روشهای احیا مستقیم آهن
تاریخچه
تولید آهن اسفنجی در مقایسه با روش قدیمی و سنتی تولید آهن بوسیله کوره بلند دارای سابقه کوتاه 50 ساله میباشد .
تولید آهن از طریق روس کوره بلند دارای مزیتهای زیادی میباشد که هنوز هیچ روشی نتوانسته جایگزین آن گردد ولی بدلایلی از جمله کاهش میزان دغال سنگ کک شو و مسائل محیطی باعث شده که روشهای جدید احیا آهن مورد توجه قرار گیرد . اولین بار احیامستقیم یا تولید آهن اسفنجی توسط محققان آمریکایی و مکزیکی صورت گرفت .
در کوره بلند واکنشهای سنتیک احیا عموما زیر نقطه دوب آهن و حدود 820 درجه سانتیگراد انجام میگیرد ولی بدلیل ظرفیت گرمایی بالای کک محصول کوره بلند بصورت مذاب میباشد ازطرف دیگر حل شدن کربن موجود درذغال باعث تولید محصول به صورت چدن میگردد که برای تولید فولاد یک مرحله فرآیند دیگر ضروری است .
در روش احیا مستقیم ارزش حرارتی گاز طبیعی چون پایین تر از کک میباشد واکنشهای احیا در دمای پایین تر ازنقطه ذوب میتواند صورت پذیرد . مشکل احیا در دمای پایین سرعت پایین واکنشهای احیا میباشد چون دردمای پایین واکنش شکستن گاز و تولید گازهای احیا کننده منواکسیدکربن صورت نمیگیرد باعبور گازدر این درجه حرارت نمیتوان آهن را احیا نمود برای حل این مشکل محققان از یک رفرمرگازی یا محفظه شکست گاز استفاده میکنند .
دررفرمورگازی با شکستن گازطبیعی گازهای منواکسیدکربن و هیدروژن تولید میشوند که باگرم کردن تا1000درجه سانتیگراد میتواند واکنشهای احیا باسرعت مناسب صورت گیرد .
اولین شرکتی که در زمینه تولید آهن اسفنجی فعالیت نمود شرکت میدرکس آمریکا بودکه هم اکنون تولید با این روش و بانام این شرکت در اکثر نقاط جهان ادامه دارد و 65 درصد سهم تولید آهن اسفنجی از این روش میباشد . گروه دیگری که در تولید آهن اسفنجی فعالیت داشته اند شرکت مکزیکی HYL بوده است این شرکت هم اکنون ادعادارد با حذف رفرمرگازی توانسته نسل چهارم کوره های خودرا به بازار عرضه نماید .
تولیدآهن اسفنجی رشد چشمگیری داشته که 1میلیون تن در سال 1970 به 54 میلیون تن درسال 2004 رسیده است .
با توجه به این میزان تولید بازهم سهم آهن اسفنجی 5 درصد کل فولاد خام تولیدشده و نسبت به سنگ معدن مصرفی در تولید فولاد 8 درصد سنگ معدن مصرفی درصنایع فولادسازی جهان میباشد .
بالا رفتن قیمت گاز طبیعی و ذغال سنگ کک شو باعث شده تا محققین به سمت روشهای تولید با ذغال سنگ کک نشو در تهیه آهن اسفنجی روی بیاورند ولی هنوز ظرفیتهای بیش از 1 میلیون تن در سال نتوانسته اند با این روش احداث و بهره برداری نمایند .
تمامی شرکتهای بزرگ همانند میدرکس دنبال روشهای جدید استفاده از ذغال سنگ کک نشو میباشند که بتوان هزینه تولید فولاد را کاهش داد و دربازار رقابت باقی بماند .
