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

تولید سرباره پفکی در کوره های قوس الکتریکی فولادسازی یکی از راهکارهای شناخته شده برای حفاظت از اکسیداسیون الکترودها و نسوز کوره و نیز کاهش مصرف انرژی می باشد که فراورده های کربنی نظیر آنتراسیت(Anthracite)و کک نفتی این کار را به عهده میگیرند.

در اغلب کوره های فولادسازی 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 جهت تزریق به کوره قوس الکتریکی استفاده شد.

پس از انجام آزمایش های اولیه  بر روی آنتراسیت (Anthracite) مانند تعیین جریان پذیری (سیالیت) ،دانه بندی، میزان کربن ثابت، خاکستر، و مواد فرار، با بهینه سازی شرایط تزریق به تعداد ۲۲ ذوب آزمایشی که در کوره شماره ۲ شرکت فولاد مبارکه انجام شد و تأثیر 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 در صد)، سیالیت خوب ،راکتیویته بالا و خاکستر و مواد فرار کم، یک ماده کربنی ایده آل برای تزریق محسوب می شود. معمولاً 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 فسفرزدایی را نیز به عهده دارد. برای مشخص شدن خصوصیات مناسب یک ماده کربنی 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 ی مقابل لانس های دمش اکسیژن یا فصل مشترک سرباره و مذاب است.

1. C + O2 = CO2
2. ۲C + O2 = 2CO
3. CO2 + C = 2CO
4. FeO + CO = CO2

تا آنجا که به واکنش های بالا مربوط می شود مهم ترین 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 منتقل 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 آن می شود. در شرکت فولاد مبارکه مواد کربنی(کک نفتی) مسیر طولانی را از بونکر های خارجی به بونکرهای داخلی و نهایتا بونکر تحت فشار بالا برای تزریق طی می کند. انتقال به صورت پنوماتیک و تحت فشار می باشد.

بنابراین سیالیت و قابلیت سایندگی مواد نیز اهمیت پیدا می کند. مواد قابل 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 باشد تا باعث سایش لوله های انتقال نشود. طبیعی است که علاوه بر شرایط فنی، قیمت مناسب و در دسترس بودن و انحصاری نبودن نیز حائز اهمیت است.

همان طور 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 سال ها در شرکت فولاد مبارکه استفاده شده است .درهرحال در سال های اخیر قیمت کک نفتی به شدت افزایش یافته است که جذابیت آن را کاهش داده است. قیمت بالا و وارداتی بودن  کک نفتی (عدم دسترسی آسان)  باعث شده است صنایع فولاد به دنبال ماده جایگزین 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 عملاً چهار نوع زغال یا ماده کربن دار برای تزریق به کوره قوس الکتریکی مورد استفاده قرار گرفته است .

این مواد عبارت اند از کک نفتی ،کک متالورژی، گرافیت، و آنتراسیت .کک نفتی علی رغم کیفیت عالی بسیار گران قیمت است. کک متالورژی دارای قیمت مناسب است ولی بسیار ساینده می باشد و باعث سایش شدید لوله های حامل می شود .گرافیت دارای کربن ثابت بالا و مواد فرار کم است ولی گران قیمت می باشد.

انتراسیت با حدود ۷۲-۹۰ درصد کربن ثابت و قیمت کم بیشترین کاربرد را برای تزریق به کوره های قوس الکتریکی داشته است .

انتراسیت در ایران نیز به مقدار قابل ملاحظه ای وجود دارد و دارای منابع متعدد است .

بنابراین به عنوان جایگزین کک نفتی ، آنتراسیت مورد آزمایش قرار گرفت .

نتایج 

ترکیب شیمیایی و آنالیز دانه بندی انتراسیت مصرفی در تحقیق در جدول ۱ نشان داده شده است .دانسیته بالک انتراسیت ۰.۸۱۱ گرم بر سانتی متر مکعب و سیالیت آن حدود ۱/۷ گرم بر ثانیه به دست آمد. با توجه به دانسیته بالک; مقدار دبی یا سیالیت حجمی انتراسیت ^ml/sec  ۸.۷۵ به دست آمد.

