هندسة عملية فرن الصهر والكيمياء

A فرن الصهر هو الفرن المعدني يستخدم لذاكرة وإنتاج المعادن الصناعية ، وعادة ما يكون الحديد الخنزير ولكن أيضًا معادن أخرى مثل الرصاص أو النحاس.في فرن الصهر ، يتم تزويد الوقود (فحم الكوك) ، وخام ، وتدفق (الحجر الجيري) بشكل مستمر من أعلى الفرن ، بينما يتم تمرير الهواء الساخن (المخصب أحيانًا بالأكسجين) عبر سلسلة من الأنابيب تسمى Tuyeres ، بحيث تكون مثل تسقط المادة إلى أسفل ، تحدث التفاعلات الكيميائية في جميع أنحاء الفرن ، والتفاعل. عادة ما تكون المنتجات النهائية معدنًا منصيرًا وخبثًا تخرج من القاع ، وغازات النفايات (غازات المداخن) التي تخرج من أعلى الفرن.

إن تدفق التدفق الهبوطي للخام والاتصال بالتدفق الصاعد لغازات الاحتراق الغنية بالشتاء الساخن هو عملية تبادل معاد مع مضادة وتفاعل كيميائي.في المقابل ، يتم استنشاق أفران الهواء (مثل أفران الصدى) بشكل طبيعي ، وعادةً ما يكون عن طريق الحمل الغازات الساخنة في المداخن. سيتم تصنيف هذا التعريف الواسع ، وأعمال الصلب المصنوعة من الحديد ، ونباتات تحويل القصدير ، ونباتات الصهر الرصاص كأفران تصفح. ومع ذلك ، يقتصر المصطلح عادةً على تلك المستخدمة في خام الحديد لإنتاج مكواة الخنازير (مادة وسيطة تستخدم لإنتاج فولاذ سلعي) ، وأفران العمود المستخدمة مع نباتات الصبغ في صهر المعادن القاعدة.تقدر أفران الصهر بأنها مسؤولة عن أكثر من 4 ٪ من انبعاثات غازات الدفيئة العالمية بين عامي 1900 و 2015 ، ولكن من الصعب إزالة الكربون

هندسة العمليات والكيمياء

يعمل فرن الصهر على مبدأ التخفيض الكيميائي ، حيث يحول أول أكسيد الكربون أكسيد الحديد إلى مكواة أولية. تختلف أفران الصهر عن الأفران الخشنة والأفراس في ذلك في أفران الصهر ، تتواصل غازات المداخن مباشرة مع الخام والحديد ، مما يسمح لأول أكسيد الكربون بالانتشار في خام ويقلل من أكسيد الحديد. الأفران لا. هناك اختلاف آخر هو أن مصانع صناعة الصلب تعمل في وضع الدُفعات ، في حين أن أفران الصهر تعمل بشكل مستمر لفترات طويلة من الوقت. يفضل أيضًا تشغيل التشغيل المتوحش لأن أفران الصهر يصعب بدءها وتوقفها. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الكربون في حديد الخنازير يجعل انخفاض نقطة الانصهار أقل من الصلب أو الحديد النقي ؛ الحديد ، على العكس من ذلك ، لا يذوب في المصنع.يجب إزالة السيليكا من الحديد الخنزير. يتفاعل مع أكسيد الكالسيوم (الحجر الجيري المحترق) ويشكل السيليكات ، والتي تطفو على سطح الحديد الخنزير المصهور كما خبث. تاريخيا ، تم إنتاج أفضل جودة الحديد باستخدام الفحم لمنع تلوث الكبريت.يجب أن يكون للعمود المتحرك لأسفل من ORE أو FLUX أو Coke أو الفحم وتفاعل التفاعل مسامية كافية لمرور غاز المداخ بما يكفي لا يمكن سحقها بوزن المادة فوقها. بالإضافة إلى القوة البدنية للجزيئات ، يجب أن يكون فحم الكوك منخفضًا أيضًا في الكبريت والفوسفور والرماد.

التفاعل الكيميائي الرئيسي الذي ينتج الحديد المنصهر هو:

Fe₂O₃ + 3CO → 2FE + 3CO₂

قد يتم تقسيم هذا التفاعل إلى خطوات متعددة ، مع أول من أن الهواء المسخن الذي يتم تفجيره في الفرن يتفاعل مع الكربون في شكل فحم الكوك لإنتاج أول أكسيد الكربون والحرارة:

2 ج_(س) + س_{2 (ز)} → 2 co_(ز)

أول أكسيد الكربون الساخن هو عامل تقليل خام الحديد ويتفاعل مع أكسيد الحديد لإنتاج الحديد المنصهر وثاني أكسيد الكربون. الاعتماد على درجة الحرارة في الأجزاء المختلفة من الفرن (أحرها في القاع) ، يتم تقليل الحديد في عدة خطوات في الجزء العلوي ، حيث تكون درجة الحرارة عادة في النطاق بين 200 درجة مئوية و 700 درجة مئوية ، يتم تقليل أكسيد الحديد جزئيًا إلى أكسيد الحديد (II ، III) ، Fe₃O₄.

