از آنجاکه هزینه HBI کمتر از هزینه خنککننده AOD است، تلاشهایی برای استفاده از HBI در این تجهیز آغاز شد. قبل از اجرای آزمایشهای کارخانهای، آزمایشهای متعددی در مرکز تحقیقات و نوآوری این شرکت انجام شد تا شناخت اساسی از اثرات افزودن HBI بر حمام AOD ایجاد شود. نگرانی فوری، مورد محتوای پیشبینی شده کربن و اکسیژن در HBI است که تأثیر مستقیمی بر اثربخشی مرحله احیا خواهد داشت. اگر میزان کربن و یا اکسیژن واقعی با میزان مورد انتظار متفاوت باشد، سرباره احیایی حاصل میتواند بیش از حد یا کمتر از حد احیا شود. خلاصهای از این آزمایشها در ادامه میآید.
آنالیز شیمیایی HBI
مواد مورد استفاده در این آزمایشهای آزمایشگاهی مستقیماً از کارخانهHBI در “تولدو”، تامین شد. بریکتهای HBI دردو آزمایش اول استفاده شدند. آنالیز شیمیایی انجامشده بر روی این تعداد خاص از بریکتها نشان داد که کربن ۲/۰۳ درصد، آهن کل ۹۱/۹۵ درصد، و آهن فلزی ۸۹/۱۵ درصد بود. از آنجاکه فرض میشود درصد آهن به شکل اکسید ۲/۸ درصد است و تمام اکسید آهن به صورت FeO است، درصد FeO در بریکتها ۳/۶ درصد محاسبه میشود. تمام بریکتها در یک کوره با دمای پایین در دمای تقریبا ℃۹۰ حداقل ۲۴ ساعت قبل از استفاده در یک آزمایش آزمایشگاهی خشک شدند.
برای سومین، چهارمین و پنجمین آزمایش آزمایشگاهی، به جای بریکت از نرمههای HBI استفاده شد. نرمههای HBI که قطری معادل یک چهارم اینچ و کوچکتر دارند، محصول جانبی تولید بریکت هستند. آنالیز شیمیایی بر روی این مقدار خاص از نرمههای بدست آمده نیز انجام شد. محتوای کربن ۱/۷۱ درصد اندازهگیری شد، درحالیکه محتوای آهن کل و آهن فلزی بهترتیب ۸۰/۹ درصد و ۵۱/۸ درصد بود. درصد Fe۲+ در نرمهها که با روشهای شیمیتر تعیین شد، ۱۰/۷۵ درصد بود. این منتج به ۱۸/۳۵ درصد محتوای فرضیFe۳+ میشود. با استفاده از این مقادیر، درصد FeO و Fe۲O۳ بهترتیب ۱۴/۰ درصد و ۲۶/۷ درصد محاسبه میشود.با توجه به این میزان از اکسیدهای آهن،محتوای اکسیژن عنصری درنرمهها ۱۱/۱۴ درصد محاسبه میگردد.از استوکیومتری، پیشبینی میشود که بازیابی کربن از این نرمهها به دلیل مقدار اضافی اکسیژن موجود، صفر باشد. مانند بریکتها، نرمهها حداقل ۲۴ ساعت قبل از استفاده در آزمایشهای آزمایشگاهی در یک کوره با دمای پایین در دمای ℃۹۰ خشک شدند.
