نگاهی به مراحل فنی تولید گندله در ایران
گندله را چگونه می‌سازند
چندی قبل در مقاله‌ای از سوی سیدتقی نعیمی استاد دانشگاه روش‌های مختلف تولید صنعتی گندله در ایران و جهان مورد بررسی فنی و اقتصادی قرار گرفت.
به گزارش استیل پدیا، در ادامه این مبحث به آماده سازی مواد اولیه برای تولید گندله اکسیدآهن، عوامل موثر برای اتصال ذرات آهن‌دار برای تولید گندله، تولید گندله با استفاده ازمخروط گندله سازی، پختن گندله خام (پلت سبز) تولیدی و مرحله خشک کردن گندله سبز می‌پردازیم.
آماده سازی مواد اولیه برای تولید گندله اکسیدآهن
مواد اولیه تهیه شده (شامل کنسانتره سنگ آهن و افزودنی‌ها از قبیل بنتونیت، آهک و...) با داشتن رطوبت بهینه مورد نیاز در داخل دیسک یا استوانه در اثر چرخش به گندله تبدیل می‌شوند.برای صرفه جویی در مصرف حامل‌های انرژی از استخراج سنگ آهن تا تولید محصولات فولادی به ازای هر تن تولید فولاد باید تلاش شود عیار آهن کنسانتره سنگ‌آهن را به مرز ۷۲/۴ درصد یا هماتیت ۶۹/۹۴ درصد استخراج شده از معادن برسد.
در فهرست میانگین درصد عناصر موجود در کنسانتره تولیدی استرالیا که در ۱۰ سال اخیر به‌طور میانگین سالانه ۱۰۰میلیون تن کنسانتره با مشخصات مندرج در جدول را تولید کرده و صادر می‌کنند همراه با میانگین آنالیز گندله تولیدی در سال ۱۳۹۳ در «چادرملو» و «مجتمع فولاد مبارکه» آورده شده است.در۱۰ سال اخیر با توجه به همکاری معدن و دانشگاه در ارتباط با افزایش عیار کنسانتره‌های تولیدی معادن ایران پیشرفت‌هایی به‌دست آمده است و فاصله درصد عیار آهن کنسانتره‌های مصرفی برای تولید گندله و درنهایت تولید آهن اسفنجی نسبت به سایر کشورها کمتر شده است.
عوامل موثر در اتصال ذرات آهن دار برای تولید گندله
نیروی مکانیکی ناشی از فشرده شدن و چرخش گندله به وجود آمده در داخل دیسک یا استوانه تولید گندله، کشش سطحی آب و نیروی مویینگی آب و مواد چسبنده از قبیل بنتونیت، آهک و دولومیت از جمله این عوامل محسوب می‌شود. زمانی که به کنسانتره سنگ آهن مقداری آب اضافه می‌شود اطراف هر ذره به وسیله لایه نازکی از آب احاطه می‌شود. ذرات پودری که در کنار هم قرار دارند بین مایع اطراف آنها به دلیل وجود کشش سطحی پل به وجود می‌آید. به طور خلاصه مکانیزم تشکیل گندله را می‌توان شامل ۲ مرحله دانست: ایجاد هسته یا جوانه اولیه؛ این جوانه به احتمال زیاد در محل افزودن آب در داخل دیسک تشکیل می‌شود و رشد هسته اولیه و تشکیل گندله خام که در این مرحله جوانه اولیه رشد می‌کند.
محققان عواملی مانند چسبیدن ذرات بسیار ریز به هسته‌های تشکیل شده، چسبیدن هسته‌های تشکیل شده به یکدیگر، شکسته شدن بعضی از پل‌ها و چسبیدن آنها به دور هسته دیگر و ساییده شدن و از بین رفتن پل‌های ضعیف تر و بزرگتر شدن گندله‌های خام با استحکام بیشتر را در مکانیزم تشکیل گندله خام موثر می‌دانند.براساس نظریه بسیاری از محققان، لوله‌های مویین داخل گندله که با مواد چسبنده به صورت مایع پرشده‌اند، به طورکلی سبب به هم پیوستگی دانه‌های کانی آهن به یکدیگر می‌شوند.
نیروی متصل کننده ذرات به یکدیگر از ۲ عامل، فشار هیدرواستاتیکی و تنش سطحی مایع تشکیل شده است. همان طوری که گفته شد برای تولید گندله و کنسانتره با دانه بندی بهینه، اکسید آهن از یک معدن یا مخلوطی از معادن مختلف باید دارای رطوبت بهینه‌ای که به صورت تجربی مشخص می‌شوند، باشد. حدود این رطوبت برای سنگ‌های معادن مختلف بین ۸ تا ۱۰ درصد است. اگر میزان آب گندله کافی نباشد تشکیل هسته و رشد آن امکان پذیر نخواهد بود، چنانچه میزان آب موجود از حد معینی بیشتر شود سبب کلوخه شدن غیریکنواخت ذرات گندله می‌شود و هرچه قابلیت خیس شدن ذرات گندله به مایع مرطوب کننده بیشتر باشد قابلیت گندله شدن آن ذرات زیادتر خواهد بود.
تولید گندله با استفاده ازمخروط گندله سازی
تا سال ۱۹۴۹م فقط با استفاده از مخروط گندله سازی، گندله اکسیدآهن در دنیا تولید می‌شد. این مخروط ناقص دارای زاویه ۵ تا ۱۰ درجه نسبت به سطح افق است و حول محور خود دوران است. در هنگام دوران و اضافه کردن آب، ذرات گندله تجمع پیدا کرده و به مرور با توجه به ریزش مواد و اضافه کردن آب رشد می‌کند. گندله‌های تولید شده به این روش پس از مدتی با ابعاد مختلف از محفظه خارج می‌شوند.
گندله‌های خارج شده دارای ابعاد یکسان نبوده و باید برای جدا کردن گندله‌های ریز و خیلی درشت غربال شوند. سرعت دوران مخروط تولید گندله باید حدود ۲۵ تا ۳۵ درصد سرعت بحرانی انتخاب شود (سرعت بحرانی سرعتی است که در آن مواد تشکیل دهنده گندله به علت نیروی گریز از مرکز به دیواره مخروط می‌چسبد و عمل چرخش مواد در داخل مخروط انجام نمی‌شود).به علت مشکلاتی که تولید گندله اکسید آهن با این روش داشته و دارد محققان سیستم استفاده از دیسک (بشقاب) گندله‌سازی را تکامل بخشیدند.
این دیسک که در شکل ۱ دیده می‌شود دارای لبه‌ای با ارتفاع معین است که معمولا با افق زاویه ۴۵ درجه دارد و با سرعت حدود ۳ تا ۱۲ دور در دقیقه دوران می‌کند.امروزه به طور عمده گندله‌های تولیدی اکسیدآهن در مقیاس صنعتی در دیسک تولید می‌شود. ارتفاع لبه دیسک ۳۰ تا ۴۰ سانتی‌متر، قطر دیسک از ۴ تا ۷/۵ متر(قطر دیسک‌های مجتمع فولاد مبارکه و گل‌گهر ۷/۵ متر است) همراه تجهیزات لازم برای شارژ مواد به‌وسیله نوار نقاله در مکان مناسبی از دیسک، همچنین تیغه خراشنده نیز با ارتفاع معینی از سطح دیسک تعبیه شده که در داخل دیسک می‌چرخد.
به علت چرخش تیغه‌ها از تجمع مواد در کف دیسک جلوگیری می‌شود، کنسانتره‌ای که به داخل دیسک وارد شده دارای حدود ۸۵ درصد رطوبت بهینه لازم برای تشکیل گندله است در این سیستم افشانک‌هایی روی دیسک‌ها در نظر گرفته شده که رطوبت بهینه برای تشکیل گندله را با پاشش آب تکمیل می‌کنند.با تغییر نحوه پاشش آب می‌توان گندله‌های ریز یا درشت‌تر تولید کرد. چرخش تیغه‌های نصب شده در داخل دیسک جریان حرکت مواد روی دیسک را کنترل می‌کند. گندله‌های تولید شده پس از رسیدن به ابعاد مورد نظر از قسمت پایین دیسک خارج شده و روی نوار نقاله‌ای ریخته می‌شوند. نوار نقاله، گندله‌های خام تولیدی را برای پختن و سخت شدن به تجهیزات پخت گندله می‌برد.
