کوره بلند

[ghasem motamedi]

قسمت های اصلی کوره:
معمولا برای احیاء و تصفیه سنگ آهن از کوره بلند استفاده می گردد. این کوره از دو مخروط ناقص تشکیل شده است که در قاعده با هم مشترک می باشند. جدار خارجی کوره از صفحات فولادی درست شده و قسمت داخلی آن را با لایه ای از مواد نسوز می پوشانند. برای خنک کردن کوره معمولا از جریان آبی که در بین دیواره کوره وجود دارد استفاده می گردد. کوره های بلند را به ارتفاع 30 تا 80 متر ساخته و در بزرگترین قسمت دارای قطری از 10 تا 14 متر می باشند.
قسمت تحتانی کوره، استوانه ای شکل بوده و به نام بوته معروف است؛ که محل جمع شدن مواد مذاب و سرباره می باشد. بوته معمولا دارای دو محل خروجی می باشد که یکی در بالا برای خروج سرباره و دیگری در پایین برای خروج آهن خام مذاب در نظر گرفته شده است.
در پیرامون قسمت بالای بوته شیپورکهایی وجود دارند که از آن ها هوای گرم (در حدود 800 تا 1200 درجه سانتی گراد) مورد نیاز برای احتراق کک، به داخل کوره دمیده می شود. مخروط ناقصی که در بالای بوته قرار دارد، شکم کوره نام داشته و به منطقه ذوب نیز معروف است. مخروط فوقانی کوره را برای بارگیری در نظر می گیرند. در بالای این قسمت دهانه قیفی شکلی قرار دارد که هنگام ریختن مواد به داخل کوره، در آن باز شده و پس از تکمیل بار کوره، مجددا مسدود می گردد.
در کنار کوره بلند بالابر مایلی قرار دارد که از آن برای بالا بردن واگن های مخصوص حمل مواد کمک گرفته می شود. هر کوره معمولا 4 واحد هوا گرم کن به ضمیمه دارد که به طور متناوب برای گرم کردن هوای ورودی کوره استفاده می شوند. خود این گرم کن ها را نیز به وسیله گازهای قابل اشتعالی که از کوره بلند متصاعد می گردند و یا گاز کک سازی می توان گرم نمود.
بار کردن کوره بلند:
پس از آماده کردن سنگ آهن، کلوخه، کک و آهک، آنها را با نسبت های معینی به صورت لایه لایه از بالای کوره به داخل آن می ریزند. وجود پخش کن مخروطی شکلی که در زیر قیف وجود دارد باعث می شود که مواد به صورت یکنواخت در داخل کوره پخش شده و در آن انباشته نگردند. نسبت هر یک از مواد ریخته شده در کوره به نوع و جنس سنگ آهن، کلوخه و مواد سیاله و گداز آور بستگی دارد.
به عنوان مثال در کارخانه ذوب آهن اصفهان جهت تولید یک تن آهن خام، 599 کیلو گرم سنگ آهن، 1082 کیلوگرم کلوخه، 2/12 کیلوگرم آهک و مواد گداز آور و 495 کیلوگرم کک به داخل کوره ریخته و در هر دقیقه به طور متوسط 1600 متر مکعب هوا مورد نیاز است.
فعل و انفعالات داخل کوره بلند:
عملیات ذوب و تصفیه سنگ آهن در داخل کوره بلند در چهار منطقه به شرح زیر انجام می گیرد:
1- منطقه خشک کردن: این منطقه در قسمت بالای کوره قرار دارد. منطقه ای که درجه حرارت آن کمتر از 400 درجه سانتیگراد است. در این منطقه عبور گازهای گرم باعث افزایش درجه حرارت مواد ریخته شده به داخل کوره گردیده و رطوبت آنها را نیز تبخیر می نماید.
2- منطقه احیاء (احیاء غیر مستقیم): در این منطقه با افزایش درجه حرارت، کک و مواد سیاله و گداز آور شروع به تاثیر نموده و گاز منو اکسید کربن متصاعد شده از طریق احتراق ناقص کک، بر روی اکسید آهن اثر کرده و آن را در چند مرحله احیاء می کند.
