نگاهی به فرآیندهای تولید آهن و فولاد

معدن و توسعه: تولید فولاد در یک مجتمع فولادسازی از طریق چندین فرآیند وابسته به یکدیگر صورت می‌پذیرد. فرآیندهای مهم، شامل کک‌سازی، کلوخه‌سازی، تولید چدن و فولاد خام، متالورژی پاتیلی، ریخته‌گری پیوسته بوده که در نهایت تولید محصولات نهایی سرد و گرم انجام می‌شود. 

عملیات فولادسازی ثانویه بدین صورت است که آهن قراضه از طریق ذوب و تصفیه در کوره‌های قوس الکتریک (EAFs) برای فولادسازی بازیافت شده و پس از آن فرآیندهای بعدی مشابه یک مجتمع فولادسازی روی آن صورت می‌پذیرد. 

واحدهای فرآیندی اصلی در کارخانه‌های فولادسازی و تولید آهن که در آنجا معمولا ترکیبی از سوخت احتراقی انجام می‌شود و گازهای آلاینده و گازهای گلخانه‌ای به‌وجود می‌آید، شرح زیر است: 

ـ واحد گندله‌سازی 

ـ دودکش احتراق باتری کک‌سازی 

ـ برج کوپر 

ـ هل دادن کک 

ـ دودکش خروجی شعله کوره BOF 

ـ پاتیل بازگرم کن 

ـ کوره بازگرم کن 

ـ کوره آنیلینگ (خنک‌کننده) 

ـ بویلر 


شرح مختصری از توسعه پایدار فرآیند فولادسازی 

سیستم جابه‌جایی مواد اولیه (RMHS) 

RMHS شامل واگن/ کامیون (تجهیزات تخلیه)، ذخیره‌سازی و مخلوط‌کن، زغالشویی و تعدادی تجهیزات نوار نقاله است. معمولا در بخش جابه‌جایی از انرژی برق استفاده می‌شود. علاوه بر این امروزه تولید آهن احیای مستقیم (DRI) یک ورودی اقتصادی به حساب می‌آید. 


گندله‌سازی 

فرآیندی است برای بهبود کیفیت بار و متحد‌الشکل کردن اندازه تا قابلیت نفوذناپذیری در داخل کوره بلند و نیز استفاده از نرمه سنگ‌آهن میسر شود. این فرآیند از دو نوع سوخت گازی و انرژی الکتریکی استفاده می‌کند. به دلیل مقررات زیست‌محیطی سخت‌تر امروزه گندله‌سازی را به کلوخه‌سازی ترجیح می‌دهند. 


کلوخه‌سازی 

واحدهای کلوخه‌سازی محصولات باطله آهن‌دار مانند (گندله، نرمه، گردوغبار، پوسته نورد، سرباره BOF، گردوغبار دودکش) را به موادی تبدیل می‌کند که اگر به کوره بلند شارژ شوند به موادی قابل بازیافت با بهره‌وری بالا تبدیل می‌شوند. در فرآیند کلوخه‌سازی سوخت گازی در کوره استفاده می‌شود و کک به‌عنوان سوخت جامد در مخلوط با مواد اولیه و انرژی الکتریکی برای موتورهای دودزا و دیگر تجهیزات گردان استفاده می‌شود. مواد شارژی در فرآیند کلوخه‌سازی، شامل نرمه سنگ‌آهن، پسمانده کک، مواد برگشتی (از جمله گردوغبار کوره بلند، پوسته نورد و دیگر محصولات جنبی فولادسازی)، نرمه‌های سرد و گرم بازیافتی از فرآیند کلوخه‌سازی و مواد تمیزکاری (مانند سنگ آهک، پودر سنگ‌ آهک و سایر مواد افزودنی لازم برای تولید محصول کلوخه‌ای با ترکیب شیمیایی و تناژ مورد نیاز) هستند. 

این محصول یک ماده سخت ذوب به نام کلوخه (Sinter) است که برای شارژ در کوره بلند مناسب است. نکته قابل توجه این است که بیشترین گازهای گلخانه‌ای تولیدی در کارخانه کلوخه‌سازی پس از تمیز شدن گاز از طریق دودکش آن خارج می‌شود. Co2 از طریق احتراق سوخت (COG یا گاز طبیعی) و از کربن در مواد شارژی مانند سنگ آهک، نرمه کک و سایر مواد کربن‌دار به‌وجود می‌آید. کلوخه‌سازی یک فرآیند پایدار است که از مواد باطله تولیدی در واحدهای تولید آهن و فولادسازی‌ها، مواد اولیه‌ای با ارزش افزوده بالا تولید می‌کند که در غیر این‌صورت باید آن را بیرون ریخت. 


