دانستنی های تکنولوژیصنعتعلوم و تکنولوژی

آهن اسفنجی چیست

کارخانه احیا مستقیم

آهن اسفنجی چیست ، آنالیز آهن اسفنجی چیست و این محصول چه کاربردهایی دارد. تکنولوژی های تولید آهن اسفنجی و وضعیت بازار این محصول چگونه است. صنایع بالادستی و صنایع پایین دستی کارخانه تولید آهن اسفنجی چیست . اینها سوالاتی هستند که توسط افرادی که در حوزه فولاد و صنایع فولادی درگیر هستند مطرح می گردد و در این مطلب علمی پاسخ جامع و کاملی به آنها داده می شود.

 آهن اسفنجی

آهن اسفنجی یا Direct Reduced Iron ) DRI ) نتیجه احیا گندله یا همان Pellet توسط گازهای احیا کننده مانند منوکسید کربن و هیدروژن است. فرآیند احیا مستقیم به فرآیندی گفته می شود که طی آن، با تماس مستقیم گازهای احیا کننده و اکسید آهن، اکسیژن مربوطه حذف می گردد و اکسید آهن به آهن فلزی تبدیل می گردد.

تبدیل گندله به آهن اسفنجی در فاز جامد و توسط گازهای احیا کننده در کوره ای عمودی صورت می پذیرد و در طی این فرآیند تغییر فاز یعنی ذوب شدن انجام نمی شود. گندله در کارخانه گندله سازی از کروی نمودن کنسانتره آهن نرمه با استفاده از چسب های طبیعی مانند بنتونیت و آهک تهیه می شود. این گندله کروی شکل، پس از فرآیند احیا مستقیم با همان شکل فیزیکی اولیه به آهن اسفنجی تبدیل می گردد و صرفا از لحاظ ظاهری تغییر رنگ پیدا می کند و از رنگ تقریبا مایل به قرمز به رنگ خاکستری تغییر رنگ می دهد.

گندله از اکسید آهن که عمدتا هماتیت می باشد تشکیل شده است و باید دارای مقدار آهن کل حداقل 67 % باشد ولی گندله هایی که در ایران در دسترس می باشد اکثرا میزان آهن کل آنها حدود 66 % و یا حتی پایین تر می باشند. قطر گندله ها و به تبع آن آهن اسفنجی تولید شده، حدودا بین شش تا بیست میلیمتر است. از لحاظ فیزیکی وزن آهن اسفنجی نسبت به وزن گندله به دلیل حذف اکسیژن آن حدود سی درصد سبکتر است.

مشخصات آهن اسفنجی

آهن اسفنجی عمدتا بعنوان مواد اولیه در کوره های قوس الکتریکی به کار گرفته می شود و پس از فرآیند ذوب و اضافه کردن مواد مورد نیاز تبدیل به فولاد می شود. از دیدگاه فولادسازی درصد متالیزاسیون آهن اسفنجی بسیار مهم است. در صد متالیزاسیون به معنی میزان تبدیل آهن کل موجود به آهن فلزی است. هر میزان آهن کل در گندله وجود داشته باشد دقیقا همان میزان آهن کل نیز در آهن اسفنجی وجود خواهد داشت و صرفا تبدیل شدن به آهن فلزی در طی فرآیند احیا مستقیم انجام می پذیرد. بنابراین درصد متالیزاسیون که معرف میزان تبدیل آهن کل به آهن فلزی است، یکی از پارامترهای بسیار مهم می باشد.

از جمله عوامل مهم دیگر در مشخصات DRI می توان به میزان نرمه موجود در آن و نیز عناصر مزاحم از جمله سولفور و فسفر اشاره کرد که این عناصر در فرایند فولادسازی اختلال ایجاد می نمایند.

