گذار از ماشین بخار
تحولات تکنولوژی در صنعت فولاد چگونه رخ داد؟
چنین روندهایی را می‌توان در سایر کشورهای صنعتی نیز مشاهده کرد و به کل صنعت جهانی فولاد تسری داد. نیروهای رقابتی و جهانی‌سازی بازار، به چرخ‌دنده‌های توسعه و استفاده از فناوری‌های جدید، ساخت آهن و فولاد در قرن ۲۱ سرعت و شتاب می‌دهند. در نهایت پاسخ صنعت به محرک‌های خاص فناوری محلی و جهانی احتمالاً به پیشرفت فزاینده‌ای در تکنولوژی‌های موجود و پیشرفت عمده در چندین زمینه اساسی از جمله ساخت آهن و ریخته‌گری منجر می‌شود.
منشأ تولید آلیاژهای آهنی را می‌توان در دو هزار سال قبل از میلاد مسیح یافت، زمانی که در نوشته‌هایی از چین و هند باستان به فلزات آهنی ساخته شده توسط انسان اشاره شده است. از ۱۳۵۰ سال قبل از میلاد تا ۱۱۰۰ سال قبل از میلاد مسیح، تولید فلزات آهنی از سنگ آهن به یک منطقه جغرافیایی خاص، گسترش یافته و در دسترس افراد زیادی قرار گرفت. بیش از سه هزار سال پس از این و در آغاز عصر آهن، آهن‌آلات و فولادسازان مدرن هنوز از همان فرآیند کاربوترمی کشف‌شده توسط انسان‌های اولیه استفاده می‌کردند. با وجود این، آهن‌سازان به توسعه و پیشرفت فناوری روی آوردند و در پی آن بودند که با روش‌های جدید برای تولید آلیاژهای آهنی با کیفیت بالا به تولید محصولاتی کارآمدتر، با بهره‌وری بیشتر و قیمت ارزان‌تر برسند.
امروزه، آهن‌سازی و فولادسازی مدرن، در مصرف مواد و انرژی و همچنین سرمایه مورد نیاز خود، با کمبود منابع دست به گریبان است. این صنعت همچنین با طیف گسترده‌ای از نگرانی‌های زیست‌محیطی روبه‌رو است که اساساً مربوط به نیاز بالای این صنعت به انرژی، استفاده از مواد و محصولات جانبی مرتبط با تولید بیش از ۷۲۵ میلیون تن فولاد در سال در سراسر جهان است. در بازار بسیار رقابتی فولاد، که بخشی از آن به دلیل تغییرات سریع تکنولوژیک و تسریع در جهانی شدن بازار است، نیاز به سازنده مدرن فولاد است که نسبت به خواسته‌های مشتری از نظر خصوصیات محصول، کیفیت، قیمت و تحویل کالا هوشمند و به‌صرفه عمل کند. اگرچه این محصول مجموعه‌ای فوق‌العاده از فرآیندهای با تکنولوژی بالاست، اما فولاد در اقتصاد مدرن، ماده اولیه‌ای است و در انتهای بسیاری از زنجیره‌های پیچیده تولید قرار دارد. با وجود این، صنعت فولاد نیازمند هزینه‌ها و فرآیندهای سرمایه ثابت و بالاست که با بهره‌وری و صرفه اقتصادی در مقیاسی محدود به نرخ بالای تولید منجر می‌شوند. از سویی، بازار جهانی رقابتی فولاد، فضایی را ایجاد کرده که در آن منابع اندک است، هزینه‌های سرمایه‌گذاری در آن بالاست و ضمناً تضمینی برای این سرمایه‌گذاری وجود ندارد. بنابراین، خطر پیشرو بودن در فناوری به‌روز در این صنعت، برای بسیاری از کشورهای جهان بالاست. با همه این احوال آنچه در ۳۰ سال گذشته بر این صنعت رفته، نشان داده که فناوری ساخت فولاد، می‌تواند به سرعت در مقیاس جهانی تغییر کند. مطالعه صنعت فولاد اسلون که به وسیله دانشگاه کارنگی‌ملون انجام شده، چهار محرک اصلی صنعت فولاد برای سوق دادن به سوی استفاده از فناوری را شناسایی کرده است: هزینه‌های بالای سرمایه، کمبود مواد اولیه، نگرانی‌های زیست‌محیطی و تقاضای مشتری.
