خواص فولاد به عنوان یک ماده ساختاری و عملکردی هنوز به طور کامل توسعه نیافته است و هنوز امکانات زیادی برای توسعه بیشتر وجود دارد. در کنار رشد چشمگیر دانش ریخته‌گری مسئله مصرف انرژی یکی از موضوعات حیاتی در صنعت فولاد به شمار می‌آید.
همه ما می‌دانیم که کاهش عناصر ناخالصی و اجزاء غیرفلزی به سطوح بسیار پایین به طور چشمگیری شکل‌پذیری، چقرمگی، استحکام خستگی و مقاومت در برابر خوردگی فولاد را بهبود می‌بخشد. خواص آهن با خلوص بالا هنوز به طور کامل مشخص نشده است. شفاف‌سازی بسیار مهم است؛ زیرا بینش‌هایی را در مورد مکانیسم‌های حاکم بر خواص مختلف فولاد ارائه می‌دهد و همچنین ویژگی‌ها یا سرنخ‌های بهبودیافته‌ای را برای شناسایی یک ویژگی جدید ارائه می‌دهد، در کنار این موضوع هنوز مطالعات بسیاری جهت پیدا کردن کم‌هزینه‌ترین و کاهنده‌ترین روش‌های مصرف انرژی جهت تولید فولاد در صنایع انجام می‌شود. انتظار می‌رود همگام با پیشرفت بیشتر برای بهبود استحکام، مقاومت در برابر سایش، چقرمگی، شکل‌پذیری و خواص الکترومغناطیسی با کنترل دقیق در محدوده میکرومتری تا نانومتری اندازه دانه، بافت و ریزساختار فولاد بتوان راه‌های مؤثرتری برای کاهش سطح انرژی مصرفی در ریخته‌گری یافت. ترکیبات آلیاژی جدید یا رسوبات جدید ممکن است نه تنها امکان بهبود خواص ذکر شده در فولاد را فراهم کنند؛ بلکه تأثیر بسزای در کاهش مصرف انرژی نیز داشته باشند که در این مقاله به برخی از آنها اشاره خواهیم نمود.
فولاد به عنوان ماده اصلی برای صنایع مونتاژ و پردازش عمل می‌کند. با این حال، در سال‌های اخیر، ساده‌سازی خطوط مونتاژ و پردازش با بهبود در خود مواد ممکن شده است که تأثیر بسزایی در میزان مصرف انرژی تولیدی آن دارد. به عنوان مثال، فولاد پیش روکش شده پس از پردازش نیازی به رنگ‌آمیزی ندارد فولاد روغن‌کاری شده نه نیاز به روغن‌کاری در طول فراوری و نه چربی‌زدایی پس از فراوری دارد و فولاد مقاوم در برابر آتش نیازی به عایق حرارتی با پوشش پستی ندارد. پیش‌بینی می‌شود که در آینده، توسعه مواد فولادی به‌گونه‌ای پیشرفت خواهد کرد که تقاضای فزاینده‌ای برای بازیافت به منظور حفظ منابع و انرژی و در نتیجه حفاظت از محیط‌زیست را برآورده کند.
علاوه بر خواص بهبودیافته، مهم است که تغییرات کیفیت را به حداقل ممکن کاهش دهید. چنین سطوح بالایی از خواص مواد و سازگاری دقیق در کیفیت را می‌توان با پیشرفت فناوری در فرایند تولید تحقق بخشید. از سوی دیگر، پیشرفت تکنولوژی به نوبه خود ناشی از تقاضای روزافزون برای کیفیت و ثبات تولید و کاهش مصرفی انرژی است.
حفاظت از محیط زیست در صنعت فولاد
مشکلات اصلی محیط‌زیست جهانی در حال حاضر شامل تخریب لایه اوزون، باران‌های اسیدی، گرم‌شدن زمین، کاهش جنگل‌های بارانی استوایی و بیابان‌زایی است. توسعه صنعتی در راستای گسترش اقتصادی و رشد جمعیت در نیمه دوم قرن بیستم علت اساسی این مشکلات بوده است، اگرچه از بسیاری جهات روابط علت و معلولی هنوز کاملاً مشخص نیست. مهم‌ترین مسائل زیست‌محیطی جهانی مرتبط با صنعت فولاد، باران اسیدی و گرم‌شدن زمین است.
باران اسیدی به انتشار اکسیدهای گوگرد (SOx) و اکسیدهای نیتروژن (NOx) نسبت داده می‌شود و بنابراین محدود کردن انتشار این اکسیدها مهم شده است.
