تولید آهن اسفنجی در فرایندهای احیای مستقیم آهن – قسمت اول

آهن پر مصرف ترین فلز صنعتی است که البته به صورت یک عنصر خالص استفاده صنعتی چندانی ندارد، بلکه این آلیاژهای آهن هستند که آن را به کاربردترین فلز در زندگی بشر تبدیل کرده اند. مهم ترین عنصر آلیاژی آهن، کربن است که بر اساس مقدار آن در ترکیب آلیاژ آهن-کربن، دو دسته ی بزرگ از آلیاژهای آهنی یعنی فولادها و چدن ها از هم تفکیک می شوند. در یک تعریف عمومی و پذیرفته شده، فولادها را آلیاژهای آهن با مقدار کربن کمتر از ۲ درصد و چدن ها را آلیاژهای آهن با مقدار کربن بیشتر از ۲ درصد (تا حدود ۶ درصد) می نامند.

آهن در طبیعت به ندرت به صورت خالص پیدا می شود و اغلب به صورت اکسید و گاه به صورت کربنات، سیلیکات و سولفید آهن یافت می گردد. مگنتیت (Fe₃O₄) به رنگ سیاه، هماتیت (Fe₂O₃) به رنگ قرمز تا قهوه ای، لیمونیت (۲Fe₂O₃.3H₂O) به رنگ زرد تا قهوه ای، گوتیت (Fe₂O₃.H₂O) به رنگ زرد تا قهوه ای و سیدریت (FeCO₃) به رنگ قهوه ای روشن تا تیره از کانی ها و منابع مهم آهن در طبیعت است.

تولید آهن:

تولید آهن با جداسازی آن از کانی هایش انجام می گیرد. برای این کار، روش های بسیار زیادی (بیش از ۱۰۰ روش) بر اساس پیشرفت علم و تکنولوژی، منابع در دسترس انرژی، نوع سنگ آهن، عامل احیا کننده مصرفی، میزان تولید، امکانات، تجهیزات و سرمایه گذاری های موجود و مواردی از این قبیل ابداع و در سطوح تحقیقاتی و صنعتی مورد استفاده قرار گرفته اند. البته هدف همه این روش ها یکی است و آن احیای سنگ های آهن به منظور جدا کردن اکسیژنِ در ترکیب با آهن به کمک مواد احیا کننده و تفکیک آهن از ناخالصی ها به کمک مواد کمک ذوب یا فلاکس است.

احیای سنگ های آهن و تولید آهن و سپس فولاد به دو روش کلی انجام می گیرد، هر چند که روش های دیگری از جمله فرایندهای احیای ذوبی (Smelting Reduction) نیز وجود دارند:

کوره بلند

در این روش از کوره بلند (BF: Blast Furnace) برای تولید آهن خام استفاده می شود. خروجی کوره بلند، آهن خام مذاب است. آهن خام تولیدی از کوره بلند معمولاً به منظور فولادسازی وارد کنورتورهای اکسیژن (BOF: Basic Oxygen Furnce) می شود. به این روش تولیدی آهن و فولاد، BF-BOF می گویند. اين فرایند مهم ترين شيوه توليد فولاد خام در جهان به شمار مي آيد و حدود ۶۰ درصد فولاد خام دنيا با اين روش توليد مي شود. تولید آهن و فولاد در کارخانه ذوب آهن اصفهان نیز با این فرایند انجام می گیرد.

در کوره بلند سنگ آهن دانه بندی شده به صورت درشت دانه و ریز دانه پس از تبدیل به آگلومره (کلوخه) یا گندله مصرف می شود. از کک هم به عنوان منبع اصلی تامین حرارت و عامل احیا کننده استفاده می شود. کک مصرفی را از زغال سنگ تهیه می کنند.