پیشرفت در فولادسازی
کوره بلند، به اشکال مختلف، بیش از ۲۰۰ سال در سراسر جهان برای تهیه فولاد مورد استفاده قرار می‌گرفت و از «فلز داغ» اشباع‌شده از کربن برای پردازش از طریق فرآیندهای تولید فولاد استفاده می‌کردند. با این حال، کوره بلند، پیشرفت زیادی نسبت به اجداد قبلی خود داشته است. اکثر کوره‌های بلند و با ظرفیت بالا نشان‌دهنده رآکتورهای شیمیایی بسیار کارآمدی هستند که قادر به عملکردی پایدار هستند. تزریق زغال سنگ پودر‌شده، گاز طبیعی، روغن و در بعضی موارد پلاستیک‌های بازیافتی برای جایگزینی بخشی از کک متالورژیک که به عنوان کاهنده اولیه و منبع انرژی شیمیایی استفاده می‌شد، پیشرفت مهمی در این فرآیند است. در کشورهای پیشرفته، فرسودگی امکانات کک‌سازی و مطرح شدن مساله محیط زیست، تولید کک را به یک مسوولیت اقتصادی تبدیل کرده است. بنابراین، کاهش میزان کک و تولید بیش از حد سوخت کوره بلند، از جمله تحولات اخیر بوده است که در غالب کشورهای پیشرفته دنبال شده است. از سوی دیگر بهبود در کنترل فرآیند و کاهش فرسودگی دستگاه‌ها باعث افزایش چشمگیر عمر فعالیت کوره بلند شده که برای اقتصاد بسیار مهم است. طول عمر مورد انتظار برای کوره‌های تازه بازسازی‌شده حدود ۲۰ سال یا بیشتر است. بهبود کنترل فرآیند، طراحی، تعمیر و نگهداری منظم و کاهش خاموشی‌های برنامه‌ریزی‌نشده، تاثیر چشمگیری بر بهره‌وری عملیات کوره بلند داشته است.
در ۵ تا ۱۰ سال گذشته، افزایش سریع تولید آهن از طریق فرآیندهایی با نام «کاهش مستقیم» وجود داشته است. این تولید جدید، تحت سلطه فرآیندهای Midrex و Hyl مبتنی بر گاز قرار دارد، اگرچه چندین کارخانه جدید مبتنی بر فرآیندهای دیگر نیز در این میان شروع به تولید کرده‌اند. این ظرفیت اضافی آهن‌سازی در سراسر جهان در درجه اول به صنعت کوره قوس الکتریکی خدمت کرده و جایگزینی برای ورقه‌های فولادی با کیفیت بالا و گران‌قیمت به عنوان منبع آهن ارائه می‌دهد.
کنار گذاشتن روش‌های ساخت فولاد برای تولید فولاد اکسیژن، با یک حرکت گسترده موازی از روش‌های ریخته‌گری شمش به ریخته‌گری مداوم فولاد همراه بود. افزایش بهره‌وری و عملکرد مرتبط با ریخته‌گری مداوم، تاثیر چشمگیری بر صنعت فولاد در سراسر جهان داشته است. از اواسط دهه ۱۹۶۰ تاکنون، مقدار فولاد ساخته‌شده با روش ریخته‌گری مداوم، سهم خود را به ۹۰ درصد رسانده است.
دیگر پیشرفتی که در صنعت فولاد، خود را به جهانیان عرضه کرده است، کوره‌های قوس الکتریکی بود. توسعه کوره‌های قوس الکتریکی با قدرت بسیار بالا و ماشین‌آلات قابل اعتماد ریخته‌گری، مسیری کم‌هزینه را برای تولید محصولات فولادی به خصوص محصولاتی که با کیفیت پایین‌تر تولید می‌شدند، مانند میله‌های تقویت‌کننده و فولادهای ساختاری فراهم کرده است. در نتیجه، تولیدکنندگان یکپارچه فولاد به‌طور کامل از بخش پایین‌رده بازار فولاد در کشورهای پیشرفته خارج شدند. این امر به تولیدکنندگان اجازه داده تا بر تولید محصولات تخت با کیفیت بالا و صفحه نازک متمرکز شوند. کیفیت فولادهای تولیدشده از طریق EAF با مقادیر باقیمانده فلزی مانند مس، نیکل و قلع و گازهای محلول مانند هیدروژن و نیتروژن سنجیده می‌شود. در سطح بسیار پایین این آلاینده‌ها می‌توانند به‌طور قابل توجهی خصوصیات فیزیکی بسیاری از درجه‌های فولاد را تخریب کنند. با این حال، بهبودهای مداوم در کنترل فرآیند EAF و استفاده از مواد جایگزین پایه سنگ مانند آهن احیاشده مستقیم و آهن بریکت داغ، دامنه کیفیت محصول را به‌طور قابل توجهی افزایش داده است. کنترل بهتر شیمی و اجرای موفقیت‌آمیز ریخته‌گری ورقه‌های نازک به وسیله Nucor نشان داده است که تولیدکنندگان EAF می‌توانند در تولید محصولات تخت باکیفیت نیز رقابت کنند. پیش‌بینی می‌شود گسترش ممتد ساخت فولاد EAF برای تولید محصولات فولادی با کیفیت بالاتر ادامه یابد. با این حال، این گسترش نیاز به توسعه مداوم فناوری در روند اساسی ساخت فولاد کوره برقی دارد. بیش از ۴۰ درصد فولاد تولیدشده در ایالات متحده به وسیله EAF تولید می‌شود.
در ۳۰ سال گذشته، برخی از تغییرات عمده فنی در کوره قوس الکتریکی به‌طور چشمگیری باعث بهبود کارایی و بهره‌وری فرآیند تولید فولاد شده است. تاکنون، تمرکز اصلی در توسعه کوره‌های الکتریکی سبب افزایش بهره‌وری انرژی با کاهش زمان بوده است. اکثر کوره‌های برقی مدرن همچنین از ترکیب مشعل‌های سوخت اکسی، تزریق زغال پودر‌شده و تزریق اکسیژن برای تکمیل انرژی الکتریکی ورودی استفاده می‌کنند. برای عملیات مدرن EAF بالغ‌بر ۳۵ درصد از انرژی ورودی از منابع انرژی شیمیایی تامین می‌شود. اخیراً انرژی شیمیایی اضافی از طریق کاهش در احتراق گازهای محصول با تزریق کنترل‌شده اکسیژن اضافی به کوره بالای سرباره، بازیابی شده است.
فناوری‌های جدید در صنعت فولاد
در سراسر جهان، به منظور حمایت از گسترش ساخت فولاد EAF و همچنین محصولات جدید و با کیفیت بالا، استفاده از فناوری‌های مبتنی بر گاز افزایش یافته است. با این حال، کوره بلند ممکن است ستون فقرات تولید آهن در سراسر جهان برای چندین دهه باقی بماند. اما یک استثنا همچنان وجود دارد و آن فرآیند Circored مبتنی بر هیدروژن است. در مناطقی که منبع فراوان و ارزان گاز طبیعی (یا هیدروژن) وجود دارد، کاهش مستقیم گاز بر پایه گاز و به دنبال آن ذوب شدن در EAF می‌تواند جایگزینی مناسب برای محصولات فولادی باکیفیت فراهم کند. نیاز به سرمایه‌های هنگفت مانع از آن است که در آینده نزدیک کوره بلند در کشورهای پیشرفته ساخته شود. با وجود این، صنعت فولاد ناگزیر است که یکی از راه‌های زیر را برای توسعه خود برگزیند.
با افزایش ذوب ورقه‌ای قراضه در فرآیندهای جدید ساخت فولاد، محصول باقیمانده را مصرف کند.
بهره‌وری کوره‌های با ظرفیت بزرگ باقیمانده را افزایش دهد.
یک فرآیند کاملاً جدید برای تولید فلز یا فولاد داغ برای تکمیل یا جایگزینی کوره بلند طراحی و اجرایی کند.
روش‌های مختلفی وجود دارد که می‌توان با افزایش استفاده از قراضه، مقدار محدودی از فلز را گسترش داد. بهینه‌سازی فرآیند فناوری‌های فعلی ساخت فولاد اکسیژن به بهبودهای کمی در عملکرد منجر می‌شود که هم از آهن و هم از کل مقدار سرباره تولیدشده، کاسته می‌شود. طرح‌های کاملاً جدید کوره ساخت فولاد اکسیژن مانند کوره بهینه‌سازی انرژی ارائه شده است که از نرخ بالای پس از احتراق، مواد اضافی سوخت فسیلی و پیش گرم شدن قراضه استفاده می‌کند تا ذوب قراضه را تا ۷۰ درصد در تصفیه فلز گرم افزایش دهد. به تناوب، افزودن مستقیم فلز داغ و افزایش مصرف اکسیژن در یک EAF معمولی می‌تواند به‌طور چشمگیری نیازهای انرژی الکتریکی به ازای هر تن فولاد را کاهش دهد. گزینه دوم به فولادساز امکان تولید فولاد با استفاده از قراضه از حدود ۲۰ درصد تا ۱۰۰ درصد را داده و تولید باکیفیتی از فولاد را با توجه به محتوای باقیمانده می‌دهد. فرآیند ترکیبی EAF-OSM انعطاف‌پذیری فراوانی را با استفاده از فرآیندهای اثبات‌شده و کاملاً شناخته‌شده ارائه می‌دهد.
