احیای مستقیم به روش میدرکس

مقدمه:
در اغلب کشورهای پیشرفته صنعتی در دهه گذشته ،تولید آهن و فولاد و صنایع مشابه،کاهشیافته و در زمینه تولید مواد نو و اطلاعات ،فناوری های جدید و کنترل پیشرفته موادبرنامه ریزی شده است . درکشورهای در حال توسعه بالعکس در صنایع تولید آهن و فولاد وسایر صنایع سرمایه بر، انرژی بر و حتی آلوده کننده محیط زیست بیشتر سرمایه گذاری شدهاست. در ایران در برنامه سوم توسعه از1379 تا1383 شمسی برنامه ریزی شده بود کهتولید آهن و فولاد ازحدود 7 میلیون تن یه 7/14 میلیون تن افزایش یابد. برای تولید 2/14 میلیون تن تاکنون قراردادهایی منعقد گردیده است. حتی برای 20 سال آیندهبااحتساب صنایع تولید آهن وفولاد خصوصی صحبت از تولید 25 تا28 میلیون تن فولاد درسال است که افزایشی حدود700 هزار تن د رسال (معادل 5 درصد در سال یا احداث یک واحد700هزار تنی در سال) می باشد و این رشد بالایی رانشان می دهد. -از تولید سالانه946/8میلیون تن فولاد در جهان درسال 2003 میلادی، 55/94 درصد از طریق روش سنتی کورهبلند بامصرف کک و 45/5 درصد از طریق روش های احیای مستقیم با مصرف گاز طبیعی و زغالمی باشد. هم اکنون در زمینه زغال سنگ کک شو 140 در صد و کک 190 درصد افزایش داشتهاست. درایران برخلاف زغال سنگ کک شو،ذخایر گاز طبیعی به وفور یافت می شود و ایراناز نظر ذخایر گاز طبیعی در جهان در مقام دوم قرار دارد. -در سال 1382 ایران باتولید حدود 43/5 میلیون آهن اسفنجی براساس مصرف گاز طبیعی در جهان در مقام دوم قرارداشت و به زودی به مقام اول ارتقاء خواهد یافت. تولید آهن و فولاد در ایران مازادبر مصرف سرانه بین المللی می باشد و احتماً برای صادرات برنامه ریزی شده است . باتوجه به برنامه ریزی و ضرورت افزایش تعداد واحدهای دولتی و خصوصی ،تولید آهن وفولاد درایران با آگاهی از کمبود زغال کک شو در ایران و جهان،برای گسترش صنایعتولید آهن وفولاد ،روش سنتی کوره بلند /کنورتور بامصرف کک توجیه پذیر نیست. -از49/5میلیون تن آهن اسفنجی در سال 2003 میلادی به روش های احیای مستقیم با مصرف گازطبیعی حدود 6/64 درصد از طریق میدرکس،7/19 درصد از طریق HYL3/HYL1 و درصد ناچیزی بهسایر روش هااز جمله قائم اختصاص داشت. درایران از حدود 43/5 میلیون آهن اسفنجیتولیدی حدود 80 درصد به روش میدرکس تولید شده است. فناوری تولید آهن اسفنجی در کورههای احیا به روش های میدرکس ، HYL3 و قائم شناخته شده و بدون مشکل انجام پذیر است. تولید گاز احیا کننده در روش های میدرکس ، HYL3 و قائم ازگاز طبیعی و عامل اکسایشجزئی گاز طبیعی در روش میدرکس،گاز خروجی کوره ، در روش HYL3 بخار آب و درروش قائم ،اکسیژن و گاز خروجی کوره است. -روش های میدرکس و HYL3 به رفورمر و لوله های فولادیمجهز هستند و لوله ها دربرابر نوسانات حرارتی و ترکیب گاز طبیعی و سنگ آهن مصرفی،حساس هستند. همچنین امکان استهلاک آنها از درون و برون وجود دارد. این لوله هاوارداتی هستند و فناوری ساخت آنها پیشرفته و انحصاری است. کاتالیزور درون آنها نیزدر برا بر ترکیب گاز طبیعی و سنگ آهن مصرفی حساس می باشد و امکان مسمومیت آنها وجوددارد. کاتالیزور مصرفی درآنها نیز وارداتی است. فناوری تولید آن، اختصاصی و پیشرفتهاست. درصورتی که روش قائم فاقد رفورمر و کاتالیزور می باشد و از این ضعف ها مبرااست. - باتوجه به شرایط خاص سنگ آهن برای مصرف درکوره میدرکس و ضرورت تامین سالانهحدود 36 میلیون تن سنگ آهن پر عیار در 20 سال آینده (معادل 25 میلیون تن فولاددرسال)، عدم مزیت خاص فناوری روش میدرکس نسبت به روش قائم و بالعکس قائم نسبت بهروش های احیای مستقیم باگاز طبیعی که از پیشرفته ترین فناوری برخوردار است،منطقی بهنظر می رسد که استراتژی توسعه صنایع تولید آهن و فولاد درایران بیشتر بر اساس عدموابستگی برنامه ریزی شود .
برنامه کشور برای دستیابی به ظرفیت تولید 9/28میلیون تن فولاد در سال 1388 از اجزای مختلفی تشکیل شده، اما یکی از اصلی‌ترین اجزای این برنامه اجرای طرح‌های فولادی در استان‌ها است که گام دوم ایران در تولید شمش فولاد محسوب می‌شود.
مطابق این طرح که کلید آن از شهریور سال 85 زده شده، باید در 8منطقه میانه، چهارمحال و بختیاری، شادگان، نی‌ریز، قائنات، بافق، سبزوار و سیرجان، 8طرح فولادی به ظرفیت هر کدام 800هزار تن احداث شود که این طر‌ح‌ها در مجموع 4/6میلیون تن به ظرفیت تولید فولاد کشور اضافه می‌کند.
1- اطلاعات و شاخص‌های صنایع فولاد جهان و ایران در سال 2006
تولید سالانه آهن اسفنجی:

