تاثیر پیش گرم ضایعات بر بهره وری تولید در کوره های القایی

امیر حسین یوسف بیگی- مهندس فروش گروه پاترون

این مقاله در مجله پردازش، شماره ۱۱۲ و ۱۱۳، دی و بهمن ۱۳۹۶، صفحه ۱۱۸ تا ۱۲۱ به چاپ رسیده است.

جهت دریافت فایل مقاله به صورت پی دی اف، لطفا اینجا را کلیک فرمایید.

 

مقدمه:

با توجه به رکود بازار فولاد در سالهای گذشته و بالا رفتن بهای تمام شده، کارخانجات فولادی در حال تلاش برای کاهش هزینه ها و همچنین افزایش تولید به منظور کاهش سهم هزینه سربار هستند. انتخاب مواد اولیه و مصرفی با کیفیت بالا، استفاده از تجهیزات و نیروی انسانی ماهر، اجرای دقیق دستورالعمل های تولید و فرآیندها، نمونه ای از مواردی هستند که در کاهش هزینه ها به صورت مستقیم یا غیر مستقیم تاثیر گذار هستند.

ماده مصرفی اصلی کارخانه های فولادسازی با کوره القایی، ضایعات است. با توجه به اینکه ضایعات بیشترین سهم را در هزینه تولید فولاد دارد، طبیعتا کار کردن روی این موضوع و بهبود روشهای مصرف آن می تواند برای فولادسازان حائز اهمیت باشد.

روشهای مختلفی برای کاهش هزینه های تولید از طریق بالا بردن بهره وری مصرف ضایعات در کوره های القایی وجود دارد که در این مقاله به صورت اجمالی به تعدادی از آنها اشاره می کنیم و در نهایت به بررسی تاثیر پیشگرم ضایعات بر بهره وری تولید در کوره های القایی می پردازیم.

• فرآوری ضایعات

دلایل مختلفی از جمله محل دپوی نامناسب و در معرض گرد و خاک بودن و خرید ضایعات با کیفیت پایین و ناخالصی بالا از جمله عواملی هستند که تولید را با مشکل مواجه می کند. همین عوامل باعث بالا رفتن مصرف انرژی برای ذوب این ناخالصی ها می شود. ناخالصی ها می توانند بر کاهش میزان تولید، کیفیت محصول، مصرف نسوز ها و همچنین مصرف فرو آلیاژ ها برای رسیدن به آنالیز هدف تاثیر گذار باشند.

بعنوان مثال خاکی که از طریق ضایعات وارد کوره می شود، یک و نیم برابر انرژی بیشتر نسبت به انرژی لازم برای رسیدن ضایعات به دمای ذوب فلز را مصرف می کند و این ضایعات کثیف و ناخالص سبب می شود واحد تولید زمان بیشتری را صرف عملیات سرباره گیری کند.

 

 

تصویر ۱- مزیت فرآوری قراضه

 

فرآوری ضایعات به ۳ روش جداسازی دست (سنتی)، استفاده از شردر (خرد کن) و یا پرس قیچی (شیر پرس) انجام می شود.

 

روش های شارژ ضایعات

برخی از روش های شارژ ضایعات وجود دارد که به بعضی از آنها اشاره میکنیم.

• شارژ دستی
• شارژ به کمک مگنت
• شارژ به کمک چنگ
• شارژ بوسیله تسمه نقاله (سیستم Material Handling)
• شارژ بوسیله شارژرهای ویبراتوری (لرزشی)

 

تصویر ۳- روشهای شارژ قراضه

 

در صورت تناسب بین نرخ شارژ ضایعات با نرخ ذوب در کوره از بالا رفتن بیش از اندازه دما در حوضچه مذاب و در نتیجه آن فرسایش و کاهش عمر جداره نسوز جلوگیری شده و کوره بیشترین توان را در هر لحظه خواهد داشت. بالا بودن توان کوره منجر به کاهش زمان ذوب و افزایش بهره وری می گردد.

 

• پیش گرم ضایعات:

پیش گرم کردن ضایعات نه تنها باعث تبخیر رطوبت موجود در ضایعات می شود، بلکه با بالا بردن دمای ضایعات تا ۴۵۰-۵۰۰ درجه سانتیگراد به جای ضایعات با دمای محیط، عملیات ذوب ضایعات تسریع و در نتیجه راندمان تولید افزایش یافته منجر به کاهش زمان ذوب می شود.

 

مزایای پیشگرم کردن ضایعات:

• کاهش زمان ذوب
• کاهش مصرف برق به ازای هر تن به میزان قابل توجه
• کاهش میزان تولید سرباره
• بهبود عمر لایه نسوز کوره
• حذف رطوبت، روغن، رنگ و سایر آلودگی های موجود در ضایعات
• کاهش دود و آلودگی های محیطی و زیست محیطی

نمونه ای از سیستم پیشگرم ضایعات که توسط گروه پاترون قابل طراحی است در تصویر ذیل آمده است.

