کاربرد اکسیژن در صنعت فولاد
اکسیژن در صنعت فولادسازی کاربردهای مهمی دارد. این گاز در فرآیندهای زیر به عنوان یک عامل اکسیدکننده استفاده می‌شود:
- تولید فولاد از خمیر آهن: در فرآیند تولید فولاد از خمیر آهن (blast furnace)مواد اولیه شامل سنگ آهن، کک (کربن به صورت جامد) و آهک (جهت جذب آلاینده‌ها) به همراه هوا درون کوره قرار می‌گیرند. هدف استفاده از اکسیژن در این مرحله، اکسیده شدن اجزای غیرفلزی موجود در سنگ آهن و کک است. تولید اکسیدهای گازی از مواد غیرفلزی باعث تجزیه آن ها و تولید گازهایی مانند دی‌اکسید کربن (CO2) می‌شود. این فرآیند به تولید فولاد مذاب با کیفیت بالا کمک می‌کند.
- تصفیه فولاد: در مرحله تصفیه فولاد (steel refining)، اکسیژن به عنوان یک عامل اکسیدکننده برای از بین بردن آلاینده‌های موجود در فولاد استفاده می‌شود. اکسیژن تزریق شده به فولاد مذاب باعث اکسیده شدن آلاینده‌هایی مانند کربن، سیلیسیم، منگنز و فسفر می‌شود و می‌توانند از طریق فرآیندهایی مانند جداسازی جریان (stream separation) از فولاد جدا شوند. استفاده از اکسیژن به عنوان عامل اکسیدکننده در تصفیه فولاد باعث بهبود کیفیت نهایی محصول، کاهش میزان آلاینده‌ها و افزایش مقاومت و خواص مکانیکی فولاد می‌شود.
استفاده از اکسیژن در صنعت فولادسازی باعث بهبود راندمان فرآیندها، کاهش مصرف سوخت و کاهش آلودگی هوا می‌شود. همچنین، استفاده از اکسیژن به عنوان یک عامل اکسیدکننده قدرت اکسیداسیون را افزایش می‌دهد و می‌تواند به تولید فولاد با خواص و کیفیت بالا کمک کند.
انواع فرایند های تولید فولاد
- فرآیند قوس الکتریکی: (Electric Arc Furnace – EAF) در این فرآیند، فولاد از طریق ذوب مواد اولیه با استفاده از قوس الکتریکی تولید می‌شود. مواد اولیه شامل فلزات بازیافتی مانند استیل بازیافتی، آهن خرد شده و فولاد اضافی است. قوس الکتریکی توسط الکترودها به وجود می‌آید و باعث ذوب شدن مواد و تولید فولاد مذاب می‌شود. در این فرآیند، می‌توان انواع فولاد با ترکیبات مختلف تولید کرد.
- فرآیند کوره قوس الکتریکی: در این فرآیند نیز، فولاد از طریق قوس الکتریکی تولید می‌شود، اما برخلاف EAF معمولی، در کوره قوس الکتریکی، سنگ آهن به صورت مستقیم وارد کوره می‌شود و در آنجا توسط قوس الکتریکی ذوب می‌شود. این فرآیند از میزان انرژی بیشتری نسبت به EAF استفاده می‌کند و معمولاً برای تولید فولادهای خاص و مورد نیاز با کیفیت بالا استفاده می‌شود.
- فرآیند کوره قوسی القایی: (Induction Furnace)در این فرآیند، از قوس القایی برای ذوب کردن مواد استفاده می‌شود. در این کوره، جریان الکتریکی با استفاده از حلقه‌های مغناطیسی ایجاد می‌شود و باعث ذوب شدن مواد می‌شود. این فرآیند عمدتاً برای تولید فولادهای خاص و کمیاب به کار می‌رود.
- فرآیند کوره بازیافت آهن: (Blast Furnace) در این فرآیند، از کوره بالاستی فلزساز استفاده می‌شود. سنگ آهن، کک و آهک به همراه هوا و گازهای دیگر وارد کوره می‌شوند و در آنجا تحت دمای بالا و با استفاده از ترکیبات شیمیایی مناسب، فولاد تولید می‌شود. این فرآیند برای تولید فولاد از سنگ آهن استفاده می‌شود و بیشتر در صنعت فولادسازی اینتگرال (integrated) استفاده می‌شود.
