احیای مستقیم، روشی مدرن برای تولید آهن اسفنجی از سنگ‌آهن یا گندله است که بدون ذوب کامل، عیار بالایی از آهن فلزی را در دمایی نسبتاً پایین‌تر از کوره بلند به دست می‌آورد. این روش، در سال‌های اخیر محبوبیت بیشتری پیدا کرده؛ چراکه نیاز به کک‌سازی را حذف و در مصرف انرژی صرفه‌جویی می‌کند. همچنین در تولید فولادهای خاص، وقتی تمرکز روی کنترل عناصر ناخواسته باشد، آهن اسفنجی می‌تواند گزینه جذابی باشد.
در این متن، فرایند احیای مستقیم را از زاویه‌ای کاربردی بررسی می‌کنیم تا متخصصان حوزه متالورژی و فعالان زنجیره فولاد بتوانند درک دقیق‌تری از الزامات، مزایا و چالش‌های پیش رو داشته باشند. قرار نیست به تاریخچه موضوع بپردازیم، بلکه نگاه اصلی روی راهکارهای عملی و جزئیات فنی است که در کارگاه‌های آهن‌سازی یا واحدهای ذوب، پرسش‌های متداولی ایجاد می‌کند.
مزیت‌های کاربردی تولید آهن اسفنجی
آهن اسفنجی اگرچه نسبت به آهن خام کوره بلند تفاوت ساختاری دارد، اما خواص متالورژیکی خوبی برای شارژ در کوره قوس الکتریکی (EAF) یا کوره القایی دارد. به‌دلیل درصد بالای آهن عنصری و عناصر آلاینده کمتر، کنترل شیمیایی مذاب برای رسیدن به فولادی با گرید بالا آسان‌تر می‌شود. یکی دیگر از مزایای این روش، کاهش آلایندگی محیطی است.
حذف فرایند کک‌سازی و محدود کردن انتشار گازهای گوگردی و آلاینده‌های ناشی از سوخت زغال‌سنگ، توجه بسیاری از صنایع فولادی را جلب کرده است. به‌علاوه، در مناطقی که دسترسی به گاز طبیعی ارزان وجود دارد—مثل خاورمیانه یا بخش‌هایی از کشورهای دارای ذخایر عظیم گازی—احیای مستقیم به شکل مقرون‌به‌صرفه‌ای راه‌اندازی می‌شود.
بسته‌های متداول در احیای مستقیم
در جهان، فرایندهای متنوعی برای احیای مستقیم توسعه یافته‌اند، اما دو تکنولوژی غالب در این حوزه عبارت‌اند از: فرایند میدرکس (Midrex) و فرایند اچ‌وای‌ال (HYL). میدرکس غالباً از یک کوره عمودی بهره می‌برد که در آن، گندله یا سنگ‌آهن خردشده از بالا شارژ می‌شود و گاز احیاکننده از وسط یا پایین کوره به بالا حرکت می‌کند. بدین ترتیب، تماس مستقیم گاز و سنگ‌آهن انجام می‌شود و دمایی بین ۸۰۰ تا ۱۱۰۰ درجه سانتی‌گراد بر این محیط حاکم است.
در اچ‌وای‌ال نیز اصول کلی مشابه است ولی در جزئیات، مانند فشار گاز، طراحی راکتور و نوع کنترل دما، تفاوت‌هایی وجود دارد. برای واحدهایی که می‌خواهند راندمان بالاتر داشته باشند یا امکان اتکای بیشتری به هیدروژن داشته باشند، روش‌های جدیدتر نیز مطرح شده است. بااین‌حال، اکثر کارخانجات بزرگ که آهن اسفنجی تولید می‌کنند، به نوعی از نسخه‌های اصلاح‌شده میدرکس یا اچ‌وای‌ال استفاده می‌برند.
اهمیت گندله‌سازی و آماده‌سازی خوراک ورودی
سنگ‌آهنی که وارد کوره احیای مستقیم می‌شود، باید خلوص مناسب و توزیع دانه‌بندی یکنواخت داشته باشد. در بسیاری از واحدها، گندله‌سازی قبل از ورود به کوره احیا ضرورت می‌یابد تا پایداری مکانیکی و عدد متالیزاسیون نهایی بهبود پیدا کند. گندله‌ها با درصد مشخصی از مواد افزودنی مثل بنتونیت، در دیسک‌های گندله‌سازی شکل می‌گیرند و سپس زینتر یا پخته می‌شوند تا استحکام کافی داشته باشند.