کوره بلند ذوب آهن اصفهان

احیای مستقیم

در این روش از احیای مستقیم (DR: Direct Reduction) سنگ های آهن به روش های مختلف و در کوره های قرع مانند، کوره های تنوره دار، رآکتورهای با بستر سیال، کوره های گردان و غیره استفاده می شود. محصول تولیدی در روش احیای مستقیم برخلاف کوره بلند، مذاب نیست بلکه به صورت گندله های جامد اولیه ولی با ساختار متخلخل و اسفنجی شکل است که به آن آهن اسفنجی (Sponge Iron) یا آهن احیای مستقیم (DRI: Direct Reduced Iron) می گویند. آهن اسفنجی حاصل از فرایندهای احیای مستقیم به منظور فولادسازی در کوره های الکتریکی (EF: Electric Furnaces) استفاده می شود. به این روش تولیدی آهن و فولاد، DR-EF می گویند. تولید آهن و فولاد در مجتمع های فولاد اهواز و مبارکه اصفهان و مجتمع های تازه ساخت تر فولاد هرمزگان، چادرملو، شادگان، نیریز، بافت و غیره با این فرایند انجام می گیرد.

آهن اسفنجی

احیای سنگ آهن برای تولید آهن اسفنجی، عموماً به دو روش گازی (Gas Based) یا استفاده از زغال‌ سنگ غیر کک شو (Coal Based) انجام می گیرد. در احیای مستقیم بر پایه گاز، گاز طبیعی در رفورمر به گاز احیایی تبدیل می شود. در این فرایند مواد خام از بالای کوره و گاز احیا کننده از میانه کوره وارد می شوند. مواد خام در درون کوره احیا شده و پس از سرد شدن از انتهای کوره خارج می گردند. در احیای مستقیم بر پایه زغال از زغال سنگ هایی استفاده می شود که به علت خصوصیات فیزیکی و شیمیایی، تبدیل آن ها به کک مرغوب برای کوره بلند ممکن نیست. توانایی استفاده از زغال سنگ غیر کک شو، باعث حجم کمتر عملیات، کاهش هزینه های ثابت و هزینه های سرمایه گذاری، آلودگی کمتر محیط زیست و امکان تولید آهن خام در واحدهای کوچک تر نسبت به روش سنتی تولید آهن خام در کوره بلند می شود. این نوع زغال ها در روش های احیای مستقیم به گاز احیا کننده تبدیل می شوند.

معمولاً در کشورهایی که دارای ذخایر گاز طبیعی هستند، از روش گازی استفاده می‌ شود. در ایران نیز به دلیل منابع غنی گازی، مشکلات تامین زغال سنگ مصرفی و مسائل زیست محیطی، بیشتر واحدهای احیای مستقیم مثل فولاد اهواز و فولاد مبارکه بر پایه گاز به عنوان ماده احیا کننده احداث و تجهیز شده اند.

واحدهای احیای مستقیم فولاد مبارکه اصفهان

واحد احیای مستقیم شرکت معدنی و صنعتی چادرملو

در سلسله مطالبی که در وب سایت عصر مواد با موضوع فرایندهای احیای مستقیم و تولید آهن اسفنجی شروع می کنیم، قصد داریم تا مروری بر فرایندهای مهم تولید آهن اسفنجی به خصوص در صنعت کشورمان داشته باشیم. پس همراه ما با این نوشته و قسمت های بعدی آن باشید. در خصوص تولید آهن در کوره بلند نیز نوشته ی زیر در عصر مواد می تواند راهنمای مختصری برای شما باشد.

از سیر تا پیاز چدن ها – قسمت اول

مراحل تولید محصولات فولادی در روش احیای مستقیم/کوره الکتریکی:

برای تولید محصولات فولادی در روش احیای مستقیم/کوره الکتریکی (DR-EF) معمولاً ۵ مرحله زیر انجام می گیرد:

۱- استخراج سنگ آهن و فرآوری آن جهت کاهش ناخالصی های آن از جمله گوگرد، فسفر، سایر مواد غیر آهنی و تولید کنسانتره آهن با عیار بالای ۶۷ درصد

۲- کنسانتره سنگ اهن در فرایند گندله سازی به اکسید آهن با دانه بندی ۹ تا ۱۶ میلی متر تبدیل می شود.

۳- گندله اکسیدی در فرایندهای بعدی احیا شده و به صورت آهن اسفنجی در می آید.

