این مطلب در فصلنامه تخصصی صنعت نسوز، شماره سی و یکم، تابستان 1402، در صفحه 48 منتشر شده است.

روش‌های جدید برای از بین بردن نسوزها، آینده فولادسازی سبز

نویسنده:

 Thomas (Tom) Vert, Strategic Refractory Consulting Inc., Hamilton, ON, Canada.

مترجمان: سید محسن سیدعاشور، پریا شیخ¹

¹ کارشناس تحقیق و توسعه گروه پاترون

چکیده

چالش کربن که همه ما در تلاشیم به آن بپردازیم، تغییر اصلی در فرایندهای تولید نسوز توسط مشتری است. تغییرات در کازخانه­‌های فولاد برای حرکت به سمت فولاد سبز، شامل حذف یا اصلاح قابل‌­توجه کوره­‌های کک، کوره بلند (BF) و کوره­‌های اکسیژن قلیایی (BOF) می‌­باشد. علاوه بر این فولادسازی با کوره قوس الکتریکی، با امکان افزودن اکسیژن، آهن اسفنجی (DRI)، آهن مذاب، بریکت گرم (HBI) و تزریق هیدروژن به هریک یا همه این فرایندها و یا ترکیبی از فرایندهای فوق از دیگر تغییرات فعلی هستند.

تغییر از کنورتور به EAF نرخ فرسایش و مصرف نسوز را به تنهایی و بدون توجه به هر از یک فناوری­‌های دیگر تقریبا از 2/0 mm   به ازای هر ذوب، به mm1 افزایش می‌­دهد. حرکت مهندسی شده به هر یک از تغییرات فوق و ترکیب آنها، سازوکار فرسایش نسوزها را نیز با یک عامل ناشناخته افزایش می­‌دهد. بیشتر بودن نسبت ناخالصی­‌ها در DRI، استفاده از کوره­‌های EOF یا کونارک[1] در فضای فنی EAF چالش­هایی فرسایشی را برای نسوزهای مورد استفاده ایجاد می‌­کند. البته هنوز خیلی زود است که ببینیم افزودن هیدروژن و یا بخار با دمای بالا به عنوان یک محصول جانبی چه می­کند.

این مقاله سعی خواهد کرد که آینده­‌ی سازوکارهای فرسایش و میزان فرسایش “فولاد سبز” را با این پیش‌­بینی، پیش‌­بینی کند که مهم نیست که… ما راه­‌های جدیدی برای تخریب مواد نسوز پیدا خواهیم کرد! (و البته نسوزهای جدید برای مقاومت در برابر این تغییرات).

فولاد سبز چیست؟

اساساً فولاد سبز عبارت است از تولید فولاد بدون استفاده از سوخت‌­های فسیلی. “هیدروژن سبز” اصطلاحاً راه حلی است که می­‌تواند به کاهش اثر کربن صنعت فولاد کمک کند. هیدروژن باتوجه به منبع اصلی حامل انرژی مورد استفاده برای تولید H₂ و اینکه آیا جذب و ذخیره کربن استفاده شده است یا نه، با نام هیدروژن سبز به عنوان هدف نهایی معرفی می‌­شود.

باتوجه به اینکه تولید فولاد حدود 7% از تولید CO₂ جهان را تشکیل می‌­دهد، برای کاهش استفاده از سوخت­‌های فسیلی، مقابله با چالش تغییرات آب و هوایی ضروری است.

همانطور که در شکل 1 دیده می­شود آسان­ترین و سریع­ترین روش برای رویارویی با این چالش، رفتن از تولید با BF/BOF به تولید با EAF است.

تصویر زیبایی که دوست دارم از آن استفاده کنم، تصویری از میدرکس[1] است که سفر به فولاد سبز را از وضعیت فعلی نشان می­دهد که در شکل 2 مشاهده می­شود.

