کل نگری در فولادسازی

فولاد با تصفیه فولاد مذاب، سرد کردن و شکل دادن در قالب‌ها حاصل می‌شود. دو روش اساسی برای به دست آوردن فولاد مذاب وجود دارد:

کارخانه‌ای که از نیروی برق به عنوان انرژی در قوس الکتریکی استفاده می‌کند مینی‌میل می‌گویند. اغلب کارخانه‌های تولیدکننده ‏ DRIاغلب مینی‌میل نامیده می‌شود. در 20 سال گذشته در بیشتر نقاط دنیا گرایش به فرآیند تولید ‏ DRI‏ افزایش یافته و سهم آن در تولید فولاد دنیا بیشتر و بیشتر می‌شود. دلیل این گرایش و توسعه هزینه پایین‌تر آن نسبت به روش کوره بلند و آسیب نرساندن به محیط زیست می‌باشد. در روش کوره بلند به دلیل استفاده از کمک به جای سوخت آلودگی محیط‌زیست بیشتر است. در کشورهایی که هزینه آهن قراضه زیاد و در عوض هزینه استفاده از گاز طبیعی ناچیز می باشد، تولید ‏DRI‏‏ به عنوان اصلی‌ترین منبع آهن برای روش مینی‌میل انجام می‌پذیرد. این شامل تمامی طبقه‌بندی‌های فولادی در مینی‌میل‌ها می‌باشد.
در بیشتر کشورهای صنعتی دنیا برای اینکه محصول خالص‌تری به دست آورند در کوره قوس فقط از ‏ DRI‏ استفاده می‌کنند. زیرا ‏DRI‏ ناخالصی‌هایی که در قراضه‌های آهن موجود است در بر ندارد. این از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است زیرا که ناخالصی‌های موجود در آهن ‏‎(Mo, Ni, Cr, Sn, Zn, Cu)‎‏ اثرات مضری در خواص شیمیایی و فیزیکی فولاد می‌گذارد.
از آنجایی‌که مینی‌میل سهم بازار را هر روز بیشتر از آن خود می‌کند، تقاضا در سطح جهان برای آهن اسفنجی هر لحظه افزایش می‌یابد.
1-فرآیندی براساس ذغال‌سنگ شامل: کک متالوژی، کوره بلند و کوره اکسیژن. 2-فرآیندی براساس ذوب‌ قراضه و آهن اسفنجی به وسیله جریان قوس الکتریکی در کوره‌هایی به همین نام.
میدرکس، بزرگترین سازنده واحد احیای مستقیم آهن
شرکت میدرکس (Inc midrex technologies) شرکتی است نوآور که حدود 3 دهه در زمینه احیای مستقیم آهن (DRI) فعالیت کرده است. این شرکت بین المللی سازنده تکنولوژی است که به وسیله آن سنگ آهن، تبدیل به آهن احیا شده با درجه خلوص بالا می شود. آهن احیا شده در صنایع ذوب آهن و تولید فولاد دارای استفاده بسیار است.
اولین کارخانه از سلسله کارخانجات میدرکس، فعالیت تولیدی و اقتصادی خود را به سال 1969 آغاز کرد و به تدریج تعداد این کارخانه ها به 53 واحد در 19 کشور دنیا افزایش یافت که آخرین آن ها واقع در مصر است. به طوری که در گرمای سوزان صحرای شنی عربستان یا در نقاط سرد شمال کانادا و روسیه، کارخانه های این شرکت بزرگ در حال تولید محصولات خود هستند.
کارخانه های این شرکت از سال 1987 تاکنون حدود 60 درصد کل آهن احیا شده مورد نیاز جهان را تامین می کنند و رویکرد مدیران آن ها عموماً کاهش قیمت و افزایش کیفیت محصولات است که از طریق هر چه مدرن تر کردن تکنولوژی تولید به دست می آید. بدین ترتیب است که تولید آهن احیا شده توسط میدرکس از حدود یک میلیون تن در سال 1970 به چهل میلیون تن رسیده است.
علاوه بر همه این ها میدرکس در برخی پروژه های زیست محیطی (بازیافت)، تولید انرژی و فعالیت های تولیدی غیرفلزی نیز فعالیت دارد و همه محصولات آن دارای گواهینامه بین المللی 9001 ISO هستند.
میدرکس بزرگترین کارخانه تولید (DRI) جهان را در شهر ترینیداد و توباگو برای شرکت بین المللی ایسپات ساخته و به مرحله بهره برداری رسانیده است. میدرکس در ایران فعالیت داشته و در حال حاضر واحدهای احیای مستقیم چندان چندین فولاد ساز بزرگ ایرانی از جمله فولاد خوزستان و فولاد مبارکه اصفهان از این دسته است.
واحد احیای مستقیم میدرکس با یکسری تغییرات و افزایش ظرفیت تولید آن با نام زمزم هم اکنون در ایران در چندین کارخانه فولاد سازی در حال نصب و یا استفاده است.
میدرکس روشی در تهیه تولید ‏DRI‏ است که در اختیار شرکت شارلوت می‌باشد. یک تکنولوژی کاملا خصوصی، روش میدرکس در دنیا برای تولید ‏ DRI‏‏ یک روش چیره و همه‌گیر است. حدود 85 درصد تولید ‏ DRI‏ ‏ در دنیا با روش میدرکس تولید می‌شود.‏ به صورت فعلی حدود 49 واحد میداکس در 16 کشور دنیا مشغول به کار هستند که تمامی اینها از گازشکن‌ها برای تبدیل گاز طبیعی به ‏CO‏ و ‏H2‎‏ استفاده می‌کنند و تنها دو واحد در آفریقای جنوبی و کره‌جنوبی مشغول به کار هستند که واحد تبدیل به گاز دارند و گازهای مورد نیاز و احیاکننده خود را تولید می‌کنند.‏ این دو واحد در واقع از فرآیند کورکس/ میدرکس استفاده می‌کنند و با استفاده از فرآیند کودکی گاز احیای مورد نیاز خود را به دست می‌آورند. عملکرد فرآیند میدرکس، احیای سنگ‌آهن خام در درون یک راکتور بلند و عمومی است که کوره میله‌ای میدرکس نام دارد. این کار به این صورت انجام می‌گیرد که اکسیدهای آماده آهن که به صورت گلوله‌های تیله شکل می‌باشند به خاطر وزن خود به سوی پایین کوره غلتانده می‌شوند، درست خلاف مسیر گازهای داغ احیاکننده که از پایین کوره به بالا می‌آیند. گازهای داغ با اکسید آهن ترکیب شده و اکسیژن آن را می‌گیرند به این‌صورت اکسید آهن احیا می‌گردد.‏

