طرح اصلی کوره‌های زیمنس- مارتین توسط دانشمندانی از قبیل امیل و پییر مارتین فرانسوی در بین سال های 1840 تا 1865 ارائه شد.
این دانشمندان وقتی با فرضیه زیمنس در سال 1856 مبنی بر استفاده از گرمای گازهای خروجی برای گرم کردن سوخت و هوا آشنا شدند توانستند در کارهای خود به موفقیت‌هایی چشم‌گیری دست یابند؛ که از آن به بعد این کورها به نام کوره زیمنس مارتین شهرت یافت.
طرز کار کوره زیمنس مارتین:
حرارت لازم برای ذوب شارژ در کوره زیمنس مارتین توسط گاز و یا سوخت‌های جامد نظیر زغال‌سنگ و یا مایع تأمین می‌شود. سوخت در دو محفظه احتراق که در دو طرف کوره زیمنس مارتین قرار دارند محترق شده و از طریق مشعل‌هایی به کوره زیمنس مارتین وارد می‌گردد. دو مشعل قرار گرفته در دو طرف کوره زیمنس مارتین با یکدیگر عمل نکرده بلکه یکی برای حدود 15 تا 20 دقیقه کار کرده و سپس با متوقف شدن آن دیگری برای همین مدت کار می‌نماید و این عمل به تناوب تکرار می‌گردد.
برای رسیدن به درجات حرارتی بالا در کوره زیمنس مارتین هوای لازم برای احتراق قبلاً توسط عبور از رژنراتور گرم می‌شوند. این قسمت از کوره زیمنس مارتین متشکل از محفظه‌هایی است شبیه لانه زنبور که توسط اجرهای دیرگداز پوشش داده‌شده و حرارت حاصل گازهای خروجی از کوره زیمنس مارتین گرمای لازم در این گونه محفظه‌ها را تولید نموده واجرهای دیرگداز را گداخته می‌نماید. بدین ترتیب می‌توان درجه حرارت مذاب را تا 80 الا 100 درجه، بالای نقطه ذوب افزایش داد.
اجرهای نسوز مورد استفاده در کوره زیمنس مارتین:
انواع مختلفی از سنگ‌های نسوز برای اجر چینی کوره زیمنس مارتین مورد استفاده قرار می‌گیرند. اجرهای نسوز را می‌توان با توجه به خواص شیمیایی آنها تقسیم‌بندی کرد:
- نسوزهای اسیدی یعنی آجرهایی که صرفاً خواص اسیدی دارند مانند آجرهای سیلیسی، کوارتزی و غیره.
- نسوزهای بازی مانند سنگ‌های منیزیتی، آجرهای منیزیتی، کرومیتی با مقدار زیاد دولمیت و غیره.
- نسوزهای خنثی مانند آجرهای شاموتی، آجرهای کرومیتی و گرد شاموت.
کوره زیمنس مارتین را نیز با توجه به نوع نسوز مورد استفاده تقسیم‌بندی و نام گذاری می‌کنند. بر این اساس کوره زیمنس مارتین به دو نوع کوره زیمنس مارتین اسیدی و بازی تقسیم‌بندی می‌شوند.
فرایند کوره زیمنس مارتین اسیدی تنها برای تولید فولادهای با کیفیت بسیار بالا مناسب است.بنابراین هزینه‌ی تولیدی فولاد در کوره زیمنس مارتین بالاتر از کوره زیمنس مارتین بازی است.
علت افزایش هزینه‌ها نسبت به کوره زیمنس مارتین بازی این است که مواد اولیه باید فسفر و گوگرد بسیار کمتری داشته باشند، چون در کوره زیمنس مارتین اسیدی نمی‌توان عملیات فسفر زدایی و گوگردزدایی را انجام داد. این در حالی است که در کوره زیمنس مارتین با جداره‌ی بازی می‌توان به راحتی عملیات فسفر زدایی و گوگردزدایی را انجام داد.
شارژ مورد استفاده در کوره زیمنس مارتین اسیدی می‌بایست از چدن خام با درجه مرغوبیت بسیار بالا که 0.015 تا 0.02 درصد فسفر و 0.01 تا 0.025 درصد گوگرددارند استفاده می‌شود.
