بررسی شارژ آهن اسفنجی در کوره های قوس الکتریکی از منظر میزان تولید و مصرف انرژی

پولاد تکین طلا تامین کننده آهن اسفنجی , گندله آهن , فرو سیلیکومنگنز , ضایعات آهن , شمش فولاد و میلگرد

بررسی شارژ آهن اسفنجی در کوره های قوس الکتریکی از منظر میزان تولید و مصرف انرژی :

بررسی شارژ آهن اسفنجی

آهن اسفنجی جایگزینی برای ضایعات آهن در حیطه صنعت ذوب محسوب می شود، استفاده از شارژ آهن اسفنجی  یا بریکت در کوره های قوس الکتریکی، تاثیرات چشمگیری در فرآیند ذوب خواهد گذاشت. از آن جمله می توان به مصرف میزان انرژی، بهره وری و قابلیت تولید و بازدهی مواد متاثر از ترکیب شیمیایی خاص آن اشاره نمود که در اصل رابطه تنگاتنگی با میزان و یا درصد مورد استفاده از آهن اسفنجی دارد.

از آنجایی که آهن اسفنجی دارای ترکیبی شیمیایی تا حدودی یکنواخت می باشد، استفاده از آن در فرایند تولید که به شکل بالا بردن عیار آهن صورت می گیر، می تواند سبب کاهش غلظت عناصر و ناخالصی و رسوبات در حین ذوب شود.

به عبارتی با شارژ آهن اسفنجی در سبد قراضه آهن و فرایند ذوب، سطح ناخالصی های موجود در شارژ به شکل چشمگیری پایین آورده می شود و در نتیجه سبب کاهش مقدار نیتروژن موجود در پروسه ذوب می شود.

یکی از مهمترین نتایج کاهش نیتروژن در فرایند ذوب، تولید تختال ها و بیلت ها و شمش هایی با کیفیت برای تولید و تهیه ورق های گرم، وایر و انواع محصولات دیگر را می توان بیان نمود.

مصرف انرژی:

میزان شارژ آهن اسفنجی می تواند در افزایش مصرف انرژی نقش موثری داشته باشد. تصور کنید در یک کوره قوس الکتریکی با شارژی حدود 100 درصدی آهن قراضه سرد برای ساخت سرباره پفکی مرغوب، مقدار انرژی مورد نیاز و یا مصرفی برای انجام فرایند ذوب می توان حدود 400 الی 435 کیلو وات ساعت بر تن در نظر گرفت. البته این اعداد و ارقام در اصل بدون در نظر گرفتن و یا به عبارتی صرف نظر از سایر انرژی های مصرفی در طی پروسه ذوب و … می باشد.

ولی در صورتی که در یک کوره قوس الکتریکی با شارژی حدود 98 درصد آهن اسفنجی و نیز تولید سرباره پفکی مرغوب، حدود 635 کیلو وات ساعت انرژی در هر تن، در مراحل ذوب آنها مورد استفاده قرار خواهد گرفت. با مطالعه مقایسه صورت گرفته می توان به این نتیجه رسید که میزان مصرف انرژی در فرایند ذوب با شارژ آهن اسفنجی بسیار بالاتر ازقراضه آهن می باشد.

تشخیص میزان در صد آهن در آهن اسفنجی:

برای پی بردن به میزان و درصد آهن موجود در آهن اسفنجی، می توان از شاخصی تحت عنوان درجه آهنی شدن و یا عملیات متالیزاسیون استفاده نمود. درصد و میزان آهن موجود در آهن اسفنجی و یا درصد متالیزاسیون تاثیر بسزایی در مصرف انرژی در پروسه ذوب و نیز تولید فولاد خواهد داشت.

به عبارتی میزان متالیزاسیون، پایین و بالا بودن مقدار feo موجود در dRI  سبب افزایش چشمگیر انرژی مصرفی در طول پروسه فولادسازی می شود.

از لحاظ شیمیایی می توان عملیات جداسازی اکسیژن از آهن و یا احیا،  feo، را یک عملیات گرماگیر در نظر گرفت. لازم به ذکر است که احیاء یک تن feo، به صرف انرژی حدود 800 کیلو وات ساعت نیازمند می باشد. همچنین افزایش مصرف انرژی به عامل های دیگری نیز بستگی دارد، از جمله می توان به افزایش مقدار sio2 در آهن اسفنجی اشاره کرد.

