در بخش اول این مقاله 4 روش تولید آهن اسفنجی مورد بررسی همه جانبه قرار می گیرد و در بخش دوم مقاله که در آینده نزدیک منتشر می گردد، مقایسه روش های مختلف تولید آهن اسفنجی از نظر سابقه روش ها، ظرفیت روش ها، سرمایه گذاری، مدت زمان پروژه و بهره برداری، محصول، نگهداری و تعمیرات، آلایندگی، مواد اولیه اصلی، امکان تولید برق و هزینه های بالاسری و غیره مورد تحلیل و بررسی قرار می گیرد.

ارزیابی روش های مختلف تولید آهن اسفنجی

(میدرکس، اچ وای ال، SL/RN ، کوره تونلی)

بخش اول

مقدمه

اهمیت آهن و فولاد در توسعه جهانی به قدری است که می توان گفت آهن بنیان تمدن امروزی را تشکیل می دهد. فراوانی، قیمت پایین، قابلیت بازیافت، استحکام زیاد و همچنین قابلیت آلیاژسازی، ویژگی های متنوعی در کاربرد آن ایجاد کرده است. دامنه ی این تنوع از تولید سوزن و سنجاق تا کشتــی های عظیــم الجثـه و آسمان خراش ها گسترش دارد. از آن جا که صنعت تولید فولاد از جمله صنایع به شدت سرمایه بر و نیازمند به تکنولوژی پیش رفته است و به دلیل تأثیر زیادی که بر روی توسعه صنعتی کشورها دارد، صنعت مادر نامیده می شود. طبق استانداردهای جهانی، تولید هر یک میلیون تن فولاد باعث اشتغال زایی مستقیم حدود هزار نفر خواهد گردید. این در حالی است که به طور متوسط، به ازای هر یک نفر که به طور مستقیم در صنعت فولاد شاغل است، 5/3 نفر نیز در صنایع مرتبط با آن مشغول به کار خواهد شد.  

از طرفی رشد صنعت فولاد در بررسی پیشرفت اقتصادی کشورها از اهمیت خاصی برخوردار بوده، میانگین سرانه ی مصرف فـولاد در هر کشور به عنوان یکی از مناسب ترین شاخص ها در جهت شناخت و رتبه بندی کشورها از بعد توسعـــه یافتــگی در نظر گرفته می شود. به عبارت دیگر مصـرف سـرانه ی فـولاد در هر کشور، با سطح سرمایه گذاری ها، اجرای طرح های عمرانی و بالاخره توسعه یافتگی کشورها رابطه ی مستقیم و معناداری دارد چراکه با افزایش درآمد سرانه که از شاخص های توسعــه محسوب می گردد، مصرف سرانه فولاد نیز افزایش می یابد.

با توجه به اهمیت بالای آهن و فولاد، نقش ویژه آن در اشتغال زایی، اهمیت آن در رشد اقتصادی کشورها و نیز با توجه به مزیت های رقابتی که گفته می شود ایران از آن ها بهره مند است، افزایش تولید فولاد مورد توجه ویژه دولت قرار گرفته و برای نیل به این هدف برنامه ریزی های کلانی صورت گرفته است.

با وجود آنکه گزارش ها نشان گر آن هستند که تولید آهن و فولاد در صدر رتبه بندی رقابت پذیری ایران قرار ندارند (به عنوان مثال طبق گزارش منتشره موسسه مطالعات و پژوهش هاي بازرگاني در سال 1388، تولید آهن و فولاد در رتبه سی ام قرار گرفته است) اما وجود مزیت های زیر در ایران باعث شده افزایش تولید آهن و فولاد یکی از برنامه های اصلی و مورد توجه دولت ها باشد:

- وجود منابع غنی سنگ آهن

- وجود منابع غنی گاز

- وجود منابغ غنی زغال سنگ حرارتی

- موقعیت ممتاز جغرافیایی

- وجود نیروی انسانی مورد نیاز

در این راستا، تکنولوژی های مختلف تولید آهن و فولاد مورد بررسی سازمان ها، شرکت های مشاوره، فولادسازان و غیره قرار گرفته تا بهترین راهکارها انتخاب گردند.

با توجه به یکی از معضلات اساسی کشور، یعنی کمبود آب، گروه پاترون اقدام به بررسی راهکاری جهت تولید آهن اسفنجی نموده که کمترین میزان آب ممکن را نیاز داشته باشد. در این بررسی معضلات و موضوعات دیگر از جمله موارد زیر نیز مورد توجه قرار گرفته است:

- وجود معادن پراکنده، با عیارهای متفاوت در کشور

- وجود کارخانجات تولید فولاد در نقاط مختلف کشور که ظرفیت های عمدتا پایینی دارند و با معضل تامین مواد اولیه یعنی قراضه یا ضایعات فولاد روبرو هستند

- نبود زیرساخت لازم در همه نقاط کشور جهت تکمیل زنجیره تولید فولاد در مقیاس های بزرگ و بیش از یک میلیون تن

- مسائل زیست محیطی و آلایندگی کارخانجات تولید آهن و فولاد

در این گزارش به بررسی این راهکار و مقایسه آن با روش های دیگر تولید آهن اسفنجی، که ماده اولیه ذوب در کوره های الکتریکی است می پردازیم. بدیهی است هر راهکار بایستی متناسب با نیازها باشد و توصیه راهکار در این گزارش به معنای رد راهکارهای دیگر به طور کلی نیست.

روش های تولید آهن اسفنجی

روش های تولید آهن اسفنجی (احیای مستقیم سنگ آهن) که در اینجا مورد بررسی قرار می گیرند، از روش هایی انتخاب شده اند که شناخته شده بوده و مراجع آنها موجود و قابل استناد هستند. لذا به بررسی 4 روش مختلف تولید آهن اسفنجی می پردازیم. در این بررسی از مراجع معتبر منتشر شده توسط شرکت های مشاوره از جمله برسو، فولاد تکنیک، وبسایت شرکت آمیار پولاد، میدرکس، اچ وای ال، هوگاناس، اتوتک و غیره استفاده شده است.

1) فرایند میدرکس

ورود شركت ميدركس در فرایند احياء مستقيم را مي توان در كارهاي انجام شده توسط شركت Surface Combustion  در دهه 30 ميلادي رديابي نمود. در سال 59 ميلادي اين شركت به شركت Midland Ross ملحق گرديد، كه در آن شركت فرآيند Heat fast به عنوان طلايه دار فرآيند Fastmet در دست بررسي و توسعه قرار داشت. شركت Surface Combustion  بعدها به شركت ميدركس  (Midrex)  تغيير نام يافت.

اولين واحد احياء مستقيم ميدرکس که در سال 1969 ميلادي در شهر پرتلند ايالت ارگون آمريکا نصب گرديد، داراي دو کوره عمودي با قطر داخلي 7/3 متر بوده و هر يک از کوره ها براي توليد 150 هزار تن آهن اسفنجي در سال طراحي شده بودند. به مرور زمان و با توجه به نياز فولادسازي ها به بار فلزي با کيفيت بالا و قيمت مناسب، شرکت ميدرکس در طول چهل سال گذشته طراحي و احداث واحدهاي بزرگتر را در دستور کار خود داشته و به تدريج کوره هاي عمودي ميدرکس را از قطر داخلي7/3 متر به 25/4 و نهايتاً به 5/7 متر توسعه داده و به صنعت فولاد معرفي نموده است. البته لازم به ذکر است کوره هاي کوچک تر فرآيند ميدرکس همچنان در مدار توليد بوده و به صورت اقتصادي کار مي کنند (واحد هامبورگ HSW و واحد کانادا SIDBEC) اين امر نشان دهنده قابليت اين فرآيند در عرضه ظرفيت هاي مختلف مي باشد.

مختصات اصلی روش ميدرکس به شرح ذيل مي باشد:

الف) سنگ آهن ورودی: سنگ آهن ورودی در این فرایند به صورت گندله پخته شده می باشد و از کلوخه سنگ آهن هماتیتی با عیار بالا و شرایط مناسب نیز میتوان تا حدود معینی با توجه به شرایط آن استفاده نمود.