از اکسیدهای گوگرد، دی‌اکسید گوگرد (SO2) از احتراق نفت یا زغال سنگ حاوی گوگرد تولید می‌شود و در صورت بالابودن غلظت آن می‌تواند باعث باران اسیدی و بیماری‌های تنفسی شود. در سال 1973، استاندارد زیست‌محیطی برای SO2 در ژاپن زیر 0.04 ppm به عنوان مقدار متوسط روزانه تعیین شد. در کارخانه‌های فولادی، اکسیدهای گوگرد بیشتر از ماشین‌های تف‌جوشی، کوره‌های کک و کوره‌های گرم کردن مجدد منشأ می‌گیرند. اقدامات متقابل مختلفی برای حذف اکسید گوگرد انجام شده است، از جمله گوگردزدایی از گاز خروجی از دستگاه‌های تف‌جوشی و گازهای کوره کک و استفاده از زغال سنگ و سوخت با گوگرد کم، در نتیجه، انتشار اکسید گوگرد از کارخانه‌های فولادی به شدت کاهش‌یافته است، برای مثال در کل ژاپن، غلظت دی‌اکسید گوگرد (SO2) از سال 1986 به طور متوسط سالانه 0.01 ppm ثبت شده است.
نکته مهم دیگر این است که اکسیدهای نیتروژن زمانی تولید می‌شوند که نیتروژن موجود در هوا و سوخت در دمای بالا اکسید می‌شود و عمدتاً این گازها با سوزاندن سوخت‌های فسیلی تولید می‌شود. از میان اکسیدهای نیتروژن، دی‌اکسید نیتروژن (NO2) در غلظت‌های بالا اثر مضری بر اندام‌های تنفسی دارد و یکی از مواد مضر در باران‌های اسیدی و آلودگی فتوشیمیایی هوا است. در سال 1978، استاندارد زیست‌محیطی برای NO2 در ژاپن کمتر از 0.06 ppm به عنوان مقدار متوسط روزانه تعیین شد. منابع اکسیدهای نیتروژن در کارخانه‌های فولادی مشابه اکسیدهای گوگرد است که عبارت‌اند از: ماشین‌های تف‌جوشی، کوره‌های کک و کوره‌های گرم کردن مجدد.
اقدامات مختلفی برای حذف اکسیدهای نیتروژن انجام شده است
- توسعه مشعل‌هایی که تولید اکسیدهای نیتروژن را کاهش می‌دهند
- بهبود شرایط احتراق
- توسعه و نصب تجهیزات de-NOx که نیتروژن را حذف می‌کند
بدین صورت کشور ژاپن توانسته تا اکسیدهای حاصل از گازهای خروجی در نتیجه انتشار اکسیدهای نیتروژن از کارخانه‌های فولادی را به طور چشمگیری کاهش دهد. در کل ژاپن، میانگین سالانه غلظت دی‌اکسید نیتروژن (NO2) در حدود 0.03 پی‌پی‌ام است که در ایستگاه‌های نظارت محیط عمومی اندازه‌گیری می‌شود که حدود 0.04 ppm است.
جالب است بدانید در کشور ژاپن، گزارش انتشار SO2 و NO2 از کارخانه‌های فولادی از سال 1994 توسط فدراسیون آهن و فولاد ژاپن به ثبت نرسیده است. در سال‌های اخیر شرکت‌های فولادی انتشارات فردی خود را مانند “گزارش سالانه حفاظت از محیط زیست” به اطلاع عموم می‌رسانند. بر اساس این گزارش‌ها، انتشار گازهای گلخانه‌ای در سال‌های 1994 – 2000 تقریباً بدون تغییر باقی‌مانده است.
گرمایش جهانی و صنعت فولاد
کنترل انتشار دی‌اکسیدکربن (CO2) به عنوان یک اقدام در برابر گرمایش جهانی یکی از مسائل زیست‌محیطی حیاتی است که صنعت فولاد باید انجام دهد.
همان‌طور که در سمت چپ شکل نشان داده شده است، متوسط دمای زمین در نیمه دوم دهه 1970 شروع به افزایش کرد و این روند در دهه 1980 بارزتر شد. گرم‌شدن کره زمین به دلیل افزایش غلظت گازهای گلخانه‌ای از جمله CO2 در جو در نظر گرفته می‌شود. غلظت CO2 موجود در جو حدود 340 ppm است و سالانه حدود 1.5 ppm افزایش می‌یابد. اعتقاد بر این است که علت اصلی این افزایش غلظت CO2 افزایش احتراق کربن در سوخت‌های فسیلی از دهه 1950 به بعد است. بر اساس پیش‌بینی تحقیقات مشترک سازمان ملل متحد و سازمان جهانی هواشناسی، اگر انتشار گازهای گلخانه‌ای ناشی از فعالیت‌های انسانی بدون هیچ‌گونه اقدام پیشگیرانه ادامه یابد، میانگین دمای جهانی در اوایل قرن بیست و دوم 3 درجه بالاتر از زمان کنونی خواهد بود.