درصد متالیزاسیون در آهن اسفنجی می بایست حداقل 92 درصد باشد البته مقادیر کمتر و بیشتر از این درصد نیز مورد پذیرش مصرف کننده این محصول است ولی باید توجه شود که متالیزاسیون پایینتر به معنی صرف هزینه و انرژی بیشتر در کارخانه های فولادسازی است و متالیزاسیون بالاتر نیز به معنی صرف هزینه و انرژی بیشتر در کارخانه احیا مستقیم می باشد. بنابراین مقدار بهینه درصد متالیزاسیون با توجه به عرف فولادسازی همان مقدار 92 درصد در نظر گرفته می شود.

مشخصات گندله مناسب برای آهن اسفنجی

گندله باید دارای مشخصاتی باشد تا مناسب برای استفاده در کارخانه احیا مستقیم بعنوان خوراک ورودی در نظر گرفته شود. البته مشخصات و پارامترهای متعددی مورد نظر قرار می گیرد که از جمله می توان به ایندکس های لیندر، چسبندگی و غیره اشاره کرد ولی در این مطلب صرفا به پارامترهای عمومی تر پرداخته می شود.

سایز گندله یکی از مهمترین پارامترهای تاثیر گذار است و بهترین سایز برای فرآیند گندله سازی مابین شش تا شانزده میلیمتر می باشد. و سایزهای کوچکتر و یا بزرگتر از این محدوده باید به حداقل برسد زیرا کارایی کوره احیا مستقیم را کم می کند.

درصد آهن کل در گندله پارامتر مهم دیگری است که مورد توجه قرار می گیرد و باید حدود 67 درصد باشد. مقادیر پایینتر درصد آهن کل باعث پایین آمدن کارایی کوره احیا مستقیم می شود.

پارامتر مهم دیگری که برای گندله بسیار مهم است میزان سختی گندله است و این پارامتر که با CCS شناخته می شود باید بالاتر از 250 Kg باشد.

احیا پذیری و چسبندگی گندله نیز با پارامترهای دیگری ارزیابی می شود که از محدوده بررسی این مقاله خارج می باشد.

تکنولوژی های تولید آهن اسفنجی

تکنولوژی های اصلی آهن اسفنجی چیست ؟ تکنولوژی های بسیار زیادی برای تولید آهن اسفنجی ایجاد و گسترش یافته اند. بسیاری از این تکنولوژی ها پس از طی دوره ای کوتاه، کنار گذاشته شده اند و عمومی نگردیده اند که از آن جمله می توان به روش پروفر و یا روش هایی مانند بستر سیال نام برد.

به طور کلی روش های احیا مستقیم را می توان به دو دسته کلی زیر تقسیم کرد:

  1. تکنولوژی های آهن اسفنجی با استفاده از گاز ( گاز طبیعی و یا از گاز حاصل از کک و زغال)
  2. تکنولوژی های آهن اسفنجی با استفاده از زغال

کشورهایی مانند چین و هند بیشتر از تکنولوژی های آهن اسفنجی با استفاده از زغال استفاده می کنند و در این روش ها از مخلوط کردن زغال با کنسانتره و گرمایش آن بهره می برند. این عمل به سه روش اصلی انجام می شود. روش کوره دوار، روش کوره های گردان مسطح و روش کوره تونلی

روش های تولید آهن اسفنجی به روش گازی دارای دو تکنولوژی اصلی است. روش HYL که اخیرا تغییر نام داده است و به روش ENERGIRON   شناخته می شود و روش میدرکس. البته اخیرا روش تولید آهن اسفنجی پرد ( PERED  ) نیز در ایران معمول شده است.

تکنولوژی های آهن اسفنجی به روش گازی

تکنولوژی های به روش گازی آهن اسفنجی چیست ؟

روش HYL در سال 1957 اولین پلنت تجاری خود را راه اندازی کرد. این تکنولوژی پایه گذار روش احیا مستقیم گازی نوین می باشد و پس از آن روش میدرکس در سال 1969 اولین پلنت احیا مستقیم خود را راه اندازی کرد. این دو تکنولوژی دارای شباهت های بسیار زیاد و البته تفاوت های قابل توجهی نیز هستند. در مقایسه زیر صرفا برخی از این موارد اشاره شده است و به دلیل تخصصی بودن این موضوع از جزئیات این تکنولوژی ها صرفنظر شده است.

