این مطلب توسط خانم دکتر برارزاده، مشاور تخصصی بخش انرژی SIGMAS، تهیه و تدوین شده است.
کربنزدایی از صنعت فولاد دیگر یک چشمانداز دوردست یا صرفاً یک هدف سیاستی بلندمدت نیست؛ بلکه به یکی از محورهای اصلی تحول فناورانه در زنجیره تولید فولاد تبدیل شده است. با حرکت تدریجی این صنعت از مسیر متعارف کوره بلند ـ کنورتور بهسوی احیای مستقیم مبتنی بر هیدروژن و ذوب در کوره قوس الکتریکی، تنها شیمی فرایند دچار تغییر نمیشود، بلکه الزامات طراحی، انتخاب و بهرهبرداری از آسترهای دیرگداز نیز بهطور بنیادین دگرگون میشود. این تحول، صنعت دیرگداز را با مجموعهای از چالشهای جدید مواجه کرده است که بسیاری از آنها هنوز نیازمند مطالعه، پایش عملیاتی و توسعه راهکارهای فناورانه هستند.
مسیر تولید فولاد هیدروژنی و تفاوت آن با فرایندهای متعارف
در فرایند احیای مستقیم مبتنی بر هیدروژن، سنگآهن در حالت جامد احیا میشود و در افق نهایی، هیدروژن سبز جایگزین گاز طبیعی بهعنوان عامل احیاکننده خواهد شد. محصول این فرایند، آهن اسفنجی یا DRI است که سپس در کوره قوس الکتریکی ذوب شده و به فولاد تبدیل میشود. در ظاهر، این مسیر یک راهکار پاک، کارآمد و سازگار با اهداف کاهش انتشار کربن به نظر میرسد؛ اما از منظر فناوری دیرگدازها، همین تغییر مسیر، منشأ شکلگیری شرایط بهرهبرداری کاملاً متفاوتی است. مهمترین تفاوت میان کوره قوس الکتریکی مبتنی بر H-DRI و مسیرهای متعارف مبتنی بر قراضه یا DRI کربندار، حذف یا کاهش شدید کربن از خوراک فرایند است.
نقش کربن در پایداری فرایند و حفاظت از آستر
در بهرهبرداری کلاسیک کوره قوس الکتریکی با استفاده از DRI کربندار، کربن موجود در خوراک نقش چندگانهای در پایداری فرایند ایفا میکند. احتراق و واکنش کربن در حمام مذاب موجب تولید حبابهای منوکسیدکربن میشود. این حبابها، سرباره را کفدار کرده و باعث میشوند الکترودها تا حدی درون لایه سرباره پوشانده شوند. تشکیل سرباره کفدار، علاوه بر بهبود انتقال حرارت و افزایش بازده حرارتی، نقش حفاظتی مهمی در برابر تابش مستقیم قوس به دیوارههای کوره دارد. در چنین شرایطی، بازده حرارتی میتواند به بیش از ۹۳ درصد برسد. همزمان، حضور کربن به کاهش FeO موجود در سرباره کمک میکند و از این طریق، شدت حمله شیمیایی سرباره به آستر دیرگداز کاهش مییابد.
پیامدهای حذف کربن در مسیر H-DRI
در مسیر H-DRI، این سازوکار کلیدی تا حد زیادی از بین میرود. نبود کربن به معنای حذف بخشی از انرژی شیمیایی ورودی به فرایند است. از سوی دیگر، تولید منوکسیدکربن و در نتیجه شکلگیری سرباره کفدار بهشدت محدود میشود. در غیاب این لایه حفاظتی، قوس الکتریکی با شدت بیشتری به دیوارهها و نواحی حساس بدنه کوره تابش میکند. پیامد مستقیم این وضعیت، افزایش بار حرارتی موضعی، تشدید شوکهای حرارتی و افزایش نرخ سایش آستر دیرگداز در نقاط بحرانی کوره است.
تأثیر افزایش FeO بر سرباره و دیرگداز
کاهش یا حذف کربن، پیامدهای شیمیایی مهم دیگری نیز برای سیستم سرباره و آستر ایجاد میکند. در شرایطی که کربن کافی در حمام مذاب وجود نداشته باشد، اکسیدهای آهن باقیمانده امکان احیای مؤثر نخواهند داشت و بخش بیشتری از FeO وارد فاز سرباره میشود. افزایش FeO در سرباره از دو جهت نامطلوب است. نخست، موجب افزایش تلفات آهن و کاهش بازده فلزی فرایند میشود. دوم، خاصیت خورندگی سرباره را نسبت به آسترهای پایه MgO و MgO-C افزایش میدهد. بنابراین، مسیر هیدروژنی فولاد اگرچه از منظر کاهش انتشار دیاکسیدکربن جذاب است، اما از منظر دوام دیرگدازها، محیطی تهاجمیتر و پیچیدهتر ایجاد میکند.