همچنین فرایندهای نیمه صنعتی دیگری وجود دارند (به عنوان مثال HyBrit Boston Metal و…) که ممکن است تا حدی کارساز باشند، با این حال نظر نویسنده این است که EAF شاکله­ آینده تولید فولاد سبز خواهد بود.

شما چگونه نسوزهای را از بین می­برید؟

نسوزهای توسط ترکیبی از سازوکارها که به اختصار TMC نامیده می­‌شود دچار فرسایش می­گردند. TMC مخفف سازوکارهای حرارتی (T)، مکانیکی (M) و شیمیایی (C) است. فهرستی کلی که تحلیل آنالیز TMC را بیان می­کند، در جدول 1 نشان داده شده است.

نکته حائز اهمیت این آنالیز نیز، ارزیابی از منظر نسوز است. برای اینکار از متخصصان نسوز استفاده می­شود، زیرا متالورژها معمولاً فرایند فولادسازی را درک می­کنند اما درکی از خواص نسوز نداشته و بنابراین نمی­توانند اثر فرایند فولادسازی بر خواص نسوز را به خوبی متوجه شوند.

علاوه بر درک فرسایش نسوزها، تحلیل نرخ فرسایش فعلی و پیش بینی ان در آینده نیز اهمیت دارد.

نرخ فرسایش فعلی نسوزها در هر فرایند

تولید باکوره بلند

نسوزهای کوره بلند شامل آسترکاری اولیه (شامل کوره) است و تعمیرات هر 2 سال یکبار (به صورت شاتکریت/گانینگ/آجر و یا جرم ریختنی) صورت می­‌گیرد. (جدول2)

لازم به ذکر است که گل مجرای خروجی یک ماده مصرفی متالورژیکی بوده و نسوز نیست و بنابراین در نظر گرفته نشده است. همچنین ماشین­های تورپدو [2] و یا پاتیل­های داغ شامل این موضوع نمی‌­شوند زیرا نرخ فرسایش آنها تا حد زیادی به شرایط کاری هرکارخانه بستگی دارد اما به اندازه کافی بالا نیست تا فرضیه این مقاله را تغییر دهد.

کوره­های بلند جدید ترکیبی از آجرهای کربنی، سیلیکون کاربایدی، آلومینابالا-سیلیکون کاربایدی و آلومینا بالا به صورت منطقه­‌بندی شده و بر اساس سازوکارهای کلیدی فرسایش هستند.

با گذشت زمان برای مقاومت در برابر بارهای حرارتی زیاد و چرخش، تمایل به افزایش مصرف محصولات کربنی و سیلیکون کاربایدی (SiC) در یک عملیات BF نوین بوده است. بوسیله اتمسفری احیا که تحت فشاری عادی است، خطر اکسیداسیون کم بوده و طول عمر این نسوزها افزایش یافته است. ترکیبات شاتکریت جدید حاوی کربن، منجر به افزایش قابل توجه عمر تعمیر شده است.

در دهه 1980 این امر منجر به افزایش عمر نسوز BF از 3 به 5 سال شده است تا صحبت از آستر “همیشگی” در آینده، که با عمر بیش از 20 سال و بدون تعویض قابل توجه آستر به ثبت رسیده است، به میان آید.

تولید با کوره اکسیژن قلیایی (کنورتور)

نسوزهای BOF شامل آستر اولیه، لایه ایمنی، تعمیرات به صورت گانینگ و تعویض مجرای خروجی در جدول 3 ارائه شده است.

BOFهای جدید عمدتاً ترکیبی از آجرهای منیزیا کربن، به صورت منطقه­‌بندی شده بر اساس سازوکارهای اصلی فرسایش هستند (برای مثال، دیواره بارگیری، شکم[1] و کف کنورتور).

عمر BOF تا حد زیادی، به شرایط کاری و تعمیر بستگی دارد. از گذشته برای بالا بردن عمر BOFهای ایالات متحده از پاشیدن سرباره به عنوان راهی برای افزایش عمر BOF به بیش از 20000 ذوب استفاده می­‌شده است که البته جنبه منفی عدم همزدن کف، هزینه­‌های متالورژیکی دیگری از جمله استفاده بیشتر از دی­اکسیدان‌­ها را اضافه می‌­کند.