کک‌سازی 

کک یک محصول کربن‌دار است که از تقطیر حرارتی زغال‌سنگ در درجه حرارت بالا در غیاب هوا در باتری‌های کک‌سازی تشکیل می‌شود. کک به کوره بلند شارژ می‌شود تا یک فضای احیا ایجاد کند و نیز نقش یک ماده سوختی را بازی می‌کند. در این فرآیند اگر مواد فرّار محتوی گاز سوخت به‌طور مستقیم از بالای کوره برای تغلیظ جمع‌آوری شود، به آن کوره بازیافتی می‌گویند، در غیر این صورت گاز باطله باتری‌های کک‌سازی مستقیما برای تولید برق سوزانیده می‌شود و به این کوره نوع غیربازیافتی می‌گویند. 

خنک کردن سریع (Quenching) خشک کک (به‌جای خنک کردن سریع‌تر) را می‌توان برای بازیافت محسوس حرارت استفاده کرد که در غیر این صورت در هنگام کم کردن میزان گردوغبار و نیز مصرف آب این حرارت در کک تلف خواهد شد. در فرآیند کک‌سازی غیربازیافتی، گاز خام باتری کک‌سازی و دیگر محصولات تولیدی توسط فرآیند کک‌سازی در باتری محترق می‌شوند که توان بالقوه‌ای را برای بازیافت حرارت و برق به‌طور همزمان ایجاد می‌کند. زمانی‌که باتری‌ها (ovens) تحت فشار و درجه حرارت پایین کار می‌کنند در آن درجه حرارت تمام آلاینده‌های بالقوه به ترکیبات قابل احتراقی تبدیل می‌شوند و این فناوری تمام محصولات جانبی را مصرف کرده و بیشترین پتانسیل برای خروج یا نشست هوا طی فرآیند کک‌سازی و آلودگی آب در فرآیند سنتی بازیافت محصولات جنبی را حذف می‌کند. 


تولید آهن توسط کوره بلند 

کوره بلند اساس مجتمع فولادسازی است که حداکثر 55 تا 70 درصد انرژی مصرف می‌کند. آهن از احیای مواد آهن‌دار با یک گاز گرم در کوره بلند تولید می‌شود. 

یک کوره بلند بزرگ با آستر نسوز از بالا با گندله سنگ‌آهن (taconite)، کلوخه، گدازنده‌ها (سنگ آهک و دولومیت) و کک شارژ می‌شود که سوخت و شرایط و محیط احیا در کوره را ایجاد می‌کند. به تعداد زیادی از کوره بلندهای مدرن نیز پودر زغال یا سایر مواد کربن‌دار برای احیای میزان کک لازم تزریق می‌کنند. اکسیدهای آهن، کک، زغال و گدازنده‌ها با هوای گرم کوره که از ته کوره تزریق می‌شود واکنش نشان داده آهن مذاب احیا شده، کربن مونواکسید (CO) و سرباره تولید می‌شود. چدن مذاب و سرباره جمع شده در بوته در پایه کوره به‌صورت دوره‌ای یا فاصله زمانی از کوره تخلیه می‌شود. گاز کوره بلند (BFG) در بالای کوره جمع شده و برای مصرف به‌صورت سوخت در بوته کوره‌بلند و سایر قسمت‌های فولادسازی بازیافت می‌شود. بخش اعظم GHG (گازهای گلخانه‌ای) از دودکش بوته کوره‌بلندها که در آنجا گازهای احتراق از کوره تخلیه می‌شود به خارج می‌رود. کربن موجود در CO2 عمدتا مربوط به کک و زغالی است که به‌عنوان سوخت مصرف می‌شود. مقدار کمی از گاز خروجی می‌تواند مربوط به شعله باشد که به لوله‌های انتقال گاز و از تهویه اضطراری کوره بلند نشت می‌کند. 

کک دو نقش مهم احیاکنندگی و سوخت را دارد و همچنین یک نقش فیزیکی محوری در خلق یک بار قوی، نفوذپذیر بازی می‌کند که این امکان را می‌دهد که زهکشی سرباره و فلز نیز به‌خوبی انجام شود. هدف محققان این است که از میزان مصرف زغال کک‌شو و انرژی که کمیاب هستند، کم کند. امروزه به جای کک، تزریق کربن (گردوغبار زغال/ قطران/ CH4) از طریق اکسیژن به همراه غنی‌سازی O2در دمش گرم به‌کار گرفته می‌شود. 