پختن گندله خام (پلت سبز)
گندله‌های خامی که از دیسک‌های تولید گندله خارج می‌شوند را به علت نداشتن مقاومت کافی نمی‌توان در کوره بلند یا احیای مستقیم مصرف کرد. گندله خام استحکام مکانیکی لازم برای تحمل شرایط حمل‌ونقل به واحدهای احیای مستقیم یا کوره بلند را ندارد. علاوه بر این به علت فشار بار بالای گندله خام موجود در کوره‌های احیای مستقیم یا کوره بلند در عمل گندله‌ها خرد شده و مشکلاتی در جریان احیا به وجود خواهند آورد که مهم ترین آنها کاهش شدید بازدهی تولید در کوره‌های احیای مستقیم و خفگی کوره بلند است.
استحکام فشاری بهینه برای گندله‌های خام با قطر ۹ تا ۱۳ میلی‌متر حدود ۱۵۰ تا ۴۰۰ کیلوگرم است.برای افزایش استحکام فشاری گندله‌های خام و تحمل پذیری شرایط حاکم بر کوره‌های احیای به وسیله گندله‌های خام ۱۰۰درصد گندله‌های تولیدی در سطح جهان را در فرآیند خشک کردن، پیش گرم کردن، پختن و سرد کردن به گندله‌های پخته شده قابل مصرف در احیای مستقیم یا کوره بلند تبدیل می‌کنند. گندله‌های پخته شده تولیدی در جوار معادن به سهولت و با هزینه کمتر از کنسانتره قابل حمل در مسافت‌های طولانی به عنوان مثال از استرالیا یا برزیل به چین یا اروپا می‌باشند. گندله‌های پخته شده را می‌توان به مدت طولانی در فضای سرباز بدون تغییر خواص کاربردی انبار و نگهداری کرد.
مرحله خشک کردن گندله سبز
هدف در این مرحله خشک کردن کامل گندله نیست. درجه حرارت خشک کردن گندله خام باید طوری انتخاب شود که از تبخیر سریع رطوبت که سبب ترک برداشتن گندله می‌شود، جلوگیری شود. درجه حرارت و سرعت خشک کردن به نوع کانی که کنسانتره از آن تشکیل شده است، بستگی دارد. به عنوان گندله‌های خام مگنتیتی را می‌توان برحسب مورد با هوای گرمی که دمای آن حدود ۴۰۰ درجه سانتی گراد باشد در خط تولید صنعتی خشک کرد. در صورتی که گندله‌های خام هماتیتی را نمی‌توان با حرارت هوای گرمی که دمایی بیشتر از حدود۳۰۰ درجه سانتیگراد داشته باشد، خشک کرد.
به طور معمول برای جلوگیری از تجمع رطوبت در لایه زیرین گندله در اشل صنعتی گاز خشک کننده را با حرارت بهینه که برای هر گندله خامی به صورت تجربی به‌دست می‌آید از پایین به بالا می‌دمند. حرارت خروجی هوای خشک کننده باید از نقطه تشکیل شبنم حدود ۲۰ درجه سانتیگراد بیشتر باشد. هدف اصلی از خشک کردن گندله در این مرحله حذف رطوبت است نه آب تبلور موجود درگندله خام.
