فولاد

فولاد یکی از مهم­ترین و پرکاربردترین فلزات در دنیا می‌باشد که از حدود 95 درصد آهن، 2 درصد کربن و 3 درصد آلیاژهایی مانند منگنز و کروم تشکیل شده ­است. چنانچه مقدار کربن مصرفی در ساختار فولاد افزایش یابد باعث افزایش مقاومت آن خواهد شد.  فولاد دومین صنعت بزرگ جهان پس از صنعت نفت و گاز می‌باشد و به دلیل اینکه یکی از شاخص‌­های کلیدی در توسعه­‌یافتگی و رشد اقتصادی کشورها محسوب می­‌شود اهمیت بسزایی دارد. لازم به ذکر است که برای فولاد در برخی صنایع مانند خودروسازی از جایگرین‌هایی مانند آلومینیوم نیز استفاده می‌شود. اما با توجه به اینکه برای تولید آلومینیوم برق زیادی مصرف می‌شود و همچنین با در نظر گرفتن این امر که بازیافت فولاد از هر فلز دیگری بیشتر است، هنوز استفاده از فولاد ارجحیت دارد.

مواد اولیه تولید فولاد

 

  1. سنگ آهن

مهم‌ترین ماده اولیه در تولید فولاد سنگ آهن می‌باشد. سنگ آهن یکی از فراوان­ترین عناصر موجود در پوسته زمین است و حدود 5 درصد از پوسته زمین را تشکیل می­دهد . این عنصر به دو صورت سنگ آهن دانه بندی شده و کنسانتره تولید می­گردد،‌ که هر یک از این دو محصول در واحدهای مختلف تولید و فرآوری می شود. صنعت فولاد بزرگترین مصرف‌کننده سنگ آهن است چرا که 98 درصد تولید سنگ آهن جهان را استفاده می کند. در نتیجه میزان تولید فولاد نیاز به سنگ آهن را نمایان می سازد. همچنین در بخش هزینه تولید فولاد، سنگ آهن و زغال سنگ 75 درصد هزینه ها را در بر دارند.

در رابطه با نوسانات قیمت نیز باید گفت از آنجایی که قیمت سنگ آهن بر پایه شاخص قیمت های بین المللی است در نتیجه به دلار امریکا تعیین می گردد از این رو تغییرات نرخ دلار امریکا نیز بر قیمت سنگ آهن تاثیر می گذارد.

  1. گندله آهن

گندله سازی یکی از روش های تبدیل ذرات و نرمه مواد اولیه (کنسانتره) به توده ای متراکم است. گندله محصول نهایی فرایند گندله سازی و ماده اولیه برای فرایندهای تولید اهن خام در کوره بلند و تولید اهن اسفنجی به روش های متعدد احیای مستقیم می باشد. در اصطلاح متداول گندله یعنی گلوله های تولید شده از سنگ اهن و سایر مواد افزودنی که نخست خام و سپس سخت یا پخته می شود و برای احیا به روش سنتی تولید اهن در کوره بلند ( با کمک گندله کوره بلند ) و یا روش های متعدد احیای مستقیم (با کمک گندله احیای مستقیم) به کار می رود.

گندله ماده اولیه برای تولید آهن خام است و لذا باید در کوره های احیا ویژگی مکانیکی، شیمیایی و حرارتی مطلوبی داشته باشد. مواد اولیه برای گندله سازی سنگ های آهن شامل سنگ آهن، مواد افزودنی مانند بنتونیت ، شیر آهک ، مواد آلی، آهک، سیمان و آب می شود.

 

