کاربرد دیرگدازها در صنعت آهن و فولاد

کاربرد دیرگدازها در صنعت آهن و فولاد

تولید فولاد خام تاریخچه‌ای داشته است که به طور قابل توجهی به دیرگدازها نیاز داشته است تا در وسایل فلزی متالورژیکی پوشش داده شوند. اکنون باید آنها را به عنوان بخشی جدایی‌ناپذیر از فرآیند متالورژیکی در نظر گرفت، اگرچه کاربرد دیرگدازها در گذشته تقریباً کاملاً محدود به حفاظت از قالب­های فولادی بوده است.

تأثیر کاربرد دیرگدازها در صنایع مختلف فولادی

تکنولوژی دیرگدازهای مدرن و علی­الخصوص کاربرد دیرگدازها دیگر براساس خصوصیات ذاتی مواد، نیست. آن به یک حوزه فناوری تبدیل شده است که شامل مهندسی حرارتی، روش‌های کنترل، طراحی کوره، نصب لاینر و عملیات کوره می‌شود. توسعه فناوری مقاوم و تأمین کنندگان دیرگدازها همزمان با بهبود فناوری تولید فولاد و آهن انجام شده است.

اگرچه توانایی حفظ مواد در دماهای بالا به عنوان اصلی ترین کاربرد دیرگدازها شناخته می‌شود، اما مقاوم‌ها از یک کلاس بزرگی از مواد تشکیل شده‌اند که این خاصیت در آنها درجات مختلفی تحت شرایط زمان و استفاده متفاوت است. ترکیبات دیرگدازها در انواع گوناگونی و در اشکال و فرم‌های مختلف تولید می‌شوند و برای کاربردهای متعددی بهبود یافته‌اند. همه آنها در حین استفاده در دماهای بالاتر از ۱۰۰۰ درجه فارنهایت (۵۳۸ درجه سانتیگراد) قرار می‌گیرند.

دیرگدازها به دو گروه تقسیم می‌شوند:

دیرگدازهای جرمی و دیرگدازهای شکل‌دار (ویژه)

این آجرها با استفاده از این نوع مواد، مواد ویژه مانند پلاستیک، کنستابل، مخلوط‌های گانینگ یا رمینگ یا ترکیبی از این دو، لایه‌های مقاوم را ایجاد می‌کنند.

دیرگدازها تأثیر قابل توجهی بر قیمت و کیفیت محصولات فولاد دارند. در سال‌های اخیر، به دلیل تنوع محصولات فولادی و نیازهای خلوص آنها، تقاضا برای دیرگدازهای درجه بالا افزایش یافته است. برای تولید فولاد دماهای بالای ۱۶۰۰ درجه سانتیگراد لازم است. علاوه بر این، به دلیل داشتن مراحل شیمیایی واکنش‌پذیر دمای بالا در تولید فولاد، نیاز به دیرگدازها وجود دارد. کاربرد دیرگدازها زمانی عملیاتی است که مقاومت با کیفیت بالا ایجاد کند که اقتصادی‌تر باشد زیرا هزینه دیرگدازها در قیمت نهایی محصول تأثیر می‌گذارد.

هر عملیاتی که دماهای بالا را دربرگیرد باید دارای یک سیستم اطمینان صرفه‌جویی انرژی باشد. با مقدار، کیفیت و مهندسی صحیح دیرگدازها، انرژی صرفه‌جویی و جلوگیری از ضرر مالی امکان‌پذیر است.

کاربرد دیرگدازها در صنعت فولاد

دیرگدازها جهت جلوگیری از اکسیده شدن و تشکیل شیشه‌ای شدن فلزات مذاب، دیرگدازها در صنعت آهن و فولاد

 استفاده می‌شوند. این دیرگدازها اصولاً شامل زیرکونیا (ZrO2)، آلومینا (Al2O3)، سیلیکا (SiO2) و مگنزیا (MgO) می‌باشند.

