تآكل فتحة صبّ الفولاذ في فرن الأكسجين القاعدي: الأسباب وكيفية إبطائه

لماذا تُعدّ فتحة الصب أصعب موضع في الوعاء؟

يُقيَّم أداء بطانة المحوّل بآلاف الصهرات، أما فتحة الصب فتُقيَّم بعدد أقل بكثير. تستبدل المصانع جِلْبة فتحة الصب مرات عديدة خلال حملة تشغيل محوّل واحد، وكل استبدال يتطلب إيقافًا وعمالة، وينطوي على خطر فشل عملية الصب الأولى.

يتضح السبب ببساطة عند النظر إلى وظيفة الفتحة. في كل موضع آخر داخل الوعاء، تواجه البطانة خبثًا وفولاذًا ساكنين أو بطيئي الحركة. أما عند فتحة الصب، فيُدفع كامل مقدار الفولاذ السائل في الصهرة عبر تجويف لا يتجاوز عرضه بضع مئات من المليمترات. في إحدى الدراسات حول صبّ المحوّل، بلغ قطر الفتحات المُحاكاة من 200 إلى 220 mm (Materials, 2023). يعطي حساب بسيط لضغط عمود السائل فكرة عن السرعة. فعندما يكون ارتفاع الفولاذ فوق الفتحة من 1 إلى 2 m، تبلغ سرعة التدفق المثالية نحو 4.4 إلى 6.3 m/s. وتكون السرعات الفعلية أقل بسبب الفواقد، لكن حجمها واضح: تيار سريع وساخن وكاشط يندفع بمحاذاة جدار مترابط بالكربون.

تخضع فتحة الصب أيضًا لأقسى دورات التشغيل. تكون ساخنة عندما يتدفق الفولاذ، ثم تنكشف للهواء والغاز، ثم تُغلق أو تُملأ، ثم تُسخَّن من جديد. قلّما تتناوب حالات أخرى في مصنع فولاذ بهذه الطريقة مع كل صهرة.

تؤكد دراستان منشورتان مساري التآكل الرئيسيين. تسمي دراسة من عام 2013 حول بطانات فتحات تفريغ المحولات التعرية الناجمة عن تدفق الفولاذ والأكسدة آليتين يجب أن تقاومهما المواد الحرارية (وقائع ABM، 2013). وتضع مراجعة لمناطق التآكل في محولات LD مناطق التفريغ والخبث ضمن المناطق المعرضة للهجوم الكيميائي، أي التآكل والأكسدة (وقائع ABM). الدراستان ملخصان فقط، لذا أستند إليهما في شرح الآليات لا في ذكر الأرقام.

صهرة واحدة في عمر فتحة التفريغ

تتبّع دورة صهرة واحدة، وسترى مصدر التلف.

1. بعد التفريغ. يعود المحول إلى وضعه القائم. يكون التجويف ساخناً وفارغاً، ويمكن للهواء وغاز الفرن المرور عبره.
2. الإغلاق والشحن. تُنظف الفتحة وتُملأ أو تُغطى وفقاً لممارساتكم. تُضاف الخردة والحديد الساخن، ويميل الوعاء ذهاباً وإياباً.
3. النفخ. تقع الفتحة خلف البطانة في درجات حرارة مرتفعة، وتتغلغل الحرارة إليها من الداخل.
4. إعادة الوضع وأخذ العينات. يميل الوعاء مجدداً، وقد تتعرض الفتحة للخبث أو الغاز أثناء أخذ العينات.
5. التفريغ. تُفتح الفتحة. يتدفق الفولاذ أولاً، ويتبعه الخبث في النهاية، وقد يجذبه الدوام إلى الداخل مبكراً أحياناً.

تُفقد ذرات الكربون في الخطوات 1 و2 و4. أما في الخطوة 5، فتُجرف الطبقة الضعيفة ويبدأ الخبث تأثيره. ثم تتكرر الدورة.

الطرق الخمس لتآكل فتحة تفريغ محول الأكسجين القاعدي

1. التآكل بالأكسدة والجرف: الدورة الرئيسية

يربط الكربون بطانة المغنيسيا-الكربون ببعضها ويمنع الخبث من اختراقها. عندما يصل الهواء أو الغاز الساخن إلى جدار التجويف بين التفريغات، يحترق الكربون القريب من السطح ويتلاشى. وما يتبقى طبقة رقيقة مسامية من حبيبات المغنيسيا لا شيء يربط بينها.