- فرآیند پدیده بزرگ (Direct Reduced Iron – DRI): در فرآیند پدیده بزرگ یا DRI ، از سنگ آهن خرد شده یا پلتیت‌های سنگ آهن به همراه گاز طبیعی مانند گاز متان استفاده می‌شود. در این فرآیند، سنگ آهن با استفاده از گاز طبیعی و کاتالیزورهای مناسب در دمای بالا و در حضور بخار آب و هیدروژن، به صورت مستقیم به فولاد یا آهن اسفنجی تبدیل می‌شود. این فرآیند به دلیل کاهش مصرف انرژی و کاهش آلاینده‌ها مورد توجه قرار گرفته است.
- فرآیند تصفیه فولاد با استفاده از کوره گازی (Steelmaking with Gas-Based Direct Reduction – Midrex/HYL): در این فرآیند، از گاز طبیعی به عنوان منبع اصلی برای تولید فولاد استفاده می‌شود. سنگ آهن خرد شده با استفاده از گاز طبیعی و کاتالیزورهای مناسب در دمای بالا و در حضور بخار آب و هیدروژن به فولاد یا آهن اسفنجی تبدیل می‌شود. این فرآیند نیز به دلیل کاهش مصرف انرژی و کاهش آلاینده‌ها مورد توجه قرار گرفته است.
بیشتر بخوانید مقاله کاربرد اکسیژن در صنعت فولاد : اکسیژن مایع
همچنین، برای تولید فولاد، فرآیندهای دیگری نیز وجود دارند که در صنعت فولادسازی استفاده می‌شوند. این شامل فرآیندهایی مانند فرآیند کوره کک (Coke Oven)، فرآیند کوره بازیافت آهن (Iron Ore Recycling), فرآیند لقاح (BOS – Basic Oxygen Steelmaking) و فرآیند الکتریکی ذوب (Electroslag Remelting) می‌شود.
هر کدام از این فرآیندها مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارند و بسته به نوع محصول، مواد اولیه و نیازهای فنی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
انواع کاربرد های گاز اکسیژن در صنعت فولاد
- فرآیند: BOS (Basic Oxygen Steelmaking) در این فرآیند، گاز اکسیژن به کوره فولادسازی بالاستی (BOF) تزریق می‌شود تا آهن قابل حذف موجود در فولاد مذاب را به‌طور موثری اکسید کند. این عمل باعث حذف آلیاژهای ناخالص و سرباره‌های موجود در فولاد می‌شود و باعث بهبود کیفیت و خواص فولاد می‌شود.
- فرآیند EAF (Electric Arc Furnace): در این فرآیند با تزریق گاز اکسیژن به کوره القایی، فلزات بازیافتی موجود در فولادسازی مانند استیل بازیافتی و فولاد اضافی به صورت سریع و کامل ذوب می‌شوند.
- اکسیژناسیون مستقیم: برخی از فرآیندهای تولید فولاد مانند فرآیند تولید فولاد مایع در کوره قوسی القایی (Induction Furnace) یا استفاده از فولاد اسفنجی (Sponge Iron) نیازمند اکسید کردن مواد است که با تزریق گاز اکسیژن انجام می‌شود.
- پاکسازی فولاد: گاز اکسیژن می‌تواند در فرآیندهای پاکسازی فولاد و حذف آلیاژهای ناخالص و ذرات زغال‌سنگ موجود در فولاد مورد استفاده قرار گیرد. با تزریق گاز اکسیژن به فولاد مذاب، آلیاژهای ناخالص مانند کربن، سیلیسیم و منگنز به‌طور انتخابی اکسید می‌شوند و سپس با سرباره‌ها جدا می‌شوند.
- سیستم‌های آبگریزی: در برخی از فرآیندها و تجهیزات صنعت فولادسازی مانند کوره‌ها و تجهیزات جوشکاری، گاز اکسیژن به عنوان عامل خنک‌کننده استفاده می‌شود و حرارت تولید شده در اثر فرآیندهای حرارتی را کاهش می‌دهد و از آسیب به تجهیزات جلوگیری می‌کند.
- اکسیدهای فولاد: اکسیدها به عنوان مواد تخصصی برای فرآیندهایی مانند سرامیک‌سازی، رنگ‌آمیزی و پوشش‌دهی استفاده می‌شوند.
- تزریق اکسیژن در کوره‌های ذوب‌کننده: در برخی از کوره‌های ذوب‌کننده فولاد، تزریق اکسیژن به داخل کوره‌ها، میزان اکسیداسیون و دمای فرآیند را افزایش داده و باعث بهبود کیفیت و کاهش زمان تولید فولاد می‌شود.
- تولید گاز خنک‌کننده: در برخی از فرآیندها، اکسیژن با ترکیب با گازهای دیگر مانند گاز طبیعی یا گاز صنعتی، می‌تواند گاز خنک‌کننده‌ای با خواص خاص تولید کند که در فرآیندهای حرارتی از آن استفاده می‌شود.
