روش های تولید فولاد در ایران (قسمت اول کوره بلند)

فولاد چیست و چگونه تولید می شود

فولاد یکی از مواد مهم در ایجاد پایه های جامعه صنعتی است. فولاد یک ماده آهنی است که از مقادیر کمی کربن و عناصر آلیاژی تشکیل می شود و می تواند به صورت هزاران ترکیب با خواص دقیق جهت برآورد نیازهای مختلف ایجاد شود. ارزش فولاد تولید شده در جهان سالانه بیش از 200 میلیارد دلار است. آهن آلات در مجموعه وسیعی از صنایع مانند تولید وسایل حمل و نقل، ساختمان سازی، آزادسازی انرژی مثل الکتریسیته و گاز طبیعی، تولید غذا به کمک ماشین های کشاورزی، آبرسانی به وسیله پمپ ها و خطوط لوله و توجه به سلامتی با تجهیزات پزشکی کاربرد دارد.

مشاهده نسخه pdf مقاله : روش های تولید فولاد در ایران

فولاد در اکثر کشورهای جهان تولید می شود، بیش از 96 درصد فولاد جهان در 36 کشور تولید می شود. چین بزرگ ترین تولیدکننده فولاد است که مقدار 567 میلیون تن فولاد را تولید کرد. دو کشور دیگر نیز بیش از 100 میلیون تن فولاد را تولید کرده اند، ژاپن با 87 میلیون تن و روسیه با 59 میلیون تن. این سه کشور با هم تقریبا 40 درصد فولاد جهان را تولید می کنند. در مجموع ، 20 کشور اول تولیدکننده فولاد حدود 87 درصد فولاد جهان را در سال 2009 تولید کرده اند.

در حالی که چین بزرگ ترین تولیدکننده فولاد است، در عین حال بزرگ ترین مصرف کننده آن با مصرف 500 میلیون تن در سال نیز می باشد. 20 کشور اول دنیا در مصرف فولاد بیش از 83 درصد فولاد جهان را مصرف می کنند. شکل زیر ارزش فولاد و دیگر مواد مورد استفاده عمومی نشان داده می شود. اگرچه ارزش دقیق مواد تولید شده با زمان تولید و تورم قیمت ها تغییر می کند، بزرگی نسبی ارزش این محصول در جهان نسبت به دیگر مواد آشکار است.

مقادیر تخمینی برخی مواد

بزرگ ترین بازارها برای تولید فولاد شامل مراکز تعمیرگاهی ، ساختمان سازی؛ صنایع خودروسازی و صنایع حمل و نقل می شود. بیشترین درصد یعنی 26 درصد فولاد تولیدی را مراکز کارگاهی تعمیرگاهی مصرف می کنند.

معرفی روش های تولید فولاد

با توجه به تنوع موارد استفاده فولاد در دنیا و گسترده شدن دایره مصرف فولاد، تولید فولاد همگام با پیشرفت تکنولوژی تغییرات بسیاری داشته است که در پی این تغییرات تولیدکنندگان سعی در بالا بردن بهره وری و استفاده از انرژی و سوخت های ارزان تر با توجه به محیط جغرافیایی خود کرده اند.

امروزه فناوری های مورد استفاده در تولید محصولات فولادی در مراحل بعد از به دست آوردن فولاد مذاب یعنی ریخته گری و نورد، کم و بیش یکسان است اما برای به دست آوردن فولاد مذاب یا خام، از فناوری های مختلفی می توان استفاده کرد.

به طور کلی فولاد خام در ایران از دو روش زیر تولید می گردد

1 – تهیه آهن خام یا چدن مذاب در کوره بلند و تولید فولاد در کنورتورهای اکسیژنی که این روش در ذوب آهن اصفهان انجام می شود.

2 – احیای مستقیم سنگ آهن و ذوب آهن اسفنجی و قراضه در کوره های الکتریکی از قبیل قوس الکتریکی نظیر کوره های قوس الکتریکی فولاد خوزستان یا کوره های القایی مجتمع فولاد جنوب

لازم به ذکر است که تولید فولاد از روش های دیگری نظیر روش کوره باز نیز انجام می گیرد که با توجه به حجم تولید بسیار محدود آن در جهان ، که طبق آمار جامعه جهانی فولاد حدود 2.5 درصد از کل تولید فولاد جهان در سال 2007 بوده است و همچنین کاهش پیوسته تولید از این روش ، در اینجا مورد بررسی قرار نمی گیرد.

