بررسی تخصصی CSR و CRI در کک متالورژی

کک متالورژی (Metallurgical Coke) یکی از کلیدی‌ترین مواد در فرآیند تولید آهن و فولاد در کوره بلند است. کیفیت عملکردی این ماده کربنی تنها به میزان کربن ثابت یا خاکستر محدود نمی‌شود؛ بلکه پارامترهای پیشرفته‌تری مانند مقاومت پس از واکنش (CSR) و واکنش‌پذیری کک در برابر CO₂ (CRI) در تعیین کیفیت واقعی آن نقشی اساسی دارند.

این دو شاخص، محوری‌ترین معیارهای ارزیابی کک در استانداردهای بین‌المللی هستند و تعیین می‌کنند که یک کک تا چه اندازه برای کوره بلند مناسب است. در واقع کک با CSR بالا و CRI پایین، مطلوب‌ترین نوع کک برای تولید آهن خام است.

فهرست مطالب

1. CSR و CRI چیستند؟

2. اهمیت این دو پارامتر در کوره بلند

3. تفاوت CSR و CRI و ارتباط آن‌ها

4. روش آزمایش استاندارد CSR/CRI

5. عوامل مؤثر بر این دو شاخص

6. مقادیر بهینه CSR و CRI برای کوره بلند

7. ارتباط CSR/CRI با راندمان انرژی و مصرف کک

8. نقش زغال‌سنگ کک‌شو در تعیین CSR/CRI

9. مقایسه کک با CSR/CRI بالا و پایین

10. جمع‌بندی مهندسی برای صنایع فولاد

CSR و CRI چیستند؟ تعریف کامل و کاربرد صنعتی

CRI: Coke Reactivity Index – شاخص واکنش‌پذیری کک

CRI، معیاری است برای سنجش میزان واکنش‌پذیری کک با گاز CO₂ در دمای بالا (معمولاً ۱۱۰۰°C).
این عدد نشان می‌دهد یک نمونه کک با چه سرعتی با CO₂ وارد واکنش می‌شود و چقدر وزن از دست می‌دهد.

CRI بالا = کک خیلی سریع واکنش می‌دهد → نامطلوب
CRI پایین = کک پایدار و دارای مقاومت حرارتی مناسب → مطلوب

در کوره بلند، کک باید در برابر CO₂ و محیط احیایی سخت مقاوم باشد. بنابراین واکنش‌پذیری کمتر به‌معنای کیفیت بهتر است.

CSR: Coke Strength after Reaction – مقاومت کک پس از واکنش

CSR نشان می‌دهد کک پس از واکنش شدید با CO₂ چقدر مقاومت مکانیکی خود را حفظ می‌کند.
این شاخص بر اساس درصد باقی‌مانده کک سالم و مقاوم اندازه‌گیری می‌شود.

CSR بالا = کک محکم، ساختار ثابت، مناسب کوره بلند
CSR پایین = کک شکننده، تولید غبار و اختلال در گازدهی کوره

در کوره بلند، اگر کک پس از واکنش خرد شود، جریان گاز مختل شده و راندمان کاهش می‌یابد.

اهمیت CSR و CRI در کوره بلند

عملکرد کوره بلند به سه اصل وابسته است:

1. پایداری مکانیکی شارژ

2. حفظ تخلخل و گازدهی مناسب

3. واکنش‌پذیری کنترل‌شده در لایه‌های احیایی

کک با CRI پایین و CSR بالا بهترین عملکرد را ارائه می‌دهد، زیرا:

• در برابر دمای بالا تخریب نمی‌شود.

• باعث کاهش غبار و مواد ریزدانه نمی‌شود.

• تخلخل کوره را حفظ می‌کند.

• مصرف کک را کاهش می‌دهد.

• نرخ تولید آهن خام را افزایش می‌دهد.

واحدهای فولادی بزرگ جهان، شاخص CSR را مهم‌ترین معیار کیفیت کک برای کوره بلند می‌دانند.

تفاوت CSR و CRI و رابطه آن‌ها

گرچه این دو شاخص مستقل‌اند، اما ارتباط معکوس دارند:

• CRI پایین → معمولاً CSR بالا

• CRI بالا → معمولاً CSR پایین

به عبارت دیگر، ککی که زیاد واکنش دهد (CRI بالا)، استحکام خود را از دست می‌دهد و CSR آن پایین می‌آید.

این رابطه برای مهندسان فولادسازی اهمیت بسیار زیادی دارد، زیرا کنترل این دو پارامتر تعیین‌کننده کیفیت نهایی کک است.

روش آزمایش CSR/CRI (براساس استاندارد ISO 18894)

۱. آزمایش CRI

• نمونه کک در ابعاد مشخص آماده می‌شود.

• در معرض جریان ثابت CO₂ قرار می‌گیرد.

• تا دمای ۱۱۰۰°C گرم می‌شود.

• میزان کاهش وزن کک محاسبه می‌شود.

• درصد کاهش وزن = CRI

۲. آزمایش CSR

• نمونه واکنش‌داده‌شده CRI، در یک درام چرخان استاندارد قرار می‌گیرد.

