إنتاج الصلب
أولا مرحلة الشحن

'الخردة'
الخردة (scrap) مع أنها تعد مصدراً غنياً بالحديد لا يحتوى على شوائب وأكاسيد بنسبة كبيرة، إلا أنها تحتوي على نسبة مما يسمى بالـ (Tramp Elements) كالنحاس والقصدير والرصاص والزرنيخ.... كما يعيب الخردة عدم التجكم في التركيب الكيميائي للشحنة، فقد تكون الخردة مجهولة الهوية من حيث التركيب الكيميائي، وهذا له مخاطرة الكثيرة.
و للخردة تصنيفات متعددة: فمنها الخردة الخفيفة والثقيلة، ومنها المختلطة مع الجلخ Slag Mixو المرتجعة كمنتجات معيبة Home Return، وخردة الحرب وغيرها، لذا يجب أن تمر الخردة بمراحل فرز وإعداد جيدة قبل شحنها في الفرن، وذلك لإزالة أي شوائب غريبة قد تضر بالفرن أو بعملية الإنتاج أو جودة المنتج كالمواد العازلة (الخشب والبلاستيك والكاوتشوك...) وكذلك الخردة كبيرة الحجم والطويلة بشكل غير ملائم لشحن السلة بالفرن (يجب تقطيعها بشكل ملائم أولاً قبل شحنها) والمواد الضارة بحراريات الفرن (كالرصاص والرمل...) والمؤثرة على تركيب المنتج النهائي (كالنحاس والفسفور والكبريت...) وكذلك المواد القابلة للانفجار (كالقنابل والذخيرة والأوعيى المغلقة كأنابيب الغاز والتي يجب فتحها وتقطيعها أولاً).
الاعتبارات التي يجب مراعاتها عند تصميم السلة الخاصة بشحن الفرن:
ألا تزيد النسبة بين حجمن السلة وحجم الغلاف المعدني للفرن عن 85%.
ألا تزيد النسبة بين قطر السلة وقطر الفرن عن 90%، وذلك لتجنب سقوط الخردة خارج الفرن أثناء عملية الشحن.
كلما قل عدد مرات الشحن لكل صبة/ فإن زمن تعطل الفرن للشحن يصبح أقل، كما أن الفقد الحراري أثناء فتح وغلق سقف الفرن يصبح أقل.
الحديد المختزل بالطريقة المباشرة:
و يشار إليه بالرمز (Direct Reduced Iron –DRI)، و يُحَصَّلُ عليه عن طريق إستكمال عملية اختزال كرات أكسيد الحديد (Oxide Pellets) بتمرير الميثان أو الغاز الطبيعي (CH4) عليها في درجات حرارة ما بين (950-1050) درجة مئوية خلال أفران معينة من شهرها فرن "مدركس (MIDREX)"، هذا الغاز الطبيعي يمثل مصدر الكربون اللازم لعملية اختزال الخام في صورته الصلبة المباشرة دون صهره؛ (لذلك تسمى تلك الطريقة بطريقة الاختزال المباشر).
و عملية الاختزال ما هي إلا تقليل أو (اختزال) لنسبة الاكسجين داخل خام أكسيد الحديد؛ وبالتالي زيادة نسبة الحديد أو التمعدن على حساب ذلك، وذلك عن طريق وجود عامل مختزل، عبارة عن خليط من الغازات (الهيدروجين وأول وثاني أكسيد الكربون)، تقوم بالإتحاد مع هذا الاكسجين مستهلكة إياه، وتحويله مع من أكسجين متحد مع الحديد (أكسيد حديد)؛ إلى أكسجين ولكن متحد مع هذا العامل المختزل تاركة الحديد في شكل حر
و الحديد الناتج عبارة عن مكورات حدبد تسمى بالحديد الإسفنجي، ولكي يكون الحدي الإسفنجي مناسب لفرن القوس الكهربي؛ يجب أن تتوافر فيه الشروط الآتية:
حجم الحبيبات يتراوح من 9 مم إلى 16 مم.
نسبة الحديد لا تقل عن 84%.
نسبة الكربون لا تقل عن 1.2%.
و يتم نغدية الـ (DRI) إلى مصنع الصلب بصورة مستمرة عن طريق سيور خاصة قادمة من مصانع الاختزال المباشر، ثم يُخَزَّن في صوامع (Silos)؛ ثم ينتقل منها بسيور أخرى إلى مصنع الصلب ليُغَذَّى عن طريق الـ (Chuter) إلى فتحة التغذية الموجودة بسقف الفرن القوس الكهربي. كما يُشْحَنُ الـ (DRI) خلال السلة التي تُشْحَنُ بالفرن في بداية إنتاج الصبة.
جدير بالذكر أن استخدام الـ (DRI) كمصدر للحديد في صناعة الصلب له الكثير من المزايا، كفارق السعر عن الخردة؛ وسهولة تغذيته في الفرن بصورة مستمرة، بما يوفر زمن فتح وغلق الفرن أثناء الشحن (مقارنة بشحن الخردة بالسلات)، وكذلك الفقد الحراري الناتج عن ذلك، وكذلك التحكم والمعرفة الدقيقة للتركيب الكيميائي والخواص الفيزيائية للشحنة، ولكن على الجانب الآخر له بعض العيوب؛ والتي من أهمها احتواؤه على الشوائب والمركبات الأكسيدية (كالكبريت والفسفور وأكسيد السليكون والمنجنيز وغيرها)؛ والتي يطلق عليها الـ (Gangue Materials) الأمر الذي يسبب مشاكل كبيرة منها زيادة الطاقة المستهلكة في صهر هذه المكونات، بالإضافة إلى الضرر الناشئ عن وجود هذه المكونات على حراريات الأفران والبواتق.