۴- آهن اسفنجی در کوره قوس الکتریکی ذوب شده و پس از اضافه کردن افزودنی هایی مثل فروسیلیس، فرومنگنز و غیره و تنظیم عناصر مختلف آن به واحد ریخته گری مداوم ارسال شده و به صورت شمش (بیلت، اسلب و بلوم) در می آید.

۵- شمش تولیدی در فرایندهای ساخت و تولید دیگر مثل نورد، آهنگری و اکستروژن به صورت انواع محصولات فولادی از جمله ورق، تیرآهن، میلگرد، پروفیل، لوله و غیره در می آید.

از بین مراحل پنج گانه نامبرده، در خصوص استخراج و فرآوری سنگ آهن، فولادسازی در کوره های الکتریکی، ریخته گری مداوم و فرایندهای شکل دادن در نوشته های دیگر مطالبی ارائه شده و یا خواهد شد. هدف از این نوشته، ارائه مطالبی در خصوص گندله سازی و تولید آهن اسفنجی در فرایندهای احیای مستقیم از جمله روش های میدرکس، پرد (Pered)، اچ وای ای (HYL)، اس ال آر ان (SL/RN)، پوروفر و غیره است. برای شروع و در این قسمت، در مورد گندله و گندله سازی مطالبی کاربردی تقدیم علاقمندان و کاربران محترم وب سایت عصر مواد می شود.

گندله سازی:

کنسانتره سنگ آهن محصول کارخانه کانه آرائی و به‌ صورت کانه‌ های آهن نرمه و دانه‌ ریزی است که قابل‌ مصرف در واحدهای احیای مستقیم و کوره بلند نیست زیرا تراوایی گاز را به‌ صورت ناموزون کاهش می‌ دهند و عملکرد واحدهای احیای مستقیم و کوره بلند را مختل می کند، بنابراین کنسانتره آهن را قبل از استفاده، در واحدهای گندله سازی به شکل گلوله های آهنی با هندسه، ابعاد، تخلخل، استحکام و ویژگی های حرارتی یکنواخت به نام گندله یا پلت (Pellet) تبدیل می کنند. از آنجایی که گندله‌ها ماده اولیه به شمار می‌آیند، لذا باید در کوره‌های احیا ویژگی مکانیکی، شیمیایی و حرارتی مطلوبی را داشته باشند.

گندله سازی یکی از مراحل مهم و اصلی تولید آهن است و خود شامل مراحل آماده سازی مواد اولیه، مخلوط کردن مواد اولیه، تولید گندله خام، پخت گندله خام و دانه بندی گندله ها است.

واحد گندله سازی فولاد مبارکه اصفهان

گندله آهن

مواد اولیه گندله سازی:

مواد اولیه گندله سازی معمولاً شامل کنسانتره سنگ آهن، پودر سنگ آهک، پودر بنتونیت، پودر ذغال سنگ، مواد بازیافت شده از ضایعات و آب است. پودر ذغال سنگ یا مواد مشابه، در بعضی از فرایندهای تولید گندله برای افزایش و تنظیم مقدار کربن گندله و همچنین به عنوان ماده تولید انرژی حرارتی مورد استفاده قرار می گیرد. بنتونیت به خاطر ظرفیت جذب سطحی زیاد آب و استحکام لایه ای خشک به عنوان یک چسب موثر مصرف می شود. لازم به توضیح است که در واحدهای مختلف گندله سازی ممکن است برخی از این مواد افزودنی مورد استفاده قرار نگیرد.

مراحل گندله سازی:

۱- مخلوط کردن مواد اولیه:

پس از آماده سازی مواد اولیه گندله سازی، آن ها را به بخش مخلوط سازی و رطوبت دهی منتقل می کنند. در این بخش مخلوطی همگن تهیه می شود، به گونه ای که مخلوط بتواند در بخش تولید گندله خام به گندله هایی با ابعاد و ترکیب شیمیایی مناسب برای احياء تبدیل گردد. میزان هریک از افزودنی ها با توجه به ترکیب شیمیایی کنسانتره و کیفیت گندله بر اساس مورد مصرف خصوصاً از نظر قلیائیت و استحکام گندله قبلاً تعیین و تنظیم می گردد. رطوبت مخلوط در این مرحله در حدود ۸٫۵ درصد است که با رطوبت دهی در روی دیسک ها میزان رطوبت گندله خام به حداکثر ۹ درصد می رسد.