خوردگی شیمیایی آسترهای MgO-C
خوردگی شیمیایی یکی از مهمترین سازوکارهای تخریب آسترهای دیرگداز در کوره قوس الکتریکی است. MgO موجود در آستر، تا حدی در سرباره مذاب حل میشود و میزان انحلال آن به ترکیب شیمیایی سرباره، دمای حمام و بهویژه مقدار FeO وابسته است. سطح اشباع MgO در سرباره معمولاً در محدوده ۶ تا ۱۴ درصد قرار میگیرد، اما افزایش مقدار FeO این تعادل را به زیان آستر تغییر میدهد. در نتیجه، انحلال MgO افزایش یافته و فرسایش آجرهای MgO-C با سرعت بیشتری رخ میدهد. این مسئله میتواند به کاهش عمر کاری آستر، افزایش دفعات تعمیرات، افزایش مصرف مواد دیرگداز و کاهش دسترسپذیری عملیاتی کوره منجر شود.
افزایش حجم سرباره در مصرف DRI
افزون بر این، خوراک DRI معمولاً حاوی باطلههای اکسیدی است که ورود آنها به کوره موجب افزایش مقدار سرباره فرایندی میشود. در مقایسه با بهرهبرداری مبتنی بر قراضه، استفاده گسترده از DRI میتواند حجم سرباره را بهطور قابل توجهی افزایش دهد. افزایش حجم سرباره، بهویژه در صورت کنترل نامناسب بازیسیته، شرایط خورندهتری برای آستر ایجاد میکند. کاهش بازیسیته مؤثر سرباره یا تغییر نسبتهای CaO، MgO، SiO2 و FeO میتواند تعادل ترمودینامیکی سرباره را برهم زده و نرخ انحلال فازهای دیرگداز را افزایش دهد.
چالش ذوب ناقص و تشکیل فروبرگ
یکی دیگر از چالشهای مهم در ذوب DRI، تشکیل تودههای جامد یا خوشههای ذوبنشده در حمام مذاب است که گاهی از آنها با عنوان «فروبرگ» یاد میشود. در نرخهای بالای شارژ DRI، بخشی از خوراک ممکن است بهصورت کامل و یکنواخت ذوب نشود و به شکل تودههای جامد در حمام باقی بماند. این پدیده موجب طولانیتر شدن زمان ذوب، افزایش مصرف انرژی و ناپایداری حرارتی در کوره میشود. از منظر دیرگداز، افزایش زمان ذوب به معنای افزایش مدت تماس آستر با سرباره مذاب، افزایش زمان تابش حرارتی قوس و افزایش تنشهای حرارتی تجمعی است. بنابراین، طولانی شدن چرخه ذوب یکی از عوامل مؤثر در کاهش عمر آستر محسوب میشود.
چالشهای دیرگدازی در کوره شفت احیای مستقیم
چالشهای دیرگدازی در مسیر هیدروژنی تنها به کوره قوس الکتریکی محدود نیست. کوره شفت احیای مستقیم نیز در شرایط بهرهبرداری با هیدروژن، نیازمند بازنگری در انتخاب و طراحی مواد دیرگداز است. در واحدهای متعارف DRI مبتنی بر گاز طبیعی، آسترهای پرآلومینا و پایه کاربید سیلیسیم در بسیاری از بخشها عملکرد مناسبی داشتهاند. با این حال، بهرهبرداری در اتمسفر غنی از هیدروژن یا تقریباً خالص هیدروژن میتواند الگوهای سایش، واکنشپذیری سطحی، انتقال حرارت و فرسایش مکانیکی را تغییر دهد. از سوی دیگر، حجم بالاتر جریان گاز در فرایندهای مبتنی بر هیدروژن، احتمال افزایش فرسایش در گرمکنهای گاز، مبدلهای حرارتی و مسیرهای انتقال گاز را به همراه دارد. بنابراین، پایداری بلندمدت دیرگدازها در اتمسفر کاهنده هیدروژنی باید بهصورت مستقل و با تکیه بر دادههای عملیاتی جدید ارزیابی شود.
