مقاله تولید آهن به روش اسفنجی

توجه : به همراه فایل word این محصول فایل پاورپوینت (PowerPoint) و اسلاید های آن به صورت هدیه ارائه خواهد شد

  مقاله تولید آهن به روش اسفنجی دارای ۴۸ صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است

فایل ورد مقاله تولید آهن به روش اسفنجی  کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه  و مراکز دولتی می باشد.

توجه : در صورت  مشاهده  بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی مقاله تولید آهن به روش اسفنجی،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد

بخشی از متن مقاله تولید آهن به روش اسفنجی :

مقدمه
از بین روشهای صنعتی احیای مستقیم کانه های آهن که از گاز طبیعی استفاده می کنند ، تولید اهن اسفنجی به روش میدرکس توسعه چشم گیری داشته است . باردهی مداوم آهن اسفنجی به صورت سرد یکی از روش میدرکس می باشد . واحدهای متعددی به این روش در دهه اخیر در کشورهای مختلف تاسیس و شروع به کار کرده اند .

ابداع روش میدرکس به وسیله D .Beggs w .t .marton و تحقیقات لازم برای توسعه آن از سال ۱۹۶۵ میلادی درشرکت  میدلند- روس انجام گرفت . در سال ۱۹۷۶ میلادی یک واحد احیای مستقیم آزمایشی با تولیدی برابر ۵/۱ تن آهن اسفنجی در ساعت در توله دو واقع در اوهیو و سپس واحد دیگری به ظرفیت سالیانه ۱۵۰هزار تن در پرتلند ، آمریکا تاسیس شد که در سال ۱۹۶۹ میلادی شروع به تولید کرد . متعاقباً ، واحدهای دیگری در چرجتاون آمریکا و در کارخانه فولادسازی هامبورگ، تاسیس شدند که در سال ۱۹۷۱ میلادی راه افتادند . واحد بعدی سیدبک رد کانادا بود که در سال ۱۹۷۳ میلادی راه اندازی شد . در ژانویه ۱۹۷۴ میلادی ، اجازه ساخت کارخانه های تولید آهن اسفنجی به روش میدرکس به گروهفولاد کورف واگذار شد.

در کشورهای پیشرفته صنعتی مانند آمریکا و آلمان فدرال، کانادا ، اتحاد جماهیر شوروی و نیز کشورهایی که دارای منابع غنی گاز طبیعی هستند ، در دهه گذشته از تولید آهن اسفنجی به روش میدرکس استقبال کرده اند .
مضافاً به اینکه ابعاد و ظرفیت تولید آهن اسفنجی کوره های احیا در واحدهای میدرکس گسترش چشمگیری یافته است و مثلاً قطر کوره  احیا در مدول ۲۰۰ ، ۶/۳ متر ، قطر کوره احیا در مدول ۴۰۰ ، ۸۸/۴ متر ، ظرفیت روزانه نسل اول آن مدول ۱۰۰۰ و ظرفیت روزانه نسل دوم آن ۱۲۵۰ تنبودهاست اما قطر کوره احیا در مدول ۴۰۰ به ۵/۵ متر و ظرفیت روزانه آن به حدود ۱۷۰۰ تن اهن اسفنجی افزایش یافته است . به عقیده سازندگان واحدهای میدرکس  گسترش ظرفیت کوره های احیا به دلایل اقتصادی ممکن می باشد . گرچه در این زمین دلایل کافی در دست نیست ولی این امر طبیعی به نظرمی رشد .در اغلب روشهای صنعتی تولید آهن اسفنجی به روش میدرکس ، گاز طبیعی به عنوان عامل احیا کننده و گرما زا مصرف می شود .

یک واحد میدرکس از دو قسمت اصلی تشکیل می شود :
قسمت اول ، تجهیزات لازم برای تبدیل گاز طبیعی به گاز احیا کننده .
قسمت دوم ،تجهیزات لازم برای احیای کسیدهای آهن توسط گاز احیا کننده .

