نویسنده: Admin

1) عنوان طرح
بهینه‌سازی مصرف ذغال احیایی در کوره تونلی تولید آهن اسفنجی از طریق بازطراحی علمی مقاطع شارژ، کنترل دانه‌بندی و افزایش راندمان احیا
2) مقدمه
کوره تونلی یکی از فناوری‌های احیای مستقیم در بستر ثابت است که در آن ماده آهن‌دار همراه با عامل احیاکننده در داخل بوته‌های ثابت قرار گرفته و در مسیر حرارتی کوره، فرآیند احیا انجام می‌شود. در واحد مورد بررسی، سوخت اصلی کوره از نوع گازی بوده و ذغال نقش سوخت اصلی کوره را ندارد، بلکه به‌عنوان عامل احیاکننده داخل بوته مورد استفاده قرار می‌گیرد.
بنابراین مصرف ذغال در این فرآیند تابع مستقیم میزان حرارت‌دهی کوره نیست، بلکه به راندمان تولید و مصرف گازهای احیاکننده، کیفیت تماس بین ذغال و ماده آهن‌دار، نفوذپذیری بستر، آرایش لایه‌ها، دانه‌بندی مواد و یکنواختی شارژ وابسته است.
در شرایط فعلی، مصرف ویژه ذغال در سطح حدود 800 کیلوگرم بر تن محصول گزارش شده است. بررسی‌های تئوری و محاسبات استوکیومتری نشان می‌دهد که این مقدار بالاتر از مقدار مورد انتظار برای احیای مستقیم بوده و بخش قابل توجهی از ذغال مصرفی به‌صورت غیرموثر وارد واکنش احیا نمی‌شود. از این رو، اجرای یک برنامه علمی و مرحله‌ای برای کاهش مصرف ذغال ضروری است.
3) بیان مسئله
در فرآیند احیا در کوره تونلی، ذغال داخل بوته با ایجاد گازهای احیاکننده به‌ویژه CO، موجب احیای اکسیدهای آهن می‌شود. اگر طراحی شارژ، دانه‌بندی مواد و مسیرهای انتقال گاز در بستر به‌درستی کنترل نشود، بخشی از کربن موجود در ذغال بدون مشارکت مؤثر در واکنش احیا باقی می‌ماند یا در واکنش‌های جانبی و اتلافی مصرف می‌شود.
مهم‌ترین مشکلات قابل انتظار در وضعیت فعلی عبارت‌اند از:
مصرف بالای ذغال نسبت به مقدار تئوری مورد نیاز
باقی‌ماندن کربن واکنش‌نداده در شارژ
کاهش نفوذپذیری بستر به دلیل حضور نرمه‌ها
توزیع غیریکنواخت گازهای احیاکننده در مقطع بوته
کاهش راندمان احیا در مرکز شارژ
نوسان متالیزاسیون محصول
افزایش هزینه تمام‌شده تولید
بنابراین مسئله اصلی پروژه، کاهش مصرف ویژه ذغال بدون افت کیفیت محصول و بدون تغییر بنیادین تکنولوژی کوره است. راهکار پیشنهادی بر اصلاح علمی مقطع شارژ، کنترل دانه‌بندی، بهبود مسیرهای نفوذ گاز و افزایش راندمان مصرف کربن متمرکز است.
4) اهداف طرح
اهداف اصلی این طرح عبارت‌اند از:
کاهش مصرف ویژه ذغال از سطح فعلی حدود 800 kg/t به هدف نهایی 500 kg/t
افزایش راندمان مصرف کربن در فرآیند احیا
بهبود نفوذپذیری بستر شارژ در بوته
کاهش میزان کربن واکنش‌نداده
افزایش یکنواختی متالیزاسیون محصول
تثبیت شرایط عملیاتی کوره تونلی
کاهش هزینه تولید آهن اسفنجی/بریکت
5) مبانی نظری احیا در کوره تونلی
5-1) نقش ذغال در فرآیند
در این واحد، ذغال نقش عامل احیاکننده دارد، نه سوخت اصلی کوره. سوخت حرارتی کوره از نوع گاز است و وظیفه تأمین دمای فرآیند را بر عهده دارد. ذغال داخل بوته با تولید گاز CO و ایجاد محیط احیایی، اکسیژن موجود در اکسیدهای آهن را حذف کرده و آهن فلزی تولید می‌کند.
5-2) واکنش‌های اصلی احیا
احیای اکسید آهن با CO به صورت مرحله‌ای انجام می‌شود:
Fe2O3+CO→2FeO+CO2 Fe_2O_3 + CO \rightarrow 2FeO + CO_2 Fe2​O3​+CO→2FeO+CO2​
FeO+CO→Fe+CO2 FeO + CO \rightarrow Fe + CO_2 FeO+CO→Fe+CO2​
گاز CO نیز عمدتاً از واکنش گازسازی کربن تولید می‌شود:
C+CO2→2CO C + CO_2 \rightarrow 2CO C+CO2​→2CO
واکنش کلی احیا را می‌توان به‌صورت ساده‌شده زیر بیان کرد:
Fe2O3+3C→2Fe+3CO Fe_2O_3 + 3C \rightarrow 2Fe + 3CO Fe2​O3​+3C→2Fe+3CO
این واکنش مبنای محاسبه حداقل کربن مورد نیاز برای احیای اکسید آهن است.
6) محاسبات استوکیومتری مصرف کربن و ذغال
6-1) جرم مولی مواد
جرم مولی ترکیبات اصلی به شرح زیر است:
MFe2O3=159.7 g/mol M_{Fe_2O_3} = 159.7 \, g/mol MFe2​O3​​=159.7g/mol
MFe=55.85 g/mol M_{Fe} = 55.85 \, g/mol MFe​=55.85g/mol
MC=12 g/mol M_C = 12 \, g/mol MC​=12g/mol
بر اساس واکنش:
Fe2O3+3C→2Fe+3CO Fe_2O_3 + 3C \rightarrow 2Fe + 3CO Fe2​O3​+3C→2Fe+3CO
برای احیای یک مول Fe2O3Fe_2O_3Fe2​O3​، سه مول کربن مصرف می‌شود و دو مول آهن تولید می‌گردد.
جرم آهن تولیدی:
2×55.85=111.7 g 2 \times 55.85 = 111.7 \, g 2×55.85=111.7g
جرم کربن مصرفی:
3×12=36 g 3 \times 12 = 36 \, g 3×12=36g
بنابراین نسبت کربن به آهن تولیدی برابر است با:
36111.7=0.322 \frac{36}{111.7} = 0.322 111.736​=0.322
پس برای تولید یک تن آهن فلزی:
mC=0.322×1000=322 kg/t m_C = 0.322 \times 1000 = 322 \, kg/t mC​=0.322×1000=322kg/t
بنابراین حداقل کربن تئوری مورد نیاز حدود:
322 kg C/t 322 \, kg \, C/t 322kgC/t
است.
6-2) تبدیل ک

