در سطح جهاني سنگ‌آهن مهمترين ماده اوليه تغذيه كوره بلندها و كوره اكسيژني (BF-BOF) است كه 4/65 درصد از توليد جهاني فولاد خام را در سال 2005 به‌خود اختصاص داده است. اما براي استفاده از اين روش بايد فرآيندهاي مختلفي روي مواد اوليه صورت‌پذيرد كه نياز به ميزان بالايي سرمايه‌گذاري در امور زيربنايي دارد. علاوه بر اين مشكلات زياد زيست‌محيطي ايجاد كرده و دوره رسيدن به بهره‌برداري آن نيز طولاني است.

براي رهايي از نواقص فرآيند BF-BOF، روش فولادسازي EAF به‌وجود آمد كه آن نيز عمري طولاني پيدا كرده است. سهم توليد فولادسازي قوس در توليد جهاني فولاد خام از 6/26 درصد در سال 1988 به 1/33 درصد در سال 2005 افزايش يافته است. افزايش روند قيمت‌هاي قراضه و كمبود آن موجب شد كه به فناوري‌هاي جديدي دست يافته و تركيب شارژ مناسبي به‌صورت آهن اسفنجي يا DRI (آهن احياي مستقيم) توليد شود.

آهن اسفنجي از احياي مستقيم سنگ‌آهن به‌دست مي‌آيد كه عيار آن بين 84 تا 95 درصد است. احيا موجب حذف يا از بين رفتن اكسيژن در سنگ‌آهن شده و سنگ را به‌صورت شانه عسل يا ساختار متخلخل اسفنجي شكلي درمي‌آورد كه به‌همين دليل بدان آهن اسفنجي مي‌گويند. معمولا آن را به شكل كلوخه يا گندله‌اي شكل نيز توليد مي‌كنند و علاوه بر اين به‌صورت فشرده و بريكت شده نيز توليد مي‌شود كه بدان HBI (آهن بريكت شده گرم) مي‌گويند كه معمولا از طريق فشرده كردن DRI در درجه حرارت حدودا 650 درجه سانتيگراد به‌وجود مي‌آيد. HBI شكل تغليظ شده و فشرده DRI است كه براي انبار كردن و حمل‌ونقل آسان طراحي شده است. DRI را مي‌توان در كارخانه‌ها و واحدهاي فولادسازي كه در آن جا احيا در واحدهاي احيا در كنار واحد فولادسازي‌ها صورت مي‌پذيرد استفاده كرد. DRI در جهان يك ماده شارژ كاملا خالص و مرغوب محسوب مي‌شود. در مقايسه با قراضه، مزاياي استفاده از HBI/DRI يكپارچگي بيشتر آن در تركيب، عناصر مضره كمتر (به‌خاطر ماهيت متخلخل آن) و مشكلات كمتر زيست‌محيطي آن است.

مزيت استفاده از آهن اسفنجي به‌جاي قراضه



ـ آهن اسفنجي جايگزين بهتري براي قراضه در واحدهاي فولادسازي EAF/IF است چون ماهيت آن هموژن بودن آن، بهره‌وري مطلوب و مصرف كمتر كك است.

ـ آهن اسفنجي را مي‌توان جايگزين قراضه فولادي در كنورتور LD به‌عنوان يك خنك‌كننده كرد.

ـ آتشگر نيست. داراي عناصر مضره يا زائد مانند مس، روي، قلع، كروميوم، تنگستن، موليبدنيوم و غيره كه معمولا در قراضه فولاد موجود است، نيست.

ـ آهن اسفنجي داراي سولفور و گوگرد كمتري است.

ـ فرآيند DRI داراي توانايي استفاده از زغال نامرغوب با خواص واكنشي خوب است كه براي فولادسازي سنتي غيرقابل قبول است.