 تولید آهن اسفنجی  گاز احیا کننده به روش میدرکس مداوم است . درزیر باختصار تجهیزات واحدهای میدرکس تشریح می شود .
ذکر این نکته ضروری است که چون تجهیزات واحدهای مختلف و نیز ویژگی احیا به این روش در دهه گذشته تغییرات زیادی داشته لذا خصوصیات ارائه شده در زیر مربوط به واحدهایی است که ویژگی آنها در منابع منتشر شده و برای کلیه واحدهای میدرکس عمومیت ندارد .
تجهیزات انتقال بار به کوره احیا و تخلیه آهن اسفنجی از کوره به روش میدرکس در سیستم میدرکس ، بار گندله یا سنگ آهن خرد شده پیش از ورود به سیلوهای روزانه سرند می شوند. دانه بندی بار برای کوره از این قرار است :
بار درشتر از ۵۰ میلیمتر
بار بیشتر از ۶تا۵۰ میلیمتر
بار بین ۳ تا ۶ نیلیمتر
و بار زیر ۳ میلیمتر

بار با دانه بندی ۶ تا ۵۰ میلیمتر و ۳ تا ۶ میلیمتر به نسبت معینی در کوره احیا تغذیه می شود . برای دانه بندی گندله و یا سنگ آهن خرده شده و به روش میدرکس تجهیزاتی پیش بینی شده است . همچنین آهن اسفنجی تولید شده در کوره احیا پیش از ورود به سیلوها و مصرف مستقیم سرند می شوند و نرمه آن در برخی از واحدها به خشته تبدیل شده و در برخی مستقیماً در کوره های قوس الکتریکی به مصرف       می رسد . طرح برخی از تجهیزات انتقال گندله و سنگ آهن خرد شده به کوره و نیز آهن اسفنجی به صورت گندله و یا کلوخه در می آید .

در یک میدرکس بار به وسیله نوار نقاله از سیلوهای روزانه به مخزن تغذیه قیف مانندی که در بالای کوره قرار گفته ،تخلیه میگردد . این مخزن در واحدهای میدرکس مستقر در مجتمع فولاد اهواز ۷۵ متر مکعب گنجایش دارد . هنگامی که نوار نقاله کار نمی کند ، گندله این مخزن به عنوان ذخیره مورد استفاده قرار می گیرند .ضمناً گندله می تواند توسط یک اسکیپ بالا برنده (به جای نوار نقاله ) در این مخزن تخلیه گردد .
سطح مواد در مخزن بالای کوره از طریق میله ای رادیو اکتیو تعیین می گردد. این میله از طرفی با سطح بار و از طرف دیگر با سیستم کنترل در تماس می باشد و سطح بار به طور اتوماتیک اندازه گیری می گردد .

در صورتی که گندله در این مخزن در چهار سطح زیر باشد . سیستم کنترل علائم هشدار دهنده ذیل را مخابره می کند :
۱-بالاترین سطح بار:         اخطار داده می شود
۲-پر                   :      دستور توقف نوار نقاله تغذیه کننده بار به مخزن صادر
                                می گردد.
۳-خالی               :    دستور کارنوار نقاله تغذیه کننده باربه مخزن صادر میشود .
۴-پایین ترین سطح:   تخلیه کوره متوقف و اخطار لازم داده می شود .

مخزن بالای کوره توسط لوله نسبتاً طویلی به قسمت توزیع کننده بار (آپولو) ارتباط دارد. چون مخزن تغذیه بار در بالای موره روباز است ، لذا برای جلوگیری از داخل کوره جریان دارد و فشارآن به طور اتوماتیک کنترل می گردد . به این وسیله از نشت گاز احیا کننده کوره به خارج جلوگیری به عمل می آید . گاز خنثی نیز به علت طویل بودن لوله های رابط بین مخزن تغذیه بار و ۱۲ لوله توزیع کننده بار در کوره به خارج کوره نفوذ نمی کند .

