مقدمه

تهيه مواد اوليه فولادسازي از سه منبع انجام مي‌شود:

آهن خام حاصل از کوره بلند

آهن اسفنجي (Sponge Iron)  حاصل از کوره احياء

قراضه‌هاي آهني

محصول کوره بلند يعني آهن خام به طور عمده در کارخانجات فولادسازي از طريق دمش اکسيژن
(Basic Oxygen Furnace: BOF)  و در مبدل‌هاي LD  مورد استفاده قرار مي‌گيرد. محصول کوره احيا يعني آهن اسفنجي عمدتا از طريق کوره‌هاي قوس الکتريکي(EAF) به فولاد تبديل مي‌شود. قراضه‌هاي آهني نيز گرچه مستقلا  خود يک مبنع توليد فولاد از طريق کوره‌هاس قوس محسوب مي‌شوند اما عمدتا در کنار آهن اسفنجي و به همراه آن مصرف مي‌شود. بنابراين براي توليد فولاد، دو روش عمده به کار گرفته مي‌شود:

کوره بلند + کوره‌هاي دمش اکسيژن (BF + BOF)

كوره احياء و قراضه + کوره‌هاي قوس الکتريکي (DR + EAF)

روش اول در دهه‌هاي گذشته بيش از ۶۰ درصد و در سال‌هاي اخير کمتر از ۶۰ درصد توليد فولاد دنيا را به خود اختصاص داده است. حدود ۴۰ درصد بقيه متعلق به کوره‌هاي قوس الکتريکي است. انتخاب هر يک از اين دو روش، چه براي مرحله اول يعني آهن‌سازي (Iron making)  که به توليد آهن اسفنجي جامد يا آهن خام مذاب مي‌انجامد و چه براي مرحله دوم يعني فولادسازي که با دم اکسژن يا انرژي قوس الکتريکي همراه است به عوامل بسياري از جمله دسترسي و وفور منابع انرژي نظير گاز طبيعي، زغال سنگ‌هاي کک‌شو و انرژي الکتريسته، ميزان تناژ کارخانجات، سطح فناوري و نظاير آن بستگي دارد.

کوره بلند و چشم‌انداز آتي

استفاده از روش کوره بلند در توليد آهن خام در دو دهه اخير به صورت تدريجي رو به نزول بوده و اين مسير همچنان ادامه دارد به گونه‌اي که تعداد اين کوره‌ها در آمريکا از ۳۸ کنوني به ۲۵ در سال 2015 کاهش خواهد يافت.

نکته قابل توجه اين است که در دو دهه آينده، تغييرات بسياري نيز در فناوري و عملکرد اين کوره‌ها پديد خواهد آمد. پيشرفت‌هاي فناوري اين نوع کوره‌ها در آينده عمدتا در موارد زير صورت مي‌گيرد:

تغيير منبع و نرخ مصرف سوخت به گونه‌اي که از مصرف کک متالوژيکي کاسته شده و ميزان مصرف زغال سنگ افزايش خواهد يافت.

افزايش عمر مواد نسوز بکار رفته و بدنه و کف کوره

کاهش هزينه‌هاي توليد

استفاده از کوره‌هاي بلند با حجم و تناژ ظرفيت بيشتر

افزايش بهره‌وري و بازده کوره

ابعاد و اندازه و حجم کوره‌هاي بلند در مقياس‌هاي مختلف بکار گرفته مي‌شود: کوچک، متوسط، بزرگ و بسيار بزرگ. تناژ توليدي در اين حالت از يک تا پنج ميليون تن آهن خام در سال خواهد بود. حجم کوره نيز از حدود ۱۰۰۰ تا ۵۰۰۰ متر مکعب متغيير است (جدول ۱).

 جدول (۱): حجم و تناژ انواع کوره‌هاي بلند معمولي

 ملاک اندازه‌گيري بهره‌وري نيز مقايسه حجم کاري (Working Volume)  کوره است يعني ميزان توليد آهن خام در هر روز به ازاء هر فوت (متر) مکعب حجم کوره. اين ميزان به طور متوسط در دهه گذته 5/6 تن در هر روز در فوت مکعب حجم کوره بوده که در کوره‌هاي مدرن به ۱۲ مي‌رسد. بدين ترتيب ملاحظه مي‌شود که جايگاه کوره‌هاي بلند در آهن‌سازي در محدوده تناژهاي ميليوني است.