ـ استفاده از DRI امكان مصرف قراضه نامرغوب به‌عنوان بخشي از مواد شارژي در فولادسازي الكتريكي بدون تاثير بر كيفيت فولاد را ميسر مي‌سازد.

ـ به‌دليل تركيب مشخص آن، استفاده از DRI/HBI امكان پيش‌بيني دقيق از آناليز نهايي از ابتداي تغذيه مستمر آهن اسفنجي وجود دارد.

ـ به‌دليل اندازه هماهنگ DRI به بهره‌وري افزوده شده است. آهن موجود به‌صورت اكسيد در آهن اسفنجي با حمام كربن واكنش نشان داده كه منتهي به تاثير جوشش شديد شده و موجب انتقال بهتر گرما و شتاب واكنش سرباره/ فلز در طي فولادسازي مي‌شود. به همين دليل همگوني حمام بهبود يافته و منتهي به هيدروژن و نيتروژن كمتري در فولاد مي‌شود.

افزايش مصرف آهن اسفنجي در فولادسازي قوسي

تا پايان قرن گذشته واحدهاي EAF/IF در هند 25 تا 30 درصد DRI را به‌عنوان مواد شارژي به‌همراه قراضه در فولادسازي مصرف مي‌كردند. اما در حال حاضر بعضي از EAF/IFها 70 درصد يا بيشتر DRI در تركيب شارژ استفاده مي‌كنند.

طبق بررسي‌هاي انجام شده انتخاب DRI موجب مصرف 80 درصد DRI در تركيب شارژ در كوره‌هاي قوسي تا سال 2008ـ2007 شد كه مي‌تواند حتي تا سال 2012ـ2011 در مناطق مختلفي از هند به 85 درصد نيز برسد.

تركيب شيميايي آهن بريكت گرم (HBI) تجاري در جهان

تركيب شيميايي معمولي آهن بريكت گرم تجاري به شرح زير جدول زير است:

براي دستيابي به حداكثر راندمان بايد محتوي يا عيار آهن در حداكثر سطح يا درصد بوده و نيز سولفور و فسفر نيز در حداقل سطح يا درصد باشند. محتوي گانگ نيز بايد ترجيحا بين 2 درصد و سيليكا كمتر از 5/2 درصد باشد تا حجم پايين‌تر سرباره مصرف كمتر برق و بهره‌وري بالاتر تضمين شود.

مواد اوليه

مهمترين مواد اوليه لازم براي توليد آهن اسفنجي اكسيدهايي به شكل كلوخه سنگ‌آهن / گندله، زغال كك‌شو (با خواص واكنشي بالا) و مواد گدازنده مانند آهك و دولوميت هستند، بايد در تعيين مشخصه‌هاي اكسيدآهن مانند ميزان فسفر و ضريب اطمينان آن از نظر سهولت احيا، احتياط و دقت لازم به‌عمل آيد. با استفاده از گندله با خلوص بالا و ميزان فسفر پايين به يك قيمت اقتصادي مي‌توان به توليد اقتصادي آهن اسفنجي نيز دست يافت.

تشريح فرآيند توليد آهن اسفنجي

آهن اسفنجي با استفاده از زغال‌ غيركك‌شو از طريق فرآيند احياي سنگ‌آهن در كوره دوار توليد مي‌شود. احيا در يك درجه حرارت از پيش تعيين شده و فشار آتمسفري كنترل شده صورت مي‌پذيرد. مواد اوليه ورودي مانند سنگ‌آهن، زغال كك‌شو (با خاصيت واكنشي بالا) و مواد گدازنده مانند سنگ‌ آهك و دولوميت در اندازه‌هاي كاليبره شده به كمك تغذيه‌كننده‌هاي وزني و حجمي به‌داخل كوره دوار تغذيه مي‌شوند. به‌دليل شيب و حركت چرخشي كوره دوار مواد اوليه به آهستگي از انتهاي دستگاه تغذيه به انتهاي محل تخليه يا شارژ حركت مي‌كند. در طي حركت سنگ‌آهن به همراه زغال كه قبلا گرم شده است به DRI تبديل مي‌شود. سپس مواد مستقيم به خنك‌كننده دوار تخليه شده و در آنجا خنك مي‌شود. درجه حرارت محصول خنك شده در حدود 80 درجه سانتيگراد بوده كه از خنك‌كننده تخليه شده و سپس به سيستم جداسازي و جابه‌جايي برده مي‌شود.