وجود ناخالصی‌هایی مانند فسفر یا گوگرد در خوراک ورودی، دردسرهای بعدی را در مرحله فولادسازی بیشتر می‌کند. بنابراین، پیش از طراحی واحد احیا، کارشناسان سراغ ارزیابی دقیق کانسنگ آهن موجود می‌روند و حتی در برخی موارد، نیاز به مخلوط کردن کانسنگ از معادن مختلف برای رسیدن به ترکیب ایده‌آل احساس می‌شود. تمام این مقدمات باعث می‌شود فرایند در داخل کوره احیا با راندمان بالاتر و مصرف انرژی کمتر همراه گردد.
واکنش‌های اصلی شیمیایی و نقش گاز احیاکننده
در فرآیند احیای مستقیم، هیدروژن (H₂) و مونوکسید کربن (CO) نقش احیاکننده اکسیژن موجود در سنگ‌آهن را برعهده دارند. در دمای بالا، مثلاً ۹۰۰ الی ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد، واکنش‌هایی نظیر زیر رخ می‌دهد:
Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O
Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
محصول آب یا دی‌اکسید کربن حاصل از این واکنش‌ها معمولاً در چرخه گازی جدا می‌شود یا پس از خنک کردن، بخشی از آن بازیابی می‌شود. گاز طبیعی (CH₄) هم می‌تواند به‌عنوان خوراک اولیه استفاده شود و پس از ریفورمینگ، تبدیل به مخلوط هیدروژن و مونوکسید کربن شود. زمان ماند مواد آهنی در راکتور یا کوره عمودی، شدت جریان گاز و دمای دقیق محیط بر سرعت و درجه متالیزاسیون تأثیر می‌گذارد.
کنترل متالیزاسیون و انتخاب روش تخلیه آهن اسفنجی
متالیزاسیون، درصد آهن فلزی در خروجی را نشان می‌دهد. عددی بین ۸۰ تا ۹۶ درصد برای بسیاری از واحدها مرسوم است، اما در برخی تکنولوژی‌ها می‌توان به بالاتر از ۹۷ درصد هم رسید. هرچه متالیزاسیون بالاتر باشد، آهن اسفنجی ارزشمندتر می‌گردد و فرایند ذوب در کوره قوس یا القایی با مصرف کمتر انرژی و سرباره کمتر همراه می‌شود. بااین‌حال، افزایش متالیزاسیون به معنای صرف انرژی و زمان بیشتر است؛ پس باید در یک مطالعه اقتصادی، هزینه و فایده این کار سنجیده شود.
تخلیه محصول نیز بسته به انتخاب طرح و موقعیت کارخانه، ممکن است به‌صورت بریکت داغ یا سرد باشد. بریکت داغ (HBI) برای حمل‌ونقل‌های طولانی بهتر است، چون تخلخل کمتری دارد و کمتر اکسید می‌شود. درحالی‌که محصول سرد (DRI) شاید برای واحدهایی که کنار واحد احیا هستند و می‌توانند سریعاً در کوره قوس آن را ذوب کنند، به‌صرفه‌تر باشد. مهم این است که اکسید شدن مجدد و جاذب رطوبت بودن آهن اسفنجی مدیریت شود تا کیفیت محصول حفظ گردد.
ملاحظات محیط‌زیستی و مصرف انرژی
روش احیای مستقیم آهن اسفنجی غالباً با گاز طبیعی یا زغال سنگ غیرکک‌شونده کار می‌کند؛ اما نوع گازی آن به‌خصوص در مناطقی که منابع گاز فراوان وجود دارد، رایج‌تر است. نسبت به کوره بلند، انتشار دی‌اکسید کربن در این روش کمتر است و آلاینده‌های دیگر هم کاهش می‌یابد. بااین‌حال، همچنان بحث مصرف انرژی در ریفورمر یا واحد تولید گاز احیاکننده مطرح است و نیازمند طراحی بهینه و بهره‌گیری از مبدل‌های حرارتی کارآمد خواهد بود.