مواد تعمیراتی شامل ترکیبات بازی گانینگ، همچنین تعمیر با سرباره­‌ها، آجرهای مصرف شده و یا جرم‌­های تعمیراتی فله­‌ای می‌­باشد.

تولید با کوره قوس الکتریکی

نسوزهای EAF شامل آسترکاری اولیه، کف و تعمیرات گانینگ و همچنین تعویض مجرای خروجی است که در جدول 4 نمایش داده شده است.

EAFهای جدید عمدتاً ترکیبی از آجرهای منیزیا کربن به صورت منطقه­‌بندی شده و بر اساس ساز وکارهای اصلی فرسایش هستند (برای مثال، نقطه داغ، بالای EBT، درب EAF و…).

عمر EAF به شدت به شرایط کاری و تعمیر بستگی دارد و حتی بیشتر از BOF. متغیر بودن تناژ EAF (از 20 تا 300تن) و همچنین نوع آن (AC، DC، EOF، Conarc و…) تعمیم مصرف واقعی بر حسب کیلوگرم/تن را برای آن خیلی سخت می­‌کند. محاسبات فوق برای متوسط کوره نوع AC است.

تجربه نشان داده است که نرخ­های فرسایش و مصرف نسوز برای انواع EAF به ترتیب زیر می­باشد:

                                                                                                           DC < AC < Shaft < EOF  < Conarc

اختلاف اصلی در مقدار کف و تعمیرات گانینگ مورد نیاز است که وابستگی زیادی به شرایط سرباره پفکی دارد (که می‌­تواند بسیاری از خطاهای متالورژیکی را بهبود دهد). نرخ فرسایش نیز تحت تأثیر نوع شارژ قراضه/آهن از 100 قراضه تا تکه­‌های بزرگ آهن سرد (ناشی از ریختن فلز داغ BF) گرفته تا HBI، DRI و حتی شارژ فلز داغ (تا 30% از شارژ فلز) است.

لازم به ذکر است که اثر موارد فوق، در بخش وضعیت آینده بیشتر مورد بحث قرار خواهد گرفت.

نرخ­‌ها و سازوکارهای فرسایش پیش‌بینی شده نسوزها در هر فرایند با فولاد سبز

تولید با کوره بلند

پیش­‌بینی می­‌شود در آینده، شرکت­‌هایی که با استفاده از کوره بلند به کار خود ادامه می­‌دهند، سعی خواهند کرد هیدروزن را به عنوان یکی از سوخت­‌ها تزریق کنند. هیدروژن در مقایسه با سایر سوخت­‌های هیدروکربنی آب بیشتری تولید می­‌کند و این مورد به خوبی شناخته شده و ممکن است منجر به بوجود آمدن بخار آب در کوره شده که می‌­تواند باعث افزایش خوردگی برخی از نسوزهای خاص شود.

کوره­‌های بلند جدید امروزی، از ترکیبی از کربن، کاربید سیلیسیم، آجر آلومینایی و جرم­‌های تعمیراتی مشابه تشکیل شده‌اند. مطابق با واکنش‌­های شیمیایی ارائه شده در معادلات 1 تا 4، اثر H₂ یا H₂O در این کوره‌­ها منجر به تخریب آستر نسوز می­‌شود.

زمانی که کوره بلند در شرایط پایدار و تحت فشار است، تا حد امکان اتمسفر احیایی را حفظ می_­کند اما به دفعات پیش می­‌آید که کوره برای تعمیرات یا بازرسی در معرض هوا قرار می­‌گیرد. همچنین، آب می­‌تواند از طریق نشتی  لوله و/یا صفحه و/یا برف/یخ در طول ماه‌های زمستان وارد کوره شود. همه این شرایط منجر به نرخ فرسایش بالاتری خواهد شد، اما مشخص نیست این نرخ فرسایش چقدر ممکن است بالا برود.