اين محصول كه شامل آهن اسفنجي با مواد مغناطيسي مانند زغال و غيره است توسط غربال به اندازه‌هاي مختلف جدا شده و سپس به‌طور مغناطيسي توسط جداكننده مغناطيسي جدا مي‌شود سپس آهن اسفنجي به يك مخزن ريخته شده و بيرون فرستاده مي‌شود.

فرآيندهاي مختلف آهن اسفنجي

فرآيندهاي احياي مستقيم را مي‌توان به روشي كه زغال غيركك‌شو (مانند فرآيندهاي كوره دوار و بوته دوار) و روشي كه از گاز طبيعي (مانند كوره شافتي، فرآيندهاي كوره‌اي با بستر مذاب) استفاده مي‌كنند، تقسيم‌بندي كرد.

تعدادي از فرآيندهاي DRI كه در حال حاضر استفاده مي‌شوند به شرح زير است:

ـ فرآيندهاي زغالي با استفاده از كوره‌هاي دوار SL/RN، Codir، Accar، DRC، TDR، SIIL، OSIL و Jindal

ـ فرآيندهاي زغالي با استفاده از كوره‌هاي بوته‌اي دوار Immeto، Fastmet، Cicofer، Sidcomet

ـ فرآيند نوع گازي كه از retorts استفاده مي‌كنند HYL1

ـ فرآيندهاي پيوسته در يك كوره شافتي با استفاده از گاز طبيعي شكسته‌مانند به‌عنوان يك احياكننده ميدركس و HYLIII

ـ فرآيندهاي گازي با استفاده از بستر مذاب FIOR، Finmet و Circored

ـ فرآيندهاي مخصوص براي تصفيه اكسيدهاي باطله مانند PRIMUS با استفاده از يك كوره چند بوته‌اي. در سطح جهان فرآيند ميدركس بالغ بر 64 درصد توليد جهاني آهن اسفنجي را به‌خود اختصاص داده است كه پس از آن HYLIII به ميزان 18 درصد و فرآيندهاي زغالي حدودا با 12 درصد توليد در رده‌هاي بعدي قرار گرفته‌اند.

مزيت‌هاي استفاده از آهن اسفنجي در كوره قوسي

با افزودن آهن اسفنجي به قراضه در مخزن تغذيه يك فرآيند كوره قوسي از ناخالصي‌هايي مانند سولفور و فسفر در حد قابل ملاحظه‌اي كاسته مي‌شود. با رقيق كردن تركيب شارژ نياز به تصفيه كمتر شده و در نتيجه عمليات متالورژيكي در داخل كوره آسانتر شده و بهره‌وري كوره را بالا مي‌برد. غالبا مشخص شده است اگر شارژ به حد كافي رقيق باشد مي‌تواند تصفيه به‌طور كامل در عمليات ذوب در خود كوره صورت پذيرد بنابراين اين امر موجب افزايش بهره‌وري مي‌شود.

ـ تغذيه مستمر: تغذيه مستمر DRI به يك EAF در مقايسه با شارژ يكصد درصد قراضه در همان شرايط به كوره ميزان قدرت يا توان برق را بالاتر مي‌برد.

