چکیده

می‌دانیم که انحلال گازها در ذوب فولاد با کاهش فشار محیط و کاهش فشار جزیی گاز در حضور یک گاز بی‌اثر کاهش می‌یابد از طرفی قلیان واختشاش ناشی از دمش گاز خنثی تخت خلاء باعث حذف اغلب ناخالصی‌های بین فلزی وسرباره محلول می‌گردد  یکی از روش‌های گاز زدایی انجام عملیات گاز زدایی تحت خلاء VD  می‌باشد  در این فرآیند پاتیل حمل فولا دمذاب درون یک محفظه قرار می‌گیرد و کل محفظه تحت اتمسفر خلاء قرار می‌گیرد و از طرف دیگر گاز خنثی آرگون از طریق چشمه‌های دمش گاز به درون مذاب دمیده می‌گردد.

در پژوهش انجام گرفته کلیه تجهیزات فرآیند شامل سیستم خلاء ساز از جمله اجکتورهای بخار و محفظه وسایــر تجهیزات مورد نیاز طراحی و ساخته شد وجهت گـاززدایی پاتیل های حمل فولاد به ظرفیت 130 تن در کارخانه ذوب آهن اصفهان مورد استفاده قرارگرفت

• رضا سنگری 
• زهره سلیمانی پور
• محمد حسین پاک سا 

 مقدمه :

پیشرفت دانش بشری و فن آوری لزوم دستیابی به مواد با کیفیت بالاتر و قابلیت های بهتر را در پی داشته است اولین مطالعات اولیه در مورد متالورژی تحت خلاء مربوط به سال 1886 می باشد ولی اولین طرح گاز زدایی پاتیل در سال 1914 جهت عملیات 12.5 Ton  فولاد مذاب با خلاء ½ atm توسط Baradue – Muller انجام پذیرفت . پس از جنگ جهانی دوم با پیشرفت در مهندسی خلاء و ساخت پمپ های جدید دستیابی به خلاء لازم ایده ال ممکن شد و اولین واحد گاز زدایی پاتیل 16 Ton در سال 1955در روسیه به کار افتاد و طی مدت 10 سال200 واحد گاز زدایی در دنیا راه اندازی شد .

اهداف اصلی از انجام گاز زدایی همراه با سایر روش های متالورژی ثانویه عبارتند از :

1 – هموژن کردن ترکیب شیمیایی و درجه حرارت مذاب فولاد .

2- جداسازی و شناور نمودن اخالها غیر فلزی وسرباره محلول از فولاد مذاب.

3- افزایش راندمان تولیدی واحد فولاد سازی (کوره ها به عنوان ماشین ذوب عمل کرده و در واحد های متالورژی ثانویه آلیاژی سازی وفراوری مذاب صورت می گیرد و همچنین حفظ و نگهداری فولاد مذاب تا زمان ریخته گری)

4- الیاژسازی و اصلاح ترکیب شیمیایی

5- عملیات نهایی فسفر زدایی

6- عملیات نهایی گوگرد زدایی

7- خارج سازی گازهای محلول در مذاب فولاد

8- تولید فولادهای کم کربن ، فوق کم کربن والیاژی

9 – افزایش ارزش افزوده فولاد تولیدی

امروزه انواع متفاوتی از فرایند های گاز زدایی تحت خلاء ابداع شده و توسعه یافته اند این مکانیزم ها شامل :

1- دمش گــاز خنثی از طریق لانس دمش یا منافذ کف پاتیل تحت خـلاء درون تا نک خلاء ویا د ر پاتیل  (Purging gas)  

2- گاز زدایی تحت خلاء توسط به هم زدن تخت جریان القایی ( Induction Stirring)

3- گاز زدایی پاتیل به پاتیل (Ladle To Ladle)

4- گاز زدایی در حین تخلیه مذاب ( Top degassing)

5- گاز زدایی در حین ریخته گری درون قالب (Ladle to Mould)

6- گاز زدایی در حین ریخته گری درون مجموعه قالب ها (Ladle to Mltiple Mould)

