مقاله بررسی توليد آهن به روش اسفنجي

دسته بندي : فنی و مهندسی » صنایع
مقاله بررسي توليد آهن به روش اسفنجي در 32 صفحه ورد قابل ويرايش

فهرست مطالب

مقدمه ?
تجهيزات انتقال بار به کوره احيا و تخليه آهن اسفنجي از کوره به روش ميدرکس ?
تجهيزات کوره احيا به روش ميدرکس ??
کوره احيا به روش ميدرکس ??
درجه حرارت و فشار در کوره احيا ??
توزيع گاز سرد کننده آهن اسفنجي در کوره احيا ??
خوشه شکنهاي کوره احيا ??
پاروي تخليه آهن اسفنجي در کوره ميدرکس ??
توليد گاز احيا کننده به روش ميدرکس ??
ساختمان راکتور توليد گاز احيا کننده به روش ميدرکس ??
لوله هاي راکتور گاز احيا کننده به روش ميدرکس ??
کنترل راکتور توليد گاز احيا کننده (رفورمر) به روش ميدرکس ??
کاتاليزور و مواد خنثي در لوله هاي راکتور توليد گاز احياي کننده به روش ميدرکس ??
بازياب حرارتي (رکوپراتور) واحد ميدرکس ??
سيستم شستشوي گاز خروجي کوره احيا و گاز سرد کننده آهن اسفنجي به روش ميدرکس ??
کمپرسور گاز خروجي و گاز سرد کننده به روش ميدرکس ??
سيستم توليد و مصرف گاز خنثي به روش ميدرکس ??
سيستم آبرساني واحد ميدرکس ??
ويژگي گاز احيا کننده ، گاز خروجي و گاز سرد کننده يک واحد ميدرکس ??
موازنه انرژي و مواد در يک واحد ميدرکس ??
ويژگي هاي چند واحد ميدرکس ??
ويژگيهاي واحدهاي ميدرکس مجتمع فولاد اهواز ??
توليد آهن اسفنجي به روشهاي اچ واي ال يک و دو ??
کوره هاي توليد آهن اسفنجي به روش اچ واي ال يک و دو در دوره تخليه آهن اسفنجي ??
مراحل توليد آهن اسفنجي در واحد اچ واي ال يک و دو ??
حرارت لازم براي توليد بخار آب در روش اچ واي ال ??
ميزان گاز لازم در روش اچ واي ال يک ودو ??
توليد آهن اسفنجي به روش اچ واي ال سه ??
احياي سنگ آهن به روش اچ واي ال سه ??
بررسي کلي مطالب ??
استاندارد AISI 39
استاندارد آلماني DIN 42
فولادهاي غير آلياژي ??



مقدمه

از بين روشهاي صنعتي احياي مستقيم كانه هاي آهن كه از گاز طبيعي استفاده مي كنند ، توليد اهن اسفنجي به روش ميدركس توسعه چشم گيري داشته است . باردهي مداوم آهن اسفنجي به صورت سرد يكي از روش ميدركس مي باشد . واحدهاي متعددي به اين روش در دهه اخير در كشورهاي مختلف تاسيس و شروع به كار كرده اند .

ابداع روش ميدركس به وسيله D .Beggs w .t .marton و تحقيقات لازم براي توسعه آن از سال 1965 ميلادي درشركت ميدلند- روس انجام گرفت . در سال 1976 ميلادي يك واحد احياي مستقيم آزمايشي با توليدي برابر 5/1 تن آهن اسفنجي در ساعت در توله دو واقع در اوهيو و سپس واحد ديگري به ظرفيت ساليانه 150هزار تن در پرتلند ، آمريكا تاسيس شد كه در سال 1969 ميلادي شروع به توليد كرد . متعاقباً ، واحدهاي ديگري در چرجتاون آمريكا و در كارخانه فولادسازي هامبورگ، تاسيس شدند كه در سال 1971 ميلادي راه افتادند . واحد بعدي سيدبك رد كانادا بود كه در سال 1973 ميلادي راه اندازي شد . در ژانويه 1974 ميلادي ، اجازه ساخت كارخانه هاي توليد آهن اسفنجي به روش ميدركس به گروهفولاد كورف واگذار شد.