شباهت های HYL و MIDREX

  • هر دو تکنولوژی از کوره ای عمودی برای احیا کردن گندله به آهن اسفنجی استفاده می کنند.
  • هر دو روش از ریفورمر برای تولید گاز احیا از گاز طبیعی بهره می برند. البته در سیستمهای جدید حذف ریفورمر و استفاده از گاز سنتز حاصل از زغال نیز مورد توجه قرار گرفته است.
  • اکثر مکانیزم ها و کلیات به کار رفته در هر دو این روش ها یکسان است.

تفاوت های HYL و MIDREX

  • در تکنولوژی HYL فشار بالاتر است و این از طرفی باعث کاهش سایز تجهیزات شده است و از طرف دیگر باعث سخت تر شدن آب بندی تجهیزات گردیده است. در تکنولوژی میدرکس فشار سیستم کمی بالاتر از فشار اتمسفر است.
  • به دلیل فشار بالاتر در روش HYL ، آب بندی کوره به روش مکانیکال است ولی در روش میدرکس آب بندی کوره بصورت دینامیک انجام شده است یعنی با استفاده از گاز خنثی و فشار مربوط به این گاز، آب بندی را انجام داده اند.
  • ریفورمر در روش HYL غالبا ریفورمر با استفاده از بخار آب است ولی در روش میدرکس از ریفورمر تعادلی بیشتر استفاده شده است.

انواع محصولات آهن اسفنجی چیست

آهن اسفنجی دارای محصولات متنوعی است که هر کدام از این محصولات با توجه به نیازمندی های کارفرمایان و مشتریان انتخاب و مطابق آن کارخانه طراحی می گردد. قابل ذکر است که محصولات مختلف آهن اسفنجی تفاوت چندانی از لحاظ آنالیز شیمیایی با یکدیگر ندارند.

  • عمومی ترین محصول آهن اسفنجی به نام آهن اسفنجی سرد یا CDRI شناخته می شود. این محصول قدیمی ترین محصول آهن اسفنجی بوده و مناسب برای مواقعی است که آهن اسفنجی بلافاصله در کارخانه ذوب مورد استفاده قرار می گیرد. زیرا آهن اسفنجی در تماس با هوا و رطوبت دچار اکسیداسیون می شود و احتمال آتش سوزی نیز وجود دارد.
  • بریکت سرد حاصل از فشرده سازی نرمه های آهن اسفنجی است و جهت جلوگیری از هدر رفتن نرمه های آهن اسفنجی، از دستگاه های پرس به همراه افزودن چسب هایی نظیر سیلیکات سدیم و آهن و یا ملاس، این نرمه ها را تبدیل به بریکت می نمایند.
  • آهن اسفنجی بریکت شده: با توجه به اینکه اکثر پلنت های قدیمی دارای محصول آهن اسفنجی سرد می باشند لذا هنگامیکه قصد صادرات محصول و یا حمل و نگهداری طولانی مدت این محصول را داشته باشند، آنگاه می توان آهن اسفنجی سرد را در اثر فشار زیاد در دستگاه های پرس تبدیل به بریکت نمود. این عمل باعث کاهش سطح تماس آهن اسفنجی با هوا می شود.
  • آهن اسفنجی بریکت داغ: این محصول پس از خروج مستقیم از کوره با دمای بالاتر از 650 درجه سانتیگراد داخل دستگاه های پرس داغ می شود و تبدیل به بریکت می گردد. این بریکت ها سریعا با افتادن در حوزچه های آب، سرد می شوند و آماده حمل و صادرات می گردند.