ـ به‌دليل ماهيت ناهمگون قراضه و تغيير پيوسته طول قوس بين الكترود و قراضه باعث نوسانات شديدي در ذوب قراضه مي‌شود. مشخص شده است كه چنين نوسانات شديدي موجب كاهش قدرت برق ورودي مي‌شود. از طرف ديگر ذوب DRI كه به‌طور مستمر تغذيه مي‌شود موجب شده است از ميزان برق مصرفي 15 كيلووات در ساعت در هر تن DRI توليد شده با استفاده از ترانسفورمزهاي UHP كاسته شود.

ـ شارژ گرم آهن اسفنجي: شارژ گرم آهن اسفنجي يكي از روش‌هاي موثر كاهش هزينه توليد هر تن فولاد مذاب است چون مصرف برق و الكترود را كاهش مي‌دهد. علاوه بر اين شارژ گرم DRI بهره‌وري واحد ذوب طراحي شده براي شارژ سود DRI را افزايش مي‌دهد.

در هند تكنولوي شارژ DRI گرم از ابداعات شركت اسار (Essar) است و حدودا 120 كيلووات ساعت در هر تن با مصرف DRI گرم توسط EAF در درجه حرارت 650 سانتيگرادي موجود در آهن از مصرف انرژي مي‌كاهد.

ساير مزيت‌ها

مصرف پايين الكترود

استفاده از DRI در مقايسه با قراضه موجب كاهش مصرف الكترود به‌دلايلي به شرح زير مي‌شود:

ـ سقوط قراضه منجر به افزايش شكستگي مي‌شود كه بسيار كمتر از زماني است ‌كه از شارژ DRI استفاده مي‌شود.

ـ استفاده از DRI بهره‌وري را در كوره بالاتر مي‌برد. به دليل ميزان بالاي كربن منواكسيد (co) در كوره، اكسيداسيون الكترود كاهش مي‌يابد.

مصرف پايين اكسيژن

ـ در زمان كاهش قراضه به اكسيژن زيادي نيازي نيست.

ـ اكسيژن ورودي در DRI مربوط به اكسيدهاي احيا نشده است.

ـ اكسيد آهن احيا نشده در DRI در حد كافي است كه مي‌تواند نيازهاي سرباره به اكسيدهاي آهني را تامين ‌كند.

علاوه بر موارد فوق استفاده از DRI در تركيب شارژ موجب كاهش زمان و مصرف نسوز مي‌شود.

مصرف DRI در روش IF

استفاده از DRI در كوره‌هاي ذوب القايي (Ifs) حدود سال‌هاي 1991ـ1990 آغاز شد. به توليدكنندگان آهن اسفنجي در هند در خصوص استفاده صحيح از DRI در Ifs آموزش لازم داده شد. چندين توليدكننده آهن اسفنجي واحدهاي Ifs را نصب كرده‌اند و از آهن اسفنجي به نسبت بالاي 60 تا 70 درصد در تركيب شارژ استفاده مي‌شود. اين توليدكنندگان از كوره‌هاي القايي بزرگ استفاده مي‌كنند و با كج كردن كوره و بيرون ريختن سرباره آن را دفع مي‌كنند.

شارژ DRI به كوره‌هاي بلند

شركت تاتا استيل در مصرف آهن اسفنجي در كوره بلند پيشرو بوده است. در حال حاضر SAIL نيز مي‌خواهد همين كار را انجام دهد. شارژ اين‌گونه مواد آهن‌دار به كوره بلند داراي دو مزيت عمده است:

ـ كاهش در ميزان مصرف كك

ـ افزايش بهره‌وري چدن مذاب

ـ مصرف يا شارژ آهن اسفنجي در كوره‌هاي بلند از نظر تكنيكي و تكنولوژي بسيار مناسب است.

ـ مي‌توان به بعضي از جنبه‌هاي فني منفي شارژ آهن اسفنجي در كوره بلندها فائق آمد و به همين منظور توليدكنندگان آهن اسفنجي بايد توليدات خود را براي مصرف در كوره بلندها همسو كنند كه از سود بالاتري بهره‌مند خواهند شد.