اخبــار
آهن حاصل از احیای مستقیم: یک ماده مفید برای تغذیه ­ی کوره ­های القایی

آهن اسفنجی – بخش یک

یکشنبه ۶ آبان 0

آهن حاصل از احیای مستقیم: یک ماده مفید برای تغذیه ­ی کوره ­های القایی

چکیده:

 کوره­های القایی صنعتی و آزمایشگاهی برای ذوب کردن انواع مختلف شمش­های آهنی، قراضه­ های برگشتی و پلت­های آهن احیا مستقیم شده به منظور تولید چدن و فولاد مذاب با درجه خلوص بالا مورد استفاده قرار گرفته است.

حداقل میزان مصرف انرژی الکتریکی در حالت بار کردن پیوسته برابر ۰٫۳ کیلووات ساعت بر کیلوگرم برای تولید چدن در کوره صنعتی ۱٫۵ تنی و ۰٫۴۵ کیلووات ساعت بر کیلوگرم برای تولید فولاد در کوره آزمایشگاهی ۲۵ کیلوگرمی به دست آمده است.

 

کوره­های القایی صنعتی و آزمایشگاهی برای ذوب کردن انواع مختلف شمش­های آهنی، قراضه­ های برگشتی و پلت­های آهن احیا مستقیم شده به منظور تولید چدن و فولاد مذاب با درجه خلوص بالا مورد استفاده قرار گرفته است.

قراضه آهنی

 

اپتیموم سرعت بار کردن برای دستیابی به کمترین میزان مصرف انرژی ۱۲٫۵ گرم در ثانیه در حالت بار کردن پیوسته آهن احیا مستقیم شده در کوره القایی ۲۵ کیلوگرمی به دست آمد. اندازه­گیری مشابه نشان می­دهد که اندازه اپتیموم پلت­های آهن احیا مستقیم حدود ۷ میلی­متر است.

 

مقدمه:

بیش از سه دهه است که آهن احیای مستقیم (DRI) به عنوان یک ماده­ی شارژ مناسب برای فرایندهای ذوب الکتریکی معرفی شده است.

با اینکه تحقیقات گسترده­ای در مورد ذوب این مواد در کوره­های قوس الکتریکی (EAF) صورت گرفته است، میزان تحقیقات انجام شده در مورد تغذیه­ی DRI به کوره قوس الکتریکی (EAF) بسیار محدود می­باشد.

در این مقاله، نتایج مطالعات انجام شده در رابطه با کاربرد پلت­های آهن اسفنجی DRI در EAF و تحت شرایط مختلف تشریح شده است.

 

بیش از سه دهه است که آهن احیای مستقیم (DRI) به عنوان یک ماده­ی شارژ مناسب برای فرایندهای ذوب الکتریکی معرفی شده است.

احیای آهن اسفنجی

 

هدف اصلی این تحقیق پیدا کردن روشی مناسب برای جایگزینی پلت­های DRI با دیگر مواد خام مثل فلزات سنگین، قراضه­های فولادی و شمش­های آهن خام است که معمولاً به شکل چدن مورد استفاده قرار می­گیرند.

فرایند ذوب DRI به طور چشمگیری تحت تاثیر ویژگی­های فیزیکی، شیمیایی و حرارتی مواد شارژ شده است.

برخی از این ویژگی­ها عبارتند از شکل، اندازه، چگالی، ترکیب شیمیایی و درجه­ی فلزی شدن. عوامل دیگری مثل روش باردهی، نوع کوره، دمای حمام، ترکیب شیمیایی فازهای مذاب و جریان سیال داخل کوره و اطراف ذرات نیز مهم هستند.

 

برای پیش بینی شرایط بهینه­ ی باردهی به اطلاعات زیادی در مورد مکانیزم­های شیمیایی و حرارتی کنترل کننده­ی فرایند ذوب ذرات DRI در EAF نیاز است.

بنابراین آزمایشات متعددی برای یافتن اطلاعات ضروری در مورد مشخصه یابی رفتار ذرات آهن اسفنجی (SI) در حمام قوس الکتریکی طراحی شده است.