لازم به ذکر است که در روش‌هاي توليد آهن اسفنجي از طريق احياء مستقيم نيز که با استفاده از گاز طبيعي صورت مي‌گيرد و رايج‌ترين روش‌هاي احياء محسوب مي‌شود. ميزان تناژ توليدي مدول‌هاي احياء و مجموعه واحدهاي توليد آهني اسفنجي در حد ميليون تن در سال است. امروزه براي توليد آ‍ن اسفنجي به روش احياء مستقيم در تناژهاي کمتر و براي جايگزيني منبع سوخت اين روش‌ها يعني گاز طبيعي به استفاده از زغال سنگ‌هاي حرارتي و توليد آهن اسفنجي از طريق روش‌هاي نظير SL/RN  ، Osil ، Jindal ، Fiumet ، Fastmet  روي آورده‌اند.

کوره‌هاي بلند کوچک

مشابه اتفاقي که در مورد روش‌هاي احياء مستقيم روي داده يعني تاسيس واحدهاي با ظرفيت کمتر از ميليون تن درسال در حد 40-30  هزار تن در سال (کارخانجات آهن اسفنجي کوچک(Mini sponge Iron plant)  و عمدتا 500-200 هزار تن در سال، و استفاده از منبع زغال سنگ حرارتي بجاي گاز طبيعي بدليل گراني و محدوديت تامين آن در همه جا، همزمان با روند روآوري و توجه به واحدهاي کوره بلند با تناژ چند ميليوني و استفاده از فناوري‌هاي نوين توليدي که به افزايش بهره‌وري و بازدهي اين کوره‌ها منجر شده است، استفاده از کوره‌هاي بلند کوچک (Mini Blast Furnace: MBF)  و يا کوره‌هاي بلند فشرده
 (Compact Blast Furnace: CBF)  مورد توجه قرار گرفته است.

فناوري‌هاي کوره‌هاي بلند کوچک (MBF) عمدتا در سه کشور برزيل، هند و چين مورد استفاده و توسعه قرار گرفته است. اساس فرآيند در کوره‌هاي بلند کوچک از لحاظ فعل و انفعالات شيميائي و تبديل مواد اوليه به آهن خام تقريبا مانند کوره‌هاي بلند معمولي است، يعني در محفظه کوره واکنش‌هاي اصلي زير رخ مي‌دهد:

3Fe2o3+co=2Fe3o4+co2

Fe3o4+co=3Feo+co2

Feo+co=Fe+co2

Co2+c=2co  واکنش بودوارد

3Fe+c=Fe3c

3Fe+2co=Fe3c+co2

 حجم کوره‌هاي بلند کوچک (MBF)  از حجم کوره‌هاي بلند معمولي کوچک (Small Blast Furnace)  بسيار كمتر است. کوره‌هاي بلند معمولي کوچک که حجم محفظه کوره آنها کوچک است داراي تناژ توليدي   5/1-3/1  ميليون تن در سال و حجم 1700 - 1100 متر مکعب است در حاليکه حجم کوره‌هاي بلند کوچک عمدتا 400ـ100  متر مکعب با محدوده تناژ توليدي 250000ـ70000  تن در سال است. براي توليد هر ۱۰۰ هزار تن آهن خام در اين کوره‌ها حجمي در حد ۱۴ متر مکعب نياز است، به عبارت ديگر هر ۱۰۰ متر مکعب حجم کوره توان توليد حدود 70000  تن آهن خام در سال را دارد. جدول (۲) حجم تناژ برخي کوره‌هاي بلند کوچک در دنيا را ارائه داده است.

 جدول (۳): حجم و تناژ کوره‌هاي بلند کوچک

بايد توجه داشت که آنچه به نام کوره‌هاي بلند فشرده (CBF)  شناخته مي‌شود و فناوري آن توسط شرکت SMS  آلمان ارائه شده است از لحاظ حجم کوره و تناژ توليدي بين  کوره‌هاي بلند معمولي و کوره‌هاي بلند کوچک قرار مي‌گيرد. جدول (۳) عوامل کليدي در اين سه نوع کوره را با يکديگر مقايسه کرده است.