همان‌طور که قبلاً گفته شد، در حال حاضر با کنترل عناصر باقیمانده فلزی در قراضه‌ها و گازهای محلول، کیفیت فولادهایی که می‌توان از طریق ساخت فولاد EAF معمولی تولید کرد، محدود شده است. همچنین افزایش تولید محصولات فولاد از طریق ساخت فولاد EAF به کاهش کلی کیفیت منجر شده است. اگر از قراضه برای افزایش تولید فولادها به مقدار زیاد استفاده شود، می‌توان سطح عناصر باقیمانده را در کل منبع قراضه افزایش داد. این امر راه‌حلی برای این معضل و تبدیل آن به یک فرآیند اقتصادی است که می‌تواند باقیمانده عناصر را از محصول خارج کرده و در نتیجه کیفیت نهایی آن را ارتقا دهد.
یکی از گزینه‌های جایگزین برای از بین بردن عناصر فلزی نامطلوب، کاهش اثرات مضر آنها بر روی خواص فولاد است. بیشتر باقی‌مانده‌های فلزی با جداسازی و تضعیف مرزهای دانه، مقاومت داغ فولادی و شکل‌پذیری گرم و سرد را کاهش می‌دهند. تحمل این ناخالصی‌های شیمیایی می‌تواند از طریق طراحی آلیاژهایی که در آن این عناصر در ذرات فاز دوم هسته‌ای ناهمگن گره خورده‌اند، بهبود یابد که ممکن است اثر منفی یکسانی بر روی خواص فولاد نداشته باشد. آزمایش‌ها نشان داده است طیف وسیعی از خصوصیات را می‌توان از طریق یک شیمی فولاد منفرد به‌طور کامل از طریق تغییر در سرعت ریخته‌گری و سرعت انجماد و خنک‌سازی به دست آورد. این امر پیامدهای مهمی برای آینده کنترل عناصر باقیمانده در ساخت فولاد دارد.
برای ادامه تولید کوره بلند در آینده حتی در سطح فعلی در ایالات متحده و سایر کشورهای پیشرفته، باید پیشرفتی مداوم در کاهش نرخ کک کوره‌ها از طریق تزریق زغال سنگ حاصل شود. در ارزیابی مزایای غنی‌سازی اکسیژن از انفجار گرم پیشرفت چشمگیری حاصل شده است. آزمایش‌های صنعتی در حال ارزیابی سیستم تزریق زغال سنگ اکسی است که بناست امکان احتراق کامل با افزایش نرخ تزریق زغال سنگ در آن وجود داشته باشد. اگر قرار باشد از کک کمتری در کوره بلند استفاده شود، الزامات مکانیکی کک مورد استفاده برای حفظ نفوذپذیری و عملکرد پایدار کوره حیاتی‌تر می‌شود. اگر روش‌های تولید کک کهنه نتوانند ماده‌ای با مقاومت لازم تولید کنند، صادرات مشکلات زیست‌محیطی تولید کک به کشورهای در حال توسعه با مقررات کمتر سخت‌گیرانه ممکن است از نظر عملکردی و همچنین اجتماعی غیرقابل قبول باشد.