ربن تئوری به مصرف ذغال
ذغال مورد استفاده دارای درصدی کربن ثابت است. اگر مقدار کربن ثابت ذغال با FCFCFC نشان داده شود، مصرف تئوری ذغال از رابطه زیر محاسبه می‌شود:
mcoal=mCFC m_{coal} = \frac{m_C}{FC} mcoal​=FCmC​​
با فرض:
FC=0.55 FC = 0.55 FC=0.55
خواهیم داشت:
mcoal=3220.55=585.4 kg/t m_{coal} = \frac{322}{0.55} = 585.4 \, kg/t mcoal​=0.55322​=585.4kg/t
بنابراین مصرف تئوری ذغال در این شرایط حدود:
580 تا 600 kg/t 580 \text{ تا } 600 \, kg/t 580 تا 600kg/t
خواهد بود.
6-3) مقایسه مصرف فعلی با مقدار تئوری
مصرف فعلی:
mactual=800 kg/t m_{actual} = 800 \, kg/t mactual​=800kg/t
مصرف تئوری تقریبی:
mtheoretical=585 kg/t m_{theoretical} = 585 \, kg/t mtheoretical​=585kg/t
اختلاف:
Δm=800−585=215 kg/t \Delta m = 800 – 585 = 215 \, kg/t Δm=800−585=215kg/t
درصد اختلاف نسبت به مصرف فعلی:
215800×100=26.9% \frac{215}{800} \times 100 = 26.9\% 800215​×100=26.9%
درصد اختلاف نسبت به مصرف تئوری:
215585×100=36.8% \frac{215}{585} \times 100 = 36.8\% 585215​×100=36.8%
این اختلاف نشان می‌دهد که مقدار قابل توجهی از ذغال مصرفی به‌صورت مؤثر در واکنش احیا شرکت نمی‌کند و امکان بهینه‌سازی فرآیند وجود دارد.
7) تحلیل هندسی بوته و حجم شارژ
7-1) ابعاد بوته
ابعاد داخلی بوته به صورت زیر در نظر گرفته می‌شود:
قطر داخلی:
D=380 mm=0.38 m D = 380 \, mm = 0.38 \, m D=380mm=0.38m
شعاع داخلی:
r=D2=0.19 m r = \frac{D}{2} = 0.19 \, m r=2D​=0.19m
ارتفاع داخلی:
h=480 mm=0.48 m h = 480 \, mm = 0.48 \, m h=480mm=0.48m
7-2) حجم مفید داخلی بوته
حجم استوانه از رابطه زیر به دست می‌آید:
V=πr2h V = \pi r^2 h V=πr2h
جایگذاری اعداد:
V=3.1416×(0.19)2×0.48 V = 3.1416 \times (0.19)^2 \times 0.48 V=3.1416×(0.19)2×0.48
V=3.1416×0.0361×0.48 V = 3.1416 \times 0.0361 \times 0.48 V=3.1416×0.0361×0.48
V=0.0544 m3 V = 0.0544 \, m^3 V=0.0544m3
از آنجا که:
1 m3=1000 L 1 \, m^3 = 1000 \, L 1m3=1000L
پس:
V=54.4 L V = 54.4 \, L V=54.4L
بنابراین حجم مفید داخلی هر بوته حدود 54 لیتر است.
7-3) مدل هندسی شارژ پیشنهادی
در این طرح، آرایش شارژ به‌صورت لایه‌ای محصور یا Sandwich / Enclosed Multi-layer در نظر گرفته می‌شود. در این مدل:
ماده آهن‌دار در مرکز بوته قرار می‌گیرد
ذغال و آهک در بالا، پایین و اطراف ماده آهن‌دار توزیع می‌شوند
هدف، ایجاد محیط احیایی یکنواخت و مسیرهای مناسب عبور گاز است
7-4) محاسبه تقریبی حجم لایه‌های ذغال
فرض طراحی اولیه:
ضخامت لایه پایینی ذغال و آهک:
tb=0.04 m t_b = 0.04 \, m tb​=0.04m
ضخامت لایه بالایی ذغال و آهک:
tt=0.04 m t_t = 0.04 \, m tt​=0.04m
ارتفاع ناحیه میانی:
hm=0.40 m h_m = 0.40 \, m hm​=0.40m
حجم هر لایه بالا یا پایین:
Vlayer=πr2t V_{layer} = \pi r^2 t Vlayer​=πr2t
Vlayer=3.1416×(0.19)2×0.04 V_{layer} = 3.1416 \times (0.19)^2 \times 0.04 Vlayer​=3.1416×(0.19)2×0.04
Vlayer=0.00453 m3 V_{layer} = 0.00453 \, m^3 Vlayer​=0.00453m3
حجم دو لایه بالا و پایین:
Vtop+bottom=2×0.00453=0.00906 m3 V_{top+bottom} = 2 \times 0.00453 = 0.00906 \, m^3 Vtop+bottom​=2×0.00453=0.00906m3
حجم کل ناحیه میانی:
Vmid,total=πr2hm V_{mid,total} = \pi r^2 h_m Vmid,total​=πr2hm​
Vmid,total=3.1416×(0.19)2×0.40 V_{mid,total} = 3.1416 \times (0.19)^2 \times 0.40 Vmid,total​=3.1416×(0.19)2×0.40
Vmid,total=0.0454 m3 V_{mid,total} = 0.0454 \, m^3 Vmid,total​=0.0454m3
اگر قطر هسته آهنی حدود 260 میلی‌متر در نظر گرفته شود:
DFe=0.26 m D_{Fe} = 0.26 \, m DFe​=0.26m
rFe=0.13 m r_{Fe} = 0.13 \, m rFe​=0.13m
حجم هسته آهنی:
VFe=πrFe2hm V_{Fe} = \pi r_{Fe}^2 h_m VFe​=πrFe2​hm​
VFe=3.1416×(0.13)2×0.40 V_{Fe} = 3.1416 \times (0.13)^2 \times 0.40 VFe​=3.1416×(0.13)2×0.40
VFe=0.0212 m3 V_{Fe} = 0.0212 \, m^3 VFe​=0.0212m3
حجم ناحیه پیرامونی ذغال در بخش میانی:
Vcoal,mid=Vmid,total−VFe V_{coal,mid} = V_{mid,total} – V_{Fe} Vcoal,mid​=Vmid,total​−VFe​
Vcoal,mid=0.0454−0.0212 V_{coal,mid} = 0.0454 – 0.0212 Vcoal,mid​=0.0454−0.0212
Vcoal,mid=0.0242 m3 V_{coal,mid} = 0.0242 \, m^3 Vcoal,mid​=0.0242m3
حجم کل ذغال و آهک در مدل لایه‌ای:
Vcoal,total=Vcoal,mid+Vtop+bottom V_{coal,total} = V_{coal,mid} + V_{top+bottom} Vcoal,total​=Vcoal,mid​+Vtop+bottom​
Vcoal,total=0.0242+0.00906 V_{coal,total} = 0.0242 + 0.00906 Vcoal,total​=0.0242+0.00906
Vcoal,total=0.0333 m3 V_{coal,total} = 0.0333 \, m^3 Vcoal,total​=0.0333m3
یعنی:
Vcoal,total=33.3 L V_{coal,tot

al} = 33.3 \, L Vcoal,total​=33.3L
7-5) تبدیل حجم ذغال به جرم
رابطه جرم و حجم:
m=ρV m = \rho V m=ρV
اگر چگالی بالک ذغال در بازه زیر باشد:
ρ=700 تا 800 kg/m3 \rho = 700 \text{ تا } 800 \, kg/m^3 ρ=700 تا 800kg/m3
در حالت حد پایین:
m=0.0333×700=23.3 kg m = 0.0333 \times 700 = 23.3 \, kg m=0.0333×700=23.3kg
در حالت حد بالا:
m=0.0333×800=26.6 kg m = 0.0333 \times 800 = 26.6 \, kg m=0.0333×800=26.6kg
بنابراین جرم تقریبی ذغال در هر بوته در این مدل حدود:
23 تا 27 kg 23 \text{ تا } 27 \, kg 23 تا 27kg
است.
این محاسبات نشان می‌دهد که مصرف بالای ذغال در مقیاس تن محصول، صرفاً ناشی از حجم فیزیکی شارژ در هر بوته نیست؛ بلکه بخش مهمی از آن مربوط به راندمان پایین واکنش، تلفات کربن، نفوذپذیری نامناسب و طراحی غیربهینه شارژ است.
8) روش اجرای طرح
اجرای طرح باید به صورت مرحله‌ای، کنترل‌شده و مبتنی بر داده‌های واقعی تولید انجام شود. محورهای اجرایی طرح عبارت‌اند از:
8-1) اصلاح دانه‌بندی مواد
دانه‌بندی مواد باید به‌گونه‌ای کنترل شود که ضمن ایجاد سطح تماس مناسب، از انسداد مسیرهای عبور گاز جلوگیری شود. حضور نرمه‌های بیش از حد در ذغال یا آهک، باعث کاهش تخلخل بستر و افت راندمان احیا می‌شود.
اقدامات پیشنهادی:
حذف یا کاهش نرمه‌های بسیار ریز ذغال
جلوگیری از ورود پودر آهک به شارژ
استفاده از دانه‌بندی یکنواخت‌تر
کنترل رطوبت مواد قبل از شارژ
جلوگیری از جداشدگی دانه‌ها هنگام شارژگیری
8-2) بازطراحی مقطع شارژ
در این مرحله، تمرکز بر شکل‌دهی صحیح مقطع شارژ در داخل بوته است. هدف آن است که ماده آهن‌دار در ناحیه مرکزی قرار گرفته و ذغال و آهک در پیرامون، بالا و پایین آن توزیع شوند.
مزایای این طراحی:
بهبود تماس گاز احیاکننده با ماده آهن‌دار
کاهش نواحی مرده در مرکز شارژ
افزایش یکنواختی احیا
کاهش مصرف غیرموثر ذغال
افزایش قابلیت کنترل فرآیند
8-3) کنترل کیفیت عملیاتی
برای موفقیت طرح، کنترل عملیاتی باید همزمان با اصلاح شارژ انجام شود. پارامترهای مهم عبارت‌اند از:
زمان ماند بوته در ناحیه دمایی مؤثر
یکنواختی دمایی در طول کوره
کیفیت ذغال ورودی
درصد کربن ثابت ذغال
رطوبت شارژ
میزان متالیزاسیون محصول
مقدار کربن باقیمانده در خروجی
9) مرحله‌بندی کاهش مصرف ذغال
9-1) وضعیت مبنا
مصرف فعلی ذغال:
m0=800 kg/t m_0 = 800 \, kg/t m0​=800kg/t
هدف نهایی:
mf=500 kg/t m_f = 500 \, kg/t mf​=500kg/t
کاهش کل مورد نیاز:
Δm=m0−mf \Delta m = m_0 – m_f Δm=m0​−mf​
Δm=800−500=300 kg/t \Delta m = 800 – 500 = 300 \, kg/t Δm=800−500=300kg/t
درصد کاهش کل:
R=300800×100 R = \frac{300}{800} \times 100 R=800300​×100
R=37.5% R = 37.5\% R=37.5%
بنابراین پروژه باید در مجموع به کاهش 37.5 درصدی مصرف ذغال منجر شود.
9-2) مرحله اول: اصلاح دانه‌بندی و حذف نرمه‌ها
هدف مرحله اول، کاهش مصرف ذغال از طریق افزایش نفوذپذیری بستر و حذف ذرات مزاحم است.
درصد کاهش هدف:
R1=10 تا 12% R_1 = 10 \text{ تا } 12\% R1​=10 تا 12%
مصرف بعد از مرحله اول:
m1=m0×(1−R1) m_1 = m_0 \times (1 – R_1) m1​=m0​×(1−R1​)
برای کاهش 10 درصدی:
m1=800×(1−0.10) m_1 = 800 \times (1 – 0.10) m1​=800×(1−0.10)
m1=720 kg/t m_1 = 720 \, kg/t m1​=720kg/t
برای کاهش 12 درصدی:
m1=800×(1−0.12) m_1 = 800 \times (1 – 0.12) m1​=800×(1−0.12)
m1=704 kg/t m_1 = 704 \, kg/t m1​=704kg/t
بنابراین مصرف پس از مرحله اول:
m1=704 تا 720 kg/t m_1 = 704 \text{ تا } 720 \, kg/t m1​=704 تا 720kg/t
اقدامات مرحله اول:
حذف نرمه‌های زیر حد مجاز
کنترل دانه‌بندی ذغال
کاهش پودر آهک
کنترل رطوبت مواد
یکنواخت‌سازی شارژ در بوته‌ها
جلوگیری از فشردگی بیش از حد بستر
9-3) مرحله دوم: بازطراحی هندسه لایه‌ها
هدف مرحله دوم، اصلاح مقطع شارژ و بهینه‌سازی توزیع ذغال و آهک در اطراف ماده آهن‌دار است.
درصد کاهش هدف:
R2=8 تا 10% R_2 = 8 \text{ تا } 10\% R2​=8 تا 10%
با فرض مصرف میانگین پس از مرحله اول:
m1≈720 kg/t m_1 \approx 720 \, kg/t m1​≈720kg/t
برای کاهش 8 درصدی:
m2=720×(1−0.08) m_2 = 720 \times (1 – 0.08) m2​=720×(1−0.08)
m2=662.4 kg/t m_2 = 662.4 \, kg/t m2​=662.4kg/t
برای کاهش 10 درصدی:
m2=720×(1−0.10) m_2 = 720 \times (1 – 0.10) m2​=720×(1−0.10)
m2=648 kg/t m_2 = 648 \, kg/t m2​=648kg/t
بنابراین مصرف پس از مرحله دوم:
m2=648 تا 662 kg/t m_2 = 648 \text{ تا } 662 \, kg/t m2​=648 تا 662kg/t
اقدامات مرحله دوم:
طراحی لایه‌های بالا، پایین و پیرامونی
تثبیت موقعیت هسته آهنی در مرکز بوته
اصلاح نسبت ذغال به آهک
جلوگیری از ایجاد ناحیه فشرده در مرکز شارژ
افزایش یکنواختی مسیرهای عبور گاز
9-4) مرحله سوم: پایدارسازی فرآی

