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 می‌گیرد.

 تولید فولاد به روش کوره قوس الکتریکی

حدود یک چهارم فولاد جهان به روش  کوره قوس الکتریک  تولید می‌شود که 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 می‌کند. 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 قوس الکتریکی

در فرآیند تولید فولاد به روش قوس الکتریکی یا همان  فرآیند EAF همان طور که از نام آن نیز مشخص است، از یک کوره قوس الکتریکی 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.

 

 سیکل فرآیند 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 روش کوره قوس الکترکی، 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.

کوره قوس الکتریک چیست؟

انواع کوره قوس الکتریکی

انواع کوره‌های قوس الکتریک شامل دو دسته اصلی می‌گردند 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 نوع 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.

ساخت کوره قوس الکتریکی| ساختار 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.

فرآیند EAF

عملکرد فرآیند کوره قوس الکتریک نوع AC:

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 الکتریک

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 تولید فولاد با کوره قوس الکتریکی چیست؟

 مزایای کوره قوس الکتریکی:

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

معایب کوره قوس الکتریکی:

  • تولید سرباره در این فرآیند زیاد است
  • هزینه‌های حمل و نقل به علت وزن بالای ضایعات، بالا می‌باشد.
  • هزینه نگهداری کوره قوس الکتریک، با توجه به متغیربودن کیفیت بار ورودی کوره و لزوم بررسی مکرر سیستم برق کوره قوس الکتریکی، بالا می‌باشد.

 

تفاوت کوره القایی و کوره قوس الکتریکی

  1. حرارت‌دهی کوره القایی از کورهEAF 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 می‌شود. در نتیجه الکترود گرافیت در فولاد مذاب، مصرف شده و میزان کربن را افزایش می‌دهد.
  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.