کوره قوس الکتریکی (EAF) چیست؟ کاربرد

کوره قوس الکتریکی (Electric Arc Furnace) ابزاری ارزشمند و پرکاربرد در ذوب قطعات آهنی و غیرآهنی به شمار می‌رود که با ویژگی‌هایی همچون ایجاد حرارت بسیار زیاد و نرخ تولید بالا در صنایع ذوب آهن ایران و جهان محبوبیت بسیار بالایی دارد. کوره قوس الکتریکی که به اختصار EAF نیز نامیده می‌شود، دارای یک حمام مذاب بوده که در قسمت بالایی آن هم الکترودهای کربنی قرار گرفته است. بهتر است بدانید که کوره قوس الکتریکی شامل ۸ عدد کوره قوس الکتریکی با ظرفیت تولیدی ۱۸۰ تن فولاد مذاب در هرمرحله تولید باتوان ترانسفورمر ۹۰MVA می باشد.در ابتدا قراضه بارگیری شده در سبد توسط جرثقیل های موجود در این واحد به داخل کوره قوس تخلیه و سپس سقف کوره بسته می گردد و  عملیات ذوب شروع می گردد . در این مرحله به کمک قوس الکتریکی قراضه ها ذوب می گردند.  در ادامه این مقاله همراه ما باشید تا به‌طور مفصل به معرفی کوره قوس الکتریکی، انواع و کاربرد آن بپردازیم. 

کوره قوس الکتریکی چیست؟

کوره قوس الکتریکی، کوره‌ای است که مواد فلزی با استفاده از یک قوس الکتریکی در آن ذوب می‌شود. این کوره‌ها اندازه‌های متفاوتی دارند و در ایران به صورت کوره‌های قوس الکتریکی سنتی (تخلیه از ناودان) و EBT (تخلیه از کف) مورد استفاده قرار می‌گیرند. دمای ذوب و تخلیه در کوره‌های قوس در حدود ۱۶۰۰ درجه و در بعضی از کوره‌های آزمایشگاهی گاهی دما به ۳۰۰۰ درجه سانتی‌گراد هم خواهد رسید. جالب است بدانید که مهم‌ترین مواد اولیه برای تولید فولاد و چدن در کوره‌ قوس الکتریکی عبارت‌اند از آهن قراضه، آهن اسفنجی، شمش چدن کوره بلند، فرو آلیاژهای آهک و فلورین. در کشور ایران، عمدتاً از آهن قراضه و از آهن اسفنجی به صورت گندله یا خشته استفاده می‌شود که این امر می‌تواند به دلیل فراوانی واحدهای احیای مستقیم باتوجه به در دسترس‌ بودن منابع گاز طبیعی در ایران باشد. نوع دیگری از ماده شارژ کوره نیز در برخی کشورها، تغذیه مداوم آهن اسفنجی خشته‌شده گرم است.

کوره‌های قوس الکتریکی، از طریق ذوب شدن بار کوره توسط قوس الکتریکی ایجاد شده بین الکترودهای گرافیتی و بار فلزی، کار خود را انجام می‌دهند. در این روش، ابتدا آهن اسفنجی تولید شده در فرآیند احیای مستقیم درون کوره قوس الکتریکی ریخته می‌شود تا فرآیند ذوب روی آن انجام گیرد. دمای این کوره‌ها به حدی است که در همان ذوب اولیه فولاد با درصد کربن نسبتاً پایین تولید خواهد شد. سپس فولاد تولید شده درون کوره پاتیلی ریخته می‌شود تا در آنجا عملیات آلیاژسازی انجام گیرد. گفتنی است که این عملیات شامل تنظیم کردن میزان کربن، اضافه کردن عناصر آلیاژی و یکدست‌سازی ترکیب فولاد خواهد بود.