هذه الطبقة لا تدوم. فعندما يبدأ تدفق الفولاذ، يزيلها خلال دقائق. عندها ينكشف السطح التالي تحتها للهواء والغاز في الفاصل التالي بين التفريغات. تزيل كل دورة جزءًا صغيرًا، ويتسع التجويف. نسمي ذلك التآكل بالأكسدة والجرف لأن أياً من المرحلتين لا يعمل بمفرده. فبدون الأكسدة، سيواجه التدفق مادة قوية مترابطة بالكربون. وبدون التدفق، ستبقى الطبقة المؤكسدة في مكانها وتحمي ما تبقى.

وهذا أيضًا سبب فائدة البطانة التي تحتوي على مضادات أكسدة مناسبة ومسامية منخفضة. وينطبق هنا المبدأ نفسه الموضح في ورقتنا البيضاء عن كيفية فقدان طوب MgO-C للكربون: أبطئ فقدان الكربون، وسيكون أمام جانب الغسل مقدار أقل لإزالته.

2. تآكل التدفق عند حافة المدخل

طرف الفتحة المواجه للحرارة هو الموضع الذي يتسارع عنده التدفق أولًا. وتتعرض الحافة هناك لأعلى إجهاد قص. وتؤدي حافة المدخل الحادة أو غير المستوية إلى اضطراب التدفق وزيادة الاضطراب، ما يسرّع تآكل الحافة ويزيد سوء التدفق. ويحدّ المدخل الأملس المستدير من هذه الحلقة.

3. الخبث في نهاية التفريغ

يحتوي الخبث على نسبة عالية من FeO ويهاجم المغنيسيا والكربون معًا. ويحدث أشد تعرض له في نهاية التفريغ، عندما ينخفض مستوى الفولاذ فوق الفتحة وتتشكّل دوامة. وجدت دراسة محاكاة لتفريغ المحول أن الخبث خرج من الفتحة بعد نحو 43 s عند إمالة بزاوية 90 degree، مع تشكّل دوامة مستقرة بعد نحو 50 s. وعند زاويتي إمالة 100 و105 degree، تأخر تشكّل الدوامة إلى نحو 71 s و74 s. وأدى اتساع الفتحات إلى تشكّل الدوامة في وقت أبكر: بدأت بعد 68.8 s لفتحة قطرها 200 mm، وبعد 62.6 s لفتحة قطرها 210 mm، وبعد 57.1 s لفتحة قطرها 220 mm (Materials, 2023). هذه نتائج نموذجية لوعاء واحد، وليست قاعدة تنطبق على وعائك، لكن الاتجاه مفيد. فالفتحة الأكبر تتيح للدوامة أن تبدأ في وقت أبكر، وهذا يعني مرور مزيد من الخبث عبر البطانة.

4. الصدمة الحرارية

ينتقل المجرى من حالة مبردة، وممتلئة أحيانًا، إلى تدفق فولاذ كامل عند أكثر من 1,600 °C. وتمتد الشقوق عبر البطانة وعلى طول خطوط الوصل. وتتيح الشقوق للهواء والخبث التغلغل في جسمها، كما تسمح بتقشر أجزائها تحت تأثير التدفق.

5. المناولة والتركيب

تتسبب إزالة الترسبات والتنظيف وإمالة الحمولة ووجود فجوة بين البطانة وما يحيط بها من مواد تبطين في أضرار لا يمكن لأي درجة من المواد إصلاحها. يجد الفولاذ الفجوة بسرعة. وقد تتلف البطانة سيئة التثبيت من الخارج إلى الداخل، بينما يظل المجرى سليم المظهر.

ما الذي تسببه فتحة متآكلة في عملية التسييل

ليس عليك انتظار تلف البطانة لتشعر بتأثير ذلك.

