کوره قوس الکتریکی یا کوره EAF

 کوره قوس الکتریکی (Electric Arc Furnace)  یک محفظه بسته بسیار داغ است که به وسیله آن، تولید فولاد انجام می‌پذیرد. درتولید فولاد با این روش حرارت به وسیله الکترودهایی که برای ذوب کردن مواد به کار می‌روند، تولید می‌شود (بدون این که خواص الکتروشیمیایی ماده دچار تغییر شود). قوس الکتریکی ایجادشده بین الکترودها و فلز در این کوره برای ذوب کردن ضایعات فلز مورد استفاده قرار خواهند گرفت.

تولید فولاد با کوره قوس الکتریکی

تولید فولاد با کوره قوس الکتریکی

حدود یک چهارم فولاد جهان به روش  کوره قوس الکتریکی که به اختصار قوس الکتریکی نیر نامیده می‌شود، تولید می‌گردد. در تولید فولاد با این روش از کوره‌های الکتریکی با جریان بالا برای ذوب ضایعات فولاد و تبدیل آن به فولاد مذاب با دما و ترکیب شیمیایی مشخص استفاده می‌کنند. گرمادهی خارجی کوره، کنترل حرارت بهتری را نسبت به فرآیند اکسیژن پایه که در آن حرارت‌دهی توسط اکسیداسیون گرمازای عناصر درون شارژ کوره انجام می‌شود فراهم می‌کند.

این باعث می‌شود امکان افزودن مقدار بیشتری آلیاژ نسبت به تولید فولاد به روش اکسیژن پایه وجود داشته باشد. اما تولید فولاد به روش قوس الکتریکی به اندازه فرآیند اکسیژن پایه، اکسیدکننده نبوده و اختلاط سرباره کوره قوس الکتریکی و فلز به شدت روش اکسیژن پایه نیست؛ بنابراین معمولا درصد کربن فولادهای قوس الکتریک بیش از 0.005 درصد است.

متالورژی فرآیند کوره EAF

در فرآیند تولید فولاد به روش قوس الکتریکی یا همان  فرآیند کوره EAF همان طور که از نام آن نیز مشخص است، از یک کوره برای ذوب کردن فولاد استفاده می‌شود. این فرآیند یک روش تولید انبوه فولاد است که خروجی آن دسته‌های فولاد مذاب به اسم هیت (heat) است.

 فرآیند کوره  قوس الکتریکی

 سیکل فرآیند کوره قوس الکتریکی، سیکل tap-to-tap نامیده شده و از مراحل زیر تشکیل می‌شود:

1. شارژ کوره
2. ذوب
3. بازیابی
4. سرباره زدایی
5. چرخش کوره

سیکل فرآیند تولید فولاد با این نوع از کوره‌ها، غالبا کمتر از 60 دقیقه به طول می‌انجامد؛ برخی کوره‌های دوجداره قادر هستند طول سیکل این فرایند را به حدود 40-30 دقیقه کاهش دهند.

فولاد زنگ نزن و فولاد گرمکار 1.2344 از فولادهایی هستند که با کوره eaf می‌توانند تولید شوند.

انواع کوره قوس الکتریکی

انواع کوره قوس الکتریکی

انواع کوره‌های قوس الکتریکی شامل دو دسته اصلی می‌شوند که شامل:

1. کوره قوس الکتریک DC
2.  کوره قوس الکتریک AC

کوره قوس الکتریک DC

این نوع کوره در واقع نمونه پیشرفته تر کوره نوع AC است. سیستم کوره  DC تنها یک الکترود گرافیت دارد و دیگر الکترودها در ته کوره جاسازی می‌شوند. در کوره نوع DC، جریان از سمت کاتد به آند حرکت می‌کند.

مزایای کوره نوع DC

• در کوره قوس الکتریکی DC، کاهش مصرف الکترود حدود 50% است.
• عمر کوره افزایش می‌یابد.
• کاهش مصرف برق کوره  تا 10%-5%

کوره قوس الکتریک AC

در فرآیند کوره قوس الکتریک نوع AC، سه الکترود گرافیت مورد استفاده قرار می‌گیرند که به عنوان کاتد عمل کرده و ضایعات نیز خود به عنوان آند عمل می‌کنند. در ادامه به جزئیات این فرآیند پرداخته شده است.

