زنجیره تولید فولاد
زنجیره‌ی تولید در صنعت فولاد، مسیری پیچیده و حیاتی است که از استخراج سنگ آهن آغاز شده و تا تولید مقاطع فولادی ادامه می‌یابد. این فرآیند شامل مراحلی مانند فرآوری سنگ آهن، ذوب و احیای آن، و در نهایت شکل‌دهی به محصولات نهایی است که هر کدام نقشی کلیدی در تامین نیازهای صنعتی و اقتصادی ایفا می‌کنند.
شکل1. زنجیره‌ی تولید در صنعت فولاد از سنگ آهن تا مقاطع فولادی
سنگ آهن
آهن، چهارمین عنصر فراوان در زمین است که حدود ۵ درصد از پوسته زمین را به صورت اکسید تشکیل می‌دهد. رایج‌ترین کانی‌های آهن، هماتیت و مگنتیت هستند. هماتیت خالص (Fe₂O₃) حاوی 69.94 درصد آهن و مگنتیت خالص (Fe₃O₄) حاوی 72.36 درصد آهن است. كانسارهای آهن هم در سنگ‌های آذرین و هم رسوبی یافت می‌شوند، اما ۹۰ درصد از ذخایر جهانی آهن مربوط به کانسارهای رسوبی است. آهن یکی از با ارزش‌ترین مواد معدنی فلزی است که به عنوان ماده اولیه در صنایع مختلف به کار می‌رود و نقش بسیار مهمی در توسعه صنعتی کشورها ایفا می‌کند. بر اساس داده‌های موجود، بیش از ۷۰ درصد از ذخایر سنگ آهن جهان در چهار کشور استرالیا، برزیل، روسیه و چین قرار دارند. علاوه بر این، چین به عنوان یکی از بزرگ‌ترین مصرف‌کنندگان سنگ آهن جهان شناخته می‌شود و همچنین از بزرگ‌ترین تولیدکنندگان فولاد در دنیا است.
شکل2. الف) سنگ آهن هماتیت، ب) سنگ آهن مگنتیت
گام اول : استخراج سنگ آهن
همان طور که در شکل 3 نشان داده شده است، استخراج روباز (سطحی) و استخراج زیرزمینی دو روش اصلی برای استخراج سنگ آهن هستند.
شکل3. الف) معدن زیرزمینی ب) معدن روباز
فرآیند استخراج سنگ آهن به طور کلی شامل چهار مرحله‌ی اصلی است:
1.حفاری: ابتدا دستگاه‌های حفاری مخصوص برای ایجاد چند چال در الگوی مشخص به کار گرفته می‌شوند. سپس این چال‌ها با مواد منفجره پر می‌شوند.
2.انفجار: پس از تخلیه‌ی محل و اطمینان از ایمنی کارکنان، مواد منفجره برای خرد کردن سنگ‌ها منفجر می‌شوند. امولسیون و ترکیب نیترات آمونیوم و بنزین (آنفو) از پرکاربردترین مواد منفجره برای این کار هستند.
3.بارگیری: سنگ‌های خرد شده با کامیون و شاول بارگیری می‌شوند.
4.باربری: در این مرحله، سنگ‌های استخراج شده به کارخانه منتقل می‌شوند تا فرآیندهای بعدی بر روی آنها انجام گیرد.
گام دوم :تولید کنسانتره
مرحله فرآوری سنگ آهن که به تولید کنسانتره آهن معروف است، به دلیل کارایی بیشتر در افزایش خلوص سنگ آهن مورد توجه قرار می‌گیرد. این روش شامل مدار فرآوری پیچیده‌تری است که از واحدهای خردایش، آسیاب، پرعیارسازی و آبگیری تشکیل شده است. در این فرآیند، سنگ آهن ابتدا توسط سنگ‌شکن‌ها به اندازه مناسب خرد می‌شود و سپس وارد مرحله آسیاب‌کنی می‌شود که در محیط تر انجام می‌گیرد. در مرحله خردایش تر، از هیدروسیکلون برای کنترل اندازه ذرات استفاده می‌شود. پس از خرد شدن دقیق ماده معدنی، این ماده آماده ورود به مرحله جدایش و پرعیارسازی است. در این مرحله، ماده معدنی وارد جداکننده‌های مغناطیسی می‌شود و کانی‌های آهن‌دار از باطله جدا می‌شوند. در صورتی که ماده معدنی حاوی ناخالصی‌هایی مانند گوگرد یا فسفر باشد، این ناخالصی‌ها با استفاده از فلوتاسیون از کنسانتره جدا می‌شوند. در نهایت، کنسانتره آهن به منظور آبگیری و خشک شدن به واحدهای فیلتر منتقل می‌شود.
شکل4. کنسانتره آهن
گام سوم: تولید گندله
در فرآیند تولید گندله خام، نرمه سنگ آهن با محلول های تركننده مانند آب و بنتونیت ترکیب می‌شود تا به شکل کروی درآید. این عملیات در دستگاه‌های گندله‌ساز انجام می‌شود. در طول تولید گندله خام، ممکن است افزودنی‌هایی مانند هیدروکسید کلسیم برای بهبود خواص مکانیکی و متالورژیکی گندله اضافه شوند. در این مرحله، گندله‌های خام با اندازه مطلوب و استحکام مکانیکی کافی تولید شده و برای حمل ونقل به دستگاه‌های سخت‌کردن یا پخت آماده می‌شوند.