1- میزان تولید آهن اسفنجی جهان 8/59 میلیون تن در سال است.

2- کشور هند با تولید 15 میلیون تن رده اول جهان را داراست.
3- ایران با تولید 93/6میلیون تندر سال در جهان رده سوم و در بین کشورهای اسلامی اول است.
4- 80 % آهن اسفنجی در ایران به روش میدرکس تولید می شود.
5- ایران در تولید چدن در سال در رده سی و یکم جهان است.
در میان روش های مختلف برای تولید آهن اسفنجی میدرکس با بیشترین تولید ( 5/29 میلیون تن در سال ) در مقام اول است

2-بررسی سرعت احیا کانه های آهن
احیا کانه هماتیتی بطور کلی شامل مراحل زیر است :
1- انتقال گاز احیا کننده به سطح پلت و از قشر مرکزی به خلل و فرج ماکروسکوپی پلت
2- انتقال گاز احیا کننده به خلل و فرج میکروسکوپی
3- انتقال گاز احیا کننده از خلل و فرج میکروسکوپی به محل واکنش شیمیایی
4- جذب فیزیکی و شیمیایی گاز احیا کننده در سطح واکنش
5- واکنش شیمیایی احیا
6- انتقال گازهای احیا از خلل و فرج میکروسکوپی به خلل و فرج ماکروسکوپی
7- انتقال گازهای احیا از خلل و فرج ماکروسکوپی به سطح
8- انتقال گازهای احیا از سطح به گاز جاری در خارج از پلت
در واکنش ها بطور کلی هر مرحله ای که کمترین سرعت را دارا باشد کنترل کننده سرعت کلی واکنش می باشد.
عوامل متعددی بر سرعت احیا کانه ها تاثیر می گذارند که مهمتربن آنها در زیر نام برده شده اند :
1- نوع شارژ (سنگ آهن یا پلت )
2- خلل و فرج
3- شکل هندسی
4- اندازه پلت
5- ترکیب گاز احیا
6- دما
7- درجه احیا
8- سرعت جریان گاز احیا کننده
9- فشار گاز احیا کننده
در میان شارژهای مختلف سرعت احیا پلت های هماتیتی از سنگ آهن بسیار بیشتر و در حدود 2 برابر آن است، که این امر به علت تخلل موجود در آن است.
هر چه شکل هندسی پلت به کره نزدیکتر باشد و اندازه آن کوچک تر سرعت احیا آن بیشتر است، بدیهی است اندازه پلت ها از یک حد معین کوچک تر نمی تواند باشد. ( به علت خوشه ای شدن و چسبیدن آن ها به هم )
در گاز احیا کننده هر چه نسبت هیدروژن به مخلوط هیدروژن و مونو اکسید کربن بیشتر باشد سرعت احیا بهبود می یابد.
با افزایش دما و فشار گاز احیا کننده و کاهش سرعت عبور آن از محفظه نیز سرعت احیا بهبود می یابد.
برای افزایش درجه احیا یا درجه آهنی شدن(درجه آهنی شدن را نسبت مقدار آهن فلزی به مقدار آهن در ترکیبات تعریف می کنیم.) مستلزم به مصرف بیشتر گاز احیا کننده و زمان بیشتر هستیم
می توان دید در میان روش های مختلف میدرکس از نظر مصرف پایین ترین و از لحاظ تولید بالا ترین مقدار را دارد.
و همچنین با افزایش درجه آهنی شدن نیز مصرف همگی روش ها افزایش می یاید.

