خط تولیدآهن اسفنجی

اهمیت آهن و فولاد در توسعه جهانی به قدری است که می توان گفت آهن بنیان تمدن امروزی را تشکیل می دهد.فراوانی، قیمت پایین، قابلیت بازیافت، استحکام زیاد و همچنین قابلیت آلیاژسازی، ویژگی های متنوعی در کاربرد آن ایجاد کرده است. دامنه ی این تنوع از تولید سوزن و سنجاق تا کشتــی های عظیــم الجثـه و آسمان خراش ها گسترش دارد. از آن جا که صنعت تولید فولاد از جمله صنایع به شدت سرمایه بر و نیازمند به تکنولوژی پیش رفته است، و به دلیل تأثیر زیادی که بر روی توسعه صنعتی کشورها دارد، صنعت مادر نامیده می شود. طبق استانداردهای جهانی، تولید هر یک میلیون تن فولاد باعث اشتغال زایی مستقیم حدود هزار نفر خواهد گردید. این در حالی است که به طور متوسط، به ازای هر یک نفر که به طور مستقیم در صنعت فولاد شاغل است، ۵/۳ نفر نیز در صنایع مرتبط با آن مشغول به کار خواهد شد.
از طرفی رشد صنعت فولاد در بررسی پیشرفت اقتصادی کشورها از اهمیت خاصی برخوردار بوده، میانگین سرانه ی مصرف فـولاد در هر کشور به عنوان یکی از مناسب ترین شاخص ها در جهت شناخت و رتبه بندی کشورها از بعد توسعـــه یافتــگی در نظر گرفته می شود. به عبارت دیگر مصـرف سـرانه ی فـولاد در هر کشور، با سطح سرمایه گذاری ها، اجرای طرح های عمرانی و بالاخره توسعه یافتگی کشورها رابطه ی مستقیم و معناداری دارد چراکه با افزایش درآمد سرانه که از شاخص های توسعــه محسوب می گردد، مصرف سرانه فولاد نیز افزایش می یابد.
با توجه به اهمیت بالای آهن و فولاد، نقش ویژه آن در اشتغال زایی، اهمیت آن در رشد اقتصادی کشورها و نیز با توجه به مزیت های رقابتی که گفته می شود ایران از آن ها بهره مند است، افزایش تولید فولاد مورد توجه ویژه دولت قرار گرفته و برای نیل به این هدف برنامه ریزی های کلانی صورت گرفته است.
با وجود آنکه گزارش ها نشان گر آن هستند که تولید آهن و فولاد در صدر رتبه بندی رقابت پذیری ایران قرار ندارند (به عنوان مثال طبق گزارش منتشره موسسه مطالعات و پژوهشهای بازرگانی در سال ۱۳۸۸، تولید آهن و فولاد در رتبه سی ام قرار گرفته است) اما وجود مزیت های زیر در ایران باعث شده افزایش تولید آهن و فولاد یکی از برنامه های اصلی و مورد توجه دولت ها باشد:
– وجود منابع غنی سنگ آهن
– وجود منابع غنی گاز
– وجود منابغ غنی زغالسنگ حرارتی
– موقعیت ممتاز جغرافیایی
– وجود نیروی انسانی مورد نیاز
در این راستا، تکنولوژی های مختلف تولید آهن و فولاد مورد بررسی سازمانها، شرکتهای مشاوره، فولادسازان و غیره قرار گرفته تا بهترین راهکارها انتخاب گردند.
با توجه به یکی از معضلات اساسی کشور، یعنی کمبود آب، گروه پاترون اقدام به بررسی راهکاری جهت تولید آهن اسفنجی نموده که کمترین میزان آب ممکن را نیاز داشته باشد. در این بررسی معضلات و موضوعات دیگر از جمله موارد زیر نیز مورد توجه قرار گرفته است:
– وجود معادن پراکنده، با عیارهای متفاوت در کشور
– وجود کارخانجات تولید فولاد در نقاط مختلف کشور که ظرفیت های عمدتا پایینی دارند و با معضل تامین مواد اولیه یعنی قراضه یا ضایعات فولاد روبرو هستند
– نبود زیرساخت لازم در همه نقاط کشور جهت تکمیل زنجیره تولید فولاد در مقیاس های بزرگ و بیش از ۱ میلیون تن
– مسائل زیست محیطی و آلایندگی کارخانجات تولید آهن و فولاد
در این گزارش به بررسی این راهکار و مقایسه آن با روش های دیگر تولید آهن اسفنجی، که ماده اولیه ذوب در کوره های الکتریکی است می پردازیم. بدیهی است هر راهکار بایستی متناسب با نیازها باشد و توصیه راهکار در این گزارش به معنای رد راهکارهای دیگر به طور کلی نیست و هر راهکار بایستی مورد بررسی های دقیق تر و جزئی تر واقع گردد.

روش های تولید آهن اسفنجی

روش های تولید آهن اسفنجی (احیای مستقیم سنگ آهن) که در اینجا مورد بررسی قرار می گیرند، از روش هایی انتخاب شده اند که شناخته شده بوده، مراجع و رفرنس های آنها موجود و قابل استناد هستند. لذا به بررسی ۴ روش مختلف تولید آهن اسفنجی می پردازیم. در این بررسی از مراجع معتبر منتشر شده توسط شرکت های مشاوره از جمله برسو، فولاد تکنیک، وبسایت شرکت آمیار پولاد، میدرکس، اچ وای ال، هوگاناس، اتوتک و غیره استفاده شده است.

فرآیند میدرکس

ورود شرکت میدرکس در فرایند احیاء مستقیم را می توان در کارهای انجام شده توسط شرکت Surface Combustion در دهه ۳۰ میلادی ردیابی نمود. در سال ۵۹ میلادی این شرکت به شرکت Midland Ross ملحق گردید، که در آن شرکت فرآیند Heat fast به عنوان طلایه دار فرآیند Fastmet در دست بررسی و توسعه قرار داشت. شرکت Surface Combustion بعدها به شرکت میدرکس (Midrex) تغییر نام یافت.
اولین واحد احیاء مستقیم میدرکس که در سال ۱۹۶۹ میلادی در شهر پرتلند ایالت ارگون آمریکا نصب گردید، دارای دو کوره عمودی با قطر داخلی ۷/۳ متر بوده و هر یک از کوره ها برای تولید ۱۵۰ هزار تن آهن اسفنجی در سال طراحی شده بودند. به مرور زمان و با توجه به نیاز فولادسازی ها به بار فلزی با کیفیت بالا و قیمت مناسب، شرکت میدرکس در طول چهل سال گذشته طراحی و احداث واحدهای بزرگتر را در دستور کار خود داشته و به تدریج کوره های عمودی میدرکس را از قطر داخلی۷/۳ متر به ۲۵/۴ و نهایتاً به ۵/۷ متر توسعه داده و به صنعت فولاد معرفی نموده است. البته لازم به ذکر است کوره های کوچک تر فرآیند میدرکس همچنان در مدار تولید بوده و به صورت اقتصادی کار می کنند (واحد هامبورگ HSW و واحد کانادا SIDBEC) این امر نشان دهنده قابلیت این فرآیند در عرضه ظرفیت های مختلف می باشد.
مختصات اصلی روش میدرکس به شرح ذیل می باشد:
۱) سنگ آهن ورودی: سنگ آهن ورودی در این فرایند به صورت گندله پخته شده میباشد و از کلوخه سنگ آهن هماتیتی با عیار بالا و شرایط مناسب نیز میتوان تا حدود معینی با توجه به شرایط آن استفاده نمود.
۲) عامل احیاء کننده: گاز طبیعی شکسته شده پس از فرآیند ریفرمینگ میباشد. در فرآیند میدرکس گاز منو اکسید کربن سهم بیشتری نسبت به گاز هیدروژن در مخلوط گاز احیاء کننده دارد.
۳) نوع کوره احیاء و شرایط آن: کوره میدرکس یک کوره شافت عمودی است که تحت فشار کمی بیش از اتمسفر کارمیکند و ورودی و خروجی آن به صورت آببندی دینامیکی بوده و توسط جریان ورود و خروج مواد تنظیم میگردد.
۴) درجه حرارت احیاء: حدود ۸۵۰ تا ۹۲۰ درجه سانتیگراد
۵) سابقه فرآیند: از حدود سال ۱۹۶۹
۶) موقعیت فرآیند: کاملا تثبیت شده و تجاری
۷) ظرفیت فرآیند: کوره میدرکس در ابتدا دارای ابعاد (قطر) کوچکتری بوده و با بهبود تکنولوژی به سمت کوره های با قطر بالاتر و ظرفیت بیشتر توسعه پیدا کرده است. پیدایش نسل کوره های مگا مدول با ظرفیت های سالانه ۱٫۵ میلیون تن و بیشتر نشان دهنده این امر میباشد. البته لازم به تذکر است کوره های کوچکتر فرآیند میدرکس همچنان در مدار تولید بوده و بصورت اقتصادی کار میکنند. این امر نشان دهنده قابلیت این فرآیند در عرضه ظرفیت های مختلف میباشد.
۸) سهم بازار: حدود ۶۰% کل تولید آهن اسفنجی

