فرآیند ریخته گری مداوم فولاد

[ghasem motamedi]

در سطح جهانی سنگ‌آهن مهمترین ماده اولیه تغذیه كوره‌بلندها و كوره اكسیژنی (BF-BOF) است كه 4/65 درصد از تولید جهانی فولاد خام را در سال 2005 به‌خود اختصاص داده است.
اما برای استفاده از این روش باید فرآیندهای مختلفی روی مواد اولیه صورت ‌پذیرد كه نیاز به میزان بالایی سرمایه‌گذاری در امور زیربنایی دارد. علاوه بر این مشكلات زیاد زیست ‌محیطی ایجاد كرده و دوره رسیدن به بهره‌برداری آن نیز طولانی است.

برای رهایی از نواقص فرآیند BF-BOF، روش فولادسازی EAF به‌وجود آمد كه آن نیز عمری طولانی پیدا كرده است.
سهم تولید فولادسازی قوس در تولید جهانی فولاد خام از 6/26 درصد در سال 1988 به 1/33 درصد در سال 2005 افزایش یافته است. \
افزایش روند قیمت‌های قراضه و كمبود آن موجب شد كه به فناوری‌های جدیدی دست یافته و تركیب شارژ مناسبی به‌صورت آهن اسفنجی یا )DRI احیای مستقیم آهن) تولید شود.
آهن اسفنجی از احیای مستقیم سنگ‌آهن به‌دست می‌آید كه عیار آن بین 84 تا 95 درصد است.
احیا موجب حذف یا از بین رفتن اكسیژن در سنگ‌آهن شده و سنگ را به‌صورت شانه عسل یا ساختار متخلخل اسفنجی شكلی درمی‌آورد كه به‌همین دلیل بدان آهن اسفنجی می‌گویند.
معمولا آن را به شكل كلوخه یا گندله‌ای شكل نیز تولید می‌كنند و علاوه بر این به‌صورت فشرده و بریكت شده نیز تولید می‌شود كه بدان HBI )آهن بریكت شده گرم) می‌گویند كه معمولا از طریق فشرده كردن DRI در درجه حرارت حدودا 650 درجه سانتیگراد به‌وجود می‌آید.
HBI شكل تغلیظ شده و فشرده DRI است كه برای انبار كردن و حمل‌ونقل آسان طراحی شده است DRI را می‌توان در كارخانه‌ها و واحدهای فولادسازی كه در آنجا در واحدهای احیا در كنار واحد فولادسازی‌ها صورت می‌پذیرد استفاده كرد
DRI در جهان یك ماده شارژ كاملا خالص و مرغوب محسوب می‌شود
در مقایسه با قراضه، مزایای استفاده از HBI/DRI یكپارچگی بیشتر آن در تركیب، عناصر مضره كمتر
به‌خاطر ماهیت متخلخل آن و مشكلات كمتر زیست‌محیطی آن است. مزیت استفاده از آهن اسفنجی به‌جای قراضه
ـ آهن اسفنجی جایگزین بهتری برای قراضه در واحدهای فولادسازی EAF/IF است چون ماهیت آن هموژن بودن آن، بهره‌وری مطلوب و مصرف كمتر كك است.
ـ آهن اسفنجی را می‌توان جایگزین قراضه فولادی در كنورتور LD به‌عنوان یك خنك‌كننده كرد.
ـ آتشگر نیست. دارای عناصر مضره یا زائد مانند مس، روی، قلع، كرومیوم، تنگستن، مولیبدنیوم و غیره كه معمولا در قراضه فولاد موجود است، نیست.
ـ آهن اسفنجی دارای سولفور و گوگرد كمتری است.
ـ فرآیند DRI دارای توانایی استفاده از زغال نامرغوب با خواص واكنشی خوب است كه برای فولادسازی سنتی غیرقابل قبول است.
ـ استفاده از DRI امكان مصرف قراضه نامرغوب به‌عنوان بخشی از مواد شارژی در فولادسازی الكتریكی بدون تاثیر بر كیفیت فولاد را میسر می‌سازد.
ـ به‌دلیل تركیب مشخص آن، استفاده از DRI/HBI امكان پیش‌بینی دقیق از آنالیز نهایی از ابتدای تغذیه مستمر آهن اسفنجی وجود دارد.