انرژی که در حال حاضر استفاده می‌کنیم تا حد زیادی به سوخت فسیلی بستگی دارد؛ بنابراین برای کنترل انتشار CO2، باید به دنبال منابع انرژی جایگزین و استفاده کارآمدتر از انرژی بود. تغییر به منابع انرژی جدید و فناوری برای رفع CO2 عمدتاً در مرحله توسعه است و زمان قابل توجهی برای استفاده عملی از این اقدامات لازم است. بر این اساس، امروزه تمرکز باید بر استفاده مؤثر از انرژی، یعنی صرفه‌جویی در انرژی باشد و صنعت فولاد نیز از این اصل مستثنی نیست.
همان‌طور که در شکل نشان داده شده است، صنعت فولاد ژاپن از سال 1973 تا 1986 مصرف انرژی واحد خود را حدود 20 درصد کاهش داد. برای مثال، در این دوره، صنعت فولاد ژاپن 1.4 تریلیون برای اقدامات زیست‌محیطی و 1.3 تریلیون برای اقدامات صرفه‌جویی در انرژی سرمایه‌گذاری کرد.
صرفه‌جویی در مصرف انرژی در صنعت فولاد
تولید آهن و فولاد لزوماً مستلزم استفاده از کربن موجود در زغال سنگ برای کاهش سنگ آهن است. تا زمانی که زغال سنگ به عنوان عامل کاهنده ضروری باقی بماند، بزرگ‌ترین اقدام در دسترس صنایع فولاد برای مقابله با گرمایش جهانی، کاهش مصرف انرژی از جمله زغال سنگ است.
فرایندهای ذوب و پالایش، شامل کوره‌های کک، BF و BOFs، گرما و فشار تولید می‌کنند که به صورت بخار و برق قابل بازیافت هستند. نمونه‌های معرف تکنیک‌های بازیابی عملی شامل خاموش کردن خشک در کوره‌های کک و بازیابی فشار بالا در کوره‌های بلند است.
- اولی شامل خاموش کردن کک با گاز نیتروژن به جای آب است که باعث می‌شود گرمای محسوس کک با دمای بالا به طور مؤثر بازیابی و برای دیگ‌ها استفاده شود.
- مثال دوم با به حرکت درآوردن توربین با فشار گاز خروجی از بالای BF نیروی الکتریکی تولید می‌کند. گرمای معقول گاز خروجی تولید شده در BOF نیز به طور مؤثر توسط دیگ گاز خروجی بازیابی می‌شود.
علاوه بر این، گاز خروجی در فرایندهای نورد به عنوان گاز سوخت برای کوره گرم کردن مجدد و کوره آنیل استفاده می‌شود.
یکی از مؤثرترین راه‌ها برای صرفه‌جویی در مصرف انرژی، حذف یا ادامه فرایندهای عملیاتی خاص است.
مثال‌ها عبارت‌اند از
- تغییر از ساخت شمش دال‌سازی به ریخته‌گری پیوسته (در نتیجه باعث کاهش سوخت مورد نیاز برای خیساندن شمش و قدرت برای راندن آسیاب دال‌سازی)
- پذیرش نورد بار داغ یا نورد مستقیم داغ دال‌های ریخته‌گری پیوسته (در نتیجه مصرف سوخت برای گرم کردن مجدد کاهش می‌یابد)
- تغییر از بازپخت دسته‌ای به آنیل پیوسته (این تغییرات باعث شده تا کارخانه‌های فولادی مصرف انرژی خود را به میزان قابل توجهی کاهش دهند)
بازیابی و استفاده مؤثر از انرژی و همچنین حذف یا ادامه فرایندهای عملیاتی، همچنان موضوعات مهم صنعت فولاد در آینده خواهد بود.
در کشورهایی که ضایعات فولادی فراوان در دسترس است، فولادسازی بر پایه قراضه با EAF و ترجیحاً همراه با استفاده از کوره‌های ذوب جدید مبتنی بر مصرف زغال سنگ، کمک قابل توجهی به صرفه‌جویی در مصرف انرژی می‌کند، زیرا بازیافت قراضه (بازیافت زباله) به فرایند کاهش سنگ آهن با انرژی فشرده نیاز ندارد. همچنین نیاز به حدود 70 درصد از کل انرژی مورد نیاز برای تولید فولاد از طریق پالایش سنگ آهن با BF و BOF است. در رابطه با این موضوع توضیح بیشتری خواهیم داد.
