کوره بلند چیست؟ فرایند تولید فولاد در کوره بلند

یکی از فراوان‌ترین عناصر موجود در زمین، آهن محسوب می‌شود. آهن از منبع اولیه‌ای به نام سنگ آهن به دست می‌آید. پس از دستیابی به آهن خام در اشکال متعددی از آن استفاده شده یا به مواد عالی‌تری ارتقا پیدا خواهند کرد. در بسیاری از این موارد لازم است تا آهن را ذوب کنیم.  برای این کار نیاز به تکنولوژی یا سیستم‌های مخصوصی خواهد بود که برای این کار ساخته شده‌اند. سیستم‌هایی که کوره نامیده شده و ممکن است برای هر عنصر، نیاز به استفاده از نوع متفاوتی از آن‌ها داشته باشیم. لذا کوره ی بُلَند کوره‌ای عمودی است که در کارخانه‌های ذوب فلز برای استخراج فلز، به ویژه آهن، از سنگ معدنی استفاده می‌شود. کوره بلند به عنوان اصیل ترین روش جداسازی آهن از سنگ آهن شمرده می شود. به همراه سنگ آهن، کک و آگلومره هم داخل کوره بلند ریخته می شود. در کوره بلند سوخت جامد، معمولاً کُک همراه با جریان دمشی هوا می‌سوزد و کانی‌ها را ذوب می‌کند. در این مقاله به بررسی کوره بلند پرداخته و با روش کار آن آشنا خواهیم شد.

کوره بلند چیست؟

کوره بلند عبارت است از کوره‌ای عمودی که در کارخانه‌های ذوب آهن به‌منظور احیاء سنگ آهن و استخراج این فلز مورد استفاده قرار می‌گیرد. این کوره اصیل‌ترین و قدیمی‌ترین روش احیاء آهن از سنگ معدن به شمار می‌رود و کاربردهای فراوانی دارد. جالب است بدانید که چین یکی از اولین کشورهایی است که در قرن پنجم میلادی وجود کوره‌های بلند ذوب فلزات در آن گزارش شده است. در اروپا نیز قدمت کوره‌های بلند به قرون‌وسطی بازمی‌گردد.

در ایران اولین و بزرگ‌ترین کوره بلند متعلق به شرکت ذوب‌آهن اصفهان بوده که توسط شوروی سابق طراحی و تولید شده است. همچنین کوره‌های بلند دیگری هم در ظرفیت‌های کوچک‌تر و با فنّاوری جدید توسط شرکت پوسکو کره جنوبی در ایران ساخته‌شده است.

اجزا و بخش های مختلف کوره بلند

کوره بلند از دو مخروط ناقص تشکیل شده که از قاعده بزرگ روی یکدیگر قرار دارند. گفتنی است که جدار خارجی کوره بلند را از صفحات فولادی درست می‌کنند و قسمت داخلی آن را نیز با لایه‌ای از مواد نسوز می‌پوشانند. جهت خنک کردن کوره هم معمولاً از جریان آبی که در بین دیواره کوره وجود دارد استفاده خواهد شد.

 کوره­‌های بلند را به ارتفاع ۳۰ تا ۸۰ متر می‌سازند و قطر آن‌­ها در بزرگترین قسمت بین ۱۰ تا ۱۴ متر در نظر گرفته می‌شود. قسمت تحتانی کوره، استوانه‌ای شکل بوده که به آن بوته گفته می­‌شود. در این قسمت مواد مذاب و سرباره جمع می‌شوند. بوته اغلب دارای دو محل خروجی است که یکی در بالا، برای خروج سرباره و دیگری در پایین، برای خروج آهن خام مذاب تعبیه شده است.

لازم است بدانید که در طراحی کوره‌های جدید شیب تنوره کاهش یافته است. همچنین علیرغم بزرگ شدن کوره؛ ابعاد بوته تغییر چندانی نیافته است. دلیل این گونه طراحی استفاده از سنگ آهن مرغوب و تغلیظ شده به شمار می‌رود. در اطراف قسمت بالایی بوته شیپورک‌هایی وجود دارد که هوای گرم (با دمای حدودی ۸۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتی­گراد) مورد نیاز جهت احتراق کک را به داخل کوره دمش خواهند کرد.