مرحله پیش گرم کردن
گندله‌های خشک شده را در خط تولید تا حدود ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد برحسب نوع گندله حرارت می‌دهند. در این مرحله تجهیزات صنعتی از قبیل دمنده‌ها و سرعت حرکت گندله خام در خط تولید صنعتی و... باید طوری طراحی شوند که تمامی گندله‌های خام به طور یکنواخت گرم شوند.پیش گرم کردن گندله خام از پخت سریع گندله که سبب ایجاد ترک و متلاشی شدن گندله در خط تولید صنعتی می‌شود جلوگیری می‌کند. در مرحله پیش گرم کردن، اکسیداسیون قسمتی از مگنتیت به هماتیت، اکسیداسیون گوگرد، تجزیه کربنات ها، تجزیه هیدرات‌ها چنانچه در مخلوط کنسانتره تشکیل دهنده گندله خام موجود باشند انجام می‌شود. علاوه بر این سبب ایجاد باندهای اکسیدی جامد و رشد دانه‌ها می‌شود.
مرحله پخت گندله
در خطوط صنعتی تولید گندله بعد از خشک شدن و پیش گرم شدن، مرحله پخت قرار دارد. حداکثر درجه حرارت در این مرحله باید حدود۵۰ درجه سانتیگراد کمتر از حرارت شروع خمیری شدن اجزای متشکله گندله خام شده باشد. این حرارت نیز بر حسب نوع کانی که پس از تغلیظ به گندله تبدیل شده همچنین فناوری خط تولید صنعتی به صورت تجربی با آزمایش‌های زیاد مشخص شود. در صورت تغییر نوع کنسانتره‌ای که به گندله تبدیل شده است حرارت در مرحله خشک کردن، سرعت خشک کردن، حرارت مرحله پیش گرم، سرعت پیش گرم کردن، حرارت مرحله پخت و سرعت انجام پخت، مشخص شود.
عوامل موثر بر کیفیت گندله تولیدی در ابعاد صنعتی
بر حسب نوع کانی به طور عمده ۸۰ درصد دانه‌بندی مواد اولیه مورد استفاده برای تولید گندله اکسید آهن باید حدود ۴۰ میکرون باشد. دانه بندی ذرات تشکیل دهنده گندله هرچه درشت تر باشد استحکام گندله تولیدی کمتر خواهد بود.عیار آهن کنسانتره مصرفی برای تولید گندله برای مصرف برای تولید آهن اسفنجی هرچه به مرز تئوری درصدآهن در هماتیت یا مگنتیت بر حسب کانی نزدیک‌تر باشد، بهتر است. عیار آهن کنسانتره مصرفی تولید گندله برای مصرف در کوره بلند برحسب درصد مصرف گندله نسبت به کل بار آهن‌دار کوره بلند می‌تواند متفاوت باشد.
به طور عمده میانگین درصد عیار آهن گندله‌های مصرفی در کوره بلند حدود ۶۵ درصد است. چنانچه در کنسانتره تولیدی، گوگرد، اکسید سدیم و پتاسیم وجود داشته باشد مشکلاتی در فرآیند پخت گندله و به ویژه در کوره‌های احیای مستقیم چنین گندله‌هایی به وجود خواهند آورد.علاوه بر این چنانچه فسفر در کنسانتره‌ای که به گندله تبدیل می‌شود وجود داشته باشد مشکل چندانی در مرحله پخت گندله و تولید آهن اسفنجی از آن به وجود نخواهد آورد ولی در مرحله تبدیل آهن اسفنجی به فولاد یا تبدیل گندله مصرفی به آهن خام مذاب در کوره بلند مشکلات زیادی را به وجود خواهد آورد.
وجود فسفر در فولادهای تولیدی از این گندله‌ها علاوه بر اینکه خواص مفید مصرفی فولاد را کاهش می‌دهد، حساسیت به ترکیدگی در سرمای زیرصفر را در این فولادها افزایش می‌دهد.گندله تولیدی خام باید شرایط خط تولید صنعتی پخت گندله را تحمل کنند. علاوه بر این با توجه به خواص مورد انتظار فولاد تولیدی از گندله پخته شده قبل از تولید گندله خام به کنسانتره اکسیدآهن موادی اضافه می‌کنند. مهم ترین مواد افزودنی، آهک است که به صورت‌های مختلف به عنوان مثال آهک خام که در گندله سازی فولاد اهواز به کنسانتره اضافه می‌شد یا آهک پخته به صورت دوغاب به کنسانتره اضافه می‌شود.
