کک متالورژی

کک متالورژی محصول کربن تصفیه شده می باشد که از نوع خاصی از ذغال سنگ ساخته شده است. با استفاده از درجه حرارت بسیار بالا، زغال سنگ می تواند در کک تصفیه شود، که در فرآیندهای ساخت آهن و فولاد استفاده می شود. یکی از مهم ترین مراحل در فرآیند تولید کک، انتخاب ذغال مناسب برای استفاده به عنوان ماده اولیه است.

 کک متالورژی دارای یک ساختار از کربن ناهمسان گرد به شکل موزائیک و ناهمسان گرد و هم چنین کربن ایزوتروپیک یا بی اثر تشکیل شده است. خصوصیات فیزیکی و شیمیایی ذغال سنگ در نهایت سیالیت سیستم کربن سازی را کنترل می کند و این به نوبه خود در کنترل اندازه و شکل ناهمسانگردی حاصل در کک اهمیت دارد. هر جزء از بافت نوری به عملکرد کک کمک می کند. واحدهای موزائیک به صورت تصادفی متصل به قطر 1 تا 10 ، از مقاومت در برابر انتشار و شکستگی نسبت به کربن ایزوتروپیک یا کربن نا همسان گرد از نوع جریان مقاومت دارند. کربن نا همسان گرد نسبت به کربن ایزوتروپیک نسبت به گاز زدایی مقاوم تر است و این عامل در بحث از بین رفتن محلول در کوره انفجار مرتبط است. واحد های موزائیک کربن نا همسان گرد، در مورد گاز زدایی، شکاف هایی را ایجاد نمی کنند که در نا همسان گردی از نوع جریان رخ می دهد و از این رو می توان مقاومت کک را نسبتاً حفظ کرد. موزاییک ها که بخش عمده ای از بافت نوری کک متالورژی را تشکیل می دهند نسبت به نا همسان گردی از نوع جریان نسبت به حمله قلیایی مقاوم تر هستند.

 کک نیز محصول کربن تصفیه شده می باشد که از نوع خاصی از زغال سنگ ساخته شده است. با استفاده از درجه حرارت بسیار بالا، زغال سنگ می تواند در کک تصفیه شود، که در فرآیندهای ساخت آهن و فولاد استفاده می شود. یکی از مهم ترین مراحل در فرآیند تولید کک، انتخاب ذغال مناسب برای استفاده به عنوان ماده اولیه است.

در ادامه تعریف این کک این نکته را هم لازم است بدانید که تولید کنندگان کک متالورژی در ایران هم موجود می باشند که پس از تولید آن کک نیز اقدام به فروش کک متالورژی می کنند. شما بهتر است که حتما قبل از خرید کک متالورژی همه ی تحقیقات لازم را در این زمینه انجام دهید و از اطلاعات لازم در موضوع کک و کیفیت آن اطلاع پیدا کنید و از قیمت کک متالورژی هم در بازار آگاه شوید تا بتوانید تصمیم بهتری در جهت خرید آن اتخاذ کنید.

ذغال سنگ در ساخت کک متالورژی

ذغال سنگ متالورژی نوع خاصی از ذغال سنگ است که در ساخت کک متالورژی مورد استفاده قرار می گیرد. برای ساخت کک متالورژی دو نوع ذغال سنگ وجود دارد: ذغال سنگ کک سخت و ذغال سنگ کک نیمه کاره که این ذغال سنگ ، برای کک ایده آل است زیرا وقتی در یک کوره بزرگ قرار می گیرند ذوب می شوند، متورم می شوند و دوباره جامد می شوند. این نوع ذغال سنگ نیز از نا خالصی های کمی برخوردار است. نوع سوم ذغال سنگ متالورژی، PCI، بعضی اوقات در ساخت فولاد یا آهن برای جایگزینی کک متالورژیک شده گران قیمت تر مورد استفاده قرار می گیرد.

آنالیز کک متالورژی

 کک با گرم کردن ذغال سنگ متالورژی تا حدود 2000 درجه فارنهایت ایجاد می شود. طبق اعلام انجمن جهانی ذغال سنگ، روند کک سازی حدود 12 تا 36 ساعت در فر طول می کشد. پس از بیرون آمدن از فر، کک با آب یا هوا خنک می شود تا قبل از اینکه در انبار قرار گیرد یا مستقیماً در کوره انفجار قرار داده شود. طبق اعلام اداره اطلاعات انرژی ایالات متحده، محصول نهایی تقریباً دو سوم وزن مواد اولیه را دارا است.