ـ به‌دلیل اندازه هماهنگ DRI به بهره‌وری افزوده شده است. آهن موجود به‌صورت اكسید در آهن اسفنجی با حمام كربن واكنش نشان داده كه منتهی به تاثیر جوشش شدید شده و موجب انتقال بهتر گرما و شتاب واكنش سرباره/ فلز در طی فولادسازی می‌شود. به همین دلیل همگونی حمام بهبود یافته و منتهی به هیدروژن و نیتروژن كمتری در فولاد می‌شود.
افزایش مصرف آهن اسفنجی در فولادسازی قوسی
ولادسازی مصرف می‌كردند. اما در حال حاضر بعضی از EAF/IFها 70 درصد یا بیشتر DRI در تركیب شارژ استفاده متا پایان قرن گذشته واحدهای EAF/IF در هند 25 تا 30 درصد DRI را به‌عنوان مواد شارژی به‌همراه قراضه در فی‌كنند.
طبق بررسی‌های انجام شده انتخاب DRI موجب مصرف 80 درصد DRI در تركیب شارژ در كوره‌های قوسی تا سال 2008ـ2007 شد كه می‌تواند حتی تا سال 2012ـ2011 در مناطق مختلفی از هند به 85 درصد نیز برسد.
تركیب شیمیایی آهن بریكت گرم (HBI) تجاری در جهان
تركیب شیمیایی معمولی آهن بریكت گرم تجاری به شرح زیر است:
برای دستیابی به حداكثر راندمان باید محتوی یا عیار آهن در حداكثر سطح یا درصد بوده و نیز سولفور و فسفر نیز در حداقل سطح یا درصد باشند. محتوی گانگ نیز باید ترجیحا بین 2 درصد و سیلیكا كمتر از 5/2 درصد باشد تا حجم پایین‌تر سرباره مصرف كمتر برق و بهره‌وری بالاتر تضمین شود.
مواد اولیه
مهمترین مواد اولیه لازم برای تولید آهن اسفنجی اكسیدهایی به شكل كلوخه سنگ‌آهن / گندله، زغال كك‌شو (با خواص واكنشی بالا) و مواد گدازنده مانند آهك و دولومیت هستند، باید در تعیین مشخصه‌های اكسیدآهن مانند میزان فسفر و ضریب اطمینان آن از نظر سهولت احیا، احتیاط و دقت لازم به‌عمل آید. با استفاده از گندله با خلوص بالا و میزان فسفر پایین به یك قیمت اقتصادی می‌توان به تولید اقتصادی آهن اسفنجی نیز دست یافت.
تشریح فرآیند تولید آهن اسفنجی
آهن اسفنجی با استفاده از زغال‌ غیركك‌شو از طریق فرآیند احیای سنگ‌آهن در كوره دوار تولید می‌شود. احیا در یك درجه حرارت از پیش تعیین شده و فشار آتمسفری كنترل شده صورت می‌پذیرد.
مواد اولیه ورودی مانند سنگ‌آهن، زغال كك‌شو (با خاصیت واكنشی بالا) و مواد گدازنده مانند سنگ‌ آهك و دولومیت در اندازه‌های كالیبره شده به كمك تغذیه‌كننده‌های وزنی و حجمی به‌داخل كوره دوار تغذیه می‌شوند.
به‌دلیل شیب و حركت چرخشی كوره دوار مواد اولیه به آهستگی از انتهای دستگاه تغذیه به انتهای محل تخلیه یا شارژ حركت می‌كند.
در حركت سنگ‌آهن به همراه زغال كه قبلا گرم شده است به DRI تبدیل می‌شود. سپس مواد مستقیم به خنك‌كننده دوار تخلیه شده و در آنجا خنك می‌شود. درجه حرارت محصول خنك شده در حدود 80 درجه سانتیگراد بوده كه از خنك‌كننده تخلیه شده و سپس به سیستم جداسازی و جابه‌جایی برده می‌شود.
