کارخانه های فولاد سازی آینده : پیش بسوی عدم آلودگی محیط زیست

[XMEHRDADX 7514]

 

با اين‌كه در بحران اقتصادي اخير سرمايه‌گذاري‌ اندكي توسط فولادسازان آمريكاي‌شمالي صورت پذيرفت اما سير تكاملي پيشرفت‌هاي فني فولادسازي كماكان استمرار دارد و هنوز هم اين سرمايه‌گذاري مي‌تواند منجر به دگرگوني يا حتي تكامل تدريجي صنعت شود.

 

نايب رئيس بخش تكنولوژي‌هاي توليد و محيط‌زيست انجمن آهن و فولاد آمريكا در واشنگتن اظهار داشت:روند پيشرفت‌هاي تكنولوژيكي در صنعت تحت تاثير سياست‌هاي زيست‌محيطي در هر كشور قرار گرفته است.

 

وي افزود: هرچه به جلو مي‌رويم هزينه مصرف انرژي در كشور افزايش مي‌يابد، از اين رو ما بايد تكنولوژي‌هايي را ابداع كنيم كه در آنها بتوان از انرژي‌هاي زائد استفاده كرد. همچنين ما به جذب كربن و تجزيه آن مي‌انديشيم و در تكنولوژي‌هاي ذوب و ريخته‌گري به دنبال كاهش مصرف بيش از اندازه انرژي هستيم.

 

وي مي‌افزايد: به دليل هزينه بالاي كربن در 3 يا 4 سال آينده زيان‌هايي را در برخي از نقاط متحمل خواهيم شد، بنابراين شركت‌هاي ما به دنبال اين هستند كه چگونه انرژي كمتري را مصرف كنند، چگونه انتشار گاز دي‌اكسيدكربن را كاهش دهند، چگونه بيشتر بازيافت كنند و اگر يك تكنولوژي پايدار براي تجزيه كربن در بخش‌هاي توليد انرژي وجود داشته باشد، اين كربن مي‌تواند به بخش فولادسازي منتقل شده و مصرف شود.

 

اين قبيل موضوعات مهمترين مسائل مورد تمركز ما هستند، علاوه بر آن پيشرفت‌هاي فني مستمر در راستاي ايجاد محصولاتي بهتر براي مشتريان در دست بررسي هستند.

 

مديرعامل و رئيس شركت SMS Siemag LLC نيز اظهار مي‌دارد كه حقيقتا در 5 تا 10 سال گذشته تكنولوژي كارخانه‌هاي فولادسازي شكوفا شده است، اين امر نشان مي‌دهد كه اتوماسيون پيشرفته حاصله به فولادسازان اين امكان را مي‌دهد تا به صورت پويايي فرآيندهاي توليد را براي دستيابي به يك محصول بهينه تنظيم كنند.

 

سخنگوي شركت زيمنس كورپ از نيويورك اظهار داشت كه اين استمرار در بكارگيري تكنولوژي‌هاي جديد حتي در بحران‌هاي اقتصادي جهاني نيز حقيقت دارد. در نتيجه ركود اقتصادي در جهان تقريبا اكثر پروژه‌هاي كاري ما شامل مواردي مانند قابليت اعتماد به تجهيزات، ايمني و همچنين رعايت قوانين زيست‌محيطي مي‌شوند.

 

قابليت اطمينان به‌ويژه زماني شدت يافت كه بسياري از واحدهاي صنعتي نياز داشتند تا با همين تجهيزات به فعاليت خود ادامه دهند تا به سرمايه‌هاي لازم براي جايگزيني تجهيزات جديد دست يابند.

 

بنابر گزارش كميته فني انجمن تكنولوژي آهن و فولاد (AIST) بزرگترين پيشرفت‌هاي تكنولوژيكي در 5 سال گذشته در زمينه ريخته‌گري تسمه، اتوماسيون فرآيندها (فناوري كامپيوتري، حس‌گرها، اتوماسيون، تحليل داده‌ها و مدل‌سازي) و پيشرفت‌هايي در زمينه فولادهاي فوق مقاوم و مدرن، حاصل شده است.

 

يكي از بزرگترين پيشرفت‌ها در ريخته‌گري تسمه چارلوت كاروليناي شمالي بر پايه تكنولوژي Castrip شركت نوكور است كه دو واحد فولادسازي در آمريكا در حال حاضر از اين روش‌ها استفاده مي‌كنند.