ب) عامل احیاء کننده: گاز طبیعی شکسته شده پس از فرآیند ریفرمینگ می باشد. در فرآیند میدرکس گاز منو اکسید کربن سهم بیشتری نسبت به گاز هیدروژن در مخلوط گاز احیاء کننده دارد.

ج) نوع کوره احیاء و شرایط آن: کوره میدرکس یک کوره شافت عمودی است که تحت فشار کمی بیش از اتمسفر کار می کند و ورودی و خروجی آن به صورت آببندی دینامیکی بوده و توسط جریان ورود و خروج مواد تنظیم می گردد.

د) درجه حرارت احیاء: حدود 850 تا 920 درجه سانتیگراد

ه) سابقه فرآیند: از حدود سال 1969

و) موقعیت فرآیند: کاملا تثبیت شده و تجاری

ز) ظرفیت فرآیند: کوره میدرکس در ابتدا دارای ابعاد (قطر) کوچکتری بوده و با بهبود تکنولوژی به سمت کوره های با قطر بالاتر و ظرفیت بیشتر توسعه پیدا کرده است. پیدایش نسل کوره های مگا مدول با ظرفیت های سالانه 1.5 میلیون تن و بیشتر نشان دهنده این امر میباشد. البته لازم به تذکر است کوره های کوچکتر فرآیند میدرکس همچنان در مدار تولید بوده و به صورت اقتصادی کار می کنند. این امر نشان دهنده قابلیت این فرآیند در عرضه ظرفیت های مختلف می باشد.

ح)  سهم بازار: حدود 60% کل تولید آهن اسفنجی

2) فرآیند HYL (نسل چهارم) یا Energiron

فرآیند اچ وای ال در طول سالیان گذشته از نظر طراحی پایه فرآیند آن دچار تغییرات نسبتا زیادی شده است نسل اول و دوم این فرآیند بر اساس احیاء مستقیم مرحله ای و با استفاده از کوره در شرایط متفاوت از مرحله ابتدایی احیاء تا مرحله نهایی و تخلیه طراحی شده بود. در سال های اخیر نسل چهارم کوره های اچ وای ال با هدف حذف باکس ریفرمر وارد بازار شده است. این گزارش بر مبنای نسل چهارم این فرآیند تنظیم شده است.

الف) سنگ آهن ورودی: سنگ آهن ورودی در این فرآیند به صورت گندله پخته شده می باشد و استفاده از کلوخه سنگ آهن هماتیتی در حد قابل قبولی با توجه به خصوصیات سنگ امکان پذیر است.

ب) عامل احیاء کننده: در این فرآیند همانند روش میدرکس از گاز طبیعی شکسته شده (ولی با حذف ریفرمر) به عنوان عامل احیاء کننده استفاده می شود همچنین استفاده از بخار آب برای تولید گاز احیایی هیدروژن و افزایش آن در ترکیب گاز احیایی پیش بینی شده است. در این فرآیند میزان هیدروژن در مخلوط گاز احیایی نسبت به مونو اکسید کربن بسیار بیشتر بوده و هیدروژن به عنوان اصلی ترین عامل احیاء کننده عمل می کند.

ج) نوع کوره احیاء و شرایط آن: کوره این روش مشابه کوره شافت عمودی روش میدرکس می باشد. این کوره توسط مکانیزم های مکانیکی (هیدرولیکی) آب بندی شده است و فشار محیط واکنش بسیار بالاتر و تا 7 آتمسفر تنظیم شده است تا سرعت واکنش احیاء مورد نظر بدست آید.

د) درجه حرارت احیاء: حدود 850 تا 870 درجه سانتیگراد

ه) سابقه فرآیند: از حدود سال 2003

و) موقعیت فرآیند: تثبیت نشده ولی تجاری

ز) ظرفیت: ظرفیت کوره های نسل چهارم بر اساس ادعای صاحب دانش فنی آن بر اساس نیاز بازار قابل تنظیم و بسیار متغیر می باشد. در حال حاضر واحدهای 200 الی 800 هزار تن در سال پیشنهاد داده می شود.

ح: سهم بازار: فعلا در حد 4 مدول راه اندازی شده و یا در دست ساخت مي باشد.