در كشورهاي پيشرفته صنعتي مانند آمريكا و آلمان فدرال، كانادا ، اتحاد جماهير شوروي و نيز كشورهايي كه داراي منابع غني گاز طبيعي هستند ، در دهه گذشته از توليد آهن اسفنجي به روش ميدركس استقبال كرده اند .

مضافاً به اينكه ابعاد و ظرفيت توليد آهن اسفنجي كوره هاي احيا در واحدهاي ميدركس گسترش چشمگيري يافته است و مثلاً قطر كوره احيا در مدول 200 ، 6/3 متر ، قطر كوره احيا در مدول 400 ، 88/4 متر ، ظرفيت روزانه نسل اول آن مدول 1000 و ظرفيت روزانه نسل دوم آن 1250 تنبودهاست اما قطر كوره احيا در مدول 400 به 5/5 متر و ظرفيت روزانه آن به حدود 1700 تن اهن اسفنجي افزايش يافته است . به عقيده سازندگان واحدهاي ميدركس گسترش ظرفيت كوره هاي احيا به دلايل اقتصادي ممكن مي باشد . گرچه در اين زمين دلايل كافي در دست نيست ولي اين امر طبيعي به نظرمي رشد .

در اغلب روشهاي صنعتي توليد آهن اسفنجي به روش ميدركس ، گاز طبيعي به عنوان عامل احيا كننده و گرما زا مصرف مي شود . يك واحد ميدركس از دو قسمت اصلي تشكيل مي شود :

قسمت اول ، تجهيزات لازم براي تبديل گاز طبيعي به گاز احيا كننده .

قسمت دوم ،تجهيزات لازم براي احياي كسيدهاي آهن توسط گاز احيا كننده .

توليد آهن اسفنجي گاز احيا كننده به روش ميدركس مداوم است . درزير باختصار تجهيزات واحدهاي ميدركس تشريح مي شود .

ذكر اين نكته ضروري است كه چون تجهيزات واحدهاي مختلف و نيز ويژگي احيا به اين روش در دهه گذشته تغييرات زيادي داشته لذا خصوصيات ارائه شده در زير مربوط به واحدهايي است كه ويژگي آنها در منابع منتشر شده و براي كليه واحدهاي ميدركس عموميت ندارد .

تجهيزات انتقال بار به كوره احيا و تخليه آهن اسفنجي از كوره به روش ميدركس

در سيستم ميدركس ، بار گندله يا سنگ آهن خرد شده پيش از ورود به سيلوهاي روزانه سرند مي شوند. دانه بندي بار براي كوره از اين قرار است :

بار درشتر از 50 ميليمتر

بار بيشتر از 6تا50 ميليمتر

بار بين 3 تا 6 نيليمتر

و بار زير 3 ميليمتر

بار با دانه بندي 6 تا 50 ميليمتر و 3 تا 6 ميليمتر به نسبت معيني در كوره احيا تغذيه مي شود . براي دانه بندي گندله و يا سنگ آهن خرده شده و به روش ميدركس تجهيزاتي پيش بيني شده است . همچنين آهن اسفنجي توليد شده در كوره احيا پيش از ورود به سيلوها و مصرف مستقيم سرند مي شوند و نرمه آن در برخي از واحدها به خشته تبديل شده و در برخي مستقيماً در كوره هاي قوس الكتريكي به مصرف مي رسد . طرح برخي از تجهيزات انتقال گندله و سنگ آهن خرد شده به كوره و نيز آهن اسفنجي به صورت گندله و يا كلوخه در مي آيد .

در يك ميدركس بار به وسيله نوار نقاله از سيلوهاي روزانه به مخزن تغذيه قيف مانندي كه در بالاي كوره قرار گفته ،تخليه ميگردد . اين مخزن در واحدهاي ميدركس مستقر در مجتمع فولاد اهواز 75 متر مكعب گنجايش دارد . هنگامي كه نوار نقاله كار نمي كند ، گندله اين مخزن به عنوان ذخيره مورد استفاده قرار مي گيرند .ضمناً گندله مي تواند توسط يك اسكيپ بالا برنده (به جاي نوار نقاله ) در اين مخزن تخليه گردد .