۲- تولید گندله خام:

مخلوط حاصله در سیلوهایی که هر کدام یک دیسک یا درام گندله ساز را تغذیه می کنند ذخیره می شود. هر دیسک به وسیله یک نوار نقاله مجهز به توزین نواری تغذیه می گردد. گندله های تولید شده پس از خروج از هر دیسک یا درام به وسیله کلاسیفایر غلطکی که زیر همان دیسک قرار دارد دانه بندی شده و گندله های اندازه ۱۶- ۹ میلیمتر آن به وسیله نوارهای نقاله مربوطه به بخش پخت و گندله های ریز دانه و درشت دانه نیز به سیلوها باز می گردد.

تولید گندله در دیسک دوار (Balling Disc) از سال ۱۹۵۰ و توسط شرکت لورگی به صنعت معرفی شد. در حال حاضر در اکثر واحدهای گندله سازی از این دیسک ها استفاده می شود. دیسک دوار گندله ساز یک صفحه دایره ای شکل است که تیغه هایی به منظور تنظیم جریان بار و جلوگیری از چرخش بار در سطح آن نصب شده است. این صفحه دارای لبه ای است که ارتفاع آن به نوع مواد اولیه و مشخصات آن و هم چنین قطر گندله بستگی دارد. قطر دیسک ۶ تا ۱۰ متر بوده و صفحه آن با افق زاویه ۴۰ تا ۵۰ درجه می سازد. شیب دیسک دستگاه تابعی از ابعاد ذرات و ضریب اصطکاک سنگ معدن است. هر قدر ضریب اصطکاک بزرگتر باشد شیب دیسک باید بیشتر باشد. ریز بودن ذرات نیز اثر مشابه با اثر اصطکاک دارد، برای ذرات ریزتر شیب دستگاه باید بیشتر باشد. سرعت دوران دیسک حدود ۳۰۰ تا ۱۵۰۰ دور در ساعت (معادل ۵ تا ۲۵ دور در دقیقه) است. دوران دیسک باعث می شود که ذرات روی صفحه از بالا به پایین غلتیده و در اثر تماس با ذرات دیگر، بر قطر آن ها افزوده شود و دو مرتبه با دوران دیسک، به قسمت بالای دیسک منتقل شده و عمل غلتیدن تکرار می شود.

دیسک گندله ساز – فولاد مبارکه اصفهان

دیسک گندله ساز

عوامل موثر در تولید گندله در دیسک های دوار گندله سازی عبارتند از: قطر دیسک، زاویه دیسک با افق، سرعت چرخش دیسک و ارتفاع دیواره دیسک. قطر دیسک در استحکام گندله موثر است. هر چه قطر دیسک بزرگ‌ تر باشد استحکام گندله بیشتر شده و گندله تراکم بیشتری خواهد یافت. با کاهش زاویه دیسک نسبت به افق کوچک‌، زمان غلتیدن ذرات از بالا به پایین در روی صفحه دیسک طولانی‌ تر شده و در نتیجه تراکم گندله تراکم بیشتر شده و مقاوم‌ تر می‌ شود، ولی در عین‌ حال ظرفیت کاهش خواهد یافت. مناسب ترین شرایط برای تولید گندله در دیسک حالتی است که ذرات گندله نشده پس از رسیدن به بالاترین سطح دیسک به طرف پایین بغلتند. برای هر نوع مواد معدنی سرعت دوران دیسک و زاویه آن باید تنظیم گردد تا حداکثر سطح دیسک مورد استفاده قرار گیرد و مناسب ترین شرایط گندله شدن به دست آید. هر گاه تحت شیب ثابت قطر دیسک افزایش یابد سرعت غلتیدن گندله ها و در نتیجه تراکم و استحکام آن ها نیز افزایش خواهد یافت، اما اگر سرعت از حدی بیشتر شود بازده دستگاه کاهش می یابد. سرعت گردش دیسک باید طوری تنظیم شود که نیروی گریز از مرکز وارد شده بر ذرات باعث پرتاب آن ها از سطح صفحه دیسک به خارج نگردد.

