در حال حاضر تولید آهن اسفنجی به روش احیا مستقیم به عنوان یکی از روش‌های جدید در صنعت فولادسازی جهت تولید آهن فلزی مطرح است. در فرایند تولید آهن با استفاده از کوره‌ بلند هزینه بالای آماده سازی مواد اولیه از جمله کک سازی و کلوخه سازی و سینترینگ از یک سو و مشکلات زیست محیطی ناشی از به کارگیری این مواد اولیه از سوی دیگر باعث شده است تا گرایش به سمت متدهای نوین و به روز تولید آهن بیش از پیش مورد توجه قرار گیرد. در فرایند احیای مستقیم جهت تولید آهن اسفنجی، ضمن حذف برخی از مراحل آماده سازی، مشکلات آلودگی محیطی و نیز هزینه‌های فرایند تا حد قابل توجهی کاهش می‌یابد. استفاده از این روش به دلیل هزینه‌های پایین سرمایه گذاری و راه اندازی آن در واحدهای کوچک فولادسازی به لحاظ اقتصادی توجیه پذیر است. در این مقاله این روش نوین تولید آهن اسفنجی را با بررسی انواع و مزایای آن توضیح می‌دهیم.

• احیا مستقیم چیست؟
  • فرایند احیای مستقیم آهن شامل چه روش‌هایی است؟
    • میدرکس، روشی پربازده در تولید آهن اسفنجی به روش احیا مستقیم
• مراحل تولید آهن اسفنجی به روش احیا مستقیم
  • تغلیظ
  • گندله سازی
  • آهن سازی
  • ذوب و تولید فولاد
• مزایای فرایند احیای مستقیم آهن 
• جمع بندی

احیا مستقیم چیست؟

احیای مستقیم فرایند نوینی است که در دهه‌های اخیر برای احیای سنگ آهن به فلز آهن توسعه فراوانی پیدا کرده است. در احیای مستقیم از منابعی چون زغال کک نشو یا گاز طبیعی استفاده می‌شود. هدف نهایی در این فرایند تولید آهن اسفنجی یا متخلخل است. تولید آهن اسفنجی به روش احیا مستقیم به دلایلی چون کاهش هزینه‌ها و اثرات مخرب محیطی آن بسیار مورد توجه قرار گرفته است. این روش با حذف اکسیژن موجود در سنگ آهن در دمایی پایین تر از نقطه ذوب، ساختاری اسفنجی شکل در آن ایجاد می‌کند. محصول تولید شده به این روش به عنوان متریال اولیه و خام در تولید فولاد مورد استفاده قرار می‌گیرد. این محصول دارای 96-92 درصد آهن خالص است.

فرایند احیای مستقیم آهن شامل چه روش‌هایی است؟

فرایند احیای مستقیم یکی از روش های جدید تولید مستقیم آهن اسفنجی است. در این فرایند دو نوع احیاکننده گازی و زغال سنگ مورد استفاده قرار می‌گیرند. واحدها یا کارخانه‌های تولیدکننده با توجه به منابع در دسترس خود یکی از این دو نوع احیاکننده را به کار می‌برند.

در فرایند احیای مستقیم با احیاکننده گازی، به طور معمول از گاز طبیعی استفاده می‌شود. از مهم ترین این روش‌ها می‌توان به روش Midrex و HYL اشاره کرد که در هر یک از آنها منابع گاز طبیعی جهت جداسازی اکسیژن از سنگ آهن مورد استفاده قرار می‌گیرند. فرایند احیای مستقیم با احیاکننده گازی روشی‌ جهت تولید اهن اسفنجی در حالت جامد به شمار می‌آید. این فرایند شامل آسیاب شدن سنگ آهن به صورت گندله و ورود آن به کوره به همراه متان است. پیش از ورود گاز متان به داخل کوره، این گاز درون رفورمرها تجزیه و تبدیل به H2 و CO می‌شود. گندله و کلوخه‌های سنگ آهن به طور مدام توسط گازهای حاصل از اکسایش متان ( H2 و CO) احیا می‌شوند.

