|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
||||
|
::شكر :: مقدمة :: تطور صناعة الحديد :: الخامات:: تعدين و تجهيز الخامات :: تكنولوجيا الصلب ::الأعباء البيئية ::الـمراجـع :: |
|
|
|||
|
|
|
||||
|
4-2- تقنية السبائك الحديدية وطرق إنتاجها
تعرف السبيكة الحديدة بأنها السبائك الثنائية المكونة من الحديد والغنية بعنصرغير عنصر الكربون الذى غالبا ما يكون فلز وتستخدم السبائك الحديدية لاضافة العناصر السبائكية فى تصنيع كلا من الحديد الزهر والصلب واهم العناصر التى تقدمها السبائك الحديدية للصلب هى السيليكون المنجنيز ، الكروم ، التيتانيوم ، الفانديوم وغيرها من العناصر
4-2-1- تاثير السبائك الحديدية المضافة فى صناعة الصلب:-
تقوم السبائك الحديدية المضافة للصلب او الحديد الزهر المنصهر من خلال العناصر المكونة لها بثلاثة ادوار اساسية :- 1- عامل اختزال ان الدور الاساسى والمهم للسبائك الحديدية المضافة للصلب وبكل تاكيد ازالة الاكسجين من افران التصنيع الصلب ويكون ذلك اما فى المراحل الاولية لتصنيع الصلب او فى المراحل النهائية وقبل عملية الصب مباشرة ومن اهم السبائك الحديدية المستخدمة فى ذلك سبائك الفيرومنجنيز و الفيروسيليكون حيث تقوم هذه السبائك بازالة الاكسجين من افران التصنيع . 2- عنصر سبائكى :- تستخدم السبائك الحديدية للحصول على الصلب السبائكى الذى يتكون من الصلب الكربونى اضافة الى كمية اوكميات من عناصر فلزية اخرى مضافة مثل الكروم ، والتيتانيوم وغيرها بهدف تحسين خاصية معينة او مجموعة من الخواص فى المنتج النهائى ومن امثلة الخواص المطلوب تحسينها كلا من مقاومة الصدمات والبلى وزيادة مقاومة التاكل الساخن والاكسدة عند درجة الحرارة العالية ومن امثلة ذلك السبائك المحتوية على عناصر الفانديوم والكروم والسيليكون والمنجنيز . 3- عامل جرفته :- الجرفته خاصية لضبط الجرافيت والتحكم فيه وهى خاصية ينفرد بها حديد الزهر السبائكى ولا يدخل فى تأثيراتها الصلب ولذا فان اضافة السبائك الحديدية تساعد على الحصول على قطاعات سميكة من الحديد الزهر عالى المقاومة . والسبائك الحديدية المستخدمة لذلك هى المحتوية على عناصر السيليكون والمليبدنيوم بالاضافة الى فلز النيكل النقى وتعمل اضافة هذه السبائك على زيادة مقاومة ومتانة حديد الزهلر السبائكى.
4-2-2- طرق انتاج السبائك الحديدية :- بدأت تقنية السبائك الحديدية عام 1898 م على يد العالم جولد شميث بأسلوب الاختزال المعروف باسم الاختزال الالومينى الحرارى ومازالت هذه الطريقة مستخدمه ومتبعة حتى الان فى انتاج السبائك الحديدية 4-2-2-1- طريقة الاختزال الالومينى الحراري : تعرف هذه الطريقة باسم الاختزال الفلزي الحراري، ونعتمد هذه الطريقة على اختزال اكاسيد الفلز باستخدام مسحوق ناعم من الالومنيوم ,وتتولد أثناء عملية الاختزال كمية عالية من الطاقة الحرارية ناتجة من أكسدة الالومنيوم كافية لإكمال عملية الاختزال وتطفو الالومينا المتكونة أثناء التفاعل علي السطح علي هيئة خبث سائل ويساعد هذا الخبث الطافي علي فصل الفلز السبائكي المختزل عن الجو المحيط وبهذا تمنع إعادة الأكسدة
اسباب انتاج السبائك بطريقة الاختزال الالوميني الحراري
1- صعوبة انتاج العناصر الفلزية والحصول عليها بصورة نقية 2- ارتفاع تكلفة انتاج العناصر الفلزية بصورة نقية اذا امكن انتاجها 3- سرعة اكسدة هذة العناصر عند اضافتها كعناصر سبائكية للصلب او الحديد الزهر السبائكي عند درجات الحرارة العالية مما يعني فقد العناصر عالية التكلفة اثناء مراحل تصنيع الصلب او حديد الزهر السبائكى 4- الاستفادة من خامات العناصر التى تحتوي علي نسب عالية من الحديد. 5- تم تطوير هذه الطريقة بطرق اخري مثل الصهر والاختزال في الافرن العالية او في الافران الكهربائية
وصف عملية الاختزال الالومينى الحراري : تجري عملية الاختزال بمسحوق الالومنيوم عن خلط مسحوقه الناعم مع أكسيد الفلز المراد اختزاله وفي وجود برادة الحديد أو الصلب ويشحن هذا الخليط في وعاء فولاذي مبطن ببطانة حرارية قاعدية ( ماجنيزيت) ويوجد اعلي الشحنة كمية صغيرة من أكسيد البار يوم ومسحوق الالومينيوم ثم تشعل عندئذ باستخدام شريط من الماغنيسيوم وبعد دقيقة او نحو ذلك يهدا التفاعل ويطفو خبث الالومينا علي السطح وتبرد الكتلة الناتجة في وعاء التفاعل او يتم صبها في قوالب ويبلغ حجم نواتج الاختزال تقريبا ثلث المواد الأولية المشحونة في وعاء التفاعل . ويمكن التحكم في الفقد بتطوير العملية من خلال شحن جزء فقط من كل الشحنة المطلوبة في وعاء التفاعل عند بداية التفاعل ، ثم تشعل المحتويات للسماح ببدء التفاعل ثم يتم تدريجيا تغذية الوعاءببقية الشحنة ليصل الي طاقته القصوي وبهذا يتم تجنب الكثير من الفقد من خلال زيادة التحكم التحكم او التقليل من الجزء المتبخر .
العوامل المؤثرة علي الاختزال الالوميني الحراري : 1- كمية الاكسجين في الخام : تعد كمية الاكسجين في الخام اهم عامل حيث انه يتحكم كمية الحرارة المتولدة أثناء التفاعل ، وزيادة نسبة الاكسجين الموجودة في بعض اكاسيد الفلز تؤدي الي عدم التحكم في التفاعل مما يؤدي الي الكثير من الانفجارات . ويمكن التغلب علي هذه الانفجارات بتخفيض كمية الاكسجين في الخام باجرات تحميص اختزالي مسبق تزال فيه كمية من الاكسجين . اما نقص كمية الاكسجين في الخام تقلل من كمية الحرارة المتولدة في التفاعل وفي بعض الأحيان عند الانخفاض الشديد في محتوي الاكسجين يصبح التفاعل غير طارد للحرارة وربما احتاج إتمام التفاعل الي إمداده بطاقة خارجية ويمكن التغلب علي ذلك بالتحميص المسبق او التسخين المسبق المباشر وهذا يساعد في التغلب علي مشكلة نقص الاكسجين . 2- حجم الحبيبات : يؤدي وجود كثير من الحبيبات الخشنة من المواد الخام في وعاء التفاعل الي عدم إكتمال التفاع وبالتالي يكون المنتج النهائي غير مرضي ، ويؤدي وجود حبيبات ناعمة الي دخول الالومينا الناتجة في صورة خبث الي سبيكة الفلز المختزلة ولذا فان الحالة الفيزيائية للمواد المستخدمة في انتاج السبائك الحديدية ذات تاثيرات مهمة .