نتایج به دست آمده برای مدلسازی ذوب القایی الکتریکی DRI استفاده شده است. داده­های حاصل از محاسبات ریاضی با نتایج آزمایشگاه مقایسه شده­اند.

مدلسازی:

باردهی مواد DRI به مرکز سطح محدب آهن (شکل ۱) باعث می­شود تا پلت­های SI بتوانند به طور مستقیم با فاز مذاب فلزی تبادل جرم و حرارت داشته باشند.

 

باردهی پیوسته مواد ذره¬ای به حمام القایی.

شکل۱)  باردهی پیوسته مواد ذره¬ای به حمام القایی.

 

به دلیل اینکه چگالی پلت­های SI کمتر است، آن­ها تا قبل از اینکه به طور کامل ذوب شوند روی سطح مذاب آهن شناور می­شوند.

حجم نسبتاً زیادی از گاز می­تواند ایجاد شود که ناشی از واکنش­های احیایی بین کربن و اکسیژن در حین حرارت و ذوب هر پلت است.

حجم گازهای آزاد شده تابع دما و نرخ افزایش دما است. مثالی از مطالعه­ی انجام شده توسط نویسنده در شکل ۲  نشان داده شده است.

حجم گازهای آزاد شده از پلت DRI در این منحنی محاسبه شده است.

 

توزیع گازهای آزاد

شکل ۲) توزیع گازهای آزاد شده از نمونه¬های DRI. درصد کربن = ۰، ۲٫۰۱ و ۱٫۰۶

 

مشاهدات آزمایشگاهی نشان می­ دهد که میزان تلاطم ایجاد شده در سطح مذاب به حدی است که بتواند جامدات شناور یا جزایر مذاب دور از سطح خارجی پلت­های گازدار را خارج سازد، مگر اینکه نرخ باردهی به حدی زیاد باشد که ذره نتواند حوزه اطرافش را حفظ کند.

بنابراین یک پلت DRI فعال با درجه­ی متالیزاسیون نسبتاً پایین و میزان کربن بالا می­تواند مانند یک ذره­ی گازدار شناور روی سطح ذوب عمل کند. برای چنین موردی کل زمان فرایند حرارت دهی و  ذوب بیشتر از چندین ثانیه نیست.

زمان ذوب پلیت

شکل ۳) زمان ذوب پلت­های DRI شارژ شده به سطح آهن مذاب الف)  ۹۲٫۵ درصد فلزی و گاز زیاد و ب) ۹۷ درصد فلزی و گاز کم.

در مورد ذرات DRI با درصد فلزی بالا و میزان گاز کم، زمان ذوب به دو دلیل زیاد است.

  • دلیل اول اینکه این ذرات به راحتی توسط اکسیدهای مذاب عایق که از آن­ها حاصل شده و یا توسط سرباره­های جمع شده در اطراف دیواره­ی داخلی بوته احاطه می­شوند.
  • دلیل دوم این است که این ذرات هیچ تلاطم سطحی ناشی از اثرات آزاد شدن گاز ایجاد نمی­کنند.

در شکل ۳ مقایسه­ای از زمان ذوب مورد نیاز برای پلت­های DRI دارای گاز و بدون گاز آورده شده است.

محاسبات زمان میانگین ذوب پلت­های DRI بر اساس مدل ریاضی استفاده شده است. با این حال محاسبات برای:

۱) ذوب سطحی پلت­های DRI شناور

 ۲) تماس مستقیم بین پلت­های DRI و آهن مذاب

 ۳) مکانیزم­های انتقال حرارت پلت­های DRI شناور بر سطح فاز آهن داغ

 صورت گرفته است.

