27 مرداد 1394 منتشرشده در مقالات نوشته شده توسط 

بازیابی گرد و غبار کوره های قوس الکتریکی

این مورد را ارزیابی کنید
(0 رای‌ها)

1 معرفی

 1-1 تاریخچه

در سال ۱۸۰۲ پتروف (V.P.Petrof) کشف کرد که اگر دو تکه زغال چوب به قطب های باتری بزرگی وصل شود (تماس داده شود) و سپس کمی از هم جدا شوند شعله روشنی بین دو تکه زغال دیده می شود، و انتهای آنها که از شدت گرما سفید شده است نور خیره کننده ای گسیل می دارد. هفت سال بعد قوس الکتریکی توسط دیوی (H.Davy) فیزیکدان انگلیسی مشاهده شد و پیشنهاد کرد که این پدیده به احترام ولتا قوس ولتا نامیده شود.

یک روش ساده برای ایجاد قوس الکتریکی این است که دو تکه کربن روی گیره قابل تنظیم سوار نمود (بهتر است که به جای زغال چوب معمولی میله خاصی که از کربن قوس ساخته می شود و با فشار دادن مخلوط گرافیت ، کربن سیاه و مواد چسبنده به وجود می آیند، استفاده شود.) و سپس جریان بین آن دو برقرار نمود. چشمه جریان می تواند برق شهر هم باشد برای اجتناب از اینکه در لحظه تماس تکه های کربن مدار کوتاه ایجاد شود باید رئوستایی به طور متوالی به قوس وصل شود. معمولا برق شهر با جریان متناوب تغذیه می شود. ولی در صورتی که جریان مستقیم از آن عبور کند قوس پایدارتر است به طوری که یکی از الکترودها همیشه مثبت آند (و دیگری همواره منفی کاتد) است.

 2-1 ماهیت قوس الکتریکی

در قوس الکتریکی الکترودها در اثر حرارت سفید رنگ می شوند. ستونی از گاز ملتهب رسانای خوب الکتریکی بین الکترودها وجود دارد. در قوس معمولی این ستون نوری بسیار کمتر از نور تکه های کربن سفید شده از آزمایش های مربوط به گرما گسیل می کنند. چون الکترود مثبت دمایش از الکترود منفی بیشتر است زودتر از بین می رود. در نتیجه تصعید شدید کربن صورت گرفته و در آن، الکترود مثبت فرورفتگی به وجود می آید که به دهانه مثبت معروف است و داغ ترین نقطه الکترودهاست.

دمای دهانه در هوا و در فشار جو به ۴۰۰۰ درجه سانتیگراد می رسد. در لامپ های قوسی سازوکارهای منظم و خود کار خاصی برای نزدیک کردن تکه های کربن با سرعت یکنواخت وقتی با سوختن از بین می روند، مورد استفاده قرار می گیرد. برای اینکه سایش و خوردگی الکترود مثبت به خاطر دمای بالایش بیشتر است، برای همین همیشه الکترود کربن مثبت کلفت تر از الکترود منفی اختیار می شود.

قوس الکتریکی می تواند بین الکترودهای فلزی ساخته شده از آهن ، مس و غیره نیز بگیرد. در این حالت الکترودها به میزان زیادی ذوب و تبخیر می شوند و این عمل به مقدار زیادی آزمایش های مربوط به گرما احتیاج دارد. به این دلیل دمای مرکز الکترود فلزی معمولا کمتر از دمای الکترود کربنی است (۲۰۰۰ تا ۲۵۰۰ درجه سانتیگراد). قوسی که بین الکترودهای کربن در گاز فشرده ای قرار می گیرد بالا رفتن دمای مرکز مثبت تا ۵۹۰۰ درجه سانتیگراد یعنی دما روی سطح خورشید را ممکن ساخته است. معلوم شده است که کربن در این حالت ذوب می شود. دمای باز هم بالاتری را می توان در ستونی از گاز و بخاری که از آن تخلیه الکتریکی می گذرد، به دست آورد. بمباران شدید این گاز و بخار با الکترون ها و یون هایی که با میدان الکتریکی قوس شتاب گرفته اند دمای ستون گاز را ۶۰۰۰ تا ۷۰۰۰ درجه سانتیگراد می رساند. به این دلیل تقریبا تمام مواد شناخته شده در ستون قوس الکتریکی ذوب و تبخیر می شوند. و بسیاری از واکنش های شیمیایی که در دماهای پایین انجام شدنی نیستند، با قوس الکتریکی امکان پذیر می شوند. مثلا میله های چینی دیر گداز در شعله قوس به سهولت ذوب می شود.

