رطوبت در کک متالورژیکی با دانه‌بندی ۰–۳ میلی‌متر و اثر آن بر عملکرد متالورژیکی

چکیده

کک متالورژیکی یکی از مواد کربنی مهم در صنایع آهن و فولاد است که علاوه بر استفاده در کوره بلند و فرآیندهای احیایی، در برخی فرآیندهای ذوب و تولید فولاد به‌عنوان منبع کربن و ماده کربن‌زا مورد استفاده قرار می‌گیرد. در میان پارامترهای کیفی کک، رطوبت از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است؛ زیرا رطوبت مستقیماً بر وزن واقعی ماده خشک، میزان کربن مؤثر، هزینه حمل، شرایط شارژ و در برخی فرآیندها بر مصرف انرژی و پایداری عملیات اثر می‌گذارد. این موضوع در کک‌های ریزدانه، به‌ویژه محدوده 0–3 mm، اهمیت بیشتری پیدا می‌کند؛ زیرا افزایش سطح ویژه ذرات و وجود ساختار متخلخل کک موجب می‌شود آب سطحی و آب موجود در منافذ به‌راحتی در توده کک باقی بماند.

استاندارد ISO 579:2013  روش تعیین رطوبت کل کک را برای کک کوره بلند، کک ریخته‌گری و سایر محصولات کربنی حاصل از کربونیزاسیون در دمای بالا مشخص می‌کند و این استاندارد در سال ۲۰۲۵ مجدداً تأیید شده است. همچنین ISO 687:2024  روش تعیین رطوبت نمونه مورد استفاده برای آنالیز عمومی کک را مشخص می‌کند.

۱-مقدمه

کک متالورژیکی حاصل از کربونیزاسیون مواد کربنی، عمدتاً زغال‌سنگ کک‌شو، در دماهای بالا و در شرایط محدود از اکسیژن است. محصول حاصل دارای ساختار متخلخل، درصد بالای کربن ثابت و ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی مناسب برای کاربردهای متالورژیکی است.

در کنار پارامترهایی مانند Fixed Carbon، Ash، Volatile Matter، Sulfur، Phosphorus، CSR، CRI  و دانه‌بندی، رطوبت نیز یکی از پارامترهای مهم کنترل کیفیت کک محسوب می‌شود.

اهمیت رطوبت فقط به وجود آب در ماده محدود نمی‌شود؛ بلکه باید توجه داشت که کک معمولاً بر اساس جرم خریداری و شارژ می‌شود، در حالی که بخش قابل توجهی از این جرم در صورت وجود رطوبت، آب غیرقابل استفاده به‌عنوان ماده کربنی است.

بنابراین برای کک ریزدانه ۰–۳ mm، کنترل رطوبت هم از نظر کیفی، اقتصادی، فرآیندی و ایمنی اهمیت دارد.

2- ویژگی‌های کک با دانه‌بندی ۰–۳ میلی‌متر

کک ۰–۳ mm در گروه مواد ریزدانه قرار می‌گیرد. این ماده ممکن است از خردایش کک درشت، غربال‌گری محصولات کک یا فرآیندهای آماده‌سازی مواد کربنی حاصل شود.

ویژگی مهم این دانه‌بندی، نسبت بالای سطح به حجم است.

هرچه اندازه ذرات کاهش پیدا کند، مجموع سطح خارجی ذرات در واحد جرم افزایش می‌یابد. در نتیجه، آب موجود در محیط می‌تواند به مقدار بیشتری روی سطح ذرات باقی بماند.

از طرف دیگر، کک ذاتاً ماده‌ای متخلخل است. بنابراین آب می‌تواند علاوه بر سطح خارجی، در بخشی از فضاهای خالی و منافذ موجود در ساختار ذرات نیز باقی بماند.

به همین دلیل، در مقایسه بین دو کک با ترکیب شیمیایی مشابه اما دانه‌بندی متفاوت، کک ریزدانه معمولاً نسبت به شرایط شست‌وشو، آب‌پاشی، بارندگی، حمل مرطوب و شرایط انبارش حساس‌تر است.

3- انواع رطوبت در کک

در بررسی رطوبت کک، باید بین مفاهیم مختلف تمایز قائل شد.

3-1- رطوبت سطحی

این بخش از آب عمدتاً روی سطح خارجی ذرات یا بین ذرات قرار دارد و معمولاً با شرایط محیطی و نحوه نگهداری کک تغییر می‌کند.

برای کک ۰–۳ mm، به دلیل سطح ویژه بالا، این بخش می‌تواند قابل توجه باشد.

