إنتاج الحديد والصلب
غبار الفحم كوقود
لقد أصبح الحديد والصلب جزءا أساسيا من حياتنا. من السفن إلى السيارات والعديد من الأدوات المنزلية ، ليس هناك شك في أن الحديد والصلب أمران حيويان في حياتنا اليومية. ما يقرب من 64 ٪ من الفولاذ المصنع على أساس عالمي مشتق من الحديد المنتج في الأفران العالية التي تستخدم الفحم كوقود أساسي. وفي عام 2003، بلغت كمية الصلب الخام المنتجة على نطاق عالمي 965 مليون طن مع استخدام نحو 543 طناً مترياً في عملية التصنيع.
تشمل المواد الخام المستخدمة في إنتاج الحديد من الفرن العالي خام الحديد وفحم الكوك (المصنوع من فحم الكوك) وكمية صغيرة من الحجر الجيري. ومع ذلك ، تستخدم بعض الأفران العالية طرق حقن الفحم المسحوق (PCI) بحيث يتم توفير التكلفة واشتقاق أداء أفضل. تم تطوير طريقة PCI في البداية في القرن 19 ، ولكن لم يكن حتى سبعينيات القرن العشرين أن مصنعي الحديد والصلب اعتمدوا هذه التقنية على نطاق واسع. كان الارتفاع المفاجئ في تكلفة فحم الكوك ، بسبب ارتفاع الطلب العالمي بالإضافة إلى زيادة المنافسة على هذا المورد ، هو الذي دفع الشركات المصنعة إلى تحويل انتباهها نحو هذه الطريقة.
الفكرة وراء طريقة PCI بسيطة للغاية. وهو ينطوي على الهواء الأساسي ، الذي يشار إليه أيضا باسم الغاز الناقل ، الذي يحمل غبار الفحم (الفحم المسحوق) الذي يتم إدخاله من خلال رمح في tuyere (مدخل منتصف القاع للفرن العالي). في وقت لاحق ، وblowpipe في tuyere يسلم الهواء الساخن الثانوي (كما يطلق عليه الانفجار) ، ثم يمزج مع الهواء الأولي الذي كما ذكر سابقا ، ينقل غبار الفحم مسبك. يتم توجيه هذا الخليط إلى الفرن ، مما يخلق تجويفًا يشبه البالون ، والمعروف باسم ممر السباق. ينشر مجرى السباق هذا احتراق فحم الكوك والفحم ، ويسيل خام الحديد الصلب ويطلق الحديد المنصهر في هذه العملية.
عملية صب الرمل الأخضر
يصف Greensand صب القوالب التي لا خبز ولا المجففة ولكن تمتلك رطوبة متأصلة. تتم معالجة الخام في شكل الخام بحيث يتم توزيع تحجيم الحبوب بالتساوي. الطين العضوي بمثابة الموثقات لهذه الحبوب خلال عملية المعالجة في صب القوالب.
إضافة غبار الفحم مسبك يساعد على ضمان أن نوعية الصب ممتازة كما يتوسع الرملي عندما يتم إفراغ المعدن المنصهر الساخن في القالب. كما يسمح باستخدام إضافات أخرى بما في ذلك الملعب والسليلوز والسيليكا. يتم مزج هاوية الرّمَة، إلى جانب الإضافات والمياه في مَلَطّ، يُشار إليه باسم الخلاط. يعتبر هذا الرّمعلى استعداد ّ لصنع قالب عندما يكون قد اختلط بمواد أخرى في المُلّس.
سيؤدي صب الحديد المنصهر في قالب رمل أخضر يحتوي على غبار الفحم إلى إطلاق غازات مختزلة ومركبات عضوية متطايرة بعد تطبيق الحرارة وبالتالي يمنع تكوين أكسيد الحديد خلال المرحلة المتوسطة من إنتاج الاحتراق. يتم ترسيب الحرق على أكسيد الحديد ، ويتم منعه عن طريق الانحلال الحراري لغبار الفحم.