برای ایجاد تخلیه قوس الکتریکی به ولتاژ زیادی احتیاج نیست با ولتاژ ۴۰ تا ۴۵ ولت بین الکترود ها می توان قوس را به وجود آورد. از طرف دیگر جریان داخل قوس زیاد است. مثلا حتی در قوس کوچک جریان به ۵ آمپر می رسد، در حالیکه در قوس های بزرگ که در مقیاس صنعتی به کار می روند جریان به صدها آمپر بالغ می شود. این به این معناست که مقاومت قوس پایین است و از این رو ستون گاز تابان رسانای الکتریکی خوبی است.

یونش شدید گاز با قوس الکتریکی به آن دلیل امکان پذیر است که کاتد قوس الکتریکی تعداد زیادی الکترون گسیل می داد. این الکترون ها با برخورد با گاز داخل شکاف تخلیه گازی آن را یونیزه می کنند. گسیل الکترونی شدید از کاتد از آنجا ممکن می شود که خود کاتد تا دمای بسیار بالایی گرم می شود. وقتی که الکترودهای قوس در ابتدا تماس داده شوند تقریباً تمام گرمای ژول که از الکترود ها می گذرد در ناحیه تماس که مقاومت بسیار دارد آزاد می شود. به این دلیل انتهای الکترودها به شدت گرم می شوند که برای گیراندن قوس به هنگام جداکردن آنها کافی است آن وقت کاتد قوس توسط جریانی که از قوس می گذرد، در حالت التهاب می ماند. در این فرایند بمباران کاتد توسط یون هایی که به آن برخورد می کند نقش اصلی را ایفا می کند.

3-1 کوره قوس الکتریک (EAF)

کوره قوس الکتریک یا همان EAF یکی از بهترین انواع کوره ها برای ذوب، آلیاژسازی وتصفیه فولاد به حساب می آید. این کوره از لحاظ روش ایجاد قوس به دو دسته مستقیم و غیرمستقیم تقسیم می شود. در روش قوس غیر مستقیم قوس الکتریکی بین الکترود ها که ممکن است دوتایی یا سه تایی باشند برقرار می شوند و طراحی کوره به شکلی انجام می گیرد که شارژ بین آنها که در محدوده، قوس قرار گرفته در اثر حرارت قوس ذوب شوند. ولی در کوره های امروزی عمدتاً از روش قوس مستقیم استفاده می شود که قوس بین الکترود یا الکترود ها که ممکن است تکی دوتایی یا سه تایی باشند با جداره وکف برقرار می شود وشارژی که در محدوده قرار گرفته می شود ذوب می شود. از میان کوره های قوس الکتریکی مستقیم نوع 3 تایی آن هم در تناژهای کم و هم در تناژهای زیاد مورد مصرف صنعتی بیشتری دارد و همین نوع کوره است که بیشتر برای ذوب و ریخته گری فولاد استفاده می شود.

کوره قوس الکتریکی بر اساس سرباره شان ممکن است قلیایی یا اسیدی باشند. یعنی اگر سرباره آن قلیایی باشد مواد نسوز نیز باید قلیایی باشد و اگر سرباره آن اسیدی باشد مواد نسوز نیز باید اسیدی باشد. سرباره قلیایی در مجاورت نسوز اسیدی با آن ترکیب شده واشکالاتی بوجود می آورد. تقریباً 95 درصد فولادها در جهان در کوره قلیایی تولید می شوند (زیرا با مواد قلیایی فسفرزدایی وگوگرد زدایی انجام می گیرد). از کوره های اسیدی در موارد مخصوصی استفاده می شود. در کوره قوس الکتریکی با جداره بازی این قابلیت وجود دارد که بتوان از بدترین نوع قراضه بهترین و باکیفیت ترین نوع فولاد را تهیه کرد.

بطور کلی ساختمان کوره قوس الکتریکی 3 الکترودی شامل قسمتهای زیر می باشد.