• يتغير وقت التفريغ. يفرغ التجويف الأوسع الوعاء بسرعة أكبر. أما التجويف الخشن أو غير المتمركز فقد يبطئ التيار أو يسبب اضطرابه.
• ينتشر التيار. يميل التيار العريض والمضطرب إلى التقاط مزيد من الهواء في طريقه إلى المغرفة، ما يزيد امتصاص الأكسجين والنيتروجين، وهو أمر غير مرغوب فيه. ويمتد أثر ذلك إلى المراحل اللاحقة: فكلما كان الفولاذ الداخل إلى المغرفة أنظف، سهلت الأعمال اللاحقة في الموزع، كما نوضح في مقالنا عن التحكم في تدفق الموزع والأكسجين.
• يزداد انتقال الخبث. تبدأ الدوامة مبكرًا ويصعب إيقافها. وزيادة الخبث في المغرفة تعني الحاجة إلى مزيد من معالجة خبث المغرفة، وترفع المخاطر على خط خبثها.
• يتغير اتجاه التيار. قد يوجّه التجويف غير المنتظم التيار نحو حافة المغرفة أو بعيدًا عن مركزها.
• تصبح إضافات السبائك أقل استقرارًا. يؤدي التفريغ الأسرع أو غير المنتظم إلى تغيير طريقة ذوبان السبائك ومقدار ما يفقد منها في الخبث.

تحدد معظم المصانع حدًا لحجم الفتحة أو لوقت التفريغ. لكن السؤال الأهم هو مدى سرعة اقترابك من ذلك الحد، وهذا يتطلب القياس.

قراءة بيانات فتحة التفريغ لديك

تمنحك فتحة التفريغ بيانات مع كل صهرة إذا جمعتها. الخطة أدناه بسيطة ولا تتطلب أي معدات خاصة.

قِس بعد كل صهرة، أو على الأقل كل بضع صهرات. استخدم مقياسًا أو قضيبًا معايرًا لتسجيل قطر التجويف. وسجّل عدد الصهرات ووقت التفريغ بجانبه.

ارسم القطر مقابل عدد الصهرات. يشير الخط المستقيم إلى تآكل منتظم. أما الخط الذي ينحني إلى أعلى فيعني أن طبقة الخلو من الكربون تزداد عمقًا أو أن الخبث يطغى. وتشير القفزة المفاجئة إلى شق أو تكسّر في المدخل أو تعطل الوصلة.

انظر إلى موضع التآكل. صوّر حافة المدخل وجدار التجويف والمخرج عند تغيير الغلاف.

قد يعطيك غلاف واحد انطباعًا مضللًا. قارن بين اثنين أو ثلاثة متتالية قبل أن تستخلص نتيجة.

إبطاء التآكل: الغلاف، والتركيب، والتشغيل، والصيانة

لا يكفي حل واحد. عادةً ما تعمل المصانع التي تطيل عمر فتحة التفريغ على جميع العناصر الأربعة أدناه.

مادة الغلاف

• جودة الحبيبات. يقاوم المغنيسيا عالي النقاء، ويفضل أن يكون مصهورًا، ذو المحتوى المنخفض من السيليكا والجير، الخبث على نحو أفضل. راجع صفحة طوب MgO-C للاطلاع على الدرجات التي نصنعها.
• الكثافة. تعني المسامية المفتوحة الأقل مسارًا أقل للهواء والخبث إلى داخل الجسم.
• الكربون ومضادات الأكسدة. يُختار مصدر الكربون ومزيج مضادات الأكسدة بما يناسب دورات الاحتراق والغسل، لا خط الخبث. فالجلبة التي تبقى معرضة للهواء بين الصبات تحتاج إلى توازن مختلف عن طوبة تبقى تحت الخبث.
• التوافق مع المواد المحيطة. ينبغي أن تتمدد الجلبة وتنكمش بطريقة لا تتسبب في تشقق الوصلة.

الهندسة والتركيب

• تقلل القناة الملساء ذات المدخل المستدير الاضطراب عند نقطة التلامس الأولى.
• يوفر طول الجلبة وسمك جدارها هامشًا للتآكل. اطلب رسمًا مطابقًا لوعائك، لا رسمًا عامًا.
• وصلة نظيفة وممتلئة بالكامل. يجب أن تملأ الكتلة الخلفية أو المادة المصبوبة الفراغ دون فجوات. سخّن الجلبة الجديدة مسبقًا حسب إرشادات المورد.
• التوسيط والزاوية. تتآكل الجلبة التي تميل بضع درجات إلى أحد الجانبين، ويتجه التيار بعيدًا عن الهدف.

