدا مي‌شود.

فهرست مطالب

بخش اول فولادسازی در کوره‏های قوس الکتریکی (متالورژی اولیه)
(Primary metallurgy) 1

فصل 1 تجهيزات كوره قوس الكتريكي 3
1.1 کوره‏های قوس الكتريكي و انواع آن 4
1.1.1 تاريخچه كوره قوس الكتريكي 5
1.1.2 ويژگي‌ها و توانايي‌هاي كوره قوس 6
1.2 طراحي و مهندسي كوره قوس الكتريكي 7
1.3 اجزاء كوره قوس 7
1.3.1 بدنه 9
1.3.2 سقف (سرپوش) 9
1.3.3 ناوداني 10
1.3.4 درب شارژ (درب سرباره) 10
1.3.5 دكل 10
1.4 سيستم‌هاي مختلف كوره قوس الكتريكي 12
1.4.1 سيستم مكانيكي و هيدروليكي 12
1.4.2 سيستم آبگرد 14
1.4.3 سيستم جمع آوري گرد و غبار 14
4.4.1 سيستم الكتريكي 16
1.4.4.1 بازده كوره قوس 18
1.4.4.2 قوس الكتريكي 19
1.4.4.3 مسئله ناپايداري قوس 19
4.4.4.1 نقش قوس در ايجاد مناطق گرم در جداره نسوز كوره 20

 فصل  2 الكت رود 23
2.1 الكترودهاي كربني و گرافيتي 25
2.2 مصرف الكترود و عوامل موثر بر آن 26
2.3 نكات مهم در نگهداري و كار با الكترود 29

فصل 3 مواد نسوز 31
3.1 خواص مواد نسوز 32
3.2 انواع مواد نسوز 33
3.3 نسوزچيني كوره قوس 33
3.4 عمليات آماده‌سازي كوره 36
3.5 ضريب مصرف مواد نسوز 36

فصل 4 قراضه 37
4.1 عمليات آماده‌سازي قراضه 38
4.2 مشخصات فيزيكي قراضه 40
4.3 مشخصات شيميايي قراضه 41
4.4 سبدهاي بارگيري و نحوه قرارگرفتن قراضه در آنها 41
4.5 مرحله ذوب 42

فصل 5 افزودني‌ها 45
5.1 روانسازها 46
5.1.1 آهك (سنگ آهك) 47
5.1.2 فلوئورسپار 48
5.2 فروآلياژها 48
5.3 عناصر آلياژي 49

فصل 6 روش‌هاي فولادسازي 51
6.1 روش اسيدي 52
6.1.1 مقايسه روش‌هاي اسيدي و بازي 53
6.2 روش بازي 54
6.2.1 عمليات تك سرباره‌اي 54
6.2.2 عمليات دوسرباره‌اي 55

فصل 7 سرباره 57
7.1 منابع اصلي تشكيل سرباره 58
7.2 نقش سرباره در فولادسازي 59
7.3 قانون توزيع (تقسيم) 59
7.4 خواص 60
7.5 روش كنترل سرباره 61
7.6 ساختار و تركيب سرباره‌ها 62
7.7 نظريه يوني سرباره 63
7.8 نسبت بازي 64
7.9 درجه اكسايش سرباره 65

فصل 8 مرحله اكسايش 67
8.1 فرايند كربن زدايي 68
8.1.1 ارتباط بين اكسيژن و كربن 69
8.1.2 عبور اكسيژن از فاز گازي به مذاب 71
8.1.3 سينتيك واكنش كربن‏زدايي 73
8.1.4 مكانيسم حباب‏سازي 75
8.1.5 اثر دما بر واكنش كربن‏زدايي 76
8.1.6 نقش سرباره در واكنش كربن‏زدايي 77
8.2 مواد اكسيدكننده 77
8.3 روش كنترل شده كربن‌زدايي 78

فصل 9 فسفرزدايي 79
9.1 تاثير فسفر بر كيفيت فولاد 80
9.2 شرايط ترموديناميكي فسفرزدايي 80
9.3 اثر تركيب سرباره بر فرآيند فسفرزدايي 82
9.4 سرباره‌گيري و سرباره‌سازي 84
9.5 شرايط بهينه فسفرزدايی 86
9.6 احياء و برگشت فسفر 86

فصل 10 مرحله احياء 89
10.1 گوگردزدايی 90
10.1.1 تاثير گوگرد بر كيفيت فولاد 90
10.1.2 عناصر گوگردزدا 91
10.1.3 مكانيسم‌هاي گوگردزدايي 92
10.1.3.1 گوگردزدايي توسط منگنز 93
10.1.3.2 گوگردزدایی با آهك 96
10.1.4 شرايط بهينه گوگردزدايي 96
10.1.5 نقش سرباره در گوگردزدايي 97
10.1.6 اثر دما بر واكنش گوگردزدايي 100
10.1.7 سرباره‌گيري و سرباره‌سازي 100