در روش اول، که شیوه سنتی تولید است از احیای غیر مستقیم آهن استفاده گردیده، سنگ آهن پس از فرآوری به همراه آهک و کک وارد کوره بلند شده، آهن خام یا چدن مذاب به دست می آید. در مرحله بعد آهن خام در یک مبدل به فولاد مذاب تبدیل گردیده، کربن و ناخالصی های دیگر آن به کمک اکسیژن خارج و فولاد خام تولید می گردد. روش دوم تولید فولاد، استفاده از کوره های الکتریکی و ذوب مجدد قراضه آهن و فولاد می باشد. به دلیل کمبود منابع قراضه در جهان و نیز رشد فزاینده قیمت آن در طول سال های گذشته، در این روش می توان به همراه قراضه از آهن اسفنجی نیز برای ذوب در کوره استفاده نمود.

در کشور هند حدود 70 درصد تولید آهن اسفنجی با استفاده از زغال سنگ (حرارتی یا کک نشو) و حدود 30 درصد با استفاده از گاز ( در 7 کارخانه) تولید می گردد. روش های استفاده از ذغال سنگ در فرآیند احیای مستقیم در هند متنوع بوده و تعدادی از آن ها عبارتند از

روش SL/RN

روش JINDAL

روش DRC

روش CODIR

طرز کار کوره بلند

• هدف

مهمترین فرآیندی که در کوره بلند انجام می شود احیای اکسیدهای آهن و ذوب آهن خام و تفکیک آن از ناخالصی ها است. کوره بلند تاسیسات عظیمی است. سنگ آهن، ذغال سنگ و سنگ آهک از بالا وارد شده، و هوای پیش گرم از کف دمیده می شود. مواد خام6 تا 8 ساعت نیاز دارند تا به کف کوره برسند، و محصولات نهایی یعنی چدن مذاب و سرباره در آن جا تشکیل می شوند. این محصولات مایع طی فاصله های معین از کوره بیرون کشیده می شوند. هوای داغی که به کف کوره دمیده می شود به بالای کوره در 6 تا 8 ثانیه بعد از واکنش های شیمیایی زیاد صعود می کند. از زمانی که کوره بلند شروع به کار می کند، کار آن به مدت 4 تا 10 سال با توقف های کوچک جهت انجام عملیات نگهداری ادامه می یابد.

• فرآیند

اکسیدهای آهن در قالب سنگ معدن خام، قرص یا زینترن (کلوخه) وارد کوره بلند می شوند. سنگ خام از زمین خارج شده و به تکه های 1.25 تا 3.75 سانتی متر قالب زده می شود. این سنگ یا هماتیت است یا مگنتیت و به میزان 50 تا 70 درصد محتوی آهن است. این آهن به دست آمده از کانی می تواند مستقیما به داخل کوره بلند بدون هیچ عملیات اضافی تخلیه شود. سنگ آهن که محتوی مقدار کمی آهن است باید برای ذوب شدن آماده شود.

قرص ها از سنگ دارای آهن کمتر تولید می شوند. این کانی در یک نوع پودر له و خرد شده و سپس ماده زائد که ناخالصی نامیده می شود می تواند جدا گردد. پودر مملو از آهن باقی مانده به صورت توپ هایی غلتانده شده و در یک کوره برای تولید قرص های قوی، به اندازه تیله سوزانده می شوند که این قرص ها حاوی 60 تا 65 درصد آهن هستند. زینترن از سنگ خام رقیق شده، زغال کوچک، سنگ آهن به اندازه شن و تعداد کثیری مواد زائد فولادی که حاوی مقداری آهن هستند تولید می شود. این مواد رقیق شده برای به دست آوردن محصول مورد نظر تناسب بندی شده و سپس با هم مخلوط می گردند.

این مخلوط ماده خام روی رشته زینترن قرار داده می شود و با گاز قابل اشتعال کوره آتش می گیرد و با حرارت ناشی از زغال رقیق ذوب شده به تکه های بزرگ تر 1.25 تا 5 سانتی متر تبدیل می شود. سنگ آهن، قرص ها و زینترن ها بدون هیچ ناخالصی، تبدیل به آهن مذاب تولید شده در کوره بلند می شوند.

زغال از ترکیب چند زغال کک تولید می شود. زغال در درون یک پودر قرار گرفته و سپس درون یک اجاق تخلیه می گردد. سپس پخته می شود و بخش زیادی از ماده سبک آن از جمله روغن و تفاله خارج می گردد. زغال پخته شده که زغال کک نام دارد، بعد از 18 تا 24 ساعت از زمان واکنش از اجاق خارج می شود. زغال کک سرد شده و به تکه های 2.5 تا 10 سانتی متر تقسیم می شود. کک محتوی 90 تا 93 درصد کربن، مقداری سرباره و سولفور است. اما در مقایسه با کک خام بسیار قوی است. تکه های قوی کک با ارزش انرژی بالا، حرارت و گازهایی را تولید می کنند که مورد نیاز فرآیند کاهش و ذوب سنگ آهن، قرص ها و زینترن هستند.

