استفاده از HBI در تولید باEAF

جابه‌جایی و انبارشHBI کارخانه تولدو کارخانه ذوب باEAF

HBI کارخانه تولدو توسط راه‌آهن یا کامیون به کارخانه‌های EAF شرکت مذکور منتقل می‌شود. از آنجاکه کارخانه تولدو در نزدیکی کارخانه  EAF قرار دارد، زمان انتقال HBI می‌تواند به اندازه یک روز با کامیون و یک هفته با راه‌آهن کوتاه باشد. این کار اتلاف متالیزاسیون ناشی از پیر شدن را به حداقل می‌رساند. علاوه بر این، از آنجاکه در انتقال HBI داخلی جابه‌جایی کمتری انجام می‌شود، هرگونه تلفات ماده ناشی از شکستگی به حداقل می‌رسد. این موارد مزایای قابل توجهی را نسبت به هر HBI وارداتی نشان می‌دهند.در این شرکت، HBI در کارخانه‌های EAF به‌منظور حفظ با ثبات متالیزاسیون بالا به‌ صورت اولین ورودی و یا اولین خروجی (FIFO) مصرف می‌شود. متالیزاسیون HBI دریافتی نزدیک به ۹۵ درصد است. برای جلوگیری از اتلاف بیشتر متالیزاسیون به دلیل پیر شدن،HBIدر زیر سقف انبار می‌شود.

بارگیری در سبد قراضه

HBIاز طریق آهنربا در سبدهای قراضه EAF بارگیری می‌شود. هنگام تشکیل دادن شارژ کوره EAF، هدف اصلی به حداکثر رساندن بهره‌وری EAF، به حداقل رساندن هزینه و تامین الزامات ترکیب شیمیایی فولاد است. گرچه هر کارخانه محدودیت‌ها ودستورالعمل‌های خاص خود را برای شارژ سبد EAF دارد، برخی قواعد کلی هنگام استفاده از HBI در شارژ کوره EAF به شرح زیر اعمال می‌شوند:

HBI ابتدا برای جایگزینی قراضه دست اول، مانند بوشلینگ و بسته‌های صنعت ، به‌منظور به حداکثر رساندن ارزش مصرفی آن استفاده می‌شود. اگر هزینه HBI کمتر باشد یا مزایای قابل‌توجه دیگری وجود داشته باشد،کارخانه‌های ذوب می‌توانند قراضه ثانویه را نیز جایگزین کنند.

برای حفظ وزن تخلیه EAF یکسان، وزن شارژ افزایش می‌یابد تا بهره‌دهی کمتر HBI نسبت به قراضه جبران شود. برای مثال،حدود ۱/۱ تن HBI برای جایگزینی یک تن قراضه دست اول حاوی ۹۸ تا ۹۹ درصد آهن فلزی مورد نیاز است.

استفاده از HBI با عناصر باقی‌مانده کم امکان استفاده بیشتر از قراضه ثانویه “کثیف‌تر” و ارزان‌تر را در شارژ کوره فراهم می‌کند. برای مثال، کارخانه ذوبSteelton  به‌ طور قابل‌توجهی مقدار قراضه ذوبی سنگین را در شارژ ذوب‌های گرید ریلی با استفاده از HBI با عناصر باقی‌مانده کم آن افزایش داد.

به‌منظور به حداقل رساندن انباشتگی (کوه یخ) HBI درEAFدر طی ذوب کردن، مقدار کل HBI در شارژ به سبدهای مختلف ودر چند لایهدر یک سبد، تقسیم می‌شود.برای مثال، HBIبه سه لایه در هر سبد در کارخانه‌های ذوب باتلر (Butler) و منسفیلد (Mansfield) تقسیم می‌شود.حداکثر وزن HBI در هر لایه ۱۵ هزار پوند است.هم‌چنین به گونه‌ای لایه‌بندی می‌شودکه محصول از سبد ریزش نکند.

از آنجاکه HBI در شارژ، جایگزین قراضه می‌شود، مقدار افزودنی‌های سرباره‌ساز (آهک و آهک دولومیتی) افزایش می‌یابد تا بازیسیته سرباره حفظ شود.در برخی کارگاه‌ها، کربن شارژ نیز بر اساس کربن اضافی موجود در HBI کاهش داده می‌شود.

