مقدمه
دومین مرحله از مراحل تولید فولاد (پس از استخراج سنگ آهن از معدن و فرآوری آن)، تولید گندله‌های آهن است که به عنوان ورودی به مرحله‌ی احیا داده خواهد شد. استفاده از گندله‌های آهن در احیا، مزیت‌های زیادی دارد که از آن جمله می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- بهره‌وری در هر متر مکعب کوره را بالا می‌برد؛
- نسبت به زینتر، انتشارات کربنی کمتری دارد؛
- نیاز به زغال کک را کاهش می‌دهد؛
- حمل و نقل را ساده‌تر می‌کند؛
- ضایعات را کاهش می‌دهد؛
- در کوره عملکرد بهتری دارد (گندله‌ها به نسبت پودر، حرارت را بهتر انتقال می‌دهند).
در پست قبل، به بررسی معدن و فناوری‌های جدید آن پرداختیم. در این نوشتار، به بررسی فرآیند گندله‌سازی و فناوری‌های جدید این حوزه خواهیم پرداخت.
فرآیند گندله‌سازی
سنگ آهن عموما از معادن روباز استحصال می‌شود. ماده‌ی خام استخراج‌شده از معدن تحت عملیات فرآوری قرار می‌گیرد. این عملیات شامل خردایش، جداسازی بر اساس اندازه، کنسانتره‌سازی، آب‌زدایی و … است که هدف همه‌ی آنها، آماده‌سازی خواص شیمیایی، فیزیکی و متالورژیک ماده‌ی تزریقی به فرآیند تولید آهن است. از مهمترین ویژگی‌های خروجی این مرحله، توزیع اندازه‌ی ذرات آن است.
موادی که اندازه‌ی ذره‌ی بسیار ریزی دارند، برای استفاده‌ی مستقیم در رآکتورهای احیا مناسب نیستند و باید قبل از تزریق به این رآکتورها، با فرآیندهایی همچون تف‌جوشی یا گندله‌سازی آگلومره شوند.
جهت احیای سنگ آهن، عموما یا از کوره‌های بلند (BFها) و یا از رآکتورهای احیای مستقیم (DRها) استفاده می‌شود. در کوره‌ی بلند، آهن احیا شده و ذوب می‌شود و مهمترین خروجی این فرآیند، آهن در فاز مایع یا به اصطلاح فلز داغ است. در احیای مستقیم، آهن در فاز جامد باقی می‌ماند و فرآورده‌ی نهایی به آهن احیای مستقیم (DRI) موسوم است.
به طور کلی، می‌توان فرآورده‌های سنگ آهن برای تولید آهن را به سه دسته‌ی کلی تقسیم کرد که در جدول 1 آمده‌اند.
گندله‌ها، توپ‌هایی هستند که با چرخش کنسانتره‌ی مرطوب همراه افزودنی‌هایی به نام بایندر، در یک درام افقی به دست می‌آیند.
| کاربرد اصلی | دامنه‌ی اندازه (میلیمتر) | محصول |
| تزریق مستقیم به کوره بلند و احیای مستقیم | 6.3-31.7 | کلوخه |
| اگلومره کردن با زینترینگ برای تغذیه‌ی کوره‌های بلند | 0.15-6.3 | خوراک زینتر |
| اگلومره کردن با گندله‌سازی برای تغذیه‌ی کوره‌های بلند و احیای مستقیم | <0.15 | خوراک گندله |
گندله‌هایی که برای استفاده در فرآیند تولید آهن استفاده می‌شوند، باید ویژگی‌هایی داشته باشند که در جدول 2 به آنها اشاره شده است.
برای دستیابی به این مشخصات، بایندرها و افزودنی‌ها در فرآیند گندله‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرند. افزودنی‌هایی مانند سگ آهک، دولومیت و … برای تغییر خواص شیمیایی گندله‌ها اضافه می‌شوند. موادی مانند آهک شکفته، هم به عنوان افزودنی و هم به عنوان بایندر مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین موادی مانند کک برای کاهش نیاز به سوخت در حین حرارت دادن به گندله به آن اضافه می‌گردند.
گندله‌ها با اضافه کردن مقدار مناسبی آب به کنسانتره‌ی سنگ آهن به دست می‌آیند. این کار یک عامل اساسی در ایجاد و رشد گندله‌ها محسوب می‌شود. در واقع با این کار یک تنش سطحی به وجود می‌آید که ذرات را به هم می‌چسباند.
