headbanner

المعرفة الأساسية لصناعة الصلب

تبدأ صناعة الصلب بصناعة الحديد. يأتي الفولاذ من الحديد الزهر. الحديد الزهر المصهور من خام الحديد يحتوي على نسبة عالية من الكربون والعديد من الشوائب (مثل السيليكون والمنغنيز والفوسفور والكبريت وما إلى ذلك). لذلك ، يفتقر الحديد الخام إلى اللدونة والمتانة ، وله خصائص ميكانيكية رديئة. لا يمكن أن يخضع لعملية الضغط باستثناء الصهر والصب ، مما يحد من استخدامه.
من أجل التغلب على أوجه القصور في الحديد الخام وجعله يلعب دورًا أكبر في الصناعة ، من الضروري أيضًا استخدام الأكسجين من مصادر مختلفة عند درجات حرارة عالية لإزالة الشوائب في حديد الصب إلى درجة معينة للحصول على تركيبة معينة و أكيد طبيعة الحديد وسبائك الكربون والصلب. هذه الطريقة لإزالة الشوائب في الحديد الخام بالأكسدة في درجات حرارة عالية تسمى صناعة الصلب.

المبادئ الأساسية لصناعة الصلب
الشوائب المختلفة في الحديد الخام لها تقارب أكبر مع الأكسجين بدرجات متفاوتة في بيئات درجات الحرارة المرتفعة. لذلك ، يمكن تحويلها إلى أكاسيد سائلة أو صلبة أو غازية عن طريق الأكسدة. تتفاعل الأكاسيد السائلة والصلبة مع بطانة الفرن والتدفق المضاف إلى الفرن عند درجات حرارة عالية ، وتتحد لتشكل خبثًا ، وتتم إزالتها من الفرن أثناء عملية الخبث. يتم إخراج الغاز أيضًا من الفرن بواسطة CO عندما يغلي الفولاذ المصهور.
في فرن صناعة الصلب ، يتم تحقيق أكسدة الشوائب بشكل رئيسي من خلال وجود الحديد O.
2Fe + O2 → 2FeO
1. أكسدة السيليكون
لدى Si تقارب أكبر مع الأكسجين ، لذا فإن أكسدة السيليكون سريعة جدًا. يتأكسد بالكامل ليشكل SiO2 في المرحلة الأولى من الصهر:
Si + 2FeO → SiO2 + 2Fe
في نفس الوقت يتفاعل SiO2 مع الحديد O لتشكيل سيليكات:
2FeO + SiO2 → 2FeO · SiO2
هذا النوع من الملح جزء مهم جدًا من الخبث. يتفاعل مع CaO لتوليد مركبات مستقرة 2CaO · SiO2 و FeO. الأول ثابت في الخبث ، والأخير يصبح مكونًا مجانيًا في الخبث ، مما يزيد من محتوى الحديد O في الخبث. هو أكثر فائدة لتعزيز أكسدة الشوائب. الجواب كالتالي:
2FeO · SiO2 + 2CaO → 2CaO · SiO2 + 2FeO
2. أكسدة المنغنيز
المنغنيز عنصر سهل التأكسد. MnO التي تنتجها لها نقطة انصهار أعلى. لا يذوب MnO في المعدن المنصهر ، ولكنه يشكل مركبًا به SiO2 يطفو على سطح المعدن السائل ويصبح جزءًا من الخبث.
Mn + FeO → MnO + Fe
2MnO + SiO2 → 2MnO · SiO2
يطلق تفاعل أكسدة السيليكون والمنغنيز الكثير من الحرارة ، والتي يمكن أن تزيد بسرعة درجة حرارة الفرن (وهذا مهم بشكل خاص لصناعة الصلب المحول) ويسرع بشكل كبير عملية أكسدة الكربون.
3. أكسدة عنصر الكربون
تحتاج أكسدة الكربون إلى امتصاص كمية كبيرة من الطاقة الحرارية ، لذلك يجب أن تتم في درجة حرارة أعلى. تعد أكسدة الكربون تفاعلًا مهمًا للغاية في عملية صناعة الصلب:
C + FeO → CO + Fe
نظرًا لأن غاز ثاني أكسيد الكربون يتولد عندما يتأكسد الكربون ، فإنه يعمل بمثابة تقليب قوي عندما يهرب من المعدن السائل. هذا التأثير يسمى "الغليان". يمكن أن تعزز نتيجة الغليان توحيد التركيب ودرجة حرارة البركة المنصهرة ، وتسريع التفاعل بين المعدن وواجهة الخبث ، وكذلك تساعد على إزالة الغاز والشوائب في الفولاذ.
4. أكسدة عنصر الفوسفور
يمكن أن تحدث أكسدة الفوسفور عند درجة حرارة ليست عالية جدًا. تتكون عملية إزالة الكبريت من مزيج من عدة تفاعلات. ردود الفعل هي كما يلي:
2P + 5FeO → P2O5 + 5Fe
P2O5 + 3FeO → 3FeO · P2O5
عندما يكون هناك ما يكفي من CaO في الخبث القلوي ، ستحدث التفاعلات التالية:
3FeO · P2O5 + 4CaO → 4CaO · P2O5 + 3FeO
4CaO · P2O5 المنتج بواسطة مركب مستقر ، يتم تثبيته بقوة في الخبث ، وبالتالي تحقيق الغرض من إزالة الفوسفور.
