آهن اسفنجی DRI و روش های تولید آن

آهن اسفنجي (DRI) به عنوان یک محصول میانی به طور عمده در توليد فولاد استفاده می شود. آهن اسفنجی در واقع یکی از حلقه های مهم زنجیره تولید فولاد از معدن تا تولید محصولات نهایی فولادی به شمار می رود. دلیل اصلی تولید این محصول ایجاد یک ماده اولیه مناسب شارژ در کوره های قوس الکتریکی برای تصفیه و تولید فولاد می باشد. تقریبا تمام آهن اسفنجی تولید شده در دنیا جهت مصرف در کوره-های قوس الکتریکی تولید فولاد مورد استفاده قرار میگیرد. امروزه تولید آهن اسفنجی در ایران به ویژه به دلیل وجود ذخایر عظیم گاز طبیعی در کشور مورد توجه بیشتری قرار گرفته است. این مسئله باعث شده است تا استفاده از این ماده به عنوان ماده اولیه جهت تولید فولاد در کارخانه های کشور از اهمیت بالایی برخوردار گردد. در روش های متداول احیا آهن در کشور (روش میدرکس) ماده اولیه، گندله آهن با عیار حداقل ۶۷% است.

در اين مقاله، به معرفي روشهای مهم توليد اين محصول در دنيا بعنوان شارژ فلزي کارخانجات فولادسازي و توليد فولاد خام با ظرفيت­ هاي نسبتاً پايين پرداخته شده است. روش های مورد مطالعه عبارتند از :

  1. روش ميدرکس (MIDREX)
  2. روش اچ واي ال (HYL-ZR)
  3. روش احياء مستقيم کوره دوار افقي با استفاده از ذغال­ سنگ حرارتي (SL/RN)
  4. روش پِرِد (Pered)
  5. روش کوره تونل (tunnel kiln)

فرآيند توليد آهن اسفنجي در واقع گزينه اي براي جايگزيني روش توليد سنتي کوره بلند است که در سطح جهان رشد داشته است. توليد آهن اسفنجي بر دو پايه احياء مستقيم گازي(Gas Base)  و احياء مستقيم ذغالي (Coal Base) میباشد. فرآيند احياء مستقيم گازي در کشورهاي اروپايي و امريکايي در نهايت بدليل کمبود منابع گاز طبيعي با استقبال روبرو نشده است و در نتيجه در اين کشورها علاقه ­اي به توليد آهن اسفنجي وجود ندارد. توليد آهن اسفنجي بر پايه گاز طبيعي در کشورهايي که خود دارنده گاز طبيعي هستند و يا کشورهايي که تامين گاز طبيعي برايشان آسان است بازار رو به رونقي دارد

عمده رشد توليد آهن اسفنجی مربوط به کشورهاي در حال توسعه و مناطقي مانند آمريکاي لاتين و خاورميانه مي­ باشد. توليد جهاني آهن اسفنجي در سال ۲۰۰۸ به بيش از ۶۸/۵ ميليون تن در سال رسيده است. رشد فزاينده توليد آهن اسفنجي در ۲۰ سال اخير حاکي از تثبيت اين روش ­ها به عنوان يک گزينه مناسب براي توليد فولاد خام در برابر روش سنتي کوره بلند مي­ باشد. همچنين اين رشد نشان­ دهنده سرمايه ­گذاري مناسب براي بهبود تکنولوژي و توجه به سودآوري بيشتر اين روش­ هاي احياء مستقيم مي­ باشد. تحولات تکنولوژيک در روش­ هاي احياء مستقيم و بخصوص روش­ هاي مبتني بر گاز طبيعي در سال­ هاي اخير چشم­گير بوده است و اين امر نشان­ دهنده علاقه توليدکنندگان فولاد به استفاده از روش احياء مستقيم مي ­باشد.

براساس آمار از مجموع ۶۸/۵ ميليون تن آهن اسفنجي در سال ۲۰۰۸ نزديک به ۶۰ % آن با استفاده از فرآيند ميدرکس توليد شده است، سهم فرآيندهاي اچ واي ال کمتر از ۱۵% و سهم فرآيندهاي برپايه ذغال سنگ بيش از ۲۵% بوده. البته لازم به ذکر است در ۱۰ سال پيش سهم فرآيندهاي بر پايه ذغال­ سنگ حدود ۸% بوده است و هم اکنون اين رقم به حدود ۲۵% افزايش پيدا کرده است.

توجه به روش­ هاي توليد مبتني بر ذغال­ سنگ حرارتي به دليل در دسترس بودن نسبي اين نوع ذغال سنگ در کشورهاي آمريکا و اروپا مي­ باشد. فرآيند کوره بلند که هم­ اکنون بيشترين سهم را در توليد فولاد دارد به مرور زمان با مشکل تامين کک متالورژي روبرو شده است و اين کمبود در آينده نيز بهبود نيافته و برعکس وضعيت حادتري پيدا مي­ کند. با توجه به مصرف شدن اين نوع ذغال سنگ و کاهش شديد ذخيره اين نوع ذغال ­سنگ تلاش براي يافتن يک جايگزين با استفاده از ذغال سنگ حرارتي امري ضروري مي­ باشد.