3- منطقه کربنیزه شدن: در این منطقه که درجه حرارت آن از 900 تا 1200 درجه سانتی گراد می باشد، آهن خالصی که از احیاء سنگ آهن حاصل شده، ضمن فرود به سمت پایین کوره، با کک گداخته برخورد کرده و با کربن موجود در آن ترکیب می شود.
4- منطقه ذوب (احیاء مستقیم): در این مرحله ترکیبات ذوب شده به سمت پایین حرکت می کنند. از آن جایی تمام اکسیدهای آهن در قسمت های بالا فرصت کافی برای احیاء شدن را پیدا نمی کنند، باقیمانده آنها در این مرحله، توسط کربن جامد احیاء می گردد. این عمل در 1200 تا 1600 درجه سانتی گراد انجام می گیرد.
پس از مناطق بالا، بوته قرار دارد که مواد مذاب در آن جمع شده و اضافات آن به علت داشتن وزن مخصوص کمتر به صورت سرباره در بالای آن قرار می گیرد. حال می توان سرباره را محل خروجی که در قسمت بالای بوته قرار دارد، خارج کرده و سپس از سوراخ زیر بوته، مواد مذاب را که آهن خام نامیده می شود، خارج نمود.
عمل تخلیه آهن خام را در هر 4 تا 5 ساعت یکبار انجام داده و به همان نسبت بار کوره را از بالا به آن اضافه می نمایند. به این ترتیب کار کوره بلند مداوم بوده و در تمام 24 ساعت شبانه روز عملیات فوق در آن انجام می گیرد.

محصولات کوره بلند:
این محصولات را آهن خام می نامند. آهن خام دارای 3 تا 4 درصد کربن بوده و نقطه ذوب آن در حدود 1300 درجه سانتی گراد می باشد. این محصول را به دلیل شکنندگی زیاد و ناخالصی های فراوان نمی توان در صنعت مورد استفاده قرار داد. آهن خام به خاطر داشتن کربن زیاد قابلیت شکل پذیری، جوشکاری و چکش خواری را ندارد، بنابراین لازم است طی عملیاتی مقدار کربن آن را کاهش داده و سایر عناصر موجود در آهن خام مانند گوگرد، فسفر، سیلیسیم و منگنز را به حد قابل قبولی رساند. از کوره بلند محصولات فرعی دیگری نیز به صورت سرباره و گاز به دست می آید.
سرباره:
از ذوب اکسید ناخالصی ها و مواد گدازآور و خاکستر کک، سرباره تشکیل می گردد. معمولا حجم سرباره ای که از کوره بلند به دست می آید، سه برابر حجم آهن خام تولیدی می باشد. از سرباره کوره بلند برای تهیه آجرهای نسوز، سیمان، عایق حرارتی شبیه پشم شیشه، کود شیمیایی و زیر سازی جاده ها استفاده می کنند.
گاز کوره بلند:
این گاز مخلوطی از گازهای مختلف مانند دی اکسید کربن، منو اکسید کربن، متان، هیدروژن و ازت می باشد که در هنگام خروج از کوره بلند، ذرات معلقی نیز به همراه دارد. این گاز را پس از جدا کردن از ذرات معلق، برای مصارف حرارتی مانند گرم کردن هوا گرم کن های کوره بلند، کک سازی، کلوخه سازی، توربین های گازی، ماشین های بخار و منازل به کار می برند.
کلوخه سازی:
برای این که بتوان ذرات ریز و خاکه های سنگ آهن را بدون هیچ اشکالی در کوره ذوب و تصفیه نمود، آنها را ابتدا به صورت کلوخه در می آورند. برای این منظور قطعات کوچک و خاکه های سنگ آهن، کک و آهک را با نسبت های معینی با هم مخلوط کرده و آنها را در دستگاه کلوخه سازی حرارت می دهند. در اثر حرارت، ذرات به یکدیگر چسبیده و تشکیل کلوخه های آماده ای می دهند که می توان از آنها در کوره بلند استفاده نمود. کلوخه هایی که برای این منظور به کار می روند بایستی دارای ابعادی در حدود 5 تا 10 سانتیمتر باشند.