انواع کوره قوس الکتریکی

به طور کلی، حرارت حاصل از قوس الکتریکی در کوره EAF  از نظر عبور جریان الکتریکی به دو روش کلی مورد استفاده قرار خواهد گرفت:

کوره قوس الکتریکی مستقیم

کوره قوس الکتریکی مستقیم تحت مدل‌های تک الکترود، دو الکترود و سه الکترود ساخته می‌شود که مدل سه الکترود آن برای ذوب فلزات در تناژ سنگین مورد استفاده قرار می‌گیرد. قوس الکتریکی در این کوره میان الکترود و شارژ ایجاد شده و با حرارت تولیدی، ذوب انجام می‌گیرد.

قوس الکتریکی به طور مستقیم در میان شارژ برقرار خواهد شد و حرارت تولید شده منجر به ذوب می‌شود در این روش ممکن است الکترود دوم خود شارژ باشد. بدین معنی که قوس الکتریکی بین الکترود و شارژ برقرار شود یا اینکه الکترود در بالای شارژ و یک الکترود در پایین شارژ منظور گردد تا بدین وسیله، قوس بین دو الکترود برقرار شود.

کوره قوس الکتریکی مستقیم تحت مدل‌های تک الکترود، دو الکترود و سه الکترود طراحی و ساخته می‌شود که مدل سه الکترود آن جهت ذوب فلزات در تناژ سنگین بکارگرفته می‌شود. قوس الکتریکی در این کوره میان الکترود و شارژ ایجاد شده و با حرارت تولیدی، ذوب انجام خواهد شد.

کوره قوس الکتریکی غیر مستقیم

کوره قوس الکتریکی غیر مستقیم مناسب ذوب فلز چدن و فلزات غیرآهنی است. قوس الکتریکی در این مدل، میان دو الکترود واقع در بالای شارژ درون کوره رخ می‌دهد و فرآیند ذوب توسط حرارت منتقل‌شده به شارژ انجام می‌گیرد.

در این روش، قوس الکتریکی بین دو الکترود که در بالای شارژ داخل کوره قرار دارد ایجاد می‌گردد و حرارت حاصل شده از طریق تشعشع به شارژ انتقال خواهد یافت و بدین ترتیب، عمل ذوب انجام می‌گیرد. کوره قوس الکتریکی غیر مستقیم به انواع کوره های تک فاز و سه فاز تقسیم‌بندی می‌گردد.

شایان ذکر است که کوره قوس الکتریکی غیر مستقیم مناسب ذوب فلز چدن و فلزات غیرآهنی است. قوس الکتریکی در این مدل، میان دو الکترود واقع در بالای شارژ درون کوره اتفاق می‌افتد و فرآیند ذوب توسط حرارت منتقل‌شده به شارژ انجام خواهد گرفت.

کاربرد کوره قوس الکتریکی

امروزه به کمک کوره‌های قوس الکتریکی تولید مواد زیر بسیار آسان تر شده است:

• تولید طیف وسیعی از گریدهای فولاد
• میلگرد آجدار تقویت کننده انواع بتن
• تولید ناودانی، میله، تسمه و دیگر انواع مقاطع فولاد تجاری
• گریدهای میله با کیفیت مخصوص مورد استفاده در صنایع مختلف از جمله خودرو و نفت
• تامین مذاب فولاد برای مینی میل های تولید کننده میله یا نوار ورق

فرایند عملکرد قوس الکتریکی

برخورداری از حوضچه مذاب از آهن و شارژ آهن اسفنجی در فرآیند ذوب کوره‌های قوس الکتریکی اهمیت زیادی دارد. در واقع، عبور جریان برق از الکترودهای موجود در بالای جریان مذاب یا داخل آن، باعث ذوب مواد در کوره می‌شود. سه الکترود در هر کوره از سقف عبور می‌کند که هر کدام به فاز جریان برق وصل هستند. حرکت نوسانی الکترودها نیز طول قوس ایجادشده را تغییر می‌دهد و همچنین، حرارت مورد نیاز جهت ذوب هم باید کنترل و تنظیم شود. نهایتا، بعد از رسیدن به درجه 1550، جرقه و ذوب قراضه‌ها اتفاق می‌افتد و سپس، شارژ آهن اسفنجی به کوره شروع می شود. ضمن اینکه ولتاژ نیز تا رسیدن به حد مناسب خود کاهش می‌یابد.