روش آزمایش آزمایشگاهی
تمام آزمایشهای آزمایشگاهی در یک کوره القایی ۵۰ پوندی انجام شد. در طی آزمایشها، بوته با پوششی (پتوئی) از کائوول (kaowool) پوشانده شد که در زیر آن گاز آرگون با جریان کم وارد میشد. شارژ پایه از یک ترکیب مشخص در ابتدا در کوره ذوب شد. سپس یک نمونه تقریباً ۱۵۰ گرمی از این شارژ اولیه برای آنالیز شیمیایی گرفته شد تا بعداً انجام شود. در طول این روش، قدرت کویل برای حفظ دمای حمام تقریباً سه هزار درجه فارنهایت تنظیم میشد. هنگامی که اولین نمونه بدست آمد، مقدار از پیش تعیینشدهای از مواد HBIبه بوته اضافه شد. پس از انجام این افزودن، نمونه دیگری از حمام پس از مدت زمان انتظار تقریباً یک دقیقهای گرفته شد. این روش برای تمام موارد اضافه شده بعدی HBI تکرار شد. پس از برداشتن آخرین نمونه از بوته، فلز در قالب چدنی ریخته شد. از آنجاکه قرار بود یک موازنه جرم کامل انجام شود، تمام مواد شارژ، نمونهها وشمش (اینگات) حاصل بهدقت وزن شدند.نمونهای از شمش حاصل نیز برای آنالیز شیمیایی ارسال گردید. آنالیز شیمیایی توسط میکروسکوپ انتشار نوری (OES) و LECO انجام گرفت.
آزمایش آزمایشگاهی (۱)
هدف از آزمایش اول تعیین کمیت بازیافت کربن بریکتهای HBI در حمام آهن آرام شده بود. از استوکیومتری میتوان دریافت که یک درصد کربن موجود در HBI میتواند تقریباً ۶ درصد FeO موجود در HBI را احیا کند. با توجه به ترکیب شیمیایی دسته تولیدی (لات) HBI موجود،میتوان تخمین زد که بازیابی کربن از افزودن HBI باید تقریباً ۷۰/۴ درصد باشد.
در این آزمایش یک شارژ ۸ کیلوگرمی آهن با ۲/۴ درصد سیلیسیم ذوب شد. سپس دو بریکت HBI (هر کدام ۴ کیلوگرم) بهطور جداگانه به حمام اضافه شدند. از موازنه جرم انجامشده بر روی دادههای حاصل، بازیابی کربن از این افزودهها بهترتیب ۷۴/۴ و ۷۶/۶ درصد تعیین شد که مطابق با انتظارات است. در طی این آزمایش سیلیسیوم از حمام از دست نرفت. نتایج کار آزمایشی انتظارات زیر را تأیید کرد: (۱) کربن محتوی، اکسید آهن در بریکتها را احیا میکند، (۲) این واکنش احیا بلافاصله پس از افزودن به حمام انجام میشود و (۳) کربن اضافی در حمام حل میشود.
آزمایش آزمایشگاهی (۲)
هدف از آزمایش دوم تعیین کمیت اثرات افزودن بریکتهای HBI به ذوب فولاد ضدزنگ در طی مراحل آخر تصفیه AOD بود. شارژ اولیه ۸ کیلوگرم آهن با ۱۰ درصد کروم و ۰/۱۵ درصد C ذوب شد.دو افزودن ۴ کیلوگرمی بریکتهای HBI بعدی به حمام انجام شد. پس از هر ۴ کیلوگرم افزودن، یک نمونه آنالیز شیمیایی گرفته شد. از آنالیز این نمونهها، بازیابی کربن HBI خشک شده ۶۵ درصد اندازهگیری شد، فقط اندکی کمتر از آزمایش قبلی. این نتایج نشان میدهد که ممکن است استفاده از بریکتهای HBI دارای کربن اضافی (%C x 6 > %FeO)بهعنوان خنککننده در AOD در طی مراحل دمش آخربه دلیل جذب بالقوه کربن عملی نباشد.
