مقاله تولید آهن به روش اسفنجی

توضیحات

  مقاله تولید آهن به روش اسفنجی دارای 48 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 كانه های آهن كه از گاز طبیعی استفاده می كنند ، تولید اهن اسفنجی به روش میدركس توسعه چشم گیری داشته است . باردهی مداوم آهن اسفنجی به صورت سرد یكی از روش میدركس می باشد . واحدهای متعددی به این روش در دهه اخیر در كشورهای مختلف تاسیس و شروع به كار كرده اند .

ابداع روش میدركس به وسیله D .Beggs w .t .marton و تحقیقات لازم برای توسعه آن از سال 1965 میلادی درشركت  میدلند- روس انجام گرفت . در سال 1976 میلادی یك واحد احیای مستقیم آزمایشی با تولیدی برابر 5/1 تن آهن اسفنجی در ساعت در توله دو واقع در اوهیو و سپس واحد دیگری به ظرفیت سالیانه 150هزار تن در پرتلند ، آمریكا تاسیس شد كه در سال 1969 میلادی شروع به تولید كرد . متعاقباً ، واحدهای دیگری در چرجتاون آمریكا و در كارخانه فولادسازی هامبورگ، تاسیس شدند كه در سال 1971 میلادی راه افتادند . واحد بعدی سیدبك رد كانادا بود كه در سال 1973 میلادی راه اندازی شد . در ژانویه 1974 میلادی ، اجازه ساخت كارخانه های تولید آهن اسفنجی به روش میدركس به گروهفولاد كورف واگذار شد.

در كشورهای پیشرفته صنعتی مانند آمریكا و آلمان فدرال، كانادا ، اتحاد جماهیر شوروی و نیز كشورهایی كه دارای منابع غنی گاز طبیعی هستند ، در دهه گذشته از تولید آهن اسفنجی به روش میدركس استقبال كرده اند .
مضافاً به اینكه ابعاد و ظرفیت تولید آهن اسفنجی كوره های احیا در واحدهای میدركس گسترش چشمگیری یافته است و مثلاً قطر كوره  احیا در مدول 200 ، 6/3 متر ، قطر كوره احیا در مدول 400 ، 88/4 متر ، ظرفیت روزانه نسل اول آن مدول 1000 و ظرفیت روزانه نسل دوم آن 1250 تنبودهاست اما قطر كوره احیا در مدول 400 به 5/5 متر و ظرفیت روزانه آن به حدود 1700 تن اهن اسفنجی افزایش یافته است . به عقیده سازندگان واحدهای میدركس  گسترش ظرفیت كوره های احیا به دلایل اقتصادی ممكن می باشد . گرچه در این زمین دلایل كافی در دست نیست ولی این امر طبیعی به نظرمی رشد .در اغلب روشهای صنعتی تولید آهن اسفنجی به روش میدركس ، گاز طبیعی به عنوان عامل احیا كننده و گرما زا مصرف می شود .

یك واحد میدركس از دو قسمت اصلی تشكیل می شود :
قسمت اول ، تجهیزات لازم برای تبدیل گاز طبیعی به گاز احیا كننده .
قسمت دوم ،تجهیزات لازم برای احیای كسیدهای آهن توسط گاز احیا كننده .

 تولید آهن اسفنجی  گاز احیا كننده به روش میدركس مداوم است . درزیر باختصار تجهیزات واحدهای میدركس تشریح می شود .
ذكر این نكته ضروری است كه 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 كه ویژگی آنها در منابع منتشر شده و برای كلیه واحدهای میدركس عمومیت ندارد .
تجهیزات انتقال بار به كوره احیا و تخلیه آهن اسفنجی از كوره به روش میدركس در سیستم میدركس ، بار گندله یا سنگ آهن خرد شده پیش از ورود به سیلوهای روزانه سرند می شوند. دانه بندی بار برای كوره از این قرار است :
بار درشتر از 50 میلیمتر
بار بیشتر از 6تا50 میلیمتر
بار بین 3 تا 6 نیلیمتر
و بار زیر 3 میلیمتر

بار با دانه بندی 6 تا 50 میلیمتر و 3 تا 6 میلیمتر به نسبت معینی در كوره احیا تغذیه می شود . برای دانه بندی گندله و یا سنگ آهن خرده شده و به روش میدركس تجهیزاتی پیش بینی شده است . همچنین آهن اسفنجی تولید شده در كوره 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 كوره های قوس الكتریكی به مصرف       می رسد . طرح برخی از تجهیزات انتقال گندله و سنگ آهن خرد شده به كوره و نیز آهن اسفنجی به صورت گندله و یا كلوخه در می آید .