روشهای مهم تولید آهن به روش احیا مستقیم
فرآیند میدرکس
فرآیند اچ وای ال HYL ( نسل چهارم )
فرایند SL/RN
فرآیند ITmK3
فرآیند CIRCORED (Lurgi)
فرآیند CIRCOFER (Lurgi)
1- روش میدرکس
سنگ آهن ورودی : ازنوع گندله پس از گندله سازی
عامل احیاکننده : گازطبیعی شکسته شده بوسیله فرایند رفرمینگ
نوع کوره احیا : کوره شافت عمودی
درجه حرارت احیا : حدود 850 تا 870 درجه سانتیگراد
سابقه فرآیند : از حدود سال 1975 میلادی
ظرفیت بهینه : یک میلیون تن برای هر مدول
تولید آهن اسفنجی به روش احیا مستقیم میدرکس : کیفیت مواد اولیه مصرفی در فرآیندهای تولید آهن و فولاد کم و بیش به روش تولید آنها بستگی دارد. آگاهی از مواد اولیه لازم، آماده سازی آن مواد و نیز مواد واسطه و نهایی برای تولید به روش میدرکس لازم است. احیاء مستقیم به روش میدرکس شامل تاسیسات و واحدهای ذیل می باشد که به اختصار تشریح می شود. 1- کوره احیاء برای تولید آهن اسفنجی 2- راکتور تولید گاز احیاء کننده 3- تجهیزات جانبی
رفورمر تولید گاز احیا
رفورمرگازی در روش میدرکس مکعب مستطیلی به ابعاد 10*40*8 متر میباشد که داخل محفطه لوله هایی از جنس استیل قرارگرفته است درچهار ردیف داخل لوله ها از کاتالیزور پرشده است مخلوط گاز خروجی و گازطبیعی وارد لوله ها میشوند چون دمای لوله ها بالا است درون لوله واکنش تولید گاز احیا صورت میگیرد ( گرم بودن لوله ها به علت مشعلهایی است که حرارت لازم جهت اکسایش متان را فراهم می آورند . ) گاز احیا که شامل H2 و CO می باشد به سمت کوره میروند قطر لوله ها 200 میلیمتر و ضخامت 9 میلیمتر است . دمای لوله ها حدود 1100 درجه میباشد .
2- فرآیند اچ وای ال نسل چهارم
سنگ آهن ورودی : ازنوع گندله پس از گندله سازی
عامل احیاکننده : گازطبیعی شکس ته شده بدون فرایند رفرمینگ
نوع کوره احیا : کوره شافت عمودی
درجه حرارت احیا : حدود 850 تا 870 درجه سانتیگراد
سابقه فرآیند : از حدود سال 2003 میلادی
ظرفیت بهینه : هشتصدهزار تن برای هر مدول
در روشهای اچ وای ال قدیمی تر روش 1و2و3 گاز طبیعی بوسیله رفرمینگ شکسته شده و همانند روش میدرکس به داخل کوره احیا دمیده میشود . احیای مستقیم سنگهای آهن به روش اچ – وای – ال سه بر خلاف روشهای اچ- وای – ال یک و دو مداوم می باشد . برای تولید آهن اسفنجی در حالت جامد، هر مدول اچ – وای – ال سه فقط یک کوره دارد. گندله های پخته از سنگ آهن هماتیتی در مخازن خورجین مانندی در بالای کوره تخلیه می شوند . ولی در روش اچ وای ال 4 عملیات رفرمینگ نیز حذف شده و گندله به صورت مداوم از بالای کوره وارد شده همراه آن گاز طبیعی از بالای کوره وارد می گردد و از وسط کوره گاز پروسس و اکسیژن جهت انجام واکنش به داخل کوره شارژ می شود گاز طبیعی که از بالای کوره وارد می گردد .
عموما از رکپراتور عبور کرده تا هم خشک شود و هم حرارت آن بالا رود .
احیا آهن در روشهای احیا مسقیم بوسیله گاز طبیعی بوسیله عوامل احیا کننده H2 و CO انجام میگیرد در داخل کوره آهن به صورت گندله واردشده و با دمش گاز طبیعی مواد گرم شده وبا دمش گازهای احیا و اکسیژن جهت سوختن گاز طبیعی عمل احیا شنگ آهن صورت میگیرد .
3- فرآیند SL/RN
سنگ آهن ورودی : بصورت کلوخه یا گندله
عامل احیاکننده : ذغال سنگ کک نشو
نوع کوره احیا : کوره دوار Rotary Kiln
درجه حرارت احیا : حدود 1000 تا 1100 درجه سانتیگراد
سابقه فرآیند : از حدود سال 1980 میلادی
ظرفیت بهینه : یک صدهزار تن برای هر مدول
فرآیند SL/RN روشی است که در این روش از کوره های دوار استفاده میشود تحقیقات اولیه آن به حدود پس از جنگ جهانی دوم میرسد که شرکتهای مختلفی اعمم از اروپایی و آمریکایی در شکل دهی این روش حضور داشته اند که نام این فرآینداز همین موضوع منشا گرفته است که هر حرف آن اول نام یکی ازاین شرکتها میباشد . ولی بیشتر تحقیقا ت در کشور آلمان و توسط شرکت Lurgi انجام گرفته است .