بیشتر بخوانید مقاله کاربرد اکسیژن در صنعت فولاد : نیتروژن مایع
کاربرد اکسیژن در کوره های پایه اکسیژن
کوره‌های پایه اکسیژن (Oxygen Bottom Blown Furnaces) یا به اختصار کوره‌های Q-BOP برای تولید فولاد با کیفیت بالا و با استفاده بهینه از انرژی استفاده می‌شوند. کاربردهای اکسیژن در کوره‌های پایه اکسیژن عبارتند از:
- اکسیدکننده قوی: با تزریق اکسیژن به کوره، عملیات اکسیداسیون مواد قابل اکسید شونده موجود در فولاد مذاب به‌طور سریع و کامل انجام می‌شود. این عمل باعث حذف آلیاژهای ناخالص و سرباره‌های موجود در فولاد می‌شود و باعث بهبود کیفیت و خواص فولاد می‌گردد.
- کاهش زمان تولید: استفاده از اکسیژن به جای هوا به عنوان منبع اکسیژن در کوره، باعث کاهش زمان تولید فولاد می‌شود.
- کاهش مصرف سوخت: با تزریق اکسیژن به جای هوا، مقدار نیتروژن حاضر در هوا وارد کوره نمی‌شود و از انرژی مصرفی برای گرم کردن و از بین بردن نیتروژن صرفه‌جویی می‌شود.
- کاهش آلاینده‌ها: اکسیژن خالص که به کوره تزریق می‌شود، به‌طور مستقیم با مواد آلیاژی و سرباره‌ها واکنش نمی‌دهد و بدین ترتیب میزان آلاینده‌های موجود در فولاد کاهش می‌یابد.
- کنترل دما: با تنظیم میزان تزریق اکسیژن، می‌توان دمای فولاد مذاب را به صورت دقیق کنترل کرد و به نتیجه مطلوب دست یافت. این امر بهبود کیفیت فولاد و افزایش کارایی عملیات فولادسازی را ممکن می‌سازد.
کاربرد اکسیژن در فرایند های لنسینگ و برش کاری :
لنسینگ (Lancing) فرآیندی است که در آن از اکسیژن برای حذف و سوزاندن آلیاژهای ناخالص و ذوب کردن سرباره‌ها در فولاد استفاده می‌شود.
لنسینگ توسط یک لنسینگر (Lance) انجام می‌شود که شامل یک لوله فولادی حاوی گاز اکسیژن است. اکسیژن تزریق شده به فولاد، باعث اکسید شدن آلیاژهای ناخالص مانند کربن، سیلیسیوم و منگنز می‌شود.
همچنین، سرباره‌ها که معمولاً از اکسیدهای فلزات تشکیل شده‌اند، نیز با تماس با اکسیژن سوخته و ذوب می‌شوند. این فرآیند باعث بهبود کیفیت فولاد و کاهش میزان آلیاژهای ناخالص و سرباره‌ها می‌شود.
برش کاری فولاد (Oxy-Fuel Cutting) با استفاده از اکسیژن به عنوان یک جریان اکسیدکننده و انرژی‌دهنده صورت می‌گیرد. در این فرآیند، یک جریان اکسیژن خالص با استفاده از یک سوزنده (Torch) به نقطه‌ای روی سطح فولاد تزریق می‌شود.
سوزاندن فولاد با اکسیژن باعث تولید یک جریان حرارتی بسیار بالا می‌شود که فولاد را در نقطه تماس با سوزنده ذوب و سپس با استفاده از جریان اکسیژن، قطعه فولادی را برش می‌دهد. این فرآیند برای برش و تقسیم قطعات فولادی به اندازه و شکل مورد نظر استفاده می‌شود.
بیشتر بخوانید مقاله کاربرد اکسیژن در صنعت فولاد : آرگون مایع
روش های تولید و ذخیره سازی اکسیژن در کارخانجات فولاد
روش‌های معمول تولید و ذخیره سازی اکسیژن در کارخانجات فولاد عبارتند از:
تولید اکسیژن:
فرایند تقطیر هوا: در این روش، هوای جو به صورت فشرده وارد واحد تقطیر هوا می‌شود. در اینجا، هوا تا دمای بسیار پایینی خنک می‌شود و به صورت فرازی تجزیه می‌شود. اکسیژن به عنوان فراز غنی‌تر جدا می‌شود و به صورت مایع یا گاز تولید می‌شود.