با توجه به مشخصات انتراسیت در مقایسه با کک نفتی که در ذوب های نرمال مصرف  میشود. شرایط تزریق و پارامترهای اجرایی مشخص شد و۲۰ ذوب آزمایشی در کوره شماره ۲ شرکت فولاد مبارکه انجام شد .درمجموع حدود ۲۰۲۰۴کیلوگرم 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 ۷۵۷ کیلوگرم بر تن می شود.

این عدد برای ۲۰ ذوب نرمال قبل و بعد از آزمایش حدود ۸۶۰ کیلوگرم کک نفتی معادل ۸۱۷ کیلوگرم کربن در ذوب بوده است که نشان می دهد مقدار متوسط کربن تزریق شده در ذوب های آزمایشی قدری کمتر از ذوب های نرمال بوده است.

مقدار انرژی مصرفی در هر ذوب و به ازای تولید یک تن فولاد مذاب در ذوب های آزمایشی اندازه گیری شده است. ملاحظه می شود که مصرف انرژی نوسانات زیادی دارد ; که ناشی از نوسان در ورودی های کوره است .متوسط مصرف انرژی برای تولید یک تن مذاب وقتی از انتراسیت استفاده شد حدود ۵۴۱ کیلووات ساعت می باشد. نوسانات مصرف انرژی در ذوب های نرمال نیز وجود دارد و متوسط مصرف انرژی برای تولید یک تن فولاد; در  ذوبهای نرمال حدود ۵۷۳ کیلووات ساعت برای یک تن فولاد است یعنی حدود ^kWh ۳۰ بیشتر از ذوب های آزمایشی با تزریق انتراسیت. درصد ^FeO  سرباره نیز پارامتر مهمی است که لازم بود مشخص شود. معمولاً مقدار وستیت سرباره برای هر ۵ ذوب یک بار تعیین می شود ;ولی برای  ذوبهای مورد آزمایش درخواست شد در همه موارد اندازه گیری شود .درهرحال نتایج گزارش شده برای ۱۲ ذوب نشان  میدهد متوسط درصد وستیت(feo) در سرباره حدود ۳۰ درصد  میباشد.

متوسط درصد وستیت سرباره در  ذوبهای نرمال نیز در بازه زمانی یک ماه حدود ۲۷ درصد بوده است .با توجه به اینکه اکسیداسیون آهن و تبدیل آن به وستیت گرمازا است لذا زیادتر بودن وستیت در ;ذوب های آزمایشی کمتر بودن مصرف انرژی در آن را توجیه  میکند.

مجموعه اطلاعات به دست آمده از انجام ۲۰ ذوب با تزریق انتراسیت بجای کک نفتی نشان  ;میدهد این جایگزینی کاملاً امکان پذیر است .

با توجه به اینکه انتراسیت با قی متهای به مراتب کمتر از کک نفتی از منابع داخلی تأمین  میشود; این جایگزینی علاوه بر صرفه جویی ارزی و قطع وابستگی ;به خارج مزایای اقتصادی  قابل ملاحظهای به همراه دارد.

نتیجه گیری

در این تحقیق با انجام آزمایش هایی در مقیاس صنعتی نشان داده شد که زغال انتراسیت 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 ارزان تر بوده و در داخل کشور قابل تهیه است. لذا علاوه بر کاهش هزینه تولید به قطع وابستگی نیز کمک می کند.

در حال حاضر شرکت پتروسامان قابلیت ارائه انواع آنتراسیت با درصد کربن حداقل ۸۰ %  در دانه بندی های مرسوم بازار یا دانه بندی دلخواه مشتریان را تهییه و تولید نماید.

جدول شماره ۱

انالیز شیمیایی و فیزیکی