اتصال تبدیل‌کننده گاز و یک واحد میدرکس
همان‌طور که در شروع مقاله بیان شد، اغلب ‏ DRI‏ ‏‌های تولید شده با استفاده از گاز طبیعی به عنوان منبع سوخت ایجاد می‌شوند. از آنجایی که گاز طبیعی با هزینه کم بسیار محدود است، متاسفانه این روش برای همه تولید‌کننده‌های ‏ DRIقابل استفاده نمی‌باشد.
مناطقی مانند آسیای غربی و اروپای غربی که تولیدکننده‌های فولادی در آنجا مشغول به کار هستند از آن جمله محسوب می‌گردند. بدین لحاظ دارندگان دانش فنی تولید ‏ DRIدر جست‌وجوی روشی اقتصادی با استفاده از ذغال به عنوان این منبع هستند.
به خاطر نیاز به استفاده از ذغال و محصولات فرعی نفت تصفیه شده به عنوان منبع انرژی روش میدرکس به دنبال اتصال یک تبدیل‌کننده گاز با واحد میدرکس می‌باشد و این طرح با شروع بحران انرژی در سال 1973 قوت گرفت. ایده کلی ترکیب یا اتصال دو فرآیند از دو سیستم کلیدی به‌صورت زیر تشکیل شده است:

واحد تبدیل‌کننده گاز، واحد بازسازی و پاکسازی گاز، واحد بهینه‌سازی، کارگاه جداکننده هوا، در درون
کارگاه میدرکس بخش‌های زیر موجود هستند.
-کوره قائم میله‌ای میدرکس
-سیستم جمع‌کننده گازهای ‏Co2‎‏ برگشتی
- سیستم گرم‌کننده گازهای احیا کننده
- دیدگاه اقتصادی
ترکیب ساختمان مستقل دو کارگاه گازسازی و میدرکس به علت هزینه سرمایه زیاد روشی اقتصادی در تولید آهن اسفنجی شمرده نمی‌شود. علت این عدم گرایش هزینه زیادی است که ساخت این دو کارگاه در کنار یکدیگر و برای یک واحد مستقل ایجاد می‌کند. این هزینه بالا امتیاز استفاده از ذغال را در این فرآیند به عنوان منبع اولیه سوخت که یک مزیت شمرده می‌شود را نادیده می‌گیرد. برای تولید گازهای ترکیبی در واحد از فرآیند گازسازی با ذغال استفاده شده است. متأسفانه میانگین هزینه 7/130 دلار برای واحدهای تولیدکننده آهن اسفنجی با استفاده از گاز طبیعی، فولادسازی براساس احیای سنگ‌آهن با کک و استفاده از قراضه‌های با کیفیت در کوره‌های قوس در کشوری مانند آمریکا رقم بالایی است.
سرمایه‌گذاران در جست‌وجوی رقمی حدود 120 دلار یا کمتر هستند. لذا به‌دنبال این دیدگاه نظرشان به ترکیب کارگاه گازسازی به همراه واحد میدرکس جلب شده است ولی استفاده از این روش نیز نباید هزینه واحد را از 120 دلار بالاتر ببرد.
از سوی دیگر در بسیاری از نقاط دنیا ترکیب دو کارگاه مستقل گازسازی و میدرکس از لحاظ هزینه‌ای توانایی رقابت دارد. این ادعا به خاطر چندین دلیل قابل اثبات است:‏