آزمایش آزمایشگاهی (۳)
تمام آزمایشهای بعدی با نرمههای HBI انجام شد. هدف اصلی از آزمایش سوم، بررسی محتوای اکسیژن نرمهها با استفاده از موازنه جرم بود.در این آزمایش، شارژ اولیه ۱۳ کیلوگرمی آهن با ۲/۱۹ درصد سیلیسیوم در کوره القایی ذوب شد. سپس سه افزودن مجزای ۳ کیلوگرمی HBI به حمام انجام شد. پس از هر بار افزودن نرمههای HBI نمونهبرداری صورت گرفت. بر اساس آنالیز نمونه، بازیابی کربن از نرمهها ۲۷/۷ درصد است که بالاتر از صفر درصد پیشبینی شده است. دلیل بازیابی غیر صفر این است که ۱۸۳ گرم سیلیسیوم از ۲۸۰ گرم اولیه در حمام، اکسیدهای موجود در نرمهها را احیا میکند، نتیجهای که با اولین آزمایش آزمایشگاهی که در آن هیچ احیایی توسط سیلیسیوم انجام نشد متفاوت است.از این نتایج، آشکار است که افزایش سطحنرمهها بهسیلیسیوم موجود در حمام امکان میدهد تا در این واکنشهای احیا در حدی بیشتر از مورد کربن موجود در HBI شرکت کند. تحلیل موازنه جرم بر روی نتایج این آزمایش تأیید کرد که محتوای آهن نرمهها تقریباً ۸۱ درصد است که ۹۵ درصد از واحدهای آهن بازیافت شده میباشد وباقیمانده بهصورت Fe۲O۳ در سرباره گزارش میشود. این تحلیل همچنین نشان داد که نرمههای مورد استفاده در این کار آزمایشی دارای اکسیژن تقریباً ۱۱ درصد است که مطابق با آنالیز شیمیایی است.
آزمایش آزمایشگاهی (۴)
در آزمایش چهارم، نرمههای HBI به شارژ اولیه ۱۵ کیلوگرمی آهن با ۰/۴ درصد C، همچنین ۰/۲ درصد Cr و ۰/۳۵ درصد Si اضافه شد.هدف اصلی این آزمایش تعیین اثر افزودن نرمههای HBI به حمام با ترکیب شیمیایی شروع معمول AOD برای فولاد سیلیسیومی است. پنج افزودن نرمههای HBI، هر کدام ۵۰۰ گرم، به حمام انجام شد و پس از هر افزودن نمونه آنالیز از حمام گرفته شد. اگرچه نرمههای حاوی ۱/۷۵ درصد کربن آنالیز شدند، بازیابی کربن از نرمهها به دلیل مقدار اضافی اکسیدهای آهن در نرمهها صفر بود. بر اساس تلفات کربن، کروم و سیلیسیوم، محاسبه میشود که نرمههای این آزمایش حاوی حداقل ۷ درصد اکسیژن بوده که نسبت به آزمایش قبلی کمتر است. از این تلفات عنصری، میزان هر عنصر احیاکننده اکسیدهای آهن محاسبه شد. شکل (۵) نشان میدهد که در ابتدا ۷۵ درصد از اکسیدهای موجود در نرمههای HBI توسط سیلیسیوم احیا میشوند. با حذف سیلیسیوم از حمام، کربن محلول به عنصر غالب در احیای اکسیدها تبدیل میشود. از تحلیل موازنه جرم، ۱۰۰ درصد واحدهای آهن از نرمه HBI بازیابی شد.
آزمایش آزمایشگاهی (۵)
هدف اصلی آخرین آزمایش آزمایشگاهی، تعیین اثر افزودن نرمههای HBI به یک حمام ۱۵ کیلوگرمی با ترکیب شیمیایی است که معمولاً ذوب گرید فولاد ۴۰۹ در شروع فرآوری AOD است: ۰/۱ درصد C، ۰/۱۰ درصد Cr و ۱۰/۰درصد Si. پنج افزودن نرمههای HBI، هر کدام ۵۰۰ گرم، به حمام انجام شد و پس از هر افزودن، نمونه آنالیز گرفته شد. از نتایج تحلیل موازنه جرم، بازیابی کربن کلی از نرمهها دوباره صفر تعیین شد. بر اساس تلفات کلی کربن، کروم و سیلیسیوم، محاسبه میشود که نرمهها حاوی حداقل ۱۱ درصد اکسیژن هستند، مشابه آنچه که از آنالیز شیمیایی اولیه نرمهها محاسبه میشود. از تلفات عنصری پس از هر افزودن، میزان هر عنصر احیاکننده اکسیدهای آهن محاسبه شد. شکل (۶) نشان میدهد پس از اولین افزودن، سیلیسیوم و کروم اکسیدهای آهن را احیا میکنند که منتج به افزایش جزئی کربن میشود. برای افزودنهای بعدی، کروم و کربن احیاکنندههای اصلی بودند. از آنجاکه شمش حاصل بسیار سنگینتر از حد پیشبینیشده بود، تعیین دقیق بازیابی واحدهای آهن از نرمههای HBI در این آزمایش دشوار است.