  1. آهن اسفنجی

آهن اسفنجی از احیای مستقیم گندله سنگ آهن به دست می‌آید و عیار آن بین 34 تا 95 درصد است. فرآیند احیای مستقیم سنگ آهن موجب حذف اکسیژن موجود در سنگ آهن شده و سنگ را به صورت ساختار متخلخل اسفنجی شکل در می‌آورد که به همین دلیل به آن آهن اسفنجی می‌گویند. معمولاً آن را به شکل کلوخه یا گندله‌ای شکل تولید می‌کنند و علاوه بر این، به صورت فشرده و بریکت نیز تولید می‌شود که به آن آهن بریکت شده گرم  می‌گویند. آهن بریکت شده گرم معمولاً از طریق فشرده کردن آهن اسفنجی در درجه حرارت حدود 651  درجه سانتی‌گراد به وجود می‌آید و شکل تغلیظ شده و فشرده آهن اسفنجی است که برای انبار کردن و حمل ونقل آسان طراحی و تولید شده است. آهن اسفنجی را می‌توان در کارخانه‌ها و واحدهای فولادسازی که در آنها فرآیند احیا در واحدهای احیای مستقیم در کنار واحد فولادسازی صورت می‌پذیرد، استفاده کرد. آهن اسفنجی به عنوان یک ماده شارژ برای تزریق درکوره‌های احیا و تولید فولاد خام، کاملا خالص و مرغوب محسوب می‌شود.

در مقایسه با قراضه آهن، مزایای استفاده از آهن اسفنجی به جای قراضه در واحدهای احیا عبارتند از:

 

  •   آهن اسفنجی را می توان به عنوان یک خنک‌کننده جایگزین قراضه فولادی در کوره‌های اکسیژنی کرد.
  •   آهن اسفنجی حاوی عناصر زائد موجود در قراضه فولاد مانند مس، روی، قلع و غیره نیست.
  •    آهن اسفنجی نسبت به قراضه دارای عناصر مزاحم )مانند سولفور و گوگرد( کمتری است.
  •    استفاده از آهن اسفنجی در کوره‌های قوس الکتریکی یا القایی امکان استفاده از زغال نامرغوب با خواص واکنشی خوب را فراهم می کند، در حالی که انجام این کار برای فولادسازی سنتی (به کمک کوره بلند و کوره‌های اکسیژن) ممکن نیست.
  •    استفاده از آهن اسفنجی امکان مصرف قراضه نامرغوب به عنوان بخشی از مواد شارژی در فولادسازی الکتریکی بدون تأثیر بر کیفیت فولاد را میسر می‌سازد.
  •    به دلیل ترکیب مشخص آهن اسفنجی، امکان پیش‌بینی دقیق از آنالیز نهایی محصول از ابتدای تغذیه مستمر آهن اسفنجی وجود دارد.
  •    به دلیل اندازه هماهنگ و یکنواخت آهن اسفنجی بهره‌وری تولید افزایش می‌یابد. آهن موجود به صورت اکسید در آهن اسفنجی با حمام کربن واکنش نشان داده که به تأثیر جوشش شدید منتهی شده و موجب انتقال بهتر گرما و شتاب واکنش سرباره فلز طی فولادسازی می‌شود. به همین دلیل همگونی حمام بهبود یافته و میزان هیدروژن و نیتروژن در فولاد کمتر می‌شود و کیفیت فولاد تولید شده را ارتقا می‌بخشد.
  1. آهن و فولاد قراضه

آهن قراضه یکی از ورودی‌های مهم در کوره‌های فولادسازی است و تقریباً تمام روش‌های تولید فولاد نیازمند این ماده اولیه هستند. فولاد یکی از اندک فلزات دارای قابلیت مغناطیسی بوده و از این رو جداسازی قراضه آن از توده مواد زائد و بازیافت آن آسان است . حدود 31 درصد از فولاد مصرف شده در جهان قابلیت بازیافت مناسبی در کوره‌های ذوب دارد.

میانگین بازیافت فولاد از مصالح ساختمانی فولادی بالغ بر 35 درصد، از خودروها 35 درصد، از ماشین آلات 91 درصد و همچنین از تجهیزات الکتریکی و وسایل خانگی حدود 51 درصد است. فولاد بازیافتی )آهن قراضه( را همچنین می‌توان از مواد زائد در کارخانه‌های فولادسازی و ریخته‌گری‌ها )ضایعات داخلی(  یا فرآیند‌های تولید پایین دستی )ضایعات صنعتی(  و محصولات بلااستفاده )ضایعات فرسوده( جمع‌آوری کرد.