مضافاً به اینکه زیر مخزن تجهیزاتی برای آب بندی گاز پیش بینی شده است که از این قرار می باشند :
۱-    دریچه کشوئی هیدرولیکی که در هنگام خالی شدن مخزن به طور اتوماتیک بسته می شود و از خروج گاز به خارج جلوگیری به عمل     می آورد .
۲-    فلانچها که برای جلوگیری از خروج گاز نصب شده و در مواقع اضطراری آنها به وسیله بازوی هیدرولیکی از هم باز و یک صفحه به وسیله دست بین آنها قرار داده می شود .
۳-    یک کمپنزاتور که برای تعدیل انبساط حرارتی کوره پیش بینی شده است .
توزیع یکنواخت گدله در کوره احیا برای جریان یکنواخت گاز احیا کننده در بین گندله ها  از اهمیت خاصی برخوردار است . با احیای بار گندلهدر کوره ، درجه فلزی آن بالا می رود ، درجه فلزی آهن اسفنجی تولید شده در کورههای میدرکس حدود ۹۲ در صد و اکسید آهن احیا نشده در آهن اسفنجی به صورت وسیت می باشد .

در شروع راه اندازی کوره احیا ، بار به میزان کافی احیا نمی گردد . لذا درجه فلزی آهن اسفنجی تولید شده کافی نیست به این علت بار مجدداً به کوره برگشت داده می شود . مسیر جریان بار برگشتی به کوره نیز می شود .
گندله های آهن اسفنجی سرد پس از خروج از کوره سرند می گردند . میزان نرمه آهن اسفنجی زیر ۵ میلیمتر در روند احیا به روش میدرکس حدود ۲/۰ در صد است . نرمه می تواند مستقیماً یا پس از خشته شدن در واحد فولاد سازی مصرف می گردد . آهن اسفنجی درشتر از ۵۰ میلیمتر خرد و همراه سایر گندله ها به مخزن ذخیره حمل ودر آنجا انبار می شوند . طرح تجهیزات دانه بندی گندله های آهن اسفنجی  داده شده است .  همچنین سیلوهای ذخیره آهن اسفنجی دیده می شود . در این مخازن برای جلوگیری از اکسایش گندله ها ، گازی خنثی جاری است .

تجهیزات کوره احیا به روش میدرکس
واحدهای صنعتی احیای مستقیم که به روش میدرکس آهن اسفنجی تولید می کنند در دهه گذشته به سرعت تکامل یافته اند . در این بخش کوشش می شود باختصار تجهیزات کوره های تولید آهن اسفنجی به روش میدرکس که مشابه آنها در مجتمع فولاد اهواز مستقر هستند و یا در مبارکه مستقر خواهند شد بررسی شود .

کوره احیا به روش میدرکس
کوره احیا در روش میدرکس از یک قسمت فوقانی و یک قسمت تحتانی تشکیل شده است . قسمت فوقانی کوره که منطقه اصلی احیا    می باشد، استوانه ای به قطر ۸/۴ تا ۵ متر و ارتفاع ۹ متر است که حجم مفید آن حدود ۲۲۰ متر مکعب می باشد ، اما کل ارتفاع کوره ۱۲ تا ۱۴ متر می باشد .
بار به صورت سنگ آهن خزد شده یا گندله سنگ آهن از بالای کوره به طرف پایین جریان داشته و در مدتی حدود ۵/۶ ساعت در منطقه  احیا به وسیله گاز احیا کننده به اهن اسفنجی تبدیل می شود . گاز احیا کننده از بالای کلوخه شکنهای فوقانی ازطرق لوله کمربندی وارد کوره شده ودرخلاف جهت نزول بار ، جریان می یابد . گاز کم کم سرد و پس از حذف رطوبت گندله ، آن را احیا و خود تا اندازه ای اکسید می شود . طرح لوله کمربندی برای توزیع گاز احیا کننده در کوره آمده  است .

