This post is also available in: English Armenian
استفاده از اکسیژن در فرایند تولید فولاد به روش کوره قوس الکتریکی (Electric Arc Furnace – EAF) نقش تعیینکنندهای در بهبود بهرهوری، کاهش مصرف انرژی و کنترل کیفیت محصول هایی دارد. تزریق اکسیژن نه تنها زمان ذوب را کاهش میدهد، بلکه امکان افزایش دمای کوره بدون نیاز به سوختهای فسیلی را فراهم میکند و در نتیجه مصرف انرژی و انتشار گازهای گلخانهای به شکل قابل توجهی کاهش مییابد. با وجود مزایای متعدد، تأمین پایدار اکسیژن با کیفیت مناسب و مدیریت هزینههای مرتبط، از مهمترین چالشهای صنایع فولادسازی محسوب میشود.
فولاد، به عنوان یکی از حیاتیترین مواد صنعتی جهان، پایه توسعه صنایع سنگین، خودروسازی، ساختوساز و تجهیزات انرژی است. با رشد جمعیت و افزایش نیاز به زیرساختهای صنعتی، فشار بر تولید فولاد افزایش یافته است. در این میان، روش کوره قوس الکتریکی (EAF) به دلیل انعطافپذیری، امکان استفاده از قراضههای فولادی و کاهش انتشار آلایندهها، به یکی از اصلیترین روشهای تولید فولاد در سطح جهانی تبدیل شده است.
اکسیژن نقش کلیدی در افزایش راندمان کورههای قوس الکتریکی دارد. تزریق کنترلشده اکسیژن، علاوه بر افزایش سرعت ذوب، باعث بهبود ترکیب شیمیایی فولاد و کاهش مصرف انرژی میشود. با این حال، استفاده از اکسیژن مستلزم مدیریت دقیق و برنامهریزی تامین پایدار آن است؛ زیرا کیفیت و فشار اکسیژن میتواند مستقیماً بر فرایند ذوب و کیفیت محصول اثرگذار باشد.
کاربرد اکسیژن در کوره قوس الکتریکی و مکانیزمهای آن
کوره قوس الکتریکی (EAF) یکی از مهمترین روشهای تولید فولاد در جهان است که به دلیل انعطافپذیری بالا و امکان استفاده از قراضههای فولادی، نقش مهمی در کاهش اثرات زیستمحیطی و بهینهسازی مصرف انرژی دارد. با این حال، دستیابی به بهرهوری بالا و کیفیت مطلوب فولاد مستلزم مدیریت دقیق انرژی و مواد مصرفی است. یکی از مهمترین عوامل در این فرایند، اکسیژن است.
نقش اکسیژن در ذوب و واکنشهای شیمیایی
تزریق اکسیژن به کوره، فراتر از یک عامل کمکی است؛ در واقع، اکسیژن به عنوان یک محرک شیمیایی عمل میکند که همزمان چندین واکنش مهم را در کوره فعال میکند. اصلیترین واکنشها شامل اکسیداسیون کربن، سیلیسیم، منگنز، فسفر و گوگرد هستند. به عنوان مثال:
C+O2→CO↑(واکنش گرمازا)
Si+O2→SiO2(تصفیه ناخالصی)
Mn+O2→MnO(بهبود کیفیت فولاد)
این واکنشها گرمای شیمیایی تولید میکنند که باعث افزایش دمای حمام مذاب بدون افزایش مصرف انرژی الکتریکی میشود. به عبارتی، بخشی از انرژی مورد نیاز ذوب، از واکنش شیمیایی خود مواد حاصل میشود و نه تنها هزینه انرژی کاهش مییابد، بلکه سرعت ذوب نیز به شکل قابل توجهی افزایش مییابد.
افزایش سرعت ذوب و کاهش زمان فرایند
زمان لازم برای ذوب فولاد در EAF یکی از شاخصهای کلیدی بهرهوری است. تزریق اکسیژن با ایجاد واکنشهای گرمازا باعث افزایش دمای موضعی و یکنواختی دمایی در حمام مذاب میشود. در نتیجه، سرعت ذوب قراضهها و DRI افزایش مییابد. در برخی مطالعات صنعتی، تزریق بهینه اکسیژن باعث کاهش زمان ذوب تا 25–30٪ شده است، که تأثیر مستقیم بر افزایش تولید و کاهش هزینههای عملیاتی دارد.