زیرا در این صورت برای حفظ بازیسته  ذوب، به شارژ بیشتر آهک نیاز خواهد داشت و نتیجه آن نیز تولید سرباره بیشتر می شود. با توجه به اینکه برای ذوب هر تن سرباره، حدود 530 کیلو وات ساعت انرژی مورد نیاز می باشد. لذا بدین صورت مصرف انرژی کل نیز افزایش پیدا خواهد کرد. فسفر و گوگرد موجود در فرایند، سبب افزایش میزان آهک مصرفی خواهد شد، که نتیجه آن نیز منجر به افزایش انرژی مصرفی خواهد شد.

فولاد و درصدهای مناسب آن:

در هر حال با توجه به گرید فولاد، بهتر است درصد و میزان فسفر و برخی از عناصر دیگر مانند کربن و … در حد استاندارد باشد. البته برای رسیدن به حد و درصد مورد نظر انجام برخی از اقدامات، ضرورت داشته و یا در کل نمی توان ار آنها چشم پوشی کرد.

به عنوان مثال برای حذف فسفر به سرباره اکسیدی نیاز مبرم وجود خواهد داشت، cao فسفر موجود در حمام مذاب را جذب کرده و اگر در این حالت مقداری مشخص و یا ثابت از feo در سرباره مدنظر گرفته شده باشد.

بهتر است آهک بیشتری افزوده گردد و در مقابل حذف حجم بیشتری از فسفر باید صورت گیرد. این تغییرات ایجاد شده و در کل افزایش آهک سبب بالا رفتن میزان مصرف انرژی و همچنین کاهش بازده مواد آهنی خواهد شد.

برای حذف سولفور نیز به سرباره احیایی نیاز می باشد. سرباره کوره های قوس الکتریکی معمولا سرباره اکسیدی بازی است و با وجودی که امکان حذف مقداری گوگرد در EAF  با افزایش مقدار آهک وجود دارد.

میزان انرژی مصرفی چه زمانی بالا میرود؟

دقت داشته باشید که انجام واکنش های مذکور سبب بالا رفتن میزان انرژی مصرفی در کوره خواهد شد. نتیجه تغییرات اعمال شده، کاهش بهره وری و نیز احتمال صدمه به نسوز کوره نیز در چنین شرایطی وجود خواهد داشت.

لذا با توجه به اهداف فولاد سازی در جهت تولید با حداقل انرژی مصرفی به ازای هر تن فولاد، جدایش گوگرد در EAF  صورت نخواهد گرفت، در حالیکه  در کوره پاتیلی قطعا انجام خواهد شد که در ادامه به اختصار به آن خواهیم پرداخت.

با توجه به قیمت انرژی و رعایت مسائل اقتصادی تولید، مسئولیت سنگینی بر دوش بهره بردار می باشد، لذا فولاد ساز حداکثر استفاده را از اعمال تغییرات و واکنش های موجود در فرآیند که می تواند در کاهش انرژی مصرفی موثر باشند، انجام می دهد. در طی این عملیات و یک فرآیند سرباره سازی خوب در کوره قوس الکتریکی، بهترین میزان مصرف انرژی را برای کوره در پی خواهد داشت.

بیشتر بخوانید:

تاثیرات استفاده از ضایعات آهن

سرباره و جدایش گوگرد:

معمولا در سرباره احیایی حذف گوگرد صورت می گیرد، همچنین در کوره پاتیلی و درمرحله متالورژی ثانویه، عملیات جدایش گوگرد نیز انجام می شود. توجه داشته باشید که در طراحی یک کارگاه فولادسازی به روش EAF که از شارژ آهن اسفنجی در فرآیند تولید استفاده می شود، ضرورت وجودی کوره پاتیلی جهت انجام مرحله متالورژی ثانویه احساس می گردد.

میزان کربن موجود در آهن اسفنجی یکی دیگر از موارد اساسی و تاثیرگذار در کاهش انرژی مصرفی در فرایند تولید می باشد. که این مقدار در اصل به ازای هر تن در تولید محاسبه می گردد.

به عنوان مثال، در صورتی که محدودیتی در تامین اکسیژن مورد نیاز در طی فرآیند وجود نداشته باشد،  با اعمال شارژ آهن اسفنجی با کربن مناسب یعنی بیش از 5/ 1 درصد، انرژی مصرفی در حدود 24 کیلو وات ساعت کاهش خواهد داشت. به عبارتی در صورتی که از مقدار کربن در آهن اسفنجی به شکل مناسبی وجود داشته باشد، به تبع یک سرباره پفکی خوب نیز ایجاد خواهد شد.

