پیش از پرداختن به تولید آهن اسفنجی به روش کوره تونلی باید بگوییم، با توجه به اینکه رشد تولید فولاد در کشور تاثیر مناسبی در رشد صنعتی کشور خواهد داشت، افزایش خوراک لازم برای واحدهای فولادی از نقش مهمی در این زمینه برخوردار است؛ به این ترتیب افزایش سودآوری معادن سنگ آهن می‌تواند باعث جذب سرمایه‌های بیشتر در این بخش و در نتیجه رونق بیشتر صنایع معدنی کشور شود. تهیه مواد اولیه فولادسازی از سه منبع انجام میشود:
- چدن مذاب( آهن خام حاصل از کوره بلند)
- آهن اسفنجی حاصل از احیای مستقیم سنگ آهن DRI
- انواع قراضه‌های فلزی
آهن اسفنجی و تولید آن با توجه به زیرساخت‌ها و ذخایر موجود در ایران، به‌ویژه برخورداری کشور از منابع عظیم گاز طبیعی، بیش از هر کشور دیگری مورد توجه قرار گرفته است؛ به نحوی که ایران بزرگترین تولیدکننده آهن اسفنجی به روش احیای مستقیم با گاز طبیعی در دنیا به شمار می‌رود.
آهن اسفنجی یک محصول میانی در حلقه‌های زنجیره فولادسازی است و به‌عنوان خوراک ورودی کوره‌های تولید فولاد مورد استفاده قرار میگیرد. در واقع طی فرایندی، با حذف اکسیژن از سنگ آهن در مجاورت گازهای احیاکننده و در دمای کمتر از دمای ذوب، محصول به دست می‌آید.
این روش اولین بار در سال ۱۹۲۲ میلادی توسط شرکت هوگوناس سوئد ابداع شد. به همین دلیل به آن روش هوگوناس نیز گفته میشود.
بالا بودن عیار آهن اسفنجی منبع مناسبی برای تولید آهن و فولاد است. استفاده از مواد اولیه‌ی مناسب و مرغوب موجب توسعه صنایع فولاد به‌ویژه تولید فولادهای ویژه مانند فولادهای ضدزنگ، فولاد ابزار، فولاد یاتاقان، فولاد فنر و فولادهای آلیاژی میشود.
امروزه با توجه به کمبود ضایعات آهن و افزایش قیمت آن و همچنین مشکلات زیست محیطی تولید این محصول رواج بیشتری دارد. آهن اسفنجی تولیدشده در روش کوره تونلی بر پایه زغال بوده و به‌دلیل درجه فلزی بالایی که دارد، مورد توجه صنعتگران جهت جایگزینی با قراضه جهت ذوب در کوره‌های الکتریکی به‌خصوص کوره‌های القایی قرار گرفته است.
روند رو به افزایش تولید فولاد در کوره‌های قوس الکتریکی (EAF) یا کوره‌های قوس القایی، جهت‌گیری تولید محصولات کیفی، افزایش قیمت قراضه و کمیاب شدن آن تقاضا برای استفاده از آهن اسفنجی در شارژ فلزی کوره های فولادسازی را بیشتر کرده است.
برای تولید آهن اسفنجی در جهان روش‌های متعددی ابداع گردیده است که در بین روش‌های احیاء مستقیم، فرآیند میدرکس، HYL ،SL/RN و کوره تونلی را می‌توان نام برد.
سنگ آهن به‌عنوان یک ماده اولیه به تنهایی ارزش افزوده مناسبی ندارد، لذا انجام فرآوری، تولید گندله، آهن اسفنجی و در نهایت تولید فولاد علاوه بر اشتغال‌زایی، ارزش افزوده بسیار بالاتری نیز نصیب تولیدکنندگان خواهد کرد.
از جمله خواص آهن اسفنجی که بر عملکرد کوره های الکتریکی موثر است
- میزان کربن موجود و درجه فلزی آهن اسفنجی.
- درجه فلزی یا متالیزاسیون نسبت آهن فلزی به کل آهن موجود در آهن اسفنجی تعریف می شود که هرچقدر درجه متالیزاسیون محصول بالاتر باشد، عملکرد و راندمان کاری کوره‌های ذوب بالاتر می‌رود.
- مقادیر کم درجه فلزی به معنی وجود مقادیر قابل توجه اکسید آهن (FeO) در آهن اسفنجی است که باعث افزایش انرژی مصرفی کوره الکتریکی می‌گردد.
- خوشبختانه آهن اسفنجی تولیدشده به روش کوره تونلی دارای یکنواختی بسیار عالی و متالیزاسیون بالا، همچنین دارای کربن بسیار کمی (در حدود نیم درصد) است.