در یك میدركس بار به وسیله نوار نقاله از سیلوهای روزانه به مخزن تغذیه قیف مانندی كه در بالای كوره قرار گفته ،تخلیه میگردد . این مخزن در واحدهای میدركس مستقر در مجتمع فولاد اهواز 75 متر مكعب گنجایش دارد . هنگامی كه نوار نقاله كار نمی كند ، گندله این مخزن به عنوان ذخیره مورد استفاده قرار می گیرند .ضمناً گندله می تواند توسط یك اسكیپ بالا برنده (به جای نوار نقاله ) در این مخزن تخلیه گردد .
سطح مواد در مخزن بالای كوره از طریق میله ای رادیو اكتیو تعیین می گردد. این میله از طرفی با سطح بار و از طرف دیگر با سیستم كنترل در تماس می باشد و سطح بار به طور اتوماتیك اندازه گیری می گردد .

در صورتی كه گندله در این مخزن در چهار سطح زیر باشد . سیستم كنترل علائم هشدار دهنده ذیل را مخابره می كند :
1-بالاترین سطح بار:         اخطار داده می شود
2-پر                   :      دستور توقف نوار نقاله تغذیه كننده بار به مخزن صادر
                                می گردد.
3-خالی               :    دستور كارنوار نقاله تغذیه كننده باربه مخزن صادر میشود .
4-پایین ترین سطح:   تخلیه كوره متوقف و اخطار لازم داده می شود .

مخزن بالای كوره توسط لوله نسبتاً طویلی به قسمت توزیع كننده بار (آپولو) ارتباط دارد. چون مخزن تغذیه بار در بالای موره روباز است ، لذا برای جلوگیری از داخل كوره جریان دارد و فشارآن به طور اتوماتیك كنترل می گردد . به این وسیله از نشت گاز احیا كننده كوره به خارج جلوگیری به عمل می آید . گاز خنثی نیز به علت طویل بودن لوله های رابط بین مخزن تغذیه بار و 12 لوله توزیع كننده بار در كوره به خارج كوره نفوذ نمی كند .

مضافاً به اینكه زیر مخزن تجهیزاتی برای آب بندی گاز پیش بینی شده است كه از این قرار می باشند :
1-    دریچه كشوئی هیدرولیكی كه در هنگام خالی شدن مخزن به طور اتوماتیك بسته می شود و از خروج گاز به خارج جلوگیری به عمل     می آورد .
2-    فلانچها كه برای جلوگیری از خروج گاز نصب شده و در مواقع اضطراری آنها به وسیله بازوی هیدرولیكی از هم باز و یك صفحه به وسیله دست بین آنها قرار داده می شود .
3-    یك كمپنزاتور كه برای تعدیل انبساط حرارتی كوره پیش بینی شده است .
توزیع یكنواخت گدله در كوره احیا برای جریان یكنواخت گاز احیا كننده در بین گندله ها  از اهمیت خاصی برخوردار است . با احیای بار گندلهدر كوره ، درجه فلزی آن بالا می رود ، درجه فلزی آهن اسفنجی تولید شده در كورههای میدركس حدود 92 در صد و اكسید آهن احیا نشده در آهن اسفنجی به صورت وسیت می باشد .

در شروع راه اندازی كوره احیا ، بار به میزان كافی احیا نمی گردد . لذا درجه فلزی آهن اسفنجی تولید شده كافی نیست به این علت بار مجدداً به كوره برگشت داده می شود . مسیر جریان بار برگشتی به كوره نیز می شود .
گندله های آهن اسفنجی سرد پس از خروج از كوره سرند می گردند . میزان نرمه آهن اسفنجی زیر 5 میلیمتر در روند احیا به روش میدركس حدود 2/0 در صد است . نرمه می تواند مستقیماً یا پس از خشته شدن در واحد فولاد سازی مصرف می گردد . آهن اسفنجی درشتر از 50 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 اكسایش گندله ها ، گازی خنثی جاری است .