عوامل مؤثر بر کیفیت کک متالورژی

کک با کیفیت بالا معمولاً از ذغال سنگ با کیفیت بالا ساخته می شود. سازندگان کک معمولاً از ترکیب ذغال سنگ برای بهبود کیفیت کک تولید شده استفاده می کنند. یک ذغال سنگ با کیفیت نباید فشار زیادی به دیواره کوره وارد کند و باید به اندازه کافی کوچک شود تا امکان خارج کردن آسان از فر کک صورت فراهم شود. به گفته انستیتوی آهن و فولاد آمریکا، خواص کک و عملکرد آن در فرآیند تحت تأثیر میزان رطوبت، تراکم، هوازدگی ذغال سنگ و چندین عامل دیگر است.

موارد مصرف کک متالورژی

درباره کاربرد کک متالورژی باید گفت که عمدتاً در ساخت آهن مورد استفاده قرار می گیرد که به نوبه خود به عنوان ماده اصلی فولاد مورد استفاده قرار می گیرد. انجمن جهانی ذغال سنگ روند ساخت آهن را به شرح زیر تشریح می کند. طی یک روش معمول ساخت آهن، سنگ آهن، کک و مقادیر کمی از مواد معدنی مورد استفاده برای جمع آوری نا خالصی ها در کوره انفجار قرار می گیرند. هوای بیش از حد گرم شده در داخل کوره دمیده می شود و باعث می شود کک بسوزد. این سوختن باعث تولید مونوکسید کربن می شود، که با سنگ آهن واکنش نشان می دهد و حرارت را برای ذوب آهن گرم فراهم می کند. شیر در کف کوره اجازه می دهد تا آهن مذاب و همچنین نا خالصی ها از داخل کوره بیرون بیایند.

ویژگی های ساختاری کک متالورژی

این مطالعه با هدف بررسی رابطه بین استحکام کششی کک متالورژیک شده و ترکیب بافتی ماتریس کربن و ساختار متخلخل کک و همچنین ارزیابی بیشتر استفاده از این ویژگی های ساختاری به عنوان پایه روش های پیش بینی مقاومت کک انجام شد. چهل و چهار کک مورد بررسی در یک کوره کوچک از ذغال سنگ مخلوط شده بر اساس شش ذغال سنگ متفاوت در درجه مختلف تولید شد. ترکیب بافت آن ها توسط میکروسکوپ نوری قطب شده مورد بررسی قرار گرفت، در حالی که پارامتر های ساختاری منافذ با تجزیه و تحلیل تصویر رایانه ای متصل به میکروسکوپ نوری منعکس شده اندازه گیری شدند. استحکام کششی کک متالورژی می تواند به داده‌های بافتی با دقت و با استفاده از چندین رابطه مرتبط باشد، که برخی از آن ها براساس مدلی برای عدم کشش کک ساخته شده اند. روابط بین استحکام کششی و پارامترهای خاکی منافذ کمتر موفقیت آمیز بود که این مورد احتمالاً به دلیل مشکلات مرتبط با سیستم اندازه گیری مورد استفاده بوده است. روابط غیر هم سو نیز با ترکیبی از داده های ساختاری و بافت منافذ ایجاد و مورد بررسی قرار گرفت. به این ترتیب نشان داده شد که روابط بین استحکام کششی و محاسبه داده های بافت محاسبه شده مبنای روش پیش بینی مقاومت کک بوده است. هم چنین، مقاومت کششی را می توان از ترکیب مخلوط و استحکام کششی کک تولید شده از کک کامپوننت محاسبه کرد. از هر کدام از این دو روش می توان بهره گرفت چون که هر کدام از این دو روش در موقعیت های مختلف دارای ارزش زیادی هستند.