فرآیند HYL (نسل چهارم) یا Energiron

فرآیند اچ وای ال در طول سالیان گذشته از نظر طراحی پایه فرآیند آن دچار تغییرات نسبتا زیادی شده است نسل اول و دوم این فرآیند بر اساس احیاء مستقیم مرحله ای و با استفاده از کوره در شرایط متفاوت از مرحله ابتدایی احیاء تا مرحله نهایی و تخلیه طراحی شده بود. در سال های اخیر نسل چهارم کوره های اچ وای ال با هدف حذف باکس ریفرمر وارد بازار شده است. این گزارش بر مبنای نسل چهارم این فرآیند تنظیم شده است.
۱) سنگ آهن ورودی: سنگ آهن ورودی در این فرآیند به صورت گندله پخته شده میباشد و استفاده از کلوخه سنگ آهن هماتیتی در حد قابل قبولی با توجه به خصوصیات سنگ امکان پذیر است.
۲) عامل احیاء کننده: در این فرآیند همانند روش میدرکس از گاز طبیعی شکسته شده (ولی با حذف ریفرمر) به عنوان عامل احیاء کننده استفاده میشود همچنین استفاده از بخار آب برای تولید گاز احیایی هیدروژن و افزایش آن در ترکیب گاز احیایی پیش بینی شده است. در این فرآیند میزان هیدروژن در مخلوط گاز احیایی نسبت به مونو اکسید کربن بسیار بیشتر بوده و هیدروژن به عنوان اصلی ترین عامل احیاء کننده عمل میکند.
۳) نوع کوره احیاء و شرایط آن: کوره این روش مشابه کوره شافت عمودی روش میدرکس می باشد. این کوره توسط مکانیزم های مکانیکی (هیدرولیکی) آب بندی شده است و فشار محیط واکنش بسیار بالاتر و تا ۷ آتمسفر تنظیم شده است تا سرعت واکنش احیاء مورد نظر بدست آید.
۴) درجه حرارت احیاء: حدود ۸۵۰ تا ۸۷۰ درجه سانتیگراد
۵) سابقه فرآیند: از حدود سال ۲۰۰۳
۶) موقعیت فرآیند: تثبیت نشده ولی تجاری
۷) ظرفیت: ظرفیت کوره های نسل چهارم بر اساس ادعای صاحب دانش فنی آن بر اساس نیاز بازار قابل تنظیم و بسیار متغیر میباشد.در حال حاضر واحدهای ۲۰۰ الی ۸۰۰ هزار تن در سال پیشنهاد داده می شود.
۸) سهم بازار: فعلا در حد ۴ مدول راه اندازی شده و یا در دست ساخت می باشد.

فرآیند SL/RN ومشابه

این فرآیند از قدیمی ترین روش های احیاء مستقیم محسوب میگردد و ایده ساختار آن بر اساس کوره افقی پخت سیمان طراحی شده است. در این روش ذغال سنگ حرارتی به عنوان ماده احیاء کننده با سنگ آهن مخلوط میشود و در یک کوره افقی آهن اسفنجی تولید میگردد.
۱) سنگ آهن ورودی: در فرآیند میدرکس و یا اچ وای ال عموما استفاده از گندله پخته شده با کیفیت بالا و حداکثر حدود ۳۰% کلوخه سنگ آهن توصیه میشود. در این فرآیند استفاده از کلوخه تا ۱۰۰% امکان پذیر میباشد و همچنین برخی انواع گندله های خام نیز قابل استفاده خواهند بود. استفاده از سنگ مگنتیتی در این فرایند نیز توصیه نمی شود و این فرایند نیاز به سنگ آهن کلوخه هماتیتی عیار بالا دارد.
۲) عامل احیاء کننده: مزیت این روش امکان استفاده از ذغال سنگ حرارتی با کیفیت نسبتا پایین به عنوان ماده احیاء کننده می باشد. ذغال سنگ در کوره گاز مونو اکسید کربن را تولید میکند و این گاز باعث احیای اکسید آهن میگردد. با وجود درجه حرارت نسبتا بالا در کوره سرعت واکنش نسبتا پایین بوده و کوره ماهیتا دارای ظرفیت پایینی خواهد بود. در این فرآیند گاز هیدروژن وجود ندارد.
۳) نوع کوره احیاء: کوره افقی دوار Rotary Kiln که در فشار کمی بالاتر از اتمسفر کار میکند. کوره اصلی دوار شامل بخش پیشگرم و منطقه احیاء است و گازهای حاصل از واکنش با درجه حرارت حدود ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد از آن خارج میشوند و سیستم های بازیافت در آن پیش بینی نشده اند و بهمین دلیل عموما از این انرژی برای تولید برق استفاده میشود. بخش خنک کننده کوره یک محفظه کاملا جداگانه است که توسط آب از بیرون خنک می شود.
۴) درجه حرارت احیاء: حدود ۱۰۰۰ تا ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد
۵) سابقه فرآیند: از حدود سال ۱۹۸۰
۶) موقعیت فرآیند: تثبیت شده و تجاری
۷) ظرفیت بهینه: حدود ۱۰۰ تا ۱۵۰ هزار تن به ازاء هر مدول
۸) سهم بازار: جمعا حدود از ۲۳% کل تولید آهن اسفنجی