در فرایند احیای مستقیم آهن بر پایه زغال سنگ، ماده احیاکننده زغال سنگ‌های غیر کک شو هستند. تولید آهن اسفنجی به روش کوره تونلی و SL/RN از جمله متد‌هایی هستند که در آن از احیاکننده زغال سنگ در فرایند تولید استفاده می‌شود. تولید آهن اسفنجی به روش احیا مستقیم در کوره‌های تونلی از مزایایی چون هزینه پایین راه اندازی و نگهداری، صرفه جویی در مصرف انرژی و عدم نیاز به زغال کک شو برخوردار است. با این حال در مقایسه با روش احیای گازی کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

میدرکس، روشی پربازده در تولید آهن اسفنجی به روش احیا مستقیم

در بین روش‌های احیا مستقیم سنگ آهن و تولید آهن اسفنجی، روش میدرکس به عنوان یکی از پربازده ترین آنها به شمار می‌آید. با مشاهده جدول زیر می‌توان به برتری روش ذکر شده پی برد. این روش بر پایه احیاکننده گازی انجام می‌شود. مقایسه روش میدرکس با روش احیا مستقیم نشان می‌دهد که مزایای مختلف این روش باعث شده است تا 60 درصد آهن اسفنجی تولید شده در بازار بر پایه این روش استوار باشد. از جمله مزایای این روش می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• کاهش هزینه‌های مربوط به تعمیرات
• سادگی بیشتر سیستم
• راندمان بالای تولید
• یکنواختی بیشتر آهن اسفنحی تولید شده به لحاظ ترکیب شیمیایی آن

مراحل تولید آهن اسفنجی به روش احیا مستقیم

تولید آهن اسفنجی به روش احیا مستقیم شامل 4 مرحله کلی است که در ادامه به معرفی آنها می‌پردازیم:

1- تغلیظ

سنگ آهن مورد نیاز در فرایند احیای مستقیم از برخی معادن زیرزمینی استخراج می‌شود. جهت این استخراج، معدن کاری سطحی به دلیل به صرفه تر بودن هزینه‌های آن مد نظر قرار می‌گیرد. در این مرحله، با توجه به عیار سنگ معدن استخراج شده، عملیات تغلیظ یا افزایش عیار سنگ معدن انجام می‌شود. این عملیات شامل مراحل خرد کردن، آسیاب کردن و روش‌های فیزیکی و مغناطیسی است. خروجی هر یک از این عملیات در مقایسه با سنگ معدن اولیه، درصد آهن بیشتری داراست و به آن کنسانتره گفته می‌شود.

2- گندله سازی

کنسانتره ایجاد شده در مرحله تغلیظ، به صورت ذرات پودری بسیار ریز است. با توجه به اینکه این وضعیت فیزیکی برای استفاده در کوره مناسب نیست، ذرات حاصل طی عملیات گندله سازی آگلومره می‌شوند. در این فرایند، ضمن ورود کنسانتره‌های مرطوب به دیسکی شیبدار و در حال چرخش، لرزش‌های مکرر دیسک باعث تولید آگلومره‌های نرم و کروی می‌گردد. خروجی این مرحله به صورت گلوله‌های کروی با قطر تقریبی 15-10 میلی متر است که برای ورود به کوره مناسب تعریف می‌شوند. در مرحله بعد، این گلوله‌ها در دمای 1340-1250 درجه سانتیگراد قرار می‌گیرند. دمای ذکر شده باعث خشک شدن و سوختن این ذرات می‌شود. 

3- آهن سازی

مرحله دیگر در تولید آهن اسفنجی به روش احیا مستقیم، آهن سازی است. به این معنا که در این مرحله تولید آهن اسفنجی صورت می‌گیرد. این تولید از طریق فرایند احیا یا حذف اکسیژن در کوره‌های تولید آهن انجام می‌شود. فرایند احیا با تبدیل سنگ آهن (هماتیت) به مگنتیت و وستیت و در نهایت آهن فلزی تعریف می‌شود. به عبارتی دیگر، احیای مستقیم سنگ آهن طی سه مرحله پیش می‌رود. این مراحل با احیای هماتیت آغازو با تولید آهن فلزی خاتمه می‌یابند.

