کوره قوس الکتریکی (EAF) انقلابی در صنعت ذوب فلز

کوره قوس الکتریکی (EAF): قلب تپنده صنعت ذوب فلز

کوره قوس الکتریکی (EAF) که مخفف (Electric Arc Furnace) است، با تولید حرارت بالا و نرخ تولید بسیار مؤثر، به عنوان یکی از ابزارهای قدرتمند در ذوب فلزات آهنی و غیرآهنی در صنایع مختلف، به ویژه در صنعت فولاد ایران و جهان شناخته می‌شود.
این کوره شامل ۸ واحد با ظرفیت ذوب ۱۸۰ تن فولاد در هر مرحله و مجهز به ترانسفورماتور ۹۰ مگاولت آمپر است و از قراضه‌ها به عنوان ماده اولیه استفاده می‌کند.
قراضه‌ها توسط جرثقیل به داخل کوره منتقل شده و با ایجاد قوس الکتریکی ذوب می‌شوند.
در ادامه این مقاله به بررسی تخصصی‌تر کوره قوس الکتریکی، انواع و کاربردهای آن خواهیم پرداخت.

کوره قوس الکتریکی چیست؟

کوره قوس الکتریکی (EAF) یک ابزار کارآمد و انعطاف‌پذیر در فرآیند ذوب فلزات، به‌ویژه فولاد و چدن، است.
این کوره‌ها با استفاده از قوس الکتریکی و تولید حرارت بالا، مواد اولیه را ذوب می‌کنند و در اندازه‌های مختلفی تولید می‌شوند.
در ایران، دو نوع اصلی از این کوره‌ها، شامل کوره‌های قوس الکتریکی سنتی (تخلیه از ناودان) و EBT (تخلیه از کف)، به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند.

دمای ذوب و تخلیه در کوره‌های قوس الکتریکی معمولاً در حدود 1600 درجه سانتی‌گراد است، اما در برخی کوره‌های آزمایشگاهی، این دما می‌تواند تا 3000 درجه سانتی‌گراد نیز افزایش یابد.

عملکرد کوره قوس الکتریکی بر اساس ذوب مواد داخل کوره توسط قوس الکتریکی ایجاد شده بین الکترودهای گرافیتی و بار فلزی انجام می‌شود.
در این روش، ابتدا آهن اسفنجی تولید شده در فرآیند احیای مستقیم به کوره قوس الکتریکی وارد می‌شود تا فرآیند ذوب آغاز شود.
دمای بالای کوره منجر به تولید فولادی با درصد کربن نسبتاً پایین در همان ذوب اولیه می‌شود.
سپس فولاد مذاب به کوره پاتیلی منتقل می‌شود، جایی که فرآیند آلیاژسازی صورت می‌گیرد.
این فرآیند شامل تنظیم میزان کربن، افزودن عناصر آلیاژی، و یکدست‌سازی ترکیب شیمیایی فولاد نهایی است.

انواع کوره های (EAF)

1- کوره قوس الکتریکی AC:

این نوع کوره متداول‌ترین نوع کوره قوس الکتریکی است که از جریان متناوب (AC) برای ایجاد قوس الکتریکی و ذوب فلزات استفاده می‌کند.
کوره‌های قوس الکتریکی AC به دو دسته تک الکترود و چند الکترود تقسیم می‌شوند.

• کوره قوس الکتریکی AC تک الکترود: این کوره‌ها برای ذوب فلزات در مقیاس‌های کوچک و متوسط مناسب هستند و به دلیل سادگی طراحی و عملکرد، محبوبیت بالایی دارند.
• کوره قوس الکتریکی AC چند الکترود: این کوره‌ها از چند الکترود گرافیتی برای ذوب فلزات استفاده می‌کنند و به دلیل راندمان بالا و پایداری قوس، برای ذوب فلزات در مقیاس‌های بزرگ مناسب هستند.

2- کوره قوس الکتریکی DC:

این نوع کوره از جریان مستقیم (DC) برای ایجاد قوس الکتریکی بهره می‌برد.
کوره‌های قوس الکتریکی DC به دلیل پایداری بیشتر قوس و کیفیت بالاتر ذوب، برای ذوب فلزات خاص مانند فولاد ضد زنگ و آلیاژهای نیکل مورد استفاده قرار می‌گیرند.

3- کوره قوس الکتریکی وکیوم:

در این نوع کوره، فرآیند ذوب در شرایط خلا انجام می‌شود.
کوره‌های قوس الکتریکی وکیوم با حذف گازهای مزاحم از مذاب، فلزی با کیفیت‌تر و خالص‌تر تولید می‌کنند و برای ذوب فلزات خاص مانند فولاد ابزار و فولاد آلیاژی کاربرد دارند.

