بررسی امکان سنجی جایگزینی کک نفتی با آنتراسیت برای تزریق به کوره قوس الکتریکی

تولید سرباره پفکی (فومی) در کوره های قوس لکتریکی فولادسازی یکی از راهکارهای شناخته شده برای حفاظت از اکسیداسیون الکترودها و نسوز کوره و نیز کاهش مصرف انرژی می باشد.

در اغلب کوره های فولاد سازی برای ایجاد سرباره پفکی از تزریق مواد کربنی به کوره در فصل مشترک سرباره و مذاب استفاده می شود.در شرکت فولاد مبارکه به طور سنتی از تزریق کک نفتی برای این منظور استفاده می شود که ماده گران قیمت و وارداتی است.

در این کار تحقیقاتی از آنتراسیت به عنوان ماده جایگزین کک نفتی جت تزریق به کوره قوس الکتریکی استفاده شد.

پس از انجام آزمایشهای اولیه بر روی آنتراسیت مانند تعیین جریان پذیری (سیالیت)، دانه بندی، میزان کربن ثابت، خاکستر و مواد فرار با بهینه سازی شرایط تزریق به تعداد ۲۵ ذوب آزمایشی در کوره شماره ۲ شرکت فولاد مبارکه انجام شد و تاثیر این جایگزینی بر مصرف انرژی، کربن ذوب و پفکی شدن سرباره ثبت گردید.

نتایج نشان داد در مقایسه با ذوب های نرمال کربن گیری بهتری صورت گرفته است، مصرف انرژی به میزان جزئی کاهش یافته و پفکی شدن سرباره شرایط مشابه قبل داشته است.

برای تولید سرباره پفکی در کوره های فولادسازی به روش قوس الکتریکی به طور سنتی از تزریق مواد کربنی استفاده می شود.کک نفتی به علت داشتن کربن ثابت بالا(بیش از ۹۰ ردصد)، سیالیت خوب، راکتیویته بالا و خلکستر و مواد فرار کم،یک ماده کربنی ایده آل برای تزریق محسوب می شود.

معمولا مواد کربنی و اکسیژن از طریق لانس در زیر فصل مشترک سرباره و مذاب تزریق می شود.اخیرا تزریق پودر کربنات منیزیم نیز گزارش شده است که علاوه بر ایجاد سرباره پفکی نقش فسفر زدایی را نیز به عهده دارد.برای مشخص شدن خصوصیات مناسب (شرایط فنی) یک ماده کربنسی برای تزریق به کوره باید به عملکرد و شرایط مصرف آن توجه شود.

مکانیزم اصلی پفکی شدن سرباره در اثر تزریق مواد کربنی، سوختن کربن طی یکی از واکنش های زیر در منطقه مقابل لانس های دمش اکسیژن یا فصل مشترک سرباره و مذاب است.

C+O2=CO2

۲C+O2=2CO

CO2+C=2CO

Fe+CO=CO2

بررسی اماکن سنجی

تا آنجا که به واکنش های بالا مربوط می شود، مهمترین پارامتر برای ماده کربنی مناسب،راکتیویته و میزان کربن ثابت آن است. راکتیویته نشان دهنده سهولت اکسیداسیون کربن توسط اکسیژن یا گاز دی اکسید کربن یا اکسیدهای آهن می باشد و با استانداردهای مختلف اندازه گیری می شود.

بنابراین ماده کربنی تزریق شده باید راکتیویته بالا داشته باشد تا در حداقل زمان پس از تزریق (قبل از نتقل شدن به داخل سرباره) واکنش انجام داده و به گاز تبدیل شود.بدیهی است که عبور گازهای حاصل از سوختن کربن از میان سرباره باعث پفکی شدن سرباره می شود.

در شرکت فولاد مبارکه مواد کربنی (کک نفتی) مسیر طولانی را از بونکرهای خارجی به بونکرهای داخلی و نهایتا بونکر تحت فشار بالا برای تزریق طی می کند.انتقال به صورت پنوماتیک و تحت فشار می باشد.بنابریان سیالیت و قابلیت سایندگی مواد نیز اهمیت پیدا میکند.