آهک درجه تجزیه هماتیت را کاهش می‌دهد، بنابراین استحکام گندله تولیدی در حرارت کمتر به وجود خواهد آمد. همچنین در اثر افزایش آهک، فریت کلسیم تشکیل می‌شود که سبب تبدیل سریع‌تر و بهتر هماتیت هگزاگونال (آلفا) به هماتیت مکعبی (گاما) می‌شود. همچنین آهک درصد نهایی «FeO» در گندله پخته شده را کاهش می‌دهد. وجود «FeO» در گندله پخته شده استحکام نهایی آن را کاهش خواهد داد. آهک سبب افزایش استحکام گندله پخته شده می‌شود زیرا اکسیداسیون مگنتیت به هماتیت، در اثر افزایش آهک و ایجاد فاز شیشه ای، بهتر انجام می‌شود. علاوه بر این مصرف آهک برای تولید گندله سبب می‌شود به علت جلوگیری از رشد تک کریستال‌های نازک آهن از افزایش حجم گندله در هنگام احیا (تورم) جلوگیری شود.
بنتونیت
بنتونیت به طورعموم به علت خواص آبدوست بودن ممتاز آن درتولید گندله به عنوان مواد چسبنده استفاده می‌شود که استحکام گندله خام را افزایش می‌دهد. علاوه بر این گندله‌های خامی را که بنتونیت به مواد اولیه آهن دار تشکیل دهنده آن افزوده شود، می‌توان با سرعت بیشتری خشک کرد.اجزاء متشکله بنتونیت به طور عمده اسیدی هستند. بنابراین همراه مصرف بنتونیت برای جلوگیری از مشکلاتی که سیلیس در فرآیند پخت گندله در اشل صنعتی به ویژه در سیستم دوار پخت به وجود خواهد آورد به اجبار مقادیر بیشتری آهک به کنسانتره‌های آهنی که بنتونیت دارند، باید اضافه کرد.
ارزیابی خواص گندله‌های پخته شده
با انجام آزمایش‌هایی معمولاً خواصی مانند ترکیب شیمیایی، دانه بندی، تخلخل، استحکام، سطح ویژه، تورم، احیا پذیری، مقاومت به سایش و خرد شدن گندله پخته شده را اندازه گیری می‌کنند. زیرا هر یک از این فاکتورها نقش مهمی در کیفیت، میزان تولید و موارد مصرف گندله پخته شده دارند. به عنوان مثال اگر مقاومت فشاری گندله پخته شده به میزان کافی نباشد درصد نرمه تولیدی در هنگام احیا زیاد خواهد شد. علاوه بر این احیاپذیری و بازدهی تولید در کوره‌های احیا کاهش خواهد یافت. چنانچه تورم گندله پخته شده در هنگام احیا بیش از حد مجاز باشد به علت چسبندگی گندله‌ها و زینتر شدن آنها اختلالاتی در سیستم احیا به وجود خواهد آمد.
روش‌های صنعتی پخت گندله
ظرفیت روش‌های مختلف تولید جهانی گندله در سال ۲۰۰۷م آورده شده است. حدود ۵۵/۶ درصد گندله تولیدی دنیا در سال ۲۰۰۷م به روش باند متحرک (لورگی) مشابه سیستم مورد استفاده در مجتمع فولاد مبارکه، مجتمع فولاد اهواز، تولید گندله درگل‌گهر و.... و حدود ۳۷/۷ درصد آن به روش مجموعه باند متحرک وکوره دوار (آلیس چالمرز) مشابه سیستم گندله سازی چادرملو در دنیا در سال ۲۰۰۷م تولید شدند. با توجه به اینکه خطوط گندله سازی زیادی بعد از سال ۲۰۰۷م در سطح جهان به بهره برداری رسیدند هم‌اکنون حدود ۶۵ درصد گندله‌های تولیدی دنیا به روش لورگی و حدود ۳۲ درصد به روش آلیس چالمرز و حداکثر ۳ درصد به سایر روش‌ها تولید می‌شود. به ۲روش لورگی و آلیس چالمرز در اشل صنعتی در ایران گندله پخته شده تولید کردند.