نظر این نویسنده این است که نرخ فرسایش آستر اولیه برای BFها با تزریق هیدروژن به دلیل ماهیت سازوکارهای حمله (خوردگی) و شرایط عملیاتی، حداقل دو برابر خواهد شد.

در جدول 5 مشاهده می شود که نرخ فرسایش کل، تنها از 0/54به 0/57 کیلوگرم بر تن به علت مصرف عمده نسوز در فرورفتگی های BF افزایش می‌یابد.

با این حال، کاهش چشمگیری در مصرف نسوز، کاهش عمده‌ای در تعداد کوره‌های بلند در حال کار ایجاد خواهد کرد که انتظار می‌رود حداقل 50 درصد کاهش یابد، اگرچه به دلایل اقتصادی، این موضوع به صورت منطقه­‌ای متفاوت خواهد بود. همانطور که در شکل 3 مشاهده می­شود. به عنوان مثال، تمام فولادسازان آمریکای شمالی به جز کلیفس[1] متعهد شده­اند که تا سال 2040 به فولادسازی با EAF تغییر روش بدهند.

تولید با روش کوره اکسیژن قلیایی (BOF)

در حال حاضر هیچ اشاره‌ای به تزریق هیدروژن به BOF نشده است. بنابراین تصور می‌شود که تغییر کمی در نرخ فرسایش نسوزهای BOF ایجاد کند.

همانطور که درمورد BF ها صحبت شد، تغییر اساسی در مصرف نسوز، کاهش عمده‌ای در تعداد کوره‌های اکسیژنی در حال کار ایجاد خواهد کرد که انتظار می­رود حداقل 50 درصد کاهش یابد، اگرچه این مقدار به دلایل اقتصادی، بسته به شرایط منطقه‌ای تغییر خواهد کرد.

تولید با روش کوره قوس الکتریکی (EAF)

فرسایش نسوز در روش EAF در آینده به دلیل ترکیب چهار عامل زیر افزایش خواهد یافت:

1. افزایش استفاده از کوره­‌های ترکیبی اکسیژنی/EAF مانند EOF، Conarc و/یا تزریق اکسیژن از لوله_­های پایینی.
2. استفاده بیشتر از DRI/HBI و حتی مذاب فلز داغ برای برآورده سازی الزامات نهایی مدنظر مشتری.
3. تزریق هیدروژن به EAF.
4. استفاده از فلز داغ از سایر فرآیندها به داخل کوره.

چهار عامل زیر منجر به افزایش نرخ فرسایش و مصرف نسوز می شود:

1. همانطور که قبلاً در این مقاله بیان شد، تجربه نشان می دهد که سایش و مصرف بالاتر نسوز از طراحی‌های زیر حاصل می‌شود:

DC < AC < Shaft < EOF  < Conarc

همانطور که کارخانه‌های فولاد به سمت EAF و نهایتا برآورده کردن نیازهای سختگیرانه مشتریان پیش می­روند، بالطبع حرکت به سمت طراحی­‌های مخرب نیز طبیعی خواهد بود. همچنین انتظار می­رود که  از هم زدن کف با استفاده از آرگون یا احتمالاً اکسیژن برای افزایش سرعت فرآیند و کاهش زمان تخلیه (tap to tap) استفاده شود. همه این­ها منجر به مصرف نسوز بیشتر می‌­شود.

2. حرکت به سمت مقادیر بالاتر HBI، DRI و حتی شارژ فلز داغ نیز منجر به نرخ فرسایش بالاتر می‌­شود. گفته شده است که میزان DRI/HBI با کیفیت بالاتر در حال کاهش است و بنابراین مواد ناخالصی افزایش خواهد یافت. این موضوع منجر به زمان های پردازش طولانی­تر، میزان سرباره بیشتر و در نتیجه مشکلات بیشتر مربوط به نسوز می­شود.