4- کوره قوس الکتریکی با تاپ پات:

در این کوره، ذوب فلز در یک ظرف جداگانه به نام تاپ پات انجام می‌شود.
این کوره‌ها به دلیل امکان کنترل دقیق دمای ذوب و تولید فلز با کیفیت بالا، برای ذوب فلزات خاص مانند فولادهای دریایی و فولادهای هسته‌ای به کار می‌روند.

5- کوره قوس الکتریکی القایی:

این نوع کوره از میدان مغناطیسی القایی برای ذوب فلز استفاده می‌کند.
کوره‌های قوس الکتریکی القایی به دلیل عدم آلودگی الکترود به مذاب و تولید فلز با کیفیت بالا، برای ذوب فلزات خاص مانند فولادهای پزشکی و فولادهای با گرید بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند.

کاربرد کوره قوس الکتریکی (EAF)

کوره‌های قوس الکتریکی (EAF) در صنایع مختلف کاربردهای گسترده‌ای دارند.
از ذوب انواع فولاد با گریدهای مختلف و تولید مقاطع فولادی مانند میلگرد و ناودانی گرفته تا بازیافت ضایعات فلزی، ذوب فلزات غیرآهنی، ریخته‌گری و تصفیه فلزات، این کوره‌ها نقش کلیدی ایفا می‌کنند.
انعطاف‌پذیری بالا، راندمان بالا، توانایی ذوب ضایعات، کیفیت تولید و سازگاری با محیط زیست، از جمله مزایای این کوره‌ها هستند که آن‌ها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای صنایع مختلف تبدیل کرده‌اند.

کوره‌ های قوس الکتریکی در زمینه‌های مختلف کاربرد دارند، از جمله:

تولید فولاد از ضایعات: تبدیل ضایعات فلزی به فولاد با کیفیت بالا.

بازیافت فولاد و سایر فلزات: فرآیند بازیافت برای استفاده مجدد از مواد فلزی.

تولید فروآلیاژها: تولید فروآلیاژهایی مانند Fe-Mn و Fe-Si.

ذوب فلزات غیرآهنی: ذوب فلزات غیرآهنی با کاربردهای صنعتی متنوع.

ریخته‌گری آهن: تولید آهن مذاب برای فرآیندهای ریخته‌گری.

تنوع در متالورژی: استفاده در فرآیندهای مختلف متالورژی به طور کلی.

تبدیل قراضه به محصولات با کیفیت: تبدیل مؤثر قراضه به فولادهای با کیفیت بالا.

کنترل دما و آلیاژها: ارائه انعطاف‌پذیری در کنترل دما و ترکیب آلیاژها.

پایداری تولید فلز: نقش قابل توجه در تولید فلز به شیوه‌ای پایدار.

چگونه فلزات در کوره‌های EAF ذوب می‌شوند؟

در کوره‌های قوس الکتریکی، حوضچه‌ای از آهن مذاب وجود دارد که با عبور جریان برق از الکترودهایی که در بالای آن یا درون آن قرار دارند، به دمای ذوب می‌رسد.
سه الکترود، هرکدام به یک فاز جریان برق متصل شده و از سقف کوره عبور می‌کنند.
این الکترودها با حرکات نوسانی خود، طول قوس الکتریکی را تنظیم کرده و حرارت لازم برای ذوب مواد را کنترل می‌کنند.
هنگامی که دمای مذاب به 1550 درجه سانتی‌گراد می‌رسد، جرقه‌زنی انجام شده و قراضه‌ها ذوب می‌شوند.
سپس آهن اسفنجی به کوره اضافه شده و ولتاژ تا رسیدن به سطح مطلوب کاهش می‌یابد.
این فرآیند پیچیده، پایه و اساس ذوب فلزات و تولید فولاد در کوره‌ های قوس الکتریکی است.

نگاهی به اجزای اصلی کوره‌ قوس الکتریکی

سقف کوره: این بخش مانند یک کلاهک عمل کرده و وظیفه محافظت از داخل کوره و هدایت دود و گازها را بر عهده دارد.
سقف کوره به گونه‌ای طراحی می‌شود که هم سبک باشد و هم استحکام کافی برای تحمل وزن الکترودها و فشار ناشی از قوس الکتریکی را داشته باشد.
در سقف کوره‌های قوس الکتریکی معمولاً سه سوراخ برای عبور الکترودها تعبیه شده است.
برخی از سقف‌ها نیز طوری طراحی شده‌اند که همراه با الکترودها قابلیت حرکت دارند.