توضیح اینکه بریکت را می توان مشابه آجر دانست و از لحاظ ابعاد ظاهری از یک آجر کوچکتر است.

کشورهای تولید کننده آهن اسفنجی

اگر تولید آهن اسفنجی به روش گازی را مورد نظر قرار دهیم، ایران بزرگترین تولید کننده آهن اسفنجی در جهان است ولی اگر مجموع آهن اسفنجی تولید شده در جهان را در نظر بگیریم آنگاه کشورهای هند، ایران، روسیه، مکزیک و عربستان سعودی به ترتیب بزرگترین تولید کننده های آهن اسفنجی در جهان هستند.

میزان تولید آهن اسفنجی در جهان

در حال حاضر سالانه حدودا یکصد و هشت میلیون تن آهن اسفنجی در جهان تولید می شود. از این میزان حدود شصت درصد آهن اسفنجی جهان توسط روش میدرکس تولید می شود و اگر فقط آهن اسفنجی گازی را در نظر بگیریم حدود هشتاد درصد آهن اسفنجی گازی در جهان به روش میدرکس تولید می شود.

ایران با تولید حدود بیست و نه میلیون تن سالانه، در رتبه دوم تولید آهن اسفنجی در جهان قرار دارد.

مزایای استفاده از آهن اسفنجی

آهن در جهان به دو روش اصلی کوره بلند و احیا مستقیم تولید می شود. عمده تولید جهان به روش کوره بلند می باشد و تنها بخش کوچکی از آهن و فولاد جهان از روش احیا مستقیم تولید می شود.

استفاده از آهن اسفنجی برای تولید فولاد دارای مزایای خاصی است و به این دلیل توجه به این روش روز افزون می باشد:

  1. تولید آهن به روش احیا مستقیم از لحاظ محیط زیست بسیار پاک تر است. این روش آلاینده های محیط زیستی کمتری تولید می کند.
  2. آهن تولید شده به روش احیا مستقیم دارای آنالیز ثابتی است و لذا برای فولاد سازی استفاده از آهن اسفنجی برای گریدهای ویژه فولاد بهتر است.

دلیل نام گذاری آهن اسفنجی چیست ؟

شاید برای بسیاری از افراد این سوال مطرح باشد که چرا آهن اسفنجی به این نام نامیده می شود. آیا از لحاظ ظاهری این محصول مانند اسفنج دارای خلل و فرج ظاهری است؟ همانطورکه قبلا نیز ذکر شد برای تبدیل گندله به آهن اسفنجی از گاز احیا کننده که همان منوکسیدکربن و هیدروژن است استفاده می شود. این گازها با نفوذ میکروسکپی به درون گندله و واکنش با اکسید آهن باعث حذف اکسیژن می شود و گازهای دی اکسید کربن و بخار آب تولید می شوند. این گازها محیط واکنش را ترک می کنند و خلل و فرج در سطح میکروسکپی ایجاد می شود. لذا آهن اسفنجی از لحاظ ظاهری شبیه به گندله است و وقتی با چشم غیر مسلح دیده می شود اصلا مانند اسفنج نمی باشد و این سوراخ های ریز فقط در سطح میکروسکپی قابل مشاهده می باشند.

واکنش های اصلی احیا مستقیم

واکنش های اصلی در احیا مستقیم که باعث تبدیل هماتیت به مگنتیت و سپس وستیت و آنگاه آهن فلزی می شود را می توان بطور کلی بصورت واکنش اکسید آهن با منوکسیدکربن و هیدروژن و تبدیل آن به آهن فلزی طی مراحل تبدیل فوق الذکر دانست.

دمای واکنش در کوره احیا مستقیم بالاتر از هفتصد درجه سانتیگراد است که از طریق گاز خروجی از ریفورمر تامین می گردد. گاز خروجی از ریفورمر که بالای نهصد درجه سانتیگراد دما دارد حاوی مقادیر بالایی هیدروژن و منوکسید کربن می باشد. این گاز هم باعث بالا بردن دمای گندله در درون کوره عمودی احیا مستقیم می شود و هم احیا کننده های لازم برای انجام واکنش احیا را فراهم می نماید.