ماده خام نهایی در تولید سنگ آهن در سنگ آهک پرورش داده می شود. سنگ آهک به وسیله انفجار توسط ماده قابل انفجار از زمین خارج می شود. این ماده سپس به تکه های 1.25 تا 3.75 سانتی متری تقسیم می شود تا به گدازه کوره بلند تبدیل گردد. این گدازه می تواند به سنگ آهک با کلسیم بالا، سنگ آهک که حاوی منیزیم یا مخلوطی از دو نوع سنگ آهک است خالص سازی شود. از زمانی که سنگ آهک ذوب می شود تا سرباره جهت خارج کردن سولفور و دیگر ناخالصی ها تشکیل گردد، اپراتور کوره بلند می تواند انواع مختلف سنگ را مخلوط کرده تا سرباره شیمیایی مورد نظر را تولید کند.

محصول دیگر فرآیند ساخت آهن، علاوه بر آهن مذاب و سرباره، گازهای داغ است. این گازها از بالای کوره خارج می شوند و از میان وسایل تمیزکننده گاز عبور می کنند. در این وسایل مواد ریز از گاز جدا شده و گاز خنک می شود. این گاز مقدار قابل توجهی انرژی دارد بنابراین به عنوان سوخت در اجاق های کوره که به عنوان پیش گرم کن هوای ورودی کوره بلند استفاده می شود به کار می رود. هر گازی که در اجاق ها نسوخته باشد به محل دیگ فرستاده می شود تا برای تولید بخاری که یک دمنده توربینی را می چرخاند تا هوای فشرده به عنوان هوای سرد وارد اجاق ها شود استفاده گردد.

کوره بلند یک واحد با جریان مشخص است که در آن مواد جامد پایین می آیند و گازها بالا می روند. در این راکتور فرآیندهای زیاد شیمیایی و فیزیکی وجود دارند که محصول نهایی مطلوب که چدن است را تولید می کنند. یک نمونه چدن از لحاظ شیمیایی به صورت زیر است.

ترکیب نمونه چدن حاصل از کوره بلند

لزوم وجود کوره بلند

کوره بلند اولین گام در تولید فولاد از اکسید آهن به حساب می آید. اولین کوره های بلند در قرن چهاردهم ظهور کردند و روزانه یک تن فولاد تولید می کردند. تجهیزات کوره بلند دمشی پیوسته در حال تکامل هستند و کوره های مدرن و عظیم روزانه 13000 تن فولاد تولید می کنند. اگرچه تجهیزات پیشرفت می کند و نرخ های تولید بالاتری به دست می آید، عملیات داخل کوره بلند یکسان باقی می ماند. کوره های بلند تا هزاره بعدی باقی خواهند ماند زیرا کوره های با کیفیت و بزرگ می توانند چدنی تولید کنند که از نظر قیمت قابل رقابت با دیگر فنون تولید آهن باشد.

هندسه کوره بلند

ارتفاع موثر کوره بلند

عبارت از فاصله محور مجرای آهن و سطح بار در دهانه آن است. از آنجا که سطح بار همواره متغیر است، لبه پایینی زنگ بزرگ را در حالتی که پایین باشد سطح بار در نظر می گیرند. ارتفاع موثر کوره بلند به استحکام قطعات سوخت جامد بستگی دارد. اگر کوره خیلی بلند باشد، قطعات سوخت خرد شده و قطعات پر حاصله کار آن را مختل می کند. از طرف دیگر اگر کوره بلند خیلی کوتاه باشد بار به مقدار لازم گرم و آماده نمی شود.

ارتفاع کامل کوره بلند

عبارت از فاصله بین محور مجرای آهن و لبه بالایی مخروط بزرگ است. ارتفاع کلی کوره بلند به اندازه ارتفاع مخروط، زنگ بزرگ و فاصله ای که زنگ بزرگ پایین می رود و بیشتر از ارتفاع موثر است. قطر بوته به مقدار سوخت مصرفی در واحد زمان بستگی دارد. تجربه ثابت کرده که هر قدر قطر بوته بیشتر باشد مناسب تر است اما باید نسبت معینی بین قطر بوته و دیگر ابعاد برقرار باشد.