علاوه بر این، بهبود کیفیت و خواص محصولات فولادی کمک زیادی به صرفه‌جویی در انرژی می‌کند. به عنوان مثال، ورق‌های فولادی با استحکام بالا برای کاربردهای خودرویی با ایجاد امکان کاهش وزن بدنه خودرو، مصرف سوخت را کاهش می‌دهند.
مواد فولادی که به طور گسترده در ماشین‌آلات و تجهیزاتی که برای تولید یا مصرف الکتریسیته استفاده می‌شوند، سهم مهمی در صرفه‌جویی در انرژی دارند. به عنوان مثال، توربین‌های گازی در دماهای بالاتر، کارآمدتر عمل می‌کنند.
مقاومت حرارتی مواد فولادی مورد استفاده برای پره‌های توربین و محورهای روتور این دمای گاز را تعیین می‌کند؛ بنابراین توسعه سوپر آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت و فولادهای ضد زنگ با افزایش راندمان تولید همراه است.
قبلاً ذکر شد که تلفات آهن کمتر در ورق فولادی برق باعث افزایش راندمان تبدیل توان می‌شود.
بهبود مقاومت در برابر خوردگی در فولادهای مقاوم در برابر آب و هوا و عملیات سطحی، و همچنین عمر طولانی‌تر در فولادهای بلبرینگ، با افزایش چرخه عمر تجهیزات ساخته شده از این مواد، به صرفه‌جویی در مصرف انرژی کمک زیادی می‌کند.
استفاده و بازیافت مؤثر آب در صنعت فولاد
صنعت فولاد هم در استفاده و هم در بازیافت آب برای مبارزه با آلودگی کارآمدتر شده است. میانگین مصرف روزانه آب در کشوری صنعتی مثل ژاپن که به دلیل وجود کشاورزی با 160 میلیون مترمکعب بزرگ‌ترین مصرف‌کننده آب در جهان است. با این حال، مقدار کل مورد استفاده آب که باعث کاهش مصرف انرژی در این صنعت می‌شود تنها در صنعت فولاد به 38 میلیون مترمکعب می‌رسد. اختلاف زیاد بین مصرف و مقدار مصرفی به دلیل بازیافت و بازیافت آب جذب شده توسط کارخانه‌های فولادی است.
به تازگی مقایسه‌ای بین مصرف، عرضه تازه و نرخ بازیافت آب شیرین توسط صنعت فولاد در ژاپن منتشر شده که نشان می‌دهد، در دهه 1970، مقدار آب مصرفی به شدت در صنعت فولاد افزایش یافت. با این حال، این روند کاهش یافت و با افزایش نرخ بازیافت آب مصرفی، منجر به کاهش مصرف آب شیرین و همچنین میزان انرژی مصرفی در صنعت فولاد شد.
به طور کلی، برای تولید یک تن فولاد خام به حدود 150 مترمکعب آب نیاز است که حدود 90 درصد آن برای سرمایش استفاده می‌شود. آب خنک‌کننده، از جمله آب تمیزکننده گاز، حاوی مواد جامد معلق مانند رسوبات ریز و گردوغبار است و با ته نشینی، انعقاد – رسوب‌گذاری یا فیلتراسیون مجدداً تصفیه می‌شود. آب حاوی روغن که از فرایندهای نورد تخلیه می‌شود، مجدداً تصفیه می‌شود تا روغن با شناورسازی خود به خود، فیلتراسیون یا شناورسازی هوای تحت فشار منعقد شود. روغن بازیافت شده مجدداً به عنوان نفت کوره و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد. آب تخلیه شده از خطوط ترشی، تمیز کردن الکترولیتی و گالوانیزه حاوی اسیدها، قلیاها و فلزاتی مانند آهن، کروم و روی است. آب حاوی غلظت بالایی از اسید یا قلیایی بازیافت می‌شود، اما آب با غلظت پایین خنثی می‌شود. در نتیجه این فلزات با رسوب انعقادی یا با تبادل یونی حذف می‌شوند و آب دوباره قابل استفاده می‌شود.
ادغام EAF پیشرفته با ریخته‌گری اسلب نازک و آسیاب نواری
بازیافت فولادسازی ضایعات فولادی -EAF به مصرف انرژی اولیه (۷۰ کیلوگرم بر حسب کربن) و تکامل CO2 مرتبط نسبت به بازیافت سنگ آهن -BF-BOF (۴۴۰ کیلوگرم از نظر کربن) برای تولید یک تن فولاد نیاز دارد. این تفاوت اساسی به انرژی قابل توجه مورد نیاز برای تبدیل سنگ آهن به آهن در بازیافت دوم نسبت داده می‌شود.