گرمایش و ذوب کردن HBI در EAF

ویژگی‌های ذوب کردن HBIبه دلیل خواص شیمیایی و فیزیکی منحصر به فرد آن با قراضه متفاوت است. شارژ مداوم HBI به EAF ترجیح داده می‌شود زیرابا خنثی کردن تلفات حرارت و زمان ناشی از چرخش سقف EAF و شارژ، نیاز انرژی EAF را به میزان قابل‌توجهی کاهش می‌دهد.هم‌چنین می‌توان با تطبیق نرخ تغذیه HBI باتوان کوره EAF و ورودی انرژی شیمیایی ازتشکیل انباشتگی‌های HBI جلوگیری کرد. مطالعات گسترده‌ای در مورد ذوب کردن HBI/DRI در حمام مذاب سرباره یا فولاد به‌عنوان مکانیزم اصلی ذوب کردن در EAF زمانی که HBI/DRI به‌طور مداوم به کوره تغذیه می‌شود، انجام شده است. در این حالت،هنگامی که بریکت HBI برای اولین بار با حمام مذاب تماس پیدا می‌کند، پوسته منجمدی از مواد حمام در اطراف بریکت تشکیل می‌شود زیرا به‌عنوان یک حرارت‌گیر عمل کرده و حمام اطراف آن را سرد می‌کند. با افزایش دمای بریکت، مواد این پوسته منجمد دوباره ذوب می‌شود. همان‌طورکه قبلاً ذکر شد، کربن و FeO موجود در بریکت شروع به واکنش و تشکیل CO می‌کنند. تشکیل COمیزان اختلاط حمام را افزایش می‌دهد، انتقال حرارت از حمام به بریکت را افزایش می‌دهد و بنابراین، سرعت ذوب آن را افزایش می‌دهد.

در کارگاه‌های ذوب این شرکت، HBI با استفاده از سبد به EAF شارژ می‌شود.در این وضعیت، بریکت HBI بسته به محل آن در سبد شارژ، ممکن است در تماس مستقیم با حمام مذاب قرار نداشته باشد. در عوض گرم و ذوب شدن بریکت دراتمسفر EAF بالای حمام مذاب اتفاق می‌افتد. Galvez و همکارانش مطالعه‌ای بر روی پیش‌گرمایش HBI در اتمسفر CO_۲ انجام دادند و دریافتند که اکسیدشدن آهن در HBI اما فقط با تشکیل یک لایه نازک اکسید روی سطح خارجی اتفاق می‌افتد. در دماهای بالاتر از ℃۶۰۰، اکسیدشدن HBI و احیای FeO توسط کربن در بریکت HBI به‌طور هم زمان اتفاق می‌افتد.

     به‌ طور کلی توصیه می‌شود هنگامی که HBI از طریق سبد قراضه شارژ می‌شود درصد HBI مورد استفاده در شارژ EAF (“HBI%”) کمتر از ۳۰-۲۵ درصد باشد. حد مجاز عملی درصد HBI برای هر کارگاه بسته به طراحی کوره EAF، مخلوط شارژ قراضه و انواع محصول آنها و… متفاوت خواهد بود. به‌طورکلی، کارگاه‌های ذوب‌برای اطمینان از ذوب کارآمدHBI شارژهای خود را طوری تشکیل می‌دهند که مقدار HBI در شارژ کمتر از حد مجاز “HBI%” باشد. اما، تلاش‌هایی برای به حداکثر رساندن مصرف HBI با فراتر رفتن از حد مجاز HBI انجام شده است. در این موارد، تجمع (آگلومره شدن) بریکت‌های HBI مشاهده شد. به‌منظور شناخت این محدودیت، آزمایش‌هایی در مرکز تحقیقات و نوآوری شرکت “کلیولند-کلیفز” برای درک بهتر این مشاهدات میدانی انجام شد.