سطح مواد در مخزن بالاي كوره از طريق ميله اي راديو اكتيو تعيين مي گردد. اين ميله از طرفي با سطح بار و از طرف ديگر با سيستم كنترل در تماس مي باشد و سطح بار به طور اتوماتيك اندازه گيري مي گردد . در صورتي كه گندله در اين مخزن در چهار سطح زير باشد . سيستم كنترل علائم هشدار دهنده ذيل را مخابره مي كند :

1-بالاترين سطح بار: اخطار داده مي شود

2-پر : دستور توقف نوار نقاله تغذيه كننده بار به مخزن صادر

مي گردد.

3-خالي : دستور كارنوار نقاله تغذيه كننده باربه مخزن صادر ميشود .

4-پايين ترين سطح: تخليه كوره متوقف و اخطار لازم داده مي شود .

مخزن بالاي كوره توسط لوله نسبتاً طويلي به قسمت توزيع كننده بار (آپولو) ارتباط دارد. چون مخزن تغذيه بار در بالاي موره روباز است ، لذا براي جلوگيري از داخل كوره جريان دارد و فشارآن به طور اتوماتيك كنترل مي گردد . به اين وسيله از نشت گاز احيا كننده كوره به خارج جلوگيري به عمل مي آيد . گاز خنثي نيز به علت طويل بودن لوله هاي رابط بين مخزن تغذيه بار و 12 لوله توزيع كننده بار در كوره به خارج كوره نفوذ نمي كند . مضافاً به اينكه زير مخزن تجهيزاتي براي آب بندي گاز پيش بيني شده است كه از اين قرار مي باشند :

1- دريچه كشوئي هيدروليكي كه در هنگام خالي شدن مخزن به طور اتوماتيك بسته مي شود و از خروج گاز به خارج جلوگيري به عمل مي آورد .

2- فلانچها كه براي جلوگيري از خروج گاز نصب شده و در مواقع اضطراري آنها به وسيله بازوي هيدروليكي از هم باز و يك صفحه به وسيله دست بين آنها قرار داده مي شود .

3- يك كمپنزاتور كه براي تعديل انبساط حرارتي كوره پيش بيني شده است .

توزيع يكنواخت گدله در كوره احيا براي جريان يكنواخت گاز احيا كننده در بين گندله ها از اهميت خاصي برخوردار است . با احياي بار گندلهدر كوره ، درجه فلزي آن بالا مي رود ، درجه فلزي آهن اسفنجي توليد شده در كورههاي ميدركس حدود 92 در صد و اكسيد آهن احيا نشده در آهن اسفنجي به صورت وسيت مي باشد .

در شروع راه اندازي كوره احيا ، بار به ميزان كافي احيا نمي گردد . لذا درجه فلزي آهن اسفنجي توليد شده كافي نيست به اين علت بار مجدداً به كوره برگشت داده مي شود . مسير جريان بار برگشتي به كوره نيز مي شود .

گندله هاي آهن اسفنجي سرد پس از خروج از كوره سرند مي گردند . ميزان نرمه آهن اسفنجي زير 5 ميليمتر در روند احيا به روش ميدركس حدود 2/0 در صد است . نرمه مي تواند مستقيماً يا پس از خشته شدن در واحد فولاد سازي مصرف مي گردد . آهن اسفنجي درشتر از 50 ميليمتر خرد و همراه ساير گندله ها به مخزن ذخيره حمل ودر آنجا انبار مي شوند . طرح تجهيزات دانه بندي گندله هاي آهن اسفنجي داده شده است . همچنين سيلوهاي ذخيره آهن اسفنجي ديده مي شود . در اين مخازن براي جلوگيري از اكسايش گندله ها ، گازي خنثي جاري است .
تجهيزات كوره احيا به روش ميدركس