3 fe₂O_{3 (ق)} + CO_(ز) → 2 Fe₃O_{4 (ق)} + CO_{2 (ز)}

درجات الحرارة 850 درجة مئوية ، لأسفل في الفرن ، يتم تقليل الحديد (II ، III) إلى أكسيد الحديد (II):

Fe₃O_{4 (ق)} + CO_(ز) → 3 FEO_(س) + CO_{2 (ز)}

يمر ثاني أكسيد الكربون الساخن وأول أكسيد الكربون غير المتفاعل والنيتروجين من الهواء عبر الفرن بينما ينتقل مواد التغذية الطازجة إلى منطقة التفاعل. بينما تنتقل المادة إلى الأسفل ، تسخن الغازات المضادة للاتجابية شحنة التغذية وتتحلل الحجر الجيري إلى أكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد الكربون:

كاكو_{3 (ق)} → تساو_(س) + CO_{2 (ز)}

يتفاعل أكسيد الكالسيوم الذي يتكون من التحلل مع شوائب حمضية مختلفة في الحديد (ولا سيما السيليكا) ، لتشكيل خبث فاياليتي الذي هو في الأساس سيليكات الكالسيوم ، كاسيو ₃:

سيو₂ + Cao → Casio₃

نظرًا لأن أكسيد الحديد (II) ينتقل إلى المنطقة ذات درجات حرارة أعلى ، تتراوح ما يصل إلى 1200 درجة مئوية ، يتم تقليله إلى المعادن الحديدية:

Feo_(س) + CO_(ز) → Fe_(س) + CO_{2 (ز)}

يتم إعادة تخفيض ثاني أكسيد الكربون المتكون في هذه العملية إلى أول أكسيد الكربون بواسطة فحم الكوك:

C_(س) + CO_{2 (ز)} → 2 co_(ز)

يسمى التوازن المعتمد على درجة الحرارة التي تتحكم في جو الغاز في الفرن تفاعل Boudouard:

2CO ⇌ CO₂ + C.

"Pig Iron " المنتجة في أفران الصهر يحتوي على محتوى كربون مرتفع نسبيًا يبلغ حوالي 4-5 ٪ ، وغالبًا ما يحتوي على الكثير من الكبريت ، مما يجعله هشًا للغاية وذات استخدام تجاري فوري محدود. يتم استخدام بعض الحديد الخنزير لصنع الحديد الزهر . تتم معالجة معظم الحديد الخنازير المنتجة في أفران الصهر لتقليل محتوى الكربون والكبريت وإنتاج درجات مختلفة من الصلب المستخدمة في مواد البناء والسيارات والسفن والآلات. يتم ذلك عن طريق إضافة أكسيد الكالسيوم ، الذي يتفاعل مع كبريتيد الحديد الموجود في مكواة الخنزير لتشكيل كبريتيد الكالسيوم (المعروف باسم إزالة الكبريت الليمون). حديد الخنزير لتشكيل الصلب الخام.على الرغم من أن كفاءة أفران الصهر استمرت في التطور ، إلا أن العمليات الكيميائية داخل أفران الصهر ظلت كما هي. واحدة من أكبر عيوب أفران الصهر هي إنتاج ثاني أكسيد الكربون الذي لا يمكن تجنبه حيث يتم تقليل الحديد من أكسيد الحديد بواسطة الكربون ، واعتبارًا من عام 2016 ، لا توجد بدائل اقتصادية هي واحدة من أكبر الصناعات التي تنبعث منها ثاني أكسيد الكربون في العالم (انظر غازات الدفيئة) التحقيق في العديد من البدائل مثل النفايات البلاستيكية أو الكتلة الحيوية أو الهيدروجين كعامل تقليل ، والذي يمكن أن يقلل بشكل كبير من انبعاثات الكربون.

تعالج المبادرة الأوروبية التي تسمى ULCOS (صنع الصلب منخفضة ثاني أكسيد الكربون) التحديات التي يطرحها انبعاثات غازات الدفيئة في فرن الصهر. وقد تم اقتراح طرق عملية جديدة ودراسة مكثفة لتقليل الانبعاثات المحددة (ثاني أكسيد الكربون لكل طن من الصلب) بنسبة 50 ٪ على الأقل. يعتمد البعض على التقاط ثاني أكسيد الكربون وتخزين مزيد من التخزين (CCS) ، بينما يختار آخرون إزالة الكربون من الصلب عن طريق التحول إلى الهيدروجين والكهرباء والكتلة الحيوية. يتم تطويره ويتم توسيع نطاقه إلى أفران الصهر التجارية.