کنترل ترکیب شیمیایی و کیفیت فولاد
اکسیژن نقش مهمی در کنترل ناخالصیهای فولاد دارد. حذف کربن اضافی، گوگرد، فسفر و سیلیسیم از طریق واکنش با اکسیژن باعث تولید فولاد با کیفیت بالاتر میشود. به طور مثال، کنترل سطح کربن در فولادهای با کاربرد صنعتی مانند ورقهای ساختمانی یا لولههای فشار بالا، بدون تزریق اکسیژن دشوار و پرهزینه است. علاوه بر این، امکان تنظیم محتوای عناصر آلیاژی و جلوگیری از اکسیداسیون ناخواسته در برخی مناطق کوره، به بهبود یکنواختی محصول کمک میکند.
بهینهسازی مصرف انرژی و کاهش هزینهها
تزریق اکسیژن، علاوه بر افزایش سرعت ذوب، باعث کاهش مصرف انرژی الکتریکی میشود. وقتی بخشی از گرمای لازم از واکنش شیمیایی تأمین شود، نیاز به جریان قوس کمتر میشود و در نتیجه هزینه برق به شکل قابل توجهی کاهش مییابد. در برخی کارخانهها، مصرف انرژی به ازای هر تن فولاد با استفاده از تزریق اکسیژن تا 10–15٪ کاهش یافته است.
روشهای تزریق اکسیژن و تجهیزات مورد استفاده
تزریق مستقیم به مواد مذاب:
اکسیژن با خلوص بالا از طریق لنس یا تورچ به بالای حمام مذاب هدایت میشود و واکنشهای گرمازا را در محل تماس ایجاد میکند. این روش به کنترل دقیق نقطه و شدت واکنش کمک میکند.
تزریق همراه با گازهای خنثی یا محافظ:
در برخی فرایندها، اکسیژن با آرگون یا نیتروژن ترکیب میشود تا جریان گاز و واکنشها یکنواختتر شود و از اکسیداسیون ناخواسته جلوگیری شود.
تزریق مرحلهای و کنترلشده:
میزان و زمان تزریق اکسیژن با استفاده از سیستمهای اتوماسیون پیشرفته کنترل میشود. این کنترل باعث میشود واکنشها دقیقاً در لحظه مناسب انجام شود و کیفیت فولاد نهایی تضمین گردد.
مزایای عملی تزریق اکسیژن در EAF
– افزایش سرعت ذوب و کاهش زمان چرخه تولید
– کاهش مصرف انرژی الکتریکی و هزینهها
– بهبود کنترل ناخالصیها و کیفیت فولاد
– کاهش انتشار گازهای گلخانهای به دلیل کاهش مصرف انرژی
– بهبود یکنواختی دمایی و جریان گازهای فرایندی در کوره
چالشها و محدودیتها
با وجود مزایای متعدد، استفاده از اکسیژن در EAF با چالشهایی همراه است:
نیاز به اکسیژن با کیفیت و فشار مناسب: کیفیت اکسیژن مستقیماً بر واکنشها و بازده آنها تأثیر میگذارد. اکسیژن آلوده یا با فشار ناکافی میتواند واکنشها را ناکافی کند و کیفیت فولاد کاهش یابد.
هزینه تأمین اکسیژن: تولید و انتقال اکسیژن صنعتی هزینهبر است و برنامهریزی تأمین پایدار آن برای کارخانهها حیاتی است.
کنترل واکنشهای گرمازا: اگر تزریق اکسیژن بیش از حد باشد، واکنشها میتوانند باعث تولید حرارت بیش از حد و آسیب به تجهیزات شوند. بنابراین نیاز به سیستمهای کنترل دقیق و مانیتورینگ مداوم است.
تأثیر اکسیژن بر بهرهوری و مصرف انرژی در کوره قوس الکتریکی
تزریق اکسیژن در کوره قوس الکتریکی، علاوه بر اثرات شیمیایی، به شکل مستقیم بر بهرهوری و مصرف انرژی تأثیر میگذارد. در این بخش، تأثیر اکسیژن بر سه شاخص کلیدی بررسی میشود: زمان ذوب، مصرف انرژی الکتریکی و کیفیت فولاد.
کاهش زمان ذوب
یکی از شاخصهای مهم بهرهوری، مدت زمان لازم برای ذوب کامل مواد اولیه است. تزریق اکسیژن باعث ایجاد واکنشهای گرمازا با کربن، سیلیسیم و منگنز میشود و به این ترتیب دمای حمام مذاب سریعتر به سطح لازم برای ذوب کامل میرسد. کارخانههای فولادسازی گزارش کردهاند که با تزریق بهینه اکسیژن، زمان ذوب بین 20 تا 30 درصد کاهش یافته است. کاهش زمان ذوب نه تنها تولید روزانه را افزایش میدهد، بلکه باعث کاهش هزینههای عملیاتی و افزایش طول عمر تجهیزات میشود.