  در این مطالعه، نمونه‌های HBI در یک کوره در دما ۸۵۰ درجه سانتی‌گراد، یک هزار و ۱۰۰ و یک هزار و ۳۵۰ درجه سانتی‌گراد به‌ ترتیب به‌ مدت ۱۰ دقیقه، ۱۵ دقیقه و ۲۰ دقیقه نگهداری شدند قبل از اینکه در یک ظرف با دمش گاز آرگون خنک شوند. تجمع بریکت‌های HBI در نمونه‌های نگه‌داشته شده در دمای ℃۱۳۵۰ به مدت ۲۰ دقیقه با سوراخ‌های ایجادشده در داخل بریکت‌ها، مشاهده شد (شکل۱). تجزیه‌ وتحلیل بیشتر این نمونه‌ها نشان داد که بریکت‌ها تشکیل فاز آهن مایع، ناپدید شدن مرزهای بین گندله‌های DRI در داخل بریکت HBI و تجمع منافذ کوچک در حفره‌های بزرگ را در حین گرم کردن تجربه کرده‌اند. فاز مایع تازه تشکیل‌شده حاوی محتوای کربن بسیار بالاتری نسبت به ماتریس اصلی HBI است.این می‌تواند نشان دهد که یک تبدیل فاز یوتکتیک در HBI در طی گرمایش رخ داده است تا فاز مایع با کربن بالا و فاز جامد کم‌کربن تشکیل شود. به گونه‌ای دیگر، فاز مایع می‌تواند به دلیلتجزیه Fe_۳C به آهن اشباع از کربن تشکیل شود کهدر دمای بسیار پایین‌تری نسبت به قسمت حجم بریکت ذوب می‌شود. تشکیل فاز مایع امکان حرکت و تجمع منافذ را فراهم می‌کند به‌ طوری که سوراخ‌های بزرگی در بریکت ایجاد می‌شود. اگر انجماد به‌دلیل تغییر دما اتفاق بیافتد، آهن مایع تازه تشکیل‌شده ممکن است بریکت‌های HBI را با هم ذوب کند که منجر به تشکیل تجمعات HBI در بالای حمام مایع در طی ذوب کردن در کوره EAF می‌شود.

نتایج عملیاتی کوره EAF

مقادیر مختلفی ازHBI (تا ۳۵ درصد در شارژ کوره) در کوره‌های EAF در این شرکت استفاده شده است. استفاده از HBI به عوامل زیادی مانند در دسترس بودن HBI، هزینه HBI در مقابل هزینه قراضه، ترکیب شارژ کوره، ترکیب محصول و… بستگی دارد. به دلیل ترکیب شیمیایی ثابت HBI از یک دسته تولیدی تا دسته دیگر، کنترل نقطه پایانی EAF و هم‌چنین کنترل ترکیب شیمیایی بهبود یافت. کربن اضافی در HBI نه تنها انرژی شیمیایی را برای کل مصرف انرژی فراهم می‌کند، بلکه باعث تقویت پفکی‌سازی سرباره EAF نیز می‌شود.در برخی از کوره‌ها مشاهده شد که پفکی‌سازی سرباره زودتر در ذوب رخ می‌دهد و برای مدت زمان طولانی‌تری حفظ می‌شود. از سوی دیگر، استفاده از HBI در شارژ سبدی تا حدی بر مصرف برق EAF و بهره‌دهی فلزی کوره تأثیر خواهد داشت. از آنجاکهHBIحاوی مقداری گانگ است، برای ذوب شدن به انرژی اضافی و هم‌چنین سرباره‌ساز اضافی برای حفظ بازیسیته سرباره نیاز دارد. اما، تأثیر استفاده از HBI بر عملیات EAF، خاص هر کارخانه و وابسته به کوره است. جدول (۳) کوره‌هایEAF  شرکت مذکور و داده‌های فنی آنها را فهرست می‌کند.

به‌عنوان یک کوره معمول EAF فوق‌العاده پر قدرت (UHP)، کورهEAFشماره ۵ کارخانه “باتلر”در ادامه برای مثال برای نشان دادن تاثیر استفاده از HBI بر پارامترهای کوره EAF مانند مصرف برق، زمان پاور-آن و بهره‌دهی فلزی مورد استفاده قرار خواهد گرفت.

مصرف برق

همان‌طورکه در شکل (۲) نشان داده شده است، مصرف برق با افزایش درصد HBI در شارژ کوره برای هر دو گرید A (شیوه فولاد کربنی) و گرید B (شیوه فولاد ضد زنگ) افزایش می‌یابد. زمانی که HBI درصد کمتر از تقریبا ۲۵ درصد باشد، همبستگی تقریباً خطی است، اما بالای ۲۵ درصد HBI مصرف برق با سرعت بیشتری افزایش می‌یابد. این را می‌توان تا حدی با تشکیل تجمع HBI در بالای ۲۵ درصد HBI توضیح داد که منجر به تاخیر در ذوب کردن وافزایش مصرف برق می‌شود. برای به حداقل رساندن این تاثیر، درصد HBI در شارژ کوره در کارخانه ذوب “باتلر” معمولاً زیر ۲۵ درصد حفظ می‌شود.

زمان پاور-آن

زمان پاور-آن کوره توسط کل برق مورد نیاز و میانگین نرخ برق ورودی دیکته می‌شود. استفاده از HBI تأثیر قابل‌توجهی بر میانگین نرخ برق ورودی ندارد. در نتیجه، زمان پاور-آن کوره با افزایش درصد HBI در شارژ کوره به دلیلافزایش نیاز به توانالکتریکی افزایش می‌یابد، از روندهای مشابه نشان داده شده در شکل (۳) برای هر دو گرید A و B تبعیت می‌کند.