4-2-2-2- طريقة الصهر والإختزال في الأفران العالية أو في الأفران الكهربائية :
يشبه إنتاج السبائك الحديدية في الفرن العالي الى حد كبيرإنتاج حديد التمساح كما أن الأفران الكهربائية شبيهة بالأفران العالية في الإنتاج فيما عدا إستبدال الكوك بالطاقة الكهربائية لعمليات الصهر وأساس عمليات الإنتاج هي الصهر والإختزال
العوامل التي تعتمد عليها طريقة الصهر والإختزال:
1- درجة نقاوة الخام المتوافر 2- مدى توافر الطاقة الكهربائية في مواقع الإنتاج وكذا سعر وحدة الطاقة ولقد أدى توافرمصادر الطاقة الكهربائية الرخيصة الىاستخدام الأفران الكهربائة لتحل محل الأفران العالية 3- درجة جودة السبائك المنتجة 4- مقدارالكوك المطلوب للإنتاج ومدى توافره وكذلك كمية استهلاكالكوك لكل طن من السبيكة 5- نوع السبيكة المنتجة
4-2-3- سبيكةالفيروسيليكون:- تعتبر سبيكة الفروسليكون ذو أهميه كبيرة جدا في صناعه الحديد والصلب ، ومعظم سبائك الفروسليكون المستخدمة في صناعه الصلب ذات التركيب الكيميائي الذي يحتوي علي 50% سليكون ( هناك سبائك تتراوح نسبة السليكون فيما بين 15-90% )
استخدامات سبائك الفروسليكون
1- يستخدم الجزء الأكبر من سبائك الفروسليكون في اختزال الأكسجين وإزالة الغازات في صلب المحمرة المكشوفة ومحولات بسمر. 2- عنصر سبائكي مهم حيث يحتوي صلب الإنشاء عادة علي نسبة من السليكون في الصلب المستخدم في التطبيقات الكهربائيه إلي حوالي 0.6% ويكون السليكون بهذه النسبة المذكورة علي الخواص محدودة. 3- تستخدم سبائك الفروسليكون في صورة مسحوق كعامل مختزل للخبث ، وتستخدم كميات كبيرة من هذه السبائك لاختزال الأكسيد المختلفة عند إنتاج السبائك الحديدية الأخرى مثل إنتاج سبائك الفروفانديوم. 4- تستخدم سبائك الفروسليكون للحصول علي فولاذ نظيف ويفضل إضافتها بعد إضافة الفرومنجنيز. 5- تستعمل سبائك الفروسليكون في تصنيع الهيدروجين طبقا للتفاعل الآتي :
تأثير السليكون علي خواص الصلب :
مما لا شك فيه أن تأثير السليكون أقل من تأثير أي عنصر سبائكي آخر علي خواص الصلب ، فعند زيادة نسبة السليكون المضاف إلي اكبر من 0.35 % يكون الفولاذ عندئذ أحد أنواع الفولاذ ( الصلب ) السبائكي السليكوني ، وإضافة حوالي من 1.3 % إلي 2 % سليكون إلي الفولاذ ترفع كلا من معامل اللزوجه والاستطالة وتقلل في مساحة المقطع ومقاومة الصدمات، وزيادة نسبة السليكون في سبائك الصلب متوسط الكربون < 0.3 % - 0.7 % كربون > تزيد قابليتها للتصليد ويكون تأثير السليكون علي التصليد أقل من التاثير الناتج عن إضافة نسبة مماثلة من المنجنيز أو الكروم ، ولتسهيل تشكيل السبائك وتصنيعها يجب تحديد نسبة السليكون المضافة إلي سبائك الصلب الإنشاءات الاعتيادي بحد أقصي 0.7 % ، ومن الملاحظ أنه في العرف التجاري لا تزيد نسبة السليكون عن 0.3 % عند إضافتها إلي صلب الإنشاءات الطرق أما في حالة الفولاذ المصبوب فتكون نسبة السليكون في حدود 0.5 % . الفروسليكون تصنع سبائك الفروسليكون عادة في أفران القوس الكهربائي والأفران المستخدمه غالبا عبارة عن دائرية أو اسطوانية مع وجود الكترودات ، والمواد الخام اللازمة لصناعة سبائك الفروسليكون وهي الحاملة للسليكون والمواد الحاملة للحديد وعامل الاختزال.