کاهش مصرف انرژی الکتریکی
با افزایش گرمای حاصل از واکنشهای شیمیایی، نیاز به جریان قوس کمتر میشود. این موضوع باعث کاهش مصرف انرژی الکتریکی به ازای هر تن فولاد تولیدی میشود. در برخی واحدهای صنعتی، مصرف انرژی با تزریق اکسیژن بین 10 تا 15 درصد کاهش یافته است که صرفهجویی اقتصادی قابل توجهی را به همراه دارد.
بهبود کیفیت فولاد
اکسیژن علاوه بر تأثیر بر زمان ذوب و انرژی، به تصفیه ناخالصیها نیز کمک میکند. حذف کربن اضافی، گوگرد و فسفر باعث تولید فولاد با خواص مکانیکی بهتر، یکنواختی ترکیب شیمیایی و کاهش نیاز به عملیات ثانویه میشود. به طور خلاصه، تزریق اکسیژن نقش تعیینکنندهای در تولید فولاد با کیفیت بالا دارد.
جدول مقایسهای اثرات اکسیژن در EAF
| شاخص عملکرد | بدون اکسیژن | با تزریق اکسیژن | مزیت تزریق اکسیژن |
| زمان ذوب (دقیقه) | 120 | 85–95 | کاهش 20–30٪، افزایش تولید |
| مصرف انرژی الکتریکی (کیلوواتساعت/تن) | 450 | 380–400 | کاهش 10–15٪، صرفهجویی اقتصادی |
| درصد کربن در فولاد (%) | 0.08–0.12 | 0.04–0.06 | کنترل بهتر ترکیب شیمیایی |
| محتوای گوگرد (%) | 0.02–0.03 | 0.01–0.015 | کاهش ناخالصیها |
| انتشار CO₂ (تن/تن فولاد) | 1.8 | 1.5–1.6 | کاهش اثرات زیستمحیطی |
چالشها و راهکارهای تأمین پایدار اکسیژن در صنایع فولادسازی
تزریق اکسیژن به کورههای قوس الکتریکی یکی از مهمترین ابزارها برای افزایش بهرهوری و کاهش مصرف انرژی است، اما در کنار مزایای آن، تأمین پایدار اکسیژن با کیفیت و فشار مناسب یکی از پیچیدهترین چالشهای عملیاتی در صنایع فولادسازی به شمار میرود. در این بخش، چالشها و راهکارهای عملیاتی، اقتصادی و تکنولوژیکی مرتبط با تأمین اکسیژن مورد بررسی قرار میگیرد.
1. چالشهای کیفیت و خلوص اکسیژن
اکسیژن صنعتی مورد استفاده در کورههای EAF باید دارای خلوص بسیار بالا (معمولاً بالای 99٪) باشد. اکسیژن با خلوص پایین یا آلوده، میتواند باعث واکنشهای ناخواسته با فلزات آلیاژی شود و ترکیب شیمیایی فولاد را بهطور غیرقابل پیشبینی تغییر دهد.
مثال: در یک کارخانه فولادسازی در اروپا، استفاده از اکسیژن با خلوص 95٪ به جای 99٪ باعث افزایش کربن باقیمانده در فولاد و نیاز به عملیات تصفیه ثانویه شد که هزینه تولید را بیش از 8٪ افزایش داد.
پیامد: کاهش کیفیت محصول نهایی، افزایش هزینههای تصفیه و کاهش بهرهوری.
این چالش اهمیت نظارت مداوم بر کیفیت اکسیژن و سیستمهای خالصسازی گاز را آشکار میکند.
2. چالش فشار و جریان یکنواخت
تزریق اکسیژن به شکل جت یا جریان یکنواخت نیازمند فشار دقیق و پایدار است. فشار پایین باعث کاهش سرعت واکنشهای گرمازا و ذوب ناقص مواد میشود، در حالی که فشار بالا میتواند جریان گاز را ناپایدار کند و تجهیزات تزریق را آسیبپذیر سازد.
مثال: در کارخانهای در آمریکا، افزایش ناخواسته فشار اکسیژن باعث شکستگی لنسها و توقف خط تولید به مدت چند ساعت شد.
راهکار: استفاده از سیستمهای کنترل فشار اتوماتیک و سنسورهای دقیق، اطمینان از تزریق پایدار و یکنواخت را فراهم میکند.
3. چالش اقتصادی تأمین اکسیژن
تولید و حمل و نقل اکسیژن صنعتی هزینهبر است. اکسیژن معمولاً به دو شکل مایع و گاز فشرده تولید میشود:
اکسیژن مایع: نیازمند نگهداری در مخازن پیشرفته و سردسازی با انرژی زیاد است.
اکسیژن گازی: نیازمند کمپرسورهای قوی و خطوط انتقال فشار بالا است.