راهکارهای توسعهای برای صنعت دیرگداز
در پاسخ به این چالشها، صنعت دیرگداز ناگزیر است چند مسیر توسعهای را بهصورت همزمان دنبال کند. یکی از راهکارهای اصلی، کنترل ترکیب سرباره و افزایش اشباع MgO از طریق افزودن هدفمند دولومیت پخته یا منیزیت است. این اقدام میتواند نیروی محرکه انحلال MgO از آستر را کاهش دهد و سرعت خوردگی شیمیایی را کنترل کند. با این حال، موفقیت این راهکار به مدیریت دقیق ترکیب سرباره، دمای حمام، میزان FeO و شرایط عملیاتی کوره وابسته است.
توسعه آجرهای MgO-C متناسب با شرایط جدید
مسیر دوم، توسعه آجرهای MgO-C با ترکیب بهینه کربن و آنتیاکسیدانهای سازگار با شرایط جدید است. در شرایطی که نقش کربن در سیستم فرایندی تغییر میکند، طراحی آجرهای MgO-C نیز باید بازنگری شود. استفاده از آنتیاکسیدانهایی مانند آلومینیوم و سیلیسیم میتواند به کاهش سرعت اکسیداسیون کربن در آستر کمک کند، اما ترکیب، مقدار و رفتار این افزودنیها باید متناسب با اتمسفر، دما و ترکیب سرباره در مسیر H-DRI-EAF بهینهسازی شود.
بازطراحی هندسه آستر در کورههای ویژه DRI
مسیر سوم، بازطراحی هندسه و ساختار آستر کورههای قوس الکتریکی ویژه DRI است. در کورههایی که سهم بالایی از DRI را مصرف میکنند، میزان فولاد مذاب باقیمانده یا hot heel میتواند تا حدود ۳۰ درصد حجم کل مذاب افزایش یابد. این موضوع الزامات ویژهای برای طراحی کف کوره، ناحیه خط سرباره، ناحیه پاشش سرباره و نقاط در معرض تابش مستقیم قوس ایجاد میکند. بنابراین، طراحی دیرگداز در کورههای آینده باید بیش از گذشته بر اساس الگوی واقعی جریان مذاب، توزیع حرارت، رفتار سرباره و نحوه شارژ DRI انجام شود.
پایش دیجیتال و مدیریت هوشمند آستر
مسیر چهارم، توسعه سامانههای پایش دیجیتال وضعیت آستر است. اندازهگیری دمای بدنه، مدلسازی نرخ سایش، تحلیل دادههای عملیاتی، پایش نقاط داغ و پیشبینی عمر باقیمانده آستر میتواند به مدیریت هوشمند دیرگدازها کمک کند. در شرایط سختتر بهرهبرداری، اتکا به برنامههای تعمیراتی ثابت و تجربی کافی نخواهد بود و صنعت فولاد به سمت پایش پیشبینانه و تصمیمگیری دادهمحور حرکت خواهد کرد.
جمعبندی
در مجموع، گذار به تولید فولاد مبتنی بر هیدروژن، الزامات تازهای را برای فناوری دیرگدازها ایجاد میکند. حذف کربن از خوراک، کاهش تشکیل سرباره کفدار، افزایش FeO در سرباره، افزایش حجم سرباره، طولانیتر شدن زمان ذوب و تغییر شرایط اتمسفری در کوره شفت، همگی عواملی هستند که میتوانند شدت تخریب دیرگدازها را افزایش دهند. اگر سامانههای دیرگداز بر اساس این شرایط جدید بازطراحی نشوند، کاهش عمر آستر، افزایش مصرف مواد دیرگداز، افزایش توقفات تعمیراتی و کاهش پایداری عملیاتی دور از انتظار نخواهد بود.
با این حال، این چالشها را نباید صرفاً بهعنوان محدودیت تلقی کرد. مسیر فولاد سبز، همزمان فرصتی کمنظیر برای توسعه نسل جدیدی از مواد دیرگداز، طراحیهای پیشرفته آستر، مدلهای دیجیتال پایش عمر و راهکارهای نوین کنترل سرباره فراهم میکند. به بیان دیگر، تحول هیدروژنی در صنعت فولاد، دیرگدازها را از یک جزء مصرفی سنتی به یکی از عناصر راهبردی پایداری، بهرهوری و قابلیت اطمینان فرایند تبدیل خواهد کرد.
لینک اصلی:
https://prozesswaerme.net/think-steel/refractories-in-transition-what-the-hydrogen-route-demands/