ممارسة الصب

• أكسجين نقطة النهاية وFeO في الخبث. تهاجم الصبة شديدة الأكسدة الكربون في الجلبة والبطانة. ويساعد خفض أكسجين الإمالة كل شيء، وليس فتحة الصب وحدها.
• زاوية الإمالة وسرعتها. تشير المحاكاة أعلاه إلى أن الإمالة تؤثر في وقت بدء الدوامة. وستُظهر لك تجاربك الخاصة ما يناسب وعاءك.
• إيقاف تدفق الخبث. يقلل مانع الخبث أو نظام الكشف الجيد مدة مرور الخبث عبر الجلبة.
• الفاصل الزمني بين الصبات. يعني تقليل التعرض للهواء والغاز احتراقًا أقل للكربون.
• التنظيف والإغلاق برفق. أزل العوالق ونظّف الفتحة بعناية. تجنب تكسّر حافة المدخل.

الصيانة

• إصلاح فوهة الفتحة وهي ساخنة حيث تسمح ممارسات المصنع بذلك. راجع صفحة مواد حراريات محول BOF للاطلاع على مواد الإصلاح التي نوفرها.
• تغيير مخطط له. اربط تغيير الجلبة بحد مقاس، وبإيقاف مخطط آخر متى أمكن.
• احتفظ بقطع الغيار جاهزة ومسخنة مسبقًا. فالتغيير الذي يجري بسلاسة يحمي الصبة الأولى.

حساب تكلفة الصبة

سعر الجلبة وحده ليس الرقم المناسب. استخدم هذا بدلًا منه:

غالبًا ما تكون تكلفة التوقف أكبر من تكلفة الجِلْب. لذلك قد تكون الجِلْب الأرخص التي تدوم عددًا أقل من الصهرات أعلى تكلفة لكل صهرة. مثال توضيحي بسيط: إذا زاد عمر الجِلْب بنسبة 30 بالمئة، تنخفض التكلفة لكل صهرة إلى نحو 77 بالمئة من مستواها السابق، أي توفير بنسبة 23 بالمئة، قبل احتساب فائدة تقليل مرات التوقف وعمليات الصب غير الناجحة.

ما المعلومات التي ترسلها إلينا لطلب عرض سعر

نصنع مواد حرارية مرتبطة بالكربون في مصنعنا الخاص. وبالنسبة إلى جِلْب فتحة الصب، كلما زادت المعلومات التي يمكنك إرسالها من القائمة أدناه، كان العرض الأولي أدق.

1. سعة المحوّل ورسم فتحة الصب، بما يشمل المجرى وطول الجِلْب والبطانة المحيطة.
2. درجة الجِلْب الحالية وورقة بيانات المورد، إن توفرت.
3. عدد الصهرات حتى الاستبدال، والحد الذي تعتمده (القطر أو زمن الصب)، وسبب الاستبدال في آخر ثلاث جِلَب.
4. صور لجِلَب مستعملة تُظهر المدخل وجدار المجرى والمخرج، مع نمط التآكل.
5. درجات الفولاذ، ودرجة حرارة الصب، ومستوى الأكسجين المعتاد عند نقطة النهاية، وما إذا كنت تستخدم سدادة للخبث.
6. روتين التنظيف والإغلاق لديك، والوقت الفاصل بين عمليات الصب.

أرسلها عبر صفحة التواصل أو بالبريد الإلكتروني إلى sales@ykchanshine.com. للاطلاع على كيفية تصنيع منتجاتنا المرتبطة بالكربون واختبارها، تفضّل بزيارة صفحة مصنع المواد الحرارية.

المصادر والمراجع

• محاكاة مجال التدفق أثناء الصب من المحول: زاوية الميل والدوامة وقطر فتحة الصب، Materials 2023، 16(8)، 3209: محاكاة بدء الدوامة وزاوية الميل وأقطار فتحة الصب (200 و210 و220 مم).
• تقييم خصائص قطعة MgO-C المقاومة للحرارة لثقوب صب المحولات، الندوة الرابعة والأربعون لصناعة الفولاذ التابعة لـ ABM، 2013: التآكل والأكسدة بوصفهما آليتَي تآكل الجلبة (الملخص).
• آليات التآكل في مناطق مختلفة من محولات LD، وقائع ABM: الهجوم الكيميائي في منطقتَي الصب والخبث (الملخص).