بررسی جامع تفاوت‌های کوره قوس الکتریکی (EAF) و کوره قوس الکتریکی زیرشارژ (SAF) در صنایع فولاد و فروآلیاژ

چکیده
کوره‌های قوس الکتریکی (EAF: Electric Arc Furnace) و قوس زیرشارژ (SAF: Sub merged Arc Furnace) از مهم‌ترین تجهیزات در صنایع متالورژی هستند. هر دو از قوس الکتریکی برای تولید حرارت استفاده می‌کنند، اما در ساختار، نوع واکنش، هدف تولید، ترکیب مواد اولیه و محصولات نهایی تفاوت‌های اساسی دارند.
کوره EAF عمدتاً برای ذوب قراضه، آهن اسفنجی و تولید فولاد خام استفاده می‌شود، در حالی‌که SAF برای احیای مواد معدنی و تولید فروآلیاژهایی نظیر فروسیلیس، فرومنگنز، و فرکروم کاربرد دارد. 

۱. مقدمه
با گسترش تولید فولاد و فروآلیاژها در قرن بیستم، استفاده از انرژی الکتریکی به‌عنوان منبع گرما جایگزین روش‌های سنتی شد. در این میان، دو نوع کوره قوس الکتریکی توسعه یافتند:
•    کوره قوس هوایی (EAF): برای ذوب فلزات بازیافتی یا احیا شده.
•    کوره قوس زیرشارژ (SAF): برای احیای مواد معدنی و تولید فروآلیاژ.
هرچند هر دو بر پایه قوس الکتریکی بین الکترودهای گرافیتی و بار الکتریکی کار می‌کنند، اما تفاوت در عمق قوس، نوع شارژ و محیط واکنش، عملکرد و محصولات متفاوتی ایجاد کرده است.

۲. اصول عملکرد و مکانیزم تولید گرما
▪️ EAF
در کوره EAF، سه الکترود گرافیتی از بالا وارد محفظه می‌شوند و قوس الکتریکی بین نوک الکترودها و شارژ فلزی (قراضه یا آهن اسفنجی) ایجاد می‌شود.
قوس هوایی انرژی را مستقیماً به فلز منتقل می‌کند و فرآیند ذوب انجام می‌شود.
گرمای اصلی از قوس الکتریکی و تا حدی از اکسیداسیون کربن و تزریق اکسیژن تأمین می‌شود.
▪️ SAF
در کوره SAF، قوس الکتریکی مستقیماً در داخل شارژ (مخلوط سنگ معدنی، کک و شارژ افزودنی) ایجاد می‌شود.
الکترودها تا عمق شارژ فرو می‌روند و حرارت در بستر مواد جامد و مذاب توزیع می‌شود.
هدف اصلی در SAF احیای اکسیدهای فلزی است نه فقط ذوب.

۳. طراحی و ساختار فیزیکی

 

۴. ترکیب مواد اولیه و فرآیند شارژ
▪️ EAF:
•    قراضه فولادی (Scrap)
•    آهن اسفنجی (DRI)
•    فروآلیاژهای افزودنی
•    فلاکس‌ها و اکسیژن
شارژ معمولاً در چند مرحله و به‌صورت خودکار انجام می‌شود.
▪️ SAF:
•    سنگ‌های معدنی (مانند سنگ منگنز، کرومیت، سیلیس)
•    کک متالورژی یا زغال سنگ
•    شارژ آهک یا دولومیت
در اینجا شارژ باید دارای تخلخل مناسب و توزیع یکنواخت برای عبور گاز CO باشد.

۵. تفاوت‌های فرآیندی (از دید ترمودینامیکی و واکنشی)

 

۶. کنترل فرآیند و تجهیزات جانبی
کوره‌های EAF معمولاً مجهز به سیستم‌های:
•    کنترل خودکار توان قوس
•    تزریق اکسیژن و گازهای کمکی
•    کوره‌های پشتیبان (Ladle Furnace)
هستند.
اما در SAF، کنترل فرآیند بر پایه:
•    مقاومت الکتریکی شارژ
•    دمای ناحیه احیاء
•    نسبت کک به سنگ معدنی (C/O ratio)
صورت می‌گیرد.
در SAF‌ها معمولاً از سیستم‌های جمع‌آوری گاز CO برای بازیابی انرژی استفاده می‌شود.

۷. محصولات نهایی و کاربردها

 

۸. مقایسه انرژی و بازدهی

۹. جنبه‌های زیست‌محیطی و اقتصادی
•    EAF: آلودگی گازی کمتر، اما گرد و غبار فولادی تولید می‌کند (Zinc-bearing dusts).
•    SAF: گازهای CO و غبار معدنی زیاد، اما قابل بازیافت هستند.
از نظر اقتصادی، EAF برای کشورهایی با دسترسی به قراضه فولادی و برق ارزان مقرون‌به‌صرفه‌تر است.
SAF در کشورهایی با منابع غنی سنگ معدنی و زغال‌سنگ به‌صرفه‌تر است (مانند هند، برزیل، ایران و آفریقای جنوبی).

۱۰. جمع‌بندی و نتیجه‌گیری
کوره قوس الکتریکی (EAF) و کوره قوس زیرشارژ (SAF) هر دو از نظر اصول تولید گرما مشابه‌اند، اما اهداف و ساختار کاملاً متفاوت دارند.
EAF مناسب ذوب فلزات آماده و کنترل دقیق ترکیب فولاد است، در حالی که SAF برای احیای مواد معدنی و تولید فروآلیاژهای صنعتی طراحی شده است.
در صنعت فولادسازی مدرن، ترکیب هر دو فناوری (SAF برای تولید فروآلیاژ و EAF برای ذوب فولاد) ضروری است تا زنجیره تولید به‌صورت کامل و اقتصادی انجام گیرد.