بخش های مختلف پلنت احیا مستقیم

یک کارخانه احیا مستقیم گازی شامل بخش های مختلفی است. این بخش ها را می توان بصورت زیر تفکیک نمود:

  1. ناحیه هسته مرکزی احیا: شامل ناحیه کوره، ناحیه ریفورمر، ناحیه بازیافت انرژی و دودکش، ناحیه بلوئرها
  2. ناحیه عمومی: بخش حمل مواد، بخش توزیع و تصفیه آب، ساختمان های جنبی

بازگشت سرمایه کارخانه احیا مستقیم

در زنجیره فولاد یکی از کارخانه هایی که سریعترین بازگشت سرمایه را دارد، کارخانه تولید آهن اسفنجی است. در کارخانه آهن اسفنجی گاز طبیعی نه فقط بعنوان مصرف سوخت بلکه عمدتا بعنوان گاز فرآیندی و برای تولید گازهای احیا کننده استفاده می شود. با توجه به اینکه گاز یکی از مواد عمده مصرفی در این کارخانه است و قیمت گاز در ایران نسبت به جهان بسیار پایین تر است لذا بازگشت سرمایه این کارخانه بسیار سریع است و می توان در زنجیره فولاد آن را یکی از جذاب ترین کارخانه ها برای سرمایه گذاری دانست.

مصارف کارخانه آهن اسفنجی چیست

مصارف عمده کارخانه آهن اسفنجی شامل برق ، آب و گاز می باشد . البته مقادیری مواد شیمیایی و مصارف دیگر نیز وجود دارد ولی در مقابل مصارف فوق الذکر مورد توجه نیستند.

بطور کلی مصارف یک کارخانه تولید آهن اسفنجی را بر مبنای تن محصول می توان به این صورت بیان داشت:

مصرف آب: 1.1 m3/ton

مصرف گاز: 2.45 Gcal/ton

مصرف برق: 110 KWh/ton

سرمایه گذاری یک پلنت احیا مستقیم

هزینه سرمایه گذاری یک پلنت احیا مستقیم بستگی به عوامل بسیار زیادی دارد. این عوامل را می توان به این صورت خلاصه کرد:

  1. نوع محصول
  2. ظرفبت پلنت
  3. بخش های جانبی و فرعی
  4. نوع انتقال مواد اولیه و محصول
  5. میزان بازیافت انرژی
  6. طراحی های به روز
  7. خصوصیات زمین و محل اجرای پروژه

قیمت در ایران و جهان

علاوه بر این مسائل قیمت اجرای یک پلنت احیا مستقیم در ایران نسبت به جهان تقریبا یک سوم می باشد و این به دلیل بومی سازی این تکنولوژی و رقابت شدید مابین چندین طراح و سازنده مختلف کارخانه و نیز عدم ارائه حق بسیار بالا بابت پکیج های تکنولوژیکی است. برای اینکه حدودا برآوردی تقریبی در اختیار قرار گیرد، هزینه سرمایه گذاری اجرای پلنت احیا مستقیم در جهان حدودا به ازای هر تن محصول سیصد و پنجاه دلار می باشد در حالیکه در ایران حدودا یکصد و ده تا یکصد و پنجاه دلار است.

البته قابل توجه است که ظرفیت استاندارد پلنتها برای براورد سرمایه گذاری باید مورد توجه قرار گیرد یعنی بعنوان مثال ظرفیت هشتصد هزار تن و یک میلیون ششصد هزار تن برای مگا مدول ها.