تجهیزات كوره احیا به روش میدركس
واحدهای صنعتی احیای مستقیم كه به روش میدركس آهن اسفنجی تولید می كنند در دهه گذشته به سرعت تكامل یافته اند . در این بخش كوشش می شود باختصار تجهیزات كوره های تولید آهن اسفنجی به روش میدركس كه مشابه آنها در مجتمع فولاد اهواز مستقر هستند و یا در مباركه مستقر خواهند شد بررسی شود .

كوره احیا به روش میدركس
كوره احیا در روش میدركس از یك قسمت فوقانی و یك قسمت تحتانی تشكیل شده است . قسمت فوقانی كوره كه منطقه اصلی احیا    می باشد، استوانه ای به قطر 8/4 تا 5 متر و ارتفاع 9 متر است كه حجم مفید آن حدود 220 متر مكعب می باشد ، اما كل ارتفاع كوره 12 تا 14 متر می باشد .
بار به صورت سنگ آهن خزد شده یا گندله سنگ آهن از بالای كوره به طرف پایین جریان داشته و در مدتی حدود 5/6 ساعت در منطقه  احیا به وسیله گاز احیا كننده به اهن اسفنجی تبدیل می شود . گاز احیا كننده از بالای كلوخه شكنهای فوقانی ازطرق لوله كمربندی وارد كوره شده ودرخلاف جهت نزول بار ، جریان می یابد . گاز كم كم سرد و پس از حذف رطوبت گندله ، آن را احیا و خود تا اندازه ای اكسید می شود . طرح لوله كمربندی برای توزیع گاز احیا كننده در كوره آمده  است .

درجه حرارت و فشار در كوره احیا
احیای اكسیدهای آهن به روش میدركس به طور كلی بر اساس واكنش زیر انجام می شود :
1-    Fe2o3 +3h2 = 2fe+3H2O
2-              Fe2o3+3co=2fe+3vo2
جداره داخلی كوره توسط نسوزهای مقاوم در برابر سایش و مواد عایق پوشانده شده است تا از تلفات حرارتی كوره تا اندازه ای كاسته شود، مع هذا دمای دیواره خارجی كوره حدود 100 درجه سانتیگراد می باشد . تغییر دمادر طول كوره احیا به صورت شماتیك نشان داده شده است.ملاحظه می گردد كه درجه حرارت در قسمت عمده طول كوره تا اندازه ای ثابت می باشد .
دمای احیا در كوره میدركس به وسیله حرارت گاز احیا كننده تنظیم می گردد .درجه حرارت از طریق دما سنج هایی كه در سه ناحیه كوره مستقر هستند ، اندازه گیری ودمای كوره به طور خودكار تنظیم می گردد كه حدود 760 درجه سانتیگراد می باشد . فقط در قسمت بالای كوره یعنی جایی كه گندله های سرد وارد كوره می شوند ،درجه حرارت به شدت كاهش می یابد به طوری كه دمای گاز خروجی از كوره حدود 450 درجه سانتیگراد است  .

فشار گاز در داخل كوره در حین تولید بالاتر از فشار محیط و بالغ بر 8/1 بار است . برای جلوگیری از مخلوط شدن گاز سرد كننده آهن اسفنجی و گاز احیا كننده ،فشار گاز سرد كننده در محل خروج توسط یك سیستم كنترل و برابر فشار گاز احیا كننده ورودی به كوره می گردد .

توزیع گاز سرد كننده آهن اسفنجی در كوره احیا
درجه تخلخل آهن اسفنجی زیاد است لذا امكان اكسایش مجدد آهن اسفنجی گرم ، در هوا وجود دارد . به این علت آهن اسفنجی در قسمت تحتانی كوره توسط گاز سرد كننده ای خنك می گردد تا از فعالیت آن كاسته شود . در این قسمت امكان تولید دوده و تشكیل سمانتیت در سطح آهن اسفنجی وجود دارد :
3-    3fe +co+H2=Fe3c +H2o