ند و کاهش تلفات واکنشی
هدف مرحله سوم، کاهش کربن واکنش‌نداده و افزایش راندمان احیا از طریق کنترل فرآیند است.
درصد کاهش هدف:
R3=7 تا 8% R_3 = 7 \text{ تا } 8\% R3​=7 تا 8%
با فرض مصرف ورودی این مرحله:
m2≈660 kg/t m_2 \approx 660 \, kg/t m2​≈660kg/t
برای کاهش 7 درصدی:
m3=660×(1−0.07) m_3 = 660 \times (1 – 0.07) m3​=660×(1−0.07)
m3=613.8 kg/t m_3 = 613.8 \, kg/t m3​=613.8kg/t
برای کاهش 8 درصدی:
m3=660×(1−0.08) m_3 = 660 \times (1 – 0.08) m3​=660×(1−0.08)
m3=607.2 kg/t m_3 = 607.2 \, kg/t m3​=607.2kg/t
بنابراین مصرف پس از مرحله سوم:
m3=607 تا 614 kg/t m_3 = 607 \text{ تا } 614 \, kg/t m3​=607 تا 614kg/t
اقدامات مرحله سوم:
کنترل یکنواختی دمایی کوره
اصلاح زمان ماند در ناحیه احیا
پایش متالیزاسیون محصول
اندازه‌گیری کربن باقیمانده در خروجی
اصلاح نوسانات شارژگیری
کاهش تلفات واکنشی
9-5) مرحله چهارم: تثبیت نهایی و رسیدن به 500 kg/t
در این مرحله، هدف نهایی کاهش مصرف از حدود 610 kg/t به 500 kg/t است.
مبنای محاسبه:
m3≈610 kg/t m_3 \approx 610 \, kg/t m3​≈610kg/t
هدف نهایی:
mf=500 kg/t m_f = 500 \, kg/t mf​=500kg/t
مقدار کاهش مورد نیاز:
Δm4=610−500 \Delta m_4 = 610 – 500 Δm4​=610−500
Δm4=110 kg/t \Delta m_4 = 110 \, kg/t Δm4​=110kg/t
درصد کاهش مورد نیاز در مرحله چهارم:
R4=110610×100 R_4 = \frac{110}{610} \times 100 R4​=610110​×100
R4=18.0% R_4 = 18.0\% R4​=18.0%
بنابراین در مرحله نهایی، کاهش حدود:
17 تا 18% 17 \text{ تا } 18\% 17 تا 18%
نسبت به مصرف مرحله سوم مورد نیاز است.
اقدامات مرحله چهارم:
تثبیت کامل مدل شارژ بهینه
کنترل سخت‌گیرانه کیفیت ذغال
کنترل کربن ثابت، خاکستر و رطوبت
حذف کامل نقاط مرده بستر
پایش مستمر متالیزاسیون
تنظیم نهایی نسبت ذغال، آهک و ماده آهن‌دار
استانداردسازی دستورالعمل شارژگیری
9-6) جدول خلاصه مرحله‌بندی
مرحلهاقدام اصلیدرصد کاهش مرحله‌ایمصرف هدفوضعیت فعلیمصرف مبنا-800 kg/tمرحله اولاصلاح دانه‌بندی و حذف نرمه‌ها10 تا 12%704 تا 720 kg/tمرحله دومبازطراحی هندسه لایه‌ها8 تا 10%648 تا 662 kg/tمرحله سومپایدارسازی فرآیند7 تا 8%607 تا 614 kg/tمرحله چهارمتثبیت نهایی و بهینه‌سازی کامل17 تا 18%500 kg/t
10) نتایج مورد انتظار
با اجرای کامل این طرح، نتایج زیر مورد انتظار خواهد بود:
کاهش مصرف ذغال از 800 به 500 کیلوگرم بر تن
کاهش مصرف ویژه به میزان کلی 37.5 درصد
افزایش راندمان مصرف کربن
کاهش کربن واکنش‌نداده در محصول خروجی
افزایش یکنواختی متالیزاسیون
کاهش هزینه تولید
بهبود پایداری فرآیند کوره تونلی
کاهش وابستگی به افزایش تجربی مقدار ذغال
ایجاد دستورالعمل استاندارد شارژگیری
افزایش قابلیت کنترل و تکرارپذیری تولید
11) منابع علمی پیشنهادی
Khattoi, S.C., Roy, G.G.
Sponge Iron Production from Ore-Coal Composite Pellets in Tunnel Kiln.
Ahmadi, S., Nuranian, H.
Optimization of Direct Reduction in Tunnel Furnace Using Different Resources of Ferrous Oxides.
Choudhury, A.
Energy Audit Methodology of Sponge Iron Manufacturing Units Using DRI Process.
12) جمع‌بندی نهایی مدیریتی
بر اساس محاسبات استوکیومتری، برای احیای یک تن آهن فلزی، حداقل حدود 322 کیلوگرم کربن خالص مورد نیاز است. با در نظر گرفتن درصد کربن ثابت ذغال، مصرف تئوری ذغال در محدوده حدود 580 تا 600 کیلوگرم بر تن برآورد می‌شود. مصرف فعلی واحد در سطح 800 کیلوگرم بر تن نشان‌دهنده وجود تلفات فرآیندی، واکنش‌ندادن بخشی از کربن و عدم بهینه‌بودن مقطع شارژ است.
تحلیل هندسی بوته نیز نشان می‌دهد که حجم مفید داخلی هر بوته حدود 54 لیتر بوده و مقدار ذغال شارژ شده در هر بوته در محدوده تقریبی 23 تا 27 کیلوگرم قرار می‌گیرد. بنابراین مصرف بالای ثبت‌شده در مقیاس تن محصول، بیشتر ناشی از راندمان پایین مصرف کربن است تا صرفاً مقدار فیزیکی شارژ.
برنامه پیشنهادی کاهش مصرف ذغال به‌صورت مرحله‌ای طراحی شده است. در مرحله نخست، با اصلاح دانه‌بندی و حذف نرمه‌ها، مصرف به حدود 704 تا 720 کیلوگرم بر تن کاهش می‌یابد. در مرحله دوم، با بازطراحی هندسه لایه‌ها و مقطع شارژ، مصرف به حدود 648 تا 662 کیلوگرم بر تن می‌رسد. در مرحله سوم، با پایدارسازی فرآیند و کاهش تلفات واکنشی، مصرف در محدوده 607 تا 614 کیلوگرم بر تن تثبیت می‌شود. در مرحله نهایی، با تکمیل بهینه‌سازی، کنترل سخت‌گیرانه کیفیت مواد و تثبیت دستورالعمل شارژگیری، هدف نهایی 500 کیلوگرم بر تن دنبال خواهد شد.
از نظر فنی، دستیابی به هدف نهایی مستلزم اجرای دقیق، پایش مداوم، کنترل کیفیت مواد ورودی و اصلاح علمی مقاطع شارژ است. این طرح بدون تغییر بنیادین در تکنولوژی کوره، بر افزایش راندمان فرآیند موجود تمرکز