 جدول (۳): مقايسه عوامل کليدي سه نوع کوره بلند

مقايسه شاخص‌ها

همانگونه که اشاره شد اساس کوره‌هاي بلند کوچک مانند کوره‌هاي بلند معمولي است که در آن با  استفاده از حکت گازهاي احياء بدست آمده از عوامل کربن ده در جهت مخالفت حرکت مواد اوليه در محفظه استوانه‌اي کوره، عمل احياء انجام مي‌شود. تفاوت‌هاي اين دو نوع کوره که مزايا و معايبي براي هر يک پديد مي‌آورد به شرح زير است:

1. گرم کردن هواي دمشي

انجام واکنش‌هاي احياء بين گازهاي احياء (Co, H2)  و مواد اوليه (سنگ آهن) مستلزم وجود گرما در محفظه واکنش تا حد مورد نياز است. در کوره‌هاي بلند معمولي گرماي هواي دمش به محفظه از طريق اجاق‌هاي مخصوص صورت مي‌گيرد و دما از محفظه تا ۱۲۶۰ درجه سانتيگراد مي‌رسد. در کوره‌هاي بلند کوچک تامين دماي هواي دمشي توسط مبدل‌هاي حرارتي (heat exchanger)   انجام مي‌شود و دما تا حد ۹۰۰ درجه سانتيگراد تامين مي‌شود. بدين ترتيب طراحي و نوع و تعداد اجاق‌هاي گرمکن هواي دمشي در کوره‌هاي بلند معمولي، فرآيند گرمايش در اين نوع کوره‌ها موثرتر خواهد بود.

2. انعطاف‌پذيري

يکي از خصوصيات بارز و وجه تمايز کوره‌هاي بلند کوچک نسبت به کوره‌هاي بلند معمولي، امکان استفاده از مواد اوليه با کيفيت پايين‌تر است. از لحاظ استفاده از سنگ معدن آهن، در کوره‌هاي بلند کوچک عموما از کلوخه‌هاي سنگ معدن (Lump ore)  استفاده مي‌شود و بنابراين هزينه‌هاي آگلومراسيون و زينتر که در فرآوري مواد اوليه در کوره‌هاي بلند معمولي وجود دارد حذف مي‌گردد. در کوره‌هاي بلند فشرده (CBF)   عموما سنگ آهن و روي به صورت گندله (pellet)  مورد استفاده قرار مي‌گيرد. انعطاف‌پذيري در فرآيند کوره‌هاي بلند کوچک (MBF)   امکان استفاده از سنگ آهن به صورت صد در صد کلوخه، سنگ آهن زينتر شده يا گندله را مي‌دهد.

از لحاظ عامل کربن ده، در کوره‌هاي بلند معمولي کک متالورژيکي استفاده مي‌شود. بکارگيري اين نوع کک مسائل بسيار متعددي به همراه دارد. وجود زغال کک‌شو اوليه است که در تمامي کشورها نيز وجود ندارد. تبديل زغال سنگ کک‌شو به کک متالورژيکي مرغوب در اجاق‌هاي مخصوص کک‌پذيري علاوه بر صرف هزينه زياد، مسائل زيست‌محيطي بسياري را پديد مي‌آورد. از همين روست که روند تکاملي فرآيند کوره‌هاي بلند به سمت استفاده کمتر از کک متالورژيکي آن به پيش مي‌رود. در کوره‌هاي بلند کوچک (MBF)   بجاي كك متالورژيکي مرغوب از کک‌هاي نامرغوب، زغال چوب (Charcoal)  و کک سياه استفاده مي‌شود.

 در حاليکه هزينه‌هاي توليد (غير از سرمايه‌گذاري) در کوره‌هاي بلند فشرده (CBF) حدود 190ـ180 دلار در هر تن فولاد مذاب است و در کوره‌هاي کورکس (Corex)  بيشتر از ۱۴۵ دلار است در کوره‌هاي بلند کوچک (MBF) هزينه‌سازي عمليات کمتر از 100 دلار در هر تن است. ميزان مصرف انرژي در کوره‌هاي بلند معمولي حدود 25 گيگاژول به ازاء توليد هر تن فولاد ريختگي است. اين ميزان کوره‌هاي بلند کوچک و يا فشرده کمي بيشتر و درصد ۲۶ است.

