کوره بلند، قدیمی ترین روش جهت استخراج آهن

کوره بلند یکی از مهم‌ترین کوره های مورد استفاده در صنایع متالورژی و فولاد سازی است. تولید آهن خام به دو روش کوره بلند و یا احیای مستقیم انجام می‌شود. بنابراین اگر از شما پرسیده شد که محصول کوره بلند چیست؟ باید پاسخ دهید آهن خام.

انتخاب روش تولید آهن، به تفاوت در مزایا و معایب کوره بلند و روش احیای مستقیم، بستگی دارد. مذاب به دست آمده از هر یک از روش‌های مذکور، پس از فولاد سازی، برای کارایی بهتر در صنعت به کمک ریخته گری پیوسته به مقاطع میانی تبدیل می‌شود.

ذوب مواد در کوره بلند در حجم بسیار بالا و به صورت پیوسته صورت می‌گیرد. ماده مورد استفاده برای تامین انرژی در این کوره ها کک است. ساختان کوره بلند، ماده تامین کننده انرژی و فرایندهایی که در این کوره انجام می‌شود از اهمیت بالایی برخوردار است.

چرا که برای کنترل قیمت آهن لازم است تا هزینه تولید را به حداقل رساند. در این مقاله به بررسی کوره بلند و فرایندهای صورت گرفته در این کوره می پردازیم.

کوره بلند چیست؟

شناخت بهتر شما از کوره بلند به آشنایی کامل با ساختمان کوره بلند و نحوه کار آن بستگی دارد. از زمان‌های دور همواره کربن جامد عامل احیای آهن و تبدیل اکسید آهن به آهن فلزی بوده است. گرچه در گذشته کربن به صورت ذغال چوب مورد استفاده قرار می‌گرفت، اما با پیشرفت علم کک جایگزین آن شد.

کک ماده‌ای است که از تقطیر بدون هوا و بسیار آهسته ذغال‌ سنگ تشکیل شده و در کوره بلند تولید آهن مورد استفاده قرار می‌گیرد. پیشرفته‌ترین روش تولید آهن مبتنی بر کربن جامد در کوره های موسوم به کوره بلند رخ می‌دهد.

در کوره بلند سنگ آهن کلوخه شده و به همراه آهک (در نقش فلاکس) و کک (به عنوان عامل احیا) از بالای کوره وارد شده و کک با دمش هوا و اکسیژن سوخته و گرمای لازم جهت ذوب کردن آهن و احیای آن تامین می‌شود.

پس از آن آهن احیا شده که اصطلاحا چدن خام (Pig Iron) با کربن بسیار بالا و خلوص آهن حدود ۹۵% به صورت مذاب از پایین و گاز CO و CO_۲ از بالای کوره خارج می‌شود. طبیعتا چدن خام قابلیت استفاده و تبدیل به محصول را نداشته و می‌بایست مراحل فولادسازی بر روی آن صورت بگیرد.

در کانورتورهای فولاد سازی، ناخالصی‌های مضر (مانند گوگرد، فسفر و …) و کربن با دمش اکسیژن به مذاب کاهش یافته و عیار آهن تا ۹۹ درصد بالا می‌رود. مذاب فولاد خام (Crude Steel) به صورت شمش، بیلت یا بلوم ریخته می‌شود.

پیش از مطالعه در خصوص کوره بلند یک ویدئوی کوتاه از یکی از بزرگترین کوره بلند های دنیا تماشا کنید:

ساختمان کوره بلند

کوره بلند از دو مخلوط ناقص تشکیل شده است که در قاعده بزرگ با هم مشترکند. جدار خارجی کوره را از صفحات فولادی درست می‌کنند و قسمت داخلی آن را با لایه‌ای از مواد نسوز می‌پوشانند.

برای خنک کردن کوره، معمولا از جریان آبی که در بین دیواره کوره وجود دارد استفاده می شود. کوره های بلند را به ارتفاع ۳۰ تا ۸۰ متر می‌سازند و در بزرگترین قسمت، قطری از ۱۰ تا ۱۴ متر دارند.

قسمت تحتانی کوره، استوانه‌ای شکل و به بوته معروف است؛ در این محل مواد مذاب و سرباره جمع می‌شود. بوته معمولا دارای دو محل خروجی است که یکی در بالا، برای خروج سرباره و دیگری در قسمت پایین، برای خروج آهن خام مذاب در نظر گرفته شده است.

عکس کوره بلند و جزئیات ساختار آن را در ادامه مشاهده می‌کنید:

در پیرامون قسمت بالای بوته، شیپورک‌هایی وجود دارند که هوای گرم (در حدود ۸۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتی گراد) مورد نیاز برای احتراق کک، به داخل کوره دمیده می‌شود.