۱- فرآيند ميدرکس

درگير شدن شركت ميدركس در احياء مستقيم را مي­توان در كارهاي انجام شده توسط شركت Surface Combustion در دهه ۳۰ ميلادي رديابي نمود. در سال ۵۹ ميلادي اين شركت به شركت Midland Ross ملحق گرديد، كه در آن شركت فرآيند Heatfast به عنوان طلايه ­دار فرآيند Fastmet در دست بررسي و توسعه قرار داشت. شركت Surface Combustion بعد­ها به شركت ميدركس (Midrex) تغيير نام يافت.

اولين واحد احياء مستقيم ميدرکس که در سال ۱۹۶۹ ميلادي در شهر پرتلند ايالت ارگون آمريکا نصب گرديد، داراي دو کوره عمودي با قطر داخلي ۷/۳ متر بوده و هر يک از کوره ­ها براي توليد ۱۵۰ هزار تن آهن اسفنجي در سال طراحي شده بودند. به مرور زمان و با توجه به نياز فولادسازي­ ها به بار فلزي با کيفيت بالا و قيمت مناسب، شرکت ميدرکس در طول چهل سال گذشته طراحي و احداث واحدهاي بزرگتر را در دستور کار خود داشته و به تدريج کوره­ هاي عمودي ميدرکس را از قطر داخلي۷/۳ متر به ۲۵/۴ و نهايتا ً به ۵/۷ متر توسعه داده و به صنعت فولاد معرفي نموده است.

فرآيند اچ واي ال- نسل چهارمHYL-ZR) )

فرآيند اچ واي ال در طول ساليان گذشته از نظر طراحي پايه فرآيند آن دچار تغييرات نسبتا زياد شده است، نسل اول و دوم اين فرآيند بر اساس احياء مستقيم مرحله اي و با استفاده از کوره در شرايط متفاوت از مرحله ابتدايي احياء تا مرحله نهايي و تخليه طراحي شده بود. در سال هاي اخير نسل چهارم کوره­ هاي HYL-ZR با هدف حذف باکس ريفرمر وارد بازار شده­ اند. اين گزارش بر مبناي نسل چهارم اين فرآيند تنظيم شده است.

فرآيند Pered

اين فرآيند از جديدترين روش هاي احياء مستقيم محسوب مي ­گردد که به همت متخصصين ايرانی در شرکت MME(1) واقع در دوسلدورف آلمان ابداع و بنام PERED بر گرفته از عنوان PersianReduction ثبت گرديده است. ايده ساختار اين فرآيند نزديک به دو روش ميدرکس و HYL-ZR مي ­باشد.

از جمله تمايزات اين روش مي ­توان به موارد ذيل اشاره نمود:

  • نحوه ورود گندله به کوره (نوع feeder ها) متفاوت مي­ باشد.
  • نحوه تزريق گاز احيايي به کوره در ناحيه Bustle Ring متفاوت مي­ باشد.
  • در اين روش Upper Burden Feeder حذف گرديده است.
  • در اين روش کنترل ميزان آب داخل گاز پروسس از طريق Steam Injection صورت مي ­گيرد.
  • نوع طراحی به گونه­ ای مي ­باشد که ميزان dust ورودی به scrubber کمتر است.

 

روش هاي فرآيند احياء مستقيم زغالی (Coal Base)

روش های متعددی جهت تولید آهن اسفنجی در ظرفیت های کوچک (زیر ۱۵۰ هزار تن در سال) معرفی شده است که عموماً بر اساس احیا مستقیم آهن توسط زغال حرارتی استوار است. مشهورترین این روش ها، روش کوره دوار یا SL/RN است. روش مشهور دیگر روش کوره تونلی میباشد.

فرآيند SL/RN و مشابه

اين فرآيند از قديمي ترين روش ­هاي احياء مستقيم محسوب مي­ گردد و ايده ساختار آن بر اساس کوره افقي پخت سيمان طراحي شده است. در اين روش ذغال سنگ حرارتي بعنوان ماده احياء کننده با سنگ آهن مخلوط مي­ شود و در يک کوره افقي آهن اسفنجي توليد مي­ گردد.

کوره تونلی

کوره تونلی یک تونل طویل و باریک است که جداره آن از آجرهای نسوز و کف آن ریل گذاری شده است. مواد اولیه بصورت پودر، با عبور از درون کوره در مجاورت زغال حرارتی و در اثر حرارت ناشی از سوخت مخلوط گاز طبیعی با هوا احیا میشود. مواد اولیه برای عبور از کوره تونلی می بایست بر روی واگن های مخصوصی چیده شوند. کوره تونلی شامل سه مرحله پیش گرمایش، احیا و خنک کن می باشد.


مطالب مرتبط:

کوره تونلی تولید آهن اسفنجی (DRI)