• تعداد چرخش مشخص انجام می‌شود.

• درصد کک سالم باقی‌مانده پس از چرخش = CSR

استانداردهای زیر در دنیا استفاده می‌شود:

• ISO 18894

• ASTM D5341

• JIS K 2151 (ژاپن)

مقادیر استاندارد CSR و CRI برای کوره بلند

نوع کک	CRI	CSR	نتیجه
کک با کیفیت عالی	۲۰–۲۲	۶۵–۷۲	مناسب کوره بلند پیشرفته
کک با کیفیت خوب	۲۳–۲۷	۶۰–۶۵	مناسب اکثر کوره‌ها
کک متوسط	۲۸–۳۲	۵۰–۵۹	نیازمند تنظیم فرآیند
کک ضعیف	۳۳+	<50	نامناسب برای کوره بلند

 

کک طبس و زرند بسته به نوع زغال‌سنگ اولیه، می‌توانند در دو رده “خوب” و “متوسط” قرار گیرند و پس از بهینه‌سازی فرآیند می‌توانند CSR قابل قبولی ارائه دهند.

عوامل مؤثر بر CSR و CRI

۱. ترکیب زغال‌سنگ اولیه

مهم‌ترین عامل کیفیت کک نوع زغال‌سنگ کک‌شو است.

• زغال‌های با ویترینیت بالا → CSR بهتر

• زغال‌های سخت و کم‌ناخالصی → CRI پایین

۲. درجه کک‌سازی (Carbonization Degree)

دمای کک‌سازی باید دقیق باشد:

• دمای پایین → ساختار ضعیف → CSR پایین

• دمای خیلی بالا → واکنش‌پذیری زیاد → CRI بالا

۳. مواد فرار (VM)

کاهش مواد فرار در زغال‌سنگ:

• CRI را کاهش می‌دهد

• CSR را افزایش می‌دهد

۴. خاکستر و مواد معدنی

خاکستر بالا معمولاً باعث:

• افزایش CRI

• کاهش CSR
  می‌شود.

۵. تخلخل و ساختار فیزیکی کک

هرچه تخلخل کمتر و ساختار یکپارچه‌تر باشد:

• مقاومت بیشتر

• CRI پایین‌تر

تأثیر CSR و CRI بر عملکرد کوره بلند

CRI بالا چه مشکلاتی ایجاد می‌کند؟

• افزایش مصرف کک

• کاهش راندمان حرارتی

• اختلال در جریان گاز

• تولید غبار زیاد

• کاهش عمر نسوز

• کاهش کیفیت آهن خام

CSR پایین چه مشکلاتی دارد؟

• خردشدگی کک

• افزایش ریزدانه

• افت فشار گاز

• دمای پایین در ناحیه استک

• توقف‌های ناگهانی کوره

نتیجه: کوره بلند برای عملکرد پایدار به CSR بالا + CRI پایین نیاز دارد.

مزایای کک با CSR بالا و CRI پایین

• بهبود راندمان تبدیل آهن خام

• کاهش مصرف انرژی

• افزایش سرعت تولید

• کاهش سرباره

• کاهش هزینه تولید

• افزایش عمر کوره

• کاهش مصرف کک در هر تن آهن خام

در صنایع فولاد، کک با این ویژگی‌ها «کک ممتاز» محسوب می‌شود.

تأثیر نوع معدن بر CSR و CRI (طبس و زرند)

کک طبس

• زغال‌سنگ با ویترینیت مناسب

• CSR متوسط به بالا

• CRI کنترل‌شده

• مناسب برای فولادسازان متوسط و بزرگ

کک زرند

• زغال‌سنگ سخت‌تر

• مقاومت سایشی بالا

• CSR مناسب

• واکنش‌پذیری قابل کنترل

چرا CSR/CRI در کک متالوژی اهمیت دارد؟

در خرید صنعتی کک، ۳ پارامتر حیاتی وجود دارد:

1. Fixed Carbon

2. CSR

3. CRI

برخلاف تصور، کربن ۸۰ یا ۸۵ به‌تنهایی کافی نیست؛
کک ممکن است کربن بالا داشته باشد اما CSR پایین → نامناسب برای کوره بلند

مهندسان فولاد همیشه CSR و CRI را معیار اصلی کیفیت می‌دانند.

CSR و CRI دو شاخص بنیادی در ارزیابی قابلیت کک برای مصرف در کوره بلند هستند.
این دو پارامتر مشخص می‌کنند که کک:

• چگونه با CO₂ واکنش می‌دهد،

• آیا پس از واکنش ساختار خود را حفظ می‌کند،

• چه میزان انرژی و راندمان را در کوره بلند تضمین می‌کند.

کک ایده‌آل: CRI پایین و CSR بالا دارد.

این ویژگی‌ها باعث می‌شود مصرف انرژی کاهش یابد، تولید آهن خام افزایش یابد، سرباره کمتر شود و کوره بلند پایدارتر کار کند.

 ScienceDirect – Academic Papers on CSR & CRI