واحدهاي صنعتي احياي مستقيم كه به روش ميدركس آهن اسفنجي توليد مي كنند در دهه گذشته به سرعت تكامل يافته اند . در اين بخش كوشش مي شود باختصار تجهيزات كوره هاي توليد آهن اسفنجي به روش ميدركس كه مشابه آنها در مجتمع فولاد اهواز مستقر هستند و يا در مباركه مستقر خواهند شد بررسي شود .
كوره احيا به روش ميدركس

كوره احيا در روش ميدركس از يك قسمت فوقاني و يك قسمت تحتاني تشكيل شده است . قسمت فوقاني كوره كه منطقه اصلي احيا مي باشد، استوانه اي به قطر 8/4 تا 5 متر و ارتفاع 9 متر است كه حجم مفيد آن حدود 220 متر مكعب مي باشد ، اما كل ارتفاع كوره 12 تا 14 متر مي باشد .

بار به صورت سنگ آهن خزد شده يا گندله سنگ آهن از بالاي كوره به طرف پايين جريان داشته و در مدتي حدود 5/6 ساعت در منطقه احيا به وسيله گاز احيا كننده به اهن اسفنجي تبديل مي شود . گاز احيا كننده از بالاي كلوخه شكنهاي فوقاني ازطرق لوله كمربندي وارد كوره شده ودرخلاف جهت نزول بار ، جريان مي يابد . گاز كم كم سرد و پس از حذف رطوبت گندله ، آن را احيا و خود تا اندازه اي اكسيد مي شود . طرح لوله كمربندي براي توزيع گاز احيا كننده در كوره آمده است .
درجه حرارت و فشار در كوره احيا

احياي اكسيدهاي آهن به روش ميدركس به طور كلي بر اساس واكنش زير انجام مي شود :

1- Fe2o3 +3h2 = 2fe+3H2O

2- Fe2o3+3co=2fe+3vo2

جداره داخلي كوره توسط نسوزهاي مقاوم در برابر سايش و مواد عايق پوشانده شده است تا از تلفات حرارتي كوره تا اندازه اي كاسته شود، مع هذا دماي ديواره خارجي كوره حدود 100 درجه سانتيگراد مي باشد . تغيير دمادر طول كوره احيا به صورت شماتيك نشان داده شده است.ملاحظه مي گردد كه درجه حرارت در قسمت عمده طول كوره تا اندازه اي ثابت مي باشد .

كوره هاي توليد آهن اسفنجي به روش اچ واي ال يك و دو در دوره تخليه آهن اسفنجي

چون بستر بار در كوره هاي واحد اچ واي ال يك و دو در تمام دوره احياي گندله هاي سنگ آهن و نيز سرد كردن آهن اسفنجي ثابت مي باشد ، لذا ، احتمال به هم چسبيدن ، گندله هاي آهن اسفنجي و خوشه شدن آنها زياد است . هنگام تخليه آهن اسفنجي از كوره دريچه خروج بار باز مي شود و گندله هاي آهن اسفنجي به مخزن آهن اسنجي واقع در پايين كوره مي ريزند .

هرگاه گندله هاي آهن اسفنجي درون كوره به يكديگر چسبيده باشند ، بازوي هيدروليكي كه در پايين كوره قرار دارد به داخل كوره وارد مي شود . گندله هاي به هم چسبيده در اثر حركت رفت وبرگشتي و دوراني اين بازو در كوره از يكديگر جدا مي شدند و به اين وسيله امكان تخليه آنها فراهم مي گردد .
مراحل توليد آهن اسفنجي در واحد اچ واي ال يك و دو

گاز احيا كننده توليد شده به روش اچ واي ال در راكتور تبدل گاز طبيعي ، نخست از يك مبدل حرارتي كاهنده دما و شستشو دهنده گذشته و دماي آن تا حدود 230 درجه سانتيگراد پايين مي آيد . در اين مرحله ، مقداري از بخار آب و گاز كربنيك آن حذف و در نتيجه ميزان درصد هيدروژن و اكسيد كربن آن افزايش مي يابد . از حرارت اين گاز جهت توليد بخار استفاده مي شود گاز احيا كننده مزبور وارد كوره اي مي شود كه گندله كانه آهن به طور كامل احيا شده و آهن اسفنجي در دوره سرد كردن است . در اين فرايند ، همان طور كه پيش از اين اشاره شد، عملكردهاي زير تواماً انجام مي شود :

-آهن اسفنجي سرد مي شود

-آهن اسفنجي كربن مي گيرد و حتي بر سطح آن دوده مي نشيند

-گاز احيا كننده گرم مي گردد .



در اين روند ، مقدار در صد گاز كربنيك گاز احيا كننده كمي افزايش مي يابد. لذا، پس از عبور از برج شستشو دهنده مقداري از بخار آب و گاز كربنيك آن حذف و مجدداً در راكتور پيش گرم كننده گاز تا دماي 800درجه سانتيگراد گرم مي شود . قسمتي از اين گاز در مشعلهاي نصب شده در محفظه احتراق كوره هاي احيا سوخته و پيش از مصرف ، دماي آن به حدود 1040 درجه سانتيگراد و درجه اكسيد كنندگي آن به حدود 12 درصد مي رسد .

اين گاز از بالاي كوره اي كه گندله هاي كانه آهن نيمه احيا شده از دوره پيش در آن موجود است ، وارد مي شود . عملكرد احياي گندله ها با اين گاز آنقدر ادامه مي يابد تا درجه فلزي آهن اسفنجي به حد معيني برسد . گاز احيا كننده در اين روند از قسمت پايين كوره خارج مي شود . اين مرحله را احياي نهايي گندله هاي كانه آهن مي نامند .

بهره شيميايي از گاز احيا كننده خارج شده از كوره خارج شده از كوره فوق الذكر در مرحله احياي نهايي ، كافي نيست . به اين دليل در صد زيادي هيدروژن و اكسيد كربن در گاز احيا كننده هنوز باقي است . لذا پس از شستشو و گرم شدن تا حدود دماي 800 درجه سانتيگراد در راكتور پيش گرم كننده گاز ، قسمتي از آن در مشعلهاي محفظه احتراق كوره بعدي كه گندله سنگ آهن تازه در آن بار شده ، مي سوزد و دماي آن به 1040 درجه سانتيگراد مي رسد . اين گاز احيا كننده نيمه مصرف شده در بالاي كوره فوق الذكر وارد و گندله هاي سنگ آهن تازه بار شده را تا حدودي احيا مي كند . گاز خروجي از اين كوره نيزحاوي مقداري هيدروژن و اكسيد كربن است . اين گاز نيز پس از شستشو حهت تامين سوخت راكتورهاي حرارتي مصرف مي گردد . ولي چون انرژي حرارتي آن كافي نيست مقداري گاز طبيعي به آن اضافه مي شود .

كوره شماره 1 در دوره تخليه آهن اسفنجي يا بار كردن گندله سنگ آهن ،كوره شماره 2 در دوره سرد كردن آهن اسفنجي و كربن دادن به آن و كوره هاي شماره 3و 4 در دوره احيا هستند . گاز احيا كننده به ترتيب از كورههاي شماره 2و3و4 عبور مي كند و سپس به عنوان سوخت در مشعلها به مصرف مي رسد . در اين مرحله از كار واحد اچ واي ال مشعل كوره شماره 2 كه در دوره سرد كردن آهن اسفنجي و كربن دادن به آن است و نيز كوره شماره 1 كه در دوره تخليه آهن اسفنجي يا بار كردن گندله سنگ آهن هستند ، خاموش مي باشند . اما گاز احياي كننده همواره قبل از ورود به كوره هاي شماره 3و4 در راكتورهاي گرم كننده گاز و در داخل كوره ، پيش از تماس با گندله ها . توسط مشعلهايي گرم مي شود .