سوخت کوره بلند:
در کوره بلند برای ذوب و تصفیه، نیاز به سوختی وجود دارد که علاوه بر تامین حرارت لازم، بتواند کربن مورد نیاز برای احیاء اکسید آهن را نیز در اختیار بگذارد. این سوخت بایستی دارای ارزش حرارتی زیاد بوده و در ضمن سوختن به هم نچسبد و برای این که بتواند گازها را از بین خود عبور داده و عمل احتراق را تسهیل نماید، بهتر است که متخلخل نیز باشد. برای این منظور از کک استفاده می کنند که علاوه بر مزایای فوق دارای استحکام زیادی بوده و خاکستر کمی در حود 11 درصد از خود به جای می گذارد.
برای تهیه کک از زغال سنگی استفاده می کنند که دارای فسفر و مواد اضافی کمی بوده و آن را در اتاقک های مخصوصی که به نام باتری کک سازی معروفند، بدون تماس با هوا تا حدود 900 الی 1100 درجه حرارت می دهند. پس از گداخته شدن زغال سنگ، آن را با آب سرد می نمایند که در این حال زغال سنگ گداخته به کک تبدیل می شود. کک مورد استفاده در کوره بلند باید دارای اندازه هایی از 25 تا 80 میلیمتر باشد. قطعاتی که دارای اندازه بزرگتری می باشند، به دستگاه های خرد کننده هدایت شده و قطعات کوچک تر از 25 میلیمتر را برای تهیه کلوخه به کارگاه های کلوخه سازی می برند.
هنگام تهیه کک مواد فرعی دیگری نیز تهیه می شوند که عبارتند از بنزن، قطران، آمونیاک، گازهای قابل اشتعال، اسید سولفوریک، نفتالین، سولفات آمونیوم و غیره. از هر 1000 کیلوگرم زغال سنگ، 750 کیلوگرم کک، 10 کیلوگرم بنزن، 10 کیلوگرم آمونیاک، 30 کیلوگرم قطران و 300 متر مکعب گاز به دست می آید.
کک مصرفی کارخانه ذوب آهن دارای 1 درصد گوگرد، 3 درصد رطوبت، 15 درصد خاکستر و فقط 81 درصد کربن می باشد. زغال سنگ مصرفی برای تهیه کک از معادن سنگ رود، زیراب، شاهرود و کرمان استخراج و به وسیله قطار به اصفهان حمل می شود.
سیاله ها و مواد گداز آور:
موادی هستند که در کوره به جریان ذوب کمک کرده و جدا کردن ناخالصی ها از فلز مذاب را آسان می کنند. برای این منظور از آهک استفاده می گردد. آهک با ناخالصی های موجود در سنگ آهن مانند سیلیسیم، منگنز و گوگرد ترکیب شده و آنها را به صورت سرباره به سطح مذاب می راند. آهکی که برای این منظور مورد استفاده قرار می گیرد، به صورت سنگ آهک بوده و بایستی دارای ناخالصی های کمی نیز باشد.
در صورت لزوم از کوارتز و آلومین و اکسید منیزیم نیز به همراه آهک به عنوان مواد سیاله و گداز آور استفاده می گردد. سنگ آهک کارخانه اصفهان از پیر بکران اصفهان و کوارتزیت از منگستانه یزد تامین می گردد.

[ghasem motamedi]

هوای گرم شده در دمای 1200-1000 درجه سانتی گراد از هوا گرم کن ها توسط لوله اصلی وارد لوله کمربندی شده و از آنجا توسط دستگاههای دمنده وارد کوره بلند می شود. قطر داخلی لوله کمربندی که دور کوره بلند کشیده شده در بسیاری از کوره ها به 1500 میلیمتر می رسد . داخل لوله اصلی و لوله کمربندی را به وسیله آجر شاموتی می پوشانند. در فواصل معینی یک فاصله حلقوی بین درز آجرها به عرض 20تا 30 میلیمتر پیش بینی شده است . این فاصله از صدمه به پوسته لوله ها هنگام انبساط آجرها جلوگیری میکند . فاصله بین پوسته لوله و آجرها را نیز به ضخامت 10 تا 12 میلیمتر از ورقهای پنبه نسوز یا با لایه ای به ضخامت 20 میلیمتر از مخلوط پنبه نسوز و خاک نسوز پر می کنند . هوا از درون این لوله حلقوی توسط دستگاه دمنده که در بوته تعبیه شده به درون کوره فرستاده میشود. قسمت ها مختلف دمنده هوا در شکل زیر نشان داده شده است .

