در صنایع فولادسازی مدرن، گازهای صنعتی نقشی کلیدی در بهینه‌سازی واکنش‌های شیمیایی و کنترل شرایط حرارتی دارند. یکی از ترکیب‌های پرکاربرد در این حوزه، گاز مخلوط CO₂ + O₂ است که از ترکیب دی‌اکسیدکربن و اکسیژن در نسبت‌های دقیق و کنترل‌شده تشکیل می‌شود. این ترکیب گازی معمولاً در فرآیندهای احتراقی، بهبود کیفیت شعله، کنترل اکسیداسیون سطحی و افزایش بازده حرارتی کوره‌ها به کار می‌رود.
دی‌اکسیدکربن (CO₂) به عنوان گازی بی‌اثر در دماهای پایین شناخته می‌شود، اما در دماهای بالا می‌تواند در واکنش‌های احیایی و اکسیداسیونی نقش مؤثری داشته باشد. از سوی دیگر، اکسیژن (O₂) به‌عنوان فعال‌ترین عنصر در احتراق، عامل اصلی در افزایش دمای شعله و بهبود نرخ واکنش‌ها است. ترکیب این دو گاز باعث ایجاد تعادل میان حرارت و کنترل اکسیداسیون می‌شود که در فرآیندهای فولادسازی اهمیت زیادی دارد.
اهمیت کنترل ترکیب گازی در فرآیندهای فولادسازی
در مراحل مختلف تولید فولاد — از پیش‌گرمایش و ذوب تا تصفیه و ریخته‌گری — تنظیم دقیق ترکیب گازی یکی از عوامل حیاتی برای به‌دست‌آوردن فولاد با کیفیت بالا است. استفاده از گاز CO₂ + O₂ به‌صورت هدفمند، امکان کنترل بهتر دمای شعله و کاهش مصرف سوخت‌های فسیلی را فراهم می‌کند. در واقع، اکسیژن موجود در این ترکیب باعث تسریع در احتراق سوخت‌ها (مانند گاز طبیعی یا کک) شده، در حالی که CO₂ با ایجاد یک محیط کنترل‌شده از اکسیداسیون بیش از حد فولاد یا نسوزهای کوره جلوگیری می‌کند.
در صنایع فولادسازی، هر درصد افزایش در راندمان احتراق، منجر به صرفه‌جویی قابل‌توجهی در مصرف انرژی می‌شود. گاز ترکیبی CO₂ + O₂ به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی خود، یکی از مؤثرترین روش‌ها برای دستیابی به چنین راندمانی است، زیرا هم دمای شعله را بالا نگه می‌دارد و هم به کاهش تلفات حرارتی کمک می‌کند.
تأثیر گاز CO₂ + O₂ بر واکنش‌های احتراقی و انتقال حرارت
در سیستم‌های احتراقی سنتی که تنها از هوا به‌عنوان عامل اکسیدکننده استفاده می‌شود، وجود نیتروژن در هوا باعث کاهش دمای شعله و افزایش تلفات حرارتی می‌گردد. جایگزینی بخشی از هوا با اکسیژن خالص، اگرچه باعث افزایش دمای شعله می‌شود، اما خطر اکسیداسیون شدید دیواره‌ها و فولاد مذاب را در پی دارد. در اینجا استفاده از گاز ترکیبی CO₂ + O₂ به‌عنوان جایگزینی هوشمند مطرح می‌شود.
در دماهای بالا، CO₂ می‌تواند طبق واکنش زیر با کربن یا CO واکنش داده و شرایط احتراقی پایدار ایجاد کند:
CO₂ + C → 2CO
CO₂ + CO → 2CO + ½O₂
این واکنش‌ها باعث تولید مجدد مونوکسید کربن (CO) می‌شوند که سوختی قابل اشتعال و پرانرژی است. به این ترتیب، بخشی از انرژی گازهای خروجی دوباره در چرخه احتراق شرکت کرده و راندمان کلی افزایش می‌یابد. از سوی دیگر، اکسیژن موجود در ترکیب موجب تکمیل احتراق سوخت‌های ناقص شده و به کاهش تولید آلاینده‌هایی نظیر CO و HC کمک می‌کند.
