فناوری، ترکیب، کارکرد و کنترل کیفیت Electrode Paste در کوره‌های قوس غوطه‌ور فروآلیاژسازی

چکیده
Electrode Paste یا خمیر الکترود یکی از مواد مصرفی کلیدی در کوره‌های قوس غوطه‌ور (Submerged Arc Furnace) مورد استفاده در تولید فروآلیاژها مانند فروسیلیس، فرومنگنز، سیلیکومنگنز و کاربیدکلسیم است. کیفیت و رفتار پخت این خمیر مستقیماً بر پایداری جریان، راندمان انرژی، نرخ شکست الکترود و کیفیت آلیاژ اثرگذار است. این مقاله فناوری تولید، ترکیب مواد، اصول پخت، مکانیسم عملکرد، انواع تجاری، پارامترهای QC  و مشکلات عملیاتی ناشی از خمیر بی‌کیفیت را در سطح صنعتی پوشش می‌دهد.

1-مقدمه
در کوره‌های قوس غوطه‌ور، الکترودها مسئول انتقال جریان الکتریکی به شارژ و ایجاد حرارت لازم برای احیای مواد هستند. برخلاف الکترودهای گرافیتی EAF، الکترودهای Söderberg در خود کوره تولید و پخته می‌شوند. ماده اولیه این الکترودها Electrode Paste  یا خمیر الکترود است؛ خمیری با چسبندگی و ویسکوزیته کنترل‌شده که تحت حرارت، به‌صورت پیوسته به الکترود سخت تبدیل می‌شود. اهمیت این ماده در بهره‌وری کوره، کاهش مصرف انرژی و پایداری فرآیند بسیار زیاد است و انتخاب ناکارآمد می‌تواند باعث شکست الکترود، نفوذ مذاب، ناپایداری قوس و کاهش راندمان شود.

2-ترکیب شیمیایی و مواد اولیه خمیر الکترود
ترکیب خمیر الکترود معمولاً شامل سه گروه ماده است:
1-2-مواد کربنی
•    آنتراسیت پخته‌شده  (Calcined Anthracite)
•    گرافیت طبیعی یا مصنوعی
•    کک نفتی یا کک سوزنی بستگی به گرید
وظیفه: هدایت الکتریکی، استحکام حرارتی، چگالی مناسب الکترود.
2-2-بایندرها
•    قیر قطران زغال‌سنگ  (Coal Tar Pitch)
•    Modified pitch (برای گریدهای خاص)
نقش: ایجاد چسبندگی، کنترل رئولوژی، شکل‌دهی قبل از پخت.

3-2-افزودنی‌ها
•    مواد کنترل‌کننده ویسکوزیته
•    مواد ضد اکسیداسیون
•    مواد بهبوددهنده نقطه نرم‌شدن
نسبت صحیح مواد برای تشکیل الکترود با تخلخل کم، هدایت بالا و استحکام مناسب در دماهای 800 تا 1000 درجه سانتی گراد حیاتی است.

3-فرآیند عملکرد و پخت خمیر الکترود در کوره
در سیستم  Söderberg، خمیر در سیلندر الکترود شارژ شده و سپس سه مرحله را طی می‌کند:
1-3-مرحله نرم‌شدن
در دمای 80 تا 120 درجه، قیر نرم می‌شود و خمیر قابلیت جریان‌پذیری محدود پیدا می‌کند.
2-3-مرحله کربنیزاسیون
در دمای حدود 250 تا 500 درجه، قیر بایندری به ترکیبات کربنی تبدیل می‌شود؛ تخلخل کاهش می‌یابد و استحکام افزایش می‌یابد.
3-3-مرحله گرافیتی‌شدن نسبی
در دمای حدود 800 تا 1000 درجه، ساختار کربنی به حالت پایدار می‌رسد. این بخش تعیین‌کننده هدایت الکتریکی و مقاومت مکانیکی نهایی است.
انتقال گرما از کوره و مقاومت خمیر نسبت به ترک‌خوردگی، کیفیت نهایی الکترود را رقم می‌زند.