کاربرد دیرگدازها مبتنی بر سیلیکا

به دلیل دمای ذوب بالا، هزینه کم، مقاومت برتر در برابر شوک حرارتی و سادگی استفاده، دیرگدازهای مبتنی بر سیلیکا به طور گسترده در صنایع آهن و فولاد استفاده می‌شوند. علاوه بر این، آنها دارای پایداری شیمیایی بالا و مقاومت در برابر خوردگی هستند. با این حال، در کاربردهایی با دماهای بالا، این دیرگدازها کارایی ندارند.

کاربرد دیرگدازها مبتنی بر آلومینا

در صنایع آهن و فولاد، دیرگدازهای مبتنی بر آلومینا به طور گسترده ای استفاده می شود. بخاطر دمای ذوب بالا، هدایت حرارتی کم و مقاومت خوب در برابر خوردگی، صنعت فلزات معدنی بسیار از دیرگدازهای مبتنی بر آلومینا استفاده می‌کند.

کاربرد دیرگدازها مبتنی بر منیزیت

در تولید آهن و فولاد که شامل آهن و فولاد کربنی است، دیرگدازهای مبتنی بر منیزیت استفاده می‌شود. ویژگی‌های ممتاز آنها شامل دمای ذوب بالا، هدایت حرارتی کم و مقاومت قوی در برابر خوردگی است.

کاربرد دیرگدازها مبتنی بر زیرکونیا

صنایع آهن، فولاد و فلزات غیرآهنی از دیرگدازهای مبتنی بر زیرکونیا استفاده می‌کنند. قدرت مکانیکی بالا، پایداری در دماهای بالا  و مقاومت بالا در برابر خوردگی از ویژگی‌های دیرگدازهای مبتنی بر زیرکونیا است.

کاربرد دیرگدازها در تاندیش

در ریخته‌گری مداوم (CCM) فولادها، تاندیش یک مخزن نسوز پوشش‌دار بافری است که بین پاتیل و قالب مسی قرار دارد. تاندیش در واثع یک مخزن توزیع است. در طول سال ها، تغییرات چشمگیری در تاندیش وجود داشته است. از یک مخزن و مخزن توزیع صرف، امروزه تاندیش به عنوان یک مخزن پالایش فولاد در نظر گرفته می شود و یک زمینه کاملاً جدید در فرآیند فن آوری فولادسازی پدید آمده است که به عنوان متالورژی تاندیش شناخته می شود. تاندیش امروزه عملکردهای متالورژیکی خاصی مانند تغذیه فولاد مذاب به قالب با سرعت کنترل شده و همگن سازی حرارتی و شیمیایی و غیره را انجام می دهد. همچنین بر بهبود مستمر بسیاری از پارامترهای مرتبط با کیفیت مانند دینامیک سیالات، عایق حرارتی، آخال تمرکز دارد. شناورسازی و حذف، و برداشت هیدروژن و غیره. کاربرد دیرگدازها مرتبط با تاندیش عبارتند از مواد پوشش تاندیش (هم آستر دائمی و هم در حال کار)، سدها و سرریزها، ایمپکت ضربه، سیستم کنترل جریان (درپوش تک بلوک یا سیستم اسلایدینگ گیت)، حفاظت جریان ریختن بین تاندیش و قالب (لئدل شرود، SEN). )، نازل تندیش و بلوک نشیمنگاهی. سدها و سرریزها از تخته های منیزیت (MgO) یا آجر آلومینا (Al2O3) ساخته می شوند. فولاد مذاب از تاندیش به قالب توسط نازل غوطه ور در فولاد مذاب در قالب تغذیه می شود. SEN باید در برابر خوردگی و پوسته شدن مقاوم باشد، گرفتگی نازل نیز مهم است. SEN فشرده ایزواستاتیک با سیلیس ذوب شده با گرافیت آلومینا معمولاً استفاده می شود.