وتجدر الإشارة إلى أنه أثناء عملية إزالة الأكسدة من الفولاذ المصهور ، يجب إضافة مزيلات الأكسدة مثل الفيروسيليكون والمنغنيز الحديدي. لذلك ، بعد إزالة الأكسدة ، غالبًا ما يكون الخبث حمضيًا ، ويتم تدمير 3FeO · P2O5 ، ويتم تقليل P2O5 منه ، ويكون P2O5 غير مستقر. أكسيد ، يتم تقليله بسهولة بواسطة الكربون عند درجة حرارة عالية ، مما يؤدي إلى استعادة الفوسفور. يوضح هذا أيضًا أنه من الصعب جدًا إزالة الفوسفور في الفرن الحمضي. من أجل منع هذه الظاهرة ، من الضروري زيادة قاعدة الخبث وكمية الخبث بشكل مناسب ، وتحسين أكسدة الخبث.
5. أكسدة الكبريت
يوجد الكبريت في شكل FeS. عندما يكون هناك ما يكفي من أكسيد الكالسيوم في الخبث ، يمكن أيضًا إزالة الكبريت. رد الفعل على النحو التالي:
FeS + CaO → CaS + FeO
إن CaS المتولدة غير قابلة للذوبان في الفولاذ المصهور ، ولكنها تشكل خبثًا يطفو على سطح الفولاذ المصهور.
التفاعل أعلاه هو رد فعل عكسي ، ويتم إجراؤه في الخبث المحتوي على الحديد O. عندما يتفاعل FeO مع CaS ، سيعود الكبريت إلى الفولاذ المصهور ، وبالتالي تزداد كفاءة إزالة الكبريت مع انخفاض محتوى FeO في الخبث.
عندما يحتوي الخبث على كمية كافية من الكربون ، يكون التفاعل مختلفًا:
CaO + FeS + C → CaS + Fe + CO
نظرًا لأن الكربون يحرم FeO من الأكسجين ، فإنه يفقد إمكانية تفاعل CaS مع FeO ، بحيث لا يمكن أن يستمر التفاعل في الاتجاه العكسي. هذا هو السبب في أن إزالة الكبريت من صناعة الفولاذ في الفرن الكهربائي أكثر اكتمالاً من الطريقتين الأخريين.
في عملية نزع الكبريت ، يلعب المنجنيز أيضًا دورًا في تعزيز نزع الكبريت. هذه العملية هي على النحو التالي:
FeS + MnO → MnS + FeO
يكاد يكون MnS المتولد غير قابل للذوبان في الفولاذ المصهور ويدخل في الخبث. لذلك ، يزيد تأثير إزالة الكبريت مع أكسدة المنجنيز.
6. إزالة الأكسجين من الحديد O
بعد سلسلة تفاعلات الأكسدة أعلاه ، على الرغم من أن الشوائب تتأكسد لتحقيق الغرض من الإزالة ، ولكن أيضًا بسبب نتائج الأكسدة ، يحتوي الفولاذ المصهور على المزيد من الحديد O ، أي هناك كمية كبيرة من الأكسجين في المنصهر الفولاذ ، والذي سيعطي الشريط الفولاذي هذا خطر كبير. من ناحية ، يحتوي الفولاذ على الكثير من الفقاعات ؛ من ناحية أخرى ، فإنه يتسبب أيضًا في أن يبدو الفولاذ هشًا وساخنًا وباردًا ، ويزداد الخطر مع زيادة محتوى الكربون.
لذلك ، في نهاية عملية صناعة الصلب ، يجب أن نحاول أيضًا إزالة كمية كبيرة من الأكسجين الموجود في الفولاذ المصهور. تتمثل الطريقة الشائعة في إضافة بعض مزيلات الأكسدة ، مثل المنغنيز الحديدي ، والفيروسيليكون ، والألمنيوم ، وما إلى ذلك ، إلى الفولاذ المصهور. يستخرجون الأكسجين بقوة من الحديد O لتحقيق الغرض من إزالة الأكسدة. رد الفعل على النحو التالي:
FeO + Mn → MnO + Fe
2FeO + Si → SiO2 + 2Fe
3FeO + 2Al → Al2O3 + 3Fe
7. دور الخبث
تتكون عملية صناعة الصلب بأكملها من عمليتين: الأكسدة والاختزال. عادة ما تسمى أكسدة الكربون والسيليكون والمنغنيز والفوسفور بالتفاعل في فترة الأكسدة ، وتسمى إزالة الكبريت وإزالة الأكسدة التفاعل في فترة الاختزال. يتضح من صيغ التفاعل المذكورة أعلاه أنه من أجل إزالة الشوائب في المعدن ، يجب مراعاة العديد من العوامل ، ولكن العامل الأكثر أهمية هو إزالة الخبث والخبث.
يلعب الخبث الأدوار المهمة التالية في عملية صناعة الصلب:
① يجب أن يضمن الخبث أن عملية صناعة الصلب تسير في اتجاه تفاعل معين (أكسدة أو اختزال).
② يجب أن يضمن الخبث إزالة الشوائب الضارة (الفوسفور والكبريت) من المعدن ، ومنع الغاز الموجود في الفرن (النيتروجين والهيدروجين) من دخول المعدن.
③ يجب أن يضمن الخبث الحد الأدنى من فقدان الحديد والعناصر القيمة الأخرى أثناء التشغيل.