نقش آهک (کک) در کوره بلند چیست؟

کک با هوای ورودی واکنش داده و از این طریق دو فعالیت اصلی را به انجام می‌رساند. اولین اقدام آن، ایجاد گرمای مورد نیاز جهت ذوب فلزات خواهد بود. واکنش آهک و هوای ورودی به شدت گرمازا بوده و بدین ترتیب، به کک گداز آور هم گفته می‌شود.

کاربرد کوره بلند

به طور کلی، جهت ذوب فلزات و آهن‌آلات از کوره ذوب فلز یا آهن استفاده می‌گردد. امروزه صنایع مختلفی به این فرایند وابسته هستند و حتی بعضی از آن‌ها نیز به ساخت آن در کارخانه‌هایشان اقدام کرده‌اند. در ادامه به کاربردهای کوره بلند در بخش‌های مختلف پرداخته و کلیات آن‌ها را بررسی خواهیم کرد.

• تولید فولاد

یک از اصلی‌ترین کاربردهای کوره‌های بلند در تولید فولاد است. این فرایند بدین صورت است که ابتدا از کوره‌های بلند برای ذوب سنگ آهن و تولید آهن مذاب استفاده خواهد شد در ادامه آهن مذاب حاصل شده را در کوره ذوب فولاد پردازش می‌کنند تا با تنظیم ترکیب آن و حذف ناخالصی‌ها، تبدیل به فولاد شود.

• ریخته‌گری

از کوره‌های بلندی همچون کوره‌های کوپلا به صورت وسیع برای ذوب آهن و تولید محصلات چدنی بهره‌گیری می‌شود. از این ریخته‌گری به طور معمول در صنایعی همانند خودروسازی، ماشین آلات، ساخت و ساز و سایر صنایعی که به قطعات چدنی نیاز دارند استفاده خواهد شد.

• صنایع خودروسازی

یکی از مصرف‌کنندگان عمده محصولات آهن و فولاد، صنعت خودروسازی محسوب می‌شود. به‌گونه‌ای که برخی از کارخانه‌های تولید کننده خودرو برای ساخت برخی از قطعاتشان یا شخصاً از کوره‌های ذوب آهن استفاده می‌کنند یا از کارخانه‌های تولید فولاد در این زمینه یاری می‌گیرند. برخی از قطعاتی که نیاز به این کوره‌ها دارند عبارت‌اند از میل‌لنگ، قطعات انتقال، اجزای شاسی و … که نقش بسیار مهمی را در عملکرد خودرو از خود نشان می‌دهند.

• ساخت و ساز و زیرساخت

همان‌طور که می‌دانید جهت ساخت مصالح ساختمانی مختلفی از جمله میلگردهای تقویت‌کننده پروفیل و قوطی آهن که در پروژه‌های زیربنایی و سازه‌های بزرگ بکارگرفته می‌شوند، نیاز به استفاده از کوره‌های بلند خواهد بود. استحکام و دوام فولاد تولید شده از کوره‌های بلند، آن را به یک ماده ایده آل برای این کاربردها بدل نموده است و از طرفی، مقاومت ساختاری آن‌ها را در شرایط محیطی مختلف فراهم می‌سازد.

• ماشین آلات و تجهیزات

مواد اولیه لازم برای تولید قطعاتی مانند چرخ‌دنده‌ها، یاتاقان‌ها، شفت‌ها، شیرها و سایر قطعاتی که نیاز به استحکام و مقاومت بالایی در برابر سایش دارند در کوره‌های بلند به تولید می‌رسد. بنابراین می‌توان گفت که این کوره‌ها نقش بسیار مهمی در صنایع تولید ماشین‌آلات ایفا نموده و در صورت نبود آن‌ها این صنایع به کل متوقف خواهند شد.

• کشتی‌سازی و صنایع دریایی

یکی دیگر از کاربردهای کوره‌های بلند، تولید مواد اصلی به کار رفته در صنایع کشتی‌سازی و مهندسی دریایی به شمار می‌رود. به عبارتی دیگر، آهن و فولاد تولید شده در این کوره‌ها  منجر به ساخت صفحات فولادی، لوله‌ها و سایر قطعات به کار رفته در کشتی‌ها و صنایع دریایی شده و نقش مهمی را در موجودیت این صنایع ایفا خواهند کرد.