نقش گاز CO₂ + O₂ در بهبود کیفیت شعله و کنترل دما
یکی از اهداف اصلی در فولادسازی، دستیابی به شعله‌ای با دمای یکنواخت و کنترل‌پذیر است. شعله‌های بیش‌ازحد داغ باعث آسیب نسوزها، اکسیداسیون فولاد و تلفات انرژی می‌شوند. در مقابل، شعله‌های سرد موجب ذوب ناقص و کاهش سرعت فرآیند می‌گردند. ترکیب گازی CO₂ + O₂ این امکان را فراهم می‌کند تا حرارت شعله تنظیم و یکنواخت شود.
CO₂ به عنوان یک گاز سنگین و با ظرفیت گرمایی بالا، انرژی حرارتی را در ناحیه شعله نگه می‌دارد و از افزایش ناگهانی دما جلوگیری می‌کند. در عین حال، اکسیژن با فراهم‌کردن واکنش‌های سریع احتراقی، ثبات شعله را حفظ می‌کند. نتیجه این ترکیب، شعله‌ای متعادل، پایدار و قابل کنترل است که برای ذوب و پالایش فولاد بسیار ایده‌آل است.
در کوره‌های قوس الکتریکی یا کوره‌های سوخت گازی، استفاده از این مخلوط منجر به کاهش زمان ذوب و بهبود راندمان انتقال حرارت به مذاب می‌شود.
کاربرد گاز CO₂ + O₂ در کوره‌های فولادسازی
کوره‌های فولادسازی انواع مختلفی دارند که از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به کوره بلند، کوره اکسیژنی (BOF) و کوره قوس الکتریکی (EAF) اشاره کرد. در هر یک از این سیستم‌ها، گاز CO₂ + O₂ می‌تواند نقش متفاوتی ایفا کند:
در کوره بلند، تزریق این ترکیب به جریان هوای دمیده‌شده موجب افزایش حرارت ناحیه احتراق و بهبود احیای سنگ‌آهن می‌شود.
در کوره اکسیژنی BOF، اکسیژن باعث اکسیداسیون ناخالصی‌ها (مانند کربن و فسفر) شده و CO₂ به‌عنوان گاز خنثی‌کننده از افزایش بیش‌ازحد دما جلوگیری می‌کند.
در کوره قوس الکتریکی EAF، ترکیب CO₂ + O₂ می‌تواند برای پیش‌گرمایش قراضه‌ها، بهبود احتراق سوخت‌های مکمل (نظیر گاز طبیعی)، و حتی کنترل فشار داخلی کوره استفاده شود.
به‌کارگیری دقیق این ترکیب با نسبت‌های مهندسی‌شده، موجب افزایش بازده سوخت تا حدود ۱۵ درصد و کاهش مصرف الکترودها و نسوزها در فرآیند می‌شود.
تأثیر گاز ترکیبی بر اکسیداسیون و کیفیت فولاد نهایی
یکی از مشکلات اساسی در فرآیندهای حرارتی فولاد، اکسیداسیون سطحی است که منجر به ایجاد پوسته (Scale) روی سطح فولاد می‌شود. وجود اکسیژن بیش از حد در شعله این پدیده را تشدید می‌کند. اما وقتی از گاز ترکیبی CO₂ + O₂ استفاده شود، بخشی از اکسیژن آزاد توسط CO₂ خنثی شده و محیط واکنش از حالت بیش‌ازحد اکسیدکننده به حالت نیمه‌اکسیدکننده تغییر می‌کند.
این تعادل میان اکسیداسیون و احیاء موجب می‌شود سطح فولاد تمیزتر و یکنواخت‌تر باشد و در مراحل بعدی مانند نورد گرم یا ریخته‌گری، کیفیت بالاتری ارائه دهد. علاوه بر این، گاز CO₂ در تماس با فولاد مذاب باعث جذب حرارت اضافی و جلوگیری از دمای موضعی بیش از حد می‌شود که از ترک‌خوردگی و عیوب سطحی جلوگیری می‌کند.