تکنولوژی تولید در کوره دوار قبل از آهن اسفنجی با فرآیند تولید سیمان و آهک طراحی و شروع به کار نموده است . در واقع تولید آهن در این کوره ها بهینه سازی شده همان فرآند تولید سیمان و آهک میباشد .
شنگ آهن در این فرآیند بصورت کلوخه یا گندله همراه با دغال کک نشو و مقداری آهک و دولومیت جهت تعدیل مقدار گورگرد موجو در ذغال سنگ از یک طرف کوره افقی دوار وارد آن میشود . کوره احیا یک کوره افقی مایل بازاویه حدود 5 درجه میباشد .
کوره دراثر سوختن ذغال و ورودهوا و نرمه ذغال سنگ تا حدود 1000 درجه گرم میشود که مواد شارژ شده در قسمت اول کوره پیشگرم شده و در قسمت دوم تا 92 درجه فلزی احیا می گردد .
مواد احیا شده گرم پس از خروج از کوره وارد یک کوره دوار حنک کننده میشوند تا درجه حرارت آنها پایین بیاید سپس با خروج از کوره خنک کننده و گذشتن از زیر دستگاه جداکننده مغناطیسی مواد فلزی از خاکستر جداشده و برای انبار کردن یا انجام عملیات ذوب به کوره قوس منتقل گردد .
سنگ آهن مصرفی درکوره دوار دراین روش بدلیل درفشار نبودن کلوخه های موادشارژ از حساسیت کوره های عمودی برخوردار نبوده و میتوان از انواع سنگهای آهن با دانه بندی کلوخه بین 6 تا 20 میلیمتر در این کوره استفاده نمود . حرکت کلوخه ها بصورت مداوم و به آرامی در داخل کوره افقی دوار میباشد . عموماکلوخه خام مخلوط اط نزم سنگ آهن و نرمه ذغال و جسب سر میباشد که نتیجه بهتری بدر مرحله را دارد .
ذغال سنگ مورد استفاده چون از نوع ارزان بوده و قابلیت تبدیل به کک را ندارد بسیار در دسترس میباشد . ذغال مورد استفاده میتواند تا حدود 30 % مواد فرار داشته باشد و لی کربن آن نباید کمتر از 45 % باشد .
دولومیت نیز بدلیل کاهش اثر گوگرد موجود در ذغال سنگ به مواد شارژ اضافه میگردد و همچنین باعث تسریع در عملیات احیا میگردد .
ساختمان کوره افقی دوار
کوره دوار افقی مهمترین بحش واحد احیامیباشد این کوره متشکل از یک استوانه فولادی به قطر 3 الی 6 متر و طول 25 الی 80 متر بوده داخل آن آجرچینی شده و کوره با یک شیب ملایم 3-5 درجه روی چرخدنده های گرداننده نصب می گردند . دمای منطقه احیا حدود 1075 درجه سانتیگراد میباشد . بخاطر بالارفتن دمای کوره پودر ذغال از انتهای خروجی کوره به داحل کوره تزریق میگردد و در فواصل معین یک سری دریچخ جهت دمش هوای پروسس برای سوختن بهتر ذغال سنگ وتولید گاز CO جهت احیا طراحی شده اند .
گاز پروسس گرم همرا به مقداری هوای آزاد از این دریچه ها به داخل کوره تزریق میگردند .
4 – فرآیند ITmk3
سنگ آهن ورودی : ازنوع گندله خام و مخلوط باذغال
عامل احیاکننده : ذغال سنگ کک نشو که با سنگ آهن گندله شده است
نوع کوره احیا : کوره سینی دوار Rotary Hearth
درجه حرارت احیا : حدود 1300 تا 1350 درجه سانتیگراد
سابقه فرآیند : از حدود سال 199 میلادی
ظرفیت بهینه : پانصدهزار تن برای طراحی تجاری
شرح فرآیند :
پودر سنگ آهن به همراه نرمه ذغال سنگ کک نشو و جسب به صورت گندله در اندازه های معین در آمده و از بالا به داخل کوره شارژ میشود . کوره بوسیله مشعل تا حدود 1350 سانتیگراد گرم میشود تا واکنش احیا آهن انجام پذیرد .