في المرحلة النهائية من عملية صب، التكويك من غبار الفحم يبدأ في سطح القالب، مما يؤدي إلى تليين والتوسع. التوسع الحرجة الكوارتز الرمل في قاعدة رمل السيليكا يحدث جنبا إلى جنب مع تليين والكوك من غبار الفحم. وبالتالي ، يتم تعديل الحبوب والحبوب وإعادة تنظيم حدوث عيوب من نوع التوسع.
غبار الفحم المستخدم في المسابك لصب الحديد يتطلب غبار الفحم الرماد المنخفض الذي يجب أن تمتلك الحد الأدنى من الكبريت وكلوريد المحتوى، والرطوبة المتأصلة من حوالي 2-4، والمحتوى المتطاير من 30 أو نحو ذلك. وباختصار، يقلل غبار الفحم المسبك من العيوب المرتبطة بالتوسع والهيدروجين دبوس الهول. تحسن في استقرار الأبعاد من القوالب هو أيضا بسبب إدراج هذه المادة في greensand.
وقد ثبت أن الاستخدام في مصبوبات الرمل الأخضر للرماد المتطاير - الذي يشبه كيميائيا وفيزيائيا غبار الفحم - فعال خاصة بالنسبة لصب المعادن غير الحديدية (4). بالإضافة إلى تقديم أداء مماثل للرمال الخضراء وحدها ، يلاحظ المؤلفون أن هناك فوائد اقتصادية لاستخدام رمل أقل والمزيد من الرماد ، لأنه أرخص. الخواص الفيزيائية والميكانيكية متشابهة أيضا. علاوة على ذلك ، يتم زيادة الأداء البيئي. يمكن تطبيق هذه الدروس على غبار الفحم.
بشكل عام ، يمكن القول أن استخدام غبار الفحم يقلل من العيوب المحترقة ، ويحسن تشطيب السطح ويمنع تغلغل المعادن.
كبديل أو مكمل في صب قالب السيليكا
في حين أن الرمال الخضراء هي خيار شائع ، وإدراج غبار الفحم والمركبات المماثلة هو خطوة مهمة في تقليل التكلفة وتعديل العيوب والحرق ، فإن الرمال الخضراء بعيدة كل البعد عن طريقة الصب الأكثر شيوعا. صب السيليكا هو نفسه بشكل أساسي ، ولكنه يستخدم فقط رمل السيليكا عالي النقاء كمواد بناء القالب.
أحد الاعتبارات المهمة عند استبدال رمل السيليكا بأي مادة أخرى ، على سبيل المثال غبار الفحم ، هو الرطوبة. ستؤدي الرطوبة المتبقية الموجودة في القالب إلى عيوب في الغاز وأخطاء في عملية الصب (5). مع هذا وأي تعديل آخر على بروتوكول الصب المعتاد ، يمكن أن تؤدي النمذجة إلى نتائج أفضل (6).
منع الخفقان في المصبوبات
تعد الوقاية من عيوب السطح تحديا كبيرا في مساحة التشكيل ، حيث غالبا ما تستخدم المواد المعرضة للترطيب. يتسبب الترطيب بشكل مباشر في حدوث عيوب سطحية ، ويمكن أن يؤدي استخدام كميات كافية من غبار الفحم في الرمال إلى التخفيف من هذه الظواهر.
في ظل ظروف درجات الحرارة العالية ، سوف يتحلل غبار الفحم / مسحوق أنثراسايت حراريا ويودع طبقة رقيقة من الكربون الصلب في واجهة الرمل المعدني السائل. ستمنع هذه الطبقة المودعة تغلغل المعادن في الرمال ، والعكس صحيح. ومع ذلك ، فهي طبقتان. واحد على كل من الرمل والمعدن الذي يضمن سلوك عدم الترطيب ومنع تشكيل نتوءات التي ستحتاج لاحقا إلى تشكيلها من المنتج المصبوب. يفضل غبار الفحم الذي يتكون في الغالب من أنثراسايت ، ولديه قدرة جيدة على فحم الكوك ، ولا يحتوي على أكثر من 30٪ من المواد المتطايرة بالوزن ، مع أقل من 0.8٪ من الكبريت بالوزن ويحتوي على محتويات رماد منخفضة (7).