مواد شارژ کوره زیمنس مارتین:
آهک: آهک هم در کوره زیمنس مارتین اسیدی وهم در کوره زیمنس مارتین بازی به عنوان گدازآور مورد استفاده می‌شود. ترکیبات مضر آن عبارت‌اند:سیلیس و گوگرد
سیلیس مقدار آهک پخته را تقلیل می‌دهد و در نتیجه مقدار سرباره را افزایش می‌یابد.
گوگرد عنصر نامطلوبی در فولادها است بنابراین نباید سنگ‌های آهکی که بیشتر از 0.08 – 0.05 درصد گوگرددارند، داخل کوره زیمنس مارتین ریخت.
سنگ‌های آهک ماده‌ی مناسبی برای جوشش مذاب محسوب می‌شوند زیرا در اثر حرارت تجزیه شده و گاز دی‌اکسید کربن از انحا متصاعد می‌شود. این قلیان آهک شرایط انتقال گرما را در داخل کوره زیمنس مارتین بهتر کرده ونیز به عمل تصفیه، توسط اکسیژن دی‌اکسید کربن کمک می‌کند.
کلسیم فلوراید (فلوئورید): این گدازآور دارای 90 تا 95 درصد 2CaF و 3 تا 9 درصد سیلیس است. از این گدازآور برای سیال کردن سرباره‌های خیلی غلیظ استفاده می‌کنند. این گدازآور خاصیت گوگردزدایی دارد.
تجربیات نشان داده که این گدازآور اثر تخریبی روی جداره‌ی سیلیسی دارد.
بوکسید ها: به طور وسیع در کوره زیمنس مارتین بازی برای کنترل سیالیت سرباره مورد استفاده قرار میگیرد. اثر سیال کنندگی آن به افزایش غلظت آلو مینا در سرباره بستگی دارد ولی شدت اثر انحا به مراتب کمتر از فلدسپار است.
آجرهای شکسته‌ی شاموتی: این ماده به سرباره‌ی کوره زیمنس مارتین اسیدی اضافه می‌شود تا سیالیت سرباره را افزایش دهد.
سنگ آهن: این ماده برای سوزاندن ناخالصی‌ها و برای کمک به انحلال آهک به کوره زیمنس مارتین اضافه می‌شود. در ضمن سیلیس نباید از یک حد مجازی در سنگ‌های آهن فراتر رود چراکه منجر به افزایش مصرف آهک می‌شود.
قراضه فولاد: قراضه‌هایی که به بار کوره زیمنس مارتین اضافه می‌شوند نباید به ماسه، گوگرد، سرب، روی، قلع و غیره آلوده باشند.
قراضه‌هایی که با قلع نازک و روی، رو کشی شده است، از پست‌ترین نوع قراضه است.
روی همراه قراضه به هنگام ذوب به صورت بخار اکسید روی متصاعد شده و بر جداره کوره زیمنس مارتین، رژنراتورها، لوله‌های، مشعل، دیگ‌های بخار نشسته و آنها را خراب می‌کند.
وقتی سرب وارد کوره زیمنس مارتین بشود به علت پایین بودن نقطه ذوب فوراً ذوب شده و به علت سنگینی به قسمت تحتانی مذاب جاری و در آنجا به داخل سوراخ‌های باریک آجرها نفوذ کرده و موجبات خرابی سینه کوره زیمنس مارتین را فراهم می‌آورد. گذشته از آن که سرب ممکن است سبب شکستگی سینه کوره زیمنس مارتین و جاری شدن مذاب بشود.
قراضه سبک وزن، تراشه‌های سبک فولادی و سر قیچی‌های ورق را در برمی‌گیرد.
اگر مقدار قراضه سبک وزن در بار کوره زیمنس مارتین زیادتر شود در این صورت زمان باردهی افزایش یافته و در نتیجه بهره‌وری کوره زیمنس مارتین کاهش می‌یابد.
اما این عیب را می‌توان با پرس کردن قراضه در ماشین‌های پرس برطرف کرده و شرایط باردهی را بهتر کرد.
تراشه‌هایی که در کوره زیمنس مارتین مورد استفاده قرار می‌گیرند باید تازه بوده و اکسید نشده باشند (در غیر این صورت حمام مذاب بیش از حد لزوم اکسید شده و گازهای فراوانی در آن تجمع پیدا می‌کنند.(
قراضه‌ها را باید به دقت درجه‌بندی کرد. بدین علت قراضه‌های گوگرددار را باید به دقت از سایر قراضه‌ها جدا کرد زیرا در ساختن فولادهای عالی این نوع قراضه‌ها بسیار نامناسب هستند.
چدن خام: قسمت مهمی از بار کوره زیمنس مارتین را چدن خام تشکیل می‌دهد. در کارخانه‌های فولادسازی که فاقد کوره بلند هستند. چدن خام به صورت شمشهای جامد در کوره شارژ می‌شوند و در هر صورت از لحاظ اقتصادی برخی اوقات به صلاح است که شمشهای منجمد را قبل از ریختن به درون کوره زیمنس مارتین در یک کوره کوپل ذوب کنند.
نقش برخی از عناصر موجود در چدن خام در فرایند فولادسازی کوره زیمنس مارتین:
طبیعت و بازده کوره زیمنس مارتین شدیداً به مقدار فسفر چدن خام بستگی دارد. در فرایند کوره زیمنس مارتین اسیدی که در آن امکان تصفیه فسفر وجود ندارد، مقدار درصد فسفر در چدن خام باید حداقل نگه داشته شود.
تنها زمانی که 20 تا 30 درصد کل شارژ را چدن خام تشکیل می‌دهد می‌توان به روش اسیدی فولادی با 0.015 تا 0.02 درصد فسفر تهیه کرد.
در فرایند کوره زیمنس مارتین بازی می‌توان چدن خام را با مقدار دلخواه فسفر را به فولاد تبدیل کرد
چدن خام مناسب کوره زیمنس مارتین تا 0.02 فسفر دارد اگر مقدار فسفر چدن خام بالاتر از 1.5 درصد باشد در این صورت سرباره تولیدی به عنوان کود شیمیایی مورد استفاده قرار خواهد گرفت.
گوگرد عنصری بسیار مضری برای فولادسازی محسوب می‌شود چون برطرف کردن قسمتی از آن حتی در کوره زیمنس مارتین بازی نیز بسیار مشکل است.
تصفیه مذاب توسط کوره زیمنس مارتین:
کار کوره زیمنس مارتین تصفیه مذاب به فولاد است. ترکیب شارژ فلزی می‌تواند بین 100 درصد چدن خام تا 100 درصد قراضه تغییر کند.
در کوره‌ی زیمنس مارتین برای سوزاندن عناصر مضر اکسیژن به کوره زیمنس مارتین دمیده می‌شود در نتیجه یک اتمسفر اکسیدکننده در بالای مذاب به وجود می‌آید. پس از دمش اکسیژن ناخالصی‌های شارژ به همراه مقداری آهن، اکسید می‌شوند که در سرباره تجمع می‌یابند.
فسفر زدایی: فسفر یکی از عناصر مضر در فولاد محسوب می‌شود. همان‌طور که در قسمت فوق توضیح داده شد برای تصفیه ناخالصی‌ها از اکسیژن استفاده می‌شود پس از دمش اکسیژن فسفر به صورت ترکیب 5O2P وارد سرباره می‌گردد. ترکیب 5O2P در دماهای بالا ناپایدار است که در صورت بالا بودن زمان ذوب فسفر وارد مذاب می‌شود.
گوگردزدایی در کوره زیمنس مارتین:
گوگرد از جمله عناصر مضری است که خواص مکانیکی، مقاومت به خوردگی و قابلیت جوشکاری را کاهش می‌دهد.
منگنز از جمله عناصری است که خاصیت گوگردزدایی دارد که از این عنصر جهت تقلیل اثرات مضر گوگرد استفاده می‌شود.