فصل 11 اكسيژن‌زدايي 101
11.1 آرام‏سازي فولاد 102
11.1.1 اکسيژن‏زدايی رسوبی 103
11.1.2 اكسيژن‌زدايي نفوذي 104
11.1.3 عمليات خلاء 104
11.1.4 عمليات با سرباره‌هاي مصنوعی 105
11.2 اكسايش و احياء منگنز 105
11.2.1 اكسيژن‏زدايي توسط منگنز 106
11.3 اكسايش و احياء سيليسيم 107
11.3.1 اكسيژن زدايي توسط سيليسيم 107
11.4 اكسيژن‏زدايي توسط آلومينيوم 108
11.5 روش افزودن اكسيژن‏زداها به مذاب 110

فصل 12 آخال‌ها در فولاد 113
12.1 آخال‏هاي غيرفلزي 114
12.1.1 آخال‏هاي اكسيدي 115
12.2 تاثير آخال‏ها بر خواص فولاد 116

فصل 13 گازها در فولاد 117
13.1 منبع گازهاي حل شده در فلز 118
13.2 گاززدايي فولادي 119
13.3 هيدروژن 120
13.4 نيتروژن 121
13.5 اكسيژن 122
13.6 تاثير گازها بر خواص فولاد 122

فصل 14 تخليه مذاب 125
14.1 دمش نيتروژن 126

فصل 15 پيشرفت‌هاي فولادسازي در كوره‌هاي قوس 127
15.1 كوره EBT 128
15.1.1 مقايسه كوره EBT و كوره EAF معمولي 130
15.2 كاهش زمان تخليه تا تخليه 131
15.3 استفاده از مشعل‌هاي اكسيژن - سوخت 132
15.4 همزدن مذاب 132
15.5 بارگيري مداوم 134
15.6 تسريع در فرايند ذوب 134
15.7 كنترل عناصر باقيمانده به‏وسيله انتخاب نوع شارژ 135
15.8 آماده‌سازي و جابه‌جايی شارژ 137
15.9 آهن احياء مستقيم 138
15.9.1 درجه فلزي شدن 139
15.10 مواد زائد 140
15.11 تخليه مذاب بدون سرباره 140
15.12 کوره قوس با جريان مستقيم (DC) 141

فصل 16 مهم‏ترین عوامل اقتصادی در کار کوره‏های قوس 145
16.1 عوامل موثر بر هزينه مواد مصرفي 146
16.1.1 هزينه‌هاي تبديلي 146
16.1.1.1 كاهش مصرف مواد نسوز 147
16.1.1.2 كاهش مصرف الكترود 147
16.1.2 تسريع در عمليات ذوب 148
16.1.2.1 تزريق تدريجي اكسيژن 148
16.1.2.2 مشعل‌هاي سوخت - اكسيژن (سوختن در حد كمتر از استوكيومتري) 149
16.1.2.3 مشعل‌هاي سوخت – اكسيژن (سوختن غيراستوكيومتري) 150
16.2 موازنه انرژي 152
16.2.1 سيستم خنك‌كاري گرم 156
16.3 پيشگرم كردن قراضه 158

بخش دوم فولادسازي در پاتيل (متالورژی ثانويه) (Secondary metallurgy) 159

فصل 17 تكنولوژي كوره پاتيلي 163
17.1 تئوري تصفيه فولاد 164
17.2 عمليات تصفيه پاتيلی 165
17.3 چرخه عمليات 167
17.4 تجهيزات كوره پاتيلي 168
17.3 اصول تصفيه احيايی 170
17.3.1 گرم كردن 171
17.3.2 همزدن 172
17.3.3 محيط غيراكسيدي 173
17.3.4 سرباره سفيد 174
17.3.5 اكسيژن‌زدايی 174
17.3.6 گوگردزدايی 175
17.3.7 آخال‌زدايی 175
17.4 كنترل دما و تركيب شيميايي 176
17.5 پاتيل به عنوان محفظه عمليات متالورژيكي 177
17.6 فرآيند توليد فولاد تميز 177

فصل 18 روش‌هاي مختلف متالورژي پاتيلي 179
18.1 عمليات مذاب با سرباره مصنوعي 180
18.2 دمش گاز خنثي 182
18.3 دمش مواد پودري 185
18.4 استفاده از تركيب كوره – پاتيل 191
18.5 گاززدايی تحت خلاء 193
18.6 انواع روش‏های گاززدايي تحت خلاء 196
18.7 گاززدايي چرخه‌اي 198
18.8 گاززدايی تحت خلاء در پاتيل 201
18.9 روش تصفيه خلاء - اكسيژن (VOD) 201
18.10 روش کربن‏زدايی با دمش آرگون - اكسيژن (AOD) 203
18.11 دمش بخار - اكسيژن 206
18.12 فرآيندهاي تركيبي 207
18.13 حباب‌سازي توسط دمش آرگون 213
18.14 تصفيه سرباره‌اي 215
18.15 فرآيندهاي تزريق مواد در پاتيل 216
18.16 گاززدايي تحت خلاء همراه با گرم كردن 218
18.17 مقايسه فرآيندهاي فولادسازي ثانويه 219

پيوست فرهنگ واژه‌هاي فولادسازي 223

منابع و مراجع 247