- از آنجایی که کوره های القایی امکان سوزاندن کربن را ندارند، وجود کربن کمتر در مواد اولیه ذوب می‌تواند نقش موثری در بالا بردن راندمان کاری و در نتیجه به دست آمدن محصول باکیفیت داشته باشد.
- به دلیل تخلخل کمتر و درصد متالیزاسیون بالاتر، عبور جریان الکتریسیته از مواد به سهولت انجام شده و در کاهش برق موثر است؛ همچنین به‌دلیل رسانایی بالاتر مواد اولیه، زمان ذوب پایین‌تری دارد. (لازم به ذکر است که هر یک درجه متالیزیشن بالاتر، 10kw مصرف برق پایین‌تر و همچنین مدت زمان کمتر ذوب را به همراه دارد.)
- با توجه به مشکلات موجود جهت تامین برق در سراسر کشور و نیاز به صرفه‌جویی در تمام عرصه‌های خانگی و صنعتی و با توجه به این که هر یک درجه متالیزاسیون بالاتر موجبات کاهش مصرف ده کیلووات برق را در صنعت به‌همراه دارد که در نسبت‌های بالا و تولیدات زیاد می‌توان صرفه‌جویی بسیاری در زمینه مصرف برق نمود.
- درصد متالیزاسیون آهن اسفنجی تولیدی به روش کوره تونلی دارای بالاترین درجه در بین سایر محصولات آهن اسفنجی است (به خصوص بریکت) که این عدد می‌تواند تا ۹۷ درصد نیز برسد؛ یعنی نزدیک‌ترین ماده اولیه به قراضه‌های فلزی.
فرآیند تولید آهن اسفنجی به روش کوره تونلی
روش کوره تونلی از دهه ۹۰ میلادی توسط شرکت هوگوناس (سوئد) به‌عنوان روشی برای تولید پودر آهن خالص برای مصرف در تکنولوژی‌های پودر متالوژی به وجود آمد و در ادامه با تغییراتی به‌عنوان یک روش تولید آهن اسفنجی مقیاس کوچک به‌خصوص در کشور چین تجاری شد.
کوره احیا در این روش افقی (تونلی) و عامل احیا زغال حرارتی بوده و با توجه به شرایط، دارای تنوع و انعطاف‌پذیری در نوع مواد اولیه مصرفی است.
در این روش بخش اول مواد اولیه مورد نیاز با ترکیب زغال حرارتی و آهک به نسبت مشخص، پس از دانه‌بندی و خشک شدن به ماشین لودینگ منتقل می‌شوند.
ریزدانه گندله یا کنسانتره نیز پس از خردایش، دانه‌بندی و خشک شدن در درایر از مسیری مجزا به ماشین لودینگ منتقل میشود.
بارگیری بوته‌ها در ماشین لودینگ به صورت کاملا مکانیزه و اتوماتیک انجام گرفته و پس از شارژ در بوته های سیلیکون کارباید با استفاده از واگن های مخصوص وارد کوره می شوند.
عملیات احیا در دمای ۱۱۵۰ درجه و به مدت ۴۵ ساعت در کوره انجام میگیرد.
مدت زمان ورود مواد اولیه به کوره و خروج محصول از ابتدا تا انتها در بازه زمانی ۷۲ ساعت انجام می پذیرد.
به طور کلی در هر ۴۵ تا ۵۰ دقیقه یک واگن حامل بوته های سیلیکون کاربایدی وارد کوره میشود و یک گاری محصول از کوره به طور مداوم و در طول شبانه‌روز خارج می‌گردد.
محصول نهایی پس از تخلیه ASH از داخل بوته‌ها در مرحله بعدی توسط ماشین آنلودینگ خارج شده و به‌صورت مستقل (به‌صورت محصول لوله ای) یا به شکل بریکت قابل استفاده خواهد بود.
کوره تونلی را نمی‌توان با میدرکس مقایسه کرد (چه از لحاظ تکنولوژی و چه از لحاظ ظرفیتی) اما دلایلی وجود دارد که این روش یا محصول به‌دست‌آمده با استفاده از این روش را مورد توجه بخش‌های مختلف صنعت فولاد و علاقه‌مندان بخش خصوصی به این صنعت قرار می‌دهد که در ادامه به توضیح این موارد خواهیم پرداخت.
به طور کلی آهن در دنیا به دو روش تولید میشود:
- تولید آهن در کوره بلند
- تولید به روش احیای مستقیم که محصول آن آهن اسفنجی یا DRI است.
طبق تعریف ارائه شده در واژه‌نامه استاندارد، آهن اسفنجی، خوراک با عیار بالا برای ساخت آهن و فولاد می باشد که از احیای کانه های آهن طبیعی یا فرآوری شده بدون رسیدن به دمای ذوب، به دست می آید.