کاربرد دیرگدازها در کوره قوس الکتریکی

دیرگدازها موادی هستند که بدون تغییر قابل توجه در خواص شیمیایی یا فیزیکی در برابر دمای بالا مقاومت می کنند. کاربرد دیرگدازها برای عملکرد کوره قوس الکتریکی (EAF) بسیار مهم هستند زیرا اجازه می‌دهند که فولاد مذاب در کوره بدون آسیب رساندن به ساختار کوره نگهداری شود. EAF به انواع محصولات نسوز نیاز دارد که مهمترین آنها آن دسته از محصولات نسوز است که در تماس مستقیم با فولاد مذاب هستند. کاربرد دیرگدازها یا به عبارتی مواد نسوز برای پوشش EAF به طراحی EAF بستگی دارد. شرایط عملیاتی نیز تأثیر زیادی بر عملکرد دیرگداز دارد. شرایط عملیاتی در EAF نیاز به دیرگدازهایی دارد که از نظر شیمیایی بازی هستند و مقاومت بسیار خوبی در برابر دمای بالا و چرخه حرارتی دارند. طراحی EAF های امروزی دارای مجرای تخلیه غیرعادی (EBT) است و این کوره ها برای پوشش خود به دیرگدازهای تخصصی نیاز دارند.

کاربرد دیرگدازها در کوره القایی بدون هسته

در کارخانه های ذوب فولاد با ظرفیت های پایین، کوره القایی به دلیل کارایی بالا، مصرف انرژی پایین، کنترل عملیاتی آسان و عملکرد خوب با انواع ضایعات فولادی، به عنوان یک واحد ذوب مناسب ترجیح داده می شود. کوره القایی یک کوره الکتریکی است که در آن گرما با گرمایش القایی یک محیط رسانا (معمولاً ضایعات فولادی) در بوته ای که در یک سیم پیچ برقی جریان متناوب خنک شده با آب قرار می گیرد، اعمال می شود. سیم پیچ القایی باید توسط مواد جداسازی به نام نسوز از فولاد مذاب محافظت شود. یک کوره القایی بدون هسته دارای یک بوته نسوز غیر رسانا است که توسط یک سیم پیچ از لوله مسی احاطه شده است.

کاربرد دیرگدازها و پوشش نسوز برای یک کوره القایی خاص به ظرفیت و طراحی کوره، عملکرد عملیاتی اتخاذ شده در طول ساخت گرما و خروجی کوره بستگی دارد. برای عملکرد موفقیت آمیز و ثابت آستر، جنبه های مهم عبارتند از (1) استفاده از درجه و کیفیت مناسب مواد آستر، (2) تمرین دقیق و سیستماتیک آستر، و (iii) سازگاری در شرایط کاری. آستر نسوز مواد مصرفی است که در حین کار کوره القایی آسیب می بیند. تعداد حرارت های آخر آستر به عنوان عمر آستر شناخته می شود. هنگامی که مقدار معینی آسیب رخ می دهد، عملیات کوره القایی باید برای تعمیر یا جایگزینی پوشش نسوز قطع شود. هر دوی این فعالیت ها زمان خاموشی کوره را افزایش می دهند.

کاربرد دیرگدازها در کوره اکسیژن پایه (BOF)

هدف از پوشش نسوز در یک کوره اکسیژن پایه (BOF) فراهم کردن حداکثر در دسترس بودن کوره در حین کار مبدل به منظور برآورده کردن نیازهای تولید و اطمینان از کمترین مصرف دیرگداز خاص است. برای دستیابی به این امر، ضروری است (1) بهینه سازی طراحی پوشش، (2) بهینه سازی شیوه های تعمیر و نگهداری پوشش، و (iii) داشتن نظم فنی خوب در طول عملیات مبدل.

