فرآیند بهینه سازی مصرف آب در واحد مگامدول احیاء

در واحد های فولادی مجتمع صنعتی چادرملو از جمله گندله سازی با تکنولوژی آلیس چالمرز آمریکا و با لیسانس شرکت کوبه استیل ژاپن با ظرفیت ۳.۴ میلیون تن در سال، واحد مگامدول احیاء با ظرفیت 55/1 میلیون تن قابل افزایش تا 7/1 میلیون تن در سال با تکنولوژی میدرکس آمریکا و با لیسانس کوبه استیل ژاپن، و واحد فولاد سازی با ظرفیت یک میلیون تن قابل افزایش با سیستم شارژ داغ تا 3/1 میلیون تن در سال با تکنولوژی تنوای ایتالیا  و اس،ام،اس کانکست آلمان و نیروگاه سیکل ترکیبی سرو، با ظرفیت 500 مگاوات با لیسانس زیمنس و توسط  شرکت مپنا با انجام اصلاحات و تغییرات در دوران مهندسی پایه و تفصیلی پروژه ها، تجربه دوران بهره برداری با استفاده از تکنولوژی مدرن،  کاربردی در سطح جهان، و انجام اصلاحات سیستم های آبرسانی، به شرح زیر مصرف آب از 214 لیتر به 100 لیتر کاهش یافته است.

0. تغییر سیستم های مدار باز به مدار بسته
0. استفاده از برج های خنک کننده هیبریدی
0. کاهش بلودان
0. بازیابی آب بلودان
0. وارد چرخه نمودن پساب های صنعتی و بهداشتی

1. فرآیند بهینه سازی مصرف آب در واحد گندله سازی

در مهندسی پایه شرکت کوبه استیل ژاپن ، مصرف آب برای هر تن گندله را 11 لیتر درثانیه برآورد نموده که بعد از راه اندازی و بیش از یک دهه بهره برداری با طرح های اصلاحی مصرف آب به 6.۵  لیتر درثانیه به ازای هر تن گندله کاهش یافته است، اقدامات انجام شده در این راستا در واحد گندله سازی عبارتند از :

الف: بخش عمده مصرف آب صنعتی در واحد گندله سازی برای خنک کنندگی وکیوم پمپ های مربوط به پروسس این واحد می باشد، با تغییر برج های خنک کنندگی باز به سیستم های خنک کننده با سیستم مدار بسته آب  واستفاده بهینه از رطوبت کنسانتره در این بخش صرفه جوئی موثری انجام گرفته  است.

ب) با جایگزینی سیستم خنک کننده با سیستم های مدار بسته وهیبریدی با برج های سنتی که جهت خنک کردن آب ماشین آلات دیگر پروسس می باشد. حدوداً یک لیتر در ثانیه نیز صرفه جوئی در مصرف آب گردیده است که با این بهینه سازی در فرآیند مصرف آب 45 % صرفه جوئی آب در واحد گندله سازی نسبت به طرح اولیه کوبه استیل ژاپن انجام گرفته است.

2. فرآیند بهینه سازی مصرف آب در واحد مگامدول احیاء

براساس تکنولوژی شرکت میدرکس و مهندسی پایه ارائه شده توسط شرکت کوبه استیل ژاپن مصرف آب مگامدول احیاء چادرملو 280 متر مکعب در ساعت (78 لیتردر ثانیه) ارائه گردیده است، با توجه به سیاست کاهش حداکثری مصرف آب در منطقه، در مهندسی تفصیلی با استفاده از سیستم های ترکیبی همزمان مدار باز و بسته (ACHE) مصرف آب به 155 متر مکعب (43 لیتر در ثانیه) و یا به عبارتی 45 % کاهش یافته است در سیستم AIR COOLING HEAT EXCHANGER)) ACHE  علاوه بر وجود فن و ایجاد جریان مکانیکی، سازه برج خنک کننده بصورتی طراحی گردیده  که جریان هوا به صورت طبیعی به حرکت در می آید، این نوع برج های خنک کننده بعنوان خنک کننده های جریان مرکب شناخته میشوند.

3. فرآیند بهینه سازی مصرف آب در واحد فولادسازی

تکنولوژی بخش کوره ذوب در کارخانه فولادسازی توسط شرکت تنوا ایتالیا و بخش ریخته گری توسط شرکت اس.ام.اس کانکست آلمان ارائه گردیده است . در مهندسی پایه مصرف آب فولاد سازی 430 متر مکعب در ساعت (120 لیتر در ثانیه) برآورد  گردیده که با توجه به شرایط کمبود آب در منطقه در طراحی تفصیلی با جایگزین نمودن  مدار باز آب با  سیستم های بسته هیبریدی پیشنهاد گردید تجهیزات سیستم بسته هیبریدی با سرمایه گذاری ۵ میلیون یورویی  از کشور سوئیس تامین و نصب گردید  با انجام این تغییرات مصرف آب فولاد سازی به 133 متر مکعب (37 لیتر در ثانیه ) و یا 57 % مصرف کاهش یافت.