 

 

تصویر۵- نمای شماتیک از ماشین پبش گرم قراضه

 

پیشگرم ضایعات به روش های مختلفی قابل انجام است. نمودار شماتیکی که در تصویر ۵ آمده است، روش پیش گرم پیوسته است که البته نیازمند قراضه خرد شده و سایز شده دارد. در روش های غیرپیوسته نیز میتوان با پیش گرم ضایعات به صورت بچ، آنها را در کوره شارژ نمود.

 

 

بررسی اثر پیش گرم ضایعات در فرایند فولادسازی با کوره القایی

تشریح مدل :

گروه پاترون برای اولین بار اقدام به مدلسـازی میزان تولید با کوره های القایی با عنوان PSM (مخفف عبارت Patron Steelmaking Modeling ) نموده است. با توجه به اینکه قبلا مدلی مشابه که بر اساس پارامترهای مختلف قادر به پیش بینی میزان تولید باشد ارائه نشده است، می توان گفت این مدلسازی برای اولین بار در جهان انجام گرفته است.

پارامترهایی که در مدل PSM وارد می شود و مدل را قادر به پیش بینی میزان تولید می کند عبارت است از: ظرفیت اسمی کوره، توان اسمی کوره، نوع کوره (مدار موازی یا مدار سری)، راندمان تجهیز، دمای محیط، دمای تخلیه، روش زینتر کردن، میزان توقفات، درصد مصرف انواع ضایعات، میزان مصرف آهن اسفنجی، آنالیز محصول تولیدی (مثلا شمش)، ضریب تبدیل ذوب به محصول، توقفات و تاخیرات در فرایند تولید و پارامترهای دیگری که بر راندمان تولید، میزان تولید و مصرف انرژی تاثیر گذار است.

در طول سال های گذشته، گروه پاترون در شرایط مختلفی مدل PSM را آزموده و آن را محک زده است. خوشبختانه این مدل به قدری کامل و البته پیچیده است که قادر به پیش بینی تمام شرایطی که کارخانجات مختلف با آن روبرو هستند می باشد. همچنین با استفاده از PSM می توان بهای تمام شده محصول تولیدی را محاسبه نمود و در شرایط مختلف قیمتی، میزان سود یا زیان تولید را مشخص نمود.

 نمودار زیر بعنوان یک نمونه خروجی از مدل PSM است که در مقالات متعدد و نیز در سمینارهای برگزار شده توسط گروه پاترون و همچنین در دوره کاربردی استاندارد سازی زمان و میزان تولید در کوره های القایی با همکاری انجمن تولید کنندگان فولاد ایران و آکادمی ملی فولاد ایران در آذر ماه امسال برگزار شد ارائه شده است:

 

نمودار ۱- PSM

 

بر اساس یافته های مدل PSM، همانطور که در نمودار آمده است، با کاهش پرت ضایعاتی که در کوره القایی شارژ می گردد، میزان تولید افزایش یافته، مصرف انرژی کاهش می یابد.

 

 

پیش فرض های تحلیل عددی در این مقاله:

پیش فرض ها و سناریوهای در نظر گرفته شده برای محاسبات در این مقاله در شرایط مطابق استاندارد مدل است که به برخی از آنها می پردازیم. این پیش فرض ها عبارتند از:

ظرفیت کوره: یک ست کوره ۱۰ تن

نوع کوره: مدار موازی

دمای محیط: ۲۰ درجه سانتیگراد

دمای تخلیه: ۱۶۷۰ درجه سانتیگراد

روش زینترینگ کوره: ذوب به ذوب یا زینتر مایع (تخلیه ذوب آخر در بوته آماده زینترینگ و نگهداشت ۴۵ دقیقه ای)

ضریب دسترسی: ۶۵%-۷۰%-۷۵% زمان بسته به سناریو

میزان تاخیرات: ۶% زمان

مصرف آهن اسفنجی: بسته به سناریو ۰% و ۴۰% می باشد

آنالیز محصول تولیدی: شمش ۵SP

ضریب تبدیل ذوب به شمش فولاد: ۹۸%

توان کوره: ۴ مگا وات

میزان تولید هر سناریو در دماهای مختلف ضایعات (یعنی ۲۰، ۵۰، ۱۰۰، ۲۰۰، ۳۰۰، ۴۰۰ و۴۵۰ درجه ی سانتی گراد) بوسیله ی مدل PSM محاسبه و در نهایت تحلیل می گردد.

 

سناریوی اول:

با فرض مصرف ۱۰۰% ضایعات با پرت ۸% و راندمان ۷۰%، نتایج بدست آمده از مدل PSM مطابق جدول ذیل می باشد:

جدول ۱- سناریو اول

انرژی مصرف شده (کیلو وات ساعت به ازای هر تن)	تولید ماهیانه (تن)	دمای ضایعات(̊C)
۶۸۳	۳۲۱۷	۲۰
۶۷۵	۳۲۵۱	۵۰
۶۶۱	۳۳۰۸	۱۰۰
۶۳۵	۳۴۲۴	۲۰۰
۶۰۸	۳۵۴۹	۳۰۰
۵۸۱	۳۶۸۳	۴۰۰
۵۶۷	۳۷۵۵	۴۵۰

با توجه به خروجی بدست آمده از مدل PSM با پیشگرم ضایعات تا دمای ۴۵۰ درجه سانتیگراد، تولید ماهیانه ۱۷% افزایش و مصرف انرژی ۲۰% کاهش خواهد یافت.