دارد و می‌تواند مبنای مناسبی برای کاهش هزینه تولید و افزایش پایداری عملیاتی واحد باشد.

چکیده

این مقاله به معرفی یک اورفیس پیشرفته تولید شده از کامپوزیت بر پایه کاربوراندوم با نام تجاری Farbor 402 می‌پردازد که در صنایع فلزی، به ویژه صنایع مس، قابل استفاده است. اورفیس مذکور با استفاده از ترکیب مواد خاص و سایز بندی دقیق، شکل‌گیری در پرس ایزواستاتیک 1000 تن و زینترینگ در کوره با دمای 1500–1600 درجه سانتی‌گراد تولید می‌شود. دقت بالا در طراحی و انتخاب مواد باعث ایجاد قطعه‌ای با طول عمر و عملکرد چند برابر نسبت به نمونه‌های مشابه موجود در بازار می‌شود. مطالعه حاضر شامل تحلیل ترکیبات، فرآیند تولید، مقایسه با اورفیس‌های سنتی و کاربردهای مختلف صنعتی است.

---

مقدمه

اورفیس‌ها در صنایع مختلف برای کنترل دبی سیال، تقسیم جریان و افزایش کارایی فرآیندهای هیدرومکانیکی و فلوتاسیون کاربرد دارند. با توجه به افزایش نیاز صنایع فلزی به قطعات مقاوم در برابر سایش و دمای بالا، استفاده از کامپوزیت‌های سرامیکی و بر پایه کاربوراندوم اهمیت ویژه‌ای یافته است.

Farbor 402 ترکیبی از ذرات کاربوراندوم، بایندر مناسب و طراحی دقیق ذرات است که عملکرد قابل توجهی در شرایط سخت صنعتی ارائه می‌دهد و در صنایع فولاد، آلومینیوم، پتروشیمی و نیروگاهی نیز قابل استفاده است.

---

مواد و روش‌ها

ترکیب مواد

ذرات کاربوراندوم با سایزهای کنترل شده 0.5–50 میکرومتر

بایندر سیلیکات سدیم مایع با نسبت بهینه

افزودنی‌های مقاوم به دما و سایش

ترکیب نهایی با نسبت دقیق برای دستیابی به چگالی بالا و مقاومت مکانیکی مطلوب

فرآیند تولید

1. آماده‌سازی پودرها : ذرات کاربوراندوم و افزودنی‌ها همگن می‌شوند.
2. اضافه کردن بایندر : بایندر به مخلوط اضافه شده و همگن می‌شود.
3. شکل‌دهی ایزواستاتیک : تن فشار برای ایجاد چگالی یکنواخت اعمال می‌شود.
4. پیش‌گرم : گرم کردن آرام برای حذف بایندر و کاهش تنش.
5. زینترینگ: در دمای 1500–1600°C و محیط کنترل‌شده.

نمودار شماتیک فرآیند تولید

مواد اولیه (کاربوراندوم + افزودنی‌ها)
│
▼
مخلوط کردن یکنواخت
│
▼
اضافه کردن بایندر (سیلیکات سدیم)
│
▼
شکل‌دهی ایزواستاتیک (1000 تن فشار)
│
▼
پیش‌گرم
│
▼
زینترینگ در دمای
│
▼
اورفیس Farbor 402 آماده

---

تست‌ها و آزمایشات –

خواص مکانیکی –

مقاومت خمشی: ASTM C1161

مقاومت فشاری: ASTM C1424

سختی: Vickers Hardness، ASTM E384

مقاومت سایشی – Wear and Abrasion Resistance

تست Pin-on-disk: ASTM G99

تست سایش اسلاری: ISO 9355-2

خواص حرارتی – Thermal Properties

مقاومت شوک حرارتی: ASTM C1499

پایداری در دمای بالا: Cyclic furnace test up to 1600°C

نتایج آزمایشگاهی پیشنهادی – Representative Data:

ویژگی – Property Farbor 402 سرامیک سنتی فلزی – Metallic

مقاومت خمشی – Flexural strength 1200 MPa 650 MPa 400 MPa
مقاومت فشاری – Compressive strength 1500 MPa 900 MPa 500 MPa
نرخ سایش – Wear rate 0.02 mm³/Nm 0.10 mm³/Nm 0.15 mm³/Nm
شوک حرارتی ΔT – Thermal shock 1200°C 600°C 350°C
طول عمر – Operational lifetime 5–7× 2–3× 1×

نمودار مقایسه طول عمر اورفیس‌ها – Relative Performance:

طول عمر نسبی
فلزی ─■
سرامیکی ─■■
Farbor 402 ─■■■■■■■

نمودار مقایسه مقاومت سایشی – Wear Rate (mm³/Nm)

مقاومت سایشی ↓
0.20 ┤ ■ فلزی
0.15 ┤
0.10 ┤ ■ سرامیکی
0.05 ┤
0.02 ┤ ■ Farbor 402
0.00 ┤
└──────────────

---

کاربردها

صنایع مس: کنترل جریان کنسانتره در سلول‌های فلوتاسیون

فولاد و آلومینیوم: مدیریت جریان مذاب و گاز

پتروشیمی و نیروگاهی: جریان سیالات با دمای بالا و فشار زیاد

سیستم‌های هیدرومکانیکی دقیق

شماتیک کاربرد در سلول فلوتاسیون :

┌─────────┐
│ ورود │
│ کنسانتره │
└────┬────┘
▼
┌───────────────┐
│ اورفیس │ ← کنترل دبی و تقسیم جریان
└───────────────┘
│
▼
┌───────────────┐
│ سلول فلوتاسیون │
└───────────────┘

---

بحث – Discussion

شکل‌دهی ایزواستاتیک و زینترینگ در دمای بالا منجر به چگالی نزدیک به 100٪ و کاهش ریزترک‌ها و تخلخل می‌شود. توزیع دقیق ذرات باعث بهبود چگالی و کاهش سایش می‌شود. Farbor 402 در مقاومت، سایش و پایداری حرارتی برتر از اورفیس‌های سنتی فلزی و سرامیکی است.

مزایای کلیدی

1. طول عمر عملیاتی تا 7 برابر بیشتر
2. مقاومت بالای حرارتی و سایشی
3. دقت ابعادی بالا –
4. کاربرد چندمنظوره صنعتی –

---

نتیجه‌گیری –

اورفیس‌های Farbor 402 با استفاده از پرس ایزواستاتیک و زینترینگ با دمای بالا، عملکرد و طول عمر قابل توجهی ارائه می‌دهند. توسعه این قطعات توسط واحد تحقیق و توسعه شرکت دانش بنیان فناوری صنایع پیشگامان برهان استیل و تحت سرپرستی دکتر فریبرز برهان‌زاده انجام شده است.

---

نمای داخلی اورفیس

┌───────────────────────────────────────────┐
│ Outer Surface │ ← OD 680 mm, Ceramic Composite
│ │
│ ┌───────────────┐ │
│ │ Central Tube │ ← Height: 100 mm │
│ │ ID: 160–320mm│ ← Wall: 30 mm │
│ │ Material: Farbor 402 Composite │
│ └───────────────┘ │
│ │
└───────────────────────────────────────────┘

Outer diameter (OD): 680 mm

Inner Tube Diameter (ID): 160–320 mm

Wall Thickness: 30 mm

Height of Tubular Insert: 100 mm

Material: High-density Farbor 402 composite

Modular design allows replacing central tube to create different orifice IDs.

---

نمای تفکیکی

Step 1: Base Plate (صفحه اصلی) ───────────────┐
│
Step 2: Tubular Insert (لوله مرکزی) ────────┼─> Modular assembly
│
Step 3: Top Surface / Finishing ─────────────┘

Exploded view shows modular assembly for interchangeable tube inserts.