درجه حرارت و فشار در کوره احیا
احیای اکسیدهای آهن به روش میدرکس به طور کلی بر اساس واکنش زیر انجام می شود :
۱-    Fe2o3 +3h2 = 2fe+3H2O
۲-              Fe2o3+3co=2fe+3vo2
جداره داخلی کوره توسط نسوزهای مقاوم در برابر سایش و مواد عایق پوشانده شده است تا از تلفات حرارتی کوره تا اندازه ای کاسته شود، مع هذا دمای دیواره خارجی کوره حدود ۱۰۰ درجه سانتیگراد می باشد . تغییر دمادر طول کوره احیا به صورت شماتیک نشان داده شده است.ملاحظه می گردد که درجه حرارت در قسمت عمده طول کوره تا اندازه ای ثابت می باشد .
دمای احیا در کوره میدرکس به وسیله حرارت گاز احیا کننده تنظیم می گردد .درجه حرارت از طریق دما سنج هایی که در سه ناحیه کوره مستقر هستند ، اندازه گیری ودمای کوره به طور خودکار تنظیم می گردد که حدود ۷۶۰ درجه سانتیگراد می باشد . فقط در قسمت بالای کوره یعنی جایی که گندله های سرد وارد کوره می شوند ،درجه حرارت به شدت کاهش می یابد به طوری که دمای گاز خروجی از کوره حدود ۴۵۰ درجه سانتیگراد است  .

فشار گاز در داخل کوره در حین تولید بالاتر از فشار محیط و بالغ بر ۸/۱ بار است . برای جلوگیری از مخلوط شدن گاز سرد کننده آهن اسفنجی و گاز احیا کننده ،فشار گاز سرد کننده در محل خروج توسط یک سیستم کنترل و برابر فشار گاز احیا کننده ورودی به کوره می گردد .

توزیع گاز سرد کننده آهن اسفنجی در کوره احیا
درجه تخلخل آهن اسفنجی زیاد است لذا امکان اکسایش مجدد آهن اسفنجی گرم ، در هوا وجود دارد . به این علت آهن اسفنجی در قسمت تحتانی کوره توسط گاز سرد کننده ای خنک می گردد تا از فعالیت آن کاسته شود . در این قسمت امکان تولید دوده و تشکیل سمانتیت در سطح آهن اسفنجی وجود دارد :
۳-    ۳fe +co+H2=Fe3c +H2o

برای تولید آهن اسفنجی با کربن پایین باید گاز احیا کننده فاقد متان بوده و ترکیب آن مناسب باشد . قسمت تحتانی کوره در واحد میدرکس به شکل مخروطی ناقص ساخته شده است . در این قسمت آهن اسفنجی به وسیله گاز سرد کننده ای که در مداری بسته جریان دارد ، خنک شده و با دمایی حدود ۳۰ تا ۵۰ درجه سانتیگراد از کوره خارج می گردد .
توزیع کننده گاز سرد در کوره از یک سری لوله هایی با قطرهای متفاوت که درون یکدیگر قرار گرفته اند ، تشکیل شده است .
برای سرد شدن یکنواخت گندله ها ، فشار گاز سرد کننده به نحوی تنظیم می گردد که گندله هلای میان کوره به طرف دیواره کوره هدایت گردند تا فرصت کافی برای خنک شدن داشته باشند. گاز سرد کننده که توسط آهن اسفنجی تا حدود ۴۰۰ درجه سانتیگراد سرد می شود پس از خروج از کوره با آب  شسته می شود تا دمای آن به حدود ۴۰ درجه سانتیگراد برسد . سپس مجدداً توسط کمپرسوری متراکم می گردد و به توزیع کننده گاز برگردانده می شود  . توضیح اینکه زمان مکث آهن اسفنجی در قسمت سرد کننده کوره حدود ۵ ساعت می باشد .

خوشه شکنهای کوره احیا
به علت تماس و فشار مکانیکی گندله های آهن اسفنجی به یکدیگر در درون کوره احیا چسبیدن آنها به یکدیگر و تشکیل خوشه های آهن اسفنجی ممکن می باشد. لذا برای خرد کردن خوشه های آهن اسفنجی احتمالاً تشکیل شده و نیز تنظیم یکنواخت جریان بار در کوره ، در قسمت تحتانی کوره در سه محل بترتیب زیر هفت خوشه شکن نصب شده است :
۱-    سه خوشه شکن فوقانی
۲-    سه خوشه شکن وسطی
۳-     یک خوشه شکن پائینی

