اثرات کیفیت آهن قراضه بر روی تولید فولادسازی (بخش اول)

اثرات کیفیت آهن ضایعات بر روی تولید فولادسازی : فراوری ضایعات به صورت سیستماتیک و مدرن، با ابزار و تجهیزات استاندارد که منجر به تولید محصولی استاندارد با تعاریف دقیق و مشخص داشته باشد، از نیازهای صنعت فولاد ایران است. تولیدکنندگان فولاد با استفاده از روش های مختلفی درصدد کاهش میزان مصرف انرژی و بهره وری بالاتر و همچنین افزایش کیفیت محصولات خود هستند. از این رو کارشناسان با بررسی جزئیات و استاندارها با توجه به نوع مواد اولیه ( آهن قراضه - آهن اسفنجی ) بدین منظور راه های متفاوتی را پیشنهاد میکنند. جهت بررسی اثرات کیفیت آهن قراضه بر روی محصولات فولادی میزگردی با همت آقای مهندس سید تقی مرتضویان از کارشناسان با تجربه صنعت فولاد و قراضه در گروه تخصصی آهنگان ترتیب داده شد تا بهمراه آقای مهندس حسام ادیب مدیریت شركت پاترون این موضوع مورد بررسی قرار گیرد.

وقتی صحبت از کیفیت قراضه آهن می شود چه نکاتی مدنظر است؟

در مورد کیفیت قراضه آهن ، تعاریف متفاوتی هست ولی به طور کلی می شود گفت که قراضه از چند جهت مورد بررسی کیفی قرار میگیرد: آنالیز یا جنس، سایز، دانسیته و میزان ناخالصی. باید همه شاخص های کیفی مورد بررسی قرار بگیرند و یک دسته بندی در نظر گرفته شود. در عرف بازار برای جلوگیری از پیچیدگی موضوع کیفیت قراضه را با عناوینی مثل ضایعات آهن ویژه ، ضایعات آهن درجه یک ، ضایعات آهن درجه دو ، ضایعات آهن پرسی و غیره نام گذاری می کنند که به نوعی همه موارد فوق در دل این عناوین نهفته است. این تعاریف ممکن است برای کوره های قوس یا القایی از نظر مصرف کننده متفاوت باشند و یا اینکه تعاریف با گذر زمان تغییر کنند. مهم این است که اگر عنوانی به یک محموله قراضه داده شود، هم خریدار و هم فروشنده بدانند که در مورد یک چیز حرف می زنند. مثلا وقتی صحبت از قراضه ویژه میشود، انتظار این است که سایز قراضه برای کوره های القایی مثلا زیر 30 سانتیمتر و دانسیته اش بالای 800 کیلوگرم بر مترمکعب باشد و ترکیب قراضه آهن چیزهایی مثل این ادوات را شامل شود: قطعات سنگین بار لقمه ای، قطعات خرد شده ی ماشین آلات سنگین، ضایعات فولاد سازی یا نورد (سر شمش، سر تیر آهن، سر میلگرد، نبشی و ناودانی، پولکی با ضخامت بالای یک میلی متر)، تیر آهن، نبشی، تسمه، قوطی و میلگرد ضخیم تا طول نیم متر. البته در چند سال اخیر به این قراضهای که من گفتم عنوان سوپر ویژه گفته می شود. و مثلا وقتی می گوییم قراضه درجه یک منظور این است که برای کوره های القایی طول قطعات قراضه ممکن است 50 سانتیمتر و یا برای درجه 2 ممکن است طول تا یک متر هم باشد. همانطور که عرض کردم مهم اسم نیست. مهم این است که اولا خریدار و فروشنده تعریف یکسانی از قراضه داشته باشند و هم ارزش کیفی قراضه رو در نظر بگیرند. در دنیا قراضه های تجاری با نام هایی مثل قراضه HMS1 یا HMS2 نام گذاری میشود که تعاریف سازمان فراوری ضایعات هست و تعاریف دقیقی دارد، معمولا فولادساز ها هم تعاریف خودشان را از قراضه آهن دارند که با تامین کنندگان هماهنگ میشوند. این تعاریف بایستی بین همه اعضای زنجیره تامین به صورت یکسان تعریف شود. البته ما در ایران یک استاندارد ملی هم برای قراضه داریم که دسته بندی هایی رو مشخص کرده است.