---

جدول ترکیبات مواد

ماده – درصد وزنی – نقش – ویژگی‌ها –

Carburanium 80–85% ساختار اصلی High wear and temperature resistance
HT Additive 5–10% افزایش مقاومت حرارتی Stable up to 1600°C
Na₂SiO₃ Binder 5–10% اتصال ذرات Homogeneity & adhesion
Other Additives 1–3% کاهش تخلخل Improves density

---

طول عمر عملیاتی

7.0 ┤
6.0 ┤
5.0 ┤ ■ Farbor 402
4.0 ┤
3.0 ┤ ■ Traditional Ceramic
2.0 ┤
1.0 ┤■ Metallic Orifice
0.0 ┤
└──────────────
Lifetime (Relative Units)

نمودار مقاومت سایشی

Wear Rate (mm³/Nm)
0.20 ┤■ Metallic
0.15 ┤
0.10 ┤ ■ Traditional Ceramic
0.05 ┤
0.02 ┤ ■ Farbor 402
0.00 ┤
└──────────────

Suggested colors for print: Farbor 402 = Dark Gray, Ceramic = Medium Gray, Metallic = Light Gray.

---

راهنمای طراحی CAD

Outer Diameter (OD): 680 mm
Inner Tube Diameter (ID): 160–320 mm
Wall Thickness: 30 mm
Tube Height: 100 mm
Chamfer Inner Edge: 2–3 mm
Modular Insert: Yes
Material Notes:

• Base: Farbor 402, high density
• Tube: Same composite, high wear zone

---

نمودار فرآیند تولید

[Materials: Carburanium + Additives]
│
▼
[Homogeneous Mixing]
│
▼
[Binder Addition: Na₂SiO₃]
│
▼
[Isostatic Pressing: 1000 Tons]
│
▼
[Preheating / Binder Burnout]
│
▼
[Sintering: 1500–1600°C, Controlled Atmosphere]
│
▼
[Final Machining & Quality Check]
│
▼
[Farbor 402 Orifice Ready]

For print, use arrows and numbered steps in Word/PowerPoint.

---

کاربرد در سلول فلوتاسیون

┌─────────┐
│ Feed │
│ Slurry │
└────┬────┘
▼
┌───────────────┐
│ Orifice │ ← Controls flow & distribution
└───────────────┘
│
▼
┌───────────────┐
│ Flotation Cell │
  └───────────

---

تشکر و قدردانی

از تیم تحقیق و توسعه شرکت دانش بنیان صنایع پیشگامان برهان استیل برای توسعه مواد، طراحی کامپوزیت و ارزیابی آزمایشگاهی تشکر می‌شود.

---

مراجع – References

1. Kingery, W. D., Bowen, H. K., & Uhlmann, D. R. (1976). Introduction to Ceramics. John Wiley & Sons.
2. ASTM C1161-18. Standard Test Method for Flexural Strength of Advanced Ceramics.
3. ASTM G99-17. Standard Test Method for Wear Testing with Pin-on-Disk.
4. ISO 9355-2:2010. Slurry Erosion of Metals.
5. Norton, F. H. (2005). Fundamentals of Heat and Mass Transfer in Ceramics.
6. Lee, W., & Lee, J. (2012). High-temperature wear resistance of carburanium composites. Journal of Materials Engineering and Performance, 21(4), 567–574.
7. Zhang, X., et al. (2015). Sintering and mechanical characterization of high-density ceramic orifices. Ceramics International, 41(3), 3745–3752

---

---

چکیده: فرآیند فلوتاسیون به عنوان یکی از مهم‌ترین روش‌های پرعیارسازی کانه‌های سولفیدی مس، نقش حیاتی در صنایع معدنی ایفا می‌کند. در این فرآیند، صفحات جداکننده و دیفیوزرها وظیفه ایجاد و توزیع مناسب حباب‌ها را بر عهده دارند. انتخاب متریال مناسب برای ساخت این صفحات، به دلیل شرایط خورنده، سایش شدید و نیاز به طول عمر بالا، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در این پژوهش، امکان‌سنجی و طراحی صفحات فلوتاسیون با استفاده از کامپوزیت Farbor08 بررسی شده و خواص مکانیکی، شیمیایی و عملکردی آن تحلیل گردیده است.

مقدمه: فرآیند فلوتاسیون در صنعت مس نیازمند تجهیزات مقاوم به سایش، خوردگی و شرایط حرارتی است. صفحات فلوتاسیون معمولاً از پلیمرها، سرامیک‌ها و یا فلزات پوشش‌دار ساخته می‌شوند. با این حال، محدودیت‌هایی همچون شکنندگی سرامیک‌ها و خوردگی فلزات استفاده گسترده آن‌ها را با چالش مواجه ساخته است. به همین دلیل، استفاده از کامپوزیت‌های مهندسی نوین نظیر Farbor08 می‌تواند راهکار مؤثری برای ارتقاء دوام و کارایی این تجهیزات باشد.

مواد و روش‌ها:

متریال Farbor08 به عنوان یک کامپوزیت پلیمری-معدنی با چگالی حدود 2.1 g/cm³ انتخاب شد.

نمونه‌های اولیه به روش قالب‌گیری و ماشین‌کاری CNC تولید شدند.

صفحات طراحی شده در دو مدل ثابت و متحرک (چپ و راست) ساخته شدند تا امکان استفاده در شرایط مختلف عملیاتی فراهم شود.

آزمون‌های انجام شده:

مقاومت سایشی بر اساس استاندارد ASTM D4060 (Taber Abrasion Test).

مقاومت شیمیایی در محدوده pH=2 تا pH=12 بر اساس استاندارد ASTM D543.

پایداری حرارتی در محدوده 20 تا 90 درجه سانتی‌گراد بر اساس استاندارد ASTM D648 (Heat Deflection Temperature).

آزمون خستگی حرارتی (Thermal Cycling) در محدوده 20 تا 85 درجه سانتی‌گراد طی 500 چرخه.

عملکرد صفحات ساخته‌شده در یک سلول فلوتاسیون آزمایشگاهی با ابعاد 5 لیتر شبیه‌سازی شد.

نتایج و بحث:

نتایج نشان دادند که Farbor08 دارای مقاومت سایشی 35% بالاتر نسبت به POM و 20% بالاتر نسبت به پلی‌اورتان است.

پایداری شیمیایی کامپوزیت در محیط‌های اسیدی و قلیایی گسترده (pH=2 تا pH=12) مطلوب گزارش شد.

مقاومت حرارتی تا دمای 90 درجه سانتی‌گراد بدون تغییر محسوس در خواص مکانیکی تأیید گردید.

سطح براق و یکنواخت Farbor08 باعث بهبود توزیع حباب‌ها و افزایش راندمان جدایش تا 8% گردید.

طول عمر کاری صفحات ساخته شده از Farbor08 در شرایط آزمایشگاهی حدود 1.8 برابر صفحات پلی‌اورتانی تخمین زده شد.

📊 نمودارهای مقایسه‌ای:

1. مقاومت سایشی (ASTM D4060):
2. پایداری حرارتی (ASTM D648):

قابلیت کاربرد در صنایع مختلف: علاوه بر صنعت مس، صفحات فلوتاسیون ساخته شده با کامپوزیت Farbor08 قابلیت استفاده گسترده در صنایع مختلف را دارند، از جمله:

صنعت سرب و روی

صنعت طلا و نقره

صنعت زغال‌سنگ

صنعت مواد معدنی غیر فلزی (مانند فسفات و باریت)

صنایع شیمیایی و فرآوری مواد معدنی خاص

توضیحات تکمیلی:

بررسی‌های میکروسکوپی (SEM) نشان دادند که ساختار ریزدانه و پیوند یکنواخت فاز پلیمری-معدنی در Farbor08 نقش کلیدی در بهبود مقاومت سایشی و حرارتی ایفا می‌کند. همچنین آزمون‌های خستگی حرارتی (Thermal Cycling) بین 20 تا 85 درجه سانتی‌گراد حاکی از پایداری ساختاری مطلوب و عدم ایجاد ترک‌های سطحی پس از 500 چرخه حرارتی بود. این ویژگی‌ها Farbor08 را برای استفاده در محیط‌های عملیاتی متغیر و دمایی صنایع مختلف بسیار مناسب می‌سازد.

نتیجه‌گیری: بر اساس نتایج این تحقیق، کامپوزیت Farbor08 می‌تواند به عنوان جایگزینی مناسب برای مواد متداول در ساخت صفحات فلوتاسیون صنایع مس و سایر صنایع معدنی مورد استفاده قرار گیرد. این متریال علاوه بر افزایش مقاومت سایشی و شیمیایی، موجب بهبود عملکرد فرآیند فلوتاسیون نیز می‌شود. توسعه مقیاس صنعتی این فناوری می‌تواند منجر به کاهش هزینه‌های نگهداری و افزایش بازدهی کارخانه‌های فرآوری مواد معدنی گردد.

پیشنهادات:

بررسی عملکرد Farbor08 در مقیاس نیمه‌صنعتی و صنعتی.