  1. زغال‌سنگ و کک

برای احیای آهن نیاز است که اکسیژن را از اکسیدهای آهن موجود در سنگ آهن جدا کرد که ماده انجام این عمل را عامل احیا می‌نامند. تمام واکنش‌های کوره بلند در درجه حرارت‌های زیاد در نتیجه سوختن کک انجام می‌گیرند. برای عمل احیا و ذوب در کوره بلند از کک به دست آمده از زغال‌سنگ استفاده می‌شود. امروزه تقریباً 71 درصد از تولید فولاد در جهان به کک وابسته است. می‌توان از گاز طبیعی و مازوت نیز به مقدار کم به جای کک استفاده کرد. قابلیت احیاکنندگی هیدروژن گاز طبیعی بسیار بیشتر از کربن موجود در کک است. بنابراین سعی می‌شود از تزریق گاز طبیعی در کوره بلند نیز استفاده شود تا به وسیله سوختن آن گاز هیدروژن در کوره بلند تولید گردد. در کوره‌های مدرن امروزی از روش تزریق پودر زغال نیز استفاده می‌شود که این امر مصرف کک را به شدت کاهش داده است.

از آنجا که زغال‌سنگ دارای استحکام کم و ناخالصی بالا ) تقریباً 35 %(  است، نمی‌تواند کلیه شرایط لازم را به عنوان سوخت کوره بلند داشته باشد. بنابراین به کک تبدیل می‌شود تا شرایط لازم ) استحکام کافی، درصد پایین ناخالصی‌ها و ارزش حرارتی بالا ) برای شارژ تزریق(  در کوره بلند را پیدا کند. ارزش حرارتی کک باید حداکثر و رطوبت آن حداقل باشد  )مقدار رطوبت کک بستگی به مدت زمان توقف در برج‌های خاموش‌کننده و همچنین مقدار جذب آب در کک دارد. اگر مقدار رطوبت کک زیاد باشد اثر منفی روی کار کوره بلند دارد، زیرا از به وجود آمدن وضعیت مناسب حرارتی در کوره بلند جلوگیری کرده و راندمان کوره را پایین می‌آورد.

  1. سنگ آهک

سنگ آهک (به فرم آهک زنده و هیدراته) در صنایع تولید آهن و فولاد به  عنوان گدازآور و سرباره ساز و برای جهت حذف ناخالصی‌ها به کار برده می‌شود. علاوه بر این  آهک نپخته برای تولید گندله نیز کاربرد دارد.

  1. آهن خام (چدن مذاب)

چدن مذاب (که به عنوان فلز داغ نیز شناخته می‌شود) محصول میانی ذوب سنگ آهن با کک و سنگ آهک در کوره بلند است. این محصول میانی حاوی مقادیر بالای کربن حدود 5/3 تا 5/4 درصد است که در نتیجه شکنندگی بالا قابلیت استفاده چندانی ندارد. به منظور تبدیل آهن خام به فولاد می‌توان از کوره‌های اکسیژنی، کوره القایی و کوره قوس الکتریکی استفاده کرد.

  1. گندله آهن

گندله سازی یکی از روش های تبدیل ذرات و نرمه مواد اولیه (کنسانتره) به توده ای متراکم است. گندله محصول نهایی فرایند گندله سازی و ماده اولیه برای فرایندهای تولید اهن خام در کوره بلند و تولید اهن اسفنجی به روش های متعدد احیای مستقیم می باشد. در اصطلاح متداول گندله یعنی گلوله های تولید شده از سنگ اهن و سایر مواد افزودنی که نخست خام و سپس سخت یا پخته می شود و برای احیا به روش سنتی تولید اهن در کوره بلند ( با کمک گندله کوره بلند ) و یا روش های متعدد احیای مستقیم (با کمک گندله احیای مستقیم) به کار می رود.

گندله ماده اولیه برای تولید آهن خام است و لذا باید در کوره های احیا ویژگی مکانیکی، شیمیایی و حرارتی مطلوبی داشته باشد. مواد اولیه برای گندله سازی سنگ های آهن شامل سنگ آهن، مواد افزودنی مانند بنتونیت ، شیر آهک ، مواد آلی، آهک، سیمان و آب می شود.