سایر اجزای کوره قوس الکتریکی

کوره‌های قوس الکتریکی به‌طور کلی یک حمام بزرگ و کم عمق با بدنه فولادی محسوب می‌شوند که با مواد نسوز مقاوم در برابر حرارت پوشش داده شده است. همچنین باید اشاره کنیم که دما در این کوره‌ها بسیار بالا بوده (حدود ۳۰۰۰ درجه سانتی‌گراد) و تقریباً هیچ ماده نسوزی تحمل همچین دمایی را ندارد. به همین خاطر برای کاهش دما، بدنه و سقف این کوره‌ها را با لوله‌های آبگرد می‌پوشانند.

بررسی بدنه کوره قوس الکتریکی

به‌طور کلی بدنه کوره‌های قوس الکتریکی از سه بخش اصلی تشکیل شده‌است که عبارت‌اند از: کف یا بوته (heats)، دیوار جانبی (shell) و سقف (roof).

سقف کوره (roof): سقف کوره به صورت یک کلاهک است و معمولاً به گونه‌ای طراحی می‌شود که هم سبک باشد و هم استحکام مورد نظر را داشته باشد. در سقف کوره‌های قوس الکتریکی معمولاً سه سوراخ تعبیه شده که این سه منفذ محل عبور الکترودها خواهند بود. در کوره‌های قوس الکتریکی معمولاً سقف به گونه‌ای طراحی می‌گردد که همراه با الکترودها قابل حرکت باشند.

دیوار جانبی کوره (shell): این دیوارها عموماً به صورت استوانه‌ای هستند و توسط مواد نسوز و همچنین لوله‌های آبگرد پوشیده می‌شوند.

کف یا بوته کوره (heats): حالت قوسی شکل دارد و برعکس سقف آن عمقش نسبتاً کم و سطح آن زیاد طراحی می‌شود تا فصل مشترک مذاب با سرباره بیشترین میزان ممکن باشد.

تجهیزات الکتریکی

تجهیزات الکتریکی از جمله مهم‌ترین اجزای تشکیل دهنده کوره‌های قوس الکتریکی به شمار می‌روند؛ که از سه قسمت زیر تشکیل شده‌است:

• کلید قطع و وصل مدار
• راکتور و ترانسفور ماتور
• تنظیم کننده‌های الکترود

الکترودها

یکی دیگر از اجزای اصلی کوره‌های قوس الکتریکی الکترودها محسوب میشوند. کار و وظیفه اصلی الکترودها، انتقال جریان از بازوهای الکترود به بار کوره از طریق ایجاد قوس الکتریکی خواهد بود.

الکترودهای گرافیتی و زغالی از جمله مهم‌ترین مواد مصرفی در کوره‌های قوس الکتریکی هستند. این الکترودها تأثیر بسیار زیادی در کیفیت مذاب و البته تولید محصول ایفا کرده و از نظر اقتصادی نیز سهم قابل توجهی از هزینه‌ها را به خود اختصاص می‌دهند. ناگفته نماند که برای تولید مذاب باکیفیت باید از الکترودهای با خواص مشخصی استفاده نمود. همچنین یک الکترود باکیفیت باید خواصی به شرح زیر داشته باشد:

• هدایت الکتریکی خوب
• مقاومت مکانیکی بالا
• مقاومت در مقابل اکسایش به ویژه در درجه حرارت بالا
• حاوی حداقل مواد مضر مانند گوگرد و …
• تهیه ارزان قیمت آن‌ها

بررسی عملیات کوره قوس الکتریکی

نحوه کار در کوره قوس الکتریکی بدین گونه است که در ابتدا ضایعات فولاد به کمک یک جرثقیل سقفی وارد کوره می‌شوند. این ضایعات از سه منبع قابل تهیه هستند:

• ضایعات خانگی
• ضایعات صنعتی: از کارخانجاتی که استیل مصرف می‌کنند مانند کارخانه‌های خودروسازی
• ضایعات کهنه: مانند قوطی‌های کنسرو

این کوره از یک حمام دوار با سقف متحرک تشکیل شده است که ۳ الکترود گرافیتی در آن قرار گرفته‌اند. این‌ الکترودها وزن سنگین و ابعادی به طول و عرض به ترتیب 6 و 4 متر دارند. لازم به ذکر است که این نوع از کوره‌ها تا حجم ۱۰۰۰ تن فولاد را در خود جای می‌دهند.

