مروری بر تاریخچه ورود صنعت فولاد به ایران (بخش دوم)

*مهندس مجتبی فردیار

مروری بر تولید آهن و فولاد

سنگ آهن – سنگ آهن چهارمین عنصر از نظر فراوانی در پوسته زمین می باشد. بعضی از فراوان ترین مینرال ها در معادن تجاری سنگ آهن عبارتند ازمگنتیت (Fe3O4) با رنگ خاکه سیاه چگالی 3/5 گرم بر سانتی متر مکعب حداکثر72.4 Fe wt  درصد، هماتیت  (Fe2O3) با رنگ خاکه قرمز چگالی 5/5 تا 5/6 گرم بر سانتی متر مکعب حداکثر70 Fe wt درصد ، ژئوتیت  (Fe2O3-H2O) با رنگ خاکه زرد متمایل به قهوه ای چگالی 4/4تا 4برسانتی متر مکعب حداکثر 62.9 Fe wt درصد و سیدریت (FeCO3) با رنگ سفید چگالی 9/3 گرم بر سانتی متر مکعب حداکثر 48.3 Fe wt درصد حداکثر. مهم ترین سنگ آهن های استفاده شده برای تولید آهن مگنتیت و هماتیت می باشد.

تاکنون بیش از 200 کانسار نشانه معدنی و اندیس آهن در ایران شناسایی شده که مجموع ذخائر آن ها بیش از چهار میلیارد تن سنگ آهن برآورد گردیده است. عیار آهن در این ذخائر حدود 55 تا 60 درصد است. از نظر زمین شناسی این ذخائر دارای جایگاه متفاوت سنگان، بافق، زنجان، سرخه دیزج می باشد. حدود 90 درصد ذخائر ایران در سه منطقه معدنی ایران مرکزی با بیشترین تمرکز در منطقه بافق حدود 2 میلیارد تن، منطقه سنندج سیرجان شامل مناطق سیرجان کانسارهای گل گهر با ذخیره احتمالی 2/1 میلیارد تن، شمس آباد اراک با 100 میلیون تن و منطقه همه کسی همدان 50 میلیون تن، شرق ایران حدود 700 میلیون تن شامل کانسارهای سنگان در منطقه تایباد 620 میلیون تن، ده زمان کاشمر حدود 20 میلیون تن و کانسارهای کوچکی چون نیزار و کلات ناصر می باشد.

ذخائر دیگری نیز به طور پراکنده وجود دارند که از نظر اقتصادی قابل توجیه نیستند که از جمله می توان به ناحیه زنجان شابلاغ، سمنان و بندرعباس (لارک هرمز تنگه زاغ) اشاره کرد.

برای سال ها بهترین فولادی که می توانست تولید شود با خرید سنگ آهن گرانقیمت از سوئد به دست می آمد. گرچه در آن سال ها علت معلوم نبود. اما در نهایت مشخص شد که علت آن این است که سنگ آهن سوئدی فسفر کمتری نسبت به سایر سنگ آهن ها دارد. که امکان ساخت ساختارهای کریستالی ریز تر و قوی تر را فراهم می کند.

در قرن 18 میلادی قطع درختان جنگلی در اروپای غربی، آهن سازی با استفاده از زغال چوب را شدیدا گران قیمت ساخت. در 1709 آبراهام داربی ذوب اکسید آهن با استفاده از کک به جای زغال چوب را شروع کرد.

مهم ترین کانسارها و معادن سنگ آهن ایران چغارت با میزان 216 میلیون تن و عیار 41/57  درصد، چادرملو با 400 میلیون تن و عیار 02/51  درصد، سه چاهون با میزان 118 میلیون تن و عیار 53/40 درصد، زرند با 200 میلیون تن و عیار 45 درصد، گل گهر با 185 میلیون تن و عیار 65/56 ، شمس آباد با 48 میلیون تن میزان ذخیره و  عیار 46 درصد و چاه گز با 230 میلیون تن و عیار 03/51 درصد می باشند.

زغال سنگ

زغال  سنگ هایی که در ایران تشکیل شده اند به صورت لایه ای و نازک ( با ضخامت 30 تا 150 سانتی متر ) بوده و در  100 تا 300 متری عمق زمین قرار گرفته اند. شکل ذخائر ایران سبب شده است که در ایران زغال سنگ به سختی استخراج گردد.

میزان ذخائر کانسارهای زغال سنگ در ایران خراسان جنوبی 36/866 میلیون تن که 56/616 میلیون تن کک شو و 81/249 میلیون تن آن حرارتی، مازندران 77/108 میلیون تن که 58/105 میلیون تن کک شو و 18/3 میلیون تن آن حرارتی، کرمان 13/106 میلیون تن که 13/106 میلیون تن کک شو و 01/1 میلیون تن حرارتی، گلستان 74/18 میلیون تن کک شو، سمنان 96/16 میلیون تن که 47/16 میلیون تن کک شو و 49/0 میلیون تن حرارتی، گیلان 52/1 میلیون تن که 52/1 میلیون تن کک شو، آذربایجان شرقی 36/1میلیون تن که 36/0 میلیون تن کک شو و یک میلیون تن حرارتی، آذربایجان غربی 21/0 میلیون تن که 21/0 میلیون تن کک شو،

البرز 06/0 میلیون تن که 06/0 میلیون تن کک شو، خراسان شمالی 06/0 میلیون تن که 06/0 میلیون تن حرارتی، تهران 01/0 میلیون تن که 01/0 میلیون تن کک شو می باشد.

جمع ذخائر زغال سنگ ایران 76/1121 میلیون تن که از این مقدار 2/866 میلیون تن کک شو و 57/255 میلیون تن کک حرارتی می باشد. عناصر تشکیل دهنده زغال سنگ شامل کربن ثابت، مواد فرار، خاکستر، گوگرد و رطوبت می باشد. برای نمونه در بین تمامی معادن ذغال سنگ ایران کربن فیکس زغال سنگ طبس A ( 80 تا 85) ، مواد فرار (5 تا 6 )، خاکستر (10 تا11)، گوگرد (5/1 تا2) و رطوبت (8/0 تا 1) درصد می باشد.

میدان های گازی ایران

میادین گازی ایران با 34 تریلیون متر مکعب رتبه اول میدان های گازی جهان از لحاظ حجم گاز طبیعی جای داده شده در خود دارا هستند. این ذخایر غالبا در میدان گازی، کلاهک های نفتی و یا همراه با نفت در میادین نفتی هستند.

کانه آرایی

کانه آرایی در سه مرحله سنگ شکنی، خردایش، پرعیار کردن، جداسازی مایع از جامد انجام می گردد. در ابتدا سنگ آهن های به دست آمده از منابع مختلف در سنگ شکن خرد شده و ابعاد آن تا 20 تا 25 سانتی متر می باشد. سپس در آسیاب تر ابعاد سنگ آهن کاهش داده می شود. پس از رسیدن به دانه بندی مناسب 50 تا 100 میکرون ناخاصی در جداکننده های مغناطیسی حذف می شوند تا عیار آهن افزایش یابد. درصورتی که عناصری مانند فسفر و گوگرد در کنستانتره وجود داشته باشد از روش فلوتاسیون برای جدایش مواد مزاحم از کنستانتره استفاده می شود. در روش فلوتاسیون از اختلاف خواص شیمیای و فیزیکی سطح مواد برای جدایش آن ها از یکدیگر استفاده می شود. نرمه های سنگ آهن خرد و تمیز شده به صورت لجن می باشند و لازم است در چندین مرحله با تیکنر و فیلتر آب گیری شود.

گندله سازی

ذرات کوچکتر از 200 میکرون که حدود 50 درصد آن دارای سایز 50 میکرون است تبدیل به گندله های خام با دانه بندی 8 تا 16 میلی متر می شود و با خشک کردن و پخت سخت و محکم شده و می تواند به عنوان ماده اولیه در کوره بلند یا واحدهایDRI  ( (Direct Reduced Iron (تولید احیای مستقیم آهن) استفاده شود. نرمه های سنگ آهن عمدتا در حین فرآیندهای انفجار، خردایش و دانه بندی در معدن ایجاد می گردند. 40 درصد از سنگ های استخراج شده از معدن تبدیل به ذرات ریز 3 میلی متر می شود که توسط واحد زینتر سازی قابل استفاده نمی باشد. این مواد ریز تحت فرآیند خردایش  قرار گرفته و در صورت مناسب بودن از لحاظ شیمیائی برای تولید گندله به کار می رود. سایر منابع تامین نرمه سنگ آهن عبارتند از:

واحدهای فرآوری سنگ آهن، مخازن غبارگیرها در معدن سنگ آهن، نرمه های سنگ آهن به وجودآمده از فرآیند دانه بندی در واحد های فولادسازی، نرمه های سنگ آهن جمع آوری شده در غبارگیرهای واحدهای فولاد سازی، لجن اسکروبرها می باشد. گندله گوی های تولید شده از کنسانتره ها و کانه های طبیعی آهن با آنالیزهای شیمیائی متفاوت با خواص زیر می باشد.