3. تزریق هیدروژن به EAF همراه با H₂ آزاد ناشی از آن و احتمالاً H₂O، مجدداً منجر به فرسایش می شود طوری که آجر منیزیاکربن به سرعت از بین رفته و نیاز به تعمیر دارد. اگر کربن در آجر کاهش یابد، میزان پوسته پوسته شدن حرارتی افزایش خواهد یافت و در حال حاضر راه حلی برای این چالش وجود ندارد.
جدول 6 طرح “توپ بلوری” این نویسنده را مبنی بر افزایش بیش از 50% مصرف نسوز مورد انتظار، نشان می­دهد!

راه حل‌های آینده نسوز

بنابراین، اگر در آینده ترکیبی از EAF های بیشتر، هیدروژن بیشتر، زمان­‌های ذوب­‌گیری طولانی‌تر و سرباره‌­های خورنده‌­تر و … وجود داشته باشد، طراحان نسوز چگونه باید به جلو حرکت کنند؟

لازم به ذکر است که تمامی شرکت­‌های نسوز روی اثرات تزریق هیدروژن و اقداماتی که لازم است انجام شود، شروع به کار کرده‌­اند.

چند کار کلیدی انجام شده و نکات کلیدی به شرح زیر خلاصه شده است:

• از نمودار الینگهام، ارائه شده در شکل 4 مشاهده می­گردد که آلومینا، کرومیا و تیتانیا اکسیدهای کلیدی هستند که در دماهای فولادسازی کمتر تحت تأثیر هیدروژن قرار می‌گیرند.

این موضوع توضیح می­‌دهد که چرا برای مدت­‌ها، از آلومینا با خلوص بسیار بالا در اتمسفر هیدروژن در صنایع غیر آهنی استفاده می‌شده است و چرا این ماده، نسوز انتخابی در تجهیزات مدرن شارژ DRI بوده است.

البته این ماده برای استفاده در EAF به اندازه کافی خوب نخواهد بود زیرا کربن موجود در آجر منیزیا کربن و همچنین منیزیا برای مقابله با سرباره‌های بازی، جهت بقای نسوز ضروری هستند.

گزینه‌های احتمالی، منیزیای کم کربن از طریق استفاده از فناوری‌های نانو کربن، برخی از اشکال اسپینل (اگرچه کروم 6+.همچنان یک مساله اصلی است)، یا کلسیم آلومینات‌های دما بالا (مانند هیبونیت) هستند.

ما مشتاقانه منتظریم تا شاهد توسعه فناوری‌هایی باشیم که بتوانند با فرآیندهای جدیدتر و تهاجمی‌تر کارخانجات فولاد مبارزه کنند!

نتیجه گیری

1. روش فولادسازی “سبز” در آینده نزدیک منجر به تغییر روش BF/BOF به روش EAF به منظور کسب دستاوردهای زیادی در کربن زدایی خواهد شد.

2. روش جدید منجر به افزایش مصرف نسوز به میزان حداقل 90 درصد خواهد شد و این به این علت است که در روش BF/BOF مقدار 65/1 کیلوگرم بر تن و در روش EAF بیش از 13/3کیلوگرم بر تن نسوز استفاده می‌شود.
3. روش EAF خودش به تنهایی منجر به مصرف مازاد نسوز می‌شود که علت آن روش فرآوری، مواد اولیه و تزریق بیشتر هیدروژن است.

مراجع

 [1] https://www.sc.com/en/feature/ironing-out-chinas-plancarbon-neutral-steel-production/

 [2] https://www.rolandberger.com/en/Insights/Publications/It-stime-for-steelmakers-to-reduce-emissions.html

 [3] Carniglia, S.C and Barna, G.L., Handbook of Industrial Refractories Technology: Principles, Types, Properties and Applications, Noyes Publications/William Andrew Publishing, LLC, USA, (1992).

 [4] https://www.iea.org/reports/iron-and-steel-technologyroadmap

 [5] https://inspyro.be/reduction-with-hydrogen-ellinghamdiagram/