این مقاله گروه دانش بنیان پاترون در سمپوزیوم فولاد 98 پذیرفته شده و به صورت پوستر ارائه گردیده است.

محتوای پوستر مقاله را در ذیل مشاهده می فرمایید:

مدل‌سازی مصرف انرژی و میزان تولید شمش فولاد با کوره القایی

حسام ادیب*، سید عباس کلانتر**، حسن بداغی***، امیرحسین یوسف بیگی****

*- نویسنده مسئول: کارشناس و کارشناس ارشد مهندسی صنایع و MBA (رئیس هیئت مدیره گروه پاترون)

** کارشناس مهندسی صنایع و MBA (مدیرعامل گروه پاترون)

*** کارشناس متالورژی و کارشناس ارشد مهندسی صنایع (مدیر فنی – مهندسی گروه پاترون)

**** کارشناس مکانیک و کارشناس ارشد مدیریت صنعتی (مهندسی فروش گروه پاترون)

تهران- کردستان شمال- بن بست یکم- پلاک8- طبقه اول

h.adib@patron.group

چکیده

برای بهینه‌سازی و افزایش راندمان هر سیستم، لازم است ابتدا آن را شناخت و مدل‌سازی نمود. در این مقاله به مدل‌سازی مصرف انرژی و میزان تولید شمش فولاد ساختمانی که با کوره القایی و با استفاده از انواع قراضه یا آهن اسفنجی تولید می‌شود پرداخته می‌شود. مدل ارائه شده جامع بوده و برای هر نوع کوره القایی و با هر نوع قراضه یا درصد مصرف آهن اسفنجی و نیز هر نوع راندمان اپراتوری کارایی دارد. همچنین با استفاده از این مدل می‌توان مقایسه اقتصادی بین مصرف انواع قراضه یا درصد آهن اسفنجی، با توجه به تاثیر آنها بر میزان تولید و هزینه‌های مربوطه انجام داد تا اقتصادی‌ترین ترکیب به دست آید.

کلمات کلیدی:

کوره القایی، شمش فولاد ساختمانی، مصرف انرژی، آهن اسفنجی، قراضه

مقدمه

با وجود آن‌که تولید فولاد در کوره های القایی در سالهای اخیر رشد قابل توجهی داشته، کمتر به بهینه‌سازی و افزایش راندمان این بخش صنعت پرداخته شده است. در این مقاله به مدل‌سازی مصرف انرژی و میزان تولید شمش فولاد ساختمانی در کوره القایی، با استفاده از انواع قراضه یا آهن اسفنجی، پرداخته می‌شود که راه را برای درک عملکرد این فرایند و بهبود آن باز می‌کند.

برای مدل‌سازی مصرف انرژی الکتریکی در کوره القایی، که امکان محاسبه میزان تولید فولاد در این نوع کوره‌ها را فراهم می‌نماید، ابتدا لازم است مدلی ساخته شود که قادر به پیش‌بینی مقدار مصرف انرژی، در صورت مصرف انواع قراضه، با ناخالصی‌های مختلف و همچنین درصدهای مصرف آهن اسفنجی در کنار مصرف قراضه باشد.

سابقا تلاش‌هایی جهت این مدل‌سازی بر اساس موازنه جرم و انرژی، تعادلات ترمودینامیکی و سینتیک فرایند انجام شده است. چالش اصلی در این نوع مدل‌سازی‌ها، پیچیدگی محاسبات و ضرورت وجود برخی پارامترهای غیر قابل محاسبه آنی، از قبیل درصد عناصر آلیاژی در مواد شارژ شده در کوره است. همچنین در این مدل‌ها به راندمان تجهیز و راندمان اپراتوری پرداخته نمی‌شود. به همین دلیل است که استفاده از این مدل‌ها به جز در موارد تحقیقاتی، عملیاتی نگردیده است.

لذا بر اساس ضرورت برخورداری از مدلی که با استفاده از یک فایل اکسل ساده، بتوان در هر لحظه، بهترین ترکیب شارژ در کوره، یا استانداردسازی زمان ذوب و میزان تولید را انجام داد، مدل حاضر، که در ادامه ارائه می‌گردد، ایجاد شده است.

روش پژوهش

در این مقاله با مدلسازی خطی به محاسبه مصرف انرژی در کوره القایی بر اساس آنالیز شمش فولاد ساختمانی، دمای محیط، تخلیه، اتلاف در کوره القایی، ضریب تبدیل مواد اولیه به مذاب، میزان انرژی جذب شده توسط ناخالصی ها، نوع کوره، نسوز کوره و مدت زمان ذوب پرداخته می‌شود و مدلی ارائه می‌گردد که برای هر شرایط فولادسازی و هر نوع مواد اولیه، میزان مصرف انرژی و مدت زمان ذوب قابل محاسبه باشد.