ابعاد گندله عمدتا 8 تا 16 میلی متر،تخلخل یکنواخت از 20 تا 30 درصد، درصد آهن بالا (حداقل 63 درصد)، استحکام مکانیکی یکنواخت و بالا، میزان سایش کم.

مواد خام زیر برای تولید گندله شامل نرمه کنسانتره سنگ آهن، چسب و افزودنی ها و آب می باشد. چسب ها مواد مختلفی هستند که در مقادیر کم اضافه می شوند و دارای مزایای بهبود تشکیل گندله خام، بهبود استحکام گندله خام و خشک، استحکام بهتر در دماهای پائین پخت، بهبود خواص گندله می باشد. معمولی ترین چسبی که برای ساخت گندله  به کار می رود بنتونیت می باشد. اجزای اصلی تشکیل دهنده بنتونیت SiO2، MgO، CaO ، Al2O3… بخش های اصلی گندله سازی شامل: آسیاب، میکسر، دیسک، سرند و ماشین پخت می باشد. معمول ترین تجهیز برای تولید گندله خام دیسک گندله سازی است. گندله خام تولیدی برای پخت و افزایش استحکام به بخش پخت انتقال داده می شود. گندله در کوره های عمودی، دوار، بستر متحرک و دایره ای تولید می شود.

برخی از واحدهای گندله سازی کوره های دوار

گندله سازی اردکان در کوره دوار که طول آن 46 متر و قطر آن 6 متر و دارای مشعل برای تولید حرارت و سوخت آن گاز و مازوت می باشد با تولید 4/3 میلیون تن در سال که از سال 1384 که دارای 6 عدد دیسک گندله سازی با قطر دیسک آن 5/7 متر  می باشد.

گندله سازی در کشور بحرین در کوره دوار که طول آن 50 متر و قطر آن 2/7 متر و مشعل برای تولید حرارت و سوخت آن گاز و مازون می باشد با تولید 6 میلیون تن در سال که از سال 1386 که دارای 9 عدد دیسک گندله سازی با قطر دیسک آن 5/7 متر می باشد.

گندله سازی در کشور ونزوئلا در کوره دوار که طول آن 46 متر و قطر آن 6 متر و دارای مشعل برای تولید حرارت و سوخت آن گاز و مازوت میباشد با تولید 3/3 میلیون تن در سال از سال 1373 که دارای 5 عدد دیسک گندله سازی با قطر 5/7 متر می باشد.

مصارف ویژه گندله سازی کوره دوار

سنگ آهن به میزان 1000 تا 1050 کیلوگرم برای هرتن. بنتونیت 5 تا 8 کیلوگرم برای هر تن تولید.  انتراسیت یا کک 5 تا 10 کیلوگرم برای هرتن سنگ آهن هماتیتی. سوخت 190 MCal   برای سنگ آهن هماتیتی.

برق23 KW/t  . آب 0.07 متر مکعب در حالت دریافت کنستانتره مرطوب.

تولید آگلومراسیون (زینتر سازی)

آهک و تبدیل آن به ذرات درشت تر مناسب برای شارژ درون کوره بلند می باشد. از گرمای آزاد شده از احتراق کک درون مخلوط آگلومره استفاده می شود. فرآیند تولید آگلومره شامل مراحل آماده سازی مخلوط، احتراق، تولید، تخلیه آگلومره داغ و خنک کردن آن می باشد. ذرات ریز کک داخل واکنش چسبندگی مایعات ویسکوز به ذرات بزرگتر افزوده می شوند و هنگامی که این مخلوط سنگ آهک وکک حرارت دید ذرات کک سوخته و تولید گرما می کند. گرمای احتراق به قدر کافی هست تا باعث همجوشی سطح ذرات سنگ آهن شود و همجوشی اولیه که در دو ذره سنگ آهن بوسیله پیوند نفوذی به یکدیگر می چسبند سرباره با نقطه ذوب پائین تشکیل شده به دلیل ناخالصی هائی مانند  CaO، SiO2 و ….کمک به ایجاد پیوندهای سرباره­ای می کند که استحکام اضافی برای آگلومره را فراهم کند.