ارتفاع بوته

عبارت از فاصله بین محور مجرای آهن و سطح پایین تر بستر کک است. اگر قطر کوره معلوم باشد ارتفاع آن به مقدار مذاب بستگی پیدا می کند. قطر شکم در توزیع جریان گاز در تمام سطوح مقاطع کوره بلند موثر است. نسبت قطر شکم به قطر بوته باستی 1.11-1.14 باشد.

ارتفاع شکم

چنانچه قطر شکم و دهانه کوره بلند معلوم باشد اندازه و شیب دیواره های بدنه به ارتفاع شکم بستگی پیدا می کند. شیب دیواره های بدنه روی توزیع جریان گاز در تمامی مقاطع کوره بلند و فروکش کردن ستون مواد خام اثر می گذارد.

قطر دهانه

در توزیع مواد در قسمت فوقانی کوره بلند موثر است. نسبت بین قطر دهانه به قطر شکم بایستی در حدود 0.75-0.67 باشد. ارتفاع دهانه به طور قابل ملاحظه ای روی توزیع مواد تاثیر می گذارد.

ارتفاع بستر کک

روی شیب دیواره های بین بوته و شکم موثر است. تنگ شدن از ارتفاعی شروع می شود که حجم مواد در اثر ذوب شروع به کم شدن می کند. اگر ارتفاع بستر کک زیاد باشد تنگ شدن از ارتفاعی شروع می شود که مواد هنوز در حالت جامد می باشند. بنابراین به طور طبیعی فروریزی یکنواخت بار را مختل خواهد کرد. اگر بستر کک خیلی کوتاه باشد شیب دیواره های آن خیلی بزرگ بوده و فروریزی یکنواخت را مختل خواهد کرد.

ارتفاع بدنه

اگر اقطار شکم و دهانه معلوم باشند، شیب دیواره های بدنه به ارتفاع آن بستگی پیدا می کند.

کوره بلند ذوب آهن اصفهان

هدف اصلی بخش کوره بلند تولید چدن مذاب جهت استفاده در بخش فولادسازی است. این بخش شامل:

کارگاه اصلی کوره بلند

کارگاه چدن ریزی

کارگاه دانه بندی سرباره

کارگاه تعمیر پاتیل و تاسیسات بونکرها

کارگاه اصلی کوره بلند

تولید چدن در کارخانه توسط کوره های بلند شماره 1 و 2 و 3 صورت می پذیرد. کوره بلند شماره 1 دارای حجم 1033 متر مکعب با ظرفیت سالیانه 760 هزار تن می باشد. کوره بلند شماره 2 دارای حجم 2000 متر مکعب با ظرفیت سالیانه 1.4 میلیون تن می باشد. کوره بلند شماره 3 دارای حجم 2000 متر مکعب با ظرفیت سالیانه 1.4 میلیون تن می باشد. در فرآیند تولید چدن در کوره بلند مواد اولیه از دهانه کوره وارد و هوای غنی شده با اکسیژن به همراه دیگر کمک سوخت ها از بالای بوته به کوره دمیده می شود.

هوای دمیده شده منجر به سوختن کک و ایجاد حرارت کافی و گاز احیایی جهت احیای ذوب سنگ آهن و آگلومره می شود. مواد مذاب در بوته کوره جمع و به تناوب تخلیه می گردد. مذاب تخلیه شده پس از جداسازی چدن و سرباره، توسط جوی مخصوصی که با نسوز مناسب آماده شده است به طور جداگانه در پاتیل های حمل چدن و سرباره تخلیه می شود. سپس پاتیل های سرباره توسط لوکوموتیو به کارگاه دانه بندی سرباره ارسال و پاتیل های چدن به فولادسازی حمل می شود.

کارگاه چدن ریزی

وظیفه این کارگاه تولید شمش چدن است. این کارگاه دارای دو دستگاه ماشین چدن ریزی هرکدام به ظرفیت 162 تن در ساعت می باشد. چدن تولید شده در این کارگاه قابل فروش به صنایع مختلف بوده و در صورت نیاز از آن به عنوان شارژ سرد در کنورتورها استفاده می گردد.

کارگاه سرباره

سرباره مذاب ارسالی به این کارگاه پس از عملیات خنک شدن، دانه بندی شده و به عنوان ماده اولیه در کارخانجات سیمان مورد استفاده قرار می گیرد.

کارگاه آماده سازی پاتیل

وظیفه این کارگاه نسوز چینی و آماده ساختن پاتیل های حمل چدن می باشد.

تاسیسات بونکرها و ذخیره سازی مواد

تهیه و ذخیره سازی مواد اولیه مورد نیاز کوره بلند وظیفه این کارگاه است. ظرفیت بونکرهای کوره های بلند شماره 1 و 2 به ترتیب 2150 و 6194 متر مکعب می باشد.