کاربرد دیرگدازها از نظر سایش پوشش نسوز BOF به دلیل اثر فردی یا ترکیبی چندین عامل است که تأثیر خود را بر مکانیسم سایش دارند. این عوامل عبارتند از: (1) مدت زمان گرما تعیین کننده زمان ماندن سرباره و فلز در مبدل، (ب) خوردگی ناشی از حمله شیمیایی سرباره به دلیل ترکیب شیمیایی آن، (iii) دمای فولاد مایع و سرباره، (IV) خوردگی ناشی از حالت اکسیداسیون مذاب، (v) فرسایش ناشی از سرباره و فلز در حین دمیدن اکسیژن (O2) و در هنگام کج شدن BOF، (vi) ضربه و ساییدگی غبار و گازها، (vii) ضربه ضایعات و فلز در طول شارژ، (viii) ضربه و نفوذ جت O2، (ix) چرخه حرارتی در طول گرما، و (x) آسیب مکانیکی در طول جمجمه‌زدایی مبدل. به دلیل عملکرد متفاوت این عوامل، مناطق سایش زیادی در مبدل وجود دارد. عملکرد مبدل و همچنین پیکربندی آستر تأثیر زیادی بر طول عمر پوشش مبدل دارد. دمای ضربه زدن فولاد مایع به میزان قابل توجهی با سوپرهیت مورد نیاز برای ریخته‌گری درجه خاصی از فولاد و امکانات فولادسازی ثانویه موجود برای یک کارخانه خاص متفاوت است. وضعیت اکسیداسیون مذاب در مبدل از نظر سایش پوشش BOF بسیار مهم است و با دمای بالا تشدید می شود. شیمی سرباره از چند جهت مهم است. آجرهای کربن منیزیا (Mag-C) نسوزهای اساسی هستند که نیاز به سرباره اولیه دارند. سرباره های اساسی تشکیل شده نیز سعی می کنند تا سطح اشباع منیزیم (MgO) خود را از آجر حل کنند. اشباع معمولی MgO دوباره در حدود 8% بسته به دما و وضعیت اکسیداسیون رخ می دهد، بنابراین اگر MgO به آن اضافه نشود، معمولاً به شکل دولومیت کلسینه شده، سرباره ترجیحاً پوشش را حل می کند و در نتیجه سایش پوشش را افزایش می دهد. شیمی سرباره مجدداً به حالت اکسیداسیون و دما مربوط می شود زیرا بازی و محتوای MgO توسط سطوح بالای FeO رقیق شده و دما سرعت واکنش جنبشی را افزایش می دهد. اثرات فرسایش و سایش بسیار به شیوه های اتخاذ شده در طول فولادسازی مرتبط است.

کاربرد دیرگدازها در کوره بلند (BF)

پوشش نسوز کوره بلند

  کوره بلند (BF) برای محافظت از پوسته کوره در برابر دماهای بالا و مواد ساینده داخل کوره، روکش نسوز دارد. پوشش نسوز خنک می شود تا محافظت در برابر ارسال گرمای اضافی که می تواند پوشش نسوز را از بین ببرد، بیشتر شود. BF دارای یک سیستم نسوز پیچیده برای تأمین عمر طولانی و ایمن است که برای در دسترس بودن کوره بلند و اجازه دادن به کارکرد و ریخته‌گری تقریباً مداوم کوره ضروری است.

شرایط داخل کوره بلند بسته به منطقه بسیار متفاوت است و کاربرد دیرگدازها در معرض مکانیسم های سایش مختلفی قرار دارند. شرایط کاربرد مناطق مختلف یک کوره بلند به دلیل ماهیت هندسه آن و همچنین به دلیل وقوع فرآیند پیرومتالورژیکی در مراحل مختلف یکسان نیست. مکانیسم های سایش فیزیکی و شیمیایی متنوعی در مناطق مختلف کوره بلند وجود دارد و ماهیت آنها پیچیده است. به عنوان مثال سایش یا ساییدگی مکانیکی عمدتاً در ناحیه پشته بالایی رخ می دهد و به دلیل مناسب بودن مواد باردار و گازهای مملو از غبار ایجاد می شود. بارهای حرارتی بالا عامل اصلی در پشته پایین و نواحی شکم هستند. در ناحیه اجاق، جریان افقی و عمودی فلز داغ همراه با تنش های حرارتی اغلب کاویتاسیون نامطلوب پای فیل را تشکیل می دهد. مواد نسوز در این مناطق باید از مکانیزم های سایش مراقبت کنند تا از آسیب ناشی از آنها جلوگیری شود. بنابراین، پشته BF (بالا وسط و پایین)، شکم، بوش، ریس‌وی و ناحیه تویر، اجاق گاز، و تافول همگی بسته به شرایط کاربرد مربوطه نیاز به کیفیت متفاوتی از دیرگداز دارند.