ویدیویی از نحوه کارکرد دیسک های گندله سازی را می توانید در نوشته زیر از عصر مواد مشاهده بفرمایید:

ویدیویی از نحوه کارکرد دیسک های گندله سازی

۳- پخت گندله خام:

بخش پخت گندله های خام می تواند شامل یکی از اجزای زیر باشد:

کوره عمودی (Shaft Furnace)

کوره عمودی شامل یک استوانه عمودی است که گندله خام از بالا وارد آن شده و به صورت ثقلی فرو می آید و در اثر واکنش با هوا و گازهای گرم که بر خلاف جهت آن حرکت می کند مراحل خشک شدن، پیش گرم شدن، پخت و سرد شدن را طی می کند.

شبکه متحرک (Traveling Grate)

شبکه متحرک زنجیری است به صورت مشبک که ضمن جلوگیری از ریزش گندله ها اجازه می دهد هوای داغ از درون گندله های خام که در روی شبکه قرار دارند عبور نموده و پس از خشک کردن و پیش گرم کردن گندله ها از شبکه خارج و به مسیرهای مربوطه هدایت شود. در بعضی روش ها، علاوه بر خشک سازی، پیش گرم کردن، مرحله پخت و سرد سازی نیز در شبکه متحرک انجام می گیرد.

شبکه متحرک، کوره دوار (Rotary Kiln) و خنک کن (Annular Cooler)

کوره دوار استوانه ای افقی است که داخل آن با آجر نسوز پوشیده شده است. گندله های خام که در روی شبکه متحرک ابتدا خشک و سپس به تدریج تا حدود ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد پیش گرم شده اند وارد کوره دوار شده و با افزایش درجه حرارت تا بیش از ۱۲۵۰ درجه و حرکت چرخشی در کوره و قرار گرفتن در معرض حرارت مشعل و با به دست آوردن استحکام کافی از کوره خارج می شوند. مرحله اصلی پخت گندله در کوره دوار انجام می شود. کوره دوار مجهز به یک مشعل و هواکش هایی برای خنک کردن قسمت های ورودی و خروجی کوره و تامین هوای مشعل می باشد.

کوره دوار – کارخانه گندله سازی اردکان

گندله های گداخته پس از خروج از کوره دوار وارد یک خنک کننده دوار می گردند، با دمیدن هوای محیط آزاد به وسیله هواکش های مختلف گندله ها تا کمتر از ۱۵۰ درجه سانتیگراد سرد شده و به بخش دانه بندی محصول ارسال می گردند.

گندله خروجی از واحد سردکننده به سرند دانه بندی تغذیه می گردد. گندله های تولیدی به وسیله سرند مزبور به دو فراکسیون تقسیم می گردند. یک فراکسیون گندله استاندارد با دانه بندی ۱۶-۶٫۳ میلیمتر و یک فراکسیون گندله ضایعاتی است که دانه بندی آن کوچکتر از ۶٫۳ میلیمتر بوده و برای بازیافت به بخش مربوطه ارسال می گردد.

ویدیویی از کوره دوار پخت گندله را می توانید در نوشته زیر از عصر مواد مشاهده بفرمایید:

کوره دوار پخت گندله – ویدیو

روش های گندله سازی:

در قسمت بعدی این نوشته، توضیحاتی در خصوص چند روش مهم گندله سازی ارائه می شود. همچنین در مورد آهن اسفنجی نیز توضیحات بیشتری ارائه خواهد شد. پس با قسمت دوم و سایر قسمت های این نوشته در عصر مواد همراه باشید.

تولید آهن اسفنجی در فرایندهای احیای مستقیم آهن – قسمت دوم