۳-۲-رطوبت موجود در منافذ

کک دارای ساختار متخلخل است و بخشی از آب می‌تواند در منافذ آن باقی بماند. خروج این آب ممکن است نسبت به آب سطحی به زمان و شرایط خشک‌کردن بیشتری نیاز داشته باشد.

۳-۳-رطوبت کل

در کاربردهای تجاری و کنترل کیفیت، آنچه اهمیت ویژه‌ای دارد Total Moisture  است.

استاندارد ISO ۵۷۹:۲۰۱۳ روش تعیین رطوبت کل کک را مشخص کرده و برای کک کوره بلند، کک ریخته‌گری و سایر محصولات کربنی حاصل از کربونیزاسیون قابل استفاده است.

بنابراین هنگام خرید یا مقایسه دو محصول کک، صرفاً ذکر عبارت «Moisture» کافی نیست و باید مشخص شود مقدار اعلام‌شده مربوط به Total Moisture، Moisture on As-Received Basis  یا Moisture  در نمونه آنالیزی است.

4- اهمیت مبنای تر و خشک

یکی از مهم‌ترین نکات در استفاده صنعتی از کک، تفاوت بین Wet Basis  و Dry Basis  است.

فرض کنیم یک تن کک ۰–۳ mm دارای رطوبت ۸ درصد باشد.

جرم آب:

M_water = 1000 * 0.08 = 80kg

بنابراین جرم ماده خشک:

M_dry = 1000 – 80 = 920kg

یعنی از یک تن کک خریداری‌شده، در این مثال تنها 920  کیلوگرم ماده خشک وجود دارد.

این مسئله در خریدهای حجیم اهمیت اقتصادی بسیار بالایی دارد.

۵-اثر رطوبت بر کربن ثابت

فرض کنیم کک دارای:

Fixed Carbon = 88% dry basis

باشد.

اگر رطوبت کک ۸ درصد باشد، مقدار تقریبی Fixed Carbon بر مبنای تر برابر است با:

FC_wet = FC_dry(1 – M)

بنابراین:

FC_wet = 88(1 – 0.08) = 80.96%

در نتیجه، در یک تن کک تر:

1000 * 0.8096 = 809.6kg

کربن ثابت وجود خواهد داشت.

در حالی که اگر رطوبت نادیده گرفته شود، ممکن است به اشتباه تصور شود که یک تن کک حاوی:

1000 * 0.88 = 880kg

کربن ثابت است.

اختلاف:

880 – 809.6 = 70.4kg

است.

بنابراین رطوبت ۸ درصد در این مثال باعث می‌شود در هر تن محصول تر، ۷۰.۴ کیلوگرم کمتر کربن ثابت نسبت به محاسبه ساده بر مبنای خشک در اختیار داشته باشیم.

6- اثر رطوبت بر مصرف واقعی کک

فرض کنیم یک واحد فولادسازی برای یک ذوب به 1000 kg  کک خشک نیاز دارد.

اگر کک خریداری‌شده دارای ۸ درصد رطوبت باشد، مقدار مورد نیاز کک تر برابر خواهد بود با:

بنابراین:

یعنی برای تأمین ۱۰۰۰ کیلوگرم کک خشک، تقریباً 1087  کیلوگرم کک با رطوبت ۸ درصد مورد نیاز است.

در نتیجه، حدود 87 کیلوگرم آب همراه ماده وارد فرآیند می‌شود.

این مسئله در واحدهایی که مصرف کک آنها چند تن در روز یا چند هزار تن در سال است، می‌تواند اثر اقتصادی قابل توجهی ایجاد کند.

7- اثر رطوبت بر فرآیند ذوب

هنگام ورود کک مرطوب به محیط داغ، ابتدا آب باید گرم و سپس تبخیر شود.

فرآیند کلی را می‌توان به صورت زیر در نظر گرفت:

H₂O(l) → H₂O(g)

انرژی مورد نیاز برای گرم کردن و تبخیر آب، بخشی از انرژی حرارتی فرآیند را مصرف می‌کند.

در دماهای بالا، بخار آب می‌تواند با کربن واکنش دهد:

C + H₂O → CO+ H₂

این واکنش گرماگیر است و بنابراین در شرایط مناسب ترمودینامیکی می‌تواند موجب افزایش مصرف انرژی شود.

البته مقدار واقعی این اثر به دمای فرآیند، زمان تماس، سطح تماس کک، شرایط اتمسفر و طراحی کوره بستگی دارد؛ بنابراین نباید برای هر کوره یک ضریب ثابت برای اثر رطوبت در نظر گرفت.