3- فناوری تولید آهن اسفنجی
ابداع روش به وسیله W.T Marton و D.Beggs در شرکت میدلند – روس در سال 1965 انجام گرفت. در سال 1967 اولین واحد احیای مستقیم آزمایشی در اوهایو با ظرفیت 5/1 تن در ساعت و سپس واحد دیگری در سال 1969 در پرتلند به ظرفیت سالیانه 150 هزار تن تاسیس شد.
در این روش سرباره تشکیل نمی شود بنابر این برای احیا از گندله های هماتیتی کم سیلیس با حدود 4 درصد ناخالصی هایی شامل سیلیس، آهک و منیزیت استفاده می شود.
4- تجهیزات واحد میدرکس
یک واحد میدرکس شامل تجهیزات انتقال بار به کوره احیا، تاسیسات کوره احیا، تجهیزات تولید گاز احیا کننده و تجهیزات جنبی می باشد که به اختصار توضیح داده می شود.
4-1 )تجهیزات انتقال بار به کوره و تخلیه آهن اسفنجی از کوره
الف : نوار نقاله
از نوار نقاله ها برای انتقال شارژ به کوره احیا استفاده می شود
ب : مخزن بالای کوره
شارژ در این مخزن نگه داری می شود در این صورت اگر مشکلی در کار نوار نقاله ها پیش بیاید اجباری به توقف کار کوره احیا نیست.
سطح مواد درون این مخزن به وسیله یک میله رادیو اکتیو اندازه گیری می شود که در صورت پایین بودن این سطح به طور خودکار سرعت نوار نقاله ها افرایش پیدا می کند. در شکل 2 میتوان این مخزن را دید.
پ : دریچه کشویی هیدرولیکی و فلانچ ها
این تجهیزات برای جلوگیری از خروج گاز احیا کننده تعبیه شده اند.
ت : کمپنزاتور
برای تعدیل انبساط های حرارتی بدنه کوره پیش بینی شده است.
ث : کوره احیا
کوره از دو قسمت فوقانی و تحتانی تشکیل شده است، قسمت قوفانی کوره که منطقه اصلی احیا می باشد، استوانه ای به قطر 8/4 تا 5 متر و ارتقاع 9 متر است که حجم مفید آن حدود 220 متر مکعب می باشد، اما کل ارتفاع کوره 12 تا 14 متر می باشد.
بار کوره حدود 5/6 ساعت در این منطقه به آهن اسفنجی تبدیل می شود و سپس در قسمت پایینی توسط گاز سرد کننده سرد می شود. در شکل 2 قسمت های مختلف یک کوره میدرکس را می توان دید.
ج : خوشه شکن ها
به علت تماس و فشار مکانیکی به یکدیگر در کوره امکان تشکیل خوشه در موره احیا وجود دارد، لذا برای خرد کردن این خوشه ها و نیز تنظیم یکنواخت بار در موره در قسمت تحتانی هفت خوشه شکن نصب شده است:
1- سه خوشه شکن فوقانی ( به علت دمای زیاد در این منطقه این خوشه شکن ها دارای سیستم آبگرد هستند )
2- سه خوشه شکن میانی
3- یک خوشه شکن پایینی
سرعت چرخش خوشه شکن ها با سدعت جریان مواد در کوره هماهنگ می شود.
چ : سیلو های نگه دارنده آهن اسفنجی
در این سیلوها که برای نگه داری آهن اسفنجی پس از خروج از کوره استفاده می شود گاز خنثی برای جلوگیری از اکسایش مجدد پلت ها جریان دارد.