اکسیژن زدایی در کوره زیمنس مارتین:
با توجه به این که برای تصفیه مذاب از اکسیژن استفاده می‌شود حجم بالایی از اکسیژن در داخل مذاب حل می‌شود و همین موضوع عملیات اکسیژن زدایی لازم و ضروری می‌گرداند.
روش‌های مختلفی جهت اکسیژن زدایی مذاب موجد است که در این بین عملیات اکسیژن زدایی رسوبی بیشترین کاربرد را دارد در این روش از عناصری که قدرت اکسیژن زدایی بالایی دارند استفاده می‌شود که عبارت‌اند از:Ca_Zr_Al_Si
ديرگدازها در صنايع فولادسازي
-1مقدمه
كليه صنايع و کارخانه‌هایی كه داراي راكتورهاي گرمائي بوده و به طرق مختلف در مرحله ايي از فرآيند توليد در تماس مواد با درجه حرارت بالا می‌باشند لازم است كه ديواره کوره‌ها، مخازن، بونكرها، لوله‌ها، راهگاه‌ها و ظروف حمل و نقل كه حاوي مواد داغ و گداخته می‌باشند با مواد ديرگداز پوشانده شوند ديرگدازها يا مواد نسوز به اکسیدهای فلزي و شبه‌فلزی گفته می‌شود كه داراي نقطه ذوب بالا بوده و به صورت آجر، ملات، پودر و قطعات شكل داده‌شده مصرف می‌شوند اين مواد بستگي به اجزاء تشکیل‌دهنده داراي خصوصيات فيزيكي و شيميائي و كاربردهاي متفاوتي می‌باشند به‌طور ميانگين 70 درصد مواد ديرگداز در جهان در صنايع فولادسازي 7 درصد در صنايع سيمان و آهك، 7 درصد در صنايع سراميك، 40 درصد در صنايع شیشه‌سازی، 3 درصد در صنايع غير آهني و 9 درصد به طور متفرقه مصرف می‌شود و به اين دليل است كه مواد ديرگداز در صنايع فوق از اهميت ویژه‌ای برخورد دار است و بدون آن ادامه روند در اين صنايع غیرممکن می‌باشد.
تقسیم‌بندی مواد ديرگداز
مواد دیرگداز از جنبه‌های مختلف دسته‌بندی می‌گردند چنانچه بر اساس تركيب شيميائي باشد به مواد اسيدي، خنثي و بازي تقسيم می‌شوند و از نظر روش توليد به مواد ديرگداز پرس خشك، اكستروژن، ریخته‌گری و از جنبه درجه حرارت به ديرگدازهاي معمولي(C 1770- 1550 ) ديرگدازهاي درجه حرارت بالا ( 2000-1770 ) و ديرگدازهاي خيلي بالا ( بالاي 2000 درجه سانتی‌گراد ) تقسیم‌بندی می‌گردند.
آنچه متداول‌تر است تقسیم‌بندی شيميائي می‌باشد.
مواد ديرگداز اسيدي
متداول‌ترين مواد ديرگداز اسيدي سيليس ( Sio2 ) می‌باشد اين ماده به صورت طبيعي و به اشكال گوناگون و با فراواني مختلف مانند كوارتز در طبيعت يافت می‌شود. از جمله مواد دیرگداز اسيدي آلومينوسيليكاتها را می‌توان نام برد.
مواد ديرگداز بازي ( قليائي (
دولوميت ( Cao- mgo )، منيزيت ( Mgo ) و كرم منيزيت از متداول‌ترين مواد ديرگداز بازي می‌باشند كه كاربرد زيادي خصوصاً در صنايع فولادسازي دارا می‌باشند
مواد ديرگداز خنثي
مواد ديرگداز خنثي براي جدا نمودن مواد ديرگداز اسيدي و بازي استفاده می‌شود كروميت از متداول‌ترين مواد ديرگداز خنثي می‌باشد كه براي مجزا نمودن آستر بازی و آستر اسيدي استفاده می‌شود.