اجزای کوره قوس الکتریکی

اجزای کوره قوس الکتریکی

اصلی‌ترین اجزای کوره قوس الکتریکی شامل سقف، اجاق یا آتش‌دان (قسمت پایینی کوره، جایی که فلز مذاب تجمع می‌کند)، الکترودها و دیواره‌های جانبی می‌شود. سقف کوره شامل سه حفره می‌باشد که الکترودها از این طریق وارد آن می‌شوند. قسمت آتشدان شامل فلز و سرباره است.پیش از آن‌که آهن خالص خارج شود از مکانیزم شیب‌‌دار کردن برای ریختن سرباره کوره از محفظه به بیرون استفاده می‌شود.

3 الکترود گرافیتی در کوره نوع AC، از لحاظ شکل، دارای سطح مقطع‌های دایره‌ای هستند. به دلیل رسانایی الکتریکی بالا، از گرافیت به عنوان الکترود استفاده می‌شود. سیستم موقعیت‌یابی الکترودها به بالا و پایین رفتن اتوماتیک الکترودها کمک می‌کند و زمانی که دانسیته جریان بالاست، اکترودها به شدت اکسید می‌گردند.

عملکرد  کوره قوس الکتریک 

هنگامی که منبع تغذیه به کاتد و آند متصل می‌شود، یون‌ها به طور هم‌زمان از سمت کاتد به آند و از آند به کاتد شروع به جابه‌جایی می‌کنند و به این شکل، حرارت تولید می‌شود. حرارت حاصل از قوس الکتریکی می‌تواند آهن خام و ضایعات را ذوب کند.

به دلیل برخورد یون‌ها با هم در حین جابه‌جایی بین کاتد و آند، جرقه ایجاد می‌شود. از جرقه تولیدی برای ذوب کردن سریع فلز استفاده می‌شود. پس از آن‌که قوس الکتریکی ایجاد گردید، الکترودها آن را تشدید نموده و در نتیجه ولتاژ افزایش یافته و فرآیند ذوب را تسریع می‌بخشد.در طول ذوب، ناخالصی‌های موجود در حوضچه مذاب، به صورت سرباره بر روی سطح انباشت می‌شوند. باقی ناخالصی‌ها از محفظه خارج می‌شوند. در این فرآیند، کربن، سیلیکون و منگنز اکسید می‌شوند.

اکسیدهای منگنز و سیلیکون با هم واکنش داده و سرباره کوره قوس الکتریکی را تولید می‌کنند و کربن با اکسیژن واکنش داده و تولید کربن مونواکسید (CO) می‌کند. مونواکسید کربن، خود درون محفظه می‌سوزد.

سرباره تشکیل‌شده با کج‌کردن محفظه به یک سمت، از ظرف خارج شده و باقی مواد، خالص‌ترین شکل فولاد است که باید از محفظه خارج شود.

بنابراین، با استفاده از کوره نوع AC، می‌توانیم خالص‌ترین شکل فولاد را به دست آوریم.

شارژ کوره قوس الکتریکی

شارژ کوره قوس الکتریکی

ماده اصلی شارژ کوره قوس، ضایعات فولاد است 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 می‌شود که درصد کل عناصر پسماند یا باقی مانده (مس، کروم، نیکل، مولیبدن و قلع) در آن باید حداکثر 0.2 درصد باشد.

اغلب این پسماندها در ضایعات وجود دارند و به جای این که حین تولید فولاد، اکسید شوند تجمع می‌کنند و در ضایعات بازیافت‌شده افزایش می‌یابند. در چنین مواردی، برخی فروشنده‌ها ضایعات قراضه خود را با آهن مستقیما احیاشده یا آهن کوره بلند سرد که حاوی پسماند نیستند، تکمیل می‌کنند. عموما، مقادیربیشنر کربن، نیتروژن و پسماندها باعث می‌شود فرآیند قوس الکتریک برای تولید فولادهای کم کربن و نرم، چندان متداول نباشد. اغلب فروشندگان ضایعات فولاد ضدزنگ، گریدهای مختلف آن را از هم جدا نگه می‌دارند.

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

مزایا و معایب کوره قوس الکتریکی

مزایای این کوره‌ها عبارت‌اند از:

• فرآیند کوره قوس الکتریکی از فرآیندهای سنتی تولید فولاد همچون تولید فولاد از کانی‌های معدنی بهتر است.
• با استفاده ازکوره eaf، می‌توان از ضایعات، فولاد خالص به دست آورد.

معایب:

• سرباره کوره قوس الکتریکی بالاست
• هزینه‌های حمل و نقل به علت وزن بالای ضایعات، بالا می‌باشد.
• هزینه نگهداری کوره قوس، با توجه به متغیربودن کیفیت بار ورودی کوره و لزوم بررسی مکرر سیستم برق کوره، بالا می‌باشد.