مواد قبال تزریق باید از نظر دانه بندی و مورفولوژی و درصد رطوبت به گونه ای باشد که به راحتی در داخل لوله های انتقال جریان پیدا کند.علاوه بر این مواد کربنی نباید قابلیت سایندگی بالا داشته باشند تا باعث سایش لوله های انتقال نشود.که علاوه بر شرایط فنی، قیمت مناسب و در دسرس بودن و انحصاری نبودن نیز حائز اهمیت است.

همانطور که در ابتدای این بخش اشاره شد، کک نفتی با داشتن کربن ثابت و راکتیویته بالا و سیالیت خوب یک ماده ایده آل برای تزریق است که سالها در فولا  مبارکه استقاده شده است.

در هر حال در سالهای اخیر قیمت کک نفتی به شدت افزایش یافته است که جذابیت آن را کاهش داده است.قیمت بالا و وارداتی بودن کک نفتی باعث شده است صنایع فولاد به دنبال ماده جاگیزین باشند.

بنابراین تحقیق حاضر به منظور یافتن ماده جایگزین مناسب برای کک نفتی در شرکت فولاد مبارکه انجام شده است.بررسی های اولیه نشان داد عملا چهار نوع زغال یا ماده کربن دار برای تزریق به کوره قوس الکتریکی مورد استفاده قرار گرفته است.

این مواد عبارتند از کک نفتی، کک متالورژی، گرافیت و آنتراسیت.کک نفتی علی رقم کیفیت عالی بسیار گران قیمت است.کک متالورژی دارای قیمت مناسب است ولی بسیار ساینده می باشد و باعث سابش شدید لوله های حامل می شود.آنتراسیت با حدود ۷۵-۸۰ درصد کربن ثابت و قیمت کم بیشترین کاربرد جهت تزریق به کوره های قوس الکنریکی را داشته است.

آنتراسیت در ایران نیز به میزان قابل ملاحظه ای وجود داردو دارای منابع متعدد است.بنابراین به عنوان جایگزین کک نفتی،آنتراسیت مورد آزمایش قرار گرفت.

روش تحقیق

حدود ۲۵ تن آنتراسیت دانه بندی شده از منابع داخلی خریداری شد.قبل از انجام آزمایش های تزریق، از آنتراسیت نمونه برداری شد و آزمابش های دانه بندی (به وسله سیو و شیکر)، ترکیب شیمیایی، و سیالیت بر روی آن انجام شد.

این آزمایش ها بیشتر بخاطر مقایسه آنتراسیت با کک نفتی انجام شد تا چنانچه نیازی به تغییراتی در سیستم اپراتوری کوره است، انجام شود.آنتراسیت داخل بیگ بگ های یک تنی به وسیله جرثقیل سقفی به بونکر هشت تنی نزدیک کوره ۲ شارژ شد.

تزریق آنتراسیت با برنامه ریزی قبلی و شرایط مشخص شده در سه نوبت و به طور مستمر انجام گردید.اطلاعات اساسی کوره مانند میزان مصرف انرژی، وزن مذاب تخلیه شده، وزن آهن اسفنجی و قراضه شارژ شده،میزان پفکی شدن سرباره، کربن مذاب،اکسیژن تزریق شده،FeO سرباره، و البته مقدار انتراسیت تزریق شده در همه ذوب ها ثبت شد.

به منظور مقایسه اطلاعات مشابه برای ۱۰ ذوب نرمال (تزریق کک نفتی) قبل از انجام آزمایش و ۱۰ ذوب نرمال بعد از آزمایش ثبت شد.

نتایج و بحث

ترکیب شیمیایی و آنالیز دانه بندی آنتراسیت مصرفی در تحقیق در جدول ۱ نشان داده شده است.دانسیته بالک آنتراسیت ۰.۸۱۱ گرم بر سانتی متر مکعب و سیالیت (جریان چذیری) آن حدود ۷.۱ گرم بر ثانیه به دست آمد.

لازم به ذکر است که برای تعیین سیالیت یا جریان پذیری آنتراسیت دستگاه ساده ای طراحی شد که در حال ثبت است.با توجه به دانسیته بالک، مقدار دبی یا سیالیت حجمی آنتراسیت، ۸.۷۵ml/sec به دست آمد.