در حال حاضر، شاید حتی در آینده‌ای بسیار نزدیک، هیچ وسیله فنی مؤثری برای تثبیت CO2 تکامل‌یافته و جلوگیری از تجمع CO2 در جو در دسترس نخواهد بود؛ بنابراین، اقداماتی که باید انجام شود، کاهش تکامل CO2 (کاهش مصرف سوخت فسیلی) برای توسعه پایدار است. بازیافت ضایعات فولاد به طور قابل توجهی به این هدف کمک می‌کند.
بر این اساس، مسائل انرژی و زیست‌محیطی استفاده از بازیافت قراضه -EAF را محبوب‌تر می‌کند. تاکنون، از روش بازیافت ضایعات -EAF عمدتاً برای تولید محصولات بزرگ (میله و مفتول) از عیارهای مختلف با درجه‌های دارای کیفیت بالا استفاده می‌شد.
با این حال، در سال‌های اخیر، فناوری جدید ریخته‌گری دال نازک، فولادسازان قراضه EAF را قادر به تولید محصولات تخت کرده است. فناوری ریخته‌گری دال نازک توسط SMS آلمان در فرایند نوار فشرده (CSP) پیش‌گام شد و در شرکت Nucor Steel ایالات متحده به بلوغ عملیاتی خود در این حوزه رسید. البته فرایندهای مشابهی متعاقباً توسعه یافتند، از جمله فرایند نوار درون خطی (ISP) Demag/Arvedi. اسلب‌های نازک در یک قالب مخروطی شکل قیفی یا قالب مخروطی مستقیم به ضخامت 60-100 میلی‌متر در خروجی ریخته می‌شوند، در حالی که هنوز یک هسته مایع را حفظ می‌کنند ضخامت آنها به حدود 50 میلی‌متر کاهش می‌یابد، و در خط به حدود کاهش می‌یابد. ضخامت 30 میلی‌متر و سپس نورد گرم با آسیاب نوار گرم پشت سر هم متشکل از تعداد کمتری غرفه رول. یک خط یکپارچه متشکل از یک کاستور پیشرفته دال نازک EAF می‌تواند تا حدود 1 میلیون تن در سال با سرمایه‌گذاری بسیار کمتر در تأسیسات و مصرف انرژی بسیار کمتر تولید کند.
همچنین پیشرفت قابل توجهی در بهبود کارایی و بهره‌وری EAFها از جمله پیش گرم کردن ضایعات، تغذیه مداوم ضایعات، کوره‌های پوسته دوقلو و انواع کوره‌های قوس DC صورت گرفته است. در ترکیب با EAF، فناوری حذف آسیاب‌های زبر و انجام نورد درون خطی را با سرمایه‌گذاری در هر کجا که قراضه در دسترس است، ممکن کرده است. از آنجایی که ضخامت دال‌ها حدود 30 تا 50 درصد دال‌های معمولی ریخته‌گری پیوسته است، سرعت ریخته‌گری باید دو تا سه برابر بیشتر یا حدود 6 متر در دقیقه برای ریخته‌گری دال نازک با تولید 1 میلیون تن در سال باشد. در چنین ریخته‌گری‌هایی با سرعت بالا، برخی از فولادهای حساس به ترک دچار تخریب سطحی می‌شوند و در یک مورد شدید فولادهای پلی‌تکنیک با کربن متوسط، ریخته‌گری هنوز نمی‌تواند به دلیل خراب‌شدن سطوح دال توسط تشکیل ترک انجام شود.
سخن پایانی
مشکل مصرف انرژی باید با توسعه بیشتر فرایندهای ریخته‌گری برطرف شود. با توجه به تولید فزاینده قراضه در کشورهای صنعتی، بازیافت ضایعات یا همان EAF سهم فزاینده‌ای در تولید جهانی فولاد خواهد داشت. با این حال، محدودیت‌های آشکار برای ارتقا این است که بازیافت ضایعات -EAF نباید باعث بدتر شدن خواص فولادهای حاصل به دلیل باقیمانده‌هایی مانند Cu، Sn، As، Sb، Bi یا آلودگی مرتبط با باقیمانده‌های فرار همراه شود. مانند روی و سرب و مواد زائد مانند برخی پلاستیک‌ها که دیوکسین‌های مضر تولید می‌کنند.
