صنعت آهن و فولاد و عمیات حرارتی

 

عملیات های کنونی و دیرگدازهای مورد استفاده

عملیات حرارتی یک صنعت 20 میلیارد دلاری در ایالات متحده ی آمریکاست و به صورت جهانی ارزش افزوده ی 75 میلیارد دلاری دارد. این صنعت همچنین بر روی سایر صنایع موجود در ایالات متحده نیز اثرگذار است مثلا صنایعی از جمله، صنعت آلومینیوم، شیشه، آهن و فولاد، و ریخته گری فلزات. در صنعت فولاد، فشارهای رقابتی مانند تولید بیش از مصرف جهانی، هزینه های بالای انرژی، مقررات محیط زیستی و ایمنی، مواد رقابتی، تقاضای مشتری برای کیفیت بالاتر، هزینه های سرمایه گذاری قابل توجه که منجر به بروز تغییرات فراگیر در این صنعت شده است. هدف و دید صنعت عملیات حرارتی در سال 2020، کاهش مصرف انرژی در صنعت عملیات حرارتی به میزان 80 % می باشد. برای حصول این هدف، مشارکت هایی میان تمام بخش های صنعتی مربوطه، نیاز است. این مشارکت باید بین جامعه ی عملیات حرارتی، تولید کننده های فلزات، گروه های ریخته گری و فرج، تهیه کننده ها، دولت و بخش دانشگاهی ایجاد شود.
یکی از مهم ترین تحقیقات مورد نیاز برای این صنعت توسعه ی مدل های مجتمع از فرایند می باشد. عمیلیات حرارتی امروزه به عنوان یک هنر تلقی می شود. به هر حال، در آینده، این هنر باید تابعی از علم شود. برای مثال، این نشان داده شده است که زمان حل کردن یک آلیاژ آلومینیوم می تواند از 12 به 2 ساعت کاهش یابد، بدون آنکه اتلافی در خواص و یا کیفیت ماده ایجاد شود. این مسئله در حقیقت موجب کاهش 50 % در مصرف انرژی می شود. داده های تأیید شده در مورد آلیاژهای میکروجزئی و همچنین بررسی ها با مدل های پیش بینی کننده، منجر به نتایج قابل مقایسه ای در گستره ی وسیعی از آلیاژها و کاربردها، می شود.

موانع

دیرگدازها و مواد عایق نقش کلیدی در انواع مختلفی از سیستم های کوره ای ایفا می کنند که در عملیات حرارتی و یا صنایع آنیل استفاده می شود. تقریباً 90 % از مصرف انرژی مستقیم در این بخش، در فرایندهایی است که تحت تأثیر مواد دیرگداز می باشند. بر اساس آنالیز انجام شده در این زمینه، این فهمیده شده است که بهبود سیستم های دیرگداز برای صنعت عملیات حرارتی و آنیل، می تواند منجر به صرفه جویی تا 45 Btu در سال شود. موانع خاص موجود عبارتند از:
• عدم دسترسی به دیرگدازهای با کیفیت بالا برای بهبود بازده گرمایی در سیستم های کوره ای که می تواند منجر به کاهش زمان سیکل کاری، کاهش ورودی انرژی مورد نیاز و کاهش در هزینه های فرایندی شود.
• عدم دسترسی به سیستم های دیرگداز گرادیانی با رسانایی گرمایی پایین و استحکام دما بالا و مقاوم در برابر خوردگی و ایروژن برای کاهش در اتلاف های حرارتی و بهبود پایداری شیمیایی.
• عدم دسترسی به مواد دیرگداز با عمر مفید طولانی تر به دلیل بهبود مقاومت به خوردگی، افزایش مقاومت دمایی و پایداریی گرمایی- مکانیکی و کاهش هزینه های فرایندی.

روش های تحقیق و توسعه

• توسعه ی مواد عایق بهبود یافته برای حصول دماهای عملیاتی بالاتر و کاهش اتلاف حرارتی و حذف پیش حرارت دهی در ضمن کاهش زمان فرایند و هزینه های تولید.
• توسعه ی مواد عایق با بازده بالا برای افزایش در بازده گرمایی فرایندهای کنونی و کاهش زمان عملیات حرارتی. این مسئله در حقیقت منجر به کاهش قابل توجه در میزان انرژی مصرفی می شود. این مسئله همچنین منجر به توسعه و استفاده از تکنولوژی های حرارتی شتاب یافته ای می شود که نیازمند مواد عایق جایگزین با مقاومت به شوک حرارتی بالا و پایداری دما بالا می باشند.