8- اهمیت رطوبت در کوره القایی

اگر کک ۰–۳ mm به‌عنوان کربن‌زا (Carburizer/Carbon Raiser) در کوره القایی استفاده شود، موضوع رطوبت علاوه بر مسائل اقتصادی و متالورژیکی، جنبه ایمنی نیز پیدا می‌کند.

ورود آب آزاد به محیط مذاب فولاد می‌تواند باعث تبدیل بسیار سریع آب به بخار شود. در صورت وجود تماس مستقیم یا محبوس‌شدن آب در مواد شارژی، این پدیده می‌تواند باعث پاشش مذاب و ایجاد شرایط خطرناک عملیاتی شود.

بنابراین اصل مهم در استفاده از مواد کربنی ریزدانه این است که:

هرگز نباید صرفاً بر اساس درصد کربن، کیفیت کک را ارزیابی کرد؛ بلکه وضعیت رطوبت و شرایط واقعی شارژ نیز باید کنترل شود.

۹-رابطه رطوبت با دانه‌بندی

دانه‌بندی کک یکی از عوامل مهم در رفتار رطوبتی آن است.

با کاهش اندازه ذرات:

اندازه ذرات ↓ → سطح ویژه ↑ → تماس با آب ↑ → احتمال نگهداری آب ↑

به همین دلیل، کنترل رطوبت کک ۰–۳ mm معمولاً حساس‌تر از کک‌های دانه‌درشت است.

علاوه بر این، اگر کک ۰–۳ mm دارای درصد قابل توجهی از ذرات بسیار ریز، مثلاً زیر ۰.۵ mm باشد، رفتار رطوبتی آن می‌تواند باز هم تغییر کند.

بنابراین در مشخصات فنی کک ۰–۳ mm بهتر است فقط عبارت:

Size: 0–3 mm

ذکر نشود، بلکه در صورت اهمیت فرآیندی، توزیع واقعی دانه‌بندی نیز مشخص شود؛ برای مثال:

• +3 mm
• 1–3 mm
• 0.5–1 mm
• <0.5 mm

این موضوع به‌ویژه زمانی مهم است که کک برای تزریق، کربن‌دهی یا شارژ دقیق استفاده شود.

۱۰-روش تعیین رطوبت کک

برای کک، استاندارد بین‌المللی ISO 579:2013  روش تعیین Total Moisture را مشخص کرده است. این استاندارد برای کک کوره بلند، کک ریخته‌گری و محصولات کربنی حاصل از کربونیزاسیون کاربرد دارد.

همچنین ISO 687:2024  روش تعیین رطوبت در نمونه مورد استفاده برای آنالیز عمومی کک را مشخص می‌کند. این استاندارد در سال ۲۰۲۴ منتشر شده است.

نکته بسیار مهم در اندازه‌گیری رطوبت کک ریزدانه، نمونه‌برداری صحیح است. اگر نمونه‌برداری به‌درستی انجام نشود، امکان دارد آب موجود در توده واقعی با نمونه آزمایشگاهی تفاوت داشته باشد.

به همین دلیل، هنگام نمونه‌برداری باید تا حد امکان از تغییر رطوبت نمونه در فاصله بین برداشت و آزمایش جلوگیری شود.

۱۱-اهمیت یکنواختی رطوبت

در بسیاری از فرآیندها، تنها مقدار مطلق رطوبت اهمیت ندارد؛ بلکه ثبات رطوبت نیز بسیار مهم است.

برای مثال اگر کک در یک محموله دارای رطوبت ۳ درصد و در محموله دیگر دارای رطوبت ۹ درصد باشد، حتی اگر آنالیز خشک آنها یکسان باشد، مقدار واقعی ماده خشک و کربن ورودی به فرآیند متفاوت خواهد بود.

بنابراین کنترل کیفیت مناسب باید شامل موارد زیر باشد:

Moisture + Fixed Carbon + Ash + Volatile Matter + Sulfur + Size Distribution

و نه فقط Fixed Carbon.

در صنعت کوره بلند نیز منابع فنی تأکید می‌کنند که یکنواختی رطوبت کک اهمیت زیادی دارد؛ حتی در شرایطی که بخشی از آب در فرآیند تبخیر می‌شود.

۱۲-اثر اقتصادی رطوبت

رطوبت بالا در کک از نظر اقتصادی چند اثر دارد:

اول اینکه خریدار بخشی از هزینه حمل را برای آب پرداخت می‌کند.