تئوری کولوموگوروف در رابطه با تلاطم همگن برای محاسبه­ ی نرخ انتقال حرارت به پلت­های جامد گازدار استفاده شده است. رابطه ­ی مشابه ی برای ذوب ذرات جامد کروی در یک فاز مذاب سرباره استفاده شده است تا اثرات تلاطم ناشی از آزاد شدن گاز (معادله­ ی ۱) تشریح شود، به جز زمانی که نرخ آزاد شدن انرژی از طریق روشی متفاوت بر پایه­ی شرایط جدید محاسبه شود:

 

معادله یک

معادله یک

 

Nu، Ko و Pr به ترتیب اعداد ناسل، کولوموگوروف و پرندل هستند که نشان دهنده ­ی رفتار سیستم با توجه به انتقال حرارت، تلف شدن انرژی و انتقال جرم هستند. نرخ اتلاف انرژی از کار انبساطی معکوس که توسط گاز آزاد شده صورت گرفته، محاسبه شده است.

 

معادله دو

معادله دو

 

Ed میزان اتلاف انرژی

 fs میزان کار انجام شده توسط فاز مذاب

 Pa فشار اتمسفر

 Vp حجم پلت DRI

  و  به ترتیب حجم کلی گاز در مذاب و دمای محیط

 T دمای فاز مذاب

  دمای محیط است.

 فرض شده است که گازها ایده ­آل بوده و دارای حجم اولیه­ ی برابر با حجم پلت و حجم نهایی برابر با حجمی است که در هوا آزاد می­ شود. البته حجم اولیه در مقایسه با دومی قابل چشم پوشی است.

بنابراین نرخ اتلاف انرژی می­تواند از معادله­ ی زیر محاسبه شود:

معادله سه

معادله سه

 

 

 

نرخ آزاد شدن گاز در دمای محیط است. فرض شده است میزان fs برابر با کسر حجمی پلت ترکیب شده با فاز آهن است. این مقدار از نیروهای شناوری وارد بر پلت محاسبه شده­ است:

 

معادله 4

معادله ۴

 

و  چگالی­های پلت DRI و فاز آهن هستند.

اگر نرخ باردهی به حدی زیاد باشد که پلت­های DRI اندرکنش حرارتی با هم داشته باشند، اصلاح زیر می­ تواند برای محاسبه ­ی نرخ انتقال حرارت به آن­ها استفاده شود:

 

معادله 5

معادله ۵

 

معادلات ۱ و ۵ برای تقریب نرخ انتقال حرارت از جریان­های گردابی متلاطم با سطح DRI استفاده می­ شوند. مساحت این سطح می­تواند از کسر fs زیر به دست آید:

 

معادله 6

معادله ۶

Ac سطح تماس و R شعاع پلت DRI است.

آزاد شدن گاز تنها مکانیزم موثر بر نرخ حرارت دهی پلت­های DRI نیست.

برای مثال چرخش مغناطیسی نیز به این فرایند کمک می­کند. اما میزان تاثیرگذاری آن نسبتاً کم است زیرا تفاوت بین سرعت پلت­های DRI و سرعت فاز آهن مذاب بسیار ناچیز است.

این به دلیل چگالی کم پلت­های DRI است که به آن­ها اجازه نمی­دهد با سرعتی متفاوت از سرعت مذاب حرکت کنند.

میزان حرارت کلی مورد نیاز برای ذوب یک واحد جرم از پلت­های DRI، تابعی از ترکیب شیمیایی آن­ها و نرخ ذوب است.

اثر ترکیب شیمیایی به خاطر تفاوت در حرارت ویژه­ی مواد و واکنش­ها است. تاثیر نرخ ذوب بیشتر بر روی اتلاف حرارت از سیستم گرمایش الکتریکی است. بازدهی حرارتی، ، می­تواند از اثرات حرارتی نظری و تجربی محاسبه شود. تعریف به کار رفته به صورت زیر است:

معادله 7

معادله ۷

که در آن  و  به ترتیب مقادیر حرارت محاسبه شده و اندازه­گیری شده هستند.

اشتراک گذاری
دیدگاه کاربران
ارسال دیدگاه
جداول وزنی مشاهده کنید
ارائه فاکتور رسمی
ارسال به سراسر کشور
اینستاگرام مشاهده صفحه
سبد خرید

سبد خرید

محصول حذف شد. بازگرداندن

    تکمیل مشخصات

    بازگشت به سبد خرید

    تبریک

    درخواست شما با موفقیت ثبت شد
    اشتراک گذاری