با توجه به مشخصات انتراسیت در مقایسه با کک نفتی که در ذوب های نرمال مصرف می شود، در شرایط تزریق و پارامترهای اجرایی مشخص شد و ۲۰ ذوب آزمایشی در کوره شماره ۲شرکت فولاد مبارکه انجام شد.

درمجموع حدود ۲۰۲۰۴ کیلوگرم انتراسیت در ۲۰ ذوب آزمایشی تزریق شد یعنی به طور متوسط حدود ۱۰۱۰ کیلوگرم بر هر ذوب. با توجه به کربن ثابت انتراسیت (%۷۵) مقدار کربن تزریق شده در هر ذوب به طور متوسط ۷۲۷ کیلوگرم بر تن میشود. این عدد برای ۲۰ ذوب نرمال قبل و بعد از آزمایش حدود ۸۶۰ کیلوگرم کک نفتی معادل۸۱۷ کیلوگرم کربن در ذوب بوده است که نشان میدهد مقدار متوسط کربن تزریقشده در ذوبهای آزمایشی قدری کمتر از ذوبهای نرمال بوده است.

مقدار انرژی مصرفی در هر ذوب و به ازای تولید یک تن فولاد مذاب در ذوب های آزمایشی نشان می دهد مصرف انرژی نوسانات زیادی داردکه ناشی از نوسان در ورودی های کوره است. متوسط مصرف انرژی برای تولید یک تن مذاب وقتی از آنتراسیت استفاده شد حدود ۵۴۱ کیلووات بر ساعت می باشد.

به طور مشابه مصرف انرژی برای ۲۰ذوب نرمال (مصرف کک نفتی) نیز نشان می دهد نوسانات مصرف انرژی در ذوب های نرمال نیز وجود دارد و متوسط مصرف انرژی برای تولید یک تن فولاد در ذوب های نرمال حدود ۵۷۳ کیلووات ساعت برای یک تن فولاد است یعنی حدود ۳۰kWh بیشتر از ذوب های آزمایشی با تزریق آنتراسیت.

درصد ( FeO وستیت) سرباره نیز پارامتر مهمی است که لازم بود مشخص شود. معمولاً مقدار وستیت سرباره برای هر ۵ ذوب یک بار تعیین میشود ولی برای ذوب های موردآزمایش درخواست شد در همه موارد اندازه گیری شود.

درهرحال نتایج گزارش شده برای ۱۲ ذوب، نشان میدهد متوسط درصد وستیت در سرباره حدود ۳۰ درصد میباشد.متوسط درصد وستیت سرباره در ذوب های نرمال نیز در بازه زمانی یک ماه حدود ۲۷درصد بوده است.

با توجه به اینکه اکسیداسیون آهن و تبدیل آن به وستیت گرمازا است لذا زیادتر بودن وستیت درذوب های آزمایشی کمتر بودن مصرف انرژی در آن را توجیه میکند. مجموعه اطلاعات به دست آمده از انجام ۲۰ ذوب با تزریق آنتراسیت بجای کک نفتی نشان میدهد این جایگزینی کاملاً امکانپذیر است.

با توجه به اینکه آنتراسیت با قیمت های به مراتب کمتر از کک نفتی از منابع داخلی تأمین می شود، اینجایگزینی علاوه بر صرفه جویی ارزی و قطع وابستگی به خارج مزایای اقتصادی قابل ملاحظه ای به همراه دارد.

نتیجه گیری

در این تحقیق با انجام آزمایش هایی در مقیاس صنعتی نشان داده شد که زغال آنتراسیت با داشتن شرایط فنی نزدیک به کک نفتی به خوبی قابلیت جایگزینی با کک نفتی را برای تزریق به کوره قوس الکتریکی دارد. این ماده نسبت به کک نفتی بسیار ارزانتر بوده و در داخل کشور قابل تهیه است لذا علاوه بر کاهش هزینه تولید به قطع وابستگی نیز کمک میکند.

مرجع: انجمن آهن و فولاد ایران، سمپوزیوم فولاد ۱۳۹۶