صنعت آهن و فولاد

عملیات های صنعتی کنونی و استفاده از دیرگدازها
در صنعت فولاد، فشارهای رقابتی مانند تولید بیش از مصرف جهانی، هزینه های بالای انرژی، مقررات محیط زیستی و ایمنی، مواد رقابتی، تقاضای مشتری برای کیفیت بالاتر، هزینه های سرمایه گذاری قابل توجه که منجر به بروز تغییرات فراگیر در این صنعت شده است. بنابراین، 4 زمینه ی اصلی برای بهبود و یا ایجاد فرصت های کاهش مصرف، در ادامه تشخیص و تعریف شده است:
1. بازده فرایند از طریق توان عملیاتی بهبود یافته و بهره وری انرژی
2. افزایش میزان بازیافت
3. فرایندهای جدید که در آنها از ایجاد آلودگی هوا و آب، جلوگیری می شود.
4. توسعه ی محصولات
به عنوان بخشی از روش آدرس دهی این زمینه ها، دیرگدازهایی که هم اکنون در زمینه ی فولاد سازی استفاده می شود، به صورت کامل، تجزیه و تحلیل شده اند. سرامیک های بر پایه ی اکسیدهای آلومینیوم، کلسیم، زیرکونیوم، کروم، منیزیم و کربن، در اصل در تماس با فولاد استفاده می شوند تا بدین صورت میزان آلودگی و برهمکنش با سرباره ی قلیایی، کاهش یابد. سرامیک های غیر اکسیدی شامل ترکیبی از سیلیکون، تیتانیم، تنگستن و آلومینیوم، در کاربردهای دما بالا استفاده می شوند. در این بخش ها، مقاومت به شوک حرارتی، مقاومت به خزش، سایشش و مقاوم به گونه های اسیدی، مورد نیاز می باشد. این مواد ممکن است به شکل آجر و یا مواد ریختنی باشند. در بسیاری از این زمینه ها، کوره ها در برابر سرباره ها، آسترکاری شده اند. در حقیقت سرباره بر روی دیواره ی کوره ها به حالت جامد تبدیل شده و موجب تشکیل یک لایه بر روی آنها می شود. این فرایند، هر چند بسیار موفق است، از لحاظ گرمایی بسیار ناکارآمد است.
امروزه، فولادسازی از آهن خام، از بخش انتقال شروع می شود و در کوره ی اکسیژن پایه (BOF) ادامه می یابد. پس از آن فولاد به تاندیش انتقال می یابد. در این حالت، فولاد به داخل قالب های ثابت و یا بخش های ریخته گری پیوسته، وارد می شود. دیرگدازهای مورد استفاده برای تمام این فرایندهای واحدی، بر اساس طول عمر و میزان تمیزی مورد نیاز برای مذاب، انجام می شود. هزینه بر واحد پوند دیرگدازها برای تمام اجزای مختلف، به طور قابل توجهی با این مسئله افزایش می یابد که دیرگدازهای پیشرفته می توانند اهداف مربوط به کیفیت فولادها را برطرف می کنند.
در بخش های انتقال، هزینه های نگهداری بسیار بالاست و بازده حرارتی بسیار پایین. هم اکنون از دیرگدازهای ریختنی پر آلومینا و حاوی منیزیا برای آسترکاری این بخش های انتقال استفاده می کنند. عمر کوتاه این دیرگدازها موجب می شود تا این بخش ها تنها بتوانند 30 الی 50 حرارت را تحمل کنند. هنوز هم دیرگدازهای بهبود یافته ای برای این بخش ها، شناسایی نشده است.
مواد مونولیتیکی حداقل 60 % از کل دیرگدازهای مورد استفاده در صنعت فولاد و آهن در ایالات متحده را تشکیل می دهند. این میزان در کشوری همچون ژاپن، از 70 درصد نیز بیشتر است. همچنین روند رو به رشدی در مورد استفاده از انواع پیش ریخته گری شده از مواد مونولیتیکی، نیز مشاهده می شود. نصب این دیرگدازها برخی منفعت ها را ایجاد می کند که از جمله این منفعت ها می توان به سرعت نصب، جایگزینی بخش های تخریب شده و ترمیم آنها می باشد. استفاده از روش های پاششی نیز که در حقیقت مشابه تکنولوژی بتن پاشی است، منجر به کاهش قابل توجه در زمان خاموشی سیستم و افزایش عمر آسترها می شود. در بخش آسترکاری بخش های انتقال مذاب، این ممکن است که این بخش ها به صورت پیوسته ترمیم شوند و تعویض کل آستر، ضروری نیست.
مواد دیرگداز بهبود یافته برای راه های انتقال مذاب نیز ضروری می باشد. این اجزا عموماً از آجرهای گل آتشخوار، دیرگدازهای ریختنی آلومینایی و یا دیرگدازهای ریختنی کروم دار، تولید می شوند. این بخش ها متحمل خوردگی قابل توجه می شوند و این نیاز وجود دارد که این بخش ها آب گرد ساخته شوند. همچنین خوردگی، سایش و تنش های گرمایی در این بخش ها قابل توجه می باشد و نیاز است که این بخش ها را به صورت هفتگی ترمیم کرد.
مصرف انرژی در بخش های مختلف صنعت آهن و فولاد به صورت اساسی تغییر کرده است که علت این مسئله، پیشرفت در زمینه ی دیرگدازها، تلقی می شود. البته این مشکل است که نقش دیرگدازها در صرفه جویی در انرژی را تشخیص داد زیرا تغییرات زیادی در طراحی و احتراق این بخش ها مشاهده شده است. همچنین اقدامات متالورژیکی و همچنین ترکیب سرباره نیز متغیر می باشد. برخی از فرایندها واحد مانند کوره بلند و ذوب کن های BOF به گونه ای طراحی شده اند که اتلاف انرژی منجر به گرادیان گرمایی قابل توجه در میان آستر دیرگداز می شود. در مثالی در مورد جنبه ی طراحی، باید گفت که دیواره ها و سقف کوره های قو الکتریکی در حقیقت آب گرد ساخته می شوند تا بدین صورت بتوان گرادیان گرمایی را تنظیم کرد. در نتیجه، در سایر بخش های فرایندی نیز بخش هایی وجود دارد که دیرگداز در واقع موجب صرفه جویی قابل توجه در مصرف انرژی می شود.
همانگونه که گفته شد، کوره بلند و ذوب کن های BOF به گونه ای طراحی شده اند که حرارت از آنها نفوذ کند. این مسئله در مورد بیشتر بخش های انتقال نیز مشهود است. در واقع عایق کاری این بخش ها، حداقل میزان ممکنه است تا بدین صورت گرادیان گرمایی موجب کاهش سایش دیرگداز شود. به عبارت دیگر، بخش های انتقال مذاب باید به گونه ای عایق کاری شوند که حرارت در فلز حفظ شده و از این رو، این بخش ها از مواد پیشرفته تولید می شوند. فرصت های بسیاری به منظور صرفه جویی مستقیم در تمام واحدهای تولید و اجزای مربوط به کارخانه های فولاد سازی و تولید آهن، وجود دارد. همچنین با استفاده از ارزیابی ضخامت آسترکاری و سایر سنسورها، قابلیت بررسی ضخامت آسترهای دیرگداز، وجود دارد. این کار موجب کاهش میزان ضایعات مواد دیرگداز خواهد شد.
بهبودهای قابل توجهی برای فایق آمدن بر چالش های عملیاتی مربوط به دیرگدازهای مونولیتیکی مورد نیاز می باشند. آسترهای مونولیتیکی دارای مشکلات ذاتی بسیاری می باشند. از لحاظ ایده آل، فولادسازی نیازمند آسترهای مونولیتکی است که بتوانند تمام چالش های موجود را برطرف کنند. تحقیقات زیادی بر روی آسترکاری ها انجام شده است اما گزارش های موفقیت آمیزی در مورد این کوره ها مشاهده نشده است. مشکلات موجود در قابلیت نم گیری اجزای بازی مورد استفاده در دیرگدازها، یک مسئله ی قابل توجه در این زمینه، می باشد. علاوه بر این، آسترهای مونولیتیکی مورد استفاده در BOF نیازمند استفاده از گرافیت به عنوان روان ساز می باشد که تحقیقات انجام شده نشاندهنده ی حل شدن این کربن و ایجاد مشکلات مربوطه در سطح مشترک می باشد.