[ghasem motamedi]

آجر چین بین بوته و پایه را بلوک نامیده و قسمت فوقانی بلوک را کف بوته می نامند. به علت تجمع مذاب و در نتیجه سوختن کک ، دما در قسمت پائین بوته بسیار زیاد می باشد. بنابراین آجر چینی بلوک بوته و دیواره های آن از مهم ترین قسمت آجرچین کوره بلند می باشند. به علت پوشیده شدن سطح آجرچین بوسیله مذاب ، مقداری آهن وارد مفاصل بین آجرها می شود . فشار ناشی از انبساط آهن ، آجرها را خرد کرده و از آنجا که وزن مخصوص آجرها از آهن کمتر است قطعات آجر به سطح مذاب آمده و روی آن شناور می ماند. برای حفاظت آجر چینی بلوک های بوته در برابر تخریب شدید مذاب ، منطقه مرده ای بین بلوک بوته و مجرای آهن پیش بینی شده است .ارتفاع منطقه مرده از 500 تا 1000 میلیمتر تغییر می کند . طول عمر بلوک بوته 10 سال و گاهی نیز بیشتر است. فاصله زمانی بین روشن کردن کوره بلند و اولین تعمیر اساسی یا فاصله زمانی بین دو تعمیر اساسی به طول عمر بلوکهای بوته بستگی دارد. استفاده از روش های جدید که در اثر پیشرفت تکنولوژی حاصل شده است ( افزایش فشار گاز در دهانه ، افزودن اکسیژن به هوا و غیره ) شرایطی را که بلوک بوته تحت آن قرار دارد سخت تر کرده است . بنابراین امروزه بلوک بوته را از موادی از قبیل نسوزهای کربنی یا آلومینیمی که می توانند در مقابل حرارت و اثر مخرب مواد مذاب مقاومت کنند، می سازند . برای خشک کردن آجر چین بوته بین پوسته کوره بلند و بلوک بوته صفحات هوا نصب کرده اند. کف بلوک بوته را بوسیله لوله های هوا که از زیر آن می گذرد خنک می کنند. فضای بین سردکن ها و پوسته کوره بلند را به وسیله ملات شاموت – سیمان پر می کنند. فضای بین آجر چین و سرد کن ها(90 تا 120 میلیمتر) را به وسیله خمیر گرم کربن پر کرده و سپس می کوبند . وظیفه این لایه جلوگیری از ترک برداشتن پوسته در اثر انبساط آجر چین می باشد.
برای جلوگیری از اکسایش بلوکهای کربنی بوته ، بین پایه و آجر نسوز و بلوک بوته یک صفحه فلزی کار گذاشته اند. قسمت پائین بلوک بوته را با بلوک های کربنی یا گرافیکی مکعب مستطیل ساخته و در مرکز آن بلوکها را به طور عمودی و دراطراف به طور افقی کار می گذارند . حدمجاز عرض فضای بین بلوکها 5/2 میلیمتر می باشد. قسمت بالای بلوک بوته که نزدیک به دیواره می باشد را با بلوک های ذوزنقه ای می سازند . حد مجاز فضای بین این بلوک ها 2/1 میلیمتر می باشد. درزهای عمودی آجرها به صورت منکسر می باشد . آجرها را به وسیله خمیر کربن که قبلاً تا دمای 30 الی 50 درجه سانتی گراد برای افزایش حالت کشسانی گرم شده است بهم می چسباند . پس از ساختن هر لایه بایستی سطح آن را (از نظر صاف و افقی بودن )و عرض فضای بین بلوک ها را کاملاً کنترل کرده و چنانچه اشکالی نباشد می توان لایه دیگر را کار گذاشت . معمولاً سطح بالایی لایه آجرها (یا بلوکها )را به وسیله ماشین سنگ ساب ، صاف و هم سطح می کنند.
