این مطلب توسط دکتر معصومه برارزاده، مشاور ارشد حوزه انرژی سیگماس، تهیه و تدوین شده است و به بررسی یک فناوری نوین و پیشگامانه از سوی پژوهشگران ژاپنی میپردازد که با استفاده از نمک آمونیوم، راهی جدید برای تولید آهن کمکربن از سنگآهنهای کمعیار گشوده است.
صنعت فولاد در سراسر جهان تحت فشار شدیدی برای کاهش انتشار گازهای گلخانهای قرار دارد و تاکنون بیشتر تمرکزها بر روی جایگزینی زغالسنگ با هیدروژن یا توسعه کورههای قوس الکتریکی بوده است. با این حال، گروهی از پژوهشگران خلاق در «مؤسسه فناوری فوکوئوکا» در ژاپن، مسیر کاملاً متفاوتی را در پیش گرفتهاند. آنها به جای تغییر سوخت، کل فرآیند استخراج آهن را بازطراحی کردهاند. در این فناوری نوآورانه، از کلرید آمونیوم (NH4Cl) به عنوان یک ماده کمکی جادویی استفاده میشود که میتواند اجزای مختلف سنگآهن را به صورت انتخابی از هم جدا کند. نکته شگفتانگیز این روش آن است که برخلاف کورههای سنتی که نیازمند ذوب کامل مواد در دماهای بسیار بالا هستند، این فرآیند در دماهای ملایمتر و کمتر از ۵۰۰ درجه سانتیگراد انجام میشود که به معنای صرفهجویی عظیم در مصرف انرژی است.
خداحافظی با سنگآهک و کوههای سرباره
برای درک اهمیت این دستاورد، باید بدانیم که در حال حاضر حدود ۷۰ درصد از تولید فولاد خام در جهان از طریق مسیر سنتی «کوره بلند–کنورتور» انجام میشود. این روش به شدت به سه ماده اصلی وابسته است: سنگآهن، زغالسنگ و سنگآهک. در روشهای متداول، سنگآهک برای کنترل نقطه ذوب و جذب ناخالصیها به کوره اضافه میشود؛ اما مشکل اینجاست که تجزیه حرارتی همین سنگآهک در دماهای بالا، حجم عظیمی از دیاکسید کربن تولید میکند. علاوه بر این، کلسیم موجود در سنگآهک وارد سرباره شده و کوههایی از ضایعات جانبی ایجاد میکند (گاهی تا ۴۰ درصد وزن سرباره را اکسید کلسیم تشکیل میدهد). روش جدید ژاپنیها با حذف کامل نیاز به سنگآهک در مرحله آهنسازی، نه تنها جلوی انتشار این بخش از دیاکسید کربن را میگیرد، بلکه حجم تولید پسماند و سرباره را نیز به شکل چشمگیری کاهش میدهد.
جادوی شیمی در جداسازی آهن، منگنز و فسفر
فرآیند مبتنی بر کلرید آمونیوم مانند یک فیلتر هوشمند عمل میکند. وقتی سنگآهن در حضور این نمک حرارت میبیند، اکسیدهای مختلف رفتار متفاوتی از خود نشان میدهند. آهن موجود در سنگ به ترکیبات کلریدیِ فرار (گاز) تبدیل میشود و به راحتی از محیط خارج میگردد. در همین حین، منگنز به شکل کلریدهای محلول در آب درمیآید و فسفر، سیلیسیم و آلومینیوم واکنش خاصی نشان نداده و در همان فاز جامد باقی میمانند. پژوهشگران برای رسیدن به بالاترین بازدهی، یک عملیات حرارتی دومرحلهای را طراحی کردند: در مرحله اول، مواد به مدت ۶۰ دقیقه در دمای ۲۸۰ درجه سانتیگراد حرارت میبینند تا ترکیبات واسطه شکل بگیرند. در مرحله دوم، دما به ۵۰۰ درجه افزایش یافته و هوا وارد جریان میشود. نتیجه این آزمایشها خیرهکننده بود؛ در نمونههای واقعی سنگآهن، ۸۳.۱ درصد از آهن به شکل گاز جدا شد، ۹۷.۳ درصد از منگنز در آب حل شد و بیش از ۹۹.۹ درصد از فسفر در بخش جامد باقی ماند. این یعنی جداسازی بینقص سه عنصر کلیدی در یک زنجیره واحد!
تبدیل تهدید به فرصت؛ ارزشآفرینی از سنگهای کمعیار
یکی از بزرگترین مزایای این روش، تولید آهن با خلوص بسیار بالا است. بررسی گازهای جمعآوریشده نشان داد که هیچ ناخالصی دیگری به جز آهن در آنها وجود ندارد. این ویژگی به فولادسازان اجازه میدهد تا از سنگآهنهای کمعیار و پر از فسفر (که معمولاً در صنعت فولاد یک دردسر بزرگ محسوب میشوند) استفاده کنند و در نهایت فولادهای ویژه و باکیفیتی مانند ورقهای الکتریکی تولید نمایند. علاوه بر این، بازیابی منگنز و فسفر ارزش اقتصادی فوقالعادهای دارد. در حال حاضر، ۹۷ درصد از تقاضای منگنز ژاپن مربوط به صنعت فولاد است و فسفری که در سربارههای فولادسازی این کشور هدر میرود، معادل نیمی از کل نیاز داخلی ژاپن به فسفر است. با این روش جدید، این عناصر ارزشمند پیش از تبدیل شدن به ضایعات، استخراج شده و به چرخه اقتصاد بازمیگردند.
چالشهای پیشرو و مسیر تجاریسازی
البته باید در نظر داشت که این فناوری هیجانانگیز هنوز در مراحل تحقیقات بنیادی و آزمایشگاهی قرار دارد. در حال حاضر، بازده استفاده از کلرید آمونیوم در این آزمایشها حدود ۲۴ تا ۲۶ درصد است که نیاز به بهبود دارد. برای اینکه این روش به یک گزینه صنعتی و تجاری تبدیل شود، مهندسان باید چالشهایی نظیر بهینهسازی مصرف و بازیافت نمک آمونیوم، جلوگیری از خوردگی تجهیزات به دلیل استفاده از ترکیبات کلردار، مدیریت گازهای خروجی و طراحی راکتورهای بزرگمقیاس را حل کنند. با این وجود، موفقیت این طرح میتواند ساختار سنتی فرآوری مواد اولیه در صنعت فولاد را برای همیشه تغییر داده و نسل جدیدی از آهنسازی کمکربن، پاک و بهینه را به جهان معرفی کند.