موانع

در فولاد سازی، دیرگدازها و مواد عایق نقش مهمی در ذوب شدن، تصفیه و عملیات های مربوطه دارند. این تخمین زده می شود که 85 % از این صنعت به صورت مستقیم انرژی را مصرف می کنند که در ارتباط مستقیم با دیرگدازها، می باشند. بر اسا س تجزیه و تحلیل انجام شده بر روی کوره ها و عملیات های واحد، این فهمیده شده است که بهبود در سیستم های دیرگداز مورد استفاده در صنعت فولاد و آهن، منجر به صرفه جویی در مصرف انرژی تا میزان 148.5 Tbtuدر سال می شود. موانع نمونه وار در این زمینه، عبارتند از:
• فقدان مقاومت به خوردگی مناسب برای دیرگدازهایی که در تماس با فلز مذاب هستند. این مسئله باعث کاهش عمر مفید ادوات می شود. این مورد به طور نمونه وار برای دیرگدازهای مورد استفاده در کوره ها، تاندیش ها و بخش های انتقال، مهم می باشد.
• عدم دسترسی به مواد بهبود یافته در بخش های انتقال و راهگاهی، لوله های آب گرد و هم زن ها.
• فقدان استفاده از مواد مونولیتیکی پیشرفته در بخش های انتقال به دلیل مشکلات مربوط به تمایل به انفجار و فقدان اطلاعات در مورد برخی از خواص کلیدی این مواد و همچنین پارامترهای مربوط به مواد دیرگداز در این صنعت.
• عدم دسترسی به پدهای ضربه گیر در کف بخش های انتقال مذاب که در حقیقت از بروز سایش، شوک حرارتی و مشکلات مربوطه، جلوگیری می کنند.
• عدم دسترسی به دیرگدازهای نازک آلومینایی که بتوانند در بخش های خالی کردن مذاب مورد استفاده قرار گیرند.

روش های تحقیق و توسعه

• توسعه ی روش های مورد استفاده برای جلوگیری از هیدراسیون منیزیت ها
• توسعه ی آسترهای دیرگداز با عمر بهبود یافته و کاهش الزامات نگهداری به منظور کاهش در هزینه های خاموشی سالانه. کاهش میزان خاموشی ها که منجر به کاهش هزینه ها و افزایش در صرفه جویی انرژی می شود.
• توسعه ی مواد پیشرفته (مانند دیرگدازها، پوشش های درجا و پوشش های اعمال شده) برای کاهش میزان آسیب های حاصله از خوردگی و ایروژن
• توسعه ی مواد جدید به همراه اطلاعات مربوط به این مواد برای اعضای شاغل در این صنعت
• توسعه ی دیرگدازهای بهبود یافته برای بخش های مختلف کوره، ادوات حرارت دهی مختلف و تاندیش ها.
• توسعه ی بهبودها در زمینه ی بخش های تخلیه ی مذاب، هم زن ها، لوله های آب گرد که در حقیقت همگی متحمل سایش و ایروژن قابل توجهی می شوند و از این رو، عمر محدودی دارند.
• توسعه ی مواد و روش های عایق کاری بهبود یافته با استفاده از پوشش های سرامیکی و یا روش های دیگر
• توسعه ی آسترهای اقتصادی و پیش پخت شده برای بخش های انتقال و ذوب فلزات
• توسعه ی مواد سرامیکی بهبود یافته برای تولید بخش های ریخته گری شبکه ای و حذف عملیات های آسیاب غلطکی.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Refractories for industrial processing: opportunities for improved energy efficiency/ prepared by DOE- EERE industrial technologies program