موازنه مواد تولید آگلومراسیون

درصد مواد مورد نیاز برای تولید آگلومراسیون

سنگ آهن 45 ، غبار کوره بلند 8/2، پوسته نورد 8/. ، آهک 7/7، آب 8، کک ریزه 8، دولومیت 7/7 و مواد برگشتی از نوار پخت آگلومراسیون 20 درصد. از این مقدار مواد 2/56 درصد آگلومرات، 8/23 گاز و 20 درصد مواد برگشتی می باشد.

کک سازی

چنانچه زغال سنگ در آتمسفری عاری از اکسیژن حرارت داده شود به کک جامد، گازها و مایعات تبدیل می گردد. در این فرآیند دمای گازهای گرم کننده معمولا  1150 تا 1350 درجه سانتی گراد است که به طور غیر مستقیم زغال سنگ را از 1000 تا 1100 درجه سانتی گراد به مدت 14 تا 28 ساعت حرارت می دهند. مدت زمان ذکر شده به عواملی مانند عرض کوره، چگالی زغال سنگ و کیفیت کک مورد نظر به عنوان مثال برای استفاده در ریخته گری یا کوره بلند بستگی دارد. مهم ترین عامل احیا کننده در تولید فلز کک می باشد که به طور غیر مستقیم با تشکیل منو اکسید کربن و یا به طور مستقیم با استفاده از کربن محتوی موجود در آن، اکسیژن را مصرف می کنند. تبدیل کک به گاز همچنین برای تولید گرما در فرآیند احیا به کار گرفته می شود. کک هم به عنوان ماده ی محافظ و هم به عنوان زمینه ای برای چرخش گازها در ستون مواد عمل می کند. نکته قابل توجه آن است که کک به طور کامل قابل جایگزینی با زغال سنگ یا سوخت دیگر نیست.

تکنولوژی کوره بلند نیاز به کک متالورژی به عنوان ماده اولیه دارد. نقش کک در کوره بلند عبارتست از:

فراهم کردن گرمای مورد نظر، عامل شیمیائی برای احیا سنگ آهن و ایجاد نفوذ پذیری مناسب برای جریان گازها.

مشخصات کک کوره بلند.

رطوبت 5/3 تا 6 درصد، خاکستر13تا 5/15 درصد، مواد فرار کمتر از یک درصد، گوگرد 0.65 درصد و کربن ثابت 79 تا 81 درصد.

تولید آهن اسفنجی

در فرآیند احیاء مستقیم، مواد آهن دارشامل گندله، کلوخه یا نرمه سنگ آهن در حالت جامد و با استفاده از عوامل احیاء کننده جامد با گاز احیاء می گردد. در کوره های ROTARY KILN -HYL- MIDREX- PUROFER و NSC-DR در سال 2018 با درصد های زیر در دنیا تولید گردیده. با روش MIDREX 63.5% – HYL 15.5%

ROTARY KILN 20.2  و سایر روش ها 0.7  درصد می باشد.

تولید آهن اسفنجی براساس نوع فرآیند در سال های 2015-2016-2017 ،  MIDREX  36/149  HYL 97/38 کوره دوارROTARY KILN  75/42 و جمع آن08/231 میلیون تن می باشد.

انرژی مورد نیاز برای فرآیندهای مختلف احیاء مستقیم در سال 1994 در کشور ژاپن :

برای کوره  MIDREX منبع آهن (گندله و کلوخه) انرژی ورودی 2.5 (GCal/t) ، گاز طبیعی 10 (GJ/t) ، زغال صفر کیلوگرم و برق 125 (KWh/t) و کربن محصول % 2-1 و برای کوره HYL منبع آهن (گندله و کلوخه) انرژی ورودی  2.7 (GCal/t) ، گاز طبیعی 10.9 (GJ/t) ، زغال صفر کیلوگرم برق، 85 (KWh/t) و کربن محصول 4-1%  می باشد.

گزینه های مختلف موجود برای تولید آهن

تولید فولاد در کوره های میدرکس- دوار- چرخان- بلند-کورکس تولید می گردد. تولید فولاد در این کوره ها نیاز به سنگ آهن یا کنستانتره با خلوص بالا دارد.