منطقه مناسب برای احداث کارخانه احیا مستقیم

بهترین مناطق برای احداث کارخانه آهن اسفنجی کجاست؟ بهترین مناطق برای احداث کارخانه های احیا مستقیم در کنار دریا است. به دلیل اینکه مجتمع های فولاد سازی از صنایع پرمصرف آب می باشند لذا در تمام جهان این کارخانه ها در کنار آب احداث می گردند. بنابراین برای مکان یابی مجتمع های فولادی اولین و مهمترین عامل نزدیکی به آب می باشد.

در این مطلب سعی شد به سوال آهن اسفنجی چیست از تمام جهات مختلف پاسخ داده شود. لطفا هرگونه سوال تخصصی که مورد نظرتان است را در بخش نظرات مطرح فرمایید تا بررسی و پاسخ دهیم.

برچسب ها
نمایش بیشتر

‫6 نظرها

  1. سلام
    ممنون از مطلب علمی و جالب شما. در مورد آهن اسفنجی و احیا مستقیم زیاد خوانده بودم. ولی واقعا مطلب کاربردی ای ارائه نموده اید. آیا سایر خصوصیات آهن اسفنجی مانند چگالی و غیره را هم ممکن است اضافه نمایید.
    ممنون

    1. باسلام
      حتما به زودی با دریافت نظرات سایر دوستان عزیز، این مطلب را به روز می نماییم. صنعت احیا مستقیم فضای بسیار زیادی برای کار دارد و لذا این مطلب نیز همچنان به روز خواهد شد.

      صرفا برای اینکه جواب سوال شما خواننده عزیز را داده باشیم، چگالی بالک آهن اسفنجی حدودا یک و هفت دهم است.

      موفق باشید

  2. با احترام
    واقعا از مطلب علمی شما در مورد آهن اسفنجی استفاده کردم. به عنوان یک متخصص که سالهاست در صنعت آهن اسفنجی و راه اندازی کارخانه های مختلف کار کرده ام، اولین بار است که هزینه های سرمایه گذاری یک کارخانه آهن اسفنجی را در یک مقاله دیدم.
    باز ممنون و خسته نباشید

    1. سلام
      تشکر از لطف شما
      آهن اسفنجی از صنایع اصلی در بخش فولاد ایران می باشد و این صنعت جذب نیروی کار بالایی نیز دارد. سرمایه گذاری کارخانه های آهن اسفنجی نیز نسبت به صنایع مشابه کاملا توجیه دارد.

      متشکر

  3. روز به خیر
    اخیرا تمام جهان به سمت اجرای مدول های احیا مستقیم با ظرفیت بیش از یک میلیون تن رفته اند، ولی ایران همچنان پلنت های تولید آهن اسفنجی با ظرفیت زیر یک میلیون تن را در دستور کار دارد. آیا این موضوع از نظر فنی به صرفه و اقتصادی است؟ آیا مگامدول ها نباید در ایران جایگزین پلنت های قدیمی شوند؟
    تشکر

    1. سلام
      ممنون از سوال خوب شما
      پلنت های احیا مستقیم در تمام جهان به سمت مگامدول ها و سوپر مگا مدول ها حرکت کرده اند. در ایران به دلیل شرایط تحریم ، تکنولوژی های جدید و مدارک به روز را در اختیار ما قرار نمی دهند. لذا با اینکه چندین پلنت احیا مستقیم مگا مدول در ایران ساخته شده است ولی متاسفانه با تکنولوژی قدیمی اجرا شده اند.
      بنابراین اگر قصد ساخت کارخانه احیا مستقیم جدید را داشته باشیم و اگر نقشه ها و تکنولوژی جدید را در اختیار داشته باشیم، آنگاه قطعا توصیه به سمت مگا مدول و سوپر مگا مدول است.
      در حال حاضر نیز می توان از همین مگا مدول های قدیمی استفاده کرد.

      قطعا مگامدول ها نسبت به پلنتهای با ظرفیت پایین دارای صرفه اقتصادی بیشتری هستند.

      با تشکر

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا
بستن
بستن