نتیجهگیری از آزمایشهای آزمایشگاهی
استنتاجات زیر از نتایج آزمایشهای آزمایشگاهی بدست آمد. اول، احیای FeO توسط کربن در بریکتها به نظر میرسد بلافاصله پس از غوطهور شدن در حمام باشد. اگر بریکت حاوی کربن اضافی باشد (%C x 6 > %FeO)، آنگاه این کربن در حمام حل میشود. این مشاهدات استفاده از بریکتهای HBI در مراحل آخری دمش در فرآیند AOD را منع میکند. از آنجاکه نرمههای HBI حاوی اکسیژن اضافی هستند، بازیابی کربن مورد انتظار از نرمههای HBI صفر است. اگر مقدار کافی از احیاکنندهها در حمام وجود داشته باشد، پیشبینی میشود که این عناصر (برای مثال، Si، Cr، C) اکسیدهای آهن در نرمهها را احیا خواهند کرد.در غیر این صورت اکسیدهای آهن درسرباره گزارش خواهند شد.
کارهای آزمایشی در کارخانه باتلر
آزمایشهای صنعتی در کارخانه “باتلر”عمدتاً بر استفاده از نرمههای HBI در AOD به جای بریکت متمرکز بود. دو دلیل برایترجیح نرمهها به بریکتها عبارتند از: (۱)هزینه کمتر و (۲)جریانپذیری بهتر نرمهها در سیستم افزودنیهای AOD.
آزمایشهای اولیهاضافه کردن نرمههای HBI به ظرف AODروی دو ذوب انجام شد.هدف از این آزمایشهاایجاد یکضریب خنککنندگی برای این ماده و تعیین با موازنه جرمی اکسیژن اضافی نرمههای مورد استفاده در کارخانه بود. ترکیب شیمیایی اولیه مورد استفاده برای نرمهها بر اساس میانگین چند دسته تولیدی HBI دریافتشده در باتلر است. در این آزمایشها، یک نمونه آنالیز و اندازهگیری دما ازحمام درستپس از شارژ کردن کنورترگرفته شد.بلافاصله پس از آن، تقریباً چهار هزار پوند نرمه اضافه شد. سپس یک نمونه اضافی و اندازهگیری دما پس از افزودن نرمهها گرفته شد. نتایج این آزمایشها در جدول (۴) نشان داده شده است. براساس تلفات کربن و سیلیسیومدر این آزمایشها،محتوای اکسیژن مؤثر نرمههاتقریباً ۱۰ درصد محاسبه میشود که نزدیک با نتایج تجزیهای نرمههای استفادهشده در آزمایشهای آزمایشگاهی است.نتایج همچنین نشان میدهند که بازیابی کربن ازنرمهها صفر است (همانطورکه انتظار میرفت)، و سیلیسیوم حمام با حدود ۹۰ درصد اکسیدهای موجود در نرمهها و کربن با ۱۰ درصد دیگر واکنش میدهد.
با ضریب خنککنندگیتعیینشدهو تأیید محتوای اکسیژن،خواص نرمههای HBI در جدول مواد مدل AOD همراه بااصلاحات کد مناسب برایدرنظر گرفتن اکسیژنو گانگ در نرمههاوارد شدند. مجموعه دومی از آزمایشها انجام شد که در آن یک افزودن ثابت ۴۰۰۰ پوند نرمههای HBI در طی فرآیند پالایش AOD صورت گرفت.یک نمونه و اندازهگیری دما درسه چهارم از چرخه دمش گرفته شد.سپس این نتایج با محاسبات مدل AODزمان واقعی مقایسه شدتا خواص تعبیهشده نرمهها در مدل تصدیق شود.نتایج در جدول (۵) نشان داده شده است. از آنجاکه تفاوتهای نشان داده شده (در جدول ۵) اندک است،فرض بر این است که مدل AOD،که مراحل فرآیند را برای هر ذوب تعیین میکند، بهدرستی اثرات افزودههای HBI را محاسبه میکند.