بطبيعة الحال ، من المتوقع حدوث زيادة في الضغط بسبب تطور الغازات الناتجة عن الانحلال الحراري لغبار الفحم ، مما يتسبب في زيادة معتدلة في الضغط ، بالإضافة إلى تبخر الماء من الرمال. هذه الزيادات في الضغط هي في حدود التسامح مع أي قالب صب الرمل. المشكلة الخفيفة المحتملة الوحيدة هي أن الهيدروجين يمكن أن يخترق المعدن ، في درجات حرارة عالية بما فيه الكفاية ، إذا كان هناك ما يكفي منه ، بسبب نصف قطره الذري الصغير (8).
ومن المثير للاهتمام أن الترطيب هو اعتبار مهم في دراسة نظرت في تخزين غبار الفحم. نظرا لأن غبار الفحم شديد الاشتعال ، يجب أن يؤخذ تخزينه على محمل الجد. تم تطوير رذاذ يعتمد على كبريتات دوديسيل الصوديوم يمنع التدهور والحريق في غبار الفحم المخزن (9).
التطبيقات الحرارية
كما ذكرنا سابقا ، يتمتع أنثراسايت بدرجة من الحران ، خاصة عندما يتم تحميصه.
طوب حراري
الطوب الحراري
قادرة على تحمل درجة حرارة عالية وتتميز بالموصلية الحرارية المنخفضة التي تسمح لزيادة الكفاءة. التطبيقات التي تتطلب عالية الحرارية أو الكيميائية أو الميكانيكية الإجهاد يدعو إلى استخدام الطوب الحراري الكثيفة. ومع ذلك، فإن لبنة الفرن - وهي لبنة أكثر سهولة في الانكسار - أكثر ملاءمة للحالات الأقل قسوة. طوب الفرن أضعف من الطوب الكثيف ، لكنه مفيد بمعنى أنه خفيف الوزن وعوازل أفضل. تم استخدام غبار الفحم كمادة مضافة في إنتاج الطوب الحراري منذ ما يقرب من مائة عام (10).
واحدة من المواد الرئيسية المشاركة في إنتاج الطوب الحراري يشار إليها باسم الطوب الناري هي غبار الفحم. يتم بناء أفران الموقد المفتوح، أفران القوس الكهربائي، أفران التعدين، قمائن الأسمنت الدوارة، والقمائن الزجاجية مع الطوب الناري المصنوعة من غبار الفحم الحراري. كمادة مضافة، فمن الضروري أن يتم خلط غبار الفحم مع الطين والماء. وفي وقت لاحق، يخضع الخليط لعملية إطلاق تتضمن تجفيف الهواء لمدة 120 دقيقة عند درجة حرارة 30سمئوية ومرت من خلال درجة حرارة 110سC. في المرحلة الأخيرة من إطلاق النار ، يتم تغذية عينة الخليط في فرن وتسخينها إلى درجة حرارة 1050سC في 6 ساعات.
بالنسبة للطوب الحراري الذي يحتوي على غبار الفحم ، فقد وجد أنه مع طحن أدق (أي جزيئات أصغر) ، تزداد قوة الانضغاط ومستويات المسامية ، بينما تنخفض الموصلية الحرارية. وبطبيعة الحال، فإن التوازن بين الموصلية الحرارية وقوة الضغط هي المفتاح لفايربريك ناجحة. خلص الباحثون إلى أن الموصلية الحرارية انخفضت بينما زادت قوة الانضغاط ومستويات المسامية مع زيادة إجمالية في النسبة المئوية لغبار الفحم المستخدم (11).
على وجه التحديد، يوفر غبار الفحم العزل الحراري المطلوب بواسطة الطوب الحراري لأداء عند الحاجة. غبار الفحم الحراري له التأثير التالي على الطوب الناري:
- يقلل من التوصيل الحراري
- زيادة قوة سحق والمسامية من الطوب الحراري
- تعزيز قدرة الطوب الناري على تحمل العوامل الحرارية والمسببة للتآكل
- يعزز القدرة على تحمل الصدمة الحرارية.