برای تولید آهن اسفنجی با كربن پایین باید گاز احیا كننده فاقد متان بوده و تركیب آن مناسب باشد . قسمت تحتانی كوره در واحد میدركس به شكل مخروطی ناقص ساخته شده است . در این قسمت آهن اسفنجی به وسیله گاز سرد كننده ای كه در مداری بسته جریان دارد ، خنك شده و با دمایی حدود 30 تا 50 درجه سانتیگراد از كوره خارج می گردد .
توزیع كننده گاز سرد در كوره از یك سری لوله هایی با قطرهای متفاوت كه درون یكدیگر قرار گرفته اند ، تشكیل شده است .
برای سرد شدن یكنواخت گندله ها ، فشار گاز سرد كننده به نحوی تنظیم می گردد كه گندله هلای میان كوره به طرف دیواره كوره هدایت گردند تا فرصت كافی برای خنك شدن داشته باشند. گاز سرد كننده كه توسط آهن اسفنجی تا حدود 400 درجه سانتیگراد سرد می شود پس از خروج از كوره با آب  شسته می شود تا دمای آن به حدود 40 درجه سانتیگراد برسد . سپس مجدداً توسط كمپرسوری متراكم می گردد و به توزیع كننده گاز برگردانده می شود  . توضیح اینكه زمان مكث آهن اسفنجی در قسمت سرد كننده كوره حدود 5 ساعت می باشد .

خوشه شكنهای كوره احیا
به علت تماس و فشار مكانیكی گندله های آهن اسفنجی به یكدیگر در درون كوره احیا چسبیدن آنها به یكدیگر و تشكیل خوشه های آهن اسفنجی ممكن می باشد. لذا برای خرد كردن خوشه های آهن اسفنجی احتمالاً تشكیل شده و نیز تنظیم یكنواخت جریان بار در كوره ، در قسمت تحتانی كوره در سه محل بترتیب زیر هفت خوشه شكن نصب شده است :
1-    سه خوشه شكن فوقانی
2-    سه خوشه شكن وسطی
3-     یك خوشه شكن پائینی

كلوخه شكنهای بالایی به علت درجه حرارت زیاد در كوره توسط آب سرد می گردند در صورتی كه خوشه شكنهای وسطی و پائینی نیازی به سرد شدن ندارند . مكانیسم حركت خوشه شكنها هیدرولیكی و زاوایه چرخش آنها به طور دوراه ای 5/22 درجه به راست و 5/22 درجه به چپ می باشد .  برای اینكه خوشه شكنها بیش از حد لازم آهن اسفنجی را خرد نكنند و سایش آنها و گندله ها حداقل باشد ، سرعت چرخش آنها با سرعت جریان مواد در كوره هماهنگ می گردد . كلوخه شكنها نه تنها خوشه های آهن اسفنجی را خرد می كنند بلكه سرعت جریان بار در كوره را تنظیم     می كنند.

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

تولید گاز احیا كننده به روش میدركس
اكسایش جزیی گاز طبیعی در روش میدركس برای تولید گاز احیا كننده با قسمتی  از گاز خروجی كوره احیا به طور مداوم به صورت ركوپراتیو در راكتور تولید گاز (رفورمر) انجام می شود . به این وسیله گاز طبیعی كه قسمت عمده آن متان است با عوامل اكسید كننده گاز خروجی كوره احیا كه از هیدروژن اكسید كربن ، بخار آب ،گاز كربنیك و متان تشكیل شده به صورت جزیی اكسید شده و به طور عمده به هیدروژن و اكسید كربن تبدیل می شود .

 واكنش كلی اكسایش جزیی متان چنین است :
4-    CH4+H2O =3H2+CO
5-     CH4+CO2=2H2 +2CO

بدیهی است تركیب گاز تولید شده بستگی به دما ، فشار، نسبت عوامل اكسید كننده و نیز بازده واكنشها دارد . چون برای اكسایش جزیی گاز طبیعی به بهره مناسب به دمای بالا نیاز است ، لذا مقداری حرارت به طور دائم به راكتور تولید گاز احیا كننده داده می شود .