سوخت کوره بلند، کک

در کوره بلند برای ذوب و تصفیه، نیاز به سوختی است که علاوه بر تامین حرارت لازم بتواند کربن مورد نیاز برای احیا اکسید آهن را نیز در اختیار بگذارد. این سوخت‌ها باید ارزش حرارتی زیادی داشته باشد. همچنین ضمن سوختن به هم نچسبد و برای این که بتواند گازها را از بین خود عبور دهد و عمل احتراق را تسهیل کند، بهتر است که متخلخل باشد.

برای این منظور از کک استفاده می‌کنند که علاوه بر مزایای فوق استحکام زیادی دارد و خاکستر کمی نیز (کمتر از ۱۱ درصد) از خود به جای می گذارد. کک مصرفی کوره بلند ذوب آهن ایران مرغوبیت چندانی نداشته و ۱ درصد گوگرد، ۳ درصد رطوبت، ۱۵ درصد خاکستر و فقط ۸۱ درصد کربن دارد. ذغال سنگ مصرفی برای تهیه کک از معادن سنگرود، زیر آب، شاهرود و کرمان استخراج و به وسیله قطار به اصفهان حمل می‌شود.

بار کردن کوره بلند

پس از آماده کردن سنگ آهن، کلوخه، کک و آهک، آن‌ها را با نسبت‌های معینی، به صورت لایه لایه از بالای کوره به داخل آن می‌ریزند. وجود پخش کن مخروطی شکل که در زیر قیف وجود دارد باعث می‌شود که مواد به صورت یکنواخت در داخل کوره پخش شوند و در آن انباشته نشوند.

در برخی کوره های بلند از کلوخه‌هایی که قبلا با کک و آهک و سایر فلاکس‌ها با نسبت‌های معینی مخلوط شده‌اند، به همراه کک اضافی، استفاده می‌شود. نسبت هر یک از مواد ریخته شده در کوره بلند به نوع و جنس سنگ آهن ، کلوخه و مواد سیاله و گدازه‌آور بستگی دارد.

عملیات احیا

عملیات ذوب و احیا سنگ آهن در داخل کوره بلند در چهار منطقه به شرح زیر انجام می‌گردد:

۱-منطقه خشک کردن:

این منطقه که در قسمت بالای کوره قرار دارد منطقه ای است که درجه حرارت آن تقریبا ۳۰۰ درجه سانتی گراد است. در این منطقه عبور گازهای گرم باعث افزایش درجه حرارت مواد ریخته شده به داخل کوره می‌شود و رطوبت آن را نیز تبخیر می‌کند.

۲-منطقه احیاء (احیای غیر مستقیم):

در این منطقه با افزایش درجه حرارت، کک و مواد سیاله و گدازآور شروع به تاثیر می‌کنند و گاز منو اکسید کربن متصاعد شده از طریق احتراق ناقص کک، بر روی اکسید آهن اثر و آن را در چند مرحله احیا می‌کند.

در این منطقه اشکال مختلف اکسید آهن در واکنش با گاز مونو اکسید کربن به یکدیگر تبدیل شده (به ترتیب Fe_۲O_۳، Fe_۳O_۴ ، FeO ) و در نهایت آهن فلزی (Fe) تشکیل می‌شود.

۳-منطقه کربنیزه شدن:

در این منطقه که درجه حرارت آن حدود ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد است، آهن خالصی که از احیای سنگ آهن حاصل شده است، ضمن فرود به سمت پایین کوره، با کک گداخته برخورد می‌کند و با کربن موجود در آن ترکیب می‌شود.

باید توجه داشت که در این مرحله سیلسیم، گوگرد، منگنز و فسفر نیز به همراه اکسید آهن به سمت پایین حرکت می‌کنند و بخشی از آن با اکسید آهن مخلوط می‌گردد.

۴-منطقه ذوب (احیای مستقیم):

در این مرحله ترکیبات ذوب شده به سمت پایین حرکت می‌کنند. از آنجا که تمام اکسیدهای آهن در قسمت‌های بالا فرصت کافی برای احیاء شدن را پیدا نمی‌کنند؛ باقی مانده آن‌ها در این مرحله، به وسیله کربن جامد احیاء می‌شود. این عمل در درجه حرارت بین ۱۲۰۰ تا ۱۴۰۰ درجه سانتی‌گراد انجام می‌گیرد. شکل زیر فعل و انفعالات داخل کوره بلند را نشان می‌دهد.

مسیر احیا در کوره بلند

۵-بوته:

پس از مناطق گفته شده، بوته قرار دارد که آهن مذاب در آن جمع می‌شود و اضافه آن، به علت داشتن وزن مخصوص کمتر، به صورت سرباره در بالای آن قرار می‌گیرد.

حال می‌توان سرباره را در محل خروجی که در قسمت بالای بوته قرار دارد خارج کرد و سپس از سوراخ زیر بوته، مواد مذاب را که آهن یا چدن خام (Pig Iron) نامیده می‌شود خارج نمود.

