منشاً کربن بر نرخ احیاء به گونه‌‏ای تاثیر می‏گذارد که گرافیت و کک، واکنش احیاء آهن را سریع‏تر از زغال سنگ پیش می‏برد و یا اینکه با افزایش مواد فرار کک، این نرخ احیاء نیز افزایش خواهد یافت. با افزایش عدد بازیسیته سرباره که از نسبت CaO/SiO₂ حاصل می‏گردد، نرخ احیاء نیز افزایش می‏یابد. علاوه بر احیاء مقدارFeO ، کربن نقش مهمی در گوگردزدایی و فسفرزدایی دارد. احیاء مقدار FeO  به ترتیب بستگی به واکنش شیمیایی، مکانیسم انتقال جرم و دما در سطح واکنش دارد. گازی شدن کربن به اشکال CO وCO₂  که ناشی از نفوذ کربن در مذاب می‏باشد، تولید آلیاژ Fe-C کرده و سطح واکنش را در جهت افزایش نرخ احیاء FeO بهبود می‏بخشد.

مقدمه

کربن از جمله موادی است که وجود آن در کوره قوس الکتریکی تولید فولاد امری اجتناب­ ناپذیر و ضروری است. هدف اصلی افزودن کربن به کوره قوس، ایجاد یک محیط احیاء در طول فرآیند ذوب و جلوگیری از اکسیداسیون فلزات موجود در مذاب است. به دلیل وجود مواد اکسیدی در محیط کوره، جهت جلوگیری از اکسیداسیون عناصر موجود و همچنین احیای اکسیدهای فلزی مانند FeO از سرباره و کاهش تلفات مواد، تزریق کربن امری الزامی به نظر می‏رسد. از واکنش کربن با اکسیژن و تولید کربن مونوکسید (CO) سرباره پفکی­ تولید شده و تشکیل آن در جهت بهبود عملکرد کوره تاثیرگذار است. از طرف دیگر با انجام واکنش­ اکسیداسیون کربن، گرمای قابل توجهی تولید می‏شود که در کاهش مصرف انرژی در کوره مؤثر است. از آنجا که بیشتر نتایج از تاثیر کربن بر مذاب بر اساس تجربه اپراتورها بوده، از این رو هنوز راهکار موثری در جهت کنترل تزریق کربن به کوره قوس الکتریکی بدست نیامده است. جهت تاسیس سیستم کنترل بهینه تزریق کربن باید مقدار تعادل کربن نسبت به مقدار FeO موجود در سرباره را تخمین زد. به طور کلی می‏توان واکنش بین آهن اکسید سرباره و کربن جامد را به صورت زیر نشان داد:

واکنش فوق دارای چهار فاز بوده که (FeO) در سرباره حل شده و [Fe-C_x] نشان از حل شدن کربن در آهن و تشکیل آلیاژ آهن-کربن است. واکنش کلی افزودن کک به سرباره می‏تواند شامل واکنش‏های زیر باشد:

مکانیسم واکنش را می‏توان این گونه بیان کرد: (1) نفوذ FeO به صورت یون (Fe²⁺ و O²⁺) از توده سرباره به فصل مشترک سرباره-گاز (2) واکنش شیمیایی در فصل مشترک سرباره-گاز (3) نفوذ کربن به مذاب آهن و تشکیل آلیاژ آهن-کربن (4) نفوذ CO₂ از فصل مشترک سرباره-گاز به فصل مشترک کربن-گاز(5) واکنش شیمیایی درفصل مشترک کربن-گاز (6) نفوذCO  از فصل مشترک کربن-گاز به فصل مشترک سرباره-گاز. واکنش‏های کوره پاتیلی اگر مقدار کمی سیلیسیم در فلز مذاب وجود داشته باشد، واکنش گوگردزدایی توسط آهک می­تواند به صورت زیر انجام شود:

سرعت گوگردزدایی با فشار جزئی CO₂ متناسب بوده، به طوری که با جذب سطحی و تجزیه CO₂ قابل تغییر است. در اثر احیای FeO فلز مذاب توسط سرباره گوگردزدایی می شود. اکثر محققین دریافتند که سرعت احیا با مقدار FeO رابطه خطی دارد. به طورکلی سرعت احیاء را با توجه به سطح واکنش، تعداد گرم یا مول FeO احیاء شده و زمان (در محدوده دمایی 1773-1873 K) تخمین می‏زنند. ضمناً واحد آن (mol/cm².S)  بوده و معمولاً بین محدوده 10^-4-10^-5 تعیین می‏شود.

پارامترهای تاثیرگذار در سرعت احیاء  FeOتوسط کربن می‏توان به پارامتر­های مهمی مثل مقدار کربن، مقدار FeO موجود در سرباره، دما، مقدار آهن موجود در سطح واکنش و مکانیسم واکنش اشاره کرد.

روش تحقیق

انواع کربن مورد استفاده در جهت احیاء FeO

از  فاکتورهای  موثر در احیاء FeO، سه فاکتور زیر مورد بررسی قرار گرفته است:

- کیفیت کربن تزریق شده

- سطح واکنش بین کربن و سرباره

- مقدار FeO موجود در سرباره و خود ماهیت سرباره

در این پژوهش سرعت احیاء FeO را با زمان تزریق کربن به سرباره و آنالیز ترکیب سرباره بررسی شد.

