تکنولوژی های تولید فولاد

تکنولوژی های نسل دوم استحصال آهن – Sponge Iron  

 

بعد از توسعه صنعتی کشورها و فراخور نیاز صنعت به انواع فولادهای کم کرین و کربن متوسط، تکنولوژی های بعدی بر این محور بنا شد و محصول نهایی این کوره ها بر یک ماده شبه فلز یا همان آهن اسفنجی بنا شد.

در این تکنولوژی که بعدها تکنولوژی احیاء نام گرفت ماده معدنی قبل از احیاء و ذوب مستقیم، ابتدا احیاء و مجدداً در یک پروسه ذوب در کوره های القایی و یا قوس الکتریکی ذوب می گردد. متداول ترین این تکنولوژی ها کوره های دوار SL-RN، کوره های تونلی (بر پایه زغال سنگ) و تکنولوژی میدرکس و HyLIII  و پرد Pered (بر اساس رفرم کردن گاز شهری) می باشد.

 

تکنولوژی های بر پایه زغال سنگ:

 

1- کوره های تونلی: در این کوره ها مواد اولیه که عموماً یا بصورت کنسانتره یا نرمه گندله می باشند با زغال سنگ کک نشو مخلوط و بعد از پرس و شکل گیری به صورت استوانه توخالی با ابعاد مختلف بصورت خام، آماده مرحله احیاء می شوند. این استوانه ها بعد از چینش بر روی واگن های متحرک در فواصل معین از ابتدای کوره تونلی وارد و بعد از طی مسیر چندین متری و بر اساس گرادیان دمایی احیاء در انتهای کوره خارج و در انتهای مسیر به آهن اسنفجی تبدیل می شود.

در این روش می توان با کمترین سرمایه گذاری نسبت به احداث واحد تولید حداقل آهن اسفنجی اقدام نمود و با توجه به عدم نیاز به سرمایه گذاری های خیلی زیاد، معمولاً بخش خصوصی امکان اجرای این واحدها را در مقیاس کوچک دارند.

البته بایستی در اجرای هر روش تولید آهن اسفنجی کنترل های مناسب در بخش مواد معدنی و شیب حرارتی داخل کوره را به دقت کنترل نمود تا ضمن احیای مناسب آهن اسفنجی تولیدی مناسب واحد ذوب باشد. در ایران شرکت فولاد کاویان از طریق این روش آهن اسفنجی تولید می کند.

تکنولوژی کوره احیاء دوار (SL-RN)      

   

این تکنولوژی در اواسط قرن نوزدهم در آلمان پایه گذاری و طی سالیان بعدی بخاطر وجود منابع فراوان زغال سنگ و سنگ آهن هماتیت در کشور هند توسعه یافت.

در تکنولوژی کوره دوار SL-RN نیز مانند تکنولوژی کوره تونلی از زغال سنگ جهت احیاء استفاده می شود، کمترین ظرفیت تولید در این کوره ها 100 هزار تن در سال محصول اسفنجی می باشد.

مواد ورودی عموماً هماتیت یا آهن (60-55) درصد و گندله از دهنه ورودی وارد کوره می شوند و بعد از توقف 10 ساعته در کوره بعد از احیای کامل در انتهای کوره خارج می شوند.

زغال سنگ مورد استفاده در کوره های دوار بایستی قدرت احیاء شوندگی بالایی داشته باشد (high reactivity) که این نوع زغال سنگ از تیپ زغال سنگ های پایه قیری (Sub bitumen) می باشد.

در این زغال سنگ ها که معمولاً مواد فرار بالایی دارند نرخ تبدیل کربن به مونوکسید کربن بالا است و هیدروژن داخل زغال سنگ در ابتدای فرآیند آزاد و نیمی از پروسه احیاء توسط هیدروژن صورت می گیرد (تا دمای c⁰ 650).

مشخصات زغال سنگ مورد استفاده در کوره های دوار به شرح زیر است:

1- فیکس کربن Fc حداقل 50 درصد

2- Vm بالا  (29-34) درصد

3- نقطه گداز بالا High Ash fusion point

4- قدرت واکنش پذیری بالا (high reactivity)

5- کک شوندگی پایین low coking (1-2)

6- گوگرد کمتر از یک درصد

7- سایز زغال سنگ mm 35-5 و mm 5-0 در کوره از دو سایز زغال سنگ در قسمت ابتدایی و انتهایی به منظور احیاء و تامین حرارت استفاده می شود.

معمولاً 80-65 درصد حرارت کوره از Fc⁰ (فیکس کربن) تامین می شود اما در کوره به واسطه انجام واکنش های بودوارد که مجموعه ای از واکنش های گرماگیر و گرمازا می باشد می بایستی کنترل موثری بر تیپ دانه بندی و مقدار زغال سنگ شارژ صورت پذیرد.