فرآیند عملیاتی برج های خنک کننده مدار بسته هیبریدی استفاده شده در واحد فولادسازی :

سیستم هیبریدی مدار بسته با  گردش آب در درون کویل ها و لوله ها خم شده موازی جریان یافته  و نازل های مخصوص بر روی آن کویل در زمانیکه درجه حرارت آب بالا می باشد آب پاشش می نماید  و از طرفی توسط فن های تعبیه شده هوا باعث خنک کردن آب درون کویل ها می گردد. آب درون کویل ها پس از خنک شدن و بصورت مدار بسته  وارد تجهیزات و ماشین آلات گردش نموده  و این فعالیت بصورت مستمر در جریان است.

لازم به اشاره است که آب پاشش در موقع نیاز حداقل 5 % مقدار آب اصلی بوده و این آب پس از پاشش مجدداً بازیافت و به چرخه تولید باز می گردد فن های تعبیه شده جهت خنک گنندگی در فصل زمستان در مدار قرار نمی گیرند و در فصل تابستان عمدتاً در طول روز  از آنها استفاده می گردد.

4. فرآیند بهینه سازی مصرف آب در نیروگاه سیکل

در طرح توجیهی و مهندسی پایه نیروگاه سیکل ترکیبی سرو چادرملو با ظرفیت اسمی 500 مگاوات و با دو واحد گازی و یک واحد بخار میزان آب مصرفی 5 لیتر در ثانیه لحاظ گردیده است. در واحد بخار این نیروگاه بجای سیستم خنک کنندگی هلر از سیستم (Air Condensate Cooling)ACC  استفاده گردیده است. با انجام اصلاحات زیر در طول بهره برداری مصرف آب به 5/1 لیتر کاهش یافته است.

• کاهش بلودان پیوسته
• بازیابی آب بلو دان
• بازیافت آب درین آنالایزرهای واحد سمپلینگ
• استفاده از آب فلاشینگ سیستم اسمز معکوس و بکواش فیلترهای شنی برای مصارف فضای سبز
• بازیافت آب سیستم کولینگ کمکی از طریق درین پیوسته و هدایت آن به مخازن ذخیره.

شایان ذکر است با ادامه اصلاحات و راه اندازی سیستم اسمز معکوس ثانویه در آتی، مصرف آب به 1 لیتر کاهش و عملاً 80 % صرفه جویی آب در نیروگاه انجام می گیرد.

5. نتیجه بهینه سازی مصرف آب در واحدهای صنعتی

با توجه به شرح فوق جدول بهینه سازی مصرف آب در مجتمع صنعتی بشرح زیر می باشد.

ردیف	واحد	مصرف در طرح اولیه لیتر	مصرف بعد از بهینه سازی لیتر	کاهش درصد	صرفه جویی
1	گندله سازی	11	6	54 %	46 %
2	مگامدول احیاء	78	43	55 %	45 %
3	فولاد سازی	120	43	36 %	64 %
4	نیروگاه سیکل ترکیبی	5	5/1	30 %	70 %
5	مصارف صنعتی عمری	_	5/6	_	_

 

ب) بهینه سازی تامین آب مجتمع صنعتی چادرملو در اردکان

در مجتمع صنعتی چادرملو در اردکان علاوه بر  بهینه سازی در مصرف آب در واحدهای صنعتی ، با سرمایه گذاری های  قابل توجه، در صرفه جوئی در تامین آب نیز بشرح زیر انجام گرفته است:

0. لوله گذاری فاضلاب شهر اردکان بطول حدودا ۲۶۸کیلومتر
0. احداث تصفیه خانه فاضلاب شهری اردکان به ظرفیت 90 لیتر در ثانیه
0. انتقال پساب فاضلاب شهری اردکان به مجتمع به طول 25 کیلومتر
0. احداث تصفیه خانه دوم جهت سازگار نمودن آب پساب فاضلاب با مشخصات  آب مورد نیاز صنعت
0. احداث تصفیه خانه فاضلاب بهداشتی 400 متر مکعب در شبانه روزدرمحتمع صنعتی چادرملو در اردکان و برگشت پساب آن به چرخه مصرف صنعتی و فضای سبز
0. مشارکت در طرح آبرسانی صنایع جنوب شرق کشور آب خلیج فارس از بندرعباس باحق السهم۲۰۰۰لیتر در ثانیه برای واحدهای صنعتی و معدنی چادرملو

سرمایه گذاری برای بهینه سازی مصرف آب برای آیتم 1 الی۵ بالغ بر سه هزار میلیار ریال بوده و مشارکت در طرح آبرسانی خلیج فارس از بندرعباس با سرمایه گذاری عظیم در جریان می باشد که نظر به عدم پایان پروژه حجم سرمایه گذاری ، جهت شیرین کردن آب و خط انتقال آن بعد از اتمام پروژه اعلام می گردد.

تاریخچه احیای مستقیم

احیای مستقیم آهن اسفنجی در مقایسه با روش قدیمی و سنتی تولید آهن بوسیله کوره بلند دارای سابقه کوتاه ۵۰ ساله است. تولید آهن از طریق کوره بلند دارای مزیت‌های زیادی است که هنوز هیچ روشی نتوانسته جایگزین آن گردد و همچنان ۹۴ درصد آهن دنیا از آن روش تولید می‌گردد اما دلایلی از جمله مسائل زیست محیطی و کاهش ذخایر ذغال سنگ کک شو باعث شد که روش‌های جدید احیا آهن مورد توجه قرار گیرد. اولین بار احیا مستقیم یا تولید آهن اسفنجی توسط محققان آمریکایی و مکزیکی در دهه ۷۰ میلادی صورت گرفت.