تحقیقات بنیادی نقش مهمی در توسعه فناوری‌های متداول و نوظهور برای ساخت آهن و فولاد داشته است. در مورد هر فرآیند توصیف‌شده، واکنش‌های بنیادی هم‌زمان و پدیده‌های فیزیکی همراه با توسعه کاربردی خود فرآیندها مورد بررسی قرار گرفت. در آمریکای شمالی، یک برنامه تحقیقاتی بنیادی گسترده که توسط شرکت‌ها و دانشگاه‌های شرکت‌کننده انجام شده است، آزمایشی با فرآیند ذوب حمام AISI همراه بود. شیمی بنیادی فیزیکی واکنش‌های ذوب در دانشگاه کارنگی ملون و دانشگاه ام‌آی‌تی بررسی شد. این مطالعات در تعیین مکانیسم‌ها و میزان اساسی واکنش‌های مهمی که در هنگام ذوب حمام رخ می‌دهد بسیار حیاتی بود. علاوه بر این، مطالعات جریان مایعات و انتقال گرما در دانشگاه‌های مک گیل و مک مستر انجام شد. همه این مطالعات بنیادی به یک مدل فرآیندی برای کارخانه ذوب حمام کمک می‌کند که هم دقیق و هم بر اساس اصول اولیه بود. ادامه تحقیقات بنیادی از سینتیک واکنش‌های فلز و مدل‌سازی فرآیندهای پس از احتراق به درک و کنترل فرآیندهای ساخت آهن و فولاد معمولی و آینده کمک خواهد کرد.
تحقیقات در دانشگاه بوستون بر روی فرآیندهای ساخت فولاد در دست اجراست تا به‌طور هم‌زمان ماهیت الکتروشیمیایی واکنش‌های فلزات مربوط به آهن و فولاد را بررسی کند و فعل و انفعالات موثر بر سینتیک انتقال جرم فاز مایع را بررسی و تعریف بهتری از آن ارائه دهد. این مطالعه نشان داده است که با اتصال کوتاه واکنش الکتروشیمیایی می‌توان سینتیک کاهش اکسید آهن را به‌طور قابل توجهی افزایش داد. ماهیت الکتروشیمیایی واکنش‌ها نشان می‌دهد واکنش‌های نیمه سلول را می‌توان از نظر فیزیکی از هم جدا کرد اما سایت‌های متصل به برق این امکان را ندارند. آزمایش‌ها انجام‌شده در دانشگاه بوستون نشان داده است که تحمیل میدان پلاسما به سلول سرباره آهن مایع می‌تواند باعث افزایش واکنش موجود در واکنش آهن-یون شود. از آنجا که انتقال جرم یون‌های آهن به‌طور معمول محدودکننده سرعت است، می‌توان سینتیک کاهش اکسید آهن از سرباره را به میزان قابل توجهی افزایش داد. این تحقیق برای کنترل واکنش‌های فلزی سرباره در کوره‌های قوس الکتریکی جریان مستقیم با قدرت بسیار بالا، که با یک میدان الکتریکی اعمال‌شده در سراسر لایه سرباره کار می‌کنند، نتایج زیادی دارد.
همچنین اثرات فشار بر سینتیک کاهش اکسید آهن از سرباره‌ها از طریق یک حمام کربن آهن مورد بررسی قرار گرفت. این مطالعات همبستگی شدیدی بین میزان تکامل منوکسیدکربن تولیدشده از طریق واکنش و ضریب انتقال جرم برای یون‌های آهن نشان می‌دهد. از آنجا که فشار محیطی که واکنش در آن رخ می‌دهد تاثیر زیادی بر هسته و حجم منوکسید کربن تولیدشده دارد، جای تعجب نیست که ضریب انتقال جرم مایع یک عملکرد معکوس فشار است. آزمایش‌ها در دانشگاه بوستون نشان داده است هنگامی که واکنش در فشار کاهش‌یافته اعمال می‌شود، سینتیک کاهش اکسید آهن توسط حمام کربن آهن قریب به ۵ تا ۱۰ برابر افزایش می‌یابد. از سویی همبستگی مبتنی بر گروه‌های بدون بعد برای پیش‌بینی ضریب انتقال جرم برای انتقال یون آهنی به عنوان تابعی از فشار محیط در حال توسعه است. چنین ارتباطی می‌تواند ابزاری ارزشمند در بهبود مدل‌های موجود برای رآکتورها برای ذوب فولاد باشد، که برای کنترل کف کردن در فشارهای مختلف کار می‌کنند. علاوه‌بر این، نتایج ترکیبی آزمایش‌ها با یک میدان الکتریکی تحمیل شده و آنهایی که در فشار کاهش‌یافته انجام شده، نشان می‌دهد که سینتیک کاهش اکسید آهن می‌تواند به‌طور قابل توجهی افزایش یابد. رآکتوری که بتواند از این دو اثر استفاده کند، تولید ویژه بسیار بالایی دارد و بی‌شک مورد استقبال صنعت جهانی فولاد قرار خواهد گرفت.