سنگ آهن احیا شده به صورت آهن زینتر شده Iron Nuggets با حرارت بالا از کوره خارج میشود در بخش خروجی دما تا مرحله خمیری شدن بالا برده میشود و سرباره آن جدا می گردد . آهن با درجه فلزی بالا حدود 97 درصد بدست آمده که میتواند به عنوان شارژ کوره های الکتریکی استفاده گردد .
این فرآیند توسط شرکت میدرکس ابداع گردیده است .
5 – فرآیند CIRCORED (Lurgi)
سنگ آهن ورودی : بصورت نرمه سنگ آهن
عامل احیاکننده : گازطبیعی پروسس شده
نوع کوره احیا : کورهCirculating Fluidized Bed
درجه حرارت احیا : حدود 800 پیش گرم و 650 درجه مرحله احیا
سابقه فرآیند : از حدود سال 1999 میلادی
ظرفیت بهینه : پانصد هزار تن برای هر مدول
شرح فرآیند :
نرمه سنگ آهن در مرحله اول تا حدود 800 درجه پیش گرم میشود و خشک میگردد این سنگ آهن در یک کوره از نوع Fluidized Bed شارژ میگردد آهن در مرحله اول تا حدود 70 درصد احیا میگردد. انرژی گرمایی کوره بوسیله یک سری مشعل که با مخلوط گاز طبیعی و هوا کارمیکنند تامین میشود
همچنین در مرحله اول مقداری گاز پروسس شده خروجی مرحله دوم عملیات احیا به داخل کوره دمیده میشود . بعد از این مرحله مرحله دوم احیا قرار دارد که تا 93 درصد آهن احیا میگردد . درجه حرارت در این مرحله کمتر و حدود 630 درجه می باشد ولی فشار محیط احیا باید تا 4 اتمسفر افزایش پیداکند .
خروجی مرحله دوم با خلوص بالا به صورت بریکت برای شارژ درکوره قوس الکتریک استفاده می گردد . این روش بدیل استفاده از نرمه سنگ آهن که ارزان میباشد میتواند رقیبی برای روش میدرکی و اچ وای ال باشد . ولی ضعف این روش درکنترل و ایجاد فشار بالادر کوره احیا میباشد که اپراتوری این مورد کمی با مشکل همراه است .
5 – فرآیند CIRCOFER (Lurgi)
سنگ آهن ورودی : بصورت نرمه سنگ آهن
عامل احیاکننده : ذغال سنگ کک نشو
نوع کوره احیا : کورهCirculating Fluidized Bed
درجه حرارت احیا : حدود 1000 درجه سانتیگراد
سابقه فرآیند : از حدود سال 1985 میلادی
ظرفیت بهینه : پانصد هزار تن برای هر مدول
شرح فرآیند:
در این فرآیند که مشابه همان فرآیند CIRCORED میباشد با کمی تغییر از پودر ذغال سنگ بجای گاز طبیعی پروسس شده به عنوان عامل احیا کننده استفاده میشود . نرمه سنگ آهن همراه با آهک جهت کاهش اثر گوگرد ذغال سنگ همراه با نرمه دغال سنگ مخلوط شده و در مرحله اول پیشگرم تا 73 درصد فلزی احیا میگردد . درمرحله دوم آهن تا 93 درصد فلزی احیا میگردد و به صورت بریکت آماده شارژ کوره قوس الکتریک میگردد .
ذغال سنگ همراه با دمش گاز اکسیژن وارد Gasifier (کاربراتور) میگردد و پس از مخلوط شدن در مرحله اول به داخل کوره دمیده میشود . بدلیل وجود کاربراتور جهت مخلوط کردن ذغال سنگ و اکسیژن باید درجه نرمی خاکستر دغال بالاتر از 1500 درجه سانتیگراد باشد .
این روش خودرا رقیب روش ITmK3 میدرکس میداند . این روش نیز مشابه روش قبل CIRCORED بخاطر بالابودن فشار در مرحله دوم احیا از نظر کنترل فشار اتمسفر کوره دارای مشکل و با اپراتوری سختی درگیر میباشد .
CIRCOFER فرآیند