  1. آهن اسفنجی

آهن اسفنجی از احیای مستقیم گندله سنگ آهن به دست می‌آید و عیار آن بین 34 تا 95 درصد است. فرآیند احیای مستقیم سنگ آهن موجب حذف اکسیژن موجود در سنگ آهن شده و سنگ را به صورت ساختار متخلخل اسفنجی شکل در می‌آورد که به همین دلیل به آن آهن اسفنجی می‌گویند. معمولاً آن را به شکل کلوخه یا گندله‌ای شکل تولید می‌کنند و علاوه بر این، به صورت فشرده و بریکت نیز تولید می‌شود که به آن آهن بریکت شده گرم  می‌گویند. آهن بریکت شده گرم معمولاً از طریق فشرده کردن آهن اسفنجی در درجه حرارت حدود 651  درجه سانتی‌گراد به وجود می‌آید و شکل تغلیظ شده و فشرده آهن اسفنجی است که برای انبار کردن و حمل ونقل آسان طراحی و تولید شده است. آهن اسفنجی را می‌توان در کارخانه‌ها و واحدهای فولادسازی که در آنها فرآیند احیا در واحدهای احیای مستقیم در کنار واحد فولادسازی صورت می‌پذیرد، استفاده کرد. آهن اسفنجی به عنوان یک ماده شارژ برای تزریق درکوره‌های احیا و تولید فولاد خام، کاملا خالص و مرغوب محسوب می‌شود.

در مقایسه با قراضه آهن، مزایای استفاده از آهن اسفنجی به جای قراضه در واحدهای احیا عبارتند از:

  •   آهن اسفنجی را می توان به عنوان یک خنک‌کننده جایگزین قراضه فولادی در کوره‌های اکسیژنی کرد.
  •   آهن اسفنجی حاوی عناصر زائد موجود در قراضه فولاد مانند مس، روی، قلع و غیره نیست.
  •    آهن اسفنجی نسبت به قراضه دارای عناصر مزاحم )مانند سولفور و گوگرد( کمتری است.
  •    استفاده از آهن اسفنجی در کوره‌های قوس الکتریکی یا القایی امکان استفاده از زغال نامرغوب با خواص واکنشی خوب را فراهم می کند، در حالی که انجام این کار برای فولادسازی سنتی (به کمک کوره بلند و کوره‌های اکسیژن) ممکن نیست.
  •    استفاده از آهن اسفنجی امکان مصرف قراضه نامرغوب به عنوان بخشی از مواد شارژی در فولادسازی الکتریکی بدون تأثیر بر کیفیت فولاد را میسر می‌سازد.
  •    به دلیل ترکیب مشخص آهن اسفنجی، امکان پیش‌بینی دقیق از آنالیز نهایی محصول از ابتدای تغذیه مستمر آهن اسفنجی وجود دارد.
  •    به دلیل اندازه هماهنگ و یکنواخت آهن اسفنجی بهره‌وری تولید افزایش می‌یابد. آهن موجود به صورت اکسید در آهن اسفنجی با حمام کربن واکنش نشان داده که به تأثیر جوشش شدید منتهی شده و موجب انتقال بهتر گرما و شتاب واکنش سرباره فلز طی فولادسازی می‌شود. به همین دلیل همگونی حمام بهبود یافته و میزان هیدروژن و نیتروژن در فولاد کمتر می‌شود و کیفیت فولاد تولید شده را ارتقا می‌بخشد.
  1. آهن و فولاد قراضه

آهن قراضه یکی از ورودی‌های مهم در کوره‌های فولادسازی است و تقریباً تمام روش‌های تولید فولاد نیازمند این ماده اولیه هستند. فولاد یکی از اندک فلزات دارای قابلیت مغناطیسی بوده و از این رو جداسازی قراضه آن از توده مواد زائد و بازیافت آن آسان است . حدود 31 درصد از فولاد مصرف شده در جهان قابلیت بازیافت مناسبی در کوره‌های ذوب دارد.

میانگین بازیافت فولاد از مصالح ساختمانی فولادی بالغ بر 35 درصد، از خودروها 35 درصد، از ماشین آلات 91 درصد و همچنین از تجهیزات الکتریکی و وسایل خانگی حدود 51 درصد است. فولاد بازیافتی )آهن قراضه( را همچنین می‌توان از مواد زائد در کارخانه‌های فولادسازی و ریخته‌گری‌ها )ضایعات داخلی(  یا فرآیند‌های تولید پایین دستی )ضایعات صنعتی(  و محصولات بلااستفاده )ضایعات فرسوده( جمع‌آوری کرد.