دیوار جانبی کوره: این دیوارها که به شکل استوانه‌ای هستند، وظیفه جلوگیری از هدر رفتن حرارت داخل کوره را دارند.
دیواره‌های جانبی با مواد نسوز و لوله‌های آبگرد پوشیده می‌شوند تا در برابر حرارت بالا و خوردگی مقاومت کنند.

کف یا بوته کوره: بوته کوره، که به صورت قوسی شکل طراحی شده است، محل اصلی ذوب فلزات و انجام فرآیند ذوب است.
این بخش با عمق کم و سطح وسیع طراحی می‌شود تا تماس بین مذاب و سرباره (مواد زائد ذوب) به حداکثر برسد.
این ویژگی به تسریع فرآیند ذوب و بهبود کیفیت فولاد تولیدی کمک می‌کند.

تجهیزات الکتریکی کوره‌ های قوس الکتریکی

1. کلید قطع و وصل مدار: این کلید وظیفه دارد تا جریان برق را به کوره هدایت کرده و در صورت نیاز، آن را قطع کند.
2. راکتور و ترانسفورماتور: این دو بخش وظیفه دارند تا ولتاژ و جریان برق را به مقادیر مورد نیاز برای ایجاد قوس الکتریکی در کوره تنظیم کنند.
3. تنظیم کننده‌های الکترود: این تنظیم کننده‌ها وظیفه دارند تا ارتفاع الکترودها را در داخل کوره به طور دقیق کنترل کنند.

الکترودها در کوره قوس الکتریکی (EAF)

الکترودها، به عنوان یکی از اجزای اصلی کوره‌ های قوس الکتریکی، نقشی حیاتی در انتقال جریان الکتریکی از بازوهای الکترود به بار کوره و ایجاد قوس الکتریکی ایفا می‌کنند.

این قوس الکتریکی حرارت لازم برای ذوب فلزات و انجام فرآیند ذوب را تأمین می‌کند.

الکترودهای گرافیتی و زغالی از مهم‌ترین مواد مصرفی در کوره‌های قوس الکتریکی هستند.
کیفیت این الکترودها تأثیر زیادی بر کیفیت مذاب و محصول نهایی دارد و همچنین بخش قابل توجهی از هزینه‌های تولید را به خود اختصاص می‌دهد.
انتخاب الکترود مناسب با ویژگی‌های مشخص، شرط اساسی برای تولید مذاب باکیفیت است.

ویژگی‌های یک الکترود باکیفیت شامل موارد زیر است:

هدایت الکتریکی بالا: برای انتقال کارآمد جریان الکتریکی و ایجاد قوس الکتریکی پایدار.

مقاومت مکانیکی بالا: برای تحمل وزن خود و فشار ناشی از قوس الکتریکی.

حاوی حداقل مواد مضر: برای جلوگیری از آلودگی مذاب و حفظ کیفیت محصول.

مقاومت در برابر اکسایش: برای جلوگیری از تخریب الکترود در دمای بالا و افزایش طول عمر آن.

قیمت مناسب: برای صرفه اقتصادی و کاهش هزینه‌های تولید.

نگاهی به عملیات کوره قوس الکتریکی

کوره‌های قوس الکتریکی ضایعات فلزی را به فولادی ارزشمند تبدیل می‌کنند.
این فرآیند با ورود ضایعات فولاد از سه منبع اصلی (خانگی، صنعتی و کهنه) به کوره آغاز می‌شود.

کوره قوس الکتریکی، غول صنعت فولاد، دارای یک حمام دوار با سقف متحرک است که سه الکترود گرافیتی بزرگ با ابعاد 6 متر طول و 4 متر عرض را در خود جای می‌دهد. این کوره‌ها قادرند تا 1000 تن فولاد را ذوب کنند.

پس از ورود ضایعات به کوره، سقف متحرک بسته شده و الکترودها در جای خود قرار می‌گیرند.
قوس الکتریکی با عبور جریان از فلز، گرمای شدیدی ایجاد می‌کند که ضایعات را ذوب کرده و آن‌ها را به حوضچه‌ای از مذاب تبدیل می‌کند.

برای تکمیل فرآیند ذوب و تولید فولاد باکیفیت، مواد زیر به کوره اضافه می‌شوند:

• آهک (کلسیم اکسید یا کلسیم کربنات): برای خنثی‌سازی اسیدها و ناخالصی‌های موجود در مذاب.
• فلورسپار (کلسیم فلوراید): برای حفظ مایعیت سرباره و تسهیل جداسازی آن از فولاد.
• سنگ آهن: برای افزایش محتوای آهن در مذاب و بهبود کیفیت فولاد.

پس از دستیابی به ترکیب مطلوب، سرباره از کوره خارج شده و فولاد خالص باقی می‌ماند.
با تخلیه کوره، این فولاد ارزشمند استخراج می‌شود. سرباره نیز بازیافت شده و آهن از آن استخراج می‌شود.