پی از اینکه ضایعات در کوره قوس قرار گرفتند، سقف متحرک بسته خواهد شد و الکترودها در داخل کوره قرار خواهند گرفت. قوس الکتریکی شامل عبور شوک جریان الکتریکی از طریق یک فلز است. گرمای ناشی از این قوس موجب ذوب شدن ضایعات می‌شود. همچنین جهت تشکیل سرباره، مواد زیر را به کوره اضافه و با یکدیگر ترکیب می‌کنند:

• آهک: به شکل کلسیم اکسید یا کلسیم کربنات
• فلورسپار (کلسیم فلوراید): جهت مایع نگه داشتن سرباره
• سنگ آهن

هنگامی که به ترکیب مورد نظر استیل دست پیدا کردند، سرباره را از کوره قوس الکتریکی خارج خواهند ساخت. در نتیجه، استیل مورد نیاز در کوره باقی می‌ماند که با تخلیه کوره به آن دسترسی پیدا می‌کنند. در مراحل بعدی، سرباره را هم می‌توان بازیافت و از آن آهن استخراج نمود.

شارژ کوره قوس الکتریکی

ماده اصلی شارژ کوره قوس الکتریکی، ضایعات فولاد خواهد بود و فراوانی، قیمت پایین و کیفیت مناسب آن از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. اهمیت کیفیت ضایعات، زمان تولید فولاد با قابلیت نرم شوندگی بالا مشخص می‌گردد که درصد کل عناصر پسماند یا باقی مانده (مس، کروم، نیکل، مولیبدن و قلع) در آن بایستی حداکثر ۰.۲ درصد باشد.

اغلب این پسماندها در ضایعات وجود دارند و به جای این که حین تولید فولاد، اکسید شوند تجمع یافته و در ضایعات بازیافت‌شده افزایش خواهند یافت. در چنین مواردی، برخی از فروشنده‌ها ضایعات قراضه خود را با آهن مستقیما احیاشده یا آهن کوره بلند سرد که حاوی پسماند نیستند، تکمیل می‌کنند. عموما، مقادیر زیاد کربن، نیتروژن و پسماندها موجب می‌گردد تا فرآیند قوس الکتریکی برای تولید فولادهای کم کربن و نرم، چندان رایج نباشد. اغلب فروشندگان ضایعات فولاد ضدزنگ، گریدهای مختلف آن را جدا از یکدیگر نگه می‌دارند.

فروشگاه‌های فولاد پرآلیاژ مانند تولیدکنندگان فولادهای ضد زنگ، ضایعات با ترکیب شیمیایی یکسان را تجمیع می‌کنند، و به فولاد تولیدی خود شارژ خواهند کرد تا افزودنی‌های آلیاژی گران را به حداقل ممکن برسانند.

فرآیند ذوب آهن و فولادسازی در کوره قوس الکتریکی

در این روش ابتدا آهن اسفنجی تولید شده در عملیات احیای مستقیم درون کوره قوس الکتریکی ریخته می‌شود تا ذوب صورت گیرد. دمای این کوره‌ها به‌ اندازه‌ای است که در همان ذوب اولیه، فولاد با درصد کربن نسبتا پایین تولید خواهد شد. سپس، فولاد تولید شده درون کوره پاتیلی ریخته می‌شود تا در آنجا عملیات آلیاژسازی انجام گیرد.

مواد اولیه فولادسازی در کوره قوس الکتریکی

مهم‌ترین مواد اولیه به‌منظور تولید فولاد و چدن در کوره‌های قوس الکتریکی شامل آهن قراضه، آهن اسفنجی، شمش چدن، کوره بلند، فرو آلیاژهای آهک و فلورین هستند که هر کدام ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود را دارند.

