مکانیزم‌های تولید فولاد

با توجه به تنوع موارد استفاده فولاد در دنیا و گسترده شدن دایره مصرف فولاد با پیشرفت تکنولوژی، تولید فولاد و نیز همگام با پیشرفت تکنولوژی تغییرات بسیاری داشته‌است، که در پی این تغییرات تولیدکنندگان سعی در بالا بردن بهره‌وری و استفاده از انرژی و سوخت‌های ارزان‌تر با توجه به محیط جغرافیایی خود کرده‌اند.
روش‌های تولید فولاد خام
امروزه فناوری‌های مورد استفاده در تولید محصولات فولادی در مراحل بعد از به دست آوردن فولاد مذاب یعنی ریخته‌گری و نورد، کم و بیش یکسان است. اما برای به دست آوردن فولاد مذاب یا خام، از فناوری‌های مختلفی می‌توان استفاده کرد که به آن‌ها اشاره می‌کنیم.
به‌طور کلی فولاد خام از دو روش زیر تولید می‌گردد:
تهیه آهن خام یا چدن مذاب در کوره بلند (BF) و تولید فولاد در کانورترهای اکسیژنی، نظیر ذوب‌آهن اصفهان.
احیای مستقیم گندله تولید شده از سنگ‌آهن (DR) و ذوب آهن‌اسفنجی (DRI) و قراضه (Scrap) در کوره‌های الکتریکی از قبیل قوس الکتریکی (EAF) نظیر فولاد خوزستان یا القایی (IMF)، نظیر مجتمع فولاد جنوب.
لازم است ذکر شود که تولید فولاد از روش‌های دیگری نظیر روش کوره باز نیز انجام می‌گیرد که استفاده از آن بسیار محدود است.
در روش اول که شیوه سنتی تولید است، از احیای غیرمستقیم آهن استفاده گردیده، سنگ‌آهن دانه درشت و سنگ آهن پس از فرآوری و تبدیل به آگلومره به همراه آهک و کک وارد کوره بلند شده، آهن خام یا چدن مذاب به دست می‌آید. در مرحله بعد آهن خام در یک کانورتر به فولاد مذاب تبدیل گردیده، کربن و ناخالصی‌های دیگر آن به کمک اکسیژن خارج و فولاد خام تولید می‌گردد.
روش دوم تولید فولاد، استفاده از کوره‌های الکتریکی و ذوب مجدد قراضه آهن و فولاد می‌باشد. به دلیل کمبود منابع قراضه در جهان و نیز رشد فزاینده قیمت آن در طول سال‌های گذشته، در این روش می‌توان به همراه قراضه از آهن اسفنجی نیز برای ذوب در کوره استفاده نمود.
تولید آهن به روش احیای مستقیم
آهن اسفنجی محصول عملیات احیای مستقیم سنگ‌آهن است که دارای عیار بالای آهن بوده، جایگزین مناسبی برای قراضه جهت ذوب است. تولید آهن اسفنجی از سنگ‌آهن، عموما به دو روش گازی (Gas Based) یا استفاده از زغال‌سنگ (Coal Based)، برای احیای آهن صورت می‌پذیرد. معمولا در کشورهایی که دارای ذخایر گاز هستند، از روش گازی استفاده می‌گردد. در ایران نیز به‌طور مثال، فولاد خوزستان و فولاد مبارکه از گاز به عنوان ماده احیاکننده استفاده می‌کنند. شناخته‌شده‌ترین روش‌های احیای مستقیم گازی روش‌های میدرکس و HYL هستند. شرکت MMTE ایران و نیز شرکت ایریتک دارای لیسانس ساخت کارخانه‌های احیای مستقیم (از کوبه استیل ژاپن) با تکنولوژی میدرکس هستند (میدرکس تکنولوژی اصالتا آمریکایی می‌باشد).
۶۶.۳ درصد فولاد خام جهان به کمک روش کوره بلند و ۳۱.۲ درصد آن نیز به روش احیای مستقیم و استفاده از کوره‌های الکتریکی تولید می‌گردد. با وجود آنکه بیش‌تر تولید فولاد خام در جهان به وسیله روش کوره بلند تولید می‌شود، اما موارد ذیل استفاده از روش احیای مستقیم و کوره‌های الکتریکی را، مخصوصا در ایران، توجیه‌پذیرتر می‌کنند:
- با توجه به استفاده از قراضه آهن، این روش سریع‌تر است.