  1. زغال‌سنگ و کک

برای احیای آهن نیاز است که اکسیژن را از اکسیدهای آهن موجود در سنگ آهن جدا کرد که ماده انجام این عمل را عامل احیا می‌نامند. تمام واکنش‌های کوره بلند در درجه حرارت‌های زیاد در نتیجه سوختن کک انجام می‌گیرند. برای عمل احیا و ذوب در کوره بلند از کک به دست آمده از زغال‌سنگ استفاده می‌شود. امروزه تقریباً 71 درصد از تولید فولاد در جهان به کک وابسته است. می‌توان از گاز طبیعی و مازوت نیز به مقدار کم به جای کک استفاده کرد. قابلیت احیاکنندگی هیدروژن گاز طبیعی بسیار بیشتر از کربن موجود در کک است. بنابراین سعی می‌شود از تزریق گاز طبیعی در کوره بلند نیز استفاده شود تا به وسیله سوختن آن گاز هیدروژن در کوره بلند تولید گردد. در کوره‌های مدرن امروزی از روش تزریق پودر زغال نیز استفاده می‌شود که این امر مصرف کک را به شدت کاهش داده است.

از آنجا که زغال‌سنگ دارای استحکام کم و ناخالصی بالا ) تقریباً 35 %(  است، نمی‌تواند کلیه شرایط لازم را به عنوان سوخت کوره بلند داشته باشد. بنابراین به کک تبدیل می‌شود تا شرایط لازم ) استحکام کافی، درصد پایین ناخالصی‌ها و ارزش حرارتی بالا ) برای شارژ تزریق(  در کوره بلند را پیدا کند. ارزش حرارتی کک باید حداکثر و رطوبت آن حداقل باشد  )مقدار رطوبت کک بستگی به مدت زمان توقف در برج‌های خاموش‌کننده و همچنین مقدار جذب آب در کک دارد. اگر مقدار رطوبت کک زیاد باشد اثر منفی روی کار کوره بلند دارد، زیرا از به وجود آمدن وضعیت مناسب حرارتی در کوره بلند جلوگیری کرده و راندمان کوره را پایین می‌آورد.

  1. سنگ آهک

سنگ آهک (به فرم آهک زنده و هیدراته) در صنایع تولید آهن و فولاد به  عنوان گدازآور و سرباره ساز و برای جهت حذف ناخالصی‌ها به کار برده می‌شود. علاوه بر این  آهک نپخته برای تولید گندله نیز کاربرد دارد.

  1. آهن خام (چدن مذاب)

چدن مذاب (که به عنوان فلز داغ نیز شناخته می‌شود) محصول میانی ذوب سنگ آهن با کک و سنگ آهک در کوره بلند است. این محصول میانی حاوی مقادیر بالای کربن حدود 5/3 تا 5/4 درصد است که در نتیجه شکنندگی بالا قابلیت استفاده چندانی ندارد. به منظور تبدیل آهن خام به فولاد می‌توان از کوره‌های اکسیژنی، کوره القایی و کوره قوس الکتریکی استفاده کرد.

زنجیره تولید فولاد از سنگ آهن

ضرایب تبدیل فرآیند تولید فولاد از سنگ آهن به صورت زیر می‌باشد:

روش‌های مختلف تولید فولاد

  • روش کوره بلند کانورتور: در این روش که به روش سنتی تولید فولاد معروف است، آهن خام یا چدن پس از فرآوری به همراه کک و آهک در کوره بلند تولید شده و سپس در یک کانورتور به فولاد مذاب تبدیل می­گردد. در نهایت پس از خالص سازی و خارج کردن کربن،  فولاد خام تولید می‌گردد. لازم به ذکر است که این روش مهم‌ترین روش تولید فولاد در دنیا محسوب می‌شود.
  • روش احیای مستقیم: در روش احیای مستقیم قراضه‌های آهن و فولاد در کوره‌های قوس الکتریکی ذوب شده و پس از افزودن کربن و خارج کردن ناخالصی‌ها فولاد تولید می­‌شود. به جهت اینکه در این روش از گاز طبیعی برای احیای سنگ آهن استفاده می­شود، کشورهایی که به منابع فراوان و ارزان گاز دسترسی دارند، اغلب از این روش استفاده می‌کنند.

نمایش همه جمع کردن