4- ذوب و تولید فولاد

هدف اصلی از انجام این مرحله، حذف ناخالصی‌ها و تولید محصولات اولیه‌ ای مانند اسلب و شمش است. این مرحله با انتقال گلوله‌های آهن اسفنجی به کوره قوس الکتریکی یا EAF انجام می‌شود. به این منظور، آهن قراضه و ترکیبی از آهن اسفنجی و مواد سرباره ساز از جمله کک، بنتونیت و آهک به داخل کوره قوس الکتریکی ریخته می‌شوند. این مواد درون کوره ذوب شده و پس از دمش اکسیژن، همگن سازی و نمونه گیری به فولاد مذاب تبدیل می‌شوند. در ادامه پس از تخلیه سرباره، مخلوط مذاب به واحدهای ریخته گری مداوم ارسال می‌گردد. در این واحدها، ضمن ریخته شدن مخلوط ذاب داخل ظروف تاندیش و قالب مسی آب گرد، با حرکت ظروف در یک مسیر غلطکی و خنک شدن آنها با پاشش آب ، به شمش‌های منجمد تبدیل می‌گردند. در نهایت، به طول مد نظر برش داده می‌شوند.

مزایای فرایند احیای مستقیم آهن 

مقایسه روش تولید اهن اسفنجی به روش احیا مستقیم با روش سنتی، برتری روش احیای مستقیم را نشان می‌دهد. به عبارت دیگر، احیای مستقیم آهن دارای مزایایی است که به کارگیری آن در واحدهای مختلف صنعتی را با استقبال بیشتری همراه کرده است.

تولید آهن اسفنجی به روش احیا مستقیم در مقایسه با روش سنتی یا کوره بلند، به هزینه سرمایه گذاری کمتری نیاز دارد. در این روش می‌توان با صرف هزینه‌ای کمتر، به محصولی با همان ترکیب آهن حاصل از کوره‌های بلند دست یافت. استفاده از آهن احیا شده در روش احیای مستقیم امکان تولید فولادی با کیفیت و با گرید بهتری را فراهم می‌کند.

علاوه بر این، محصول خروجی از این روش را می‌توان  به دو صورت انتقال به کوره‌های قوس الکتریکی و یا فشرده سازی و تبدیل آن به بریکت مورد فرایند قرار داد. نکته مهم در ارتباط با انتقال آهن احیا شده به کوره‌های قوس الکتریکی، صرفه جویی در مصرف انرژی است. به عبارت دیگر، با توجه به اهمیت ورود مواد اولیه در این کوره‌ها به صورت پیش گرم شده و در دمای بالا، به دلیل ورود محصولات احیای مستقیم با دمای بالا به داخل این کوره‌ها و حذف مرحله پیشگرم، تا حد قابل توجهی در مصرف انرژی صرفه جویی می‌شود.

علاوه بر این، مسائل زیست محیطی و کاهش ذخایر زغال کک شو از دیگر مزایایی است که روش احیای مستقیم را مورد توجه قرار داده است. تولید آهن اسفنجی به روش احیا مستقیم به طور معمولی در دمایی حدود 820 درجه سانتیگراد (زیر دمای ذوب آهن) انجام می‌گیرد. این در حالی است که در کوره‌های بلند به دلایلی چون ظرفیت گرمایی بالای کک و حل شدن کربن موجود در کک، محولی مذاب با درصد کربن بالا ایجاد می‌شود که استفاده از آن در صنعت فولادسازی مستلزم مصرف انرژی بالایی است.

جمع بندی

تولید آهن اسفنجی به روش احیا مستقیم را می‌توان یکی از پربازده ترین و پرکاربردترین روش‌ها در واحدهای مختلف فولادسازی معرفی کرد. با توجه به مشکلات روش‌های سنتی یا همان کوره‌های بلند در تولید این محصول، روش ذکر شده در صنایع مبتنی بر تولید آهن و فولاد جایگاه بسیار قابل توجهی پیدا کرده است. اهمیت فرایند مستقیم احیای آهن به لحاظ مسائل اقتصادی و زیست محیطی باعث شده است تا سهم عظیمی از آهن اسفنجی در صنعت با استفاده از این متد تولید شود.

اگر تصمیم به راه اندازی خط تولید این مقطع فولادی دارید حتما با کارشناسان ما در رستاپاد در تماس باشید. ما با تجربه چندین دهه در صنعت فولاد می‌توانیم پربازده ده خط تولد را برای شما راه‌اندازی کنیم. پس همین حالا با شماره‌های موجود در سایت تماس بگیرید.