3. نشر گاز

کوره‌هاي بلند همواره يک منبع مصرف‌کننده انرژي و توليدکننده نشر گاز گلخانه‌اي در فرآيند توليد فولاد بوده‌اند. کوره‌هاي بلند کوچک يا فشرده نيز از اين قاعده مستثني نيستند. گاز خروجي کوره بلند کوچک به عنوان يک محصول جنبي مورد نظر است که حدود ۴۰ درصد آن براي عمليات گرمايش هواي دمشي بکار مي‌رود. از 60 درصد بقيه نيز براي توليد برق در نيروگاه استفاده مي‌شود.

ميزان نشر گاز گلخانه‌اي در کوره‌هاي بلند کوچک 3/2 تن گاز co2  در توليد هر تن فولاد است که در حد کوره‌هاي بلند معمولي است.

تولید آهن اسفنجی

نتايج سرعت اكسايش پودر آهن فشرده، پودر اهن فشرده و تف جوشي شده، گندله و خشته آهن اسفنجي نشان ميدهد كه: - وستيت در زير دماي 570 درجه سانتي گراد توليد نمي شود. - مكانيسم كنترل كننده سرعت اكسايش در اوايل دوره و در مراحل اكسايش پيشرفته يكسان نيست. با پيشرفت اكسايش عامل كنترل كننده سرعت در محدوده نسبتا وسيعي از معادله پارابليك تامان تبعيت مي كند. - هرچه درجه فشردگي پودر و نمونه بيشتر باشد، سرعت نفود بيشتر كنترل كننده سرعت شده و سرعت اكسايش با افزايش درجه فشردگي بصورت خطي كاهش مي يابد. - سرعت اكسايش و يا بالا رفتن دما افزايش مي يابد و از قانون آرنيوس تبعيت مي كند. - عامل تعيين كننده سرعت رشد پوسته اكسيد، سرعت نفوذ يون آهن سه ظرفيتي از داخل به خارج و بر عكس نفوذ دفكت الكترونها و جاهاي خالي آن از خارج به داخل نمونه مي باشد. اين امر باعث ايجاد شكاف بين پوسته اكسيد و هسته اهن مي گردد كه نه چسبندگي و نه پيوستگي دارد ونه محافظ مي باشد و در اثر كوچكترين ضربه از سطح نمونه جدا ميگردد. اهن و برخي از فولادها مي توانند در جو محيط اكسيده شوند. شناخت مكانيزم اكساش اهن و فولاد بويژه در دماي بالا از اهميت ويژه اي برخوردار است، زيرا از اين طريق مي توان براي حفاظت مصالح آهني و فولادي از اكسايش و در نتيجه كاهش ضايعات و عواقب نامطلوب آن در موارد زير اقدام كرد: براي كندن اكسايش قطعات فولادي توليد شده به روش متالورژي در روند تف جوشي براي كندن اكسايش مصالح فولادي در روند عمليات حرارتي براي كندن اكسايش شمشالها و تختالها در حين بازپخت و نورد براي كندن اكسايش اگزوز موتورهاي احتراق براي كندن اكسايش لوله هاي نيروگاه ها براي كندن اكسايش گندله و خشته هاي آهن اسفنجي در مدت انبار كردن، حمل و نقل بار كردن در كوره در اين مقاله به عنوان مقال نتايج تحقيقاتي كه براي شناخت مكانيسم اكسايش پودر آهن، پودر آهن فشرده شده و تف جوشي شده، اهن اسفنجي و نيز خشته آهن اسفنجي در هوا انجام گرفته عرضه مي گردد. تاثير عواملي از جمله درجه فشردگي در هوا انجام گرفته عرضه مي گردد. تاثير عواملي از جمله درجه فشردگي پودر اهن و عميات تف جوشي آن در اتمسفر نيتروزن و نيز خشته كردن اهن اسفنجي در سرعت اكسايش نيز مورد ارزيابي قرار گرفته است. بديعي است با ارائه شيوه هاي مناسب در جهت كاهش اكسايش مصالح آهني و فولادي مثلا شمشالها و تختالها هرچند به مقدار ناچيز نه تنها مي توان ضايعات را تا درصد زيادي كاهش داد بكه صرفه جويي در انرزي مصرفي براي عمليات حرارتي شمشالها و تختالها ، كاهش شكست غلطكها در روند تغيير شكل، كاهش آلودگي محيط زيست و استهلاك نسوز كوره ها نيزز از جمله مزاياي آن مي باشد.