کاربرد سنگ آهک در صنعت فولاد چیست؟

کاربرد سنگ آهک در صنعت فولاد را نمی توان بدون استفاده از آهک، که همیشه در کل فرآیند ساخت فولاد وجود دارد، تصور کرد. افزودن آهک در کوره های قوس الکتریکی، مبدل های AODو در ملاقه های تصفیه ضروری است. سنگ آهک در صنعت فولاد می تواند یک تصفیه کننده برای از بین بردن ناخالصی ها، از بین بردن گوگرد، از بین بردن فسفر – دفسفورزاسیون – باشد، می تواند به عنوان شار عمل کند در حتی خنثی سازی شرکت کند. و همه با یک هدف خاص، یعنی تبدیل سنگ آهن به فولاد و سایر محصولات آهنی انجام می شود. تحولی که به محصولات دیگری که در دسترس هستند مانند دولومیت کلسیته و مواد نسوز نیاز دارد.

فولاد سازی از گذشته تا به امروز

فولاد سازی را  بخشی از صنعت فلزات که به استخراج و فرآوری آهن اختصاص داده شده است، تعریف می کنند. واقعیت این است که آهن، پس از اکسیژن، سیلیکون و آلومینیوم، یکی از عناصر فراوان روی زمین است.اولین آهن مورد استفاده احتمالاً آلیاژی از آهن (Fe) و نیکل (Ni) بود که وقتی گرم می شد، احتمالاً به طور تصادفی، می توانست خم شود و بنابراین برای ساخت تیر و ابزار مورد استفاده قرار گیرد.

در قرن دوم بود که اولین کوره های تصفیه مواد معدنی حاوی آهن ساخته شد، اما تاسیسات اولیه بودند و دمای کافی برای ذوب فلز تولید نمی کردند. پس از قرن هفدهم از نظر ارتفاع کوره ها افزایش یافته و روش های دمیدن هوا نیز بهبود یافت، این بدان معنا بود که ذوب قالب امکان پذیر بود و بنابراین اولین آهن ریخته گری ظاهر شد. و سپس در سال ۱۷۵۰ اولین فولاد همگن پس از گرم شدن آهن و ذغال در دیگ ذوب به دست آمد.

اگرچه استفاده از آهن به پیش از تاریخ برمی گردد، اما پیشرفت هایی در زمینه ساخت فولاد تا قرن نوزدهم با توسعه راه آهن صورت نگرفت. این زمانی است که نیاز به داشتن ماده ای سازگار برای اولین بار ظاهر شد.در این لحظه از زمان، به دلیل عمده کارایی و تنوع محصولات قابل تولید از آن، تولید فولاد در جهان ۲۰ برابر بیشتر از سایر فلزات است.

طبقه بندی محصولات فولادی

آهن، انواع فولاد، آلیاژهای فرو، سنگدانه های آهنی و آلیاژهای مخصوص آهن.  در این میان فولاد به خصوص قابل توجه است، ماده ای کاملاً متنوع که ۸۰٪ تولید فلز را تشکیل می دهد و از اختلاط آهن (Fe) و کربن (C) بدست می آید. محتوای کربن در فولاد از ۱٫۵٪ فراتر نمی رود، در حالی که آهن ریخته گری که از آلیاژهای Fe-C نیز هست، محتوای کربن بیشتری دارد (بین ۲ تا ۴٫۵٪)، که سختی آن را افزایش می دهد.سنگ آهک در صنعت فولاد یا پودرکربنات کلسیم به عنوان عنصری ضروری برای تصفیه محصولات فلزی است

فرآیند ساخت فلز را نمی توان بدون استفاده از پودرکربنات کلسیم تصور کرد که مأموریت آن خالص سازی محصولات به دست آمده در آسیاب فولاد با اصلاح ترکیب آنها است. به طور خاص، اکسید کلسیم یا آهک زنده می تواند این سه عملکرد را در صنعت فلزات اجرا کند:

• تشکیل سرباره: از اکسید کلسیم در تشکیل سرباره استفاده می شود که علاوه بر این، مواد زائد حاصل از تولید فولاد را تجمیع می دهد. علاوه بر این، این فلز را از عناصر موجود در اتمسفر مانند نیتروژن و هیدروژن محافظت می کند، همچنین عایقی است که اجازه می دهد دمای بالای فرآیند (۱۶۰۰-۱۸۰۰ درجه سانتیگراد) حفظ شود.
• حذف فسفر: فسفر موجود در سنگ آهن و ضایعات فلزی که برای شروع فرآیند ساخت فولاد استفاده می شود، می تواند به خصوصیات فولاد آسیب جدی برساند. در مقادیر زیاد، شکل پذیری فولاد را کاهش می دهد و باعث شکستگی آن در هنگام کار سرد می شود.
• آهک زنده اضافه شده به فرآیند فلز سازی، فسفر موجود در فولاد را استخراج کرده و نسبت آن را به سطوحی کاهش می دهد که شکل پذیری آن تحت تأثیر قرار نگیرد.
• از بین بردن گوگرد: گوگرد همچنین می تواند با شکننده کردن فولاد، باعث ایجاد ترک شود و به آن آسیب برساند. از این رو از آهک زنده برای کاهش درصد آن در ترکیب فولاد و به حداقل رساندن اثرات منفی آن استفاده می شود.