هواي سوخت براي گرم كردن راكتورهاي گرم كننده نيز در راكتورهايي گرم مي شود .مسير جريان گاز احيا كننده هواي سوخت و آب شستشو دهنده يك واحد اچ واي ال يك مشتمل برطرح چهار كوره ، يك راكتور توليد گاز احيا كننده (رفورمر) ، برجهاي شستشو دهنده و راكتورهاي پيش گرم كننده گاز مي باشد .
حرارت لازم براي توليد بخار آب در روش اچ واي ال

حرارت لازم براي گرم كردن آب و توليد بخار آب برابر با حرارت منتقله توسط دود متصاعد در قسمت فوقاني تنوره بازياب حرارت راكتور تبديل گاز در مراحل 5و6و7 ، به علاوه حرارتي كه آب ديگ بخار بر اثر سرد كردن گاز احيا كننده از مرحله 3 به مرحله 4 در راكتور كاهنده درجه حرارت گاز احيا كننده مي گيرد.
ميزان گاز لازم در روش اچ واي ال يك ودو

ميزان گاز طبيعي لازم براي توليد يك تن آهن اسفنجي بر اساس پيشنهاد كمپاني سازنده واحدهاي اچ واي ال دو ، در سال 1980 ميلادي طبق جدول زير است :

كل گاز طبيعي لازم براي توليد گاز احيا كننده 456 متر مكعب

گاز طبيعي اضافي جهت تامين كمبود سوخت مشعلها در راكتور توليد گاز

احيا كننده 3/42 متر مكعب

گاز طبيعي جهت تامين كمبود سوخت براي توليد بخار آب

5/14 متر مكعب

گاز طبيعي براي تامين سوخت راكتورهاي گرم كننده گاز خروجي كوره هاي احيا 6/6 متر مكعب

جمع كل : 4/519 متر مكعب

با احتساب ارزش حرارتي گاز طبيعي (9283كيلو كالري به ازاي هر متر مكعب)، حرارت لازم براي يك تن آهن اسفنجي به روش آچ واي ال برابر است با :

كيلوكالري با ازاي يك تن آهن اسفنجي 4821590= 9283*4/519

گيگا كالري به ازاي يك تن آهن اسفنجي

ذكر اين نكته لازم مي باشد كه ويژگي آهن اسفنجي توليدي در برآورد فوق مشخص نشده است .
توليد آهن اسفنجي به روش اچ واي ال سه

توليد آهن اسفنجي به روش اچ واي ال سه بر اساس استفاده از گاز طبيعي به عنوان عامل احيا كننده و گرما زا در يك كوره تحت فشار استوار است .اين روش بر عكس روش اچ واي ال يك و دو ، روشي مداوم است .وجه تمايز كلي آهن اسفنجي به روش اچ واي ال سه نسبت به يك و دو در جايگزين كردن چهار كوره با بستر ثابت و توليد غير مداوم در اچ واي ال يك و دو به وسيله يك كوره در اچ واي ال سه با بستري متحرك و توليدي مداوم است .
احياي سنگ آهن به روش اچ واي ال سه

براي توليد آهن اسفنجي با 92 درصد فلزي و 8/1 درصد كربن است. بخش احيا در يك واحد اچ واي ال سه از مدار احيا و مدار سرد كننده آهن اسفنجي تشكيل مي گردد .
بررسي كلي مطالب

توليد آهن اسفنجي به روش اچ واي ال يك از اولين روشهاي احياي مستقيم است كه بر اساس مصرف گاز طبيعي به عنوان احيا كننده و گرمازا در سطح صنعتي بكار گرفته شده است . اين روش در سالهاي نخست ، روشي ابتدايي و غير مداوم (اچ واي ال يك و دو) بوده و سپس به روشي مداوم اچ واي ال سه تبديل شده است . در كليه روشهاي اچ واي ال ،گاز طبيعي به طور مداوم توسط بخار آب به هيدروژن و اكسيد كربن تبديل مي شود . توليد آهن اسفنجي در روشهاي اچ واي ال يك و دو به طور غير مداوم مي باشد . براي بهره مطلوبتر از گاز احيا كننده ، يك واحد اچ واي ال يك و دو چهار كوره احيا دارد كه به ترتيب دوره هاي بار كردن احياي اوليه و احياي نهايي گندله سنگ آهن و سرد كردن و تخليه آهن اسفنجي را مي گذرانند . در روش اچ واي ال سه ، بار كردن و احياي گندله سنگ آهن و نيز سرد كردن و تخليه آهن اسفنجي در يك كوره و به طور مداوم انجام مي شود .