تتراوح النسبة المئوية للتكوين في الطوب الحراري القياسي لغبار الفحم المنسوب إلى غبار الفحم من 38 إلى 68٪ ، مع أحجام طحن تتراوح من 20 إلى 500 ميكرومتر. وقد ذكر أنه مع زيادة محتوى الفحم ، تزداد القوة الميكانيكية وتقل الموصلية الحرارية (12).
كما هو الحال مع جميع الحراريات ، فإن مفهوم المسامية أمر بالغ الأهمية. تتوافق المستويات العالية من المسامية مع مستويات أعلى من العزل الحراري بسبب زيادة سعة الهواء ، حيث أن الهواء موصل درجة حرارة ضعيف (13) ، ولكن تجدر الإشارة إلى أن الكثير من المسامية يمكن أن يكون أمرا سيئا. غالبا ما ترتبط المسامية الزائدة بتقليل القوة الميكانيكية.
النفاذية هي أحد العوامل الرئيسية الحاسمة في طول عمر المواد المقاومة للحرارة (14) ، وتتأثر بشدة بالمسامية. يتم إنشاء المسام بعد احتراق مادة قابلة للاحتراق داخل المزيج الحراري الكلي أثناء إطلاق النار. يرتبط شكل المسام بالمادة (15) وتعرف العملية الكلية باسم "الإرهاق". عندما يحترق غبار الفحم ، فإنه عادة ما يترك ثقبا كرويا (16). وكقاعدة عامة ، كلما كان حجم الجسيمات الأكبر للمضاف ، كلما كان حجم المسام أكبر.
يستخدم غبار الفحم أيضا كمادة مضافة في تصنيع الطوب عالي الاستقرار حراريا من طين الطين الأحمر عالي المحتوى من الحديد في البلدان النامية (17). يتم تقييم هذه الطوب لانخفاض احتباس الماء وطول العمر.
بطانات حرارية
كما ذكرنا سابقا فيما يتعلق ببطانات الأفران العالية ، يمكن استخدام غبار الفحم كأنثراسايت في البطانات المقاومة للحرارة ، في كثير من الأحيان كجزء من هيكل متجانسة. يستخدم صهر الألمنيوم على نطاق واسع البطانات الكربونية ، باستخدام أنثراسايت جنبا إلى جنب مع فحم الكوك والمواد الأخرى القائمة على الكربون. البطانات المتجانسة المشتقة من أنثراسايت ذات قيمة عالية بسبب محتواها المنخفض من الرماد واستقرارها على المدى الطويل. يمكن أن تحتوي الكاثودات المستخدمة في مرحلة التحليل الكهربائي لصهر الألمنيوم على ما يصل إلى 45٪ من أنثراسايت المكلس. مع الحفاظ على الاستقرار عند درجة حرارة عالية وعدم فقدان الموصلية الكهربائية ، هذا بالإضافة إلى المزيد من سيناريوهات بطانة الأواني أو من نوع tundish حيث تساعد إضافة غبار الفحم على ضمان الاحتفاظ بالمعدن المنصهر في درجة حرارة ثابتة (18).
استخدامات حرارية أخرى
للانضمام إلى الحراريات الأخرى في بطانات المصهر ، يمكن استخدام عجينة حرارية عالية الفعالية تتكون من أنثراسايت المكلس وطبقة راتنجية (19). عندما تكون هذه الراتنجات غنية بالأنثراسايت ، يعتبر أدائها متفوقا من حيث قوة الانضغاط في نطاقات درجات الحرارة الأعلى ، مقارنة بالراتنجات من نوع الأسفلت (20). تم استخدام غبار الفحم في الأسمنت الحراري والخرسانة في وقت مبكر من عام 1910. في حين أن إضافة غبار الفحم لا يساهم في نشاط البوزولاني (المعالجة) للخرسانة ، فإن التضمين يزيد من الأداء الحراري العام ، مما يجعله اختيارا جيدا للبيئات ذات درجات الحرارة العالية.
يجب عليك تسجيل الدخول لكتابة تعليق.