تکنولوژی تولید آهن اسفنجی در این طرح به روش کوره تونلی بوده و پس از احداث واحد فولادسازی، آهن اسفنجی تولیدی به روش کوره تونلی به کوره های القایی منتقل میشود.
برای کنترل کیفیت محصول تولیدشده با روش‌های مذکور، سه مشخصه اصلی سنجیده می‌شوند؛ میزان فلزشوندگی یکی از این مشخصه ها است که با نسبت میزان آهن فلزی به کل موجود در آن به دست می‌آید و مقدار و نوع کربن و در نهایت نوع و مقدار مواد زائد (اکسیدهای غیر آهنی) دیگر مشخصه‌های شناخت آن هستند.
مزایای تولید آهن اسفنجی به روش کوره تونلی
- هزینه کم سرمایه‌گذاری
- بازدهی سریع و زمان کوتاه اجرای کارخانه
- تکنولوژی ساده
- عدم نیاز به تجهیزات خارجی
- انعطاف‌پذیری در مصرف انواع مواد اولیه
- عدم نیاز به واحد گندله‌سازی
- متالیزیشن بالا در محصول تولیدی (۹۳ درصد و در صورت تولید بریکت این عدد تا ۹۷ درصد هم قابل دستیابی است)
- انعطاف‌پذیری در توقف‌های تولید
روش میدرکس
این روش در دهه ۳۰ میلادی به دنیای تولید آهن اسفنجی ورود یافت. اولین واحد تولید به این روش در سال ۱۹۶۹ در آمریکا که دارای ۲ کوره عمودی و با ظرفیت تولید هر یک ۱۵۰ هزار تن بود نصب و بهره‌برداری گردید و با گذشت زمان و هم‌زمان با رشد تقاضای فولادسازان به ماده اولیه با کیفیت و قیمت مناسب به تدریج کوره‌های عمودی این روش در نقاط مختلف دنیا توسعه یافتند. در حال حاضر این روش بیشترین ظرفیت تولیدی آهن اسفنجی در جهان را در اختیار دارد.
تفاوت روش‌های تولید آهن اسفنجی
از شرایط مورد نیاز روش میدرکس می‌توان چندین مورد را نام برد که در روش کوره تونلی مورد نیاز نیستند:
- وابستگی پلنت به معادن و نیاز به احداث این واحدها در کنار معادن
- نیاز به احداث واحد گندله‌سازی که مستلزم هزینه‌های گزافی معادل با احداث یک پلنت کوره تونلی است.
- عدم انعطاف در ورودی مواد اولیه (فقط گندله)
- سبک بودن محصول و مشکلات عدم فروروی در ذوب در بخش کوره‌های القایی
- به‌دلیل تخلخل زیاد، نیازمند مصرف برق بیشتر (فواصل بین مواد و عدم رسانایی الکتریسیته دلیل اصلی آن به شمار می‌رود)
- سرمایه‌گذاری بسیار بالا
- نرخ بازگشت سرمایه در درازمدت
- عدم توان ورود بخش های خصوصی به این حوزه
- پیچیدگی‌های فرآیند و نیازمند نیروهای بسیار متخصص
- دشواری کنترل فرآیند و خطرات احتمالی از جمله آتش‌سوزی و انفجار
- محصول ناپایدار و امکان اکسیداسیون و آتش‌سوزی دوباره محصول در مجاورت اکسیژن
کاربردهای محصول تولید شده به روش کوره تونلی
آهن اسفنجی در تولید فولاد کاربرد دارد. این فرآیند می‌تواند در کوره‌های متداول ذوب همچون کوره الکتریکی القائی(IF) و کوره قوس الکتریکی(EAF) صورت پذیرد. آهن اسفنجی پس از ذوب و احیا در فولادسازی، در فرآیند ریخته‌گری به سه شکل زیر درمی‌آید که با شکل‌دهی آن به محصولات مورد نیاز تبدیل میشود.
۱- اسلب (تختال) که به‌منظور تولید ورق تولید میشود.
۲- بیلت (شمش) که به‌منظور تولید نبشی، میلگرد و … مورد استفاده قرار میگیرد.
۳- بلوم که به‌منظور تولید میلگردهای با مقاطع بالاتر مورد استفاده قرار می گیرد.
با خواندن این مقاله با روش تولید آهن اسفنجی به روش کوره تونلی، مزایا و معایب این روش و مقایسه آن با روش میدرکس آشنا شدیم و در نهایت نیز کاربردهای محصول تولید شده را مورد بررسی قرار دادیم. در مقالات آتی شما را بیشتر با این محصول آشنا خواهیم کرد.