راه های کاهش انرژی مصرفی

استفاده از شارژ داغ آهن اسفنجی نیز یکی دیگر از راه های کاهش انرژی مصرفی به ازای هر تن فولاد می باشد. اما یک مشکل اساسی که بر سر راه  این موضوع وجود دارد، اکسید شدن سریع آن در حین حمل به کوره می باشد.

برای انجام موثر چنین کاری یعنی انتقال شارژ داغ آهن اسفنجی به درون کوره، ضروری است برای جلوگیری از واکنش DRI  با هوا ، از یک اتمسفر خنثی با تزریق گاز نیتروژن استفاده نمود.

در این راستا، شرکت هیلسا در سال 1998 جهت کاهش انرژی مصرفی ، یک سیستم انتقال شارژ گرم با دمای 600 درجه سانتیگراد به داخل کوره را راه اندازی نمود. البته باید توجه داشت که زمانی استفاده از این راه حل ها تاثیرگذار و یا اقتصادی خواهد بود.

قیمت انرژی مصرفی

که قیمت انرژی مصرفی به شکل قابل توجهی پایین بوده و در اصل هزینه تولید را به ازای هر تن فولاد، افزایش دهد. از اینرو بکارگیری روش هایی برای کاهش انرژی به عواملی چون: محل قرارگیری کارخانه، مسائل فنی و مقایسه آنها از لحاظ اقتصادی قابل تصمیم گیری و اجرا خواهد بود.

اما یکی از مهم ترین روش های اجرایی کاهش انرژی مصرفی و نیز کاهش بهای سهم انرژی در فرآیند تولید فولاد سازی، به روش کوره قوس الکتریکی با شارژ آهن اسفنجی، می توان به استفاده از DRI با درصدی از کربن محتوی، با درجه فلزی بالا و نیز سیلیس و فسفر و گوگردی در سطح پایین وهمچنین استفاده از تزریق کربن و اکسیژن جهت ساخت سرباره پفکی خوب و مناسب می باشد.

بهره وری و راندمان تولید:

 امروزه در مناطق آسیایی تعداد واحدهای فولادسازی به روش کوره قوس الکتریکی افزایش یافته است. با وجود این دراین مناطق نیز امکان دسترسی به ضایعات و قراضه آهن با کیفیت نیز با مشکل مواجه است.

از این رو بکارگیری شارژ پیوسته آهن اسفنجی به عنوان بهترین راه حل درزمینه تامین مواد آهنی به شکل چشمگیری افزایش یافته است. یکی از مزایای بارز استفاده مداوم از شارژ آهن اسفنجی و یا شمش و بریکت در کوره های قوس الکتریکی، کاهش قابل توجه تعداد سبدهای شارژ قراضه آهنی به کوره می باشد.

بی شک با کاهش تعداد سبد شارژ قراضه آهنی، زمان آماده سازی آن ها برای بکارگیری در فرآیند تولید نیز کم خواهد گردید و در نتیجه این کار سبب افزایش میزان تولید و همچنین افزایش سهم بهره وری را نیز در پی خواهد داشت.

تزریق کربن و دمش اکسیژن چه زمانی صورت میگیرد.

 تا قبل از اینکه امکان تزریق کربن و دمش اکسیژن به داخل کوره و ساخت سرباره پفکی و نیز گرم کردن شارژ قراضه امکان پذیر باشد، بهترین شارژ جهت به دست آوردن بیشترین بهره وری، شارژ پیوسته 50 20 درصد آهن اسفنجی می باشد. البته لازم به ذکر است.

موارد فوق درصورتی به شکل صحیحی اعمال خواهد شد. که شارژ قراضه از کیفیت نامناسبی  برخوردار بوده و از دانسیته پایین برخوردار باشد که در این موارد شارژ DRI  می تواند در افزایش سهم بهره وری می تواند موثر واقع شود.

بهره وری یک کوره قوس الکتریکی که به شکل مداوم با DRI  و یا شارز آهن اسفنجی تغذیه می شود، بسیار به ترکیب شیمیایی DRI، سرباره پفکی و بررسی نسبت شارژ DRI بستگی دارد.

البته لازم به ذکر است که میزان بهره وری کوره با شارژ بیش از مقدار مورد نیاز ازDRI  می تواند اثرات سوء نیز داشته باشد و در نتیجه کاهش بهره وری را نیز در پی خواهد داشت.

راندمان تولید فولاد

راندمان تولید فولاد از طریق شارژ DRI یا HBI  تحت تاثیر عواملی چون، نسبت متالیزاسیون، گانگ، تزریق کربن و… قرار می گیرد. تصور کنید یک نمونه  آهن اسفنجی محتوی 93 درصد آهن کل، 86 درصد آهن فلزی و 92 درصد متالیزاسیون در دسترس باشد.