• صنعت انرژی و تولید نیرو

برای ساخت نیروگاه‌ها، خطوط لوله، برج‌های انتقال، توربین‌های بادی و سایر زیرساخت‌های تولید انرژی از آهن و فولاد حاصل شده در کوره‌های بلند استفاده می‌گردد. به همین خاطر می‌توان بیان داشت که این کوره‌ها یکی از اساسی‌ترین و پایه‌ای‌ترین نقش‌ها را در صنایع تولید نیرو بر عهده دارند و عدم وجود آن‌ها به مختل شدن کامل این صنایع منجر می‌شود.

فرایند تولید فولاد در کوره بلند

امکان تولید فولاد و برخی فلزات مانند مس و سرب در کوره بلند وجود دارد. اصولا، فرآیند تولید فولاد در کوره بلند این‌گونه است که هوا با فشار بالا داخل محفظه شده و با ترکیبی از سنگ معدن، کک و فلاکس موجود در کف کوره واکنش می‌دهد. نتیجه آن، مذاب فلز، سرباره و مقداری گاز است. گازها از بالای کوره خارج می‌شوند و مذاب به پاتیل‌های کوچکتر هدایت شده و در نهایت، جهت ریخته‌گری به واحدهای دیگر منتقل می‌شوند. در کل، پروسه تولید فولاد با کوره بلند، بسیار ساده است و پیچیدگی خاصی ندارد.

مواد اولیه و فرآیند تولید در آن

اساس کار کوره بلند به لحاظ تئوری آسان است. در کوره بلند فشار هوا با فشار بسیار زیاد وارد محفظه می‌شود و در کف کوره با مخلوطی شامل سنگ معدنی فلز مورد نظر، کک و فلاکس واکنش خواهد داد. حاصل این واکنش مذاب فلز، سرباره و مقادیری از گازها پس از واکنش است. در ادامه، گازها از بالای کوره خارج شده و مذاب از کف کوره به پاتیل‌های کوچک‌تر منتقل می‌گردد و برای ریخته‌گری یا شمش ریزی به مکان‌های مورد نیاز انتقال داده خواهند شد.

محصول تولید شده از کوره بلند

آهن خام را محصول تولید شده از کوره بلند می‌دانند. این آهن حدود ۳ الی ۴ درصد کربن دارد و نقطه ذوب آن ۱۳۰۰ درجه سانتی‌گراد تخمین زده می‌شود. با کنترل درجه حرارت کوره بلند و تنظیم اندازه منگنز و سیلسیم آن، دو مدل آهن خام حاصل می‌شود که عبارتند از آهن خام سفید و آهن خام خاکستری که هرکدام از آن‌ها مشخصات مختص به خود را دارند. برای مشاهده قیمت روز آهن و سایر مقاطع فولادی می‌توانید به صفحه فوق مراجعه کنید.

معرفی مواد اولیه مورد استفاده در کوره بلند

مواد اولیه معمولی برای فرآیند ذوب آهن در کوره‌های بلند شامل موارد متعددی است که در ادامه مطلب به بررسی آن‌ها خواهیم پرداخت:

• ماده آهنی (سنگ آهن): ماده اصلی که برای ذوب آهن در کوره‌های بلند استفاده می‌گردد، معمولاً سنگ آهن است. سنگ آهن خام (همچنین به نام مگنتیت یا هماتیت) ماده‌ای معدنی محسوب می‌شود که حاوی اکسیدهای آهن است. این ماده به مراحل پردازش مختلف تحت معادن‌کاری و استخراج از معدن تحت پردازش‌های شیمیایی و فیزیکی می‌رود تا به شکل سنگ آهن خام آماده ارائه شود.
• کک (کربن کک): کک یک ماده جامد است که از زغال سنگ تولید خواهد شد. در فرآیند ذوب آهن، کک به عنوان منبع کربن و منبع گرما به کوره افزوده می‌شود کربن موجود در کک با اکسیدهای آهن در سنگ آهن واکنش داده و آهن مایعی تولید خواهد شد.
• آهن‌آلومینیوم (سیلیکا): سیلیکا یا آهن‌آلومینیوم هم به عنوان یک ماده دیگر در فرآیند ذوب آهن مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ماده به عنوان ماده ذوبی و فیلتر کننده عمل کرده و اکسیدهای معدنی و ذرات مضر را از آهن ذوب شده جدا می‌کند.
• کلسیم کربید (کاهک): کاهک به عنوان ماده آلیاژ‌دهی و تعدادی ویژگی دیگر در فرآیند ذوب آهن بکارگرفته می‌شود. این ماده به تنظیم ترکیب شیمیایی و ویژگی‌های آهن مذاب کمک شایانی می‌کند.

این مواد اولیه با یکدیگر ترکیب می‌شوند و در کوره بلند تحت شرایط داغ و به وسیله پره‌های گرما تبدیل به آهن مذاب می‌شوند. سپس در ادامه، آهن مذاب به کوره‌های تصفیه‌کننده منتقل شده تا از ذرات اضافی و آلیاژ‌های مختلف جدا شود و در نهایت به ساخت محصولات فولادی مختلف منجر شود.

مراحل مختلف تولید آهن در کوره بلند

در کوره بلند سنگ آهن به همراه کک حاصل از زغال سنگ و آهک از بالا وارد کوره می‌شود و از پایین هوای داغ با دمای ۸۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد به درون کوره دمیده خواهد شد. در اثر حرارت حاصل از سوختن کک، سنگ آهن ذوب می‌گردد.

 کک به دو منظور وارد کوره  می­‌شود، یکی به عنوان منبع تامین حرارت و دیگری هم به عنوان ماده احیا کننده‌ آهن. از طرفی، کربن موجود در کک موجب احیای اکسید آهن شده و آن را به آهن فلزی تبدیل خواهد کرد. مازوت و گاز طبیعی نیز به عنوان عوامل تسهیل کننده وارد کوره می‌شوند و به احیای آهن کمک می­‌کنند.

مزایا و معایب کوره بلند

کوره بلند در مقایسه با سایر روش‌های تولید آهن خام مانند احیای مستقیم دارای مزایا و معایبی است که در ادامه به آن‌ها اشاره خواهیم کرد:

مزایا

• حجم تولید بالا به دلیل شارژ پیوسته
• مصرف انرژی نسبتا پایین
• کیفیت بالای محصول تولید شده از شمش این کوره
• فرایند بهینه و هزینه تولید پایین
• بازدهی بالا

معایب

• وابستگی فرآیند به کک و کاهش معادن سنگ آهک و همچنین افزایش قیمت آن
• آسیب زیست محیطی بالا نسبت به روش‌های دیگر تولید آهن خام
• طولانی بودن فرآیند با این روش
• بالا بودن میزان سوخت مصرفی

چه کارخانه هایی در ایران کوره بلند دارند؟

در حال حاضر کارخانجات متعددی در ایران دارای خطوط تولید کوره بلند هستند که در ادامه به برخی از آن‌ها اشاره خواهیم کرد:

• کارخانه ذوب آهن اصفهان
• مجتمع فولاد زرند ایرانیان
• مجتمع آندیا فولاد زنجان
• مجتمع ذوب آهن غرب کشور

عوامل تاثیرگذار بر ظرفیت کوره بلند چیست؟

چندین عامل بر ظرفیت کوره بلند تاثیرگذار هستند که از آن‌ها می‌توان به قطر و ارتفاع اشاره کرد. با تغییر حجم سوخت کوره نیز می‌توان ظرفیت آن را تغییر داد. به این ترتیب، افزایش یا کاهش سوخت کوره بلند به بالا یا پایین آمدن ظرفیت آن منجر می‌شود. چنانچه حجم سوخت کوره بلند کمتر شود، ظرفیت آن افزایش پیدا خواهد کرد و با بیشتر شدن سوخت نیز فضای کمتری برای مواد اولیه وجود دارد و در نهایت، ظرفیت کوره کمتر می‌شود.