جدول 1- فاکتورهای موثر در احیاء FeO

تعیین مقدار کربن در آنالیز ذرات آهن احیاء شده

در جایی که مقدار ذرات آهن احیاء شده کم باشد، نرخ احیاء نیز کم بوده و مقدار کک موجود در ذرات آهن افزایش می‏یابد زیرا نفوذ کربن بدون واکنش به ذرات آهن آسان بوده و با افزایش نرخ احیا نفوذ کربن نیز کاهش می‏یابد. مکانیسم تغییر شکل ذرات آهن بر اساس تغییرات غلظت عناصر Ca وMn  و  Siو  OوC وFe  که در سطح و مرکز ذرات سرباره مشاهده می‏شوند، ارزیابی می‏شود.

سیستم کنترل کربن تزریق شده به کوره قوس الکتریکی

از اندازه گیری دما و غلظت گازهای CO,CO₂ موجود در گازهای خروجی می‏توان به زمان توقف تزریق کربن و تخمین شرایط بهینه احیاء سرباره در کوره قوس الکتریکی پی برد. همچنین اندازه گیری همزمان گرادیان [%FeO] در سرباره و [%C] در فولاد مذاب می‏توان به رابطه بین مقدار کربن موجود در مذاب و غلظت گازهای CO,CO₂ موجود در گازهای خروجی رسید.

شکل 1 – شاخص اندازه گیری غلظت و دمای گازهای CO,CO₂ موجود در گازهای خروجی

رفتار کربن جامد بر انواع سرباره

سه سرباره ساختگی طبق جدول 2 با درصدهای مختلف تهیه شد و در دمای 1823° C درون بوته گرافیتی مورد بررسی قرار دادند. پس از ذوب کامل سرباره‏ها، اولین سرباره را با استفاده از لوله سیلیکاتی به بوته گرافیتی انتقال داده و تحت جو آرگون زمان واکنش را اندازه­گیری کردند. نرخ احیاء با توجه به آنالیز XRF سرباره‏ها در زمان‏های مختلف بررسی گردید.

جدول 2- ترکیب اولیه سرباره‏ها

احیاء FeO در سرباره مذاب

تاثیر کیفیت کربن بر نرخ احیاء

با توجه به نمودار 1 نرخ احیاء توسط کک A ثابت بوده و واکنش آن از نوع درجه صفر می‏باشد. این درحالی است که واکنش احیاء توسط کک B و C متغیر و از نوع درجه یک می‏باشد.

نمودار 1-رابطه بین [%FeO] موجود در سرباره و زمان تزریق کربن با تفاوت نوع کربن

تاثیر اندازه ذرات کربن بر نرخ احیاء

با توجه به نمودار 2 منحنی سطح واکنش برای کک با دانه‏های ریزتر نسبت به منحنی کک با دانه‏های درشت‏تر بزرگتر است، ولی تفاوتی بین سرعت احیاء این دو منحنی وجود ندارد. نکته سرعت احیاء بسته به زمان تزریق کربن می‏تواند تابعی خطی باشد.

نمودار 2- رابطه بین [%FeO] موجود در سرباره و زمان تزریق کربن با تفاوت اندازه ذرات کربن

تاثیر سرعت تزریق کربن بر نرخ احیاء

با توجه به نمودارهای 3 و 4، نرخ احیای FeO در سرباره مذاب با افزایش سرعت تزریق کربن افزایش می‏یابد. در این منحنی نیز می‏توان به درجه صفر بودن واکنش احیاء توسط کک A و درجه یک بودن واکنش احیاء توسط کربن B اشاره کرد.

نمودار 3- منحنی احیاء [%FeO] موجود در سرباره توسط تزریق کربن A و B با سرعت تزریق متفاوت

تاثیر ماهیت سرباره بر نرخ احیاء

با توجه به نمودار 4 نرخ احیای FeO در سرباره مذاب با افزایش مقدار آهک تزریقی افزایش می‏یابد.

نمودار 4- منحنی احیاء [%FeO] موجود در سرباره با توجه به ماهیت سرباره و افزودن مقدار متفاوت آهک

نتیجه ­گیری

• زیاد بودن مواد فرار در برخی از انواع کک باعث تولید فیلم گاز در سطح سرباره شده و افزایش نرخ احیاء FeO را به همراه دارد.
• از تغییر در ترکیب سرباره (افزایش آهک) می‏توان به بهبود نرخ احیای FeO دست یافت.
• با افزایش کشش سطحی و ویسکوزیته که نشانه افزایش بازیسیته سرباره است، نرخ احیاء FeO نیز افزایش می‏یابد.
• بیش از 80% FeO در بازیسیته 2 احیاء می‏شود و احیاء P₂O₅ پس از احیاء 60% از FeO افزایش می‏یابد.
• واکنش احیاء P₂O₅ در سطح مشترک کربن- سرباره رخ می‏دهد.
• با افزایش دما تاثیر کربن بر احیاء FeO نیز افزایش می‏یابد.