تولید گندله پخته شده به روش شبکه باند متحرک (لورگی)
در سیستم لورگی ابتدا مقداری گندله پخته شده با دانه بندی معین در کف واگن ریخته می‌شود. این لایه به عنوان بالشتک مانع از وارد شدن ضربه به گندله‌های خام در هنگام تخلیه روی نوار نقاله می‌شود و همچنین از چسبیدن گندله‌های پخته شده به کف و بدنه واگن جلوگیری می‌کند. برای اینکه گندله خام با کف و کناره خط در تماس نباشد باید همزمان با تخلیه گندله خام روی خط زنجیر مشابه کف خط، کناره‌های واگن نیز با گندله پخته شده پر شوند.بنابراین برای پرکردن باند از گندله خام باید از ۳سیستم شارژ مختلف همزمان استفاده کرد. یک سیستم، گندله خام را در وسط باند روی گندله پخته موجود تخلیه می‌کنند. ۲ سیستم دیگر همزمان اقدام به تخلیه گندله پخته در کناره‌های باند می‌کنند.
واگن‌های پرشده از گندله‌های خام وارد منطقه خشک، پیش گرم، پخت و سرد شدن را با سرعت معینی طی می‌کنند و گندله پخته شده از واگن‌ها تخلیه می‌شود. طول خط سخت کردن گندله «گل‌گهر» حدود ۱۵۶ متر است و با استفاده از تجهیزاتی مانع ورود یا خروج هوا کنترل نشده در کوره پخت گندله می‌شوند. در قسمت نخست مدار پخت هوا با دمای حدود ۳۰۰ درجه از زیر به کف واگن دمیده می‌شود تا قسمت عمده رطوبت گندله‌های خام تبخیر شود. سپس از بالا هوای گرم دمیده می‌شود. با پیشروی واگن در کوره پخت به‌تدریج هوای گرم را از بالا دمیده و تلاش می‌کنند بدون استفاده از مشعل دمای گندله داخل واگن را تا حدود ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد افزایش دهند.
پس از آنکه دمای گندله‌ها داخل واگن به حدود ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد رسید برای پختن آنها از حرارت تعداد زیادی مشعل استفاده می‌شود (تعداد مشعل گندله سازی مبارکه ۴۴ عدد و تعداد مشعل‌های گندله سازی گل‌گهر ۳۴ عدد است). حرارت بهینه پخت گندله برحسب کنسانتره‌های مختلف متفاوت است چنانچه گندله‌های خام موجود در واگن‌ها مگنتیتی باشند در دمای حدود ۸۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد مگنتیت به هماتیت تبدیل شده و شکل کریستالی آنها تغییر می‌کند.این تغییر فاز گرمازا است.
چنانچه گندله‌های خام موجود در واگن‌ها هماتیتی باشند به علت تغییر نکردن فاز در این محدوده حرارتی برای پخت گندله انرژی بیشتری نیاز است. برای تامین این انرژی می‌توان در هنگام تولید گندله خام از کنسانتره هماتیتی حرارت مشعل‌های این منطقه را افزایش داد یا درصد کمی نرمه کنسانتره زغال سنگ را با کنسانتره هماتیتی قبل از تولید گندله خام مخلوط کرد. به علت سوختن نرمه کک حرارت ایجاد شده به انرژی که از مشعل‌ها به دست می‌آید کمک می‌کنند. چنین گندله پخته شده‌ای خلل و فرج بیشتری هم خواهد داشت و آسان‌تر قابل احیا هستند.
- بهناز صفری -
استیل پدیا | مرجع خبر و تحلیل صنعت فولاد ایران و جهان