اولین کارخانه احیای مستقیم آهن ۱۹۷۰
واکنش‌های احیای مستقیم عموما زیر نقطه ذوب آهن و حدود ۸۲۰ درجه سانتیگراد انجام می‌گیرد اما در کوره بلند به‌دلیل ظرفیت گرمایی بالای کک محصول به صورت مذاب است ازطرف دیگر حل شدن کربن موجود در کک باعث تولید محصول به صورت چدن خام با درصد کربن بالا می‌گردد که در مرحله فولادسازی مستلزم صرف انرژی بیشتر است. سرمایه‌گذاری‌اولیه و هزینه‌های عملیاتی کارخانه‌های تولید آهن اسفنجی در مقایسه با کارخانه‌های فولاد یکپارچه کم است و برای کشورهای در حال توسعه که در آن منابع زغال سنگ کک محدود هستند، مناسب است.
مکانیزم احیا مستقیم
عمل احیا در روش‌های احیای مستقیم مانند آنچه در شکم کوره‌بلند رخ می‌دهد صورت می‌گیرد و گاز احیاکننده بر روی اکسیدآهن اثر گذاشته و آن را در چند مرحله احیا می‌کند. خوراک اکسید آهن در این روش به صورت گندله متخلخل بوده تا توانایی عبور گاز احیا کننده را داشته باشد.
گاز احیا کننده در رآکتورهای احیای مستقیم قبل از ورود به رآکتور، در رفورمرها از شکسته شدن گاز طبیعی (CH4) و تبدیل به CO و H2 تهیه می‌شود و پس از پیش‌گرم شدن تا دمای ۱۰۰۰ درجه‌سانتیگراد وارد رآکتور احیای مستقیم می‌شوند. در روش‌های احیای مستقیم حداقل ۹۰% اکسید آهن موجود در گندله به آهن فلزی تبدیل شده که به این نسبت آهن فلزی تشکیل شده به آهن کل موجود در گندله درصد متالیزیشن می‌گویند. محصول رآکتور احیای مستقیم که صورت آهن اسفنجی جامد است به سهولت در دمای حدود ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد توسط سیستم انتقال مواد مستقیما به کوره‌های قوس الکتریکی (EAF) شارژ شده و عمل تصفیه و فولاد سازی بر روی آن انجام می‌شود. برای مشاهده تهیه مذاب فولاد در کوره قوس از احیای مستقیم آهن کلیک کنید.

آهن اسفنجی
مسیر تولید آهن
به طور کلی در مسیر سنگ آهن تا فولاد مراحل زیر وجود دارد:
۱.تغلیظ (معدن‌کاری و کنسانتره‌سازی):
بیشتر سنگ‌معدن آهن توسط معدن‌کاری سطحی استخراج می‌شود. برخی از معادن زیرزمینی وجود دارد، اما هر جا که امکان دارد، معدن‌کاری سطح ترجیح داده می‌شود زیرا ارزان‌تر است.
به طور میانگین عیار سنگ معدن در حدود ۶۰ تا ۶۵ درصد است، عملیات تغلیظ و افزایش عیار سنگ معدن بسته به عیار اولیه آن رخ می‌دهد که شامل خردایش، آسیا کردن و روش‌های فیزیکی و مغناطیسی است.
محصول این فرآیندها که دارای درصد آهن بیشتری نسبت به سنگ‌معدن است، کنسانتره نامیده می‌شود. خردکردن و غربالگری عملیات مکانیکی ساده است که ترکیب سنگ را تغییر نمی‌دهند، اما برخی از سنگ‌ها باید قبل از ذوب‌سازی ارتقا پیدا کنند. اکثر فرایندهای کنسانتره‌سازی به تفاوت‌های بین چگالی متکی هستند تا مواد معدنی سبک را از سنگین‌تر جدا کنند، در برخی موارد برای جداسازی سنگ آهن خرد از ناخالصی‌ها جدا شود.
۲.گندله‌سازی:
سنگ معدن یا کنسانتره به شکل یک پودری بسیار ریز بوده که برای استفاده در کوره واکنش مناسب نیست بنابراین کنسانتره باید با عمیات گندله‌سازی آگلومره شود.
کنسانتره‌های‌مرطوب به یک دیسک شیبدار و چرخشی وارد شده، که لرزش منجر به تولید آگلومره‌های نرم و کروی می‌شود. این آگلومره‌های سبز پس از خشک‌ شدن و سوختن در در محدود دمای ۱۲۵۰ تا ۱۳۴۰ درجه سانتیگراد است. سرانجام، آنها به آرامی سرد می‌شوند. گلوله‌های محصول نهایی گرد بوده و قطر آنها ۱۰ تا ۱۵ میلی‌متر است و آنها تقریبا شکل ایده آل برای کوره را تشکیل می‌دهند.

