تحقیق مقاله تولید آهن به روش اسفنجی

مقدمه

از بین روش های صنعتی احیای مستقیم کانه های آهن که از گاز طبیعی استفاده می کنند ، تولید اهن اسفنجی به روش میدرکس توسعه چشم گیری داشته است . باردهی مداوم آهن اسفنجی به صورت سرد یکی از روش میدرکس می باشد . واحدهای متعددی به این روش در دهه اخیر در کشورهای مختلف تاسیس و شروع به کار کرده اند .

ابداع روش میدرکس به وسیله D .Beggs w .t .marton و تحقیقات لازم برای توسعه آن از سال 1965 میلادی درشرکت  میدلند- روس انجام گرفت . در سال 1976 میلادی یک واحد احیای مستقیم آزمایشی با تولیدی برابر 5/1 تن آهن اسفنجی در ساعت در توله دو واقع در اوهیو و سپس واحد دیگری به ظرفیت سالیانه 150هزار تن در پرتلند ، آمریکا تاسیس شد که در سال 1969 میلادی شروع به تولید کرد . متعاقباً ، واحدهای دیگری در چرجتاون آمریکا و در کارخانه فولادسازی هامبورگ، تاسیس شدند که در سال 1971 میلادی راه افتادند . واحد بعدی سیدبک رد کانادا بود که در سال 1973 میلادی راه اندازی شد . در ژانویه 1974 میلادی ، اجازه ساخت کارخانه های تولید آهن اسفنجی به روش میدرکس به گروهفولاد کورف واگذار شد.

در کشورهای پیشرفته صنعتی مانند آمریکا و آلمان فدرال، کانادا ، اتحاد جماهیر شوروی و نیز کشورهایی که دارای منابع غنی گاز طبیعی هستند ، در دهه گذشته از تولید آهن اسفنجی به روش میدرکس استقبال کرده اند .

مضافاً به اینکه ابعاد و ظرفیت تولید آهن اسفنجی کوره های احیا در واحدهای میدرکس گسترش چشمگیری یافته است و مثلاً قطر کوره  احیا در مدول 200 ، 6/3 متر ، قطر کوره احیا در مدول 400 ، 88/4 متر ، ظرفیت روزانه نسل اول آن مدول 1000 و ظرفیت روزانه نسل دوم آن 1250 تنبودهاست اما قطر کوره احیا در مدول 400 به 5/5 متر و ظرفیت روزانه آن به حدود 1700 تن اهن اسفنجی افزایش یافته است . به عقیده سازندگان واحدهای میدرکس  گسترش ظرفیت کوره های احیا به دلایل اقتصادی ممکن می باشد . گرچه در این زمین دلایل کافی در دست نیست ولی این امر طبیعی به نظرمی رشد .

در اغلب روش های صنعتی تولید آهن اسفنجی به روش میدرکس ، گاز طبیعی به عنوان عامل احیا کننده و گرما زا مصرف می شود . یک واحد میدرکس از دو قسمت اصلی تشکیل می شود :

قسمت اول ، تجهیزات لازم برای تبدیل گاز طبیعی به گاز احیا کننده .

قسمت دوم ،تجهیزات لازم برای احیای کسیدهای آهن توسط گاز احیا کننده .

 تولید آهن اسفنجی  گاز احیا کننده به روش میدرکس مداوم است . درزیر باختصار تجهیزات واحدهای میدرکس تشریح می شود .

ذکر این نکته ضروری است که چون تجهیزات واحدهای مختلف و نیز ویژگی احیا به این روش در دهه گذشته تغییرات زیادی داشته لذا خصوصیات ارائه شده در زیر مربوط به واحدهایی است که ویژگی آنها در منابع منتشر شده و برای کلیه واحدهای میدرکس عمومیت ندارد .

تجهیزات انتقال بار به کوره احیا و تخلیه آهن اسفنجی از کوره به روش میدرکس

در سیستم میدرکس ، بار گندله یا سنگ آهن خرد شده پیش از ورود به سیلوهای روزانه سرند می شوند. دانه بندی بار برای کوره از این قرار است :

بار درشتر از 50 میلیمتر

بار بیشتر از 6تا50 میلیمتر

بار بین 3 تا 6 نیلیمتر

و بار زیر 3 میلیمتر

بار با دانه بندی 6 تا 50 میلیمتر و 3 تا 6 میلیمتر به نسبت معینی در کوره احیا تغذیه می شود . برای دانه بندی گندله و یا سنگ آهن خرده شده و به روش میدرکس تجهیزاتی پیش بینی شده است . همچنین آهن اسفنجی تولید شده در کوره احیا پیش از ورود به سیلوها و مصرف مستقیم سرند می شوند و نرمه آن در برخی از واحدها به خشته تبدیل شده و در برخی مستقیماً در کوره های قوس الکتریکی به مصرف       می رسد . طرح برخی از تجهیزات انتقال گندله و سنگ آهن خرد شده به کوره و نیز آهن اسفنجی به صورت گندله و یا کلوخه در می آید .