بسیاری از امتیازات آهن اسفنجی در خصوص ترکیب دو کارگاه مستقل گازسازی و میدرکس در کشورهایی مانند چین، هندوستان، کره‌جنوبی، برزیل، آفریقای جنوبی و اروپای غربی یافت می‌شود. در این کشورها نیروی برق ارزان برای استفاده در کارگاه‌های فولادسازی از موارد بحرانی محسوب می‌گردد. اگر سوخت ارزان در دسترس باشد، آنگاه واحد تبدیل‌کننده گاز قادر به تولید گازهای ترکیبی موردنیاز نیروگاه برای تولید الکتریسته ارزان خواهد بود.‏ برای ساخت موفقیت‌آمیز یک واحد ترکیبی تبدیل‌کننده گاز/ میدرکس باید به موارد کلیدی زیر توجه داشته باشیم:
وجود یک تبدیل کننده گاز مستقل بر پایه استفاده از نیروگاه یا کارگاه شیمیایی برای استفاده بیشتر از گازهای ترکیبی بسیار مورد نیاز می‌باشد. براساس شرایط محیطی اگر گازهای ترکیبی با کیفیت قابل قبول در دسترس باشد، احداث کارگاه تولید ‏ DRI‏‏ زمانی بهینه خواهد شد که هزینه تولید گاز بیشتر از 3 دلار بر ‏MMBtu‏ نگردد. باید تا آنجایی که امکان دارد هزینه سرمایه کارگاه تولید گازهای ترکیبی را کم کنیم اگر امکان داشته باشد از سیستم گوگردزدایی، سیستم غبارروب، سیستم پاک‌کننده هیدروکربن و بسط‌دهنده گاز استفاده نشود. همچنین تا آنجا که می‌توانیم عملیات مشترک دو سیستم میدرکس و تولید گاز را افزایش دهیم.‏و تا آنجا که امکان دارد از محصولات فرعی پالایشگاه‌های نفت با قیمت ارزان استفاده شود. می توان یک مجتمع تولید فولاد به همراه نیروگاه ساخت.
1- کارخانه تبدیل‌گننده گاز 2- کارخانه میدرکس 3-در درون کارگاه تبدیل‌کننده گاز بخش‌های زیر موجود هستند:‏ 1-هزینه نسبتاً پایین ذغال‌ و سنگ‌آهن. 2-استفاده از محصولات فرعی و ارزان نفت. 3- پایین بودن هزینه کارگران ساختمان. 4- افزایش تقاضای محصولات فولادی به علت کمبود.‏ 5- فشار مسئولان محیط‌زیست به خاطر عدم استفاده از کک در فرآیند فولادسازی
مجتمع تولید فولاد با حجم کوچک
ترکیب دو واحد تولید گاز و میدرکس نهایتاً منجر به تولید آهن اسفنجی مورد نیاز برای واحد فولادسازی می‌شود. مجتمع تولید فولاد در حجم کوچک شامل: کارگاه تولید گاز، کارگاه میدرکس، سیستم جمع‌کننده گازهای چرخشی متصل با نیروگاه و کارگاه فولادسازی می‌شود. نیروگاه باید برق موردنیاز جداسازی گازها، کارگاه میدرکس و فولادسازی را فراهم نماید.‏ نیروگاه برق باید از امتیاز سوخت ارزان برای تولید انرژی با قیمت رقابتی برخوردار باشد. در کشورهای واقع در اروپای غربی هندوستان، برزیل و آسیای شرقی تولید یا خرید نیروی برق با قیمت رقابتی بسیار با اهمیت است. اگر آهن اسفنجی تولید شده با گرمای 700 درجه سانتی‌گراد (‏F‏1300) فارنهایت، مستقیما از کارگاه میدرکس به گرم نگهدارنده‌های موجود در کارگاه میدرکس منتقل گردد، برای تولید یک تن محصول میانی از کارگاه فولادسازی 650 کیلووات بر ساعت انرژی مورد نیاز خواهد بود. این انرژی تنها نیاز کارگاه فولادسازی را برطرف می‌کند و ارتباطی با انرژی موردنیاز درکارگاه‌های تولید گاز و میدرکس ندارد.‏ مقیاس جدید جهانی در ایجاد مجتمع کوچک فولادسازی، ظرفیت 4/2 میلیون تن محصولات میانی فولادی است. اینچنین مجتمع 7/2 میلیون تن در سال آهن اسفنجی نیاز دارد. کل انرژی مورد نیاز این واحد 360 مگاوات تخمین‌زده می‌شود.