المواد الحاملة للسليكون تتوافر في القشرة الأرضية العديد من المواد الحاملة للسليكون والمستعملة كماده خام في تصنيع الفروسليكون واهم تلك الخامات الكوارتز، وقد ذكرنا تفصيل هذا الخام في الباب الثاني " باب الخامات" في فصل خامات السبائك
المواصفات التي يجب أن تتوافر في خام الكوارتز المستخدم في انتاج سبائك الفروسليكون
1. لا يقل محتواها السليكوني عند 96 % ويفضل أن يكون ما بين 97 % و 99 % 2. كميه الشوائب المكونة للخبث مثل ( ألومنيات وأكسيد الكالسيوم ) أقل قدر ممكن 3. لا تزيد كميه أكسيد الفوسفور P2O5 فيه علي 0.02 % . 4. خاليا تماما من الطفلة clay ولا يحتوي علي أي نوع منها . 5. لا تزيد أقصي نسبة امتصاص للرطوبة بأي حال من الأحوال علي 5 % . 6. يحتفظ الخام بخواصه المكانيكيه بعد التكسير والطحن والتسخين .
المواد الحاملة للحديد يمكن إضافة الحديد إلي شحنه تصنيع الفروسليكون في صورة خامات الحديد أو اكاسيد الحديد أو برداة الحديد وخامات الحديد تكلمنا عنها في الباب الثاني
العوامل التي تأخذ في الاعتبار عند إضافة الحديد في سبائك الفروسليكون. 1- عند إضافة الحديد في صورة منفردة فانه يزيد من تكلفة الطاقة " نظرا لزيادة طاقة تسخين ا لخبث واختزال اكاسيد الحديد " وعند إضافة اكاسيد الحديد فيكون من المطلوب عندئذ زيادة كمية عوامل الاختزال المضافة للشحنة.
2- يضاف الحديد في صورة أجزاء صغيره مقطعه ويجب أن يكون خاليا من الصدأ ، لأن الحديد هو المصدر الأساسي للهيدروجين في سبيكة الفروسليكون المنتجة . 3- لا ينصح باستخدام أجزاء من الصلب نظرا لاحتوائه علي عناصر سبائكه مثل الكروم ، والنيكل ، والمنجنيز ...الخ والتي سوف تدخل إلي السبيكة بكامل قيمتها كما في الصلب بينما المطلوب في سبائك الفروسليكون طبقا للمواصفات العالمية خلوها من أية آثار لتلك العناصر . 4- لا تضاف خرده الحديد الزهر لشحنة إنتاج سبائك الفروسليكون نظرا لاحتوائها علي نسبة عالية من الفوسفور والذي يمر مباشرة إلي سبيكة الفروسليكون المنتجة. 5- لا توجد خطورة كبيرة من وجود الكبريت لأنه لا يكون مع السليكون مركبات متطايرة تتبخر أثناء عمليات الصهر والاختزال . 6- يراعي أن تكون قطع الحديد المضافة صغيره الحجم بحيث تكون أكثر انتظاما في الشحنة ولا توصي علي الإطلاق باستخدام القطع الكبيرة أو المتداخلة ، كما يجب أن تكون خاليه من الشوائب . 7- لا ينصح باستخدام المخلفات والقطع الحاملة للشحومات والزيوت لأنها تعوق العمليات عند قمة الفرن. مكونات الشحنة اللازمة لإنتاج سبيكة الفروسليكون تتكون الشحنة اللازمة لإنتاج سبيكة الفروسليكون بتركيز 75% سليكون مما يأتي :- 2طن كوارتز ، وطن كوك ، ونصف طن من نشاره الحديد . ويتضح من مكونات الشحنة أن المواد المستخدمة في إنتاج الفروسليكون رخيصة الثمن ومتوافرة بكثرة ويسهل الحصول عليها ، ولكن معظم التكلفة في الطاقة الكهربائيه اللازمة للتصنيع حيث تبلغ كميه الطاقة المستخدمة حوالي 10.000 كيلووات/ ساعة لكل طن من الفروسليكون ، وتبلغ هذه ما بين 30% - 45 % من مجموع تكلفة إنتاج السبيكة .