-هزینه راه‌اندازی یک واحد کوره بلند نسبت به یک واحد احیای مستقیم و کوره الکتریکی در ظرفیت‌های متناظر، بالاتر است.
- کک متالورژیکی که یکی از مواد اولیه مورد نیاز کوره‌های بلند است، از زغال‌سنگ کک شو به دست می‌آید که منابع آن در ایران محدود است. همچنین این ماده عمدتا وارداتی و گران‌قیمت است. برای تولید هر تن آهن خام به روش کوره بلند، طبق استانداردهای جهانی به حداقل ۵/۱ تن سنگ آهن و ۴۵۰ کیلوگرم کک متالورژیکی نیاز بوده که گاهی این مقدار تا ۳ تن سنگ آهن و ۱۰۰۰ کیلوگرم کک هم افزایش می‌یابد. در نتیجه با توجه به آنکه می‌توان از گاز به عنوان ماده احیاکننده در روش احیای مستقیم استفاده نمود و با وجود منابع عظیم گاز در ایران، عملا روش کوره بلند مزیت خود را از دست می‌دهد.
-روش کوره بلند محدودیت‌های زیست‌محیطی بیشتری نسبت به روش احیای مستقیم دارد.
-آهن اسفنجی عیار بالاتری نسبت به آهن خام دارد.
-کوره بلند در ظرفیت‌های بالا (حداقل یک و نیم میلیون تن در سال) دارای توجیه اقتصادی بیش‌تری است، در حالی‌که از روش احیای مستقیم می‌توان در واحدهای کوچک فولادسازی نیز با توجیه اقتصادی مناسب استفاده کرد.
-آهن‌اسفنجی را می‌توان به صورت آهن گرم کلوخه شده (HBI) درآورده، به سهولت حمل یا ذخیره کرد. در صورتی‌که که حمل آگلومره که خوراک کوره بلند است سخت‌تر می‌باشد.
-در فرایند احیای مستقیم می‌توان از گازطبیعی بدون حذف ناخالصی‌های آن استفاده کرد.
-در عین حال شرکت‌های ذوب‌آهن اصفهان، فولاد میبد، فولاد زاگرس، ذوب‌آهن غرب کشور و فولاد زرند، در مجموع حدود ۵ میلیون تن فولاد، از طریق روش کوره بلند تولید خواهند کرد که با توجه به پتانسیل‌های موجود در کشور، به نظر کافی می‌آیند.
توجیه تولید آهن‌اسفنجی در ایران
با توجه به آنچه گفته شد، در ایران تولید فولاد از طریق آهن‌اسفنجی توجیه مناسب‌تری داشته، لذا به بررسی بیشتر آن می‌پردازیم. لازم است ذکر شود تولید فولاد از طریق احیای مستقیم و کوره‌های الکتریکی در راستای سیاست‌های شرکت ملی فولاد و وزارت صنایع نیز بوده‌است. بر این اساس، با استفاده از آمار، به بررسی وضعیت آهن‌اسفنجی در جهان و کشورهای پیش‌رو در این زمینه می‌پردازیم. بر اساس اطلاعات World Steel، هندوستان بزرگ‌ترین تولیدکننده آهن اسفنجی در دنیا می‌باشد. این کشور از مجموع تولید ۹/۶۴ میلیون تن آهن اسفنجی دنیا در سال ۲۰۰۷، حدود ۱/۱۸ میلیون تن یعنی حدود ۲۸درصد از کل تولید را به خود اختصاص داده‌است. ونزوئلا با ۱۲درصد، ایران با حدود ۵/۱۱درصد (۵/۷ میلیون تن در سال) و مکزیک با حدود ۱۰درصد در جایگاه‌های بعدی قرار دارند. حدود ۸۰درصد آهن اسفنجی جهان در کشورهای مذکور به علاوه عربستان سعودی، ترینیداد، روسیه و مصر تولید می‌شود. دلیل اصلی آمار بالای تولید آهن‌اسفنجی در چند کشور محدود، به ذخایر گاز و زغال‌سنگ (حرارتی)، به عنوان عوامل اصلی جهت تولید انرژی مورد نیاز فرایند احیای مستقیم مربوط می‌شود. در کشور هند، حدود ۷۰درصد تولید آهن اسفنجی با استفاده از زغال‌سنگ (حرارتی یا کک نشو) و حدود ۳۰درصد با استفاده از گاز (در ۷ کارخانه) تولید می‌گردد. روش‌های استفاده از زغال‌سنگ در فرایند احیای مستقیم در هند متنوع می‌باشد.