دیرگدازهاي مصرفي در فولادسازي
مصرف مواد دیرگداز در صنايع فولادسازي بستگي به محل مصرف و شرايط
بهره‌برداری از لحاظ تركيب شيميائي و شكل ماده متفاوت می‌باشند. اين مواد به صورت آجر و مواد بی‌شکل در آستر کوره‌ها، پاتیل‌ها، تانديش ها و راهگاه‌های تخليه استفاده می‌گردند انواع مواد ديرگداز مصرفي در صنايع فولادسازي شامل مواد نسوز عايق، مواد نسوز دولوميتي، منيزيتي، كرم – منيزيت، مواد بی‌شکل، مواد گانينگ
می‌باشند.
مواد ديرگداز عايق
به‌طور كلي خاصيت اصلي اين مواد اين است كه قابليت هدايت حرارتي انحا كم باشد
و اين خاصيت ناشي از تخلخل زياد آن می‌باشد كه در این مواد وجود دارد.
اين مواد عمدتاً به خاطر جلوگيري از افت حرارتي کوره‌ها و پاتیل‌ها كاربرد دارند.
مواد ديرگداز آلومينوسيليكاتي
خاك رس تشکیل‌دهنده اين نوع ديرگداز می‌باشد كه مقدار آلومين آن 35 الي 75 درصد متغير است ديرگدازهاي شاموتي با 25 الي 45 درصد آلومين به عنوان مقاوم در مقابل انتقال حرارت كه در برابر شوك حرارتي حساس هستند در سلول‌های کوره‌هاي كك و ديواره بيروني پاتیل‌ها استفاده می‌شود با افزايش ميزان AL2o3 در این نوع ديرگدازها نقطه ذوب آن افزايش و كاربرد وسيعي در كوره بلند و فولادسازي
دارا می‌باشند.
نسوزها منيزيتي
منيزي در طبيعت به صورت كربنات مينزيم و هيدرات منيزيم می‌باشد كه از حرارت دادن اين مواد Mgo توليد می‌شود.
در حال حاضر اكثر منيزي دنيا از آب دريا به دست می‌آید ديرگدازهاي منيزيتي كاربرد فراواني در کوره‌هاي فولادسازي، همزن‌ها، كنورتورهاي سرب، مس و نيكل دارد. منيزي به عنوان يك ديرگداز بازي داراي نقطه ذوب بالائي می‌باشد.
مواد ديرگداز دولوميتي
كربنات مختلط منيزيم و كلسيم در اثر تكليس تبديل به اكسيد منيزيم و آهك می‌گردد مخلوط اين دو اكسيد خاصيت ديرگدازي و به‌طور كلي داراي نقطه ذوب بالا می‌باشد عيب اين نوع ديرگداز جاذب رطوبت بودن انحا است.
توليد و مصرف ديرگدازها در ايران و جهان
صنعت توليد مواد ديرگداز در ايران هم‌زمان با صنعت سيمان ايجاد گرديد و براي اولين بار در سال 1318 كارخانه نسوز امین‌آباد در تهران با ظرفيت روزانه 5 تن مواد ديرگداز آغاز به كار و با تأسيس كارخانه ذوب‌آهن اصفهان نخستين كارخانه بزرگ مكانيزه توليد مواد دیرگداز در اين كارخانه با توليد اوليه 24 هزار تن آجر شاموتي و 15 هزار تن محصولات قليائي و انواع جرم احداث و در سال 1352 راه‌اندازی گرديد تا سال 1357 در ايران حدود 60 هزار تن مواد نسوز توليد می‌گردید. پس از انقلاب با توسعه صنعت ديرگداز و احداث کارخانه‌های جديد ظرفيت توليد مواد ديرگداز در ایران افزايش يافت و جمع ظرفيت اسمي تاپیان سال 1383 مقدار 330000 تن بوده است. در سال 82 251000 تن مواد ديرگداز در ايران تولیدشده و پیش‌بینی می‌شود كه طي سال 83 به مقدار 295000 تن افزايش يابد. ايران با در اختيار داشتن سهمي بيش از يك درصد توليد جهاني مواد ديرگداز، رتبه اول را در ميان كشورهاي خاورميانه به خود اختصاص داده است و پس از ايران مصر و عربستان در رتبه‌های بعدي منطقه می‌باشند مصرف مواد ديرگداز درجهان داراي يك روند نزولي می‌باشد كه اين كاهش مصرف در كشورهاي صنعتي سرعت كمتري نسبت به كشورهاي در حال توسعه دارد. عوامل مؤثر بركاهش مصرف مواد نسوز را بشرح زير می‌توان نام برد.