در مرحله بعد، گندله‌های خام برای سخت شدن تحت حرارت قرار می‌گیرند. این فرآیند در اتمسفر اکسیدکننده انجام شده و حرارت به دقت کنترل می‌شود تا دمای گندله‌ها زیر نقطه نرم شدن سنگ آهن باقی بماند. ابتدا گندله‌ها خشک و سپس پخته می‌شوند، به گونه‌ای که تخلخل آنها حفظ شود. در پایان این مرحله، سرد کردن گندله‌های داغ باید به دقت انجام شود تا از ایجاد ترک در آنها جلوگیری شود.
شکل5. گندله
گام چهارم: تولید آهن اسفنجی
آهن اسفنجی، که به آن آهن احیای مستقیم نیز گفته می‌شود، ماده‌ای است که از احیای سنگ‌آهن به دست می‌آید، بدون اینکه نیازی به ذوب کردن آن باشد. در این فرآیند، سنگ‌آهن که می‌تواند به شکل کلوخه، گلوله یا حتی خاکروبه باشد، در دماهایی پایین‌تر از نقطه ذوب، اکسیژن خود را از دست می‌دهد و به حالت متخلخل و اسفنجی تبدیل می‌شود. به همین دلیل به آن آهن اسفنجی گفته می‌شود. معمــولا عیــار و خلــوص آهــن موجــود در آهــن اســفنجی بیــن 84 تــا 95 درصــد بــرآورد می‌شـود.
دو روش اصلی برای تبدیل سنگ آهن به آهن اسفنجی وجود داردکه عبارتند از:
- احیا با گاز طبیعی: این فرآیند به سه روش میدرکس، HYL، و پروفر انجام می‌شود که در میان این روش‌ها، میدرکس به دلیل کارایی بالاتر بیشترین کاربرد را دارد.
- احیا با زغال‌سنگ: در این روش از تکنیک‌هایJindal DRC وSL/RN برای احیای سنگ آهن و تولید آهن اسفنجی استفاده می‌شود.
شکل6. آهن اسفنجی
گام پنجم : فولادسازی
به طور کلی، فولاد خام در ایران از دو روش اصلی تولید می‌شود:
- روش اول- کوره‌های بلند: این کوره‌ها به صورت سازه‌های عمودی و بسیار بزرگ طراحی شده‌اند، که در آنها سنگ آهن همراه با کک و مواد گدازآور در دماهای بالا به آهن خام تبدیل می‌شود و سپس فولاد در کنورتورهای اکسیژنی تولید می‌شود. مواد اولیه، شامل سنگ آهن، کک و سنگ آهک، از بالای کوره وارد شده و به صورت لایه‌لایه در داخل کوره قرار می‌گیرند. این روش در مجتمع ذوب آهن اصفهان استفاده می‌شود.
شکل7. فولادسازی به روش کوره بلند
- روش دوم- کوره‌های قوس الکتریکی:
در این روش، از الکترودهای گرافیتی برای ایجاد قوس الکتریکی استفاده می‌شود که گرمای لازم برای ذوب مواد اولیه را تولید می‌کند. این فرآیند به ویژه برای ذوب آهن اسفنجی و قراضه آهن بسیار کارآمد است. قوس الکتریکی انرژی تولید کرده و دمای داخل کوره را تا حد بسیار بالایی افزایش می‌دهد، که در نتیجه مواد داخل کوره ذوب می‌شوند. پس از وارد کردن گلوله‌های آهن اسفنجی به کوره قوس الکتریکی، ناخالصی‌ها حذف شده و ترکیب مورد نظر حاصل می‌شود تا محصولاتی اولیه مانند اسلب تولید گردد. در ابتدا، آهن قراضه با استفاده از سبدهای مخصوص به داخل کوره ریخته می‌شود. همزمان با ذوب شدن قراضه‌ها، ترکیبی از آهن اسفنجی و مواد سرباره‌ساز مانند آهک، کک، بنتونیت و دیگر مواد افزودنی از بالای کوره به مذاب افزوده می‌شوند. پس از انجام نمونه‌گیری، دمش اکسیژن و همگن‌سازی مواد، همراه با آنالیزهای مختلف، فولاد مذاب به دست می‌آید. پس از تخلیه سرباره، فولاد مذاب توسط پاتیل‌ها به واحد ریخته‌گری مداوم منتقل می‌شود. در این واحد، فولاد مذاب از طریق نازل وارد ظرفی به نام تاندیش شده و سپس به داخل قالب مسی آبگرد ریخته می‌شود. در طول مسیر غلتکی، با پاشیدن آب خنک، فولاد به تدریج به شمش منجمد تبدیل می‌شود.
شکل8. فولادسازی به روش کوره قوس الکتریکی
در پایان، زنجیره‌ی تولید در صنعت فولاد از سنگ آهن تا مقاطع فولادی یکی از فرآیندهای حیاتی و پیچیده در صنعت جهانی به شمار می‌آید که به توسعه‌ی زیرساخت‌ها و رشد اقتصادی کشورهای مختلف کمک می‌کند. از استخراج سنگ آهن در معادن، تا فرآوری آن در کوره‌های بلند یا احیای مستقیم و در نهایت تولید فولاد و مقاطع فولادی با استفاده از فناوری‌های پیشرفته، هر مرحله نیازمند دقت و تخصص بالاست. بهینه‌سازی فرآیندهای تولید، بهره‌گیری از تکنولوژی‌های نوین و مدیریت پایدار منابع طبیعی از جمله چالش‌های مهمی است که صنعت فولاد با آن روبروست.