دستگاه گندله سازی
۳.آهن‌سازی:
در این مرحله درون کوره‌های تولید آهن بر اساس مکانیزم احیای مستقیم، اکسیژن حذف شده و آهن اسفنجی تهیه می‌شود.
مسیر احیای مستقیم سنگ آهن
مطابق شکل بالا به صورتی است که ابتدا سنگ آهن بصورت هماتیت (Fe2O3) بوده و سپس ترکیب درصد اکسیژن آن تا حد مگنتیت (Fe3O4) و در انتها به حد ترکیب درصد اکسیژن در وستیت (FeO) پایین آمده و در نهایت آهن فلزی تشکیل می‌شود. شکل ۳ روند احیا اکسید آهن ملاحظه می‌شود فرآیند کلی احیای مستقیم سنگ آهن از هماتیت آغاز و پس از دو مرحله به آهن خالص ختم می‌شود.
۴.ذوب و فولادسازی:
گلوله‌های آهن اسفنجی به کوره قوس الکتریکی (EAF) منتقل و پس از حذف ناخالصی‌ها و رسیدن به ترکیب مناسب به صورت محصولات اولیه مانند اسلب تهیه می‌گردند. در این‌جا ابتدا آهن قراضه با استفاده از سبدهای مخصوص، داخل کوره قوس الکتریکی ریخته شده و سپس هم‌زمان با ذوب قراضه‌ها، ترکیبی از آهن اسفنجی و مواد سرباره ساز مانند آهک، کک، بنتونیت و دیگر مواد افزودنی از قسمت بالای کوره به ذوب افزوده می‌شود و پس از نمونه‌گیری، دمش اکسیژن و همگن‌سازی و همچنین آنالیزهای مختلف به فولاد مذاب تبدیل می‌گردد. برای آشنایی با انواع کوره قوس کلیک کنید. مخلوط مذاب پس از تخلیه سرباره، توسط پاتیل‌های حمل مذاب به واحد ریخته‌گری مداوم ارسال می‌گردد. در واحد ریخته‌گری مداوم، مذاب توسط نازل داخل ظروفی به نام تاندیش و سپس داخل قالب مسی آب‌گرد ریخته شده و در طول مسیر غلطکی با پاشش آب خنک و به شمش منجمد تبدیل می‌گردد. در نهایت اسلب‌های تولید شده به طول‌های مورد نظر برش داده می‌شوند. از اسلب‌ پس از فرآیندهای متالورژیکی ورق و دیگر مقاطع فولادی، تولید می‌گردد.
روش‌های احیای مستقیم
اولین شرکتی که در زمینه تولید آهن‌اسفنجی فعالیت نمود شرکت میدرکس آمریکا بود که هم‌اکنون تولید با این روش و با نام این شرکت در اکثر نقاط جهان ادامه دارد و مطابق شکل ذیل، ۶۳ درصد سهم تولید آهن‌اسفنجی از این روش می‌باشد. گروه دیگری که در تولید آهن اسفنجی فعالیت داشته‌اند شرکت مکزیکی HYL بوده‌است این شرکت هم اکنون ادعا دارد با حذف رفرمرگازی توانسته نسل چهارم کوره‌های خود را به بازار عرضه نماید.
متدهای احیای مستقیم
از دیگر روش‌های تولید آهن اسفنجی می‌توان به SL/RN ، Jindal ، DRC که بر مبنای زغال سنگ بوده و روش ابداعی در ایران موسوم به PERED اشاره کرد.
روش میدرکس
پرکاربردترین و پربازده‌ترین فرایند حال حاضر احیای مستقیم سنگ آهن گندله و تولید آهن‌اسفنجی به روش گازی است. در این روش احیا کننده گاز طبیعی است که بطور معمول متان (CH4) در نظر گرفته می‌شود. (تقریبا ۸۵ درصد گاز طبیعی متان تشکیل می‌دهد، از اینرو گاز طبیعی به تقریب متان فرض می‌شود) در این فرآیند گندله‌ها از قسمت بالایی کوره به سمت پایین سقوط می‌کنند و در این بازه زمانی گاز احیا کننده درون کوره دمیده می‌شود.
همانطور که گفته شد مخلوط گاز هیدروژن و مونواکسید کربن قبل از ورود به کوره در واحد رفورمر، از شکسته و تجزیه شدن تهیه می‌شوند. گاز احیا کننده به‌دلیل جریان طبیعی سیال داغ (۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد)، به سمت بالا حرکت کرده و در این حین ترکیب درصد اکسیژن گندله‌های درحال سقوط کاهش یافته و محصول نهایی آهن اسفنجی است.
بطور کلی خط سیر احیای مستقیم برای یک سنگ آهن مطابق شکل ذیل است. ضمن آنکه همواره بخشی از گاز صعود کرده درون کوره خارج شده و از آن دوباره به عنوان سوخت استفاده خواهد شد (به دلیل دارا بودن مقادیری از اکسید کربن و هیدروژن) ضمن آنکه مقداری از این گاز برگشت خورده، خود می‌تواند در فرآیند اکسایش متان حضور داشته‌باشد.
فلوچارت احیا آهن
روش میدرکس مزایای فروانی دارد از جمله آنکه این روش در بین تولید کنندگان آهن اسفنجی (بروش گازی) آنقدر پر استفاده‌بوده‌است (در حدود ۶۰ درصد) که اکنون به عنوان یک تکنولوژی در دسترس تلقی می‌شود.
از طرفی کاهش هزینه‌های مربوط به تعمیرات در این روش بدلیل سادگی بیشتر سیستم و همچنین راندمان بالای اسفنج تولیدی (درصد متالیزیشن ۹۴ تا ۹۶) آن‌را به بستری مناسب برای سرمایه‌گذاری نیز تبدیل کرده‌است. نکته دیگر آنست که اسفنج‌های تولیدی به روش میدرکس دارای یکنواختی بیشتری از جهات ترکیب شیمیایی نیز هستند.
البته روش میدرکس با تمام مزایا و محاسن خود نقاط ضعف خود را نیز دارد. آهن اسفنجی تولیدی در روش میدرکس سخت‌تر از سایر روش‌ها است و این به معنای انرژی اولیه مورد نیاز بیشتر در هنگام فولادسازی است. نکته مهم دیگر فرسایش بدنه کورد احیا در طول زمان است که البته این مورد طی سال‌های اخیر با عایق بندی مناسب کوره تا حدودی برطرف شده‌است.
روند احیای مستقیم
روش HYL
این فرآیند در ابتدای دهه ۵۰ میلادی بصورت آزمایشی و با ظرفیت اسمی ۲ تن در روز طراحی شد. اولین مشکل سر راه آزمایشات، عدم‌دستیابی به میزان لازم احیا در طول فرآیند بود که پس از ۱۸ ماه تحقیق و بررسی، سرانجام بعد از اعمال چندین تغییر که از جمله مهمترین آنها تغییر در سیستم از احیاکننده بود، اولین سیستم احیای مستقیم سنگ آهن و تولید آهن اسفنجی به روش HYL البته بصورت آزمایشی در میانه سال ۱۹۵۵ راه‌اندازی شد. آزمایشات موفقیت‌آمیز بود و ظرفیت آهن‌اسفنجی تولیدی به مرور در حال افزایش نیز بود به نحوی که در آخرین روزهای پژوهش این فرآیند، سیستم، قادر به تولید ۶۰ تن آهن اسفنجی در روز به نحو بهینه شده‌بود.
در این فرآیند همانند روش میدرکس از گاز طبیعی شکسته شده (ولی با حذف ریفرمر) به عنوان عامل احیاء کننده استفاده می‌شود همچنین استفاده از بخار آب برای تولید گاز احیایی هیدروژن و افزایش آن در ترکیب گاز احیایی پیش‌بینی شده‌است. در این فرآیند میزان هیدروژن در مخلوط گاز احیایی نسبت به مونو اکسید کربن بسیار بیشتر بوده و هیدروژن به عنوان اصلی ترین عامل احیاء کننده عمل می‌کند. کوره این روش نیز مشابه کوره شافت عمودی روش میدرکس می‌باشد. این کوره توسط مکانیزم های مکانیکی (هیدرولیکی) آب‌بندی شده‌است و فشار محیط واکنش بسیار بالاتر و تا ۷ آتمسفر تنظیم شده است تا سرعت واکنش احیای مستقیم به‌دست آید.
آهن اسفنجی در ایران
آهن اسفنجی ساختاری متخلخل و کروی شکل دارد. این محصول احیای مستقیم حدود ۵ درصد از فولاد دنیا به کار می‌رود. استفاده از آهن اسفنجی برای استخراج آهن در کوره القایی از سال ۸۹ در ایران آغاز شد. کارخانه‌ای در یزد از جمله پیشگامان این مسیر بود. لازم به ذکر است که در آن دوران هنوز با مسئله کمبود قراضه مواجه نبودند و شاید به همین دلیل پیش از این زمان به استفاده از آهن اسفنجی روی نیاورند.
استفاده از آهن اسفنجی، کارخانه‌های تولیدکننده فولاد را ابتدا با چالش‌هایی روبه رو کرد. به دلیل آشنا نبودن با نحوه شارژ کوره با محصول احیای مستقیم و وجود فسفر و گوگرد در آن سبب شد تا زمان ذوب و مقدار سرباره تا مقدار زیادی افزایش پیدا کند. این مسائل باعث شد تا کارخانه‌ها به استفاده از آهن اسفنجی روی خوش نشان ندهند. پس از این دوران با پیشرفت‌هایی که صورت گرفت و آشنایی بیشتر با این روش و از همه مهم‌تر کمبود قراضه موجب شد تا استفاده از آهن اسفنجی روز به روز افزایش پیدا کند.
شما با مطالعه این مقاله با احیای مستقیم به طور کامل آشنا شدید. آهن استخراج شده در این روش در تولید مقاطع مختلف فولادی کاربرد دارد.