فرآیند کوره تونلی

این فرآیند قدیمی ترین روش احیاء مستقیم محسوب میگردد. در این روش ذغال سنگ حرارتی به عنوان ماده احیاء کننده با سنگ آهن مخلوط میشود. گاز طبیعی دمای مورد نیاز احیا را به وجود می آورد و عمل احیا در بوته های کارباید سیلیسیوم در یک کوره تونلی انجام میگیرد.
۱) سنگ آهن ورودی: سنگ آهن هماتیت یا مگنتیت به صورت نرمه با عیارهای ترجیحا بالا مثل ۶۵%.
۲) عامل احیاء کننده: مزیت این روش امکان استفاده از ذغال سنگ حرارتی با کیفیت نسبتا پایین به عنوان ماده احیاء کننده می باشد. ذغال سنگ در کوره گاز مونو اکسید کربن را تولید میکند و این گاز باعث احیای اکسید آهن میگردد. دمای مورد نیاز جهت احیاء بر خلاف روش SL/RN از زغال نبوده، بلکه از گاز طبیعی به کمک مشعل ها به دست می آید. لذا آلایندگی در این روش بسیار پایین است.
۳) نوع کوره احیاء: کوره تونلی. کوره تونلی شامل سه بخش پیشگرم، منطقه احیاء و خنک سازی است
۴) درجه حرارت احیاء: حدود ۱۲۰۰ تا ۱۲۵۰ درجه سانتیگراد
۵) سابقه فرآیند: از حدود سال ۱۹۰۸ (بیش از ۱۰۰ سال)
۶) موقعیت فرآیند: تثبیت شده و تجاری
۷) ظرفیت بهینه: حدود ۵۰ هزار تن به ازاء هر مادول
۸) سهم بازار: جمعا حدود ۵% کل تولید آهن اسفنجی

با وجود آنکه گاها برخی افراد و شرکت ها ادعا می کنند در روش تولید پیشنهادی آنها، امکان استفاده از سنگ آهن با عیارهای پایین مثلا ۶۰% وجود دارد، باید به این نکته توجه کرد که اگرچه تقریبا هر نوع سنگ آهن با هر عیاری در عمل احیاء مستقیم تبدیل به آهن اسفنجی با عیار بالاتر می گردد، اما محصول تولیدی الزاما قابل استفاده نخواهد بود. این یعنی نمی توان مثلا در فرایند کوره دوار از سنگ آهن با عیار ۶۰% ، آهن اسفنجی مشابه فرایند میدرکس که از سنگ آهن ۶۶% استفاده میکند تولید نمود و آهن اسفنجی تولیدی از سنگ آهن با عیارهای پایین تر از ۶۵% عملا کیفیت لازم جهت استفاده در کوره های الکتریکی را ندارد.
عامل احیاء کننده در روش میدرکس و اچ وای ال گاز طبیعی است که با توجه به وجود منابع آن در ایران یک مزیت محسوب میگردد. در روش SL/RN از ذغال سنگ حرارتی به عنوان ماده احیاء کننده استفاده میشود که در مقایسه با گاز طبیعی گرانتر خواهد بود. مزیت گاز طبیعی حتی در صورت حذف یارانه نیز همچنان باقی می ماند. البته در روش کوره تونلی از هر دو عامل، یعنی گاز طبیعی (جهت ایجاد گرما) و زغالسنگ، به عنوان عامل احیاء کننده، استفاده می گردد.