(نگارنده: محمدحسین نشاطی)

گزارش اختصاصی گروه رسانه‌ای پردازش- کوره ذوب احیایی الکتریکی (ESF)، یک جایگزین اثبات‌شده برای کوره بلند (BF) برای ذوب احیایی آهن احیاشده مستقیم (DRI) تولید‌شده از سنگ‌آهن با عیار متوسط برای تولید فلزمذاب است. این کوره می‌تواند چدن خام مذابی (معادل BF) تولید کند و یک فناوری آهن‌سازی جایگزین با کربن پایین‌تر و عملی را برای صنعت فراهم کند. برای سنگ‌آهن با عیار متوسط تا بالا، افت بهره‌دهی آهن به‌طور قابل توجهی کمتر است و شدت انتشار کربن آن به‌طور بالقوه کمتر از استفاده مستقیم از DRI در کوره قوس الکتریکی (EAF) فولادسازی است. گانگ موجود در DRI احیاشده با گاز را می‌توان به راحتی از آهن ‌اسفنجی جدا کرد تا سرباره‌ای با FeO کم تولید شود که قابلیت تناسب خود برای استفاده مجدد در ساخت محصولات سیمانی را حفظ می‌کند.

   نتایج عملیاتی برای سه نمونه موجود از ESFهای مورد استفاده‌ برای تولید آهن با استفاده از DRI برای شرکت‌های “New Zealand Steel”، “Steel Dynamics” و “Highveld-Robusteel” خلاصه شده است. این عملیات طیف گسترده‌ای ازانعطاف‌پذیری را در انتخاب کیفیت خوراک، درجه احیا و توانایی مدیریت حجم‌های بالاتر سرباره در کوره‌های ذوب احیایی با الکترود غوطه‌ور نشان می‌دهند. از مدل‌هایFACTSAGE و ® METSIM برای بحث در مورد رفتار متالورژیکی سنگ‌های معدنی با عیار متوسط تا بالا در یک ESF استفاده شده است. ویژگی‌های منحصربه‌‌فرد فرآیند ESF، انعطاف‌پذیری فراتر از BF را برای کنترل پتانسیل اکسیژن در فاز سرباره و درجه احیای سیلیس فراهم می‌کند و چدن خام مذابی را فراهم می‌کند که به بهترین وجه در خدمت پالایش فولادسازی است.

مروری بر عملیات ESF موجود
ESF یک جایگزین همه‌کاره برای تولید فلز مذاب از محصولات سنگ‌معدن، با عیار متوسط است. فناوری‌های پیاده‌سازی‌شده تجاری برای ESF در حال‌حاضر به صورت غیر کج‌شونده [کوره بدون کج شدن برای تخلیه]، گرد یا مستطیلی با سه یا شش الکترود سودربرگ در یک خط پیکربندی شده‌اند. تاریخچه کوره ذوب احیایی الکتریکی به سال ۱۹۱۷ برمی‌گردد، زمانی که شرکت “Elkem” اولین الکترود سودربرگ خودپخت را توسعه داد. کوره ذوب احیایی الکتریکی سودربرگ کاربرد گسترده‌ای در تولید فروآلیاژها و سرباره‌های تیتانیای بالا برای رنگدانه پیدا کرد. این عملیات متالورژیکی با سنگ‌آهن‌هایی مشخص می‌شوند که فرآوری آنها دشوار یا غیرعملی است ومنجر به نسبت بالای سرباره به فلز در هنگام ذوب احیایی می‌شود.

   با توجه به تسلط کوره‌بلند بر صنعت فولاد در قرن گذشته، کوره ESF به ندرت برای تولید آهن/فولاد استفاده شده است. اما، عملا ثابت شده است که اکسیدهای حاوی آهن با عیار پایین، متوسط و بالا، مواد اولیه مناسبی برای فناوری‌های فرآوری DRI-ESF هستند. در کاربرد ذوب احیایی آهن، کارخانه‌هایی که در حال ‌حاضر از این فناوری استفاده می‌کنند عبارتند از کارخانه “فولاد گلنبروک نیوزیلند” (NZS)، شرکت “Steel Dynamics Incorporated (SDI) Butler Division (US)” و “Highveld-Robusteel (SA)”. برای این ترکیبات فرآیند DRI چدن خام مذاب احیاشده با کربن و تطبیق‌پذیریESF فرصتی را برای استفاده از نرمه‌های موجود در داخل یا مواد خوراک آگلومره‌ شده، در تولید محصولات فولادی نورد تخت فراهم می‌کند. میزان کربن چدن خام مذاب بین ۳/۲ تا ۴ درصد و سیلیکون بین ۰٫۲ تا ۱/۲ درصد در این عملیات تجاری نشان داده شده است.