از جمله هزینه هایی که میزان سوددهی یک طرح تولیدی را تحت تأثیر قرار می دهد، هزینه های مصرف انرژی است. انتخاب موقعیت جغرافیایی مناسب برای دسترسی بهتر به انرژی، حتی اگر در کوتاه مدت حایز اهمیت نباشد، از هزینه های تحمیل شده در دراز مدت جلوگیری می کند. این هزینه ها میتواند ناشی از عدم اشراف به شرایط منابع انرژی، و یا سیاست های منطقه ای و دولتی در آن منطقه باشد.

در احداث کارخانه کوره تونلی نیز، نحوه و فراوانی دسترسی به مواد مصرفی از اهمیت بسیاری برخوردار است. مواد مصرفی جاری در این فرآیند را می توان به دو دسته کلی مواد اولیه و حامل های انرژی تقسیم بندی نمود.

قبل از هر چیز این را بگوییم که در مطلب “بهترین موقعیت جغرافیایی برای احداث کوره تونلی (از نظر مواد اولیه آهن دار)“ به شرایط دسترسی به مواد پایه آهن دار در سطح کشور برای استفاده در فرآیند احیاء مستقیم پرداختیم. توصیه می‌کنیم اگر نخوانده‌اید ابتدا آن مطلب را مطالعه نمایید.

همچنین، دو ماده مصرفی دیگر در روش کوره تونلی، شامل زغال حرارتی و پودر سنگ آهک است. در مطلب “بهترین موقعیت جغرافیایی برای احداث کوره تونلی (از نظر فراوانی زغال و آهک)“ هم به شرایط دسترسی به این مواد در نقاط مختلف کشور پرداخته‌ایم.

اما در مطلب پیش رو، به دسته دیگر مواد مصرفی، یعنی حامل های انرژی می پردازیم. در طرح تولید بریکت آهن اسفنجی به روش کوره تونلی، حامل های انرژی مورد استفاده شامل گاز طبیعی، برق و آب می باشند. بنابراین دسترسی به زیرساخت های مناسب تأمین این انرژی ها، از بسیاری از هزینه های آتی پیشگیری خواهد کرد.

منابع تأمین گاز طبیعی

بر اساس نمودار زیر، به منظور تحقق چشم انداز سال 1404 برای تولید 55 میلیون تن فولاد خام، سالانه حدود 18.7 میلیارد مترمکعب گاز نیاز است که از این میزان، تولید آهن اسفنجی با اختلاف، بیشترین مقدار مصرف موردنیاز را به خود اختصاص داده است [1]. برای غلبه بر این چالش، در طرح جامع فولاد راهکار استفاده از تکنولوژی هایی مانند تولید هیدروژن با منابع تجدیدپذیر در مرحله تولید آهن اسفنجی پیشنهاد شده است.

متأسفانه توسعه خطوط انتقال گاز با برنامه های توسعه فولاد همگام نبوده است و ظرفیت انتقال در برخی از خطوط کشور ناکافی است. یازده خط انتقال اصلی در ایران در حال اجرا و بهره برداری است که عمده آنها در جنوب و غرب کشور پراکنده شده اند [1]. البته توسعه خطوط گاز در استان سیستان و بلوچستان در دو محور شمالی و جنوبی (خط هفتم) در حال انجام است. با نهایی شدن طرح صادرات گاز به هند و پاکستان، تعداد ایستگاه های تقویت فشار خط هفتم چندین برابر خواهد شد [1].

بنابراین، این منطقه پتانسیل بالایی برای توسعه صنعت فولاد در آینده خواهد داشت. هم اکنون نیز، مجتمع فولاد مکران در چابهار با ظرفیت تولید 3.2 میلیون تن فولاد خام آماده بهره برداری است و مطابق با افق 1404، ظرفیت تولید این منطقه 10 میلیون تن برآورد شده است.

نقشه زیر، اولویت مناطق از نظر دسترسی به خطوط گاز را نشان می دهد که باید در انتخاب منطقه مناسب برای اجرای طرح های صنعت فولاد مدنظر قرار گیرد [1]. مشاهده می کنید که مناطق جنوبی ایران برای اجرای طرح هایی با مصرف گاز بالا، بیشترین اولویت را دارند.