تولید فولاد

تولید فولاد یک صنعت حیاتی است که تأثیر قابل توجهی در اقتصاد جهانی ما دارد. از اواسط دهه 1800، فولاد به یکی از اصلی ترین مواد در سطح جهان تبدیل شد که در خدمت تعداد بی شماری از بازارهای تولید و ساخت قرار گرفته است. براساس آمار انجمن جهانی فولاد، تولید جهانی فولاد 2.9 تریلیون دلار از فعالیت اقتصادی جهان را شامل می شود و به عنوان ماده ای مهم برای حمایت از میلیون ها شغل در سطح بین المللی تبدیل شده است.
شاید به نظر نرسد فولاد کالایی باشد که با فناوری پیشرفته مرتبط باشد، اما روند تولید آن راه طولانی طی کرده است. در این مقاله تاریخچه فرآیند تولید فولاد را بررسی خواهیم کرد و آن را با نحوه ساخت و استفاده از فولاد در کاربردهای مدرن مقایسه خواهیم کرد.

تاریخچه تولید فولاد
فولاد دست آوردی از عصر آهن است، دوره ای که حدودا 1200 سال قبل از میلاد آغاز شد. سنگ آهن برای اولین بار در آسیای میانه و اروپا استخراج شد و بشر در این زمان از آهن برای ساخت ابزار و سلاح در عملی بنام متالورژی آهنی استفاده می کرد. محصولات آهنی در این مدت تکامل یافتند و تولید کالاهای آهنی آغاز شد. آهنگران یاد گرفتند که سنگ آهن را گرم کنند و با استفاده از فرایند چکش و سندان، ناخالصی های موجود در فلز را از بین بردند و یک محصول نهایی با دوام و قابل انعطاف تولید کردند.
آهن قبل از رسیدن به آنچه در حال حاضر فولاد محسوب می شود، اشکال دیگری داشت. در چین، متالوژیست های عصر آهن، آهن را در کوره های بزرگ گرم و ذوب می کردند و آن را با سوخت چوب مخلوط می کردند. سپس مایع ذوب شده را در قالب ریخته و می گذاشتند تا سفت شود و در نهایت با استفاده از قالب آن را به شکل ابزارآلات یا لوازم پخت و پز تبدیل می کردند. این فرآیند که به فرآیند چدنی معروف است، محصول بادوام تری نسبت به آهن خالص ارائه می دهد، اما شکننده است و شکل دهی و خم شدن آن دشوار می باشد.
سپس، آهنگران اروپای مرکزی شروع به پوشش دادن محصولات چدنی در ذغال کردند تا ضمن حفظ انعطاف پذیری، مقاومت آهن را بهبود بخشد. به این ترتیب، آهن مرحله نهایی خود را تجربه کرد که بیشتر شبیه مواد فولادی امروزی است. در هند، صنعتگران یک فرآیند ذوب آهن را توسعه دادند که ترکیب کاملی از آهن و کربن را ترکیب می کند. با استفاده از بوته ها یا ظروف سفالی، کارگران می توانند قطعات آهن و ذغال را با هم در کوره ای با درجه حرارت بالا مخلوط کنند. هنگام پخت، آهن ذوب شده و اتمهای کربن را از ذغال جذب می کند. پس از خنک شدن، بوته ها حاوی ماده ای بودند که اکنون به عنوان فولاد می شناسیم - آلیاژ آهن و کربن.
پس از کشف آلیاژهای آهن و کربن، تمدن های مختلف شروع به تولید محصولات فولادی خود کردند و این امر به آنها امکان ساخت سلاح، ابزار و ساختارهای بهتر را داد. از عصر آهن تا امروز، بشر به دنبال کامل کردن فرآیند تولید فولاد بوده است، نه تنها برای تولید در مقادیر بیشتر، بلکه برای تولید موثرتر. بهبود مستمر تولید فولاد دلیلی است که امروزه فولاد به کالای بسیار مهم جهانی تبدیل شده است.

امروزه فولاد چگونه تولید می شود؟

روند تولید فولاد مدرن در سال 1856 تحت فرآیندی که به فرآیند بسمر (Bessemer) معروف است آغاز شد. این فرآیند اولین فرآیند مورد استفاده برای تولید انبوه فولاد تلقی می شود. به گفته مورخان، دو مخترع، یکی در انگلستان و دیگری در پیتسبورگ، هر دو به طور همزمان فرآیند تولید فولاد را توسعه دادند که شامل حذف ناخالصی های آهن از طریق استفاده از انفجار هوا بود.
با این کشف، سایر تولیدکنندگان فولاد شروع به تکمیل این فرآیند کردند و در نهایت راهی برای استفاده از روش انفجار هوا برای کمک به حفظ کربن و در عین حال از بین بردن ناخالصی ها، کشف کردند. سرانجام، این فرآیند به روشی بسیار مقرون به صرفه برای تولید انبوه فولاد با کیفیت بالا تبدیل شد که امروزه نیز از آن استفاده می کنیم.
فولاد امروز به طور کلی از طریق یکی از دو روش زیر تولید می شود:

1. کوره بلند: فرایند کوره بلند، که به عنوان فرآیند اساسی اکسیژن (BOP) نیز شناخته می شود. در این روش، سنگ آهن با مقادیر کمی قراضه فولادی در یک کوره ترکیب می شود. سپس، اکسیژن خالص به کوره دمیده می شود و باعث افزایش دمای آن می شود. قراضه نه تنها در این دما ذوب می شود، بلکه ناخالصی های آهن نیز اکسید و کاملاً تبخیر می شوند. علاوه بر این، دمای بالا میزان کربن را به نسبت ایده آل آن کاهش داده و در نتیجه فولاد مایع تولید می شود.