حال اگر امکان احیای 100 درصد Feo فراهم بد، با شارژ کامل 93 ،DRI  درصد بازدهی حاصل می شد، اما این موضوع عملا به این شکل و آسانی در صنعت اتفاق نمی افتد.

فقط در شرایطی که بازدهی و بهره وری در یک واحد فولاد سازی برای صاحبان و متخصصین در حیطه مذکور بسیار اساسی باشد، بهتر است تمامی تلاش خود را نسبت به تولید یا خریداری آهن اسفنجی و یا بریکت  با درصد متالیزاسیون مناسب و قابل انتظار را به کار بگیرند، تا به نتیجه معقول و بهینه ای دست یابند.

تاثیر بازدهی کوره قوس الکتریکی:

با توجه به اینکه ترکیب شیمیایی مواد و وزن سرباره در بازدهی هر کوره قوس الکتریکی تاثیر مستقیمی خواهد داشت، از اینرو دقت در تولید و ساخت سربازه در طی فرایند ذوب آهن اسفنجی و یا بریکت و شمش باید به خرج داده شود، تا یک سرباره پفکی خوب با حداقل وزن و با بازیسیته ایده آل به دست آید.

می توان  برای گردآوری اطلاعاتی در زمینه سرباره ساخته شده، معمولا از طریق نمونه گیری و به کمک دستگاه XRF و یا روشی تخصصی تر اقدام به تست سرباره کرد. تا در صورت مشاهده انحراف از وضعیت مطلوب، برای اصلاح سرباره اقدام نمایید تا از خوردگی و فرسایش نسوز کوره جلوگیری شود و منجر به افزایش بازدهی کوره شود.

همان طور که قبلا نیز اشاره شده، انتخاب شارژ DRI به دلایل متعدد نیاز به بررسی هایی از جمله مسائل اقتصادی، عدم دسترسی به قراضه مطلوب، مصرف انرژی و… دارد، از این رو زمانیکه استفاده از DRI مدنظر قرار می گیرد، بهتر است یک ارزیابی هزینه تولید با درصدهای مختلف DRI در مقایسه با تولید از طریق قراضه آهن به عمل آید.

در مناطقی که تهیه  قراضه آهن، سخت و گاهی غیرممکن باشد، انتخابی جز استفاده از آهن اسفنجی برای استفاده در کوره های قوس الکتریکی وجود نخواهد داشت.

خاورمیانه و پروژه های فولادسازی:

در کشورهاي خاورمیانه نیز اکثر پروژه هاي جدید فولاد سازی به دلیل کاهش هزینه های تمام شده تولید فولاد با استفاده از آهن اسفنجی در مقایسه با قراضه، از نظر ارزان بودن گاز و برق مصرفی و نزدیکی به معادن سنگ آهن  براساس روش شارژ آهن اسفنجی در حال طراحی و بهره برداري هستند. ایران نیز با در اختیار داشتن بخشی عظیمی از ذخایر گاز و معادن سنگ آهن، مستعد تولید فولاد با استفاده از آهن اسفنجی می باشد.

به طور کلی در صورتی که بخواهیم از آهن اسفنجی به عنوان شارژ در کوره قوس الکتریکی استفاده کنیم، دقت به برخی از موارد ذکر شده در ذیل ضروری می باشد:

• قیمت آهن اسفنجی
• هزینه حمل و انبار کردن آنها
• سرمایه گذاری های مورد نیاز در حیطه مذکور، از جمله نوار نقاله به منظور برقراری شارژ پیوسته
• میزان بهره وری
• هزینه های مربوط به جمع آوری و سرمایه گذاری در زمینه فرآوری سرباره
• میزان و درصد بازدهی
• برقرار سیستم تزریق کربن و اکسیزن مورد نیاز در طی فرایند
• و برخی از موارد اساسی دیگر

دقت داشته باشید که بکارگیری آهن اسفنجی در کوره قوس الکتریکی که یک روش و راهکاری تخصصی است. که نیازمند داشتن اطلاعات اساسی و پایه ای در حیطه مذکور می باشد. بنابراین در ابتدای راه اندازی هر یک از واحدهای تولید فولاد سازی، رسیدن به حداکثر توانایی بهره برداری مستلزم صرف مدت زمانی مناسب برای منتهی شدن به توان بالایی در خط تولید می باشد.