بنابراین، محققان در حال بررسی یک فرآیند تصفیه هستیم که سنگ آهک در صنعت فولاد یا کربنات کلسیم را اضافه می کند تا یک محصول فلزی با خواص مختلف بدست آورد. فرآیندی که می تواند به دو روش ساخته شود: فولاد سازی اولیه یا فولاد سازی ثانویه.

انواع فرآیندهای ساخت فولاد

• فولاد سازی یکپارچه یا اولیه:

این عمل در کوره بلند صورت می گیرد که در آن جوش خوردن فلز و اولین تصفیه انجام می شود. در بالای کوره، سنگ آهن به شکل گلوله، همراه با ذغال سنگ یا کک و سنگ آهک یا همان کربنات کلسیم (CaCO3) یا آهک زنده (CaO)، در حالی که در پایین هوای گرم با هدف ایجاد احتراق کک وارد می شود، ریخته می شود.

در پایین کوره دو نوع ماده مذاب جمع می شود:

آهن معمولی: این آهن مایع است که چون غلیظ تر است، در انتهای آن تجمع می یابد و باید از کوره استخراج شده و به ریخته گری یا آسیاب فولادی منتقل شود (ساخت فولاد ثانویه). همانطور که در بالا دیده می شود آهن معمولی از کربن و آهن تشکیل یافته است و در اولین ریخته گری که ذوب اولیه نامیده می شود بدست می آید. این فرآیند شامل بخش مهمی از کربن و ناخالصی است که در مراحل بعدی حذف می شود.سرباره: سرباره ها در اثر ناخالصی های ذوب شده ایجاد می شوند و چون چگالی کمتری دارند، در بالای آهن شناور می شوند. آنها از فرآیند ساخت فلز حذف شده و در صنایع دیگر مانند سیمان سازی استفاده می شوند.

از پودرکربنات کلسیم به دلیل عملکرد شارگونه در صنعت فولاد استفاده می شود که به آن اجازه می دهد غلظت ناخالصی های موجود در فولاد را کاهش دهد (بیش از همه سیلیس و آلومینا ،گوگرد، فسفر و …) و سرباره تولید می کند. برای رسیدن به این عمل، اکسیژن از طریق آهن مذاب دمیده می شود و باعث کاهش درصد کربن می شود. در مقابل، سیلیسیم و فسفر، اکسیدهایی را تشکیل می دهند که به دلیل واکنش آنها با اکسید کلسیم اضافه شده، ترکیبات پایداری از سیلیکات کلسیم و فسفات کلسیم را تشکیل می دهند که در سرباره از بین می روند.

•  ساخت فولاد ثانویه:

این فرایند بعدی است که مواد آهنی تحت تاثیر آن قرار می گیرند. در این مرحله می توان کوره را با آهن، ضایعات یا مخلوطی از هر دو تغذیه کرد. اهداف این روش ثانویه عبارتند از:

تنظیم عناصر آلیاژی: به وسیله C ، Mn ، Nb ، Ti  و غیره غلظت اکسیژن، هیدروژن و نیتروژن را کاهش دهید. مشخصات ناخالصی های غیر فلزی (فسفر و گوگرد) را تنظیم کنید. ترکیبات غیرفلزی را از بین ببرید، و با اکسیدها (Al2O3) با کالیبراسیون دما، مورفولوژی فولاد را کنترل کنید.

برای دستیابی به این اهداف به فازهای مختلف و افزودنهای مختلف محصولات نیاز است که یکی از آنها سنگ آهک یا کربنات کلسیم است. ساخت فولاد ثانویه را می توان به ۳ مرحله اصلی تقسیم کرد:

• ذوب

این امر معمولاً در کوره قوس الکتریکی (HAE  یا  EAF) انجام می شود. در این مرحله یک بار دیگر آهک به عنوان عامل شار اضافه می شود تا از یک طرف به تشکیل سرباره (سیلیکات های رسوب دهنده) کمک کند و از طرف دیگر، سولفور را از فولاد پاک کند. در پایان ناخالصی ها به صورت سرباره شناور می شوند و هنگام حذف یک فولاد پایه یا به طور کلی می توان گفت که یک فولاد کربنی یا یک فولاد کم آلیاژ به دست می آید.