مزایای زیست‌محیطی استفاده از CO₂ + O₂ در فولادسازی
بهینه‌سازی فرآیند احتراق با استفاده از گازهای ترکیبی تنها به افزایش راندمان محدود نمی‌شود، بلکه در کاهش آلاینده‌ها نیز مؤثر است. استفاده از اکسیژن خالص در احتراق منجر به تولید دماهای بسیار بالا و افزایش انتشار NOₓ می‌شود. حضور CO₂ در ترکیب، به‌عنوان گاز خنثی‌کننده و جذب‌کننده حرارت، باعث کاهش دمای موضعی شعله و در نتیجه کاهش تولید اکسیدهای نیتروژن می‌گردد.
همچنین در صورت طراحی صحیح سیستم بازیافت گاز، بخشی از CO₂ تولیدی از دودکش می‌تواند مجدداً در ترکیب گازی تزریق شود که منجر به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و بهبود عملکرد زیست‌محیطی کارخانه می‌شود. در مقیاس صنعتی، استفاده از CO₂ بازیافتی در کنار اکسیژن صنعتی، یکی از مسیرهای مؤثر برای حرکت به‌سوی فولادسازی سبز و پایدار است.
روش‌های تولید و تزریق مخلوط CO₂ + O₂ در سیستم‌های صنعتی
تولید گاز ترکیبی CO₂ + O₂ معمولاً از طریق میکسینگ دقیق دو جریان مستقل در واحدهای گاز صنعتی صورت می‌گیرد. این فرآیند نیازمند کنترل فشار، دبی و خلوص هر گاز است تا نسبت نهایی کاملاً ثابت باقی بماند. در کارخانه‌های فولادسازی، این گاز یا به‌صورت پیش‌مخلوط‌شده در سیلندرها تأمین می‌شود یا از طریق سیستم‌های تزریق مستقیم از تانک‌های مایع در محل ترکیب می‌گردد.
تزریق گاز معمولاً در ناحیه مشعل یا نازل‌های احتراق انجام می‌شود. سیستم‌های مدرن، از سنسورهای اکسیژن و دما برای کنترل بلادرنگ ترکیب گازی استفاده می‌کنند تا بهترین شرایط احتراق حفظ شود. در کوره‌های قوس الکتریکی نیز از این ترکیب برای عملیات پیش‌گرمایش و پس‌سوز گازهای خروجی استفاده می‌شود تا انرژی حرارتی تلف‌شده بازیابی شود.
اثر گاز CO₂ + O₂ بر صرفه‌جویی انرژی و کاهش هزینه تولید
مصرف سوخت در فولادسازی یکی از عوامل اصلی هزینه‌بر تولید است. بررسی‌ها نشان داده‌اند که استفاده از گاز ترکیبی CO₂ + O₂ می‌تواند تا ۱۰ تا ۲۰ درصد کاهش در مصرف سوخت به همراه داشته باشد. این کاهش به دلیل سه عامل اصلی اتفاق می‌افتد:
۱. بهبود کامل احتراق و تبدیل کامل سوخت به انرژی حرارتی.
۲. افزایش دمای شعله و راندمان انتقال حرارت به مذاب.
۳. بازیافت حرارت از طریق واکنش‌های احیایی CO₂ در دماهای بالا.
از سوی دیگر، به دلیل کاهش نیاز به هوای فشرده و کاهش تلفات ناشی از نیتروژن، هزینه‌های جانبی سیستم نیز پایین‌تر می‌آید. در مجموع، استفاده از این ترکیب گازی در فولادسازی نه‌تنها کیفیت فولاد را افزایش می‌دهد، بلکه هزینه نهایی تولید را نیز به شکل محسوسی کاهش می‌دهد.
بدون شرح