سناریو دوم:

با فرض مصرف ۱۰۰% ضایعات شرد شده با ۲% پرت با راندمان ۷۵%، نتایج بدست آمده از مدل PSM مطابق جدول ذیل می باشد:

جدول۲- سناریو دوم

انرژی مصرف شده (کیلو وات ساعت به ازای هر تن)	تولید ماهیانه (تن)	دمای ضایعات(̊C)
۶۳۷	۳۵۳۳	۲۰
۶۲۸	۳۵۷۷	۵۰
۶۱۳	۳۶۵۱	۱۰۰
۵۸۴	۳۸۰۴	۲۰۰
۵۵۶	۳۹۷۲	۳۰۰
۵۲۷	۴۱۵۴	۴۰۰
۵۱۲	۴۲۵۲	۴۵۰

با توجه به خروجی بدست آمده از مدل PSM با پیشگرم ضایعات تا دمای ۴۵۰ درجه سانتیگراد، تولید ماهیانه ۲۰% افزایش و مصرف انرژی ۲۴% کاهش خواهد یافت.

 

سناریو سوم:

با فرض مصرف ۶۰% ضایعات با ۸% پرت و ۴۰% آهن اسفنجی با راندمان ۶۵%، نتایج بدست آمده از مدل PSM مطابق جدول ذیل می باشد:

جدول ۳- سناریو سوم

انرژی مصرف شده (کیلو وات ساعت به ازای هر تن)	تولید ماهیانه (تن)	دمای ضایعات(̊C)
۷۹۵	۲۷۶۳	۲۰
۷۸۶	۲۷۸۹	۵۰
۷۷۱	۲۸۳۴	۱۰۰
۷۴۲	۲۹۲۶	۲۰۰
۷۱۴	۳۰۲۳	۳۰۰
۶۸۵	۳۱۲۸	۴۰۰
۶۷۰	۳۱۸۳	۴۵۰

 

با توجه به خروجی بدست آمده از مدل PSM با پیشگرم ضایعات تا دمای ۴۵۰ درجه سانتیگراد، تولید ماهیانه ۱۵% افزایش و مصرف انرژی ۱۹% کاهش خواهد یافت.

 

نتیجه گیری:

بر اساس مدل PSM تاثیر پیشگرم ضایعات بر روی مصرف انرژی و میزان تولید فولاد سازی با کوره القایی مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به اطلاعات فوق، نتایج زیر حاصل گردید:

• با پیش گرم ضایعات و رساندن دمای آن از ۲۰ درجه سانتیگراد به ۴۵۰ درجه سانتیگراد در سناریوی اول با ۱۷% افزایش تولید و ۲۰% کاهش مصرف انرژی مواجه شدیم.
• در سناریوی دوم تولید ماهیانه ۲۰% افزایش و مصرف انرژی ۲۴% کاهش خواهد یافت و در سناریو سوم تولید ماهیانه ۱۵% افزایش و مصرف انرژی ۱۹% کاهش خواهد یافت.

 

 

 

 

نمودار ۲- نمودار دمای قراضه به انرژی مصرفی

 

نمودار۳- نمودار دمای قراضه به تولید ماهیانه

 

با توجه به فرمول Q=mcΔT و در نظر گرفتن یک کیلو گرم ضایعات با گرمای ویژه ( ۱۰۸/۰ انرژی مورد نیاز برای رساندن دمای ضایعات با دمای محیطی به دمای ۴۵۰ درجه سانتیگراد ۴۶ کیلو کالری مورد نیاز است. حال با در نظر گرفتن اینکه هر کیلوگرم ضایعات برای رسیدن به این دما ۴۶ کیلوکالری نیاز دارد این مقدار برای یک کوره ۱۰ تن ۴۶۰٫۰۰۰ کیلو کالری خواهد بود و با توجه به اینکه هر متر مکعب گاز معادل ۸۶۰۰ کیلو کالری است، این مقدار چیزی در حدود ۵۳ متر مکعب گاز خواهد شد.

مبلغ هر متر مکعب گاز در حدود ۱۳۲۰ ریال می باشد که با توجه به تناژ تولید در سناریوی اول که ۳۷۵۵ تن می باشد، در هر ماه در حدود ۲۶۳ میلیون ریال بابت پیش گرم ضایعات باید هزینه کرد که با افزایش تولید ۱۵% ناچیز بوده و کاملا توجیه خواهد داشت. برای سناریوی دوم هر ماه ۲۹۷ میلیون ریال با افزایش تولید ۲۰% و در سناریوی سوم ۲۲۳ میلیون ریال با افزایش تولید ۱۵% را خواهیم داشت.

به طور کلی می توان اینطور نتیجه گیری کرد که با توجه به قیمت گاز، هر چه دمای ضایعات را بتوان بیشتر افزایش داد، راندمان تولید افزایش، هزینه های تولید کاهش و بهره وری افزایش چشم گیری خواهد داشت.