ساختمان راكتور تولید گاز احیا كننده به روش میدركس
راكتور تولید احیا كننده به روش میدركس به شكل مكعب مستطیل طراحی شده است . طول آن حدود 40 متر ، عرض آن 10 متر و ارتفاع آن 8 متر می باشد . دیواره این راكتور با آجرهای مخصوص عایق بندی شده است ، مع هذا دمای بدنه خارجی آن حدود 100 درجه سانتیگراد می باشد .
در این راكتور 288 لوله فولادی در چهار ردیف 72 تایی قرار دارد كه درون آنها با سفال و كاتالیزور پر شده است . این لوله ها به طور عمودی و به فواصل معین در راكتور قرار دارند ظرفیت راكتورهای تولید گاز احیا كننده به تعداد ، ابعاد و ویژگی كاتالیزورها درون آن بستگی دارد .
چون تولید گاز احیای كننده از مخلوط گاز طبیعی وگاز خروجی كوره احیا ،گرما گیر و دمای 750مناسب درجه سانتیگراد می باشد .لذا باید به طور مداوم حرارت به راكتور داده شود . به این منظور راكتور تولید گاز احیای كننده توسط مشعلهایی گرم می شود به راكتور گاز در راكتور به حدود 900 درجه سانتیگراد رسانده می شود . مجموعاً 120 مشعل اصلی در ردیف 5 در كف راكتور بین لوله ها و مجموعاً 48 مشعل كمكی در سه ردیف و در بین مشعلهای اصلی قرار گرفته اند . مشعلهای كمكی برای تنظیم دمای راكتور در نظر گرفته شده اند .
دود حاصل از احتراق سوخت مشعلها توسط دو كانال با دمای 1100 درجه سانتیگراد از راكتور خارج و با بازیاب حرارتی وارد می گردد . گاز سوخت مشعلها ، هوای سوخت آنها و مخلوط گاز طبیعی و گاز خروجی كوره (پروسس گاز) هر یك توسط دو لوله اصلی یه مشعلها و لوله های راكتور وارد و گاز احیا كننده تولید شده توسط دو لوله اصلی جمع و به كوره احیا انتقال می یابد .

لوله های راكتور گاز احیا كننده به روش میدركس
لوله های فولادی درون راكتور تولید گاز احیای كننده در واحد میدركس در مجتمع فولاد اهواز با قطر داخلی 200 میلیمتر و ضخامت 11 میلیمتر ، 9 متر طول دارد كه 8 متر از طول آنها در معرض حرارت قرار دارند .
لوله ها توسط شیلنگهای انعطاف پذیر از پایین به یكی از دو لوله اصلی توزیع كننده مخلوط گاز طبیعی وگاز خروجی كوره و از بالا به یكی از دو لوله اصلی گاز احیا متصل می باشند . از هر لوله اصلی توزیع كننده 144 شیلنگ منشعب می گردد . برای جلوگیری از نشت گاز به خارج محل اتصال آنها به لوله های اصلی ، آب بندی می باشد . یكی از لوله های راكتور تولید گاز احیا كننده و نیز شیلنگهای اتصال آن به لوله توزیع مخلوط گاز و لوله های راكتور تولید گاز احیا كننده و نیز شیلنگ های اتصال آن به لوله توزیع مخلوط گاز احیا كننده نشان داده شده است .
این لوله ها از فولاد فوق العاده مقاوم دربرابرحرارت با 35درصد نیكل ،25درصد كروم ، كربن بالا به علاوه نیوبیوم ریخته و سپس به یكدیگر جوش داده می شوند .برای جلوگیری از خووردگی درون آنها قسمت داخلیشان كاملاً ماشینكاری شده است .

كنترل راكتور تولید گاز احیا كننده (رفورمر) به روش میدركس
برای تامین گرمای لازم در راكتور مشعلهایی نصب شده كه لوله های فولادی را احاطه كرده اند . مشعلها دو نوع هستند . یك نوع در بین دیواره راكتور و لوله ها قرار دارند كه اصلی هستند و سوخت آنها مخلوط گاز طبیعی وگاز خروجی كوره احیاست . با تغییر میزان در صد گاز طبیعی درسوخت این مشعلها می توان دمای راكتور را تنظیم كرد . مشعلهای نوع دوم كه كمكی هستند ، در سه ردیف و بین مشعلها می توان دمای اصلی قرار گرفته اند . در موقع راه اندازی راكتور و نیزدر شرایط اضطراری مثلاً در موقع تعمیر برخی از لوله ها كه گاز به طور موضعی در آنها جاری است و تنظیم موضعی درجه حرارت ضروری می باشد ، آنها كار می كنند و سوختشان گاز طبیعی است .
در داخل اتاق احتراق راكتور تولید گاز احیا كننده (رفورمر) ، فشار مكش حكم فرما می باشد و تحت این شرایط در صورت نشتی در راكتور هوا به داخل آن نفوذ می كند و عواقب نا مطلوبی ندارد . اما برعكس در صورت وجود اضافه فشار نسبت به خارج آن ، دود اتاق احتراق می تواند به خارج نشت كرده 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 اكسیژن خواهند بود ، برعكس اگر هوای لازم كافی نباشد احتراق به طور كامل انجام نخواهد گشت ، در هر دو حالت سیستم با اشكالاتی همراه خواهد شد .

برای دریافت اینجا کلیک کنید