با توجه به تنوع موارد استفاده فولاد در دنیا و گسترده شدن دایره مصرف فولاد با پیشرفت فنّاوری، تولید فولاد و نیز همگام با پیشرفت فنّاوری تغییرات بسیاری داشته است، که در پی این تغییرات تولیدکنندگان سعی در بالا بردن بهره‌وری و استفاده از انرژی و سوخت‌های ارزان‌تر با توجه به محیط جغرافیایی خودکرده‌اند.
روشهای تولید فولاد خام
امروزه فن‌آوری‌های مورداستفاده در تولید محصولات فولادی در مراحل بعد از به دست آوردن فولاد مذاب یعنی ریخته‌گری و نورد، کم‌وبیش یکسان است. اما برای به دست آوردن فولاد مذاب یا خام، از فن‌آوری‌های مختلفی میتوان استفاده کرد.
به‌طورکلی فولاد خام از دو روش زیر تولید می‌گردد:
۱- تهیه آهن خام یا چدن مذاب در کوره بلند (BF) و تولید فولاد در کانورترهای اکسیژنی، نظیر ذوب‌آهن اصفهان.
۲- احیای مستقیم سنگ‌آهن (DR) و ذوب‌آهن اسفنجی (DRI) و قراضه (Scrap) در کوره‌های الکتریکی از قبیل قوس الکتریکی (EAF) نظیر فولاد خوزستان یا القایی (IMF)، نظیر مجتمع فولاد جنوب.
لازم به ذکر است که تولید فولاد از روشهای دیگری نظیر روش کوره باز (Open Heart) نیز انجام می‌گیرد که با توجه به حجم تولید بسیار محدود آن در جهان، که طبق آمار World Steel حدود ۵/۲درصد از کل تولید فولاد جهان در سال ۲۰۰۷ بوده است و کاهش پیوسته تولید از این روش، در اینجا موردبررسی قرار نمی‌گیرد.
درروش اول که شیوه سنتی تولید است، از احیای غیرمستقیم آهن استفاده گردیده، سنگ‌آهن دانه‌درشت و سنگ‌آهن پس از فرآوری و تبدیل به آگلومره به همراه آهک و کک وارد کوره بلند شده ، آهن خام یا چدن مذاب (Pig Iron) به دست می‌آید . در مرحله بعد آهن خام در یک کانورتر به فولاد مذاب تبدیل گردیده، کربن و ناخالصی‌های دیگر آن به کمک اکسیژن خارج و فولاد خام (Crude Steel) تولید می‌گردد.
روش دوم تولید فولاد، استفاده از کوره‌های الکتریکی و
ذوب مجدد قراضه آهن و فولاد هست. به دلیل کمبود منابع قراضه در جهان و نیز
رشد فزاینده قیمت آن در طول سال‌های گذشته، در این روش میتوان به همراه
قراضه از آهن اسفنجی نیز برای ذوب در کوره استفاده نمود.
آهن اسفنجی
آهن اسفنجی محصول عملیات احیای مستقیم سنگ‌آهن است که دارای عیار بالای آهن بوده، جایگزین مناسبی برای قراضه جهت ذوب است. تولید آهن اسفنجی از سنگ‌آهن، عموماً به دو روش گازی (Gas Based) یا استفاده از زغال‌سنگ (Coal Based)، برای احیای آهن صورت می‌پذیرد. معمولاً در کشورهایی که دارای ذخایر گاز هستند، از روش گازی استفاده می‌گردد. در ایران نیز به‌طور مثال، فولاد خوزستان و فولاد مبارکه از گاز به‌عنوان ماده احیاکننده استفاده می‌کنند. شناخته‌شده‌ترین روشهای احیای مستقیم گازی روشهای میدرکس و HYL هستند. شرکت MMTE ایران و نیز شرکت ایریتک دارای لیسانس ساخت کارخانه‌های احیای مستقیم (از کوبه استیل ژاپن) با فنّاوری میدرکس هستند(میدرکس فنّاوری اصالتاً آمریکایی هست ).
۳/۶۶درصد فولاد خام جهان به کمک روش کوره بلند و ۲/۳۱درصد آن نیز به روش احیای مستقیم و استفاده از کوره‌های الکتریکی تولید می‌گردد. باوجودآنکه بیشتر تولید فولاد خام در جهان به‌وسیله روش کوره بلند تولید میشود، اما موارد ذیل استفاده از روش احیای مستقیم و کوره‌های الکتریکی را، مخصوصاً در ایران، توجیه‌پذیرتر می‌کنند :
– با توجه به استفاده از قراضه آهن، این روش سریع‌تر است.