آن چه که باید درباره ذغال سنگ لازم در ساخت کک متالورژی بدانید…

از ذغال سنگ که به ذغال سنگ کک نیز معروف است، برای تولید کک متالورژیک شده که منبع اصلی کربن مورد استفاده در فولاد سازی می باشد نیز استفاده می شود. زغال سنگ یک سنگ رسوبی است که به طور طبیعی اتفاق می افتد و در طی میلیون ها سال با تشکیل گیاهان و سایر مواد آلی به خاک سپرده شده است و در معرض نیرو های زمین شناسی قرار دارد. گرما و فشار باعث ایجاد تغییرات جسمی و شیمیایی بر روی آن می شوند و در نتیجه زغال سنگ غنی شده از کربن است.

ذغال سنگ در کک متالورژی

ذغال سنگ در کک متالورژی با ذغال سنگ حرارتی که برای انرژی و گرمایش استفاده می شود، از نظر کربن و توانایی پخت آن فرق می کند. آماده سازی آن به توانایی تبدیل زغال سنگ به کک، فرم خالص کربن است که می تواند در کوره های اصلی اکسیژن استفاده شود. ذغال سنگ قیر، که معمولاً به عنوان یک طبقه متالورژی طبقه بندی می شود، سخت تر و سیاه تر است و نسبت به ذغال سنگ های رده پایین حاوی کربن بیشتر و رطوبت و خاکستر کمتری است.

درجه ذغال سنگ و توانایی پخت آن توسط رتبه ذغال سنگ تعیین می شود. اندازه گیری ماده فرار و میزان دگرگونی و همچنین ناخالصی های معدنی و توانایی ذغال سنگ در ذوب شدن، تورم و تصحیح در هنگام گرم شدن از عوامل مهم و تاثیر گذار هستند. سه دسته اصلی ذغال سنگ در کک متالورژی عبارت می باشند از:

• زغال سنگ کک سخت (HCC)
• ذغال سنگ کک نیمه نرم (SSCC)
• ذغال سنگ خام (PCI)

ذغال سنگ های کک سخت به مانند آنتراسیت نسبت به ذغال سنگ های کک نیمه نرم از ویژگی های کک متالورژی بهتر برخوردار هستند و به آن ها امکان می دهد قیمت بالاتری را بدست آورند. HCC استرالیا به عنوان معیار صنعت در کک متالورژی در نظر گرفته می شود.

در حالی که ذغال سنگ PCI اغلب به عنوان ذغال سنگ در کک متالورژیک شده طبقه بندی نمی شود، اما هنوز هم به عنوان منبع انرژی در فرآیند تولید فولاد مورد استفاده قرار می گیرد و می تواند تا حدی کک متالورژی را در بعضی از کوره های انفجار جایگزین کند.

ساختن کک متالورژی

ساخت کک متالورژی در واقع کربن سازی ذغال سنگ در دما های بالا است. تولید به طور معمول در یک باتری کک متالورژیک شده واقع در نزدیکی یک کارخانه فولادی یک پارچه صورت می گیرد. در باتری ، اجاق های کک متالورژی در ردیف ها انباشته می شوند. ذغال سنگ را درون فر ها بار می گذارند و در صورت عدم وجود اکسیژن تا دمای حدود 1100 درجه سانتیگراد ( 2000 درجه فارنهایت ) گرم می شوند.

البته این نکته را هم لازم است بدانید که بدون وجود اکسیژن ، زغال سنگ نمی سوزد و شروع به ذوب شدن می کند. درجه حرارت بالا نا خالصی های ناخواسته مانند هیدروژن ، اکسیژن ، نیتروژن و گوگرد را بی ثبات می کند. این گازهای خروجی یا می توانند که به عنوان فرآورده های جانبی جمع آوری و بازیابی شوند یا به عنوان منبع گرما سوخته شوند.

پس از خنک شدن، کک به عنوان توده های متخلخل و کریستالی متخلخل به اندازه کافی بزرگ می شود که توسط کوره های انفجار مورد استفاده قرار می گیرد. کل فرآیند می تواند بین 12 تا 36 ساعت به طول بیانجامد.

خواص ذاتی در ذغال سنگ ورودی اولیه نیز به شدت بر روی کیفیت نهایی کک متالورژیک شده تولید شده تأثیر می گذارد. عدم تأمین اعتبار مناسب از واحد های ذغال سنگی جداگانه به این معنی است که کک سازان امروزه اغلب از مخلوط های حداکثر 20 ذغال سنگ مختلف استفاده می کنند تا به فولاد سازان محصولی سازگار را ارائه دهند.