منابع تأمین برق

مطابق با پژوهش طرح جامع فولاد، رشد متوسط سالانه مصرف برق در صنعت فولاد حدوداً 40% بیشتر از رشد متوسط ظرفیت نیروگاه ها در کشور می باشد [1]. دلایل این موضوع را می توان در عدم وجود سرمایهگذاری، تغییر قیمت ارز، تحریم و محدودیت منابع آبی جهت احداث نیروگاه های جدید دانست.

بر اساس نمودار زیر، به منظور تحقق چشم انداز سال 1404 برای تولید 55 میلیون تن فولاد خام، سالانه حدود 46 میلیون کیلووات ساعت برق نیاز است که از این میزان، بیشترین گلوگاه مصرف به تولید فولاد خام اختصاص دارد [1]. پس از آن، تولید آهن اسفنجی حدود 12% مقدار مصرف را به خود اختصاص داده است. برای غلبه بر کمبود برق، در طرح جامع فولاد راهکارهایی مانند احداث نیروگاه های برق به عنوان بخشی از سرمایه گذاری واحدهای فولادی، و استفاده از تکنولوژیهای نو و منابع تجدیدپذیر پیشنهاد شده است.

نقشه زیر، اولویت مناطق از نظر دسترسی به خطوط انتقال برق را نشان می دهد که باید در انتخاب منطقه مناسب برای اجرای طرح های صنعت فولاد مدنظر قرار گیرد [1]. مشاهده می کنید که مناطق شرقی و مرکزی ایران بیشترین اولویت را دارند.

منابع تأمین آب

متأسفانه در زمان تهیه این مطلب، با خشکسالی شدید در بسیاری از مناطق کشور و ممنوعه شدن دشت ها از نظر اجازه برداشت آب روبرو هستیم. به طوری که طی سال های گذشته، مرتباً به تعداد دشت های ممنوعه جهت پیاده سازی طرح های عمرانی و صنعتی افزوده شده است و حتی مناطق ساحلی شمال و جنوب کشور نیز، با خشکسالی خفیف مواجه بوده اند. نقشه و نمودار زیر این وضعیت را به خوبی ترسیم می کند [1]:

در نمودار زیر، میزان مصرف آب در صنعت فولاد نشان داده شده است که حدود 0.2% از کل مصارف کشور می باشد [1]. هر چند این مقدار، در مقایسه با سایر بخش ها ناچیز به نظر می رسد، لازم است برای به حداقل رساندن آن از راهکارهای مناسب و به روز استفاده شود.

راهکارهای معرفی شده در پژوهش جامع فولاد ایران سال 1399، به قرار زیر است [1]:

• احداث واحدهای جدید فولادی در مجاورت سواحل جنوبی کشور
• استفاده از فن آوری های فولادی کم مصرف آب
• بهره گیری از روش های کاهش مصرف آب (خنک کننده های هوایی، برج خنک کننده هیبریدی، غبارگیرهای خشک)

در این راستا، بهترین مناطق برای احداث کارخانجات فولادی مطابق با نقشه زیر تعریف شده است [1]. مشاهده میکنید که مناطق جنوبی کشور، بیشترین اولویت را برای اجرای طرح هایی با مصرف آب بالا دارند.

در همین پژوهش، کل مصرف سالیانه آب در زنجیره فولاد در سال 1404، برابر با 253 میلیون مترمکعب پیش بینی شده و پراکندگی این مقدار در مناطق شش گانه کشور، مطابق با نقشه زیر معین شده است [1]:

از میان رقم پیش بینی شده، 57 میلیون مترمکعب آن برای تکمیل طرح های دست اجرا و تکمیل زنجیره تعریف شده، که تنها 8% از این مقدار به واحدهای در حال احداث در مجاورت سواحل جنوبی اختصاص دارد [1].

به همین دلیل، برای استان های غیرمجاور با دریای جنوب، دو راهکار جهت دسترسی به آب معرفی شده است:

• استفاده از پساب تصفیه شده شهرها
• شیرینسازی و انتقال آب به مناطق مرکزی کشور

برای تصفیه پساب شهرها، پروژههایی در تعدادی از استان های مرکزی در حال جریان است. برای مثال، در استان اصفهان، تصفیه خانه هایی برای استفاده مجتمع های فولاد مبارکه، ذوب آهن اصفهان، و پالایش نفت اصفهان در حال انجام است. پروژه های مشابهی نیز در استان های البرز و همدان برای تأمین آب اضطراری صنعت و کشاورزی مطرح شده است.