تعداد کارخانه‌های بزرگ تولیدکننده آهن‌اسفنجی با کمک زغال‌سنگ در هند حدود ۵۵ کارخانه و تعداد کارخانه‌های کوچک که هرکدام بین ۱۰ هزار تا ۳۰ هزار تن در سال تولید دارند، بیش از ۳۰۰ کارخانه تخمین زده می‌شود. همچنین در کشور ونزوئلا آمار تولید آهن‌اسفنجی نشان می‌دهد تنها ۵درصد از کل تولید این کشور با استفاده از زغال‌سنگ به دست می‌آید و ۹۵درصد تولید بر روش‌هایی مبتنی است که از گاز طبیعی استفاده می‌کنند. همچنین با بررسی کشور مکزیک، که دارای ذخایر عظیم گاز بوده و پس از ونزوئلا و ایالات متحده سومین دارنده ذخایر اثبات شده نفت و گاز در نیمکره غربی است، به این نتیجه می‌رسیم که در این کشور آهن‌اسفنجی به‌طور ۱۰۰درصد با استفاده از روش گازی تولید می‌شود.
با وجود آن‌که تولید آهن‌اسفنجی در سال‌های اخیر، به کمک زغال‌سنگ در هندوستان توسعه یافته‌است، اما موارد زیر احتمالا مسیر گسترش استفاده از این فرایند را تغییر خواهد داد:
-استفاده از زغال‌سنگ در جایی مقرون به صرفه است که گازطبیعی در اختیار نباشد و ذخایر زغال‌سنگ قابل استحصال باشند.
-با توجه به آن‌که معادن زغال‌سنگ هرساله هزینه‌های بیشتری برای استحصال طلب می‌کند، توجیه اقتصادی استفاده از آن در آینده زیر سوال خواهد رفت.
-تولید آهن‌اسفنجی به کمک زغال‌سنگ سهم زیادی در آلودگی محیط زیست و انتشار گازهای گلخانه‌ای خواهد داشت. این موضوع دولت هند را نیز بر آن داشته تا کنترل بیشتری بر این صنعت داشته باشد. با توجه به آنچه گفته شد، دولت هند سیاست‌های گسترده‌ای را در جهت توسعه استفاده از گازطبیعی دنبال می‌کند، و از طرفی جهت جلوگیری از آسیب به محیط زیست بر قوانین سخت‌گیرانه خواهد افزود. چنین به نظر می‌رسد که سرعت گسترش استفاده از روش زغال‌سنگ، در آینده کند شده و در هند نیز، این صنعت جای خود را به روش گازی خواهد داد.
لازم است ذکر شود معادن سنگ آهن با توجه به نوع معدن سه محصول عمده تولید می‌کند. سنگ آهن دانه بندی ریزدانه (Fine) و درشت دانه (Lump) و کنسانتره آهن.
سنگ آهن ریزدانه و درشت دانه تبدیل به آگلومره شده (کلوخه‌ای شکل) و قابلیت شارژ در کوره بلند را خواهد داشت. با توجه به اینکه شارژ آهنی در کوره بلند از بالای کوره صورت می‌پذیرد در صورت تولید بیش از حد معینی گرد و غبار، کوره کارایی خود را از دست می‌دهد لذا نمی‌توان سنگ آهن ریزدانه تزریق کرد لذا می‌بایست حتما به گلوخه همان آگلومره تبدیل شود.
کنسانتره تولید شده که ابعاد میکرونی دارد در واحدهای گندله‌سازی به گندله (محصولی فندوقی شکل) تبدیل شده وبا شارژ در کوره احیای مستقیم به آهن اسفنجی تبدیل می‌شود. آهن اسفنجی تولید شده به واحد فولادسازی منتقل شده در آنجا در کوره‌های الکتریکی به همراه درصدی آهن قراضه ذوب شده و در قسمت ریخته‌گری مداوم به شمش فولادی (بیلت، بلوم یا تختال) تبدیل می‌شود.
و در نهایت شمش تولید شده در واحدهای نورد به محصولاتی مثل تیر آهن، ورق و … تبدیل می‌شود. !