در برخی طرح‌های جدید، تلاش می‌شود از هیدروژن سبز (تولیدی از الکترولیز آب با استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر) استفاده شود تا ردپای کربن به حداقل برسد. اگرچه این فناوری‌ها هنوز هزینه بالایی دارند، چشم‌انداز آینده صنعت فولاد به سمت جایگزینی بخشی از سوخت‌های فسیلی با هیدروژن پاک حرکت می‌کند. از سوی دیگر، واحدهای احیا باید کنترل مداومی بر پساب‌های فرایندی، غبار و ذرات معلق داشته باشند تا استانداردهای زیست‌محیطی را رعایت کنند.
چالش‌های فنی و نگهداری واحدهای احیا
یک واحد احیای مستقیم از بخش‌های مختلفی تشکیل می‌شود: ریفورمر، کوره عمودی (یا راکتورهای افقی در برخی روش‌ها)، سیستم خنک‌کننده محصول، تجهیزات تخلیه و بخش کنترل گاز. هر کدام از این بخش‌ها ممکن است تحت تنش حرارتی و شیمیایی قابل توجهی باشند. گرفتگی ناشی از پوسته‌های اکسیدی یا زینتر شدن مواد آهنی، مشکلاتی است که گاه در سیستم‌های انتقال مواد یا در بدنه داخلی کوره رخ می‌دهد. برای پیشگیری، باید برنامه زمان‌بندی نگهداری و تمیزکاری منظم در نظر گرفت. کیفیت آجر نسوز یا پوشش داخلی در قسمت‌های داغ هم تعیین‌کننده دوام و پایداری عملیات است.
کاربرد آهن اسفنجی در کوره قوس الکتریکی
بخش عمده‌ای از آهن اسفنجی تولیدی راهی کوره‌های قوس الکتریکی می‌شود. در این کوره‌ها، سبدی از قراضه فولادی و آهن اسفنجی ترکیب می‌گردد تا یک مذاب فولادی تمیزتر و با ترکیب کنترل‌شده حاصل شود. اگر آهن اسفنجی متالیزاسیون خوبی داشته باشد، دیگر نیازی به استفاده بیش‌ازحد از مواد افزودنی برای تنظیم ترکیب شیمیایی نیست. همچنین سرباره نهایی کاهش می‌یابد. در واحدهای القایی کوچک‌تر هم آهن اسفنجی می‌تواند جایگزین بخشی از قراضه شود، به‌خصوص زمانی که دسترسی به قراضه پاک و بدون عناصر آلاینده دشوار باشد.
خلاصه
در تولید فولاد، عوامل بی‌شماری از جمله دسترسی به منابع اولیه، زیرساخت انرژی و مقررات زیست‌محیطی تاثیر می‌گذارند. احیای مستقیم آهن اسفنجی به دلیل ساختار ساده‌تر، کاهش مصرف کک و راندمان مناسب، می‌تواند انتخاب ایدئالی برای بسیاری از کارخانه‌های در حال توسعه باشد. بااین‌حال، موفقیت این روش وابستگی بالایی به کنترل فرایند گازی و برخورداری از دانش فنی کافی دارد. در واحدهایی که دقت لازم در آماده‌سازی مواد اولیه و کنترل فرایند وجود دارد، بازدهی بالا و محصولی باکیفیت نصیب سرمایه‌گذار می‌شود.
از سویی دیگر، انتخاب محل احداث، در دسترس بودن گاز ارزان‌قیمت و مدیریت نگهداری از تجهیزات نیز اهمیت پیدا می‌کند. وقتی همه این ملاحظات در کنار هم قرار بگیرد، آهن اسفنجی می‌تواند مسیر فولادسازی را هموارتر، پاک‌تر و اقتصادی‌تر سازد. برای شناخت جزئیات بیشتر در مورد استانداردهای مربوطه و روش‌های پیشرفته، می‌توانید از منابع تخصصی مثل سایت سی اف تی نیز بهره بگیرید و اطمینان حاصل کنید که طرح تولیدی، با شرایط فنی و مالی پروژه شما همخوانی دارد.