قسمت مرکز ی بلوک بوته را با بلوکهای کربنی یا آجرهای بزرگ شاموتی که دارای آلومین زیاد می باشند (al2o3 65%) می سازند . اگر قسمت مرکزی بلوک بوته را با بلوکها بسازند دراین صورت آنها را افقی قرار می دهند و چنانچه با آجرهای بزرگ بسازند آجرها را عمودی قرار می دهند. آجرهای بوته با آلومین زیاد را با لایه ای از ملات نازک بهم می چسبانند. آجرها را در لایه های افقی کار می گذارند تا درزها به صورت خط منکسر در آیند به گونه ای که لایه بالایی به اندازه 20° 30 نسبت به پائین دوران داشته باشد. زاویه بین درزهای لایه بالایی بلوک بوته و محور مجرای آهن بایستی 45° باشد. فضای خالی باقیمانده بین بلوک های کربنی و آجرهای با آلومین زیاد را که به عنوان پوشش کوره بلند بکار رفته اند بوسیله خمیر کربن پر می کنند.
ابعاد آجرهایی که برای بوته استفاده می شود ، 400×200×100 میلیمتر می باشد . بلوک های بوته کوره بلندی که حجمش به بیش از1000 متر مکعب برسد از 14-10 لایه تشکیل شده است . خمیر کربنی که برای پر کردن فضای بین آجر چین و سردکن ها استفاده می شود از دانه های ریز کک و کمی قیر تشکیل شده که پس از کوبیدن به صورت لایه جامد و دیر گداز بسیار مطلوبی در می آید.
الف)آجر چین و اسکلت بوته : وقتیکه در بوته کوره بلند در به حداکثر خود رسید ، مذاب بصورت قطراتی بدون آن چکیده می شود. دیواره قسمتهای پایینی بوته کوره بلند همواره بوسیله آهن خام و سرباره که دارای دمای زیاد است پوشیده شده است . آجر چین قسمت بالایی بوته ( در منطقه احتراق کک) نه فقط به وسیله سرباره و مذاب ، بلکه توسط گازهای گرمی که از اکسایش کک ایجاد می شوند فرسوده می شوند. بدین جهت آجر چین را بطور موثری بوسیله دستگاههای سرد کن صفحه ای سرد می کنند. صفحات بین سردکن 120-70 میلیمتر می باشدکه با دقت زیادی بوسیله خمیر کربنی پر شده است . این لایه کربنی که وضعیت حرارتی کوره ها را دراین قسمت حفظ می کند از نفوذ گازها جلوگیری می کند. به علاوه خمیر کربنی از ترک خوردن پوسته کوره بلند در اثر انبساط نسوزها جلوگیری می کند . در بوته مجرائی که از آن آهن خام و مجرائی که از آن سرباره عبور می کند و دستگاه های دم برای دمیدن هوا به درون کوره قرار دارد . کیفیت نسوزهای بوته باید عالی بوده و دقت در آجر چینی آن نیز باید خیلی زیاد باشد. در کوره های بلند امروزی قسمت پائین بوته را با بلوک های کربنی آجرچینی کرده و قسمت بالای آن را با آجر های بزرگ شاموتی آلومین دار اجرچینی می کنند.
ضخامت درزهای عمودی وافقی کمتر از 0.5 میلیمتر بوده و حد مجاز درزهای حلقوی 1.5 میلیمتر می باشد.آجرها بوسیله ملات خاک نسوز شاموت به هم چسبیده می شوند . بایستی دقت نمود که بند درزها در یک ردیف نبوده و آجرها کاملاً بهم چسبیده باشند. به علت دقیق نبودن اندازه آجرها ، ممکن است سطح آجرچین ناهموار باشد . این ناهمواری را باید هنگام آجرچینی بوسیله ماشین های پرداخت کننده رفع نمود.