مقایسه اقتصادی Farbor08 با دیگر متریال‌های متداول.

بهینه‌سازی فرآیند تولید صفحات با طراحی هندسی نوین.

ارزیابی دوام بلندمدت Farbor08 در شرایط واقعی عملیاتی.

تشکر و قدردانی: این پژوهش توسط تیم تحقیق و توسعه شرکت دانش‌بنیان فناور صنایع پیشگامان برهان استیل با سرپرستی دکتر برهان‌زاده انجام گرفته است. از کلیه همکاران آزمایشگاهی و صنعتی که در اجرای این پروژه همکاری داشته‌اند صمیمانه قدردانی می‌گردد.

منابع:

1. Fuerstenau, M. C., & Han, K. N. (2003). Principles of Mineral Processing. SME.
2. Wills, B. A., & Finch, J. (2015). Wills’ Mineral Processing Technology. Elsevier.
3. Smith, J., & Zhang, Y. (2021). Advanced Polymer Composites in Flotation Equipment. Journal of Materials in Mining Engineering, 12(4), 55-68.
4. ASTM D4060-19. Standard Test Method for Abrasion Resistance of Organic Coatings by the Taber Abraser.
5. ASTM D543-20. Standard Practices for Evaluating the Resistance of Plastics to Chemical Reagents.
6. ASTM D648-18. Standard Test Method for Deflection Temperature of Plastics Under Flexural Load

چکیده :

در فرآیند ریخته‌گری مس، یکی از مشکلات اساسی تخریب و از بین رفتن پوشش‌های نسوز لاندر پس از هر بار ریخته‌گری است. این موضوع موجب افزایش هزینه‌ها، توقف خط تولید و کاهش کیفیت محصول می‌گردد. در این پژوهش، لاندر ساخته‌شده از کامپوزیت Farbor406 که توسط شرکت دانش‌بنیان صنایع پیشگامان برهان استیل توسعه یافته است، به‌عنوان جایگزین پوشش‌های سنتی معرفی می‌شود. این کامپوزیت با برخورداری از خواص عدم ترشوندگی و عدم چسبندگی با مذاب مس، مقاومت بالای حرارتی و مکانیکی و دوام طولانی‌مدت، توانسته است ماندگاری باند را تا ۹۹٪ حفظ کرده و نیاز به بازسازی‌های مکرر را حذف نماید. نتایج آزمایش‌های صنعتی نشان داد که عمر مفید لاندر Farbor406 حداقل ۱۰ برابر بیشتر از لاندرهای سنتی است. این نوآوری باعث کاهش هزینه‌های عملیاتی، افزایش بهره‌وری و ارتقاء کیفیت ریخته‌گری مس گردید.

مقدمه

لاندر یکی از بخش‌های حیاتی در خطوط ریخته‌گری مس است که وظیفه انتقال مذاب از کوره به قالب‌ها را بر عهده دارد. در روش‌های متداول، لاندر با جرم‌های نسوز پوشانده می‌شود. اما دمای بالای مذاب مس (حدود ۱۲۵۰–۱۳۰۰ درجه سانتی‌گراد) و طبیعت خورنده آن، موجب تخریب سریع این جرم‌ها شده و پس از هر بار ریخته‌گری نیاز به بازسازی وجود دارد. این مسئله علاوه بر تحمیل هزینه‌های بالا، موجب توقف‌های مکرر تولید و کاهش بهره‌وری می‌گردد.

برای رفع این مشکل، استفاده از مواد نوین با خواص پایدار و طول عمر بیشتر ضروری است. کامپوزیت Farbor406 با طراحی ویژه و خواص منحصر به فرد، توانسته است این چالش را برطرف کند و به‌عنوان جایگزینی مطمئن برای جرم‌های نسوز سنتی معرفی شود.

---

مواد و روش‌ها

ترکیب و آماده‌سازی مواد

مواد اولیه شامل پودرهای سرامیکی با دانه‌بندی دقیق و بایندرهای معدنی مقاوم به حرارت هستند. این مواد با نسبت وزنی مشخص مخلوط شده و در فرآیند همگن‌سازی تحت کنترل دقیق قرار می‌گیرند تا تخلخل ناخواسته کاهش یافته و دانسیته بالاتری حاصل شود.

فرآیند قالب‌گیری و پرس

مرحله اول: مخلوط مواد در قالب‌های فلزی مقاوم قرار داده می‌شود.

مرحله دوم: قالب‌ها تحت فشار پرس ایزواستاتیک سرد (CIP) در محدوده ۳۰۰–۴۰۰ مگاپاسکال متراکم می‌شوند. این روش موجب تراکم یکنواخت در همه جهات و افزایش استحکام خام می‌شود.

پخت و زینترینگ

قطعات متراکم‌شده در کوره‌های با پروفایل حرارتی کنترل‌شده، طی چند مرحله پیش‌گرمایش و سپس پخت نهایی، تا دمای ۱۵۵۰–۱۶۰۰°C حرارت داده می‌شوند.

این فرآیند موجب حذف کامل رطوبت، سوختن بایندرها و تشکیل پیوندهای سرامیکی پایدار می‌شود.

در نهایت، ساختاری متراکم و مقاوم به شوک حرارتی شکل می‌گیرد.

شماتیک مراحل آماده‌سازی و پخت (به‌صورت متنی)

1. آماده‌سازی مواد اولیه (اختلاط پودرها و بایندرها)
2. قالب‌گیری در قالب فلزی دقیق
3. پرس ایزواستاتیک (CIP) در فشار بالا
4. خشک‌کردن و پیش‌پخت برای حذف رطوبت و بایندر
5. زینترینگ نهایی در دمای ۱۵۵۰–۱۶۰۰°C
6. تولید لاندر نهایی Farbor406 آماده نصب در خطوط ریخته‌گری

---

نتایج و بحث

عملکرد حرارتی و مکانیکی

لاندر ساخته‌شده از Farbor406 پس از ۳۰ سیکل ریخته‌گری متوالی هیچ‌گونه نشانه‌ای از فرسایش، ترک‌خوردگی یا چسبندگی با مذاب مس نشان نداد.

سطح قطعه پس از ریخته‌گری پایدار مانده و واکنش شیمیایی با مذاب رخ نداد.

مقایسه اقتصادی و عمر مفید

لاندرهای سنتی پس از هر بار ریخته‌گری نیاز به بازسازی دارند، در حالی که Farbor406 بدون نیاز به تعمیر مکرر عمل می‌کند.

نمودار مقایسه‌ای نشان می‌دهد عمر کاری Farbor406 حداقل ۱۰ برابر بیشتر از جرم‌های نسوز سنتی است.

این افزایش عمر باعث کاهش ۲۰–۳۰ درصدی هزینه‌های عملیاتی و حذف توقفات خط تولید گردیده است.

---

نتیجه‌گیری

استفاده از کامپوزیت Farbor406 در ساخت لاندر ریخته‌گری مس یک نوآوری ارزشمند در صنعت نسوز محسوب می‌شود. با توجه به خواص عدم ترشوندگی، عدم چسبندگی با مذاب مس، مقاومت مکانیکی بالا و طول عمر بسیار زیاد، این لاندر توانسته است جایگزینی پایدار و اقتصادی برای پوشش‌های نسوز سنتی باشد. به‌کارگیری این فناوری منجر به افزایش بهره‌وری، کاهش هزینه‌ها و ارتقاء کیفیت فرآیند ریخته‌گری مس می‌گردد.

---

مراجع (نمونه)

1. J. Smith, et al. “Advances in composite materials for copper casting launders.” Materials Science Forum, 2021.
2. A. Banerjee, “High-performance refractory composites in non-ferrous metallurgy.” Ceramics International, 2019.
3. F. Borhanzadeh, Technical Report on Farbor406 Composite Launder Production, Borhan Steel Co., 2024.

---

✍ تهیه و تدوین: دکتر فریبرز برهان‌زاده
شرکت دانش‌بنیان صنایع پیشگامان برهان استیل

چکیده

خوردگی تیوب‌های کوره مولیبدن یکی از مهم‌ترین مشکلات صنایع حرارتی و متالورژی است که موجب کاهش عمر تجهیزات، توقف تولید و افزایش هزینه‌های نگهداری می‌گردد. در این پژوهش، برای اولین بار در کشور، یک کامپوزیت نوین ضدخوردگی بر پایه کاربوراندوم توسط شرکت دانش‌بنیان صنایع پیشگامان برهان استیل توسعه و تولید شد. این کامپوزیت به عنوان لاینر داخلی تیوب نصب گردیده و از تماس مستقیم مذاب و گازهای خورنده با فلز جلوگیری می‌کند.
نتایج آزمایش‌های کوره نشان دادند که تیوب‌های مجهز به این پوشش بیش از ده برابر تیپ‌های معمولی عمر کاری دارند و نرخ خوردگی در دماهای بالا به طور چشمگیری کاهش یافته است. برای ارزیابی دقیق، یک کوره آزمایشگاهی ویژه با قابلیت دستیابی به دمای 800 درجه سانتی‌گراد طراحی و ساخته شد.