این محصول كه شامل آهن اسفنجی با مواد مغناطیسی مانند زغال و غیره است توسط غربال به اندازه‌های مختلف جدا شده و سپس به‌طور مغناطیسی توسط جداكننده مغناطیسی جدا می‌شود سپس آهن اسفنجی به یك مخزن ریخته شده و بیرون فرستاده می‌شود
فرآیندهای مختلف آهن اسفنجی
فرآیندهای احیای مستقیم را می‌توان به روشی كه زغال غیركك‌شو (مانند فرآیندهای كوره دوار و بوته دوار) و روشی كه از گاز طبیعی (مانند كوره شافتی، فرآیندهای كوره‌ای با بستر مذاب) استفاده می‌كنند، تقسیم‌بندی كرد.
تعدادی از فرآیندهای DRI كه در حال حاضر استفاده می‌شوند به شرح زیر است:
ـ فرآیندهای زغالی با استفاده از كوره‌های دوار SL/RN، Codir، Accar، DRC، TDR، SIIL، OSIL و Jindal
ـ فرآیندهای زغالی با استفاده از كوره‌های بوته‌ای دوار Immeto، Fastmet، Cicofer، Sidcomet
ـ فرآیند نوع گازی كه از retorts استفاده می‌كنند HYL1
ـ فرآیندهای پیوسته در یك كوره شافتی با استفاده از گاز طبیعی شكسته‌مانند به‌عنوان یك احیاكننده میدركس و HYLIII
ـ فرآیندهای گازی با استفاده از بستر مذاب FIOR، Finmet و Circored
ـ فرآیندهای مخصوص برای تصفیه اكسیدهای باطله مانند PRIMUS با استفاده از یك كوره چند بوته‌ای. در سطح جهان فرآیند میدركس بالغ بر 64 درصد تولید جهانی آهن اسفنجی را به‌خود اختصاص داده است كه پس از آن HYLIII به میزان 18 درصد و فرآیندهای زغالی حدودا با 12 درصد تولید در رده‌های بعدی قرار گرفته‌اند.
مزیت‌های استفاده از آهن اسفنجی در كوره قوسی
با افزودن آهن اسفنجی به قراضه در مخزن تغذیه یك فرآیند كوره قوسی از ناخالصی‌هایی مانند سولفور و فسفر در حد قابل ملاحظه‌ای كاسته می‌شود. با رقیق كردن تركیب شارژ نیاز به تصفیه كمتر شده و در نتیجه عملیات متالورژیكی در داخل كوره آسانتر شده و بهره‌وری كوره را بالا می‌برد. غالبا مشخص شده است اگر شارژ به حد كافی رقیق باشد می‌تواند تصفیه به‌طور كامل در عملیات ذوب در خود كوره صورت پذیرد بنابراین این امر موجب افزایش بهره‌وری می‌شود.
ـ تغذیه مستمر: تغذیه مستمر DRI به یك EAF در مقایسه با شارژ یكصد درصد قراضه در همان شرایط به كوره میزان قدرت یا توان برق را بالاتر می‌برد.
ـ به‌دلیل ماهیت ناهمگون قراضه و تغییر پیوسته طول قوس بین الكترود و قراضه باعث نوسانات شدیدی در ذوب قراضه می‌شود. مشخص شده است كه چنین نوسانات شدیدی موجب كاهش قدرت برق ورودی می‌شود. از طرف دیگر ذوب DRI كه به‌طور مستمر تغذیه می‌شود موجب شده است از میزان برق مصرفی 15 كیلووات در ساعت در هر تن DRI تولید شده با استفاده از ترانسفورمزهای UHP كاسته شود.
ـ شارژ گرم آهن اسفنجی: شارژ گرم آهن اسفنجی یكی از روش‌های موثر كاهش هزینه تولید هر تن فولاد مذاب است چون مصرف برق و الكترود را كاهش می‌دهد. علاوه بر این شارژ گرم DRI بهره‌وری واحد ذوب طراحی شده برای شارژ سود DRI را افزایش می‌دهد.
در هند تكنولوی شارژ DRI گرم از ابداعات شركت اسار (Essar) است و حدودا 120 كیلووات ساعت در هر
تن با مصرف DRI گرم توسط EAF در درجه حرارت 650 سانتیگرادی موجود در آهن از مصرف انرژی می‌كاهد.