- استفاده هر چه بيشتر از فنون تعميرات موضعي در جداره كوره و پاتیل‌ها مانند روشهاي تعمير با كاربرد جرمهاي پاشيدني
- كاربرد هر چه بيشتر مواد اوليه بازيابي شده از مواد ديرگداز مستعمل براي توليد محصولات جديد.
- تغيير طراحي دستگاهها و راكتورها و تغييرات در تكنولوژي و فرآيندهاي فولادسازي براي كاهش هزينه ها
- جايگزيني محصولات ديرگداز سنتي با محصولات پر كيفيت مانند كامپوزيتها و سراميكهاي غير اكسيدي
- استفاده روز افزون از مواد نسوز بی‌شکل به جاي محصولات شكل داده
مانند آجرها
- توليد روز افزون محصولات تخصصي براي مصارف خاص و جايگزيني محصولات عمومي
مصرف مواد ديرگداز در صنايع فولادسازي در كشورها و کارخانه‌های مختلف بستگي به فرآيند توليد فولاد متفاوت می‌باشد و به‌طور ميانگين در سالهاي اخير براي توليد يك تن فولاد حدود 15 كيلوگرم نسوز مصرف می‌شود كه اين مقدار در كشورهاي در حال توسعه مانند هند 11 كيلوگرم در آمريكا حدود 8 كيلوگرم می‌باشد در كشورهاي روسيه و چين كه از فرآيندهاي سنتي در توليد فولاد استفاده می‌گردد اين مقدار بالاتر است در کارخانه‌های فولادسازي ايران نيز مصرف مواد دیرگداز با ميانگين جهاني فاصله چنداني ندارد به عنوان نمونه مصرف مواد ديرگداز در مجتمع فولاد مباركه از 71/20 كيلوگرم در سال 1380 به 67/15 كيلوگرم در سال 1382 كاهش يافته است سهم واردات درمصرف مواد ديرگداز در ايران طي سال 1381 مقدار 5/5 درصد، شركت فرآورده هاي نسوز آذر 38 درصد، نسوز ايران 7/18 درصد، نسوز پارس 12 درصد، نسوز تبريز
1/8 درصد، ديرگداز ايران 7/6 درصد و ساير توليد كنندگان 11 درصد بوده اند.
بر اساس اطلاعات موجود 65 درصد مواد ديرگداز در ايران در صنايع فولادسازي
8 درصد در صنايع سيمان، 7 درصد در صنايع پتروشيمي، 6 درصد در صنايع
غير آهني، 5 درصد در صنايع سراميك و 10 درصد در ساير صنايع مصرف می‌شوند با احتساب ميانگين جهاني در مصرف ديرگداز در برنامه توليد 20 ميليون تن فولاد نياز به 300 هزار تن مواد ديرگداز می‌باشد و اگر ساير صنايع نيز مطابق رشد فولاد افزايش ظرفيت داشته باشند در سال 2009 كشور نياز به 500 هزار تن مواد ديرگداز
خواهد داشت.
نتيجه گيري
مصرف مواد ديرگداز در صنايع فولادسازي از لحاظ وزني كاهش يافته كه به علت پيشرفت هاي كيفي در توليد مواد ديرگداز و تغييرات تكنولوژي در توليد فولاد می‌باشد در ايران با توجه به ظرفيت هاي موجود در توليد مواد ديرگداز و معادن منيزيت، كروميت و دولوميت و منايع انرژي ارزان توان به القوه در توليد مواد ديرگداز بر اساس نياز صنايع مختلف وجود دارد و با توجه به وجود بازار مصرف در كشورهاي منطقه لزوم دستيابي به بازارهاي صادرات را مي طلبد.