الطريقة الأساسية لصناعة الصلب
① تحويل صناعة الصلب
طريقة صناعة الصلب المحول هي طريقة صناعة الصلب التي تستخدم الهواء أو الأكسجين لأكسدة العناصر في الحديد المصهور إلى الحد المحدد من خلال اعتماد نفخ القاع والنفخ الجانبي والنفخ العلوي للحصول على الفولاذ بتركيبة مؤهلة.

w1

② فرن كهربائي لصناعة الصلب
يستخدم الفرن الكهربائي الطاقة الكهربائية للتحول إلى طاقة حرارية لصنع الفولاذ. يوجد فرنان كهربائيان شائعان الاستخدام: فرن القوس الكهربائي وفرن الحث الكهربائي. أفران القوس الكهربائي هي الأكثر استخدامًا وهي مناسبة لصهر الفولاذ عالي الجودة وسبائك الفولاذ ؛ تستخدم أفران الحث لصهر سبائك الصلب عالية الجودة والسبائك غير الحديدية.

w2

③موقد مفتوح لصناعة الصلب
مع تطور الصناعة ، تراكمت كمية كبيرة من خردة الفولاذ في صناعة معالجة المعادن. في ذلك الوقت ، لم يكن من الممكن إعادة نفخه في الفولاذ باستخدام محول ، لذلك بحث صانعو الصلب عن طريقة لصنع الفولاذ باستخدام خردة الفولاذ كمواد خام. في عام 1864 ، اخترع الفرنسي مارتن طريقة صناعة الفولاذ بالمداخن المفتوحة.

w3

استبدل التطور السريع لطريقة تصنيع الصلب لمحول الأكسجين العلوي تدريجياً طريقة صناعة الفولاذ بالموقد المفتوح. مع تقدم العلم والتكنولوجيا ، استمرت بعض طرق صناعة الصلب الجديدة في الظهور ، مثل المعالجة الفراغية للفولاذ المصهور ، وصهر فرن الخبث الكهربائي ، وصهر الفرن الكهربائي بالحث الفراغي ، والتي تم استخدامها أكثر وأكثر.


الوقت ما بعد: أغسطس -02-2021