تقریباً یک و نیم تن ذغال سنگ متالورژی برای تولید 1 تن کک متالورژی ( 1000 كیلوگرم کک متالورژی ) مورد نیاز است.

کک متالورژی در فولاد سازی

کوره های اصلی اکسیژن (BOF) که 70 درصد از تولید فولاد را در سراسر جهان تشکیل می دهند، به سنگ آهن، کک متالورژی و شار به عنوان مواد خوراکی در تولید فولاد نیاز دارند.

پس از تغذیه کوره انفجار با این مواد، هوای گرم درون آن مخلوط می شود. هوا باعث سوزاندن کک متالورژی می شود و دما را تا 1700 درجه سانتیگراد بالا می برد که نا خالصی ها را اکسید می کند. این فرآیند 90٪ کربن را کاهش می دهد و باعث می شود آهن مذاب به عنوان فلز داغ شناخته شود.

سپس فلز گرم از کوره انفجار تخلیه شده و به BOF ارسال می شود که در آن فولاد قراضه و سنگ آهک اضافه شده است تا فولاد جدیدی بسازد . عناصر دیگری مانند مولیبدن ، کروم یا وانادیوم می توانند برای تولید درجه های مختلفی از فولاد اضافه شوند. به طور متوسط حدود 630 کیلوگرم کک متالورژی برای تولید 1 تن فولاد مورد نیاز است.

راندمان تولید در فرآیند انفجار کوره به کیفیت مواد اولیه مورد استفاده بستگی دارد. کوره انفجار که از کک با کیفیت بالا تغذیه می شود، به کک و شار کمتری نیاز دارد، هزینه های تولید را کاهش داده و فلز گرم بیشتری به همراه خواهد داشت.

در سال 2013 ، تخمین زده شده 1.2 میلیارد تن ذغال سنگ توسط صنعت فولاد استفاده شده است . چین بزرگترین تولید کننده و مصرف کننده زغال سنگ کک متالورژی در جهان است که در سال 2013 حدود 527 میلیون تن متریک را تولید نموده است . استرالیا و ایالات متحده به ترتیب 158 میلیون و 78 میلیون تن متریک تولید می کنند.
بازار بین المللی ذغال سنگ کک، تعجب آور نیست که وابسته به صنعت فولاد است. تولیدکنندگان اصلی شاملBHP Billiton ،Teck ، Xstrata ،Anglo American و Rio Tinto هستند. بیش از 90٪ از کل تجارت دریایی ذغال سنگ متالورژی جزء محموله های استرالیا، کانادا و ایالات متحده به حساب می آید.

خواص کک متالورژی

کک متالورژی دارای مورفولوژی به شکل متخلخل و باز است و در بعضی موارد حتی ممکن است به صورت شیشه ای هم به نظر برسد. کک متالورژی تقریباً هیچ محتوای فراری ندارد. با این حال، ترکیبات “خاکستر”، که بخشی از زغال سنگ خوراک اصلی بودند، در کک متالورژیک شده حاصل گرفتار می شوند. تراکم عمده کک به طور معمول در حدود 0.78 است.
کک با کیفیت بالا با مجموعه مشخصی از خصوصیات فیزیکی و شیمیایی مشخص می شود که می تواند در محدوده ای باریک و کاملا به شکل متفاوت باشد. خواص کک را می توان به دو گروه زیر تقسیم کرد: الف) خصوصیات فیزیکی و ب) خصوصیات شیمیایی.

مشخصات فیزیکی کک متالورژی

منظور از این مشخصات فیزیکی کک ، اندازه گیری خصوصیات فیزیکی در تعیین رفتار کک در داخل و در خارج از کوره انفجار می باشد . خصوصیات فیزیکی لازم کک در زیر آورده شده است.

اندازه متوسط کک متالورژی: این اندازه میانگین حسابی کک است که با اندازه گیری کردن اندازه ی کک بر روی یک صفحه مشخص از صفحه نمایش تعیین می شود . به طور معمول هرچه اندازه کک بزرگتر باشد بهتر است . توزیع اندازه باریک کک نیز مطلوب است.