در یک میدرکس بار به وسیله نوار نقاله از سیلوهای روزانه به مخزن تغذیه قیف مانندی که در بالای کوره قرار گفته ،تخلیه میگردد . این مخزن در واحدهای میدرکس مستقر در مجتمع فولاد اهواز 75 متر مکعب گنجایش دارد . هنگامی که نوار نقاله کار نمی کند ، گندله این مخزن به عنوان ذخیره مورد استفاده قرار می گیرند .ضمناً گندله می تواند توسط یک اسکیپ بالا برنده (به جای نوار نقاله ) در این مخزن تخلیه گردد .

سطح مواد در مخزن بالای کوره از طریق میله ای رادیو اکتیو تعیین می گردد. این میله از طرفی با سطح بار و از طرف دیگر با سیستم کنترل در تماس می باشد و سطح بار به طور اتوماتیک اندازه گیری می گردد . در صورتی که گندله در این مخزن در چهار سطح زیر باشد . سیستم کنترل علائم هشدار دهنده ذیل را مخابره می کند :

1-بالاترین سطح بار:         اخطار داده می شود

2-پر                   :      دستور توقف نوار نقاله تغذیه کننده بار به مخزن صادر

                                می گردد.

3-خالی               :    دستور کارنوار نقاله تغذیه کننده باربه مخزن صادر میشود .

4-پایین ترین سطح:   تخلیه کوره متوقف و اخطار لازم داده می شود .

مخزن بالای کوره توسط لوله نسبتاً طویلی به قسمت توزیع کننده بار (آپولو) ارتباط دارد. چون مخزن تغذیه بار در بالای موره روباز است ، لذا برای جلوگیری از داخل کوره جریان دارد و فشارآن به طور اتوماتیک کنترل می گردد . به این وسیله از نشت گاز احیا کننده کوره به خارج جلوگیری به عمل می آید . گاز خنثی نیز به علت طویل بودن لوله های رابط بین مخزن تغذیه بار و 12 لوله توزیع کننده بار در کوره به خارج کوره نفوذ نمی کند . مضافاً به اینکه زیر مخزن تجهیزاتی برای آب بندی گاز پیش بینی شده است که از این قرار می باشند :

دریچه کشوئی هیدرولیکی که در هنگام خالی شدن مخزن به طور اتوماتیک بسته می شود و از خروج گاز به خارج جلوگیری به عمل     می آورد .

فلانچها که برای جلوگیری از خروج گاز نصب شده و در مواقع اضطراری آنها به وسیله بازوی هیدرولیکی از هم باز و یک صفحه به وسیله دست بین آنها قرار داده می شود .

یک کمپنزاتور که برای تعدیل انبساط حرارتی کوره پیش بینی شده است .

توزیع یکنواخت گدله در کوره احیا برای جریان یکنواخت گاز احیا کننده در بین گندله ها  از اهمیت خاصی برخوردار است . با احیای بار گندلهدر کوره ، درجه فلزی آن بالا می رود ، درجه فلزی آهن اسفنجی تولید شده در کورههای میدرکس حدود 92 در صد و اکسید آهن احیا نشده در آهن اسفنجی به صورت وسیت می باشد .

در شروع راه اندازی کوره احیا ، بار به میزان کافی احیا نمی گردد . لذا درجه فلزی آهن اسفنجی تولید شده کافی نیست به این علت بار مجدداً به کوره برگشت داده می شود . مسیر جریان بار برگشتی به کوره نیز می شود .

گندله های آهن اسفنجی سرد پس از خروج از کوره سرند می گردند . میزان نرمه آهن اسفنجی زیر 5 میلیمتر در روند احیا به روش میدرکس حدود 2/0 در صد است . نرمه می تواند مستقیماً یا پس از خشته شدن در واحد فولاد سازی مصرف می گردد . آهن اسفنجی درشتر از 50 میلیمتر خرد و همراه سایر گندله ها به مخزن ذخیره حمل ودر آنجا انبار می شوند . طرح تجهیزات دانه بندی گندله های آهن اسفنجی  داده شده است .  همچنین سیلوهای ذخیره آهن اسفنجی دیده می شود . در این مخازن برای جلوگیری از اکسایش گندله ها ، گازی خنثی جاری است .

تجهیزات کوره احیا به روش میدرکس

واحدهای صنعتی احیای مستقیم که به روش میدرکس آهن اسفنجی تولید می کنند در دهه گذشته به سرعت تکامل یافته اند . در این بخش کوشش می شود باختصار تجهیزات کوره های تولید آهن اسفنجی به روش میدرکس که مشابه آنها در مجتمع فولاد اهواز مستقر هستند و یا در مبارکه مستقر خواهند شد بررسی شود .

کوره احیا به روش میدرکس

کوره احیا در روش میدرکس از یک قسمت فوقانی و یک قسمت تحتانی تشکیل شده است . قسمت فوقانی کوره که منطقه اصلی احیا    می باشد، استوانه ای به قطر 8/4 تا 5 متر و ارتفاع 9 متر است که حجم مفید آن حدود 220 متر مکعب می باشد ، اما کل ارتفاع کوره 12 تا 14 متر می باشد .