برای بهبود بهره‌وری در کوره بلند مدرن فشار زیادی در بالای آن ایجاد می‌شود که منبع بالقوه انرژی محسوب می‌شود. توربین‌های بهبود فشار بالا برای بازیافت فشار (انرژی پتانسیل) در کوره استفاده می‌شود، اگرچه اختلاف فشار بین کوره و آتمسفر پایین است، حجم زیادی از گاز را می‌توان از فشار کوره به‌طور اقتصادی بازیافت کرد. این توربین می‌تواند تقریبا 36ـ14 کیلووات ساعت/ تن چدن مذاب تولید کند. 

گازهای خروجی برج گرم‌کننده هوای دم را می‌توان برای پیش‌گرم کردن هوای احتراق کوره بلند استفاده کرد. سیستم‌های مختلفی به‌کار گرفته شده تا از میزان مصرف سوخت بین 20 تا 21 کیلووات ساعت/ تن چدن مذاب در کوره بازیافت حرارت (Recuperator) کم می‌شود. 


واحد ذوب فولاد (SMS) 

کوره اکسیژنی قلیایی (BOF) یک ظرف بزرگ دهن باز گلابی‌شکل است که داخل یا آستر آن با مواد نسوز قلیایی پوشش داده می‌شود که آهن مذاب تولیدی از کوره بلند و آهن قراضه به داخل آن شارژ می‌شود و با تزریق پرفشار اکسیژن بسیار خالص برای حذف کردن به‌صورت CO و CO2 تصفیه و پالایش شده و فولاد اولیه تولید می‌شود. 

حجم زیادی از CO از طریق واکنش در BOF با احتراق در دهانه کوره در BOF مجهز به هود باز (احتراق باز) به CO2 تبدیل می‌شود که هوای بیرون را به داخل کشیده یا توسط شعله‌ور شدن پس از تمیز کردن گاز در کوره‌های اکسیژنی قلیایی با هود کاملا بسته (احتراق بسته) انجام می‌شود. 

تمیز کردن گاز یا توسط تمیزکننده‌های گاز ونچوری (Venturi Scrubbers) یا ته‌نشین‌کننده‌های الکترواستاتیک برای BOF با هود باز انجام می‌شود، اما به‌دلیل خطرات ناشی از انفجار ته‌نشین‌کننده‌های الکترواستاتیک (در صورتی که آنها را در مسیر گاز که CO فراوان است به‌کار گرفته شود) فقط می‌توان از تمیزکننده‌های گاز ونچوری روی کوره اکسیژنی قلیایی (BOF) با هود بسته استفاده کرد. نقطه خروج گاز CO2 از BOF لوله گاز خروجی از کوره است که از طریق دودکش پس از تمیز کردن گاز تخلیه می‌شود. کربن موجود در ‍CO2 خروجی عمدتا از آهن یا قراضه سرچشمه می‌گیرد. کربن می‌تواند از طریق مواد گدازنده و دیگر فرآیندهای افزودنی که به کوره شارژ می‌شوند در حد کمتری وارد BOF شود. سیستم خنک‌کننده غیرمستقیم مدار بسته با خنک‌کننده‌های Fin-Fan (فن پره‌ای) هوایی و آبی (بدون املاح) برای هود BOF و خنک کردن لوله اکسیژن برای ذخیره‌سازی آب به‌کار گرفته می‌شود. 

کوره‌های قوس الکتریک برای تولید فولادهای کربنی و فولادهای آلیاژی استفاده می‌شود که عمدتا از طریق شارژ قراضه انجام می‌شود که به آن روش ثانویه می‌گویند. کوره قوس به شکل استوانه‌ای است که آستر آن را با نسوز می‌پوشانند و مجهز به الکترود است که می‌توان از طریق سقف کوره آن را بالا و پایین برد. پس از آنکه آهن قراضه شارژ می‌شود، الکترودها پایین آورده می‌شود و ذوب قراضه با انرژی الکتریکی اتصالی به الکترودهای کربنی شروع به ذوب می‌کند. مشعل‌هایی که با اکسیژن می‌سوزند و لوله‌های اکسیژن برای تامین انرژی شیمیایی استفاده می‌شوند، مشعل‌های اکسیژنی که با گاز طبیعی تغذیه شده و تولید شعله می‌کنند، گرما را به آهن قراضه انتقال می‌دهد. بعضی از کارخانه‌های EAF که معمولا فولادهای مخصوص و ضدزنگ تولید می‌کنند از کربن‌زدایی آرگون ـ اکسیژن (AOD) استفاده می‌کند تا فولاد مذاب به دست آمده از کوره قوس الکتریک را برای تولید فولاد کم کربن تصفیه کند. در ظرف AOD گازهای آرگون و اکسیژن به انتهای ظرف دمیده می‌شوند و کربن و اکسیژن واکنش نشان می‌دهند تا CO2 و CO تولید شود که از ظرف جدا می‌شوند. خروج CO2 از کوره قوس الکتریک عمدتا طی فرآیندهای ذوب و تصفیه صورت می‌پذیرد که کربن را به صورت CO و CO2 از مواد شارژی و الکترودهای کربنی یا زغالی جدا می‌شوند تا مقادیر کمتری CO2 از مصرف مشعل‌های اکسیژنی توسط کوره‌های قوس الکتریک مجهز به این مشعل‌ها تولید شود و CO باقیمانده در محفظه احتراق CO مجاور می‌سوزد. خروج گازهای گلخانه‌ای از کوره قوس الکتریک جمع‌آوری شده و به کیسه‌هایی برای جداسازی ذرات ریز (PM) آن فرستاده می‌شود. 

فولاد تولید شده توسط BOF و EAF همین مسیر را پس از آنکه فولاد مذاب از کوره ریخته می‌شود، دنبال می‌کند. گرم کردن پاتیل در کارگاه ذوب به انرژی زیادی نیازمند است، خود ‌EAF یا BOF و ایستگاه LMF (کوره متالورژی پاتیلی) یا کارخانه‌های متالورژی ثانویه نیز انرژی بالایی مصرف می‌کند. 

پیش‌گرمایی پاتیلی ضعیف می‌تواند اثر عمیقی روی کارآمدی انرژی در SMS بگذارد. پیش‌گرم کردن پاتیل تا 1150 درجه سانتیگراد اثر بسیار مثبتی برای کارآمدی کلی انرژی و بهره‌وری مانند کاهش زمان تخلیه (tap-to-tap) دارد. پیش‌گرمایی پاتیلی بر مبنای سوخت اکسیژنی می‌تواند موجب بهبود سریع و چشمگیری در مصرف کلی انرژی در مقایسه با کاهش مصرف انرژی در خود پیش‌گرم‌کننده‌های پاتیلی شود. 

فولاد مذاب از متالورژی پاتیلی به ریخته‌گری پیوسته انتقال پیدا می‌کند که فولاد را به اشکال نیمه نهایی (اسلب، بلوم، بیلت، مقاطع گرد و دیگر اشکال و مقاطع) ریخته‌گری می‌کند و از دستاوردهای اخیر ریخته‌گری فولاد مذاب به محصول نهایی است که از میزان مصرف انرژی بسیار کم می‌کند. 


واحدهای نورد و کوره Rh 

در واحدهای نورد محصولات نهایی فولادی ساخته می‌شود. در این بخش نیز به علت مصرف انرژی گازهای آلاینده تولید می‌شود. محصولات نیمه نهایی فرآیند بیشتری می‌شوند، مانند آنیلینگ، نورد گرم، نورد سرد، عملیات حرارتی، اسیدشویی، اندودکاری، گالوانیزه کردن که نیازمند انرژی است که موجب تولید گازهای گلخانه‌ای می‌شود. 


نتیجه‌گیری 

هدف هر مجتمع فولادسازی کاهش مصرف انرژی و حفظ محیط‌زیست است، یکی از روش‌های دستیابی به این اهداف استفاده از آخرین فناوری است. یک نقشه راه خوب برای تعیین معیار و ردیابی و کنترل جامع مصرف انرژی و منابع طبیعی در بخش فولاد نیازمند زمان است تا این فاصله را کاهش دهد. 

برای حفظ محیط‌زیست و منابع طبیعی باید به مساله کاهش تولید مواد باطله و بازیافت این مواد که در حقیقت می‌تواند مواد اولیه مفیدی باشد توجه کرد. در این راستا کارهای تحقیقاتی در جهت حفظ منابع طبیعی در بخش فولاد و حفظ انرژی تا سال 2020 در دست انجام است که می‌تواند از مصرف مواد اولیه، انرژی کم و فولادهای مرغوب‌تری با هزینه پایین‌تر تولید کرد.



منبع: Worldsteel