7- گاز زدایی دو مرحله أی (Tow-stage  Treatment )

8- گاز زدایی در حین بالا کشیده شدن مذاب توسط خلاء (فرایند D-H) ( Vacuum Lift)

9- گاز زدایی در حین بالا کشیده شدن مذاب توسط خلاء و چرخش مذاب توسط دمش گاز خنثی (فرایند R-H) (Circulation by Gas Lift)

10 گاز زدایی در قالب شمش (Ingit degassing)

11- گــاز زدایی در حین بالا کشیده شدن مذاب توسط خـلاء و چرخش مذاب توسط جــریان القایی Combination  process))

12- گاز زدایی توسط فرایند مرکب (Combination process)

13- گــاز زدایی تحت خـلاء همراه با چرخش مذاب توسط جــریان القایی و گـــرم شد ن توسط قوس الکتـریکی  ( Arc heating)

14- عملیات گاز زدایی با فرایند R-H درون کوره ( Treatment in Furnace)

شکل 1- فرایند های مختلف گاز زدایی تحت خلاء را نشان می دهد . 

روش تحقیق :

ترمودینامیک گاز زدایی تحت خلاء:

یکی از فرایند های گاززادیی تحت خلاء کاهش فشار جزیی گازهای محلول در مذاب به منظور تقلیل حبابهای گازی فولادی می باشد در طول انجماد دندریت های فلزی غنی از گاز ایجاد می شوند که موجب تشکیل حباب گاز می گردد. مقدار گاز ایجاد شده برای هر یک از عناصر از رابطه (1) به دست می آید .

که در آن F کسری از مذاب منجمد شده

X_s مقدار اولیه عنصر گازی در مذاب

X_f مقدار نهایی عنصر گازی در مذاب می باشد

می دانیم که میزان انحلال گازهای هیدروژن ، نیتروژن و اکسیژن به فشار جزیی بستگی دارد و این گازها به صورت اتمی در مذاب فولاد حل می شوند .

(2)

 لذا با کاهش فشار جزیی هر یک از گازهای محلول از طریق کاهش فشار محیط میزان انحلال آنها نیز کاهش می یابد .

(3)                                                                                                               

‌که مقدار نسبی آن برای هیدروژن  و نیتروژن  می‌باشد.

نمودار های 1و2و3 مقادیر گازهای هیدروژن ، نیدروژن و اکسیژن را براساس فشار محیط و ارتفاع هر مذاب در دمای 1540 C^o-1600 C^o نشان می دهد  همچنین حذف گاز اکسیژن از طریق ترکیب آن با سایر عناصر امکان پذیر است .برای مثال حذف همزمان اکسیژن و کربن را در نظر می گیریم .نمودارهای اثر کاهش جزیی CO بر حذف اکسیژن و کربن را نشان می دهد .                                                                               

(4)           

                                                                      (5)         

که با کاهش فشار Co محیط مقدار اکسیژن و کربن هر دو کاهش می یابد این موضوع در رابطه با حذف سایر عناصر در اثر کاهش مقدار اکسیژن نیز صادق می باشد (6)                                                                            

 

در هر حال باید بر تاثیر متقابل عناصر بر یکدیگر در حذف اکسیژن نیز توجه نمود .نمودار 5 تاثیر عناصر الیاژی بر مقدار اکسیژن در دمای 1600^Co را نشان می دهد .نمودار 6و7و8 اثر مقدار عناصر الیاژی بر ضریب اکتیویته گازهای هیدروژن و نیتروژن و اکسیژن و عنصر کربن را نشان می دهد

سینتیک گاز زدایی تحت خلاء:

– اثر عوامل فعال کننده سطح :

– انتقال جرم بین فولاد مذاب وحباب های فعال شده از فرمول زیر تبعیت می کند.

(11)                                                                                      

که در ان : Km ضریب انتقال جرم

de قطر حباب کروی شکل

D ضریب نفوذ در مذاب

g ثابت جذب می باشد

– واکنش بین مواد نسوز وعناصر محلول موجب تسریع در حذف گازها می شود .