واکنش های حرارتی (بودوارد) در کوره احیاء دوار:

Fe₂O₃ + CO      2FeO+CO₂                      H= – 1.06 Gj

FeO+CO      Fe+CO₂                               H= – 2.57 Gj

C + CO₂      2 CO                                    H=  75.07 Gj

2CO₂ + O₂   2 CO₂                                H= – 135.71 Gj

C+O₂    CO₂                                          H= – 98.07 Gj

2C+O₂       2 CO                                    H= – 3.443 Gj

2H₂+O₂       2H₂O                                  H= – 29.85 Gj

این واکنش ها عمدتاً به دو بخش واکنش های احیایی و گازی تقسیم می شوند یعنی با تبدیل کربن به مونوکسید کربن، شرایط برای احیاء سنگ آهن به آهن فلزی طی چند مرحله فراهم می شود.

 

دولومیت:   

 

از دولومیت در کوره های دوار به منظور حذف سولفور استفاده می شود. دولومیت متشکل از کلسیم – منیزیم و کربنات CaMg(CO₃)₂ بایستی از نظر دانه بندی و سایر ترکیبات کافی طوری انتخاب گردد که حذف گوگرد به درستی صورت پذیرد.

تکنولوژی احیاء مستقیم میدرکس:

 

یکی از متداولترین تکنولوژی های احیاء مستقیم در دنیا می باشد، گاز طبیعی عمدتاً بصورت (CH₄, C₂H₆) وارد ریفرمر شکست گاز شده و بعد از شکسته شدن وارد کوره احیاء می شوند.

شرکت های بزرگ تولید آهن اسفنجی در ایران از این نوع تکنولوژی استفاده می کنند که از جمله آنها طرح زمزم شرکت فولاد خوزستان می باشد.

تکنولوژی HyLIII : این تکنولوژی مانند تکنولوژی میدرکس به منظور تولید آهن اسفنجی از طریق شکست گاز طبیعی استفاده می شود.

 

تکنولوژی پرد Pered : تکنولوژی احیاء مستقیم ایرانی که در سال 2006 در آلمان و ایران ثبت گردید و با راه اندازی واحدهای فولاد شادگان، فولاد بافت، فولاد نی ریز و فولاد میانه عملاً به عنوان یکی از تکنولوژی های احیاء مورد بهره برداری قرار گرفت.

اساس کارایی کوره ها بر اساس افزایش راندمان و مرتفع نمودن نقاط ضعف در کوره های احیاء مستقیم تکنولوژی های بر پایه گاز طبیعی می باشد و در این تکنولوژی علاوه بر گاز طبیعی از گاز سنتز مانند پروژه  CSTM  چین می توان استفاده نمود.

در واقع توجه به کاهش مصرف انرژی به ویژه آب مصرفی در این تکنولوژی، بهبود شاخص های زیست محیطی، کاهش و جایگزین نمودن تجهیزات مدرن در فرآیند از جمله ویژگی های این تکنولوژی می باشند که قابلیت رقابت با تکنولوژی های دیگر در سطح دنیا را دارد.

تکنولوژی های نسل سوم:

 

نسل سوم تکنولوژی استحصال آهن ترکیبی از زغال سنگ و گاز طبیعی می باشد، در واقع این نسل از کوره های استحصال آهن از تنوع بیشتر برخوردار بوده و اساس آن کاهش هزینه های مصرف انرژی، تنوع شارژهای مصرفی از جمله انواع ضایعات مختلف حاوی آهن و مواد معدنی با عیار پایین (حداقل 35 درصد عیار محتوی) و استفاده همزمان زغال سنگ و گاز طبیعی و در نهایت راندمان تولید و کاهش تولید گازهای گلخانه ای از جمله CO2 می باشد. بعضی از انواع متداول این کوره ها به شرح زیر می باشد:

Comet, ITmk3, Hismelt, Dios, Romelt, Gridsmelt, Finemet, Ausmelt

تعدادی از این کوره ها بر اساس تکنولوژی  Bath smolting مورد بهره قرار گرفته اند مانند:    Hismelt (چین)، Romelt (روسیه)، Ausmelt  (استرالیا)

و تعدادی دیگر بر اساس تکنولوژی Rotary hearth Furnace که این کوره ها بیشتر در کشورهای اروپایی، ژاپن و آمریکا تحقیق و توسعه یافته است.

از جمله متداولترین تکنولوژی های RHF می توان به ITmk₃ (ژاپن) و comet (بلژیک) و Fastmet (ژاپن) اشاره کرد.

اکثر تکنولوژی ها بعد از 1990 میلادی وارد مرحله تحقیق و توسعه شدند، شرکت kobe steel ژاپن یکی از شرکت های پیشرو در این زمینه می باشد که توانست در سال 2010 اولین تکنولوژی ITmk₃ را در آمریکا راه اندازی نماید.

در تکنولوژی های جدید عمدتاً از مواد ضایعاتی کوره های مختلف بصورت پودری شکل و البته مواد معدنی کم عیار بصورت ریزدانه (بدون نیاز به آماده سازی) استفاده می شود که می توان به Comet  اشاره نمود. البته با توجه به استفاده از ذرات ریز و عدم سایزبندی مواد ورودی راندمان پایین است.