عمل تخلیه آهن خام را در هر ۴ تا ۵ ساعت یکبار انجام می‌دهند و به همان نسبت بار کوره را از بالا به آن اضافه می‌کنند. به این ترتیب کار کوره بلند مداوم است و در تمام ۲۴ ساعت شبانه روز عملیات فوق در آن انجام می‌گیرد.

محصول کوره بلند چیست؟

محصول کوره بلند را آهن خام می‌نامند. اهن خام دارای ۳ تا ۴درصد کربن و نقطه ذوب آن در حدود ۱۳۰۰درجه سانتی‌گراد است. این محصول به دلیل شکنندگی زیاد و ناخالصی‌های فراوان نمی‌توان در صنعت مورد استفاده قرار داد.

با تنظیم درجه حرارت کوره بلند و کنترل مقدار سیلسیم و منگنز موجود در آن می‌توان دو نوع آهن خام به دست آورد که به نام‌های آهن خام سفید و آهن خام خاکستری معروفند.

۱-آهن خام سفید:

آهن خام سفید دارای ۳/۵ تا ۴ درصد کربن، ۰/۱ تا ۰/۲ درصد سیلسیم، ۱ تا ۴ درصد منگنز، ۰/۳ درصد فسفر و ۰/۰۴ درصد گوگرد است. در این محصول منگنز نقش عمده‌ای را بازی می‌کند و باعث می‌شود که آهن با کربن، به صورت کاربید آهن در آن باقی بماند. به دلیل وجود منگنز و کاربید آهن، مقطع شکسته این آهن خام، رنگ سفید و درخشان دارد.

آهن خام سفید را پس از خروج از کوره بلند به داخل مخلوط کننده‌هایی که وظیفه همگن کردن آهن خام را به عهده دارند، می ریزند. سپس آن را به صورت مذاب به وسیله پاتیل و یا سرد شده به شکل بلوک، برای تهیه انواع فولادها و چدن‌های مخصوص به کارگاه‌های فولادسازی حمل می‌کنند.

حمل پاتیل مذاب برای فولادسازی

۲-آهن خام خاکستری:

این محصول دارای ۳/۵ تا ۴ درصد کربن، ۱/۵ تا ۳ درصد سیلسیم، ۰/۳ تا ۲ درصد فسفر، ۱ درصد منگنز و ۰/۶ درصد گوگرد است. وجود سیلسیم زیاد در آهن خام خاکستری باعث می‌شود که در هنگام سرد شدن، کربن از کاربید آهن جدا و به صورت گرافیت مطبق در محصول ظاهر می‌شود.

آهن خام خاکستری شکننده است و مقطع شکسته آن رنگ خاکستری دارد . از آهن خام خاکستری به دلیل قابلیت ریخته گری خوبی که دارد برای تهیه انواع چدن ها استفاده می‌کنند.

آهن خام خاکستری مذاب را پس از خروج از کوره مذاب آهن، به داخل حوضچه‌هایی هدایت می‌کنند که در کف کارگاه و از ماسه ساخته شده‌اند. پس از سرد شدن، آهن خام به صورت شمش هایی با مقطع ذوزنقه شکل در می‌آید که آن‌ها را در اصطلاح ((ماسل)) گویند.

۳-سرباره:

از ذوب اکسید ناخالصی ها و مواد گدازآور و خاکستر کک، سرباره تشکیل می‌شود. معمولا حجم سرباره‌هایی که از کوره بلند به دست می‌آید سه برابر حجم آهن خام تولیدی است. از سرباره برای تهیه آجرهای نسوز، سیمان، عایق حرارتی، کود شیمیایی و زیرسازی جاده‌ها استفاده می‌کنند.

۴-گاز کوره بلند:

این گاز مخلوطی از گازهای مختلف مانند دی اکسید کربن، منواکسید کربن، متان، هیدروژن و ازت است که در هنگام خروج از کوره بلند، ذرات معلقی نیز به همراه دارد.

گاز خروجی از کوره بلند را پس از عبور دادن از غبارگیر و برج شستشودهنده و فیلترهای الکترواستاتیکی برای مصارف حرارتی مانند گرم کردن هوا، گرم کردن کوره بلند، کک سازی، کلوخه سازی، توربین‌های گازی، دیگ بخار و در منازل به کار می‌برند.

مطابق با فلوچارت کوره بلند فولاد پس از ذوب در کوره به صورت شمش، بیلت یا اسلب ریخته گری می‌شود. سپس با انجام فرایندهای ثانویه مانند نورد، ماشینکاری و جوشکاری به اشکال دیگر در می آید. برای اطلاع از قیمت ورق روغنی و گرم، قیمت لوله، نبشی و سایر مقاطع فولادی با کارشناسان پیشرو صنعت نفت آسیا تماس حاصل فرمائید.