آهن بریکت‌شده گرم (HBI) تولیدشده در کارخانه احیای مستقیم شرکت “کلیولند-کلیفز“ (Cleveland-Cliffs Toledo) در تولدو، اوهایو، آمریکا، به‌عنوان یک ماده خوراک با کیفیت بالا برای جایگزینی قراضه فولاد در کوره قوس الکتریکی (EAF) و هم‌چنین به‌عنوان یک خنک‌کننده در کنورتر کربن‌زدای اکسیژن آرگون (AOD) استفاده می‌شود. در این مقاله ویژگی‌های HBI بررسی می‌شود. استفاده از HBI در EAF، AOD و تاثیر آن بر عملیات EAF/AOD مورد بحث قرار خواهد گرفت. مزایا و چالش‌های استفاده از HBI در EAF و AOD و هم‌چنین تلاش‌ها برای بهبود ارزش مصرفی (value-in-use) آن ارائه خواهند شد.

ماهنامه پردازش – از آنجاکهتولید فولادبا کوره قوس الکتریکی (EAF)در سرتاسر جهان به رشد خود ادامه می‌دهد، در دسترس بودن قراضه، به‌ویژه قراضه اولیه با کیفیت بالا و با عناصر باقی‌مانده کم، کاهش یافته است. بسیاری ازفولادسازان به مواد خام جایگزین مانندآهن بریکت‌شده گرم (HBI) و یاآهن اسفنجی (DRI) و چدن خام به‌عنوان منابع آهن تمیز برای تکمیل و ارتقای شارژ قراضه EAF روی می‌آورند. بنابراین، عرضه و استفاده از این مواد در EAF طی دهه‌های گذشته افزایش چشمگیری داشته است.

     کارخانه احیای مستقیم “تولدو” شرکت “کلیولند-کلیفز” که در سال ۲۰۲۰ تکمیل شد، اولین و تنها تولیدکننده HBI در منطقه گریت‌لیکس است.این کارخانه از فرآیند میدرکس استفاده می‌کند وظرفیت تولید ۲/۱ میلیون تن خالص در سال HBI با کیفیت بالا با استفاده از احیای آهن بر پایه گاز طبیعی را دارد.HBI تولیدشده در کوره بلند کلیولند-کلیفز برای بهبود بهره‌وری و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای با کاهش مقدار کک مورد نیاز برای تولید آهن مصرف می‌شود. به‌عنوان یک محصول تمیز بر پایه سنگ‌آهن، HBI هم‌چنین جایگزین خوبی برای چدن خام است. در EAF و AOD و کوره‌های بازی اکسیژنی (BOF) این شرکت نیز به‌عنوان یک ماده خوراکی با کیفیت بالا برای جایگزینی چدن خام، قراضه و آهن خنک‌کننده استفاده می‌شود. این مقاله تجربیات بدست آمده در آن شرکت در استفاده از HBI در کارخانه‌های ذوب شامل استفاده از HBI در EAF و AOD، تأثیر آن بر عملیات EAF/AOD، و تغییر شیوه‌های استاندارد برای تطبیق با استفاده از HBI را ارائه می‌کند. مزایا و چالش‌های استفاده از HBI در EAF و AOD و تلاش‌ها برای بهبود ارزش مصرفی HBI نیز ارائه خواهد شد.

جدول (۱)- ترکیب شیمیایی HBI تولیدشده در کارخانه تولدو

جدول (۲)- خواص فیزیکی BI تولیدشده در کارخانه تولدو

ویژگی‌های HBI کارخانه تولدو

خواص شیمیایی و فیزیکی HBI کارخانه تولدو

خواص شیمیایی و فیزیکی محصول HBI کارخانه تولدو در جدول (۱ و ۲) نشان داده شده است. میزان آهن فلزی HBI تقریباً ۸۷ درصد است. آهن فلزی بازیافت‌شده واقعی HBI در EAF و AOD با “احیای ثانویه” اکسید آهن توسط کربن موجود در HBI بهبود می‌یابد که بعدا مورد بحث قرار خواهد گرفت. محتوای گانگ معمولاً ۴ تا ۵ درصد است. گوگرد کم و عدم وجود عناصر باقی‌مانده فلزی از مزایای مهم HBI در مقایسه با قراضه در شارژ کوره EAF و در AOD است.

     بریکت‌های HBI دارای شکل بالشی با اندازه معمولی ۱/۴ * ۱/۹۱ * ۱/۲۶ اینچ [۳۵*۴۸*۳۲mm] هستند. چگالی ظاهری ۱۶۸lbs./ft.^۳ دو برابر قراضه معمولی است که به آن مزیت متراکم کردن شارژ قراضه را می‌دهد. اندازه ثابت و جریان‌پذیری خوب باعث می‌شود که مواد بدون هیچ‌گونه مشکل گرفتگی از سیستم مخزن آلیاژی اضافه شوند.

“احیای ثانویه” HBI

گزارش شده است که کربنو FeO در بریکت HBI هنگامی که دمای بریکت به بالای ℃۶۰۰ ~ افزایش می‌یابد شروع به واکنش برای تشکیل CO می‌کنند. این واکنش باعث بهبود محتوای آهن فلزی HBI می‌شود. مقدار FeO احیاشده به محتوای کربن HBI بستگی دارد. HBI کارخانه تولدو حاوی دو درصد C و ۱/۵ درصد FeO است. از نظر استوکیومتری، تمام FeO موجود در HBI می‌بایستی احیا شود و میزان آهن فلزی در HBI به ۹۱ درصد افزایش یابد. در نتیجه، ۱/۱ درصد کربن اضافی در حمام فولادی EAF/AOD باقی می‌ماند.

پیر شدن HBI

HBI در حین جابه‌جایی، انبارش، انتقال و حمل دریایی، دچار پیری می‌شود که منجر به از دست دادن متالیزاسیون آن می‌گردد. Hassan  و همکاران کاهش ۰/۲ درصد تا ۱/۵ درصد آهن فلزی در انباشته HBI در طی یک ماه را گزارش کرده‌اند. مطالعه‌ای که در کارخانه  EAFشرکت “کلیولند-کلیفز” انجام شد نتایج مشابهی را نشان داد. هم‌چنین مشخص شد که از دست دادن متالیزاسیونتحت تأثیر “تازگی” HBI است.اثرات پیر شدن را می‌توانبا انبارش این مواد در زیر سقف و با تامین منابعHBI در داخل کشور که زمان تحویل کوتاه‌تری دارند، به میزان قابل‌توجهی به حداقل رساند. “احیای ثانویه” و پیر شدن HBI هر دوبر محتوای آهن فلزی تأثیر می‌گذارند و باید هنگام محاسبه موازنه اکسیژن و کربندر EAF و AOD درنظر گرفته شوند.