کمک ذوب در روش کوره قوس الکتریکی چیست؟

کمک ذوب ها که از جمله مهم‌ترین آن‌ها آهک است، جهت تشکیل سرباره‌ها و تاثیر گذاشتن بر واکنش‌های شیمیایی در مراحل مختلف تصفیه متالورژیکی به کوره افزوده خواهند شد. عناصر آلیاژ کننده که بسیاری از آن‌ها مواد فلزی هستند، به‌منظور رسیدن به ترکیب نهایی دلخواه به ذوب اضافه می‌شوند. موادی که بخش عمده ای از عناصر آلیاژی را دارند فروآلیاژ نامیده می‌شوند.

انواع روش های ذوب و جداسازی در کوره قوس الکتریکی

در کوره قوس الکتریکی، دو روش بازی و اسیدی برای تصفیه، ذوب و جداسازی مورد استفاده قرار خواهند گرفت. در نوع اسیدی، نمی‌توان گوگرد و فسفر را از مواد اولیه جدا نمود. به همین خاطر باید مواد اولیه کمترین میزان این عناصر را داشته باشند. تامین مواد نسوز با هزینه کم، هزینه کم انرژی، سیالیت بیشتر مذاب، روان بودن کمتر سرباره و داشتن آسترهایی با دوام بالا از جمله مزایای این روش محسوب می‌شوند.

در روش بازی که روشی ساده به شمار می‌رود و بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد، امکان جدا کردن فسفر و گوگرد تا حد قابل قبولی وجود دارد. در تولید با این روش، آهک و فلوئوراسپار به شارژ کوره اضافه خواهند شد.

مزایا و معایب کوره قوس الکتریکی

ابتدا معایب کوره قوس الکتریکی را ذکر می‌کنیم. کیفیت فولاد به دست آمده در این کوره تا حد بسیار زیادی تحت تاثیر آهن قراضه‌ای که به آن وارد شده است، قرار دارد. اگر قراضه درست انتخاب نشود، شاهد شکسته شدن الکترودها یا سر ریز شدن فولاد مذاب هستیم. در این کوره‌ها مدت زمان ذوب طولانی است و به همین خاطر مصرف برق نیز بیشتر خواهد بود. همچنین روش قوس الکتریکی برای ذوب آهن ناخالصی بیشتری به فولاد وارد می‌سازد.

حالا به سراغ مزیت‌های کوره قوس الکتریکی می‌رویم. همانطور که گفتیم، ماده اصلی مورد استفاده در این دستگاه آهن قراضه است. لذا فولادسازی می‌تواند از عناصر موجود در فولاد قراضه مجدد استفاده کرده و با این بهینه‌سازی دور ریز را به حداقل میزان ممکن برساند. توان اجرایی قوس الکتریکی انعطاف‌پذیرتر است و به همین سبب برای ذوب‌های کوچک هم مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تفاوت کوره قوس الکتریکی و کوره القایی

تفاوت اصلي میان کوره قوس الکتریکی و القايي در نوع ذوب و کارکرد آن‌ها خواهد بود. نحوه کارکرد قوس الکتریکی را که در این مقاله مفصل توضیح دادیم. کوره القایی به روش گرمایش القایی گرم می‌شود و در مقایسه با دیگر روش‌های ذوب، کنترل بیشتری بر روی متالوژی ماده مذاب در آن مشاهده می‌شود. در این روش به دلیل اینکه دما بالاتر از حد لازم نیست، عناصر آلیاژی ارزشمند در فلز از بین نخواهند رفت. این در حالی است که در سایر روش‌ها، به سبب حرارت بیش از حد، اثری از این عناصر نیست.

گفتنی است که مهم‌ترین اشکال این کوره‌ها نداشتن توان تصفیه به شمار می‌رود. مواد اولیه این سیستم هیچگونه اکسیداسیونی در خود نباید داشته باشند. همچنین مقداری از عناصر آلیاژی ممکن است به دلیل اکسید شدن از میان بروند.