گام بعدی در استفاده از نرمههای HBI این بود که مدل AOD به جای استفاده از افزودههای ثابت، هنگام تعیین مراحل فرآیند،مقدار مورد نیاز نرمهها رابهعنوان خنککنندهمحاسبه کند.در ابتداحداکثر پنج هزار پوند نرمه در هر ذوبمقرر شد. بافرآوری ذوبهای بیشتر، اطمینان در استفاده از این ماده به عنوان خنککننده افزایش یافت زیرا شرایط حمام مطابق با پیشبینیهای مدل بود. در تمام ذوبهای آزمایشی، بازیابی مشاهده شده واحدهای آهن از نرمهها ۱۰۰ درصد است. درحالحاضر،حد بالای فعلی استفاده از نرمههای HBI برابر با ۱۰ هزار پوند در هر ذوب است.ترکیب شیمیایی نرمههایورودی به مدلAODدر جدول (۶) آمده است.
آزمایشهای کارخانه “منسفیلد“
قبل از اجرای هر آزمایش کارخانهای، ابتدا ترکیبی از بریکتهای HBI که به حمام AOD وارد میشوند، تعیین شد. از میانگین ۲۰ دسته تولیدی HBI دریافتشده توسط کارخانه منسفیلد، میانگین محتوایFeO به میزان ۲/۵ درصد تعیین شد. از آنجاکهفرض بر این است کهکربن موجود بلافاصله پس ازغوطهور شدن در حمام AOD،FeO را احیا میکند، بنابراین محتوای کربنبا مقدار استوکیومتری مناسبکاهش مییابد.سپس این ترکیب شیمیایی حاصل به مقادیر نشان داده شده در جدول (۷) نرمالسازی شد.
از آنجاکه مشاهده شده است که بریکتها پس از تولید بعدا اکسید میشوند، هدف آزمایشهای اولیه کمی کردن موازنه جرمی این محتوای اکسیژن اضافیدر بریکتهای HBI وتعیین یک ضریب خنککنندگی بود.در این آزمایشها، بلافاصله پس از شارژ کردن مخزن با ذوب فولاد درجه ۴۰۹، یک نمونه همراه با اندازهگیری دما تهیه شد. پس از افزودن بریکتهای HBI به حمام، نمونه دیگری همراه با اندازهگیری دمای دیگری برداشته شد. تلفات کربن، سیلیسیم و کروم پس از افزودن HBI توسطیک موازنه جرم ساده تعیین شد.از این نتایج که در جدول (۸) نشان داده شده است،میزان اکسیژن اضافی در HBI و ضریب خنککنندگی بهترتیب ۷۴/۲ درصد و منفی ۳۵/۲ درجه فارنهایت بر تن محاسبه شده است.
از آنجاکه فرض میشود کربن و اکسیژندر HBI بهسرعت واکنش نشان میدهند، ترکیب اجزای فلزی مجدداً برای درنظر گرفتن این اکسیژن اضافی تنظیم شد. از آنجاکه یک درصد کربن با ۳۳/۱ درصد اکسیژن موجود بر حسب وزن واکنش میدهد، ترکیب شیمیایی HBI پس از نرمالسازی، محاسبه شد که شامل صفر درصد کربن، ۸۹/۰ درصد اکسیژن و ۳/۹۰ درصد آهن است. ترکیباتسایر اجزاء همان چیزی است که در ردیف “نرمالشده” جدول (۷)ذکر شده است.