3) فرآیند SL/RN و مشابه

این فرآیند از قدیمی ترین روش های احیاء مستقیم محسوب می گردد و ایده ساختار آن بر اساس کوره افقی پخت سیمان طراحی شده است. در این روش ذغال سنگ حرارتی به عنوان ماده احیاء کننده با سنگ آهن مخلوط می شود و در یک کوره افقی آهن اسفنجی تولید می گردد.

الف) سنگ آهن ورودی: در فرآیند میدرکس و یا اچ وای ال عموما استفاده از گندله پخته شده با کیفیت بالا و حداکثر حدود 30% کلوخه سنگ آهن توصیه می شود. در این فرآیند استفاده از کلوخه تا 100% امکان پذیر می باشد و همچنین برخی انواع گندله های خام نیز قابل استفاده خواهند بود. استفاده از سنگ مگنتیتی در این فرایند نیز توصیه نمی شود و این فرایند نیاز به سنگ آهن کلوخه هماتیتی عیار بالا دارد.

ب) عامل احیاء کننده: مزیت این روش امکان استفاده از ذغال سنگ حرارتی با کیفیت نسبتا پایین به عنوان ماده احیاء کننده می باشد. ذغال سنگ در کوره گاز مونو اکسید کربن را تولید می کند و این گاز باعث احیای اکسید آهن می گردد. با وجود درجه حرارت نسبتا بالا در کوره سرعت واکنش نسبتا پایین بوده و کوره ماهیتا دارای ظرفیت پایینی خواهد بود. در این فرآیند گاز هیدروژن وجود ندارد.

ج) نوع کوره احیاء: کوره افقی دوار Rotary Kiln که در فشار کمی بالاتر از اتمسفر کار می کند. کوره اصلی دوار شامل بخش پیشگرم و منطقه احیاء است و گازهای حاصل از واکنش با درجه حرارت حدود 1000 درجه سانتیگراد از آن خارج می شوند و سیستم های بازیافت در آن پیش بینی نشده اند و به همین دلیل عموما از این انرژی برای تولید برق استفاده می شود. بخش خنک کننده کوره یک محفظه کاملا جداگانه است که توسط آب از بیرون خنک می شود.

د) درجه حرارت احیاء: حدود 1000 تا 1100 درجه سانتیگراد

ه) سابقه فرآیند: از حدود سال 1980

و) موقعیت فرآیند: تثبیت شده و تجاری

ز) ظرفیت بهینه: حدود 100 تا 150 هزار تن به ازاء هر مدول

ح) سهم بازار: جمعا حدود از 23% کل تولید آهن اسفنجی

4) فرآیند کوره تونلی

این فرآیند قدیمی ترین روش احیاء مستقیم محسوب می گردد. در این روش ذغال سنگ حرارتی به عنوان ماده احیاء کننده با سنگ آهن مخلوط می شود. گاز طبیعی دمای مورد نیاز احیا را به وجود می آورد و عمل احیا در بوته های کارباید سیلیسیوم در یک کوره تونلی انجام می گیرد.

الف) سنگ آهن ورودی: سنگ آهن هماتیت یا مگنتیت به صورت نرمه با عیارهای ترجیحا بالا مثل 65%.

ب) عامل احیاء کننده: مزیت این روش امکان استفاده از ذغال سنگ حرارتی با کیفیت نسبتا پایین به عنوان ماده احیاء کننده می باشد. ذغال سنگ در کوره گاز مونو اکسید کربن را تولید می کند و این گاز باعث احیای اکسید آهن می گردد. دمای مورد نیاز جهت احیاء بر خلاف روش SL/RN از زغال نبوده، بلکه از گاز طبیعی به کمک مشعل ها به دست می آید. لذا آلایندگی در این روش بسیار پایین است.