کلوخه شکنهای بالایی به علت درجه حرارت زیاد در کوره توسط آب سرد می گردند در صورتی که خوشه شکنهای وسطی و پائینی نیازی به سرد شدن ندارند . مکانیسم حرکت خوشه شکنها هیدرولیکی و زاوایه چرخش آنها به طور دوراه ای ۵/۲۲ درجه به راست و ۵/۲۲ درجه به چپ می باشد .  برای اینکه خوشه شکنها بیش از حد لازم آهن اسفنجی را خرد نکنند و سایش آنها و گندله ها حداقل باشد ، سرعت چرخش آنها با سرعت جریان مواد در کوره هماهنگ می گردد . کلوخه شکنها نه تنها خوشه های آهن اسفنجی را خرد می کنند بلکه سرعت جریان بار در کوره را تنظیم     می کنند.

پاروی تخلیه آهن اسفنجی در کوره میدرکس
سرعت تخلیه آهن اسفنجی از کوره توسط پارویی که در پائین ترین قسمت کوره احیا نصب شده است و حرکت چرخشی رفت و برگشتی دارد، تنظیم می گردد .هرچه سرعت حرکت پارو بیشتر باشد ،سرعت تخلیه مواد از کوره سریعتر خواهد بود . سرعت حرکت پارو با چرخش خوشه شکنهای وسطی و پائینی هماهنگی می باشد .

تولید گاز احیا کننده به روش میدرکس
اکسایش جزیی گاز طبیعی در روش میدرکس برای تولید گاز احیا کننده با قسمتی  از گاز خروجی کوره احیا به طور مداوم به صورت رکوپراتیو در راکتور تولید گاز (رفورمر) انجام می شود . به این وسیله گاز طبیعی که قسمت عمده آن متان است با عوامل اکسید کننده گاز خروجی کوره احیا که از هیدروژن اکسید کربن ، بخار آب ،گاز کربنیک و متان تشکیل شده به صورت جزیی اکسید شده و به طور عمده به هیدروژن و اکسید کربن تبدیل می شود .

 واکنش کلی اکسایش جزیی متان چنین است :
۴-    CH4+H2O =3H2+CO
۵-     CH4+CO2=2H2 +2CO

بدیهی است ترکیب گاز تولید شده بستگی به دما ، فشار، نسبت عوامل اکسید کننده و نیز بازده واکنشها دارد . چون برای اکسایش جزیی گاز طبیعی به بهره مناسب به دمای بالا نیاز است ، لذا مقداری حرارت به طور دائم به راکتور تولید گاز احیا کننده داده می شود .

ساختمان راکتور تولید گاز احیا کننده به روش میدرکس
راکتور تولید احیا کننده به روش میدرکس به شکل مکعب مستطیل طراحی شده است . طول آن حدود ۴۰ متر ، عرض آن ۱۰ متر و ارتفاع آن ۸ متر می باشد . دیواره این راکتور با آجرهای مخصوص عایق بندی شده است ، مع هذا دمای بدنه خارجی آن حدود ۱۰۰ درجه سانتیگراد می باشد .
در این راکتور ۲۸۸ لوله فولادی در چهار ردیف ۷۲ تایی قرار دارد که درون آنها با سفال و کاتالیزور پر شده است . این لوله ها به طور عمودی و به فواصل معین در راکتور قرار دارند ظرفیت راکتورهای تولید گاز احیا کننده به تعداد ، ابعاد و ویژگی کاتالیزورها درون آن بستگی دارد .
چون تولید گاز احیای کننده از مخلوط گاز طبیعی وگاز خروجی کوره احیا ،گرما گیر و دمای ۷۵۰مناسب درجه سانتیگراد می باشد .لذا باید به طور مداوم حرارت به راکتور داده شود . به این منظور راکتور تولید گاز احیای کننده توسط مشعلهایی گرم می شود به راکتور گاز در راکتور به حدود ۹۰۰ درجه سانتیگراد رسانده می شود . مجموعاً ۱۲۰ مشعل اصلی در ردیف ۵ در کف راکتور بین لوله ها و مجموعاً ۴۸ مشعل کمکی در سه ردیف و در بین مشعلهای اصلی قرار گرفته اند . مشعلهای کمکی برای تنظیم دمای راکتور در نظر گرفته شده اند .
دود حاصل از احتراق سوخت مشعلها توسط دو کانال با دمای ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد از راکتور خارج و با بازیاب حرارتی وارد می گردد . گاز سوخت مشعلها ، هوای سوخت آنها و مخلوط گاز طبیعی و گاز خروجی کوره (پروسس گاز) هر یک توسط دو لوله اصلی یه مشعلها و لوله های راکتور وارد و گاز احیا کننده تولید شده توسط دو لوله اصلی جمع و به کوره احیا انتقال می یابد .