به تنش به وجود آمده در اثر آب، تنش خنثی گفته می‌شود. این تنش برای نگه‌داشتن بسیار محکم ذرات در کنار هم کافی نیست؛ بالاخص که وقتی گندله گرمادهی می‌شود، آب تبخیر شده و ذرات میل به جداشدن پیدا می‌کنند.
| ویژگی | استاندارد | توصیف |
| فیزیکی | ISO 4701 | تعیین توزیع اندازه با غربال‌گری |
| ISO 4700 | تعیین استحکام خردایش | |
| ISO 3271 | تعیین شاخص غلتش و سایش | |
| JIS M 8711 | تعیین استحکام خردشدن | |
| روندهای داخلی (شرکت‌های گندله‌سازی) | تعیین مقاومت در مقابل شکست بر اساس تعداد قطرات | |
| شیمیایی | خواص شیمیایی گندله‌ها | |
| متالورژیک | ISO 4698 | تعیین شاخص انبساط آزاد |
| ISO 13930 | تعیین شاخص کاهش-فروپاشی دمای پایین با روش پویا | |
| ISO 11257 | تعیین شاخص کاهش-فروپاشی دمای پایین و درجه‌ی فلزی شدن | |
| ISO 11256 | تعیین شاخص خوشه‌بندی | |
| ISO 7992 / ISO 7215 / ISO 11257 | تعیین کاهش تحت بار/ تعیین کاهش‌پذیری با مقدار نهایی شاخص کاهش / تعیین شاخص کاهش-فروپاشی دمای پایین و درجه فلزی شدن | |
| روندهای داخلی (شرکت‌های گندله‌سازی) | تخلخل |
برای جلوگیری از چنین اثراتی، بایندرها با اهداف زیر به مواد، برای گندله‌سازی اضافه می‌شوند:
- افزایش استحکام گندله‌ها قبل از حرارت دادن (استحکام تر)
- جلوگیری از شکستن گندله‌ها در مراحل اولیه‌ی حرارت، زمانی که حجم زیاد گاز ناشی از تبخیر آب، تمایل به شکستن گندله‌ها دارد.
برای بهبود ویژگی‌های گندله‌ها، و خصوصا جهت جلوگیری از به وجود آمدن اگلومره‌های ناخواسته قبل از تشکیل گندله‌ها، توزیع یکنواخت رطوبت و بایندر در فرآیند تغذیه بسیار مهم است.
بنتونیت یک بایندر موثر و متداول در فرآیند گندله‌سازی آهن است. یکی از عوامل رواج استفاده از این ماده، قیمت پایین آن است.
با این وجود، بنتونیت شامل سیلیکا و آلومینا است، که برای گندله‌ها، آلاینده محسوب می‌شوند. به علاوه بنتونیت یک ماده‌ی طبیعی است که می‌تواند بر اساس جایی که از آن استخراج شده است، شامل مواد و ترکیبات مختلفی باشد. برای رسیدن به خواص مناسب در گندله‌ها، به مقدار زیادی از این ماده نیاز است (حدود 0.5 درصد جرمی). این مساله، حمل و نقل را مشکل‌تر کرده و هزینه‌های لجستیک را افزایش می‌دهد.
شکل زیر، فلوچارت یک کارخانه‌ی گندله‌سازی را نشان می‌دهد.
فناوری‌های گوی‌سازی (Balling)
برای گوی‌سازی، معمولا از یکی از دو فناوری زیر استفاده کرد:
• دیسک چرخان: در این فناوری، پودر سنگ آهن به همراه آب به یک دیست چرخان مایل داده می‌شوند و گوی‌ها به تدریج تشکیل می‌شوند. وقتی گوی‌ها به اندازه‌ی دلخواه رسیدند از دیسک خارج می‌شوند.
• درام چرخان: در اینجا به جای دیسک، یک استوانه‌ی مایل چرخان داریم که در دهانه‌ی آن، افشانه‌ی آب قرار گرفته است. بر خلاف دیسک چرخان، گندله‌ها با انواع سایزها از خروجی خارج می‌شوند و بنابراین لازم است پس از این مرحله، یک مرحله‌ی سرندکاری نیز وجود داشته باشد تا فقط گندله‌های با سایز مناسب به مرحله‌ی بعد بروند و گندله‌های کوچک‌تر یا بزرگتر تحت دوباره‌کاری قرار بگیرند.