همچنین، برای شیرین سازی و انتقال آب دریای جنوب، طرح های زیر در نظر گرفته شده است:

تأمین انرژی های موردنیاز در طرح کوره تونلی

با توجه به آن چه تاکنون مطرح شد، می توان به طور کلی نتیجه گیری کرد که در احداث واحدهای صنعت فولاد، استان های جنوبی از لحاظ دسترسی به منابع گاز و آب، در اولویت هستند. از طرفی در دسترسی به برق، مناطق شرقی و مرکزی ایران شرایط بهتری دارند. با این وجود، درباره روش کوره تونلی باید به این نکته توجه کنیم که این طرح در زنجیره گسترده فولاد، یک روش کوچک-مقیاس تولید آهن اسفنجی به شمار می آید.

بنابراین، در ظرفیت های پایین مدنظر در این روش، وضعیت منابع انرژی در سطح کلان چندان مطرح نیست. البته روشن است که کارآمدی هر طرح تولیدی را باید در کل سال های بهرهبرداری آن سنجید. به علاوه، بهتر است احتمال اجرای طرح های توسعه در آینده را درنظر بگیریم. به همین دلیل، داشتن دید بلندمدت به تأمین انرژیهای مصرفی، در انتخاب بهترین موقعیت های جغرافیایی اهمیت دارد.

از بین حامل های انرژی مورد نیاز در کارخانه کوره تونلی، دسترسی به گاز طبیعی بیشترین اولویت را داراست و پس از آن تأمین برق در مرتبه دوم اهمیت قرار دارد. در مقایسه با بسیاری از فرآیندهای صنعت فولاد، مصرف آب در این روش پایین بوده و به عنوان عاملی تعیین کننده درنظر گرفته نمی شود. بنابراین می توانیم نتیجه بگیریم که بهترین مناطق احداث این کارخانه از نظر دسترسی به حامل های انرژی، مناطق جنوب شرقی ایران و در حدفاصل استان کرمان با خراسان جنوبی، سیستان و بلوچستان و هرمزگان قرار دارد.

شرکت مهندسی فن آوران رستاپاد مجری طرح تولید آهن اسفنجی به روش کوره تونلی

در این مقاله سعی کردیم از بین عوامل مؤثر بر مکان یابی برای احداث کارخانه کوره تونلی، شرایط تأمین انرژی های مصرفی را بررسی کنیم. موارد بسیاری در این مکان یابی موثرند که مهم ترین آن ها شرایط تأمین مواد اولیه است. همچنین وضعیت حمل و نقل برای انتقال مواد اولیه و فروش محصول و امکان پیاده سازی طرح های توسعه کارخانه در آینده را باید درنظر گرفت.

بنابراین، اگر علاقمند به دریافت اطلاعات بیشتری در این زمینه هستید، با کارشناسان ما تماس بگیرید. در نظر داشته باشید، شرکت مهندسی فن آوران رستاپاد نماینده انحصاری شرکت OTSK، تنها بهرهبردار موفق تولید آهن اسفنجی به روش کوره تونلی در ایران است.

منابع:

[1]  مطالعات طرح جامع فولاد کشور (پایش سال 1399)، شرکت ملی فولاد ایران

میزان دسترسی به مواد اولیه نقشی تعیین کننده در تضمین سوددهی یک طرح تولیدی دارند. به همین دلیل، یکی از سوالاتی که درباره احداث کارخانه کوره تونلی مطرح می شود، نحوه انتخاب موقعیت جغرافیایی مناسب برای دسترسی به مواد اولیه است.

برای آنکه بدانیم سرمایه گذاری روی طرح تولید آهن اسفنجی به روش کوره تونلی، توجیه اقتصادی دارد یا خیر، لازم است مطالعاتی درباره بازار این محصول داشته باشیم. مطالعات بازار، شامل بررسی رقبا و بازار فروش داخلی و خارجی محصول است که در این مقاله به آن‌ها می‌پردازیم.