سه روش پایه برای تولید فولاد مذاب به شرح زیر وجود دارد.

روش اول-کوره بلند

کک در کارخانه کک سازی به عنوان عامل احیاء تولید وهمراه با آهک، سنگ آهن و آگلومره که در کارخانه آگلومراسیون تولید شده به کوره بلند بارگیری و چدن تولیدی به کارخانه فولاد سازی با اکسیژن فرستاده می شود. در کارخانه فولادسازی قراضه و فروآلیاژهای مورد نیاز برای تولید فولاد به مذاب اضافه می گردد.

روش دوم-احیاء مستقیم

سنگ آهن، گاز ذغال به کوره احیاء مستقیم بارگیری وآهن اسفنجی تولید شده با قراضه در کوره های قوس الکتریک ذوب و فولاد تولید می گردد.

روش های اول و دوم روش های اصلی برای تولید فولاد در جهان استفاده می شود. روش های کوره بلند و احیاء مستقیم پایه گازی، تفاوت این دو روش نوع محصول تولیدی و نیز مواد اولیه ای است که مصرف می کنند.

روش سوم-ذوب مستقیم با ذوب احیائی

جدیدترین روش می باشد. کیفیت آهن مذاب تولیدی با این روش مشابه محصول روش اول کوره بلند می باشد. همانند روش کوره بلند اکسیژنی Blast Oxygen Furnace(BOF) و Blast Furnace (BF) مقدار قابل توجهی فلز مذاب برای فولادسازی به روش Electric Arc Furnace (EAF) مورد نیاز است. فلز مذاب همواره ورودی عمده در قراضه BOF (90 تا 75 ) درصد از کل شارژ اولیه بوده است.  روش های مدرن EAF علاوه بر قراضه و DRI می توانند 40 تا 45 درصد فلز مذاب مصرف کنند.

در کل روش BF-BOF اولین منبع تولید فولاد در جهان است که حدود 70 درصد فولاد دنیا با این روش تولید می گردد.

ویژگی های خاص روش های مختلف تولید فولاد مذاب

کوره بلند(BOF)-(BF)

مواد اولیه سنگ آهن دانه بندی شده، مخلوط آگلومره، گندله وکک، احیاء کننده کک با کیفیت بالا دارای استحکام بالا در دمای بالا، تکمیل شده با تزریق پودر زغال ، عوامل فرآیند آگلومره کک با استفاده از تزریق اکسیژن.

کوره قوس الکتریکی EAF 

جداسازی قراضه و آماده سازی، احیاء کننده برق و اکسیژن، مراحل ذوب قراضه در EAF با استفاده از برق و اکسیژن.

احیاء مستقیم پایه گازی برای تولید DRI

مواد اولیه وابسته به گندله و کلوخه سنگ آهن ، فرآیند های با قابلیت استفاده از نرمه جدیدا توسعه یافته اند احیاء کننده زغال یا گاز طبیعی ریفورم شده، عوامل فرآیند DRI همراه با قراضه در EAF ذوب می گردد. (گاهی اوقات نیز همراه با مذاب داغ کوره بلند).

احیاء مستقیم پایه زغالی. کوره دوارRotary Kiln 

تکنولوژی کوره دوار کاملا توسعه یافته است. فرآیند کوره گردان در حال توسعه می باشد، مواد اولیه استفاده از کلوخه سنگ آهن و نوع خاصی از زغال، استفاده از گندله. احیاء کننده زغال، مراحل تولید DRI + EAF

انرژی های مورد نیاز برای فرآیند های مختلف احیای مستقیم در سال 1994 در کشور ژاپن

Midrex منبع آهن کلوخه و گندله، ظرفیت تولید واحد یک میلیون تن در سال، انرژی ورودی2.5 GCal/t ، گاز طبیعی10  GJ/t  برق KWh/t 125 .

HYL        منبع مواد اولیه کلوخه و گندله، ظرفیت تولید یک میلیون تن در سال، انرژی ورودی  GCal/t 2.7 ، گاز طبیعی برق GJ/t 10.9  برق KWh/t 85 .

جهت دسترسی به متن کامل این مقاله، بر روی گزینه زیر کلیک نمایید:

مهندس فردیار- تاریخچه صنعت فولاد

---

*کارشناس ارشد صنایع فولاد و فروآلیاژها و چهره ماندگار