[XMEHRDADX 7514]

كنترل بيشتر

 

مدير تكنولوژي متالورژي كارخانه سوراستال در آمريكاي‌شمالي با تاييد اين اظهارات بيان مي‌كند كه كنترل فرآيند و اتوماسيون زماني كه در زمينه پيشرفت‌هاي تكنولوژيكي كارخانه‌هاي فولادسازي (به‌ويژه كوره‌هاي بلند) مطرح مي‌شوند تبديل به دو واژه جادويي مي‌‌شوند.

 

اين موضوع زماني اهميت پيدا كرد كه چند سال پيش شركت سوراستال ديربورن كوره بلند C خود را بازسازي كرد. اضافه كردن سيستم‌هاي كامپيوتري بيشتر براي بهبود كنترل عمليات كوره بلند اين امكان را براي ما فراهم آورد تا بهره‌وري آن را افرايش دهيم. سوراستال در حال حاضر به واسطه استفاده از تكنولوژي تزريق زغال‌سنگ به صورت پودر (PCI) به توانايي كاهش انتشاركربن در كوره بلند دست يافته است.

 

كاهش در مصرف نيز وجود دارد، نه تنها در زمينه برخي از حس‌گرها بلكه در رابطه با شبيه‌سازي فرآيند به صورت آفلاين (off-line) يا مدل‌سازي كامپيوتري تا به فولادسازان كمك كند كه هر آنچه را براي تحول در هر جنبه‌‌اي از فرآيند فولادسازي نياز دارند، فراگيرند.

 

مدير برنامه‌هاي راهبردي تكنولوژي انجمن آهن و فولاد آمريكا اظهار داشت كه يكي از پروژه‌هاي تجاري موفق براساس توسعه و تحقيق مشترك بين AISI و وزارت انرژي ايالات متحده به عنوان بخشي از طرح تكنولوژي صنعتي (ITP)، پروژه مدل كامپيوتري از يك كارخانه ريخته‌گري گرم تسمه بود.

 

وي افزود: اين پروژه روشي است براي فولادسازان كه به‌صورت آفلاين كارخانه خود را به منظور توليد انواع مختلف محصولات فولادي طراحي كنند و همچنين بتواند به راحتي يك فرآيند ريخته‌گري گرم تسمه را شبيه‌سازي كرده، دما را محاسبه كرده، نيروها، ريز ساختار و خواص مكانيكي نهايي فولاد را نيز مشخص كند.

 

تحقيقات انجام شده براي ديگر مدل‌سازي‌هاي كامپيوتري مربوط به ITP توسط پروفسور چن ژيان‌ژو، مدير دپارتمان مهندسي مكانيك دانشگاه Purdue توضيح داده شد.

 

مطالب وي شامل مدل‌سازي بخش‌هاي فوقاني يك كوره بلند بود كه فولادسازان تا سال 2015 بتوانند مصرف PCI را از 300 پوند به 500 پوند در هر تن خالص از چدن مذاب توليد شده افزايش دهند كه اين امر منتج به ايجاد يك پتانسيل براي صرفه‌جويي در مصرف انرژي به ميزان 85 كيلووات ساعت به ازاي توليد هر تن چدن مذاب خواهد شد.

 

اين مدل به صورت تجربي در آزمايشگاه دانشگاه Purdue مورد آزمايش قرار گرفته است. اين تكنولوژي طي 3 تا 5 سال آينده به بهره‌برداري تجاري خواهد رسيد.

 

از ديگر پروژه‌هاي مهم ITP، كار بر روي يك كوره بوته‌اي دوقلوي عمودي است كه توسط پروفسور لوو، از دانشكده مهندسي علم مواد دانشگاه مك‌مستر شرح داده شد كه پيش‌بيني مي‌شود با استفاده از 30 درصد انرژي مصرفي كمتر نسبت به ديگر روش‌ها، اكسيدآهن را به گندله‌هاي آهن اسفنجي تبديل كند.

لوو در ادامه اظهار داشت كه اين تكنولوژي قبلا تنها در مقياس آزمايشگاهي انجام شده بوده و بعد از آن به صورت آزمايشي به عنوان يكي از تجهيزات كارخانه US Steel در 24 ماه آينده مورد استفاده قرار خواهد گرفت.

 

 

حذف كربن

 

صنعت فولاد آمريكاي‌شمالي به كمك AISI پروژه‌هاي تحقيقاتي بلندمدت را با نام طرح دستاورد دي‌اكسيدكربن آغاز كرد كه مجموعه‌اي از تكنولوژي‌ها در راستاي ايجاد تغييراتي در روش‌هاي توليد فولاد از قبيل فولاد‌سازي بدون استفاده از عنصر كربن است.

 

دو پروژه مهم در اين مجموعه از تكنولوژي‌ها عبارتند از: توليد چدن با استفاده از الكتروليز اكسيد مذاب (MOE) كه توسط محققان انجمن تكنولوژي دانشگاه ماساچوست ارائه شده و ديگري پروژه توليد چدن به وسيله ذوب‌كنندگي جرقه هيدروژن است كه توسط يكي از محققان دانشگاه يوتا ارائه شده است.

 

پروژه MOE يك شكل نهايي الكتروليز مذاب نمك است كه به‌منظور توليد برخي از فلزات از قبيل آلومينيوم، منيزيم، ليتيوم، سديم و فلزات خاكي نادر مورد استفاده قرار ‌گرفته است. به هر حال در روش MOE از آندهاي بدون كربن استفاده مي‌شود، بدين مفهوم كه در اين پروژه هيچ‌گونه دي‌اكسيدكربني توليد نمي‌شود (تنها چدن مذاب و اكسيژن از سنگ‌آهن به‌دست مي‌آيد).

 

يكي از مشكلات موجود در اين تكنولوژي هزينه بالاي آن است كه به گفته محقق آن به‌طور قابل‌توجهي بالاتر از زماني است كه از كوره بلند و كوره دمشي بازي براي توليد فولاد كربني استفاده مي‌شود.

 

هر چند وي اظهار داشت كه اگر قوانين تغييرات اقليمي جديد منتج به ماليات بسيار بالا براي كربن شود، تمامي محاسبات اقتصادي به هم خواهند خورد.

 

وي افزود كه MIT در حال حاضر امكان اجراي ايده MOE را به كمك اعتبارات مالي AISI بررسي كرده، در بخش اول طرح يك كوره آزمايشگاهي احداث خواهد شد و در نهايت يك كوره در مقياس صنعتي ساخته شد.

وي معتقد است كه صنعتي كردن اين پروژه حداقل 10 سال به طول خواهد انجاميد.

 

اين پروژه مي‌تواند منتج به ايجاد انقلابي در تكنولوژي توليد چدن شود كه اين امكان را فراهم مي‌آورد تا فولاد بدون استفاده از كك توليد شود و از اين رو با توجه به گاز مصرفي به‌عنوان عامل احياي سنگ‌آهن، اين روش به ميزان قابل‌توجهي موجب كاهش مصرف انرژي توسط كوره و ميزان انتشار گاز دي‌اكسيدكربن مي‌شود.

 

در اين كوره از سنگ آهن نرمه به جاي گندله استفاده مي‌شود و در مقايسه با 5 تا 7 ساعت فرآيند احيا در كوره‌هاي بلند سنتي در اين روش سنگ‌آهن مي‌تواند به سرعت احيا شود. همچنين اين كوره مي‌تواند كوچكتر از يك كوره بلند سنتي باشد.

 

به صورت ايده‌آل مي‌توان از گاز هيدروژن به عنوان عامل احيا استفاده كرد، اما همان‌طور كه مي‌دانيم چنين حجم بالايي از گاز هيدروژن به آساني در دسترس قرار نمي‌گيرد و بايد هزينه گزافي را صرف كرد.

 

تلاش‌هاي بسياري براي توليد اقتصادي هيدروژن شده است. زماني كه هيدروژن در مقياس بزرگ توليد مي‌شود بسيار پرهزينه است.

 

به هر حال اين تكنولوژي مي‌تواند با استفاده از گازهاي طبيعي اصلاح شده يا گازهاي مصنوعي به كار خود ادامه دهد. هنگامي كه از هريك از اين گازها استفاده مي‌كنيم، انتظار مي‌رود كه راندمان كوره در مصرف انرژي نسبت به يك كوره بلند سنتي 40 درصد افزايش يابد. اگر گاز هيدروژن مصرف شود آنگاه ما هيچ‌گونه انتشار گاز دي‌اكسيدكربن نخواهيم داشت.

 

با گازهاي طبيعي اصلاح شده نيز پيش‌بيني مي‌شود كه ميزان انتشار CO2 تا بيش از 60 درصد نسبت به يك كوره بلند كاهش يابد.

 

در صورت استفاده از گازهاي مصنوعي نيز ميزان انتشار تا 40 درصد كاهش مي‌يابد.