فرایند جذب‌گرمایی: در این روش، هوای جو از طریق فرایند جذب‌گرمایی از اکسیژن جدا می‌شود. این فرایند بر پایه تفاوت تجزیه‌پذیری مواد در حضور جاذب‌های مناسب انجام می‌شود.
ذخیره‌سازی اکسیژن:
ذخیره در مخازن مایع: اکسیژن مایع را می‌توان در مخازن پایین دما و با فشار بالا نگهداری کرد. مخازن مایع اکسیژن معمولاً از جنس فولاد ضدزنگ است و دارای سیستم‌های ایمنی جهت کنترل فشار و دما هستند.
ذخیره در مخازن گازی: اکسیژن گازی نیز می‌تواند در مخازن فشاری ذخیره شود. این مخازن معمولاً از جنس فولادی با ضخامت کافی ساخته می‌شوند و مجهز به سیستم‌های ایمنی برای کنترل فشار و ایمنی هستند.
در کارخانجات فولاد، تولید اکسیژن عموماً به صورت مستقل از فرایندهای فولادسازی انجام می‌شود. اکسیژن تولید شده سپس به صورت مایع یا گاز برای استفاده در فرآیندهای لنسینگ، برش کاری و سایر فرآیندهای مربوط به فولادسازی، ذخیره و استفاده می‌شود.
خلوص اکسیژن مورد نیاز برای استفاده در صنعت فولاد
خلوص اکسیژن مورد نیاز برای استفاده در صنعت فولاد به عملکرد و فرآیند خاصی که در آن استفاده می‌شود، بستگی دارد. در برخی موارد، اکسیژن با خلوص بالا برای اطمینان از کیفیت و عملکرد بهتر مورد نیاز است. در صنعت فولاد، خلوص اکسیژن به عنوان یکی از فاکتورهای مهم برای بهبود فرآیندهای فولادسازی در نظر گرفته می‌شود.
معمولاً در صنعت فولاد، خلوص اکسیژن باید حداقل 99.5 درصد باشد. برخی از فرآیندهای حساس‌تر نیاز به اکسیژن با خلوص بالاتری دارند که می‌تواند به 99.9 درصد یا بیشتر برسد. به عنوان مثال، در فرآیند لنسینگ و برش کاری فولاد، خلوص اکسیژن با توجه به انرژی و اکسیدکنندگی مورد نیاز، معمولاً در محدوده خلوص بالاتری قرار می‌گیرد.
نحوه تامین اکسیژن مورد نیاز در صنعت فولاد
تامین اکسیژن مورد نیاز در صنعت فولاد یکی از موارد حیاتی در فرآیندهای تولید فولاد است. این اکسیژن معمولاً به دو شکل اصلی تأمین می‌شود: تولید در محل (On-site Generation) و تأمین از تأمین‌کنندگان گاز.
تولید اکسیژن در کوره‌های هواییASU: اکثر کارخانجات فولاد از واحدهای ASU برای تولید اکسیژن استفاده می‌کنند. در این واحدها، هوا به ازدیاد در یک فرایند تفکیک (Air Separation) جدا شده و اکسیژن خالص تولید می‌شود. این فرآیند شامل یک یا چند واحد فرآیندی مانند تبخیر، فشرده‌سازی، و تفکیک کربن دی‌اکسید است.
استفاده از تکنولوژی: VPSA/PSA برخی کارخانجات از واحدهای تصفیه جذبی فشار متغیر (VPSA) یا جذبی فشار ازت (PSA) برای تولید اکسیژن استفاده می‌کنند. این تکنولوژی‌ها معمولاً برای کارخانجات کوچکتر یا در مواقعی که نیاز به اکسیژن در حجم کمتری استفاده می‌شود مناسب هستند.
استفاده از تأمین‌کنندگان گاز
خرید اکسیژن از شرکت‌های تأمین‌کننده گازها: برخی کارخانجات به دلیل محدودیت‌ها در مکان یا حجم تولید، اکسیژن را از شرکت‌های تأمین‌کننده گازها خریداری می‌کنند. این گازها معمولاً به صورت مایع (مایع اکسیژن) یا گاز فشرده (اکسیژن گازی) ارائه می‌شوند.
استفاده از ایستگاه‌های تأمین گاز: برخی از شرکت‌های تأمین‌کننده گازها ایستگاه‌های تولید یا تصفیه گاز اکسیژن در مکان‌های مختلف قرار دارند که مشتریان مختلف می‌توانند از آن ها اکسیژن خریداری کنند.
بیشتر بخوانید مقاله کاربرد اکسیژن در صنعت فولاد : کاربرد آرگون در صنایع فولاد