  • الکترودها: در سقف کوره قرار می گیرند و توسط بازوهای نگهدارنده آن بالا پایین می روند.
  • سقف کوره: بصورت یک کلاهک است و سعی می شود سقف را بگونه ای طراحی بکنند که هم استحکام کافی داشته باشد و هم حتی الامکان از لحاظ وزنی سبک باشد. در اکثر کوره ها قوس الکتریکی سقف همراه با الکترودها قابل حرکت است. مقداری سقف به طرف بالا حرکت می کند و بعد حرکت افقی می کند و کنار می رود و شارژ کوره از محل سقف آن وارد کوره می شود.
  • دیواره ها: عموماً به صورت استوانه ای شکل اند و بسته به اینکه کوره اسیدی یا بازی باشد از جنس مختلفی تهیه می شوند.
  • کف کوره: حالت قوسی شکل دارد برعکس سقف آن عمقش نسبتاً کم و سطح آن زیاد است تا فصل مشترک مذاب با سرباره بیشترین مقدار باشد.
  • درب کار: در کوره های قوس الکتریک نیاز است که در حین ذوب موادی به ذوب اضافه شود مثل مواد فروآلیاژ یا مواد سرباره ساز یا مواد دیگر، درنتیجه این مواد از درب کار بداخل کوره شارژ می­شوند.
  • محفظه تخلیه مذاب: قبل از شارژ کوره این قسمت توسط گل نسوز بسته می شود و بعد از انجام فرآیند ذوب و تصفیه این قسمت باز می شود کوره خم می شود و مذاب از آن تخلیه می شود.
  • دریچه سرباره گیری: بعضی وقتها به طور مجزا وجود دارد که مشابه با محفظه تخلیه مذاب است (خود سیستم قابلیت این را دارد که تا 45 درجه کوره را برای تخلیه مذاب به جلو خم کند و تا 15 درجه برای تخلیه سرباره به عقب خم کند).
  • سیستم مکانیکی و محرک.

گاهی اوقات می­توان از لاستیک­های فرسوده جهت تامین کربن مورد نیاز فولاد و همچنین منبع انرژی استفاده کرد. لاستیک­های فرسوده منبع مناسب سوخت جهت ذوب فولاد در کوره­های قوس الکتریک است. کربن و هیدروژن لاستیک­ها انرژی سوختی را تامین کرده و نوار سیم لاستیک قسمتی از شارژ فلزی را تشکیل می­دهد.

 4-1 گرد و غبار کوره قوس الکتریک

گرد و غبار کوره EAF از قراضه­هایی که به منظور ذوب مجدد درون کوره ریخته می­شود ناشی می­شود و بطور متوسط در هر تن فولاد تولیدی 10 تا 20 کیلوگرم گرد و غبار بدست می­آید. البته این مقدار گرد و غبار برای کوره هایی است که جهت تولید فولاد از آنها استفاده می­شود و کوره های دیگری هستند که مستقیما جهت تولید آهن مذاب از آنها استفاده می­شود و نتیجتا شارژ آنها شامل قراضه ها و آهن اسفنجی می­باشد و بنابراین مقدار زیادی گرد و غبار حین فرآیند تولید می­شود. بطور تقریبی گفته شده است که یک تا دو درصد شارژ کوره به EAFD تبدیل می­شود.

علاوه بر صرفه اقتصادی که بازیابی EAFD دارد، تحقیقات نشان داده است که این این ماده در دسته باطله­های خطرناک دسته بندی می­شود. چراکه حاوی فلزات سنگینی ازجمله روی، کادمیم و سرب می­باشد. حد مجاز برای عناصر سنگین موجود در EAFD جهت رهاسازی در طبیعت طبق دو استاندارد DIN38414-S4 آلمان و TCLP ایالات متحده بصورت زیر است.

 

ترکیبات به ppm

DIN 38414-S4

TCLP

مقدار pH

12.7

----

روی

4

4

سرب

330

320

یون -SO42

600

500

ذرات موجود در گرد و غبار کوره قوس الکتریک عمدتا کروی شکل هستند اما اشکال شبه­کروی، کره­های شکسته شده و ذرات لبه­دار نیز دیده می­شوند. علت آن نیز می­تواند وجود فاز گازی در کنار ذرات هنگام انجماد آنها باشد و یا در اثر برخورد این گرد و غبار با دیواره­ها، مکنده و... باشد. در شکل زیر ذرات EAFD توسط SEM عکس برداری شده­اند. اکثر ذرات EAFD زیر 10 میکرون هستند ولی اندازه بعضی از آنها به 0.26µm می­رسد.

در شکل زیر مورفولوژی یک ذره EAFD نشان داده شده است. همانطور که از شکل فهمیده می­شود به علت وجود قوس الکتریکی و پرتاب ذرات مذاب به سمت بالا و خروج همزمان گرد و غبار از کوره، روی سطح ذرات قطرات منجمد شده آهن وجود دارد

عناصر اصلی حاضر در EAFD عبارتند از: روی، آهن و کلسیم؛ که مقدار اندکی از سرب، مس و نیکل نیز یافت می­شود. معمولا در فرآیندهای پیرومتالورژیکی بازیابی EAFD، سرب و روی به شکل اکسید روی خام (ناخالص) جدا شده و آهن به علت عدم بازدهی اقتصادی بازیابی نمی­شود. همچنین مس و نیکل یا بصورت اکسید باقی می­مانند یا با آهن تشکیل محلول جامد را می­دهند و نتیجتا نیکل و مس نیز همچون آهن بازیابی نمی­شود. همانطور که اشاره شد ترکیب شیمیایی EAFD وابسته به نوع شارژی است که وارد کوره می­شود که در زیر به چند نمونه از آن اشاره می­شود

 فازهای اصلی موجود در EAFD محلول جامد اسپینل­های آهن است که در زمینه­ای از فاز شیشه­ای سیلیکات کلسیم-آهن قرار دارد. ترکیبات اشپینل یعنی ترکیبات محلول جامدی که در آن دو جزء اکسیدی با ظرفیت دو و سه قراردارند. حال اشپینل آهن یعنی ترکیب شدن فریت (Fe2O3) با اکسید دیگر فلزات بطوریکه محلول جامد تشکیل شود. در شکل زیر نمونه­هایی از الگوی پراش اشعه ایکس آمده است.روی در EAFD اکثرا بصورت ZnO است هرچند که ممکن است بصورت اشپینل آهن (Fe2O3.ZnO) نیز یافت شود. آهن علاوه بر تشکیل اشپینل­ها با دیگر اکسیدهای فلزی، اکثرا بصورت هماتیت (Fe2O3) یافت می­شود

همانطور که در شکل زیر دیده می­شود ساختار EAFD دندریتی (کریستال­های اسکلتی) است که علت آن هم سرعت سرمایش بالایی است که دارند.

5-1  بازیابی EAFD

در گذشته تمامی شرکت­های تولید فولاد EAFD را نادیده می­گرفتند ولی امروزه پیشرفت فرآیندهای بازیابی باعث توجه ویژه آنها به این ماده مهم شده است. مقدار زیاد روی موجود در EAFD توجه همگان را به خود جذب کرده است. به همین دلیل شرکتهای فولادسازی مقدار شارژ باری که حاوی روی بالایی باشد را افزایش دادند تا بازیابی مقدار روی را تا 35% افزایش دهند. فرآیندهای بازیابی زیادی جهت استحصال عناصر ارزشمند از EAFD در حال پیشرفت است که بطور کلی به دو دسته هیدرومتالورژیکی و پیرومتالورژیکی تقسیم بندی می­شوند که در جدول زیر خلاصه شده­اند

در روشهای پیرومتالورژیکی اساسا روی، سرب و کادمیم بصورت اکسیدهای فرار استخراج می­شوند. محصول تولیدی اکسیدهای ناخالصی است که می­تواند به عنوان فلزات غیرآهنی به فروش برسد یا تحت عملیات لیچینگ قرار گیرند. آهن در این گونه موارد بصورت سرباره است که قابلیت بازیابی در صنایع فولادسازی را دارد. اما در روش هیدرومتالورژیکی روی، سرب، کادمیم و کروم تحت عملیات لیچینگ قرار می­گیرند. محصولات تولیدی در این حالت اکثرا فلزات خالص هستند و یک باقیمانده با مقدار آهن بالا نیز تولید می­شود. محصولات استخراج یافته در این روش با ارزشتر هستند اما هزینه فرآیند نیز بالاتر است. در نتیجه اکثرا عملیات لیچینگ بعد از عملیات پیرومتالورژیکی همراه می­شوند.

البته فرآیندهای بازیابی EAFD به صورت دیگری نیز می­تواند دسته بندی شود که عبارتند از:

  • فرآیندهای بازیابی فلز در دمای بالا (HTMR) یا همان فرآیندهای پیرومتالورژی
  • فرآیندهای هیدرومتالورژی
  • عملیات شیشه­سازی یا پایداری شیمیایی (vitrification or chemical stabilisation treatments)

روی از EAFD با استفاده از روش­های مختلفی می­تواند بازیابی شود. در فرآیندهای پیرومتالورژی روی تبخیر شده و سپس روی بصورت اکسیدی یا فلزی بازیابی می­شود

بازدید 4979 بار
آخرین ویرایش در سه شنبه, 27 مرداد 1394 ساعت 11:33

ارتباط با ما

آدرس

ایران - تهران - دانشگاه علم و صنعت - دفتر مرکز پژوهش و فناوری علم و توسعه.

تلفن و فکس

77240664 - 021

021 - 77240667

ایمیل

این آدرس ایمیل توسط spambots حفاظت می شود. برای دیدن شما نیاز به جاوا اسکریپت دارید