-هزینه راه‌اندازی یک واحد کوره بلند نسبت به یک واحد احیای مستقیم و
کوره الکتریکی در ظرفیت‌های متناظر، بالاتر است. به‌طور مثال در محاسبات
شرکت ملی فولاد، میزان سرمایه‌گذاری موردنیاز، به ازای تولید هر تن فولاد
با توجه به مفروضات ذیل انجام می‌گیرد:
کوره بلند (شامل کک سازی، آگلومراسیون، کوره بلند، کانورتر و ریخته‌گری مداوم شمش) ۵۱۰ دلار
روش دیگر (شامل گندله‌سازی، احیای مستقیم، کوره قوس الکتریکی و ریخته‌گری مداوم شمش) ۴۳۰ دلار
– کک متالورژیکی که یکی از مواد اولیه موردنیاز کوره‌های بلند است، از زغال‌سنگ کک شو به دست می‌آید که منابع آن در ایران محدود است. همچنین این ماده عمدتاً وارداتی و گران‌قیمت است. برای تولید هر تن آهن خام به روش کوره بلند، طبق استانداردهای جهانی به حداقل ۵/۱ تن سنگ‌آهن و ۴۵۰ کیلوگرم کک متالورژیکی نیاز بوده که گاهی این مقدار تا ۳ تن سنگ‌آهن و ۱۰۰۰ کیلوگرم کک هم افزایش می‌یابد. درنتیجه با توجه به آنکه میتوان از گاز به‌عنوان ماده احیاکننده درروش احیای مستقیم استفاده نمود و باوجود منابع عظیم گاز در ایران، عملاً روش کوره بلند مزیت خود را از دست می‌دهد.
– روش کوره بلند محدودیت‌های زیست‌محیطی بیشتری نسبت به روش احیای مستقیم دارد.
– آهن اسفنجی عیار بالاتری نسبت به آهن خام دارد.
– کوره بلند در ظرفیت‌های بالا (حداقل یک و نیم میلیون تن در سال) دارای توجیه اقتصادی بیشتری است، درحالی‌که از روش احیای مستقیم میتوان در واحدهای کوچک فولادسازی نیز با توجیه اقتصادی مناسب استفاده کرد.
– آهن اسفنجی را میتوان به‌صورت آهن گرم کلوخه شده (HBI) درآورده، به سهولت حمل یا ذخیره کرد. درصورتی‌که که حمل آگلومره که خوراک کوره بلند است سخت‌تر هست .
– در فرآیند احیای مستقیم میتوان از گاز طبیعی بدون حذف ناخالصی‌های آن استفاده کرد.
درعین‌حال شرکت‌های ذوب‌آهن اصفهان، فولاد میبد، فولاد زاگرس، ذوب‌آهن غرب کشور و فولاد زرند طبق برنامه چهارم توسعه، درمجموع حدود ۵ میلیون تن فولاد، از طریق روش کوره بلند تولید خواهند کرد که با توجه به پتانسیل‌های موجود در کشور، به نظر کافی می‌آیند.
توجیه تولید آهن اسفنجی در ایران
با توجه به آنچه گفته شد، در ایران تولید فولاد از طریق آهن اسفنجی توجیه مناسب‌تری داشته، لذا به بررسی بیشتر آن می‌پردازیم. لازم به ذکر است تولید فولاد از طریق احیای مستقیم و کوره‌های الکتریکی در راستای سیاست‌های شرکت ملی فولاد و وزارت صنایع نیز بوده است. بر این اساس، با استفاده از آمار، به بررسی وضعیت آهن اسفنجی در جهان و کشورهای پیشرو در این زمینه می‌پردازیم. بر اساس اطلاعات World Steel، هندوستان بزرگ‌ترین تولیدکننده آهن اسفنجی در دنیا هست.
این کشور از مجموع تولید ۹/۶۴ میلیون تن آهن اسفنجی دنیا در سال ۲۰۰۷، حدود ۱/۱۸ میلیون تن یعنی حدود ۲۸درصد از کل تولید را به خود اختصاص داده است. ونزوئلا با ۱۲درصد، ایران با حدود ۵/۱۱درصد (۵/۷ میلیون تن در سال) و مکزیک با حدود ۱۰درصد در جایگاه‌های بعدی قرار دارند. حدود ۸۰درصد آهن اسفنجی جهان در کشورهای مذکور به‌علاوه عربستان سعودی، ترینیداد، روسیه و مصر تولید میشود.