دوم، میزان واقعی کک خشک دریافتی کاهش می‌یابد.

سوم، مقدار واقعی کربن ثابت ورودی کمتر از مقداری است که صرفاً از روی وزن تر تصور می‌شود.

چهارم، در صورت استفاده از کک به‌عنوان کربن‌زا، برای رسیدن به مقدار مشخصی از کربن باید مقدار بیشتری کک مرطوب مصرف شود.

بنابراین در قرارداد خرید کک بهتر است مشخصات زیر به‌صورت شفاف تعیین شوند:

Moisture (%) – As Received

Fixed Carbon (%) – Dry Basis

Ash (%) – Dry Basis

Volatile Matter (%) – Dry Basis

Sulfur (%) – Dry Basis

Particle Size Distribution

این روش از ایجاد اختلاف بین فروشنده و مصرف‌کننده جلوگیری می‌کند.

13- آیا رطوبت صفر برای کک لازم است؟

از نظر صنعتی، هدف همیشه لزوماً رسیدن به Moisture = 0%  نیست.

کک یک ماده متخلخل است و حذف کامل رطوبت در شرایط صنعتی ممکن است هزینه و انرژی غیرضروری ایجاد کند.

هدف اصلی باید تعیین یک حد مجاز و پایدار رطوبت متناسب با کاربرد باشد.

برای مثال، مشخصات مورد نیاز کک برای کوره بلند الزاماً با کک مورد استفاده به‌عنوان کربن‌زا در کوره القایی یکسان نیست.

بنابراین نمی‌توان یک عدد مانند ۲%، ۳% یا ۵% را بدون توجه به کاربرد به‌عنوان «استاندارد عمومی کک ۰–۳» معرفی کرد.

۱۴-پیشنهاد مشخصات فنی برای کک ۰–3 mm

اگر هدف استفاده از کک ۰–۳ mm به‌عنوان کربن‌زا در صنعت فولاد باشد، بهتر است مشخصات خرید به‌صورت یک Specification کامل تنظیم شود.

برای مثال:

۱۵-جمع‌بندی

کک متالورژیکی با دانه‌بندی 0–3 mm  به دلیل سطح ویژه بالا و ساختار متخلخل، می‌تواند مقدار قابل توجهی رطوبت سطحی و در منافذ خود نگه دارد. این رطوبت مستقیماً بر جرم واقعی ماده خشک، مقدار کربن ثابت قابل استفاده، میزان مصرف کک، هزینه حمل و شرایط فرآیندی اثر می‌گذارد.

از دیدگاه متالورژیکی، مهم‌ترین نکته این است که درصد کربن کک بدون توجه به مبنای آنالیز و رطوبت نمی‌تواند معیار کاملی برای ارزیابی مقدار واقعی کربن ورودی به کوره باشد.

برای مثال، ککی با 88% Fixed Carbon و ۸% Moisture، اگر FC بر مبنای خشک گزارش شده باشد، تنها حدود 80.96% FC  بر مبنای تر خواهد داشت. بنابراین در هر تن کک تر، مقدار واقعی کربن ثابت حدود 809.6 kg  خواهد بود.

از طرف دیگر، رطوبت بالا در کاربردهایی مانند کربن‌دهی در کوره القایی، علاوه بر کاهش مقدار ماده خشک، می‌تواند از نظر عملیاتی و ایمنی نیز اهمیت داشته باشد. بنابراین برای کک ۰–۳ mm، کنترل هم‌زمان رطوبت، دانه‌بندی و آنالیز شیمیایی ضروری است.

در نهایت، برای کنترل صنعتی، توصیه می‌شود رطوبت کک مطابق استاندارد ISO 579:2013  تعیین شود و در کنار آنالیز خشک، مقدار رطوبت در زمان تحویل (As Received) نیز ثبت گردد. استاندارد ISO ۵۷۹:۲۰۱۳  در بازبینی ۲۰۲۵ همچنان استاندارد جاری تأییدشده برای تعیین رطوبت کل کک است.

منابع

ISO 579:2013, Coke — Determination of total moisture. International Organization for Standardization.

ISO 687:2024, Coke — Determination of moisture in the general analysis test sample. International Organization for Standardization.

Shulga, I.V., Miroshnichenko, I.V., Ryschenko, I.M., Miroshnichenko, D.V., Moisture Content of Wet-Quenched Coke, Coke and Chemistry, Vol. 62, No. 9, 2019, pp. 402–407.

ASTM International, ASTM D3302/D3302M, Standard Test Method for Total Moisture in Coal

Blast Furnace Performance, ScienceDirect Topics