– رابط بین تنش سطحی وفشار اضافی درون حباب : با افزایش یک دهم درصد از عناصر نیتروژن ، اکسیژن وگوگرد تنش سطحی فولاد مذاب از مقدار 1850  dynes/Cm به ترتیب به 1200,1250,1700 کاهش می یابد .

– تبخیر شدن فلزات در فشار خیلی کم (Cu,Cr,Mn ) موجب افزایش سرعت حذف اکسیژن از طریق واکش اکسیداسیون فلز می گردد .این موضوع در رابطه با حذف هیدروژن ، نیتروژن ومنواکسید کربن نیز صادق می باشد .

جدول 1- مقادیر عوامل موثر بر سینیتک گاززدایی رانشان می دهد .

در هر حال افزایش تلاطم مذاب موجب حذف سریعتر گازهای محلول می گردد  .این عمل توسط دمش گاز خنثی آرگون ویا به هم زدن توسط جریان القایی صورت می پذیرد ]2[

نتایج بحث :

سیستم گاز زدایی تحت خلاء از نوع تانک خلاء یکی از مکانیزم های متداول در تولید فولادهای کیفی می باشد که در آن پاتیل حاوی فولاد مذاب درون یک محفظه (تانک خلاء) قرار می گیرد .در این هنگام از طریق منافذ کف پاتیل گاز خنثی درون پاتیل دمیده شده وهم زمان محفظه تحت خلاء قرار می گیرد .در حین عملیات در اثر کاهش فشار جزیی گازهای محلول و تلاطم مذاب گاز زدایی انجام شده وسرباره های محلول وآخال غیر اکسیدی شناور می گردند .نمودار 9 تغییرات پارامترهای مختلف حین عملیات ( Vacuum degasing) را نشان می دهد .سیستم خلاء- ساز معمولاً از پمپ های خلاء واجکتورهای بخار تشکیل یافته است .

جدول 2 میزان گازهای حلال در مذاب فولاد و میزان تقلیل آن را طی فرایند گاز زدایی نشان می دهد .

به منظور و تکمیل زنجیره فرایند تولید فولاد کیفی و تنوع محصولات ذوب آهن اصفهان طرح ایجاد یک واحد گاز زدایی فولاد از نوع تانک خلاء با اجکتور بخار مطرح گردید که توسط شرکت فولاد سایا طراحی های مربوط به آن انجام گرفته وبا همکاری واحدهای اجرایی ذوب آهن و شرکت های اقماری تکادو کار ساخت و نصب تجهیزات شکل گرفت .

مشخصات سیستم گاز زدایی ساخته شده به قرار زیر است :

– ظرفیت عملیاتی : گاز زدایی پاتیل 130 ton فولاد (در یک سیکل  کاری تولید 150000 تن فولاد کیفی در سال )

– قطر تانک خلاء : 7.5 متر

– زمان انجام عملیات : 20 دقیقه

– زمان رسیدن به خلاء : 6  دقیقه

– مقدار خلاء ایجاد شده : 1  تور

– مقدار بخار مصرفی : 20 تن بر ساعت با دمای 185 ^Co و فشار 10 بار

– مقدار اب خنک کننده : 600 تن بر ساعت با دمای 17^Co و فشار 2 بار

– سیستم خلاء ساز : شامل 7 اجکتور بخار می باشد که در پنج مرحله عملیات خلاء سازی را انجام می دهند که به صورت سری به دنبال هم استقرار یافته اند همراه با2 کندانسورویک چاه گرم( Hot well )  .

– حجم فعالیت های انجام شده : علاوه بر نصب تجهیزات جنبی و اتوماسیون و برق رسانی حدود 300 تن تجهیزات فلزی و200 تن نسوز به کار رفته است و میزان 140000 نفر ساعت عملیات اجرایی و11600 نفر ساعت فعالیت های طراحی در پی داشته است .]3[

زمان انجام فعالیت ها :  مطالعات اولیه و پیش طرح ها هر پنج ماه عملیات اجرایی ساخت و نصب و راه اندازی 10 ماه

هزینه اجرای طرح :

معادل یک دهم طرح مشابه خارجی که همراه با 5میلیون دلار صرفه جویی ا رزی بوده است.

