انتاج الحديد | الفرن العالي - الأقسام والمواصفات
تختلف عمليات الحصول على المعادن من مركز الى آخر ويتوقف ذلك على طبيعة المواد الخام المستخدمة والوقود المستعمل وانتاجية الأفران ودرجة النقاوة المطلوبة للمعدن .
وفيما يتعلق بعملية إنتاج الحديد يجري إرجاع ( إختزال) أكاسيد الحديد الى الحديد المعدني وذلك في الأفران العالية (الفرن اللافح) ، حيث يتم الحصول في هذه الأفران على الحديد مصهوراً ومشبعاً بالكربون كما يحتوي على Si و Mn و P و S وغيرها من الشوائب المعدنية، ويدعى بالحديد الخام .
أجزاء الفرن العالي
يتكون الفرن العالي من الاقسام التالية :
- القمة وتكون إسطوانية الشكل
- مخروط علوي يزداد عرضاً من أسفله
- الاسطوانة أو الجذع وهي الجزء الذي إزداد عرضاً في المخروط العلوي
- المخروط السفلي
- البوتقة أو الموقد وهي أخفض أجزاء الفرن وتتصل مع الجذع عن طريق المخروط السفلي .
- توجد فتحات صب الحديد في الجزء السفلي للبوتقة وتسمى المسافة الشاقولية بين فتحة صب الحديد وقمة الفرن بالارتفاع المفيد للفرن العالي .
- يستند الجزء العلوي للفرن على الاساس من خلال الدعائم التي تدعم حلقة الارتكاز للفرن التي تدعم بدورها الأعمدة التي تحمل تجهيزات القمة .
- شُكل كل جزء من الفرن بحيث يتلائم مع نوعية العمليات في الفرن العالي وصفات المواد الخام والوقود المستعملين .
- يتعدى الإرتفاع المفيد لهذه الافران 30متراً
- ويكون قطر البوتقة أكثر من 14متراً .
مواصفات الفرن العالي
- يبطن الفرن العالي من الداخل بالآجر المقاوم للحرارة إذ تتراوح درجة الحرارة في الفرن بين 300 درجة مئوية في القمة و2100 درجة مئوية في منطقة الاحتراق داخل الموقد .
- تتشكل كمية كبيرة من الحديد والخبث المنصهرين في الجزء السفلي من الفرن ويحوي خبث الفرن العالي أكاسيد يمكنها الفتك ببطانة الفرن .
- ولذلك تصنع البطانة من مواد ثابتة تجاه درجات الحرارة العالية والحمولة الميكانيكية الكبيرة والفعل التآكلي للخبث .
- وتتألف هذه المواد من Al2O3 بنسبة 30-40% و Fe2Ο3 بنسبة اقل من 1.6%
- وماتبقى من السيليكا .
- ويقاوم الآجر المصنع بهذا التكوين الفعل التآكلي للخبث فهو لا يتفاعل مع الاكاسيد الحمضية والقلوية.
- ويفضل استخدام الآجر الذي يحوي على الالمين بنسبة أكثر من 45% في الجزء السفلي من الفرن .
- وتستخدم حالياً بطانة من الفحم إذ لا تتآكل هذه البطانة بفعل المعدن والخبث إذا احتوت على الكربون بنسبة اعلى من 90%
- ولكنها تتخرب بسهولة بتأثير بخار الماء والاكسجين. ولذلك تستخدم لتبطين الأجزاء السفلية من البوتقة حيث يقيها من التأكسد غطاء من الحديد و الخبث .
- ويساعد مثل هذه البطانة على حدوث التبريد بسرعة بسبب ناقليتها العالية للحرارة .
- يتعدى ضغط الغاز في البوتقة 3 جو، ولذلك يُحاط الفرن العالي بغلاف خارجي من الفولاذ سماكته 24 - 40 مم
- تبرد البطانة المقاومة للحرارة بإدخال مبردات مائية في البطانة المقاومة للحرارة ، وفي بعض الأحيان يمكن رش القميص الفولاذي من الخارج بالماء إذا اقتضى الأمر ذلك. وتبرد فتحات الخبث وأنبوبات النفخ بالماء أيضاً .
الوقود المستخدم في الفرن العالي
يستخدم كوقود في الأفران العالية فحم الكوك، الذي يساهم في عمليات الاختزال وكربنة المعدن بالإضافة إلى تسخين شحنة الفرن وصهرها .
وفحم الكوك هو المادة المتبقية بعد فصل المواد الطيارة من الفحم الحجري عند تسخينه حتى 1100 درجة مئوية بمعزل عن الهواء.
يختلف فحم الكوك عن الفحوم التي تكون منها بأنه أكثر متانة وثباتاً تجاه الحرارة ويبدي مقاومة أقل لمرور الغازات في الفرن العالي وذلك بسبب مساميته الناتجة عن انطلاق الغازات من الفحوم المتحولة الى الكوك .
كما يحتوي الكوك على الرماد والكبريت والمواد الطيارة بدرجة أقل من الفحوم التي تكون منها .
وتقيّم نوعية الكوك بنسبة هذه المواد إذ أن حرارة الاحتراق تتعلق بنسبة الكربون في الكوك التي تحددها نسبة المواد المذكورة .
وبزيادة نسبة هذه المواد تقل نسبة الكربون في الكوك وتنقص حرارة الاحتراق، وعدا ذلك فإن زيادة كمية الرماد والكبريت تزيد من كمية الخبث والحرارة التي تصرف على صهره، وتنخفض أيضاً المتانة الميكانيكية للكوك .
أما بزيادة نسبة S (الكبريت) و P (الفوسفور) فتسوء نوعية الحديد الخام .
كما ويستخدم أنواع أخرى من الوقود تحل جزئياً محل الكوك مثل الغاز الطبيعي وغاز الكوك و الديزل ومسحوق الفحم الحجري .
يحتاج تفكك الغاز الطبيعي في الفرن العالي الى صرف كمية كبيرة من حرارة الفرن , ولذا يجب إجراء هذه العملية خارج الفرن .
ويقدم مسحوق الفحم الحجري الى منطقة الاحتراق وذلك بنفخه مع الهواء كي لا يقلل من مسامية عمود الشحنة .
تضاف الى الشحنة مواد تساعد على إنصهار شوائب الخامة وتحويل رماد الكوك الى خبث وزيادة سيولة الخبث ليصبح قادراً على امتصاص الكبريت .
وتختار كمواد مساعدة على الانصهار مواد ذات صفات كيميائية تعاكس التركيب الكيميائي لشوائب الخامة .
وفي خامات الحديد تكون نسبة السيليكا عالية ولذا تقوم بدور المواد المساعدة على الانصهار أكاسيد قلوية مثل CaO و MgO
التي تنشأ عن تفكك الحجر الكلسي أو الحجر الكلسي الدولوميتي .