بار به صورت سنگ آهن خزد شده یا گندله سنگ آهن از بالای کوره به طرف پایین جریان داشته و در مدتی حدود 5/6 ساعت در منطقه  احیا به وسیله گاز احیا کننده به اهن اسفنجی تبدیل می شود . گاز احیا کننده از بالای کلوخه شکنهای فوقانی ازطرق لوله کمربندی وارد کوره شده ودرخلاف جهت نزول بار ، جریان می یابد . گاز کم کم سرد و پس از حذف رطوبت گندله ، آن را احیا و خود تا اندازه ای اکسید می شود . طرح لوله کمربندی برای توزیع گاز احیا کننده در کوره آمده  است .

درجه حرارت و فشار در کوره احیا

احیای اکسیدهای آهن به روش میدرکس به طور کلی بر اساس واکنش زیر انجام می شود :

Fe2o3 +3h2 = 2fe+3H2O

          Fe2o3+3co=2fe+3vo2

جداره داخلی کوره توسط نسوزهای مقاوم در برابر سایش و مواد عایق پوشانده شده است تا از تلفات حرارتی کوره تا اندازه ای کاسته شود، مع هذا دمای دیواره خارجی کوره حدود 100 درجه سانتیگراد می باشد . تغییر دمادر طول کوره احیا به صورت شماتیک نشان داده شده است.ملاحظه می گردد که درجه حرارت در قسمت عمده طول کوره تا اندازه ای ثابت می باشد .

دمای احیا در کوره میدرکس به وسیله حرارت گاز احیا کننده تنظیم می گردد .درجه حرارت از طریق دما سنج هایی که در سه ناحیه کوره مستقر هستند ، اندازه گیری ودمای کوره به طور خودکار تنظیم می گردد که حدود 760 درجه سانتیگراد می باشد . فقط در قسمت بالای کوره یعنی جایی که گندله های سرد وارد کوره می شوند ،درجه حرارت به شدت کاهش می یابد به طوری که دمای گاز خروجی از کوره حدود 450 درجه سانتیگراد است  .

فشار گاز در داخل کوره در حین تولید بالاتر از فشار محیط و بالغ بر 8/1 بار است . برای جلوگیری از مخلوط شدن گاز سرد کننده آهن اسفنجی و گاز احیا کننده ،فشار گاز سرد کننده در محل خروج توسط یک سیستم کنترل و برابر فشار گاز احیا کننده ورودی به کوره می گردد .

توزیع گاز سرد کننده آهن اسفنجی در کوره احیا

درجه تخلخل آهن اسفنجی زیاد است لذا امکان اکسایش مجدد آهن اسفنجی گرم ، در هوا وجود دارد . به این علت آهن اسفنجی در قسمت تحتانی کوره توسط گاز سرد کننده ای خنک می گردد تا از فعالیت آن کاسته شود . در این قسمت امکان تولید دوده و تشکیل سمانتیت در سطح آهن اسفنجی وجود دارد :

3fe +co+H2=Fe3c +H2o

برای تولید آهن اسفنجی با کربن پایین باید گاز احیا کننده فاقد متان بوده و ترکیب آن مناسب باشد . قسمت تحتانی کوره در واحد میدرکس به شکل مخروطی ناقص ساخته شده است . در این قسمت آهن اسفنجی به وسیله گاز سرد کننده ای که در مداری بسته جریان دارد ، خنک شده و با دمایی حدود 30 تا 50 درجه سانتیگراد از کوره خارج می گردد .

توزیع کننده گاز سرد در کوره از یک سری لوله هایی با قطرهای متفاوت که درون یکدیگر قرار گرفته اند ، تشکیل شده است .

برای سرد شدن یکنواخت گندله ها ، فشار گاز سرد کننده به نحوی تنظیم می گردد که گندله هلای میان کوره به طرف دیواره کوره هدایت گردند تا فرصت کافی برای خنک شدن داشته باشند .

گاز سرد کننده که توسط آهن اسفنجی تا حدود 400 درجه سانتیگراد سرد می شود پس از خروج از کوره با آب  شسته می شود تا دمای آن به حدود 40 درجه سانتیگراد برسد . سپس مجدداً توسط کمپرسوری متراکم می گردد و به توزیع کننده گاز برگردانده می شود  . توضیح اینکه زمان مکث آهن اسفنجی در قسمت سرد کننده کوره حدود 5 ساعت می باشد .

خوشه شکن های کوره احیا

به علت تماس و فشار مکانیکی گندله های آهن اسفنجی به یکدیگر در درون کوره احیا چسبیدن آنها به یکدیگر و تشکیل خوشه های آهن اسفنجی ممکن می باشد. لذا برای خرد کردن خوشه های آهن اسفنجی احتمالاً تشکیل شده و نیز تنظیم یکنواخت جریان بار در کوره ، در قسمت تحتانی کوره در سه محل بترتیب زیر هفت خوشه شکن نصب شده است :

سه خوشه شکن فوقانی