عوامل الاختزال يمكن استخدام مواد كثيرة ومختلفة حامله للكربون كعوامل اختزال في إنتاج الفروسليكون مثل الفحم النباتي ، والبترول والكوك القاري والكوك الميتالورجي والفحم . اولا الفحم النباتي : يعد الفحم النباتي عامل مختزل ممتاز لاحتوائه علي أقل قدر من الأتربة (غالبا ما بين 1% إلي 2%) ويتمتع بدرجه عالية من التفاعل ومقامته للكهرباء مقبولة ، ووجوده في الشحنة يقلل من الحاجة إلي التلبيد بعد ذلك. والتركيب الكيميائي للفحم هو 13% رطوبة 18% مواد متطايرة ، 68% كربون ، 1% رماد ولكن يعيب هذا الفحم في الوقت الحالي تكلفته العالية ، ولهذا يستخدم ذلك الفحم فقط لإنتاج السبائك عالية السليكون ذات التركيب 90% سليكون ، وكذا في إنتاج السليكون المتبلور.
ثانيا البترول والكوك يحتوي كل من البترول والكوك القار علي كميه قليلة جدا من الرماد أقل من 1% والمواد المتطايرة ، كما أنهما لا تحتويان علي أية شوائب غير مرغوبة ، ويتمتعان بمسامية عالية ونشاط عال ولهذا فهما عاملان اختزال ممتازان ولكن نظرا لتكلفتهما العالية فانهما يستخدمان فقط في إنتاج السليكون المتبلور والفروتنجستين. ثالثا الفحم: الفحم ذو مقامة كهر بائيه عالية وتحتوي بعض أنواع الفحم علي كميات صغيره من الرماد وكذا كميات صغيره جدا من المواد المتطايرة والشوائب غير المطلوبة، ويفضل عند استخدام الفحم في تصنيع الفروسليكون إحلال ما بين 20% إلي 30% منه بقدر من الكوك الناعم وهذا يقلل تلبيد الشحنة كما يسمح بوضع الالكترودات علي أبعاد أعمق في الفرن وما زالت هناك مناقشات عن امكانيه استخدام الفحم في إنتاج الفروسليكون. رابعا الكوك الميتالورجي أكثر عوامل الاختزال استخداما لإنتاج سبائك الفروسليكون الكوك الميتالورجي الدقيق ، ويحتوي هذا الكوك علي أقل قدر من الاتربه مقارنه بالأنواع الاخري كما يحتوي علي مستويات مختلفة من الرطوبة ، وبوجه عام يعتمد خواص الكوك الميتالورجي وبالذات مستوي الرماد والمسامية والمقاومة الكهربائيه علي مصدر الفحم الحجري الأصلي المستخدم في تصنيع الكوك.
الخواص التي يجب إن تتوافر في عامل الاختزال : 1- احتوائها علي أقل قدر ممكن من الاتربه والمواد الغير قابله للاشتعال ، كذلك التركيب الكيميائي الاتربه أمر مهم . 2- تتمتع بأكبر قدر من السطح المتفاعل والفعال . 3- تحتوي علي اقل قدر من المواد المتطايرة . 4- ذات مقاومه كهر بائيه عالية . 5- رخيصة الثمن ومتوفرة بكثرة . 6- خاليه من الكبريت أو تحتوي علي أقل قدر منه . 7- تتمتع بقدر كاف من المقاومة الميكانيكية وخاصة مقاومة الانضغاط حتي لا يتكسر أثناء الشحن في الفرن ويقاوم الأحمال المؤثرة عليها .
التركيب الكيميائي لأحد أنواع الكوك المستخدم في صناعه الفروسليكون موضح بالجدول التركيب الكيمائي للكوك ومسحوق الكوك الناعم
| |||||