لوله های راکتور گاز احیا کننده به روش میدرکس
لوله های فولادی درون راکتور تولید گاز احیای کننده در واحد میدرکس در مجتمع فولاد اهواز با قطر داخلی ۲۰۰ میلیمتر و ضخامت ۱۱ میلیمتر ، ۹ متر طول دارد که ۸ متر از طول آنها در معرض حرارت قرار دارند .
لوله ها توسط شیلنگهای انعطاف پذیر از پایین به یکی از دو لوله اصلی توزیع کننده مخلوط گاز طبیعی وگاز خروجی کوره و از بالا به یکی از دو لوله اصلی گاز احیا متصل می باشند . از هر لوله اصلی توزیع کننده ۱۴۴ شیلنگ منشعب می گردد . برای جلوگیری از نشت گاز به خارج محل اتصال آنها به لوله های اصلی ، آب بندی می باشد . یکی از لوله های راکتور تولید گاز احیا کننده و نیز شیلنگهای اتصال آن به لوله توزیع مخلوط گاز و لوله های راکتور تولید گاز احیا کننده و نیز شیلنگ های اتصال آن به لوله توزیع مخلوط گاز احیا کننده نشان داده شده است .
این لوله ها از فولاد فوق العاده مقاوم دربرابرحرارت با ۳۵درصد نیکل ،۲۵درصد کروم ، کربن بالا به علاوه نیوبیوم ریخته و سپس به یکدیگر جوش داده می شوند .برای جلوگیری از خووردگی درون آنها قسمت داخلیشان کاملاً ماشینکاری شده است .

کنترل راکتور تولید گاز احیا کننده (رفورمر) به روش میدرکس
برای تامین گرمای لازم در راکتور مشعلهایی نصب شده که لوله های فولادی را احاطه کرده اند . مشعلها دو نوع هستند . یک نوع در بین دیواره راکتور و لوله ها قرار دارند که اصلی هستند و سوخت آنها مخلوط گاز طبیعی وگاز خروجی کوره احیاست . با تغییر میزان در صد گاز طبیعی درسوخت این مشعلها می توان دمای راکتور را تنظیم کرد . مشعلهای نوع دوم که کمکی هستند ، در سه ردیف و بین مشعلها می توان دمای اصلی قرار گرفته اند . در موقع راه اندازی راکتور و نیزدر شرایط اضطراری مثلاً در موقع تعمیر برخی از لوله ها که گاز به طور موضعی در آنها جاری است و تنظیم موضعی درجه حرارت ضروری می باشد ، آنها کار می کنند و سوختشان گاز طبیعی است .
در داخل اتاق احتراق راکتور تولید گاز احیا کننده (رفورمر) ، فشار مکش حکم فرما می باشد و تحت این شرایط در صورت نشتی در راکتور هوا به داخل آن نفوذ می کند و عواقب نا مطلوبی ندارد . اما برعکس در صورت وجود اضافه فشار نسبت به خارج آن ، دود اتاق احتراق می تواند به خارج نشت کرده و عواقب نا مطلوبی به همراه داشته باشد .
معمولاً برای سوختن گازها از هوای اضافی استفاده می گردد . اگر هوای اضافی بیش از حد مطلوب باشد گاز های حاصل از احتراق دارای مقداری اکسیژن خواهند بود ، برعکس اگر هوای لازم کافی نباشد احتراق به طور کامل انجام نخواهد گشت ، در هر دو حالت سیستم با اشکالاتی همراه خواهد شد .