4-2 تجهیزات تولید گاز احیا کننده
1- رفورمرها
2- لوله های راکتور
3- کاتالیزورها
اکسایش جزئی گاز طبیعی در روش میدرکس برای تولید گاز احیا کننده با قسمتی از گاز خروجی کوره احیا بطور مداوم در راکتور تولید گاز انجام میشود. به این وسیله گاز متان با عوامل اکسیدکننده گاز خروجی کوره که قسمت عمده آن هیدروژن، اکسید کربن، بخار آب، گاز کربنیک و متان تشکیل شده است به هیدروژن و اکسید کربن تبدیل شده و از طریق لوله های رفورمر به کوره احیا می رود.
لوله هایی که در ساخت رفورمر به کار می روند از فولاد فوق العاده مقاوم در برابر حرارت با 35% نیکل، 25% کروم، کربن بالا به علاوه نیوبیوم ریخته و سپس جوش داده می شوند.
عمر این لوله ها در حدود 10000 ساعت است و در حین کار نیز می توان در صورت خراب شدن آن ها را تعویض نمود. در شکل – 6 میتوان این لوله ها را مشاهده کرد.
در این راکتور 288 لوله فولادی در چهار ردیف 72 تایی قرار دارد، درون لوله ها با سفال و کاتالیزور پر شده است.
120 مشعل در 5 ردیف در کف راکتور قرار دارند و دما را به 900 درجه سانتی گراد می رسانند. مشعل ها دو دسته هستند : اصلی (سوخت گاز طبیعی و گاز خروجی کوره) و کمکی (سوخت گاز طبیعی)
دود حاصل از احتراق مشعل ها با دمای 1100 درجه سانتی گراد خارج و به بازیاب حرارتی فرستاده می شود.
در لوله ها سه نوع ماده وجود دارد: مواد خنثی، کاتالیزورهایی با فعالیت کم، کاتالیزورهایفعال

بدنه کاتالیزورها از اکسیدهای سیلیسیوم، آلمینیوم، کلسیم و منیزیم تشکیل شده اند و سطح آن ها با لایه نازکی از کاتالیزور نیکل یا کبالتپوشیده شده است.
گوگرد می تواند باعث مسمومیت کاتالیزورها شود در نتیجه میزان گاز کربنیک و متان گاز احیا کننده بالا میرود، با افزایش گاز کربنیک به طور اتومات میزان گاز طبیعی ورودی به راکتور بالا میرود که این امر خطر دوده زدن در لوله های رفورمر را دارد.
در نتیجه همواره میزان گاز طبیعی مطلوب به دو وسیله کنترل میشود :
1. از سنجش نسبت گاز خروجی احیا به گاز ورودی
2. درصد گاز کربنیک موجود در گاز احیا کننده تولیدی
4-3 بازیاب حرارتی
در بازیاب حرارتی حرارت محسوس دود به گازهای زیر منتقل می شود:
به هوای سوخت مورد استفاده برای مشعل های رفورمر
به گاز خروجی کوره احیا پیش از ورود به رفورمر
به گاز طبیعی
لوله های مورد استفاده در این واحد از فولاد ضد زنگ اوستنیتی کروم دار و مقاوم در برابر حرارت ساخته شده اند، این لوله ها به علت کروم زیاد آن ها بسیار شکننده هستند و در هنگام نصب آنها باید از زدن ضربه به آن ها خودداری نمود.