إزالة الكربنة بالأرگون والأكسجين

وليد خليفة ساهم بشكل رئيسي في تحرير هذا المقال

إزالة الكربنة بالأرگون والأكسجين Argon oxygen decarburization هي عملية تستخدم أساساً في صناعة الصلب غبر القابل للصدأ والسبائك الأخرى عالية الجودة بعناصر مؤكسِدة مثل الكروم والألومنيوم. بعد الصهر المبدئي، يُنقل الفلز إلى وعاء إزالة الكربنة بالأرگون والأكسجين حيث يتعرض لثلاث خطوات من التنقية؛ إزالة الكربنة، الاختزال وإزالة الكبريت. تم اختراع عملية AOD في 1954 في قسم لينده في شركة يونيون كاربايد (التي أصبح اسمها پراكسير Praxair في 1992).

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 إزالة الكربنة

•  مقالة مفصلة: إزالة الكربنة

تنقية صلب 9.5% CrMoWVNbN في وعاء إزالة الكربنة بالأرگون والأكسجين (AOD)

قبل خطوة إزالة الكربنة، يجب أخذ خطوة إضافية في الاعتبار: إزالة السليكون، التي هي عامل شديد الأهمية للبطانة الحرارية والعمليات اللاحقة.

خطوة إزالة الكربنة تتحكم فيها نسب الأكسجين للأرگون أو النيتروجين لإزالة الكربون من مغطس الفلز. ويمكن تحقيق النسب في أي عدد من الأطوار لتسهيل التفاعل. وعادة ما تُنفخ الغازات عبر رمح علوي (للأكسجين فقط) و tuyeres في الجوانب/القاع (للأكسجين المغلف بغاز خامل). مراحل النفخ تزيل الكربون بجمع الأكسجين مع الكربون ليشكلا غاز CO .

$\mathrm {3CO_{(gas)}+2Cr_{(bath)}\longrightarrow Cr_{2}O_{3(slag)}+3C_{(bath)}}$

ولدفع التفاعل لتشكيل غاز أول أكسيد الكربون، يتم خفض الضغط الجزئي للغاز CO باستخدام الأرگون أو النيتروجين. ولما كان وعاء AOD لا يُسخـَّن خارجياً، فإن مراحل النفخ تُستخدم أيضاً للتحكم في درجات الحرارة. فحرق الأكسجين يرفع درجة حرارة المغطس.

هذه هي الطريقة المستخدمة لمعالجة وإنتاج سبائك الحديد الكرومى (الفروكروم) المنخفضة الكربون، وهى تزيل الكربون من الفلز المنصهر بينما تحافظ على الكروم. وقد تم استخدامها لأول مرة عام 1969، وقد أنتجت ما يقرب من 6 مليون طن صلب مخصوص بحلول عام 1978. تستخدم هذه الطريقة لصناعة الصلب المقاوم للصدأ/اللاصدوء من مصهور الصلب المنتج في الفرن الكهربائى. تبطن الأوعية عادة بحراريات مغنسيا محروقة (مُكلّسة) أو بحراريات مغنسيا كروم تُصب مصهورة. وعادة ما تُطوَق باستخدام طوب مغنسيا-كروم ذاتى الترابط (ذاتي التماسك)، أو طوب من حبيبات مصهورة معادة الترابط أو طوب من حراريات تُصب مصهورة.

نشأت أنواع الحراريات المستخدمة في عملية AOD منذ دخلت العملية في التشغيل التجارى لأول مرة عام 1968، وقد استخدمت حراريات المغنسيا-كروم في البداية لتبطين هذه الأوعية، وكانت تترواح من طوب مغنسيا-كروم ذاتية الترابط بها 60% MgO في منطقة البرميل، إلى مساند قصبات مصنوعة من حبيبات 60% MgO مصهورة معادة الترابط. وقد استخدم لأول مرة طوب يعتمد على الدولوميت في اوروبا في بداية عام 1970. ومنذ ذلك الوقت أصبحت حراريات الدولوميت هى السائدة في تطبيقات AOD، وذلك لثلاثة أسباب: الاقتصاديات، أى طول فترة عمر البطانة – حيث أوضحت الخبرة في استخدام حراريات قاعدتها/أساسها الدولوميت أن معظم الأوعية تحقق أو تتجاوز عمر البطانات القاعدية الأخرى؛ ولها فوائد متالورجية أخرى – فالطبيعة القاعدية الشديدة لحراريات الدولوميت تسمح لصانع الصُلب بتشغيل العملية عند أخباث أعلى في نسبة القاعدية ، أكبر من 1,4، مما يحسن من استعادة الكروم وإزالة الكبريت (الزكبتة). وطوب الدولوميت خالى من الكروم مما يُمَكِّن منتِج الصُلب من عمل كل من الصُلب اللاصدوء (لا يصدأ) والصلب منخفض السبائكية أو الخالى من الكروم في فرن AOD واحد.

أما تطبيقات AOD التى تتم عند قاعدية منخفضة، فإن حراريات المغنسيا-كروم تعطى تكلفة إجمالية أقل. العوامل المتحكمة في اختيار المغنسيا-كروم بدلاً من الدولوميت هى قاعدية الخبث المنخفضة (< 1,4)، واستخدام مصادر بديلة ومختلفة للعناصر السبائكية (خبث عالى السبائكية معاد التدوير، أو الاختزال المباشر لخام الكروم أو المنجنيز في الوعاء)، وإجراء العملية في درجة حرارة عالية (> 1800 ْ م)، وتيسر حراريات مغنسيا-كروم محلية بسعر منافس.

 الاختزال

•  مقالة مفصلة: اختزال

After a desired carbon and temperature level have been reached the process moves to reduction. Reduction recovers the oxidized elements such as chromium from the slag. To achieve this, alloy additions are made with elements that have a higher affinity for oxygen than chromium, using either a Silicon alloy or Aluminum. The reduction mix also includes lime (CaO) and fluorspar (CaF₂). The addition of lime and fluorspar help with driving the reduction of Cr₂O₃ and managing the slag, keeping the slag fluid and volume small.

 إزالة الكبريت

•  مقالة مفصلة: إزالة الكبريت

إزالة الكبريت Desulphurization تتم بإيجاد تركيز عالي من الجير في الخبث ونشاط منخفض للأكسجين في مغطس الفلز.

$\mathrm {S_{(bath)}+CaO_{(slag)}\longrightarrow CaS_{(slag)}+O_{(bath)}}$

وبذلك، فإن الجير يضاف لتخفيف تركيز الكبريت في مغطس الفلز. Also, aluminum or silicon may be added to remove oxygen. Other trimming alloy additions might be added at the end of the step. After sulfur levels have been achieved the slag is removed from the AOD vessel and the metal bath is ready for tapping. The tapped bath is then either sent to a stir station for further chemistry trimming or to a caster for casting.