اثرات ورود ناخالصی های غیر فولادی و غیر فلزی در فرایند ذوب چیست؟

یکی از مواردی که در فولادسازی اثر زیادی روی تولید و هزینه های تولید می گذارد، ناخالصی های قراضه است ورود این مواد به کوره های قوس و القایی منجر به افزایش مصرف انرژی میشود. چون این ناخالصی ها انرژی جذب میکنند. ناخالصی قراضه می تواند از زنگ زدگی، خاک، سیمان و موارد مشابه دیگر باشد. در نتیجه اولین اثر افزایش مصرف انرژی هست و با توجه به اینکه برای ذوب ضایعات انرژی مشخصی به کوره داده میشود، طبیعتا جذب انرژی توسط ناخالصی ها باعث ميشود زمان بیشتری جهت ذوب قراضه آهن نیاز داشته باشیم و در نتیجه زمان ذوب طولانی خواهد شد. از این جهت میزان تولید در کوره های الکتریکی کاهش پیدا میکند. این اولین ضرر ناخالصی قراضه هست اما زیان های دیگری که وارد میشود این است که این مواد ناخالصی چون دانسیته کمتری نسبت به مذاب دارند، روی سطح ذوب جمع شده و تشکیل یک لایه میدهد که به آن سرباره می گوییم.

سرباره مشکلاتی رو ایجاد میکند. مثلا سرباره خودش مانع شارژ در کوره های القایی شده و در نتیجه باید سرباره رو از کوره و مذاب جدا بکنیم که به این عمل سرباره گیری گفته می شود. سرباره گیری عملیات زمانگیری هست. در نتیجه هر مقدار زمان رو صرف سرباره گیری بکنیم، از میزان تولید کم می شود. پس جدای از جذب انرژی بیشتر و طولانی شدن زمان ذوب، عملیات سرباره گیری هم منجر به افزایش زمان ذوب و کاهش بیشتر تولید خواهد شد . اثر دیگری که سرباره میگذارد اینست که مثلا در کوره های القایی که جداره نسوز کوره معمولا از جرم سیلیسی هست، از اونجایی که جرم سیلیسی ماهیت اسیدی دارد و سرباره ماهیت بازی، سرباره باعث خوردگی در جداره نسوز شده و این امر باعث کاهش عمر جداره نسوز خواهد شد. این کاهش عمر نسوز هم منجر به از دست دادن زمان و هم باعث افزایش هزینه میشود. عملیات حمل و نقل سرباره بعد از سرباره گیری و انبار کردن یا دفن کردن اون هم از عملیات بعدی هست که هزینه بر و انرژی بر هست. در نتیجه اثر ناخالصی روی عملیات ذوب بسیار زیاد هست. معمولا وقتی گفته می شود قراضه ویژه ، با تعریفی که این روزها در بازار رواج دارد، ناخالصی ناشی از قراضه در ذوب حدود 6 تا 8 درصد هست. البته این مقدار طبق یک مثال عددی اگر بخواهم بزنم، مثلا در یک کوره 20 تنی القایی با یک سری پیش فرض (مثلا دمای محیط 25 درجه، دمای تخلیه 1670 درجه و پارامترهای معمول دیگه) با قراضه ای که 8 درصد پرت داره، در روز میشه حداکثر حدود 203 تن شمش با ماشین ریخته گری مداوم تولید کرد تعاریف مختلف از قراضه آهن ویژه متفاوت هست. اما وقتی پرت قراضه مثلا 6 درصد باشه تولید میشه حدود 216 تن. اگه سال کاری رو 300 روز حساب کنیم حتی، میزان اختلاف تولید میشه حدود 3900 تن در سال که عدد بزرگی هست. پس اثر ناخالصی قراضه و تاثیر 2 درصد پرت رو میشه به سادگی مشاهده کرد.