سپس این دادهها برای بریکتهای HBI به همراه اصلاحات کد مناسب برای محاسبه اکسیژن و گانگ موجود در بریکتها در مدل AOD تعبیه شدند. آزمایشهای اولیه با حداکثر اضافه کردن پنج هزار پوند در هر ذوب انجام شد. در این ذوبهای آزمایشی، هیچ تغییر قابل تشخیصی در ترکیب شیمیایی حمام و دما در آزمایش پین (pin test) یا در ترکیب شیمیایی سرباره پس از مرحله احیا در مقایسه باذوبهای فرآوریشده بدون HBI مشاهده نشد. با توجه به این مشاهدات در چند ذوب، درجه بالایی از اطمینان حاصل شد که مدل AOD به درستی بریکتهای HBI را در تعیین مراحل فرآوری هر ذوب حساب میکند. در تمام آزمایشها، بازیابیواحدهای آهن ۱۰۰ درصد مشاهده شد.با افزایش اطمینان در استفاده از HBI در AOD، حد بالایی برای HBI در AOD به تدریج تا حد فعلی ۲۰ هزار پوند در هر ذوب افزایش داده شده است.
مزایای استفاده از HBI در AOD
مزایای استفاده از HBI به عنوان خنککننده در AOD مشابه مزایای استفاده از این ماده در EAF است. همانطورکه قبلا بیان شد،هزینه HBI بهطور قابلتوجهیکمتر از هزینه قراضه خنککننده است. علاوه بر این، استفاده از HBI میتواند سطوح کمتری از عناصر باقیمانده مانند مس، نیکل و… را وارد مذاب کند. در نهایت، اکسیژن اضافی موجود در HBI با عناصر موجود در حمام واکنش نشان میدهد بهطوریکه ممکن است مقدار اکسیژن مورد نیاز کاهش یابد و در نتیجه بهطور بالقوه زمان دمش مورد نیاز کوتاه شود.
نتیجهگیری
HBIتولیدشده در کارخانه احیای مستقیم تولدو شرکت “کلیولند-کلیفز” با موفقیت درکارخانههای ذوبEAF آن شرکت به عنوان یک مادهخوراکی با کیفیت بالا برای جایگزینی چدن خام و یا قراضه در کورههای EAF وخنککننده آهن در کنورتر AODاستفاده شد.نزدیکیکارخانه احیای مستقیم تولدو به کارخانه ذوبEAF آن شرکت مزیت قابلتوجهی نسبت به HBI وارداتی از کاهش تلفات متالیزاسیون ناشی از پیر شدن HBI و کاهش تلفات مواد ناشی از جابجایی HBI دارد.
شیوههای ذوب کردن در EAF بهمنظور تطبیق با استفاده از HBI در شارژ اصلاح شدند. وزن شارژ کوره برای حفظ همان وزن تخلیه (معادل با شارژ قراضه) افزایش یافت. افزودن آهک و آهک دولومیتی برای حفظ همان بازیسیته سرباره افزایش یافت. مقدار HBI به چند لایهو در سبدهای مختلف تقسیم میشود تا تجمع HBI در طول ذوب به حداقل برسد. در برخی کارگاهها، کربن شارژ به دلیل کربن اضافی در HBI کاهش یافت. پروفایل تزریق اکسیژن و کربن نیز ممکن است نیاز به تنظیم داشته باشد تا با تغییر در موازنه کربن و اکسیژن ناشی از استفاده از HBI سازگار شود.
مزایای قابلتوجهی در عملیات EAF از استفاده از HBI بدست آمد. اینها شامل مزایای هزینه از جایگزینی چدن خام، قراضه، آهن خنککننده،بهبود کنترل شیمیایی فولاد بهدلیل (عناصر) باقیمانده کم آن و بهرهوری بهبودیافته با کاهش تعداد شارژهای سبد شارژ بهدلیل چگالی بالای HBI است.
ویژگیهای HBI برای استفاده از آن بهعنوان خنککننده در فرآیند AOD با دقت تعیین شد. ترکیب شیمیایی و ضریب خنککنندگی مناسب در مدلهای AOD تعبیه شد تا مدلها به درستی این مواد را در تعیین مراحل فرآوری هر ذوب حساب کنند.با تطابق کلی بین واقعیت و پیشبینیهای مدل برای شرایط فلز و سرباره، اطمینان در استفاده از این ماده بدون هیچگونه ضرری افزایش یافتزیرا محدودیت استفاده از آنبه تدریج پس از هر مجموعه از آزمایشهابالاتر برده شد.