دانشگاه يوتا قبلا اثبات كرد كه در صورت استفاده از هيدروژن، گازهاي طبيعي اصلاح شده يا گازهاي مصنوعي ميزان مصرف مواد اوليه پودري سريعا كاهش خواهد يافت. اما در حال حاضر آنها بايد نشان دهند كه اين وضعيت در مقياس‌هاي واقعي نيز قابل اجرا خواهد بود.

 

در ابتدا آنها در مقياس آزمايشگاهي اين تكنولوژي را طراحي كرده و به دنبال آن يك كارخانه آزمايشي در مقياس صنعتي ايجاد كردند. توليد تجاري اين طرح نيز سال‌ها زمان خواهد برد.

 

با توجه به تجزيه كربن، انجمن آهن و فولاد آمريكا اخيرا يك تكنولوژي جديد ابداع كرده است كه برخي از وعده‌ها را محقق ساخته است. تحقيقات انجام شده در زمينه حذف گاز كربن در سال 2010 براي ما از اهميت ويژه‌اي برخوردار است.

 

تكنولوژي‌هاي خاصي وجود دارند كه انجمن آهن و فولاد آمريكا مي‌تواند بر روي آنها سرمايه‌گذاري كند كه منتج به توليد مفيد فولاد به همراه حذف انتشار گازي CO2 خواهد شد.

 

دو مانع كوتاه‌مدت براي نصب تكنولوژي‌هاي جديد، بحران اقتصادي كنوني و عدم قطعيت در رابطه با قوانين زيست‌محيطي هستند.

 

از آنجايي كه انجمن مي‌داند كه نيازمند سرمايه‌گذاري بالايي براي اين تجارت است، نيازمند تصميم‌گيري در رابطه با سياست‌هاي اقليمي است زيرا هزينه هنگفتي صرف تحقيقات در اين زمينه شده است.

 

تكنولوژي‌هايي براي رشد صنعت فولاد

 

تا اين زمان صنعت فولاد هيچ‌گاه مشكلي را در رابطه با تكنولوژي‌هاي پيشرو نداشته است. صنعت فولاد همواره دلگرم به تكنولوژي بوده و براي بلندمدت نيز تكنولوژي همواره پيشگام خواهد بود و احتمالا در اين روند تغييري صورت نخواهد پذيرفت.

 

واقعا كارخانه‌هاي فولادسازي آينده چگونه خواهند بود؟ ما فكر مي‌كنيم آنها تركيبي از تلاش و حقيقت خواهند بود و همچنين در آنها از تكنولوژي‌هاي موجود در كنار تكنولوژي‌هاي جديد استفاده خواهد شد.

 

كارخانه‌هاي آينده شامل تكنولوژي‌هايي هستند كه كمك شاياني به كاهش انتشار گازهاي مضر خواهند كرد و دربرگيرنده فرصت‌هايي براي زدودن كربن و همچنين محبوس كردن يا مصرف آن براي ايجاد ديگر محصولات جانبي هستند، اما ما فكر مي‌كنيم اكثر انواع تركيبات ساختاري برخلاف آنچه كه ما در حال حاضر در مسير آن حركت مي‌كنيم، در آن وجود خواهد داشت.

 

ما همواره نياز خواهيم داشت تا فولاد را ذوب كنيم، آن را شكل داده و خنك كنيم و مطمئن باشيم كه به سطح كيفي و خواص مكانيكي مورد لزوم خود دست يافته‌ايم. اما اين امر احتمالا به وسيله پيوند چندين فرآيند مجزا با يكديگر محقق خواهد شد به طوري كه آنها بدون هيچ‌گونه عيبي فعاليت كنند و حتي از كنترل رايانه‌اي و حس‌گر‌هاي بيشتري استفاده شود.

 

قطعا يكي از راه‌هايي كه يك كارخانه فولادسازي در آينده را متفاوت از آنچه كه ما در حال حاضر مي‌بينيم خواهد كرد اين است كه هيچ‌گونه دي‌اكسيدكربني از آن انتشار نخواهد يافت يا ميزان انتشار آن در حد بسيار اندكي خواهد بود.

 

احتمالا آن كارخانه‌ها داراي سيستم‌هاي بازيافت وسيع خواهند بود و بسياري از گازهاي خروجي را جمع‌آوري كرده و در ديگر بخش‌هاي تجهيزات مورد استفاده قرار خواهند داد و اين به معني بهينه شدن ميزان مصرف انرژي و افزايش راندمان سيستم خواهد بود.

 

 

كمال‌الدين غفوري

منبع: متال بولتن

نشریه توسعه و معدن شماره349