مقایسه اثرات تولید فولاد با قراضه آهن و یا آهن اسفنجی به چه صورت است؟

آهن اسفنجی محصول فرایند احیای مستقیم سنگ آهن هست. معمولا ورودی فرایند احیای سنگ آهن حدود 67 درصد هست. یعنی سنگ آهن یا به عبارتی گندله یا کنسانتره با درصد FE67 عیارش در فرایند احیا مثلا با روش میدرکس به حدود 91 درصد میرسد. اما همه این آهن به صورت آزاد وجود ندارد و مقداری به صورت FeO یا اکسید آهن هست. در نتیجه شاخصی وجود داره به نام متالیزاسیون یا درجه آهنی شدن. مثلا درجه آهنی شدن آهن اسفنجی اگر 91 درصد باشد و کل آهن ما نیز 91 درصد باشد، ضرب این دو عدد در هم نشان دهنده میزان آهنی است که از آهن اسفنجی ذوب میشود. یعنی 91 درصد 91 × درصد = حدود 83 درصد این یعنی حدودا ما 17 درصد پرت داریم. حالا اگر یک آهن اسفنجی عیار کل آهنش بیشتر باشد، مثلا 92 درصد و درجه آهنی شدنش 94 درصد باشه حدود 86 درصد آهن خالص جذب ذوب میشود، یعنی حدود 14 درصد پرت خواهیم داشت. البته باید این نکته را در نظر گرفت که روش شارژ و مصرف و نوع کوره در میزان آهنی شدن آهن اسفنجی اثر میگذارد و مقدار پرت میتواند بیشتر یا کمتر شود. گاهاً دیده ایم که دوستان میگویند فلان آهن اسفنجی 19 درصد پرت دارد و دیگری 14 درصد پرت دارد. همچنین دیده ایم که دو کارخانه فولادسازی از یک تولیدکننده آهن اسفنجی خرید میکنند ولی یکی ازفولادسازها میگوید آهن اسفنجی 17 درصد پرت دارد و نفر دیگر میگوید 15 درصد پرت دارد. این تفاوت ها به خاطر نوع کوره ها، توان کوره ها، روش شارژ، سایز کوره، مهارت اپراتوری و غیره هست.

اما به طور خلاصه در مورد مزایای کیفی و کمی قراضه آهن نسبت به آهن اسفنجی این موارد را میتوانم عرض کنم: میزان ناخالصی کمتر قراضه (تفاوت بین مثلا 8 درصد پرت در قراضه و مثلا 17 درصد پرت در آهن اسفنجی). و بر اساس این شاخص، طبیعتا با قراضه میشود تولید بیشتر کرد و هزینه های کمتری داشت اگر قیمت هر دو برابر باشد. هرچند به همین دلیل هم هست که قیمت قراضه معمولا از آهن اسفنجی بیشتر است. یکی دیگر از تفاوت های آهن اسفنجی و قراضه در ایران این است که عموما آهن اسفنجی هایی که به روش گازی(مثلا میدرکس) تولید میشود، مثل ارفع، غدیر ایرانیان، سیرجان، کاوه جنوب کیش و غیره، میزان کربن بالایی دارند. یعنی مزیت قراضه بر آهن اسفنجی به شرط کیفیت بالای قراضه آهن میتواند این باشد که کربن کمتری دارد و نیازی به کنترل کربن نیست. اگر کربن در مذاب بیش از حد استاندارد باشد - که معمولا با اضافه کردن اکسید یا قراضه زنگ زده این اتفاق می افتد - چون اکسید با کربن واکنش میدهد و گاز CO2 ایجاد شده و از کوره خارج شده و کربن کم میشود. هرچند عدم کنترل جنس قراضه ای که در کوره شارژ میشود ممکنه است عناصر مضر دیگری را هم به ذوب اضافه کند، مثل مورد کربن در آهن اسفنجی، باید با صرف زمان و هزینه کاهش داده شود. یک نکته دیگری که معمولا در بعضی از آهن اسفنجی ها دیده میشود بالا بودن میزان گوگرد و خصوصاً فسفر هست. این دو عنصر بسیار برای فولاد مضر هستند. کاهش فسفر و گوگرد در آهن اسفنجی هم از مضرات آن است.

مصرف آهن اسفنجی در واقع انرژی بالایی آزاد نمیکند. در واقع بالا بودن کربن در آهن اسفنجی و واکنش اون با اکسیژن مذاب باعث افزایش آزاد شدن انرژی میشود که خود این در کل مثبت هست. حتی بالا بودن کربن در آهن اسفنجی میتواند به عمر بیشتر جداره نسوز کمک کنه اما مشکل اصلی آهن اسفنجی سرباره زیادی هست که تولید میکنه و این سرباره هست که باعث خوردگی جداره نسوز میشود. اما در مورد فواید آهن اسفنجی این موارد را میتوان گفت: یک دست بودن آنالیز به طور معمول و امکان برنامه ریزی روی آن. قابلیت شارژ با سیستم های ساده تر شارژ و همچنین ساده تر بودن حمل و نقل. و امکان تولید آن در مناطقی که سنگ آهن و مواد اولیه دیگر وجود داشته باشد. متاسفانه قراضه رو نمیشود با یک کارخانه تولیدی، تولید کرد اما آهن اسفنجی را می شود تولید کرد و روی میزان تامین آن برنامه ریزی کرد. نکته دیگری هم که معمولا کارخانجات فولاد با اون دست و پنجه نرم میکنند، اکسید شدن آهن اسفنجی و به اصلاح آتش گرفتن آنست. این اتفاق در قراضه نمی افتد و از این جهت حمل و نقل و انبار کردن قراضه آهن ساده تر هست.

ادامه در بخش دوم ...