2. کوره های قوس الکتریکی: در روش کوره قوس الکتریک (EAF) ، قوس های الکتریکی با جریان زیاد مقدار زیادی ضایعات فولادی را ذوب می کنند. در حالی که قراضه ذوب می شود، تکنسین ها فرو آلیاژهای دیگری را اضافه می کنند تا زمانی که فلز مذاب به نسبت فولادی مورد نظر خود به آلیاژهای دیگر مانند کروم و نیکل که فولاد ضد زنگ (استاینلس استیل) را تشکیل می دهند، برسد. سپس برای تصفیه فولاد، کوره در اکسیژن منفجر می شود و آهک (اکسید کلسیم) و فلوریت (فلورید کلسیم) به آن اضافه می شوند. این مواد با ناخالصی های فولاد ترکیب شده و به ضایعات تبدیل می شوند. سپس این ضایعات در قسمت بالای فولاد مذاب شناور و خارج و فولاد خالص جدا می شوند.
روش کوره قوس الکتریک (EAF) امروزه متداول ترین روش تولید فولاد است. کوره های مدرن فولاد سازی EAF امروزی 150 تن فولاد در هر ذوب تولید می کنند که تقریباً 90 دقیقه به طول می انجامد.

طی فرایند احیا مستقیم، گندله از قسمت بالای کوره احیا به کمک لوله های اختاپوسی بطور یکنواخت وارد کوره شده و در همین زمان گاز احیا تولیدی توسط ریفورمر از قسمت میانی کوره به آن دمیده میشود و پس از احیا اکسید آهن در حالت جامد و تبدیل آن به آهن اسفنجی از قسمت بالای کوره خارج و جهت شستشو و خنک کاری وارد اسکرابر می شود. با توجه به مشاهدات انجام شده لگ میانی که محصولات داغ را از خود عبور می دهد دارای ارتعاش بوده و تحت تاثیر این ارتعاشات از نواحی جوش دچار شکستگی و آسیب می شود. ترک خوردگی لگ میانی موجب انتشار گاز های سمی و خطرناک اعم از CO و غیره شده که خود می تواند باعث انفجار و آتشسوزی شده و خسارت های زیادی را به دنبال داشته باشد. لذا هدف از تعریف این پروژه تحلیل ارتعاشات لگ میانی کوره احیا و جلوگیری از شکست در ناحیه جوش و رشد ترک در جوش بوده که عضو بسیار مهمی در فرایند احیای مستقیم آهن به شمار می رود و به موجب این تحلیل راه کارهایی جهت کاهش ارتعاشات و افزایش مقاومت این عضو در مقابل تسلیم و شکست ارائه گردد که افزایش طول عمر و مدت زمان کارکرد آن را به دنبال خواهد داشت و این امر نیز در نهایت موجب کاهش قابل توجه هزینه های تحمیلی که در اثر خرابی این عضو و توقف خط تولید برای تعمیر آن ایجاد می شود، خواهد شد.

FLANGE FACE FINISH

برای اطمینان از اینکه جفت فلنج با واشر و فلنج همراه کاملاً مناسب باشد، مقداری ناهمواری در سطح سطح فلنج لازم است (فقط فلنج RF و FF). نوع زبری در سطح صورت فلنج نوع “پایان صورت فلنج” را مشخص می کند. انواع متداول عبارتند از انبار، روکش متحد المرکز، روکش مارپیچی و پایان فلنج صاف. فلنج های فلزی با چهار پایه اصلی صورت وجود دارد، اما هدف مشترک هر نوع صورت فلنج ایجاد زبری مورد نظر روی صورت فلنج است تا از یک مسابقه قوی بین فلنج، واشر و فلنج جفت گیری اطمینان حاصل شود و به این ترتیب یک مهر و موم با کیفیت بالا تهیه کنید.

STOCK FINISH

پایان سهام گسترده ترین نوع پایان است زیرا متناسب با اکثر برنامه ها است. فشار باعث جابجایی صورت نرم واشر در قسمت فلنج می شود و به دلیل اصطکاک موجود بین قسمت های تماس، باعث ایجاد مهر و موم خوبی می شود. با اتصال فلنج های جفت گیری، واشرها به سطح صورت فلنج “فشرده می شوند” و یک مهر و موم بسیار محکم ایجاد می کنند.

صورت انتهایی سهام با استفاده از شیار مارپیچی آوایی تهیه شده است که دارای یک ابزار بینی دور گرد شعاع 1.6 میلی متر با عمق 0.15 میلی متر و نرخ خوراک 0.8 میلی متر در هر انقلاب است. مقدار “Ra” حاصل از AARH برای سطح از 125 میکرون تا 500 میکرون (125 میکرومتر تا 12.5 میکرومتر) حاصل می شود.

SPIRAL SERRATED

مارپیچ دندانه دار مارپیچی نوعی شیار مارپیچ آوایی است که از انتهای سهام متفاوت است زیرا شیار توسط یک ابزار 90 درجه (به جای یک حلقوی گرد) ساخته شده است که یک هندسه “V” را با زاویه سروشکاری 45 درجه ایجاد می کند. یک پایان برجسته، متحدالمرکز یا مارپیچ ، از 30 تا 55 شیار در هر اینچ و زبری بین 125 تا 250 میکرون دارد.

CONCENTRIC SERRATED

انتهای فلنج دنده متحدالمرکز به جای مارپیچ دارای شیارهای متحرک است. شیارها توسط همان ابزار ۹۰ درجه ای استفاده می شوند که برای تکمیل مارپیچ مارپیچ استفاده می شود، اما سری بندی ها طراحی یکنواختی روی صورت فلنج دارند. برای داشتن شیارهای متحدالمرکز، ابزار دارای نرخ خوراک ۰.۰۳۹ میلی متر در هر انقلاب و عمق ۰.۰۷۹ میلی متر است.

SMOOTH FINISH OR FACE

فلنج ها با یک سطح صاف، نشان های ابزار قابل مشاهده را در چشم غیر مسلح نشان نمی دهند. این نوع از فلنج از واشرهای فلزی مانند نوع جلیقه استفاده می شود. در پایان سهام، این با دستیابی به سطح تماس با یک شیار مارپیچی مداوم تولید شده توسط یک ابزار با شعاع دور شعاع 0.8 میلی متر با نرخ خوراک 0.3 میلی متر در هر انقلاب با عمق 0.05 میلی متر حاصل می شود (که باعث ایجاد زبری می شود. بین Ra 3.2 و 6.3 میکرومتر، یعنی 125 – 250 ریز).

COLDWATER FINISH

اتمام آب سرد به چشم غیر مسلح براق و بسیار صاف به نظر می رسد. مقدار AARH برای این سطوح بین 85 میکرون تا 100 میکرون است. آنها از مهر و موم های فلزی به فلز استفاده می شوند (بدون واشر).

WHAT IS AARH

اصطلاح AARH (“ارتفاع متوسط ناهمواری حسابی”) به صافی و زبری صورت فلنج اشاره دارد. میانگین مقادیر ارتفاع زبری حسابی در هنگام انتخاب فلنج و مواد واشر بسیار مهم است. مقادیر “Ra” بالاتر یک سطح خشن تر را به تصویر می کشد، در حالی که مقادیر پایین تر سطح نرم تر را نشان می دهد. هر ماده ای دارای زبری سطح است و بعضی اوقات سطوح به طور عمدی به پایان می رسند تا زبری خاصی (کوچک یا بزرگتر) داشته باشد. “ارتفاع متوسط ناهمواری حسابی” (AARH) شاخص مشترک برای اندازه گیری زبری یک سطح است و میانگین ارتفاع بی نظمی ها در سطح فلز است، از میانگین خط همان طور که در شکل زیر نشان داده شده است.

نماد Y1 تا Y8 ارتفاع های اوج را نشان می دهد که از خط متوسط اندازه گیری می شوند. میانگین قد ناهمواری حسابی معمولاً در میکرو اینچ اندازه گیری می شود و با نماد “Ra” مشخص می شود. استانداردهای مختلفی برای زبری سطوح وجود دارد که بسته به نوع کاربرد آنها تنظیم می شود. تجهیزات مورد استفاده برای اندازه گیری ناهمواری سطح، به اصطلاح “پروفیلومتر” است (که در انواع تماس و غیر تماسی موجود است). در پروفیلومتر نوع تماس، زبری با حرکت مواد در زیر قلم پروفیلومتر اندازه گیری می شود. با این حال، تجهیزات مدرن دارای اندازه گیری های غیر تماسی هستند و از فن آوری های نوری و مافوق صوت استفاده می کنند.

FLANGE AARH

ASME / ANSI استانداردهای مخصوص زبری مخصوص فلنج ها را تعیین می کند، زیرا پایان صورت فلنج نقش اساسی در قابلیت اطمینان و عمر سرویس واشر دارد. مطابق مشخصات ASME / ANSI، صورت دندانه دار، مارپیچ دندانه دار، و صورت فلنج متحرک باید به طور متوسط زبری 125 میکرون تا 250 میکرون (3.2μm تا 6.3 میکرومتر) داشته باشد. ابزاری که برای چاپ انتهایی خشن روی فلنج استفاده می شود باید شعاعی برابر با 0.06 اینچ (1.5 میلی متر) یا بزرگتر داشته باشد. چگالی شیار در قسمت فلنج باید از 45 شیار در هر اینچ تا 55 شیار در هر اینچ باشد (1.8 شیار در میلی متر. تا 2.2 شیار در میلی متر).

این استانداردها برای واشرهای نیمه فلزی و غیر فلزی هستند. اگر متوسط ناهمواری صورت فلنج مطابق با استانداردهای توصیف شده نباشد، سطح تماس با آن به درستی آب بندی نمی شود و اتصالات فلنج ممکن است بعد از مدتی کار تحت فشار (یا در نتیجه از بین رفتن سفتی مفصل پیچ و یک نشت احتمالی) پوشیده شود. از مواد غیر فلزی نرم مانند PTFE ممکن است برای راحتی و مقاومت در برابر خزش استفاده شود.

ALLOWED AARH IMPERFECTIONS

عملکرد آب بندی واشرهای فلنج بستگی به AARH، ابعاد فلنج و فشار پیچ های گل میخ دارد. طبق گفته ASME، نقایص مجاور باید با فاصله حداقل ۴ برابر حداکثر پیش بینی شعاعی از هم جدا شوند. پیش بینی شعاعی را می توان با تفریق شعاع داخلی از شعاع بیرونی ارزیابی کرد. توده ها باید در همان سطح قرار داشته باشند، و بیرون زدگی بالای آنها مجاز نیست. این امر می تواند باعث شود تا توری های مجاور مواد واشر را از دست ندهند و منجر به ساییدگی و نشتی شود.