مکانیزم‌های افزایش چسبندگی
همانطور که گفته شد، برای استحکام گندله‌ها، صرفا اضافه‌کردن آب کافی نیست و باید در کنار آن از روش‌های دیگری نیز استفاده کرد. از جملهی این روش‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- ایجاد پل بین ذرات با روش‌هایی مانند زینتر کردن، واکنش شیمیایی، استفاده از بایندر، کریستال‌سازی مجدد و …
- استفاده از نیرو و فشار
- استفاده از نیروی جذب بین ذرات، به طور خاص نیروی بین مولکولی، نیروی الکتریکی و نیروی مغناطیسی
خروجی مرحله‌ی گوی‌سازی، گندله‌ی تر یا گندله‌ی سبز است که همچنان استحکام کافی ندارد و به همین جهت باید پخته شود.
پخت گندله
گندله‌ها باید بتوانند لرزش‌های حین انتقال و نیز فشارهای حین بارگیری رآکتورها را تحمل کنند. برای افزایش استحکام، گندله‌ها در فرآیند پخت، حرارت داده می‌شوند.
پخت گندله، شامل مراحل خشک کردن، حرارت دادن و خشک کردن است. در مرحله‌ی خشک کردن، آبهای سطحی از گندله جدا می‌شوند. در مرحله‌ی حرارت‌دهی، آبی که پیوند سخت‌تری با گندله دارد طی فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی از گندله بیرون می‌رود. در حین حرارت‌دهی، واکنش‌های شیمیایی دیگری نیز به وقوع می‌پیوندد که استحکام گندله را بالا می‌برد. سرد کردن گندله نیز باید با دقت و به آرامی انجام بگیرد تا در این مرحله نیز استحکام بالاتری حاصل شود.
فناوری‌های نو و افزایش بهره‌وری
تولید گندله‌های آهن باکیفیت، می‌تواند بهره‌وری مراحل جلوتر تولید فولاد را بالا ببرد و از این رو به بهره‌وری کل فرآیند تولید فولاد کمک خواهد کرد. اما همین مرحله نیز باید با بهره‌وری بالا انجام بگیرد. برای بالابردن نسبت خروجی به ورودی، فناوری‌های زیر به تازگی در صنعت مورد استفاده قرار گرفته است.
شبیه‌سازی
در مراحل مختلف از فرآیند تولید گندله، می‌توان ویژگی‌های مواد ورودی را به یک مدل شبیه‌سازی داد، و برای بالابردن خروجی، تنظیمات دستگاه را به عنوان متغیر تصمیم‌گیری بهینه‌سازی کرد. با توسعه‌ی مدل‌های پیشرفته‌ی شبیه‌سازی این کار امکان‌پذیر است و لزوم تست‌های طولانی و درسرساز را از بین می‌برد. طرحی که شرکت Primetals Technologies آن را با موفقیت اجرا کرده است.
اتوماسیون
با جمع‌آوری داده‌های گذشته و تصمیمات قبلی اپراتورها، در بسیاری از بخش‌ها می‌توان نیاز به حضور نیروی انسانی را حذف کرد. این کار علاوه بر بالابردن سرعت استحصال خروجی، صدمات به نیروی انسانی را نیز کاهش می‌دهد.
استفاده از سوخت هیدروژنی
Metso Outotec در حال حاضر در حال توسعه‌ی یک سوزنده‌ی هیدروژن با NOx پایین است که می‌تواند انتشارات کربنی مرحله‌ی گندله‌سازی را تا 90 درصد کاهش دهد. اتفاقی که با سفت و سخت شدن سیاست‌های آلایندگی هوا، می‌تواند هزینه‌ها را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.
بهبود ابعاد فنی
در تمام مراحل ذکر شده در ساخت گندله‌ها، محققان روز به روز روش‌های بهتری ابداع می‌کنند. بایندرها با مشخصات بهتر، بهبود وضعیت دیسک و درام، تنظیم دقیق‌تر مرحله‌ی پخت و …، موضوعاتی است که در دانشگاه‌ها و واحدهای تحقیق و توسعه‌ی شرکت‌ها، همچنان مورد پژوهش هستند.
جمع‌بندی و نتیجه‌گیری
اگر بخواهیم به سمت فولاد سبز حرکت کنیم و آلایندگی‌های ناشی از فرآیند تولید فولاد را کاهش دهیم، باید تفکر کربن‌زدایی را در تمام مراحل زنجیره‌ی تامین فولاد از جمله گندله‌سازی پیاده کنیم. برخی از شرکت‌ها که حرکت در جهت بهره‌وری بیشتر کارخانه‌های گندله‌سازی خود را آغاز کرده‌اند، می‌توانند پیشگامان آینده باشند. برای پیشرو شدن در صنعت فولاد دنیا، ضروری است اقدامات لازم برای پیاده‌سازی فناوری‌های جدید در کشور نیز به سرعت صورت گیرد.