پایه مدل سازی خطی این است که در شرایط آزمایشگاهی برای تبدیل یک تن فولاد ساختمانی که حدود 3/0 درصد کربن، 5/0 درصد منگنز و 25/0 درصد سیلسیوم دارند، از حالت جامد به مذاب از فرمول ساده زیر می توان استفاده نمود:

 = میزان مصرف انرژی (کیلووات ساعت به ازای هر تن فولاد)

(˚ 1520 – دمای تخلیه) × 24/0 + (دمای محیط – ˚ 1520) × 188/0 + 44/74

همچنین راندمان تجهیز کوره القایی به طور معمولی بین 60 تا 80 درصد است که البته این راندمان نیز برای یک کوره مقداری ثابت نیست چراکه شرایط اپراتوری کوره و نیز چگالی توان (نسبت توان به ظرفیت کوره) نیز بر آن مؤثر است. همچنین با توجه به آنکه قراضه‌های مصرفی جهت شارژ و ذوب در کوره‌های القایی از نظر زنگ زدگی، همراه بودن با بتن، خاک، عناصر و مواد ضایعاتی دیگر با فولاد خالص متفاوند، با دسته‌بندی و محاسبه ضریب تبدیل قراضه و محاسبه میزان ناخالصی آن، مصرف انرژی این ناخالصی‌ها، که به سرباره تبدیل می‌شوند محاسبه می‌گردد. به طور متوسط ناخالصی ها حدود 45% بیشتر از فولاد انرژی جذب می کنند همچنین به طور متوسط حدود 80% مقدار ناخالصی قراضه آهن به صورت ووستیت یا همان زنگ زدگی و مابقی گانگ است. اکسید آهن می‌تواند در مجاورت کربن موجود در مذاب و جذب انرژی از مذاب، احیا شود و آهن آن آزاد گردد. این واکنش گرماگیر است و میزان انرژی مورد نیاز جهت این واکنش حدود 1200 کیلووات ساعت به ازای هر تن، در دمای حدود 1600 درجه سانتیگراد است. در کوره‌های القایی حدود 50% FeO  ناشی از شارژ قراضه تبدیل بهFe  یا همان آهن می گردد. همچنین بررسی‌های انجام شده روی 2 کارخانه فولادسازی با کوره القایی نشان می دهد تغییر قطر جرم کوره بین 2 تا 5 درصد روی راندمان کوره اثر می‌گذارد. همچنین کاهش راندمان کوره به خاطر سردی کوره بین 0/3 درصد تا 0/5 درصد روی کل راندمان کوره، در همه عمر کوره موثر است.

نتایج

با استفاده از مدل ارائه شده می‌توان مصرف انرژی و زمان ذوب در فولادسازی با کوره القایی را با تقریب بسیار خوبی و به سرعت، حتی در هر ذوب که ترکیب شارژ آن مشخص است، بر اساس پارامترهای موثر بر صرف انرژی به دست آورد. این عوامل مؤثر در نمودار شماره 1 نشان داده شده‌اند. به این ترتیب می‌توان با در نظر گرفتن زمان استاندارد ذوب، بهینه‌سازی لازم در میزان تولید را به دست آورد. همچنین با این مدل می‌توان بر اساس قیمت انواع قراضه و آهن اسفنجی، سناریوهای مختلفی را جهت محاسبه اقتصادی‌ترین ترکیب به دست آورد. نمودار شماره 2 و 3 بر اساس همین مدل و با پیش فرض‌های زیر محاسبه و ارائه شده است.

نمودار شماره 1 عوامل مؤثر بر مصرف انرژی جهت تولید فولاد

نمودار شماره 2 میزان مصرف انرژی نسبت به راندمان ذوب با انواع قراضه در حالت مصرف 100% قراضه

نمودار شماره 3 میزان مصرف انرژی نسبت به راندمان ذوب با انواع قراضه در حالت مصرف 60% قراضه و 40% آهن اسفنجی

بحث و نتیجه گیری

مدلی جهت محاسبه زمان ذوب در ترکیبات مختلف شارژ کوره القایی ارائه گردید که کارشناسان هر کارخانه فولادسازی به سادگی بتوانند در هر ذوب، زمان استاندارد و میزان تولید را محاسبه نمایند. در این مدل عوامل مؤثر بر مصرف انرژی و زمان ذوب شناسایی شده و قابل محاسبه هستند. با استانداردسازی حاصل از این مدل، می‌توان راندمان تولید را بهبود بخشید. همچنین می‌توان محاسبات اقتصادی هر ترکیب شارژ را نیز جهت انتخاب اقتصادی‌ترین سناریوی تولید انجام داد. این مدل در 2 کارخانه فولادسازی کشور مورد آزمون قرار گرفته و در بیش از 3 کارخانه دیگر نیز بررسی شده و نتایج آن راهگشای بهبود عملکرد و راندمان قرار گرفته است. این مدل بر اساس متغیرهای خاصی که در هر کارخانه فولادسازی می‌توانند وجود داشته باشند، قابل توسعه و بهبود است.

منابع

[1] حسام ادیب، “فولادسازی با کوره القایی در ایران در یک نگاه”، مجله چیلان، 1397، 80، ص 91

[2] سید خطیب الاسلام صدرنژاد و مهرداد سرکمری، ” شبیه سازی فرایند تولید فولاد در کوره القایی”، سمپوزیوم فولاد 137، اهواز، 3 و 4 اسفند 1379، ص 113-123

[3] Electrotherm, “Energy required for melting and supper heating steel”, 2009, Ahmad Abad, Ext of Doc. No. 191D003 Rev. No.01, pp 1-3

 [4] Abhay Bakre, “Promoting Energy Efficiency and Renewable Energy in Selected MSME Clusters in India”, 2017, New Delhi, Bureau of Energy Efficiency

[5] BCIRA, “Efficient Melting in Coreless Induction Furnace”, 2000, Oxfordshire, Energy Efficiency Enquiries Bureau

 [6] Tao Jiang, Guanzhou Qiu, Jingcang Xu, Deqing Zhu, Ram Singh, “Direct Reducion of Composite Binder Pellets and Use of DRI”, 2007, Ahmad Abad, Electrotherm (India) Ltd.