4-انواع خمیر الکترود در صنعت فروآلیاژ
4-1-خمیر الکترود با چگالی بالا (High Density Paste)
•    مناسب کوره‌های فروسیلیس و سیلیکومنگنز
•    مقاومت بالا در دما و جریان زیاد
•    تخلخل پایین
4-2- خمیر الکترود با رئولوژی متوسط
•    مناسب کوره‌های فرومنگنز
•    نیازمند روانی بیشتر برای پخت یکنواخت
4-3-خمیر الکترود با افزودنی ضد اکسیداسیون
•    مخصوص کوره‌های کوچک یا با شرایط ناپایدار
•    کاهش سرعت سوختن سطحی الکترود

5-پارامترهای کلیدی در انتخاب خمیر الکترود
5-1-هدایت الکتریکی
مستقیماً بر مصرف انرژی تأثیر دارد. پاست‌های با هدایت کم موجب سوختن بیش از حد و شکست الکترود می‌شوند.
5-2-چگالی و تخلخل
•    چگالی بیشتر → مقاومت مکانیکی بالاتر
•    تخلخل کمتر → جلوگیری از نفوذ سرباره یا مذاب
5-3-نقطه نرم‌شدن قیر (Softening Point)
•    اگر پایین باشد: خمیر ناپایدار و جاری می‌شود
•    اگر خیلی بالا باشد: پخت ناقص و ترک می‌دهد
نقطه 65 تا 75درجه سانتی گراد  برای اغلب کوره‌ها مناسب است.
5-4- ثبات پخت (Baking behavior)
توانایی پخت یکنواخت در طول الکترود بدون نواحی نرم یا سخت.

6-تاثیر خمیر الکترود بر کیفیت و عملکرد کوره
6-1-ثبات قوس
پاست خوب باعث انتقال یکنواخت انرژی و جلوگیری از نوسان ولتاژ می‌شود.
6-2-کاهش مصرف الکترود
پاست با هدایت بالا و تخلخل کم، مصرف الکترود را 10 تا 20 درصد کاهش می‌دهد.
6-3- کیفیت محصول
در تولید فروسیلیس:
•    کاهش کربن محلول
در تولید فرومنگنز:
•    کنترل روانی سرباره
•    کاهش Si در محصول
6-4- جلوگیری از شکست الکترود
خمیر نامناسب منجر به:
•    شکست طولی
•    پوسته‌پوسته شدن
•    انفجار ناشی از نفوذ مذاب

7- مشکلات عملیاتی ناشی از خمیر الکترود بی‌کیفیت
•    پخت نامتقارن و ایجاد نواحی نرم و سخت
•    شکست ناگهانی و سقوط الکترود به داخل مذاب
•    افزایش مصرف انرژی به علت مقاومت الکتریکی بالا
•    نفوذ مذاب به داخل لایه‌های پخته نشده
•    افزایش کربن ناخالصی در آلیاژ
•    جرقه‌زدن شدید و ناپایداری قوس
•    افزایش FeO یا SiO2 در سرباره

8- کنترل کیفیت خمیر الکترود
در بخش QC باید موارد زیر اندازه‌گیری شود:
8-1- خواص فیزیکی
•    جرم مخصوص
•    تخلخل
•    مقاومت فشاری سرد (CCS)
•    هدایت الکتریکی
8-2- خواص شیمیایی
•    کربن ثابت
•    محتوای خاکستر
•    درصد فرار (VM)
8-3-خواص قیر
•    Softening point
•    Coking value
•    Toluene insoluble
•    Quinoline insoluble
8-4-تست پخت آزمایشگاهی (Lab baking test)
نشان‌دهنده کیفیت پخت و رفتار ترک‌خوردگی.

9-فناوری تولید خمیر الکترود
9-1-آماده‌سازی مواد کربنی
خردایش، دانه‌بندی، همگن‌سازی
9-2-اختلاط در دمای بالا
مواد کربنی با قیر در دمای 160 تا 180 درجه مخلوط می‌شوند.
9-3-اکسترود یا فُرمینگ
پاست به‌صورت بلوک یا سیلندری تولید می‌شود.
9-4-بسته‌بندی
در بسته‌های 1 تا 1.5 تنی به صورت briquette یا block عرضه می‌شود.

 

10-نتیجه‌گیری
Electrode Paste  یک ماده حیاتی در فرآیند تولید فروآلیاژها است که کیفیت آن بر عملکرد الکترود Söderberg، مصرف انرژی، راندمان احیا، کیفیت آلیاژ و پایداری فرآیند تأثیر مستقیم دارد. انتخاب صحیح مواد اولیه، کنترل رفتار پخت و پایش پارامترهای کلیدی QC برای تضمین عملکرد پایدار کوره ضروری است. استفاده از خمیرهای استاندارد و معتبر می‌تواند هزینه مصرفی الکترود را تا 15 درصد کاهش و راندمان فرآیندی را به‌طور قابل توجهی افزایش دهد.