1. مقدمه

خوردگی فلزات در دماهای بالا یکی از چالش‌های اصلی صنایع انرژی، فولاد و متالورژی است. تیوب‌های کوره مولیبدن به دلیل تماس با مذاب و گازهای خورنده، به شدت در معرض خوردگی قرار دارند. این پدیده منجر به کاهش عمر تجهیزات، توقف‌های مکرر و هزینه‌های بالای تعمیرات می‌شود.

شرکت صنایع پیشگامان برهان استیل با تکیه بر بیش از ده سال تجربه تحقیق و توسعه و فعالیت‌های دانش‌بنیان، موفق به تولید کامپوزیت ضدخوردگی بر پایه کاربوراندوم شده است. این پوشش نوآورانه نه تنها عمر تیوب‌ها را به طور چشمگیر افزایش می‌دهد، بلکه قابلیت استفاده در شرایط عملیاتی شدید و دمای بالا را نیز دارد.

هدف اصلی این پژوهش ارائه نتایج عملکرد این فناوری، طراحی و ساخت کوره آزمایشگاهی و بررسی علمی اثر کامپوزیت در شرایط واقعی است. این پروژه نشان‌دهنده توانمندی علمی و فناوری داخلی و توانایی تیم تحقیق و توسعه جوان و پرانرژی شرکت در بومی‌سازی فناوری‌های پیشرفته است.

---

2. مواد و روش‌ها

2-1. طراحی کوره آزمایشگاهی

کوره طراحی‌شده دارای دو بخش عملکردی است:

1. بخش ذوب: شامل المنت‌های NiCr و SiC برای تأمین حرارت یکنواخت تا دمای 800°C
2. بخش خروجی مذاب: جهت هدایت مذاب و بررسی میزان خوردگی

ویژگی‌های کلیدی طراحی:

تیوب داخلی: طول 400 میلی‌متر، قطر 250 میلی‌متر، پوشش کامپوزیتی ضخامت 1 اینچ

سیستم دوران: دینام و گیربکس برای توزیع یکنواخت مذاب و کاهش تنش‌های حرارتی

بدنه فلزی مقاوم با پوشش محافظ و عایق حرارتی از پشم سرامیکی و آجر سبک نسوز

کنترل دقیق دما با کنترلر PID و ترموکوپل نوع K

دو بخش مجزا برای عملکرد ذوب و خروج مذاب جهت شبیه‌سازی واقعی شرایط صنعتی

2-2. تولید و قالب‌سازی کامپوزیت

قالب فولادی H13 جهت تولید پوشش استوانه‌ای طراحی و ساخته شد. پودر کامپوزیتی کاربوراندوم تحت پرس هیدرولیک 100 تن فشرده و سپس عملیات حرارتی برای تثبیت ساختار انجام شد.

ویژگی‌های کامپوزیت:

مقاومت بسیار بالا در برابر خوردگی مذاب و گازهای فعال

پایداری حرارتی تا 1000°C

قابلیت نصب آسان داخل تیوب‌های کوره موجود

عملکرد بیش از ده برابر تیپ‌های معمولی

---

3. نتایج و بحث

تیوب‌های پوشش‌دار با کامپوزیت کاربوراندوم عمر کاری بیش از ده برابر تیپ‌های معمولی دارند.

نرخ خوردگی به شکل چشمگیری کاهش یافته و سطح فلز در دماهای بالا محافظت می‌شود.

سیستم دوران تیوب سبب توزیع یکنواخت مذاب و کاهش تمرکز حرارت شد.

مقایسه المنت‌های NiCr و SiC نشان داد که SiC پایداری حرارتی بیشتری دارد و عمر مفید بالاتری ارائه می‌دهد.

تیم تحقیق و توسعه شرکت با بهره‌گیری از دانش فنی و تجربه‌های پیشین، طراحی سیستم حرکت دورانی و عایق‌بندی پیشرفته را بهینه نمود.

داده‌های آزمایشگاهی نشان می‌دهد که ترکیب طراحی مکانیکی، عایق حرارتی و پوشش کامپوزیتی، شرایط عملیاتی واقعی و پایدار برای تست کامپوزیت فراهم کرده است.

---

4. بهینه‌سازی و پیشنهادات

استفاده از کنترلر PID چندمرحله‌ای و سیستم مانیتورینگ داده‌ها برای پایش دقیق دما

توسعه پوشش‌های چندلایه کامپوزیتی برای افزایش مقاومت بیشتر

ساخت نسخه پایلوت صنعتی و تست میدانی در شرایط واقعی

همکاری با صنایع فولاد، پتروشیمی و متالورژی برای توسعه کاربردی

آموزش تیم‌های عملیاتی و تولید جهت بهره‌برداری صحیح از فناوری نوین

---

5. نتیجه‌گیری

این پژوهش نشان داد که:

کامپوزیت ضدخوردگی بر پایه کاربوراندوم تولید شده توسط صنایع پیشگامان برهان استیل، برای اولین بار در کشور عملکردی فوق‌العاده دارد.

تیوب‌های مجهز به این پوشش بیش از ده برابر تیپ‌های معمولی عمر کاری دارند و نرخ خوردگی کاهش چشمگیری دارد.

ساخت کوره آزمایشگاهی امکان بررسی علمی و عملی فناوری را فراهم کرده است.

سال‌ها تحقیق و توسعه، دانش‌بنیان بودن شرکت، و تیم تحقیق و توسعه جوان و پرانرژی نقش اساسی در موفقیت پروژه داشته و نشان از ظرفیت بالای کشور در بومی‌سازی فناوری‌های پیشرفته دارد.

---

منابع

1. Fontana, M. G. Corrosion Engineering. McGraw-Hill, 1986.
2. Davis, J. R. High-Temperature Corrosion of Metals. ASM International, 2000.
3. Smith, W. F. Principles of Materials Science and Engineering. McGraw-Hill, 1996.
4. گزارش‌های داخلی شرکت صنایع پیشگامان برهان استیل، 2025

در فرآیندهای صنعتی، به‌ویژه در صنایع معدنی، سیمان، نفت و پتروشیمی، استفاده از هیدروسیکلون‌ها برای جدایش ذرات با اندازه‌های مختلف امری حیاتی است. یکی از اجزای کلیدی این تجهیزات، «اپکس» یا بخش مخروطی پایینی هیدروسیکلون است که در معرض بالاترین میزان سایش و خوردگی قرار دارد. در سال‌های اخیر، استفاده از مواد کامپوزیتی با ویژگی‌های خاص، به‌ویژه کامپوزیت‌های کاربوراندوم، توجه بسیاری را جلب کرده است.

🔬 ویژگی‌های فنی و عملکردی

اپکس‌های ساخته‌شده از کامپوزیت کاربوراندوم دارای ویژگی‌های زیر هستند:

مقاومت بسیار بالا در برابر سایش و خوردگی: این ویژگی باعث افزایش عمر مفید اپکس‌ها تا ۴ تا ۶ برابر بیشتر از اپکس‌های پلی‌یورتان و فلزی می‌شود.

کاهش نیاز به تعویض مکرر: با افزایش عمر مفید، نیاز به توقف‌های تعمیراتی کاهش یافته و در نتیجه بهره‌وری خطوط تولید افزایش می‌یابد.

عملکرد بهینه در شرایط سخت: این اپکس‌ها در برابر ذرات ساینده و شرایط کاری شدید، عملکرد بهتری نسبت به مواد سنتی دارند.

⚙ مقایسه با اپکس‌های رایج

ویژگی اپکس پلی‌یورتان اپکس فلزی اپکس کامپوزیت کاربوراندوم

عمر مفید متوسط کم بسیار بالا
مقاومت در برابر سایش خوب ضعیف عالی
هزینه نگهداری متوسط بالا پایین
سازگاری با ذرات ساینده متوسط ضعیف بسیار عالی

🏭 صنایع هدف و کاربردها

اپکس‌های کامپوزیت کاربوراندوم در صنایع مختلفی کاربرد دارند:

صنایع معدنی: در فرآوری مواد معدنی مانند کنسانتره مس، آهن و طلا.

صنایع سیمان: در خطوط تولید سیمان برای جدایش ذرات.

صنایع نفت و گاز: در فرآیندهای جدایش در میادین نفتی و گازی.

صنایع پتروشیمی: در واحدهای تولید محصولات پتروشیمی برای جدایش ذرات.

صنایع بازیافت: در فرآیندهای بازیافت مواد برای جدایش ذرات مختلف.

🌍 وضعیت جهانی و رقبا

در سطح جهانی، شرکت‌هایی مانند Weir Minerals با برند Cavex و Metso Outotec با سری MHC اپکس‌هایی با مواد مختلف تولید می‌کنند. برای مثال، Weir Minerals اپکس‌هایی با طراحی ورودی اسپیرال laminar ارائه می‌دهد که باعث افزایش عمر مفید و کاهش سایش می‌شود.