و بفضل استخدام الـ DRI كمصدر للشحنة المعدنية في حالة إنتاج أنواع الصلب النظيف (و الذي يطلق عليه Clean Steel)، نظراً لما يلي
لاحتوائه على نسبة منخفضة من الـ Tramp Elements كالرصاص والنحاس والزنك والكروم والنيكل والموليبدنيوم....إلخ.
لاحتوائه على نسبة كربون حوالى (3-5%) الأمر الذي يساعد في تكوين ما يسمى بالخبث الفوار أو الرغوى، والذي يعتبر من أهم مميزاته تنقيه المصهور المعدني من الشوائب والمتخللات غير المعدنية (n.m.i).
ولكن يعيب الـ DRI انخفاض درجة التمعدن مقارنة بالخردة، حيث تكون (92-95%) فقط، مع وجود نسبة عالية من الأكاسيد (كأسيد السيليكون والألومنيوم والكالسيوم...إلخ)، وهذا يعني:
انخفاض عائد الصب.
زيادة مقدار الطاقة والزمن اللازمين للصهر مقارنة بالخردة.
زيادة معدل إستهلاك الإلكترودات والحراريات الخاصة بالفرن.
و يتراوح قطر كرات الـ DRI ما بين (9 - 16مم)، أما الكرات ذات القطر الأقل من 3 مم فيطلق عليها Fine، وليست Pellets، أما الكثافة
المطلوبة فهي ما بين (1.6-1.9 طن/ م3)/ ويثم شحن الفرن بالـ DRI بطريقتين:
عن طريق السلة، ذلك بشرط ألا تزيد نسبته من محتويات شحنة السلة عن (20-30%).
عن طريق التغذية المستمرة، ويراعى في هذه الطريقة ما يلي:
ترك مسافة مرتفعة بدرجة كافية للتغذية؛ لإعطاء فرصة لكرات الـ DRI لاختراق طبقة الخبث بفعل الجاذبية.
أن تبدأ التغذية بعد وصول درجة المصهور المعدني إلى (1580 مئوية).
أن تبدأ التغذية بعد تمام انصهار الخردة داخل الفرن.
أن يكون معدل التغذية في البداية حوالي (7-10 كجم/ دقيقة ميجاوات).
معدل التغذية القياسي للـ DRI ما بين (25-30 كجم/ دقيقة ميجاوات).
أن تتم التغذية بالتواكب مع التغذية بالـ DRI.
مثال توضيحي:
إذا كان معدل الطاقة الكهربائية 107 (ميجاوات)، وكان معدل التغذية القياسي هو (28 كجم/ دقيقة ميجاوات)، فإن معدل التغذية المطلوب يكون:
107 (ميجاوات) x 28 (كجم/ دقيقة ميجاوات) ≈ 3000 كجم/ دقيقة
3000 كجم/ دقيقة x (60/ 1000) = 180 طن / ساعة
فإذا قل معدل الطاقة عن هذه القيمة (أو زاد معدل التغذية عن القيمة المبينة بالمثال)، فإنه يحتمل تكوين مناطق متجمدة من الشحنة المتجمدة (و تسمى بالـ Ice Berg) بالفرن.
أما إذا حدث العكس (زيادة معدل الطاقة أو نقص معدل التغذية)، فإن درجة حرارة المصهور المعدني تصبح أعلى من المطلوبن وهذا يعني:
إستهلاك زائد في الطاقة الكهربائية.
إستهلاك الإلكترودات وحراريات زائد
الاعتبارات التي يجب مراعاتها عند تغذية الفرن بالـ DRI:
أفضل موضع يُغَذَّى الـDRI من خلاله هو منتصف الدائرة المارة بمراكز الإلكترودات الثلاثة/ وتسمى بالـ (Electrode Pitch Circle).
أثناء عملية التغذية بالـ DRI، يتم التغيل على جهد كهربي منخفض وتيار كهربي عالي، وهذا يعطي ما يسمى بالقوس الكهربي القصير Short Arc.
نظراً لزيادة مساحة سطوح كرات الـ DRI، فإن:
فرصة تأكسده في الجو المكشوف تكون كبيرة، خصوصاً في مدى درجات حرارة (210- 275 مئوية)، وهذا أيضاً يعد فقد في عائد الشحنة المعدنية.
فرصة اشتعاله تكون كبيرة، ولذا فإن معظم أنظمة مناولة الـ DRI كالسيور وغيرها، تكون مزوده بأنظمة مكافحة الحرائق.
الحديد الغفل Pig Iron:
و يمتاز الحديد الغفل بأنه ذو كثافة عالية، وبالتالي يشغل حيزاً صغيراً من السلة أثناء شحنه بها، لذبك يمتاز بسهولة الشحن، كما أنه يحتوي على نسب عالية نسبياً من الكربون (من 3- 5%)، والسيليكون (حتى 2%)، والمنجنيز (حتى 1%)، وهي العناصر التي تُسْتَغَلُ في تفاعلات الأكسدة (و هي تفاعلات طاردة للحرارة Exothermic Reactions)/ والتي تسهل عملية الصهر داخل الفرن، وتوفر في إستهلاك الطاقة الكهربية المستخدمة في الصهر، ويحتاج طن الحديد الغفل حوالى (280 كيلو وات ساعة) لصهره، أي أنه أسهل بكثير في صهره مقارنة بالـ DRI أو الخردة.