دلیل اصلی آمار بالای تولید آهن اسفنجی در چند کشور محدود، به ذخایر گاز و زغال‌سنگ (حرارتی)، به‌عنوان عوامل اصلی جهت تولید انرژی موردنیاز فرآیند احیای مستقیم مربوط میشود.در کشور هند، حدود ۷۰درصد تولید آهن اسفنجی با استفاده از زغال‌سنگ (حرارتی یا کک نشو) و حدود ۳۰درصد با استفاده از گاز (در ۷ کارخانه) تولید می‌گردد. روشهای استفاده از زغال‌سنگ در فرآیند احیای مستقیم در هند متنوع هست .
تعداد کارخانه‌های بزرگ تولیدکننده آهن اسفنجی با کمک زغال‌سنگ در هند حدود ۵۵ کارخانه و تعداد کارخانه‌های کوچک که هرکدام بین ۱۰ هزارتا ۳۰ هزار تن در سال تولید دارند، بیش از ۳۰۰ کارخانه تخمین زده میشود. همچنین در کشور ونزوئلا آمار تولید آهن اسفنجی نشان می‌دهد تنها ۵درصد از کل تولید این کشور با استفاده از زغال‌سنگ به دست می‌آید و ۹۵درصد تولید بر روش‌هایی مبتنی است که از گاز طبیعی استفاده می‌کنند.
همچنین با بررسی کشور مکزیک، که دارای ذخایر عظیم گاز بوده و پس از ونزوئلا و ایالات‌متحده سومین دارنده ذخایر اثبات‌شده نفت و گاز در نیمکره غربی است، به این نتیجه می‌رسیم که در این کشور آهن اسفنجی به‌طور ۱۰۰درصد با استفاده از روش گازی تولید میشود.
باوجود آنکه تولید آهن اسفنجی در سال‌های اخیر، به کمک زغال‌سنگ در هندوستان توسعه‌یافته است، اما موارد زیر احتمالاً مسیر گسترش استفاده از این فرآیند را تغییر خواهد داد:
-استفاده از زغال‌سنگ درجایی مقرون‌به‌صرفه است که گاز طبیعی در اختیار نباشد و ذخایر زغال‌سنگ قابل استحصال باشند.
-با توجه به آنکه معادن زغال‌سنگ هرساله هزینه‌های بیشتری برای استحصال
طلب می‌کند، توجیه اقتصادی استفاده از آن در آینده زیر سؤال خواهد رفت.
-تولید آهن اسفنجی به کمک زغال‌سنگ سهم زیادی در آلودگی محیط‌زیست و انتشار گازهای گلخانه‌ای خواهد داشت. این موضوع دولت هند را نیز بر آن داشته تا کنترل بیشتری بر این صنعت داشته باشد. با توجه به آنچه گفته شد، دولت هند سیاست‌های گسترده‌ای را در جهت توسعه استفاده از گاز طبیعی دنبال می‌کند، و از طرفی جهت جلوگیری از آسیب به محیط‌زیست بر قوانین سخت‌گیرانه خواهد افزود. چنین به نظر می‌رسد که سرعت گسترش استفاده از روش زغال‌سنگ، در آینده کند شده و در هند نیز، این صنعت جای خود را به روش گازی خواهد داد .
لازم به ذکر است معادن سنگ‌آهن با توجه به نوع معدن سه محصول عمده تولید می‌کند .سنگ‌آهن دانه‌بندی ریزدانه (Fine) و درشت‌دانه (Lump) و کنسانتره آهن .
سنگ‌آهن ریزدانه و درشت‌دانه تبدیل به آگلومره شده(کلوخه‌ای شکل) و قابلیت شارژ در کوره بلند را خواهد داشت . با توجه به اینکه شارژ آهنی در کوره بلند از بالای کوره صورت می‌پذیرد در صورت تولید بیش‌ازحد معینی گردوغبار ،کوره کارایی خود را از دست می‌دهد لذا نمی‌توان سنگ‌آهن ریزدانه تزریق کرد لذا می‌بایست حتماً به کلوخه‌ی همان آگلومره تبدیل شود .
کنسانتره تولیدشده که ابعاد میکرونی دارد در واحدهای گندله‌سازی به گندله (محصولی فندوقی شکل) تبدیل‌شده و با شارژ در کوره احیای مستقیم به آهن اسفنجی تبدیل میشود .آهن اسفنجی تولیدشده به واحد فولادسازی منتقل‌شده در آنجا در کوره‌های الکتریکی به همراه درصدی آهن‌قراضه ذوب‌شده و در قسمت ریخته‌گری مداوم به شمش فولادی(بیلت ، بلوم یا تختال ) تبدیل میشود .
شمش تولیدشده در واحدهای نورد به محصولاتی مثل تیرآهن ، ورق و … تبدیل میشود .