سایر مزیت‌ها
مصرف پایین الكترود
استفاده از DRI در مقایسه با قراضه موجب كاهش مصرف الكترود به‌دلایلی به شرح زیر می‌شود:
ـ سقوط قراضه منجر به افزایش شكستگی می‌شود كه بسیار كمتر از زمانی است ‌كه از شارژ DRI استفاده می‌شود.
ـ استفاده از DRI بهره‌وری را در كوره بالاتر می‌برد. به دلیل میزان بالای كربن منواكسید (co) در كوره، اكسیداسیون الكترود كاهش می‌یابد.
مصرف پایین اكسیژن
ـ در زمان كاهش قراضه به اكسیژن زیادی نیازی نیست.
ـ اكسیژن ورودی در DRI مربوط به اكسیدهای احیا نشده است.
ـ اكسید آهن احیا نشده در DRI در حد كافی است كه می‌تواند نیازهای سرباره به اكسیدهای آهنی را تامین ‌كند.
علاوه بر موارد فوق استفاده از DRI در تركیب شارژ موجب كاهش زمان و مصرف نسوز می‌شود.
مصرف DRI در روش IF
استفاده از DRI در كوره‌های ذوب القایی (Ifs) حدود سال‌های 1991ـ1990 آغاز شد. به تولیدكنندگان آهن اسفنجی در هند در خصوص استفاده صحیح از DRI در Ifs آموزش لازم داده شد. چندین تولیدكننده آهن اسفنجی واحدهای Ifs را نصب كرده‌اند و از آهن اسفنجی به نسبت بالای 60 تا 70 درصد در تركیب شارژ استفاده می‌شود. این تولیدكنندگان از كوره‌های القایی بزرگ استفاده می‌كنند و با كج كردن كوره و بیرون ریختن سرباره آن را دفع می‌كنند.
شارژ DRI به كوره‌های بلند
شركت تاتا استیل در مصرف آهن اسفنجی در كوره بلند پیشرو بوده است. در حال حاضر SAIL نیز می‌خواهد همین كار را انجام دهد. شارژ این‌گونه مواد آهن‌دار به كوره بلند دارای دو مزیت عمده است:
ـ كاهش در میزان مصرف كك
ـ افزایش بهره‌وری چدن مذاب
ـ مصرف یا شارژ آهن اسفنجی در كوره‌های بلند از نظر تكنیكی و تكنولوژی بسیار مناسب است.
ـ می‌توان به بعضی از جنبه‌های فنی منفی شارژ آهن اسفنجی در كوره بلندها فائق آمد و به همین منظور تولیدكنندگان آهن اسفنجی باید تولیدات خود را برای مصرف در كوره بلندها همسو كنند كه از سود بالاتری بهره‌مند خواهند شد.
آماری در زمینه میزان تولید آهن اسفنجی
انجمن فولاد جهانی آماری را در زمینه میزان تولید آهن اسفنجی (DRI) در 6 ماهه نخست سال 2009 از كشورهای تولیدكننده عضو این مؤسسه انتشار كرده است كه در زیر به بررسی این آمار و مقایسه آن با سال 2008 می‌پردازیم:
تولید جهانی
بنابر گزارش ورلد استیل میزان تولید آهن اسفنجی در جهان در ماه ژانویه سال 2009 برابر با 191/4 میلیون تن بود كه در مقایسه با ماه نظیر خود در سال گذشته با 2/11 درصد كاهش همراه شد.
اما میزان تولید در ماه فوریه 2009 باز هم 1/1 درصد نسبت به ماه قبل با كاهش مواجه شد و به 141/4 میلیون تن رسید. همچنین بر طبق گزارش انجمن در ماه‌های مارس و آوریل تولید آهن اسفنجی نسبت به ماه‌های پیشین خود رشد داشته به طوری كه در ماه آوریل به 399/4 میلیون تن رسیده است اما كماكان به نسبت ماه آوریل سال 2008 یك كاهش 1/8 درصدی را متحمل شده است.
در ماه می سال 2009 تولید آهن اسفنجی در كشورهای عضو انجمن فولاد جهانی با رشد 3/5 درصدی نسبت به ماه آوریل همراه بود و به 647/4 میلیون تن رسید كه از می سال 2008 در حدود 4/4 درصد كمتر است.