بهره‌دهی فلزی کوره

همان‌طورکه در شکل (۴) نشان داده شده است، با افزایش درصد HBI در شارژ کوره برای هر دو گرید A و B، بهره‌دهی فلزی EAF کاهش می‌یابد. کاهش بهره‌دهی فلزی کورهEAFبه دلیل بهره‌دهی فلزی کمتر HBIنسبت به قراضه و افزایش تلفات بهره‌دهی در سرباره کوره مرتبط با افزایش حجم سرباره ذکرشده در بالاست.

مزایای استفاده از HBI در EAF

حتی اگر استفاده از HBI در عملیات EAF تأثیر منفی بر مصرف برق، زمان پاور-آن و بهره‌دهی فلزی داشته باشد، مزایای قابل‌توجهی نیز بدست آمده است که در زیر خلاصه می‌شود:

مزیت هزینه: HBIدریافت‌شده از کارخانه تولدو یک ماده تامین‌شده داخلی است و هزینه آن به‌طور قابل‌توجهی کمتر از چدن خام، قراضه دست اول و اغلب حتی کمتر از قراضه ثانویه است. استفاده از HBI هم‌چنین به کارگاه ذوب امکان می‌دهد تا ازدرصد بالاتری از قراضه “کثیف” کم‌هزینه در ترکیب شارژ خود استفاده کند که باعث افزایش بیشترمزیت هزینه می‌شود. برخی از کارگاه‌ها هم‌چنین از کاهش مصرف کربن شارژ به دلیل کربن موجود در HBI با نرخ بازیابی بسیار بالاتر (بیش از ۹۰ درصد) نسبت به کربن شارژ کوره (۶۰-۴۰ درصد) مزیت هزینه بدست آوردند.

مزیت کنترل ترکیب شیمیایی: استفاده از HBI نه تنها مقدار عناصر باقی‌مانده مانند مس، گوگرد، منگنز، نیکل، قلع و مولیبدن را در فولاد با رقیق‌سازی کاهش می‌دهد، بلکه ترکیب شیمیایی پیش‌بینی‌پذیرتر و یکنواخت‌تری را بدست می‌دهد که کنترل ترکیب شیمیایی فولاد را بهبود می‌بخشد. HBI همچنین به کاهش نیتروژن در فولاد تخلیه‌شده از EAF به دلیل رقیق شدن و بهبود پفکی‌سازی سرباره کمک می‌کند.

مزیت چگالی بالا: چگالی فله‌ای HBIحدود دو برابر قراضه معمولی است.بریکت‌های HBI می‌توانند در فضاهای بین قراضه قرار گیرند تا چگالی فله‌ای موثر کلی در سبد قراضه را افزایش دهند. تراکم بالاتر می‌تواند تعداد شارژهای سبد را کاهش دهد، امکان استفاده بیشتر از مواد اولیه کم‌تراکم کم‌هزینه را افزایش دهد و فضای انبارش مورد نیاز را کم کند. برای مثال، کوره EAF شماره ۸ کارخانه “Mansfield” تعداد شارژهای سبدی را از سه به دو کاهش داد. در نتیجه، زمان ذوب تا ذوب به‌طور متوسط ۱۵ دقیقه در هر ذوب کاهش یافت که منتج به بهبود بهره‌وری EAF شماره ۸ شد.

فرصت‌های بیشتر برای بهبود ارزش HBI:

علاوه بر مزایای بدست آمده قبلی در کارخانه‌های ذوب EAF  شرکت “کلیفز”، تلاش‌هایی برای بهبود بیشتر ارزش HBI در عملیات EAF در حال انجام است. یک مثال کاهش محتوای FeO در سرباره کوره به منظور بهبود بهره‌دهی فلزی کوره است. در کارخانه ذوب “باتلر”،روش‌های تزریق اکسیژن و کربن EAFبرای کاهش محتوای FeO در سرباره کوره در گریدهای انتخاب‌شده تنظیم می‌شود. برای این گریدها، کنترل منگنز دلیل اصلی نیاز به O ppm بالا (بنابراین محتوای FeO بالا) است. استفاده از HBI در کوره به دلیل کم بودن منگنز در HBI، محتوای منگنز در فولاد را کاهش می‌دهد و امکان کاهش FeO در سرباره را بدون تأثیر بر کنترل منگنز فراهم می‌کند.