برخلاف کوره بلند که نزدیک به اشباع کربن در فلزعمل می‌کند، ESFها درجه آزادی بیشتری برای کنترل فشار جزئی اکسیژن در فاز حجم سرباره (عدم تعادل با فلز) دارند. بر اساس نسبت تقسیم سیلیکون معمول بین فازهای سرباره و فلز برای عملیات تجاری آهنی، فشار جزئی اکسیژن در دمای تعیین‌شده محاسبه و آکتیویته سیلیس با استفاده از نرم‌افزار FACTSAGE 8/1 تعیین شد. فرآیندهای NZS و Highveld به اکسیدآهن کافی در خوراک در سرباره نیاز دارند تا احیای TiO_۲ به حالت‌های ظرفیت پایین‌تر آن مدیریت شود. فرآیند SDI، این محدودیت را ندارد و این امر امکان کار در فشار جزئی اکسیژن کمتر، سیلیکون بالاتر و محتوای کربن اندکی بالاتر در فلز را فراهم می‌کند. دمای عملیاتی سرباره و بازیسیته بالاتر منتج به آکتیویته سیلیس تقریبا ۱۰ برابر کمتر در مقایسه با ذوب احیایی سنگ‌آهن حاوی تیتانیوم می‌شود.

مدل فرآیند ESF – سنگ‌معدن با عیار متوسط
برای فرآیند ESF با استفاده از DRI تولیدشده از سنگ‌آهن معدن پیلبارا که با هیدروژن احیاشده (فقط محاسبه)، موازنه‌های جرم و حرارت پایه با استفاده از نرم‌افزار عمومی METSIM، مدول کوره الکتریکی (FRE)شبیه‌سازی شدند. این شبیه‌سازی بر اساس یک مدل استوانه عمودی است که در آن واکنش‌های شیمیایی رخ می‌دهد و حرارت در فاز سرباره تولید می‌شود. توزیع انرژی حرارتی از فاز سرباره به جاهای دیگر با تعیین ضرایب انتقال حرارت مناسب کنترل می‌شود. کالیبراسیون ضرایب انتقال حرارت مدل بر اساس ESF، مستطیلی ۶ الکترودی NZS برای محدوده‌های گسسته از محتوای سیلیکون چدن خام مذاب در درجه فلزی ۸۰ درصد (DRI) انجام شد. در درجه فلزی ۸۰ درصد، سنگ‌معدن پیلبارا تقریبا به ۷۴۷ کیلووات ساعت برتن چدن خام مذاب ​​در ۰٫۲۷ درصد Si و ۳/۴ درصد C نیاز دارد و سرباره‌ای به میزان ۱۹۰ کیلوگرم به ازای هر تن چدن خام مذاب ​​تولید می‌کند. نیاز کربن (فقط محاسبه) برای تکمیل واکنش‌های احیای DRI و کربن‌دهی فاز فلزی ۸۳ کیلوگرم به ازای هر تن چدن خام مذاب ​​است.

استفاده از DRI در ذوب‌آهن قراضه در کوره قوس الکتریکی (EAF)، برای بهینه‌سازی بهره‌وری و بهره‌دهی فرآیند، به کنسانتره‌های کم گانگ نیاز دارد. کوره ذوب با الکترود غوطه‌ور (ESF) برای آهن، فرآیندی اثبات‌شده است که قابلیت کاهش قابل توجه نیاز کربن مرتبط با کوره بلند (۸۰۰-۶۰۰ کیلوگرم به ازای هر تن چدن خام مذاب) را ارائه می‌دهد. DRI با کیفیتی در سطح کوره بلند تولیدشده از سنگ‌آهن با عیار متوسط، می‌تواند خوراک مناسبی برای کوره ذوب احیایی الکتریکی جهت تولید چدن خام مذاب، برای فولادسازی BOS یا EAF باشد. حجم سرباره کمتر از کوره بلند است و قابلیت خوبی برای استفاده مجدد از سرباره پسماند در صنعت سیمان وجود دارد.