ج) نوع کوره احیاء: کوره تونلی. کوره تونلی شامل سه بخش پیشگرم، منطقه احیاء و خنک سازی است  

د) درجه حرارت احیاء: حدود 1200 تا 1250 درجه سانتیگراد

ه) سابقه فرآیند: از حدود سال 1908 (بیش از 100 سال)

و) موقعیت فرآیند: تثبیت شده و تجاری

ز) ظرفیت بهینه: حدود 50 هزار تن به ازاء هر مادول

ح) سهم بازار: جمعا حدود 5% کل تولید آهن اسفنجی

نکات

1) صرف نظر از فرآيند توليد، معمولاً 65 تا 75 درصد از هزینه تولید آهن اسفنجی مربوط به هزينه مواد مصرفي فرآيند است لذا جهت بهبود و ارتقاي اقتصادي فرآيندهاي احياء تلاش مي شود كه هر چه بيشتر سنگ آهن ريزدانه (Fine Ore) جايگزين درشت دانه (Lump Ore) گردد و از سوخت ارزان قيمت مثل خرده زغال و يا گازهاي ضايعاتي و برگشتي استفاده شود. (برگرفته از گزارش شرکت برسو که در دومین همایش چشم انداز صنعت فولاد ارائه گردید.)

2) در ایران سنگ آهن هماتیتی کلوخه (درشت دانه) پر عیار (بالای 63%) به سادگی قابل تامین نیست. لذا روش هایی که این نوع ماده اولیه مورد نیاز است به هیچ وجه توصیه نمی گردند. روش های گازی میدرکس و اچ وای ال نیز بایستی از گندله استفاده نمایند و روش کوره دوار SL/RN نیز نیازمند گندله خواهد بود.

3) کمبود گندله در سال های اخیر منجر به واردات این ماده اولیه از خارج از کشور شده است. به عنوان مثال شرکت فولاد مبارکه در سال 1393 حدود 3 میلیون تن گندله وارد کشور نموده است. با وجود سرمایه گذاری زیادی که روی تولید گندله در سال های اخیر شده است همچنان در تولید این ماده کمبود وجود داشته، علی رغم آنکه در سال های آتی کارخانه های تولید گندله وارد زنجیره تولید فولاد خواهند شد، عموما به دلیل آنکه در کنار این کارخانجات، کارخانه های تولید آهن اسفنجی طراحی گردیده اند، عرضه آن به بازار محدود خواهد بود.

4) لذا در همه روش های ذکر شده، به جز کوره تونلی، که نیازمند کلوخه هماتیتی عیار بالا و یا گندله هستند، بایستی کارخانجات تولید آهن اسفنجی را به همراه کارخانه گندله سازی طراحی و اجرا نمود و اجرای صرف کارخانه تولید آهن اسفنجی به هیچ وجه توصیه نمی گردد.

در نتیجه از حیث تامین مواد اولیه می توان روش های مختلف را بر اساس جدول شماره 1 دسته بندی کرد:

5) با وجود آنکه گاها برخی افراد و شرکت ها ادعا می کنند در روش تولید پیشنهادی آنها، امکان استفاده از سنگ آهن با عیارهای پایین مثلا 60% وجود دارد، باید به این نکته توجه کرد که اگرچه تقریبا هر نوع سنگ آهن با هر عیاری در عمل احیاء مستقیم تبدیل به آهن اسفنجی با عیار بالاتر می گردد، اما محصول تولیدی الزاما قابل استفاده نخواهد بود. این یعنی نمی توان مثلا در فرایند کوره دوار از سنگ آهن با عیار 60% ، آهن اسفنجی مشابه فرایند میدرکس که از سنگ آهن 66% استفاده می کند تولید نمود و آهن اسفنجی تولیدی از سنگ آهن با عیارهای پایین تر از 65% عملا کیفیت لازم جهت استفاده در کوره های الکتریکی را ندارد.

6) عامل احیاء کننده در روش میدرکس و اچ وای ال گاز طبیعی است که با توجه به وجود منابع آن در ایران یک مزیت محسوب می گردد. در روش SL/RN از زغال سنگ حرارتی به عنوان ماده احیاء کننده استفاده می شود که در مقایسه با گاز طبیعی گرانتر خواهد بود. مزیت گاز طبیعی حتی در صورت حذف یارانه نیز همچنان باقی می ماند. البته در روش کوره تونلی از هر دو عامل، یعنی گاز طبیعی (جهت ایجاد گرما) و زغال سنگ، به عنوان عامل احیاء کننده استفاده می گردد.

استیل پدیا | مرجع خبر و تحلیل صنعت فولاد ایران و جهان