جدول 3 –میزان تقلیل گازهای طی فرایند VD برروی نمونه ها را نشان می دهد 

نتیجه گیری :

– به کار گیری تجهیزات گاز زدایی تحت خلاء تکمیل کننده زنجره تولید کیفی می باشد

– با توجه به افزایش تقاضا جهت فولاد های کیفی واحد های گاز زدایی تحت خلاء توسعه و بهبود پیدا کرده اند .

– استفاده از سیستم های گاز زدایی تحت خلاء امکان تولید محصولات جدید و مرغوب تر و امکان صادرات با ارزش افزوده بالاتر را به وجود می آورد .

– فن آوری طراحی و ساخت تجهیزات گاز زدایی تحت خلاء متناسب با ظرفیت های تولیدی مختلف فولاد در کشور وجود دارد .

تشکر وقدر دانی:

از همکاریهای صمیما نه و بی دریغ مدیریت وپرسنل شرکت سایا و معاونت بهره برداری و مدیریت فولاد سازی و مدیریت هدایت فنی ذوب آهن اصفهان تشکر و قدر دا نی میگردد.

مراجع:

1. 1-     ^»Secondary steelmaking^« London 1977  The Metals society 
2. ^»Vacuum degassing of steel^«London 1965The Iron and steel Institute Special ReportNinetyTwo

3-محمد حسین پاک سا ^« طراحی ایستگاه گاز زدایی و تصفیه فولاد در خلاء^» 1378شرکت سایا

جدول 1- مقادیر عوامل اثر بر سینتیک گاز زدایی فولاد را نشان می دهد .

150*10-5 7-8*10-5 7-8*10-5 4*10-5	H C O,N Mn,S,Si	Cm 2 s –1 (1550 oC )ضریب نفوذ
1537oC 1600oC	6.6 6.3	CP ویسکوزیته
1537oC 1600oC	7.23 7.16	g cm –3  دانسیته
at1550oC  pure Fe at1550oC  steels	1853 1200	dynes cm –1   تنش سطحی

جدول 2- میزان گازهای محلول در مذاب فولاد و میزان تقلیل آنها را طی فرایند گاز زدایی نشان می دهد

مقدار نهایی PPM	مقدار اولیه PPM	عنصر
1-2	4-8	هیدروژن
20-30	40-60	نیتروژن در فولاد جوشان
50-60	50-60	نیتروژن در فولاد آرام
20-50	100-200	اکسیژن در فولاد جوشان
10-60	20-60	اکسیژن در فولاد ارام

جدول 3- میزان تقلیل گازها طی فرایند گاز زدایی برروی نمونه

فشار نهایی	فشار اولیه	مقدار نهایی	مقدار اولیه	عنصر
2 .3 Torr	1 atm	3	9	هیدروژن
2 .3 Torr	1 atm	15	60	اکسیژن
2 .3 Torr	1 atm	38	40	نیتروژن

نمودارهای 1و2و3 مقادیر گازهای هیدروژن و نیتروژن و اکسیژن را بر اساس فشار محیط و ارتفاع هد مذاب رانشان می دهد

نمودار 4 – اثر کاهش فشار جزیی CO بر حذف اکسیژن و کربن را نشان می دهد

نمودار 5- تاثیر عناصر الیاژی بر مقدار اکسیژن در دمای 1600^Co را نشان می دهد

نمودارهای 6و7و8اثر مقدار عناصر آلیاژی بر ضریب اکتیوینه گازهای هیدروژن و نیتروژن و اکسیژن را نشان می دهد

نمودار 9- تغییرات پارامترها مختلف حین عملیات گاز زدایی را نشان می دهد

شکل 1- فرایند های گاز زدایی تحت خلاء

شکل 2 – طرح سیستم گاز زدایی تحت خلاء را نشان می دهد

شکل 3- تصویر واحد نصب شده گاز زدایی تحت خلاء را نشان می دهد