در ماه ژوئن روند رو به رشد تولید آهن اسفنجی با اندكی نقصان مواجه شده اما در ماه جولای دوباره افزایش یافت و به 630/4 میلیون تن رسید كه به نسبت سال گذشته دارای افت 3/9 درصدی است .
در نمودار شماره یك روند تولید آهن اسفنجی در 6 ماه نخست سال 2009 را مشاهده می‌كنید.
بر طبق نمودار هرچند در برخی از ماه‌ها میزان تولید نسبت به ماه قبل خود كاهش یافته اما به‌طور كلی روند صعودی را دنبال می‌كند.
میزان كل تولید آهن اسفنجی در جهان در نیمه اول سال 2008 برابر با 879/28 میلیون تن بود، در حالی‌كه این میزان در سال 2009 با یك كاهش 1/9 درصدی به 229/26 میلیون تن رسید.
آمریكای‌شمالی
در نمودار شماره 2 میزان تولید آهن اسفنجی در 6 ماهه نخست سال 2009 دركشور مكزیك كه به‌عنوان یكی از بزرگترین كشورهای تولیدكننده این محصول در آمریكای‌شمالی مطرح است را مشاهده می‌كنید.
روند تولید این كشور از 350 هزار تن در ماه ژنویه آغاز شده و در ماه می با تولید 394 هزار تن به اوج خود رسید و در نهایت در ماه ژوئن به 359 هزار تن دست یافت.
این در حالی است كه میزان تولید آهن اسفنجی این كشور در ماه ژوئن سال 2008 برابر با 529 هزار تن بوده و طی یك سال با یك كاهش شدید 1/32 درصدی مواجه شده است.
آمریكای‌جنوبی
كشور ونزوئلا نیز كه در منطقه آمریكای‌جنوبی مقام نخست تولید آهن اسفنجی را در اختیار دارد، تولید خود را در سال 2009 میلادی با 500 هزار تن در ماه ژانویه آغاز كرد كه نسبت به ماه نظیر خود در سال 2008 در حدود 6/2 درصد رشد داشت.
در ماه‌های بعد نیز تولید این كشور افزایش یافته و در ماه می به 540 هزار تن دست یافت و در نهایت در ماه ژوئن بعد از متحمل شدن كاهش 200 هزار تنی به 520 هزار تن رسید.
اما در مقایسه میزان كل تولید آهن اسفنجی در سال‌های 2008 و 2009 یك اختلاف 1/12 درصدی (افت تولید در سال 2009) جلب توجه می‌كند.
آفریقا
در بین كشورهای آفریقایی، كشور آفریقای‌جنوبی را می‌توان به‌عنوان بزرگترین كشور تولیدكننده آهن اسفنجی در این منطقه به حساب آورد.
میزان تولید آهن اسفنجی این كشور در ماه ژانویه در حدود 73 هزار تن بوده كه این مقدار تقریبا برابر با نصف تولید این كشور در ژانویه 2008 است.
در ماه‌های بعد این كشور میزان تولید خود را افزایش داده به‌طوری كه در ماه می با تولید 110 هزار تن به اوج خود رسیده و با اندكی كاهش در ماه ژوئن به 105 هزار تن دست یافته است، اما در كل، تولید این كشور در 6 ماهه نخست سال 2009 در حدود 6/9 درصد نسبت به 6 ماهه نخست سال 2008 افت داشته است.
خاورمیانه
در منطقه خاورمیانه، عربستان بعد از ایران به‌عنوان بزرگترین تولیدكننده آهن اسفنجی مطرح است. همان‌گونه كه در نمودار 3، روند تولید این كشور مشاهده می‌كنید میزان تولید این كشور در ماه ژانویه برابر با 267 هزار تن بوده كه در ماه فوریه به 213 هزار تن كاهش یافته است اما در ماه مارس سال 2009 جهش چشمگیری داشته و با افزایش 8/33 درصدی نسبت به ماه قبل خود به 322 هزار تن رسیده است.
این كشور در ماه‌های بعد به روند صعودی خود ادامه داده و در نهایت به 448 هزار تن در ماه ژوئن رسیده است كه در مقایسه با ماه نظیر سال قبل خود رشد 4/4 درصدی را تجربه كرده است.