تفاوت کوره کوره القایی و قوس الکتریکی

کوره eaf

1. حرارت‌دهی کوره القایی از کوره EAF سریع‌تر است؛ حرارت، درون شارژ کوره (فولاد مذاب) تولید می‌شود. و پس از ذوب شارژ کوره، حرارت قوس باید از طریق سرباره به فولاد مذاب منتقل شود. به علاوه، کوره به شکل یک حوضچه است و بخش زیادی از گرمای قوس در روش قوس الکتریکی از طریق محافظ و دیواره‌های کوره اتلاف می‌شود.
2. ظرفیت حذف سولفور، فسفر و اکسیدزدایی کوره EAF  از کوره القایی بیشتر است. سرباره کوره القایی، سرد و سرباره کوره قوس الکتریک، گرم است. همچنین مقدار نیتروژن موجود در کوره الکتریکی از کوره القایی بیشتر است.
3. نرخ بازیابی عناصر آلیاژی ذوب شده توسط کوره القایی بیشتر از کوره قوس است زیرا عناصر فرار و اتلاف از طریق اکسیداسیون تحت دمای بالا در کوره قوس زیاد است.
4. تولید فولاد با روش قوس الکتریک با الزامات حفاظت از محیط زیست بیشتر همخوانی دارد؛ در حالی که تولید فولاد به روش کوره القایی اتلاف گاز، پسماند، سر و صدا و مصرف انرژی بیشتری خواهد داشت.
5. در کوره القایی از جریان القا برای ذوب فلز استفاده می‌شود و عنصر کربن افزایش نمی‌یابد. اما در کوره قوس، از الکترود گرافیت برای برای ذوب فلز استفاده می‌گردد. در نتیجه الکترود گرافیت در فولاد مذاب، مصرف شده و میزان کربن را افزایش خواهد داد.
6. کوره القایی از نظر هم‌زن الکترومغناطیسی بر کوره قوس الکتریک برتری دارد.
7. ذوب در کوره القایی نسبت به کوره قوس الکتریک، با کنترل بهتری بر دما، زمان و شدت هم زدن انجام می‌شود.
8. سایز کوره القایی کوچک است و برای شرکت‌های کوچک و متوسط تولید فولاد مناسب است. کوره قوس الکتریک، ظرفیت و بازدهی تولیدی زیادی داشته و ابعاد آن بزرگ می‌باشد.

کوره قوس الکتریکی فروسیلیس

فروسیلیس از جمله پرمصرف­ ترین مواد آلیاژی در صنعت ذوب و متالورژی است که از ترکیب آهن و سیلیکون بدست می‌آید. فروسیلیس­‌ها بر مبنای میزان خلوص سیلیکون و درصد ناخالصی آلومینیوم دسته‌­بندی می‌­شوند که بر این اساس بین 70 تا 75 درصد سیلیکون و از 5_/1 تا بیش از 2 درصد آلومینیوم دارند. فروسیلیس با خلوص ۷۵ درصد دارای دمای ذوب ۱۲۵۰ تا ۱۳۰۰ درجه سانتیگراد و چگالی g/cm³ 8_/2 است. امکان تولید این ماده با کوره قوس الکتریکی فرو سیلیس امکان پذیرخواهد بود.

کاربردهای فروسیلیس

• فروسیلیس جهت اکسیداسیون در ذوب فولاد برای حذف اکسیژن در داخل مذاب و جلوگیری از کربن سوزی استفاده می­‌شود.
• فروسلیس به عنوان یک جوانه‌­زای مؤثر در داخل مذاب استفاده می­شود.
• افزایش مقاومت به اکسیداسیون در دمای بالا (اکثر فولادهای زنگ نزن فریتی و آستنیتی ۱% سیلیکون دارند. گرید ۳۱۴ به میزان ۲% سیلیکون در ترکیب خود دارد).
• تقویت استحکام فولاد از طریق تشکیل محلول جامد توسط سیلیکون.
• سیلیکون موجود در فروسیلیس در تولید فولادهای الکتریکی به کار برده می‌­شود که در ترانسفورماتورها، موتورهای الکتریکی و ژنراتورها استفاده می‌­شوند.

تولید دیگر فروآلیاژها مانند فروسیلیکون منیزیم.

قیمت کوره قوس الکتریکی

قیمت کوره قوس الکتریکی به عواملی مختلفی بستگی دارد. قیمت این نوع از کوره‌ها بسته به نوع کوره، فرایند، مصرف انرژی و همچنین کشور سازنده آن متفاوت بوده و  می‌تواند مقادیر متفاوتی داشته باشد.

Electric Arc Furnace