همچنین، APGL اپکس‌هایی با ترکیب سرامیک کاربید سیلیکون و پلی‌یورتان ارائه می‌دهد که برای شرایط سایش شدید مناسب هستند.

🇮🇷 مزایای استفاده از محصولات دانش‌بنیان ایرانی

کاهش وابستگی به واردات: با تولید داخلی، نیاز به واردات قطعات کاهش یافته و وابستگی به کشورهای خارجی کم می‌شود.

کاهش هزینه‌ها: تولید داخلی باعث کاهش هزینه‌های تولید و نگهداری می‌شود.

پاسخگویی سریع: در صورت بروز مشکلات، امکان ارائه خدمات پس از فروش سریع‌تر و مؤثرتر وجود دارد.

ایجاد اشتغال: تولید داخلی باعث ایجاد اشتغال و توسعه صنایع داخلی می‌شود.

📊 مزایای اقتصادی و فنی

افزایش بهره‌وری: با کاهش توقف‌های تعمیراتی و افزایش عمر مفید، بهره‌وری خطوط تولید افزایش می‌یابد.

کاهش هزینه‌های نگهداری: با کاهش نیاز به تعویض مکرر، هزینه‌های نگهداری کاهش می‌یابد.

افزایش کیفیت محصول نهایی: با عملکرد بهینه اپکس‌ها، کیفیت محصول نهایی افزایش می‌یابد.

🔍 نتیجه‌گیری

استفاده از اپکس‌های هیدروسیکلون با کامپوزیت کاربوراندوم، علاوه بر مزایای فنی و اقتصادی، به توسعه و تقویت صنایع داخلی کمک می‌کند. این نوآوری، گامی مؤثر در جهت خودکفایی و پیشرفت صنعتی کشور محسوب می‌شود

Abstract

This research is the result of 15 years of R&D at the knowledge-based company Fannavar Sanaye Pishgaman Borhan Steel, led by Dr. Borhanzadeh. For the first time worldwide, a laboratory casting mold was designed and fabricated using the novel Farbor403 composite. The main objective is the complete elimination of barium sulfate (BaSO₄) from copper casting.

Traditionally, BaSO₄ is used as a mold coating, but it causes significant challenges including recurring cost, severe environmental pollution, and contamination of casting residues, which reduces the recovery efficiency of valuable elements (Cu, Ag, Au).

The proposed mold is a multilayer system consisting of:

1. Steel base,
2. 99% pure copper layer,
3. Heat transfer soft layer,
4. Final Farbor403 composite layer.

Cooling is achieved via a combined system: bottom water circulation and top mist spraying. Experiments demonstrated that a copper block (200×200×20 mm) was separated from the mold within 5 minutes without BaSO₄, and the complete casting cycle was finished within 8 minutes.

This novel technology provides a green and sustainable solution for industrial copper casting.

---

Results & Discussion

Successful casting of 200×200×20 mm copper block without cracks or adhesion.

Complete elimination of BaSO₄ usage.

Enhanced recovery of valuable elements by up to 15%.

Operational cost reduction and zero hazardous residues.

Mold durability >15 cycles without degradation.

---

Conclusion

The Farbor403 mold represents a breakthrough in green metallurgy, enabling copper casting without barium sulfate. The developed process ensures economic savings, environmental safety, and improved casting performance, paving the way for industrial-scale application.

این مقاله حاصل ۱۵ سال تحقیق و توسعه در شرکت دانش‌بنیان فناور صنایع پیشگامان برهان استیل به سرپرستی دکتر برهان‌زاده است. برای نخستین بار در دنیا، مولد ریخته‌گری آزمایشگاهی با استفاده از کامپوزیت اختصاصی Farbor403 طراحی و ساخته شد. هدف اصلی این طرح، حذف کامل سولفات باریم (BaSO₄) از فرآیند ریخته‌گری مس است. سولفات باریم به عنوان پوشش قالب استفاده می‌شود اما مشکلاتی از جمله هزینه‌ی تکرارشونده، آلودگی زیست‌محیطی، و نفوذ در باقیمانده ریخته‌گری که بازیابی عناصر ارزشمند (مانند Cu, Ag, Au) را مختل می‌کند به همراه دارد.

مولد پیشنهادی دارای ساختار چندلایه شامل:

1. پایه فولادی،
2. لایه مسی خالص ۹۹٪،
3. لایه نرم‌کننده انتقال حرارت،
4. لایه نهایی از کامپوزیت Farbor403 است.

برای خنک‌کاری، سیستم ترکیبی آب‌گرد از پایین و مه‌پاشی از بالا به‌کار گرفته شد. آزمایش‌ها نشان دادند که بلوک مسی به ابعاد ۲۰۰×۲۰۰×۲۰ میلی‌متر در مدت ۵ دقیقه بدون نیاز به سولفات باریم از قالب جدا می‌شود و با پیش‌گرمایش مجدد قالب، کل سیکل ریخته‌گری ظرف ۸ دقیقه تکمیل می‌گردد.

این فناوری ضمن افزایش بهره‌وری و کاهش هزینه، گامی مؤثر در توسعه فناوری‌های سبز و پایدار محسوب می‌شود.

---

مقدمه و ضرورت پژوهش

چالش سنتی: استفاده از سولفات باریم به عنوان پوشش قالب ریخته‌گری.

مشکل اقتصادی: نیاز به جایگزینی در هر سیکل → هزینه بالا.

مشکل زیست‌محیطی: آلودگی خطرناک باریم و دشواری دفع.

مشکل فنی: نفوذ سولفات باریم در باقیمانده ریخته‌گری و اختلال در جداسازی فلزات ارزشمند.

هدف

حذف کامل BaSO₄ از فرآیند ریخته‌گری.

افزایش راندمان تولید و امکان بازیابی عناصر ارزشمند.

طراحی فرآیند آزمایشگاهی مشابه ریخته‌گری صنعتی.

---

مواد و روش‌ها

کامپوزیت Farbor403: بر پایه کاربوراندوم با افزودنی‌های پیشرفته.

خواص: چگالی ۳٫۲–۳٫۳ g/cm³، استحکام خمشی > ۳۵۰ MPa، هدایت حرارتی بالا، مقاومت عالی در برابر شوک حرارتی.

ساخت قالب: ابعاد ۲۵۰×۲۵۰×۸۰ mm، مجهز به لایه‌های فلزی و نرم‌کننده حرارتی.

فرایند ریخته‌گری: ریختن مذاب مس در ۱۲۵۰°C، جدایش قطعه در ۵ دقیقه، کل سیکل ۸ دقیقه.

---

نتایج

بلوک خروجی مسی: ۲۰۰×۲۰۰×۲۰ mm بدون ترک و چسبندگی.

حذف کامل سولفات باریم.

افزایش بازیابی عناصر ارزشمند تا ۱۵٪.

کاهش هزینه عملیاتی و حذف آلاینده‌های خطرناک.

دوام قالب: بیش از ۱۵ سیکل بدون افت کیفیت.

---

بحث

فناوری Farbor403 جایگزینی کامل و پاک برای BaSO₄ فراهم کرده است.

سرعت سیکل بالا (۸ دقیقه) نشان‌دهنده‌ی شبیه‌سازی دقیق شرایط صنعتی است.

نوآوری شرکت دانش‌بنیان فناور صنایع پیشگامان برهان استیل به عنوان یک فناوری توسعه‌یافته قابلیت انتقال صنعتی دارد.

---

نتیجه‌گیری

مولد Farbor403 برای نخستین بار در دنیا توانست فرآیند ریخته‌گری مس را بدون استفاده از سولفات باریم عملی سازد. این روش موجب صرفه‌جویی اقتصادی، کاهش آلودگی زیست‌محیطی و ارتقای کیفیت قطعه شد.

شماتیک و شکل‌ها

جدول مقایسه‌ای

معیار روش سنتی (BaSO₄) فناوری Farbor403

هزینه بالا (مصرفی) ناچیز
آلودگی زیست‌محیطی شدید صفر
کیفیت سطح متوسط بالا
بازیابی فلزات ارزشمند کم بیشتر
زمان سیکل طولانی ۸ دقیقه

---

📐 شماتیک سه‌بعدی مولد ریخته‌گری (طرح مفهومی):

پایه فولادی → پایداری مکانیکی

لایه مسی → هدایت حرارتی بالا

لایه نرم‌کننده → یکنواختی توزیع حرارت

لایه Farbor403 → مقاومت در برابر مذاب و حذف نیاز به BaSO₄

سیستم آب‌گرد پایین → خنک‌کاری سریع

سیستم مه‌پاش بالا → تثبیت سطح مذاب مس

---

📊 نمودار سیکل زمانی:

ریخته‌گری → خنک‌سازی سریع (۵ دقیقه) → جدایش بلوک → پیش‌گرمایش قالب → آماده‌سازی سیکل بعدی (۳ دقیقه)
کل زمان سیکل = ۸ دقیقه

شرکت دانش‌بنیان فناور صنایع پیشگامان برهان استیل

سرپرست علمی: دکتر برهان‌زاده