• پالایش

فولاد با ترکیب نهایی مورد نظر در مرحله گوگرد زدایی بدست می آید که در کوره ملاقه ای (HC یا LF) انجام می شود. در این مرحله متالورژی ثانویه برای گوگرد زدایی از فولاد، کربنات کلسیم نیز اضافه می شود. علاوه بر این، کلسیم وارد شده توسط آهک تحت تأثیر اصلاح مورفولوژی و توزیع اجزا (اکسیدها و گوگردهای تولید شده در این مرحله) و همچنین افزایش خصوصیات ریخته گری فولاد برای مرحله بعدی، خاصیت ریخته گری مداوم را دارد. نتیجه این فرآیند، فولادهایی با محتوای بسیار کم گوگرد و گاز است که به خوبی اکسیداسیون شده و تمیز است.

درصورتی که هدف بدست آوردن فولاد ضد زنگ باشد، فرآیند تصفیه در یک مبدل به اصطلاح AOD انجام می شود و نه در کوره ملاقه، زیرا چینش ترکیبات فولاد باید بسیار دقیق باشد (۰٫۰۳٪ C). در فرآیندAOD ، آهک یا کربنات کلسیم نیز برای گوگرد و فسفر زدایی و همچنین برای تشکیل سرباره اضافه می شود

• ریخته گری

پس از رسیدن به ترکیب مورد نظر از فولاد، لحظه خنک سازی، به شکل جامد درآمدن و شکل دادن به آن است. این مرحله در قالب ریخته گری مداوم انجام می شود، جایی که فولاد درون یک حوضچه ریخته می شود و سپس از کانال های خنک شده عبور می کند که فولاد جامد را در قالب های مختلف تولید می کند.

پس از آن، برخی از محصولات در کارخانه های نورد پردازش می شوند، جایی که با استفاده از شکل پذیری فولاد تغییر شکل دائمی ایجاد می شود. نورد می تواند سرد یا گرم باشد و محصولات ایجاد شده مواردی مانند ورق، ریل و میله است که مستقیماً مورد استفاده قرار می گیرد. مواد حاصل از کربنات کلسیم بار دیگر نقش مهمی در فرآیندهای این مرحله نورد دارند.

یکی از این فرایندها ترش کردن است که باعث از بین رفتن ناخالصی های بعد از مرحله آسیاب و سایر چسبندگی هایی است که به قسمت خارجی مواد می چسبند. در این مرحله، بیش از همه نمک های آهن استفاده می شوند که در پایان باید با هیدروکسید کلسیم (آهک هیدراته) خنثی شود. از این رو، هیدروکسید برای بازیابی آب مورد استفاده در فرآیند ترش کردن و تمیز کردن سطوح فلزی استفاده می شود، که معمولاً مراحل آماده سازی قبل از نورد و گالوانیزه هستند.

محصولات کربنات کلسیمی در صنعت فولاد

همانطور که قبلاً مشاهده کردیم، هم اکسید کلسیم و هم هیدروکسید کلسیم نقش مهمی در کل فرآیند ساخت فولاد دارند: در کوره های قوس الکتریکی (EAF)، در کوره های بلند، در مبدل هایAOD ، در تصفیه، در ریخته گری مداوم و غیره آهک تنها محصولی نیست که حاوی کربنات کلسیم است و در ساخت فولاد استفاده می شود.دولومیت هم در EAF و هم در تصفیه ملاقه اضافه می شود و نقش دوگانه ای را ایفا می کند. از یک طرف، در از بین بردن گوگرد و فسفر شرکت می کند و از طرف دیگر، سرباره را در اکسید منیزیم اشباع می کند، که باعث می شود عمر مفید پوشش نسوز افزایش یابد.

مواد نسوز به دست آمده از فرآورده های دارای کربنات کلسیم طیف گسترده ای از محصولات نسوز را برای صنعت فولاد تشکیل می دهند. آنها مستقیماً به عنوان جرم یا آجرهای تشکیل شده برای محافظت حرارتی و شیمیایی از قطعاتی که در فرآیند تولید فلز شرکت می کنند استفاده می شوند. کوره ها، ملاقه ها، مبدل ها و حوضچه ها. خلوص و نسوز بودن آنها باعث می شود که فرآیند تولید فولاد از نظر انرژی کارآمدتر باشد.

استفاده از کربنات کلسیم یا سنگ آهک در صنعت فولاد و دولومیت در کوره ها در کشورها و قاره های مختلف، امکان تصفیه و ساخت فولاد و همچنین محافظت از پوشش نسوز کوره ها و مبدل ها را می دهد.همچنین محصولات خاصی طراحی شده برای استفاده در برنامه های آتش زنی نسوز وجود دارد زیرا  این محصولات بر پایه یک دولومیت پخته شده با مقاومت بالا در برابر هیدراتاسیون است.تمامی این محصولات همراه با آهک، آهک زنده و آهک هیدراته، در صنعت بزرگی که تولید فولاد است ضروری به حساب می آیند و همه از خانواده بزرگ کربنات کلسیم به حساب می آیند. این ماده مفید برای زندگی ما.