شاخص واکنش پذیری کک متالورژی (CRI): آن را با آزمایش آزمایشگاهی که برای شبیه سازی از دست دادن کک از طریق واکنش در جو کاهش می یابد اندازه گیری می کنند، زیرا کک راه خود را به سمت پایین کوره انفجار ادامه می دهد. کک تا 950 درجه سانتیگراد در یک فضای بی اثر گرم می شود و در آن درجه حرارت در جو CO2 نگهداری می شود. کک در زیر جو بی اثر خنک می شود و کاهش وزن که به صورت درصد بیان می شود، مقدار CRI کک متالورژی است. CRI توانایی کک در مقاومت در برابر شکستگی در دمای اتاق را اندازه گیری می کند و بازتاب رفتار کک در خارج از کوره انفجار و در قسمت بالای کوره انفجار است.

استحکام کک متالورژی پس از واکنش (CSR): این نشانگر قدرت کک پس از قرار گرفتن در معرض کاهش جو کوره انفجار است. کک، پس از قرار گرفتن در معرض دمای بالا و جو CO2 از آزمایش واکنش کک، برای تعیین CSR در معرض آزمایش غلتک قرار می گیرد. CSR پتانسیل کک را برای شکسته شدن در اندازه کوچکتر در محیط CO / CO2 با درجه حرارت بالا که در طول دو سوم پایین کوره انفجار وجود دارد، اندازه گیری می کند.

تست درام کک متالورژی: این آزمایش براساس استاندارد ژاپنی JIS K2151 انجام شده است . یک نمونه آزمایشی 10 کیلوگرمی از کک سوراخ به اندازه 50 میلی متر مربع در طبل ماساژ مشخص قرار داده شده و برای 30 چرخش، حذف، نمایش و جایگزینی در طبل چرخانده شده و در معرض یک تحول بیشتر 150 چرخشی قرار می گیرد. درام حاوی آسانسور هایی است که کک متالورژیک شده را بالا می برد و به آن اجازه می دهد سقوط کند به طوری که به دیواره های طبل تعداد زیادی ضربه وارد می کند. شاخص های گزارش شده درصد مواد باقیمانده از سوراخ 15 میلی متر مربع پس از 30 چرخش و به همان اندازه پس از 150 چرخش بعد از تحول آن است. هرچه مقدار کک متالورژی بزرگتر باشد، ارزش آن بالاتر است.

تست ASTM کک متالورژی : در این آزمون یک نمونه آزمایشی 10 کیلوگرمی از کک سوراخ 75 میلی متر مربع به اضافه کک سوراخ 50 میلی متر در یک درام مخصوص لوله کشی قرار داده شده و برای 1400 چرخش آماده می شود. این آزمایش بر اساس استاندارد آمریکایی ASTM انجام شده است. ثبات کک به عنوان درصد کک پس از 1400 چرخش تحولی و سختی به عنوان درصد کک به اضافه 6.3 میلی متر مربع پس از 1400 چرخش تحولی گزارش شده است. مقادیر بالاتر از این شاخص ها نشانگر قدرت کک متالورژی است.

آزمون ترکیبی نیمی از میکرو / ایرسید کک متالورژی: در این آزمون یک نمونه آزمایشی از کک متالورژیک شده سوراخ گرد با 25 میلی متر در طبل منگنه مشخص قرار داده شده و برای 100 چرخش آماده می شود. کک در طبل برداشته شده، نمایش داده می شود و سپس جایگزین می شود و 400 بار دیگر مورد چرخش قرار می گیرد.

خواص شیمیایی کک متالورژی

مهم ترین خاصیت شیمیایی رطوبت، کربن ثابت، خاکستر، گوگرد، فسفر و قلیا ها است. کربن ثابت بخش سوخت کک متالورژی است. هر چه کربن ثابت بالاتر باشد، ارزش حرارتی کک نیز بیشتر می شود. اجزای دیگر مانند رطوبت ، خاکستر، گوگرد، فسفر و قلیا ها نا مطلوب هستند زیرا تأثیرات نا مطلوبی بر روی نیاز های انرژی، عملکرد کوره انفجار، کیفیت فلز داغ و یا آستر نسوز دارند. درصد خاکستر و گوگرد موجود در کک متالورژیک شده به طور خطی به ذغال سنگ مورد استفاده برای تولید بستگی دارد.