كشور قطر نیز در تولید آهن اسفنجی از روند صعودی عربستان پیروی كرده در حالی‌كه میزان تولید این كشور در ماه ژوئن نسبت به ماه ژانویه دارای رشد 8/28 درصدی بوده است.
هند
بر طبق آمار انجمن فولاد جهانی در سال 2008 و همچنین نیمه نخست سال 2009 كشور هند به‌عنوان بزرگترین تولیدكننده آهن اسفنجی در دنیا بوده و در صدر جدول و بالاتر از كشورهای ایران و ونزوئلا قرار گرفته است.
این كشور سال 2009 میلادی را با تولید 73/1 میلیون تن آهن اسفنجی آغاز كرد كه در مقایسه با تولید 6/1 میلیون تنی در ماه ژانویه 2008 دارای رشد 5/7 درصدی بوده است و روند تولید این كشور دارای نوسان زیادی است به طوری كه در ماه فوریه 180 هزار تن كاهش یافته و به 55/1 میلیون تن رسیده و در ماه مارس با افزایش 8/13 درصدی به 8/1 میلیون تن دست یافته است.
بعد از طی نوساناتی در ماه‌های بعد، در ماه ژوئن تولید آهن اسفنجی در كشور هندوستان به 75/1 میلیون تن می‌رسد كه این میزان در مقایسه با ماه نظیر آن در سال 2008 یك رشد 7/5 درصدی را داشته است.
به‌طور كلی كشور هند در نیمه نخست سال 2009 در حدود 37/10 میلیون تن آهن اسفنجی تولید كرده كه در حدود 39 درصد از كل تولید جهانی را شامل می‌شود. همچنین بر طبق این گزارش تولید كل هند در نیمه اول سال 2009 نسبت به سال 2008 در حدود 9/5 درصد افزایش داشته است.
تولید آهن اسفنجی درایران
ایران طی سال 2008 با تولید 7/5 میلیون تن آهن اسفنجی بیش از 13 درصد كل تولید جهانی این فرآورده را در اختیار داشته است.
ایران همچنین طی سال 2008 بیش از 41 درصد كل تولید آهن اسفنجی خاورمیانه را در اختیار داشته است.
كل تولید آهن اسفنجی خاور میانه در سال 2008 به 2/18 میلیون تن رسیده است.
ایران 18 درصد ذخایر جهانی گاز طبیعی را در اختیار دارد كه پس از روسیه دومین ذخایر بزرگ گازی جهان به‌شمار می‌رود.
این به معنای افزایش مصرف گاز طبیعی در صنعت تولید فولاد به‌خصوص آهن اسفنجی در ایران است.
اما ایران در 6 ماه نخست 2009 با تولید 3/4 میلیون تن آهن اسفنجی، پس از هند دومین تولیدكننده بزرگ آهن اسفنجی جهان شناخته شد.
تولید آهن اسفنجی با استفاده از سنگ آهن هماتیت و زغالسنگ حرارتی
با توجه به آنكه در حال حاضر ذخائر بسیاری از معادن آهن هماتیت و زغالسنگ حرارتی موجود بوده واستفاده از آنها در تولید آهن اسفنجی در حال حاضر انجام نمی گردد شركتی با تحقیقات گسترده درحال انجام مراحل تحقیقاتی تولید آهن اسفنجی از مواد مذكور می باشد كه در حال حاضر در مقیاس آزمایشگاهی به نتایجی خوبی رسیده است و از دانش پژوهان و سرمایه گذاران دعوت به همكاری می گردد
فرآوری آهن اسفنجی تولیدی به روش های میدركس و قائم برای استفاده در تولید سرامیك های مغناطیسی.
آهن اسفنجی پس از آسیاب و دانه بندی ، مورد پالایش مغناطیسی و سپس در دمای 850 تا 1000 درجه سانتیگراد در اتمسفر اكـسیژن تحـت عملیـات اكـسایش قـرار گرفـت . بـه منظـور بررسـی خـواص محصول، بر روی آن آزمایش های فلور سانس پرتوایكس (XRF) ، پراش پرتـوایكس (XRD) و دانـه بنـدی انـدازه ذرات به انجام رسید و نتیجه گیری شد كه آهن اسفنجی می تواند برای تولید سـرامیك هـای مغناطیـسی بـه كار رود