مراحل شارژ کوره قوس الکتریکی

در کوره‌های قوس الکتریکی، ضایعات فولاد به عنوان ماده اولیه اصلی نقش حیاتی در صنعت فولاد دارند.
فراوانی، قیمت پایین و کیفیت مناسب این ضایعات از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

کیفیت ضایعات به ویژه در تولید فولاد با قابلیت نرم شدن بالا بسیار مهم است.
برای این نوع فولاد، درصد کل عناصر ناخواسته (مانند مس، کروم، نیکل، مولیبدن و قلع) باید حداکثر 0.2 درصد باشد.

متأسفانه، ضایعات معمولاً حاوی این عناصر ناخواسته هستند که در فرآیند تولید فولاد اکسید نشده و در ضایعات بازیافتی تجمع می‌یابند.
برای مقابله با این مشکل، برخی تولیدکنندگان ضایعات خود را با آهن احیا شده مستقیم یا آهن کوره بلند سرد که عاری از ناخالصی است، ترکیب می‌کنند.
به طور کلی، مقادیر زیاد کربن، نیتروژن و عناصر ناخواسته، فرآیند قوس الکتریکی را برای تولید فولادهای کم‌کربن و نرم مناسب نمی‌کند.

فروشندگان ضایعات فولاد ضد زنگ معمولاً گریدهای مختلف را از یکدیگر جدا می‌کنند تا از اختلاط ناخواسته عناصر جلوگیری کنند.
از سوی دیگر، فروشگاه‌های فولاد پرآلیاژ، مانند تولیدکنندگان فولاد ضدزنگ، ضایعات با ترکیب شیمیایی مشابه را تجمیع می‌کنند تا از افزودن آلیاژهای گران‌قیمت در فرآیند تولید فولاد خود بکاهند.

گذری بر روش‌های ذوب و جداسازی فلزات

در کوره‌ های قوس الکتریکی، دو روش اصلی برای تصفیه، ذوب و جداسازی فلزات وجود دارد: روش اسیدی و روش بازی.

روش اسیدی: این روش برای جداسازی گوگرد و فسفر از مواد اولیه مناسب نیست و به همین دلیل، مواد اولیه باید کمترین میزان این عناصر را داشته باشند. مزایای روش اسیدی شامل تأمین مواد نسوز با هزینه پایین، مصرف انرژی کمتر، سیالیت بیشتر مذاب، کاهش روان بودن سرباره و دوام بالا آسترها است.

روش بازی: این روش که ساده‌تر و رایج‌تر است، امکان جداسازی فسفر و گوگرد تا حد قابل قبولی را فراهم می‌کند.
در این روش، آهک و فلوئوراسپار به شارژ کوره اضافه می‌شوند تا به عنوان مواد احیاکننده عمل کنند و ناخالصی‌ها را از مذاب جدا کنند.

مزایا و معایب کوره قوس الکتریکی (EAF)

کوره‌های قوس الکتریکی به عنوان یکی از روش‌های اصلی ذوب فولاد، جایگاه مهمی در صنعت فولاد دارند.
با این حال، این روش نیز دارای مزایا و معایب خاص خود است.

معایب:

وابستگی به کیفیت قراضه: کیفیت فولاد تولیدی به شدت به کیفیت قراضه ورودی بستگی دارد.
انتخاب نامناسب قراضه می‌تواند منجر به مشکلاتی مانند شکستن الکترودها، سرریز شدن فولاد مذاب و افزایش ضایعات شود.

مدت زمان ذوب طولانی: ذوب فولاد در کوره‌های قوس الکتریکی زمان نسبتاً طولانی‌تری می‌برد که این امر مصرف برق را افزایش می‌دهد.

افزایش ناخالصی‌ها: فرآیند ذوب در این کوره‌ها به طور طبیعی ممکن است ناخالصی‌های بیشتری به فولاد نهایی وارد کند.

مزایا:

استفاده از قراضه: یکی از مزیت‌های اصلی این کوره‌ها، استفاده از قراضه به عنوان ماده اولیه است.
این روش به بازیافت فولاد کمک می‌کند، مصرف منابع را بهینه می‌سازد و ضایعات را کاهش می‌دهد.

انعطاف‌پذیری: کوره‌های قوس الکتریکی از نظر توان عملیاتی انعطاف‌پذیری بالایی دارند و می‌توانند برای ذوب مقادیر کم فولاد نیز به کار روند.
این ویژگی آن‌ها را برای تولیدکنندگان کوچک و کارگاه‌های تخصصی مناسب می‌سازد.