هزینه انرژی برای تولید اکسیژن و تجهیزات جانبی، بخش قابل توجهی از هزینه کل تولید فولاد را تشکیل میدهد. در نتیجه، مدیریت مصرف و بهینهسازی تزریق اکسیژن برای کاهش هزینهها حیاتی است.
4. وابستگی به منابع خارجی
اکثر صنایع فولادسازی بزرگ، اکسیژن مورد نیاز خود را از شرکتهای تخصصی تأمین میکنند. این وابستگی میتواند در شرایط بحران، تحریم، یا اختلال در زنجیره تأمین، ریسک جدی ایجاد کند و تولید را مختل نماید.
مثال: در برخی کشورها در شرایط تحریم یا قطعی برق، کارخانههای فولاد مجبور شدند تولید خود را کاهش دهند، زیرا اکسیژن کافی و با کیفیت در دسترس نبود.
راهکار: داشتن چندین منبع تأمین اکسیژن و ذخیرهسازی داخلی به عنوان پشتیبان، تابآوری تولید را افزایش میدهد.
5. راهکارهای عملی تأمین پایدار اکسیژن
برای مقابله با چالشهای فوق، صنایع فولادسازی مجموعهای از راهکارها را اجرا میکنند:
الف) تولید اکسیژن در محل کارخانه
استفاده از واحدهای تقطیر هوا یا سیستمهای PSA (Pressure Swing Adsorption) امکان تولید اکسیژن با خلوص بالا و جریان پایدار را فراهم میکند.
این اقدام باعث کاهش وابستگی به تأمینکنندگان خارجی و افزایش کنترل کیفیت میشود.
ب) سیستمهای ذخیرهسازی و مدیریت فشار
مخازن اکسیژن مایع با ظرفیت مناسب و سیستمهای کنترل فشار اتوماتیک، تزریق یکنواخت و پایدار اکسیژن را تضمین میکند.
این سیستمها امکان مدیریت مصرف روزانه و جلوگیری از نوسانات ناخواسته را فراهم میآورند
ج) بهینهسازی مصرف با مانیتورینگ آنلاین
سیستمهای اتوماسیون و کنترل دیجیتال میزان اکسیژن تزریقی را دقیقاً با نیاز واقعی کوره هماهنگ میکنند.
این کنترل باعث کاهش هدررفت اکسیژن، صرفهجویی اقتصادی و افزایش بهرهوری انرژی میشود.
د) استفاده از اکسیژن ترکیبی با گازهای خنثی
ترکیب اکسیژن با آرگون یا نیتروژن در برخی فرایندها، واکنشها را کنترلشده و یکنواخت میکند، طول عمر تجهیزات را افزایش میدهد و مصرف اکسیژن را کاهش میدهد.
هـ) برنامه تأمین جایگزین و مدیریت ریسک
کارخانهها معمولاً چندین منبع اکسیژن (داخلی و خارجی) دارند و برنامههای پشتیبان برای شرایط بحران تدوین میکنند.
این اقدام تضمین میکند که حتی در صورت قطعی منابع، تولید فولاد متوقف نشود و تابآوری زنجیره تأمین حفظ شود.
6. مزایای اجرای راهکارهای پایدار
اجرای این اقدامات، صنایع فولادسازی میتوانند:
تولید پایدار و بهرهوری بالاتر داشته باشند.
مصرف انرژی و هزینههای عملیاتی را کاهش دهند.
کیفیت فولاد تولیدی را بهینه کرده و ترکیب شیمیایی یکنواخت داشته باشند.
اثر زیستمحیطی تولید را کاهش داده و انتشار گازهای گلخانهای را کنترل کنند.
وابستگی به تأمینکنندگان خارجی را کاهش داده و تابآوری تولید در شرایط بحران را افزایش دهند.
استفاده از اکسیژن در تولید فولاد به روش کوره قوس الکتریکی، یکی از مهمترین عوامل افزایش بهرهوری، کاهش مصرف انرژی و بهبود کیفیت محصول نهایی است. تزریق کنترلشده اکسیژن، با ایجاد واکنشهای گرمازا و تصفیه ناخالصیها، موجب کاهش زمان ذوب، صرفهجویی در انرژی و افزایش یکنواختی ترکیب شیمیایی فولاد میشود. بررسیهای صنعتی نشان داده است که این فرایند میتواند زمان ذوب را تا 30٪ کاهش دهد و مصرف انرژی الکتریکی را بین 10–15٪ پایین بیاورد، که تأثیر اقتصادی و زیستمحیطی قابل توجهی دارد.
با این حال، مزایای تزریق اکسیژن بدون چالشهای عملیاتی و لجستیکی همراه نیست. کیفیت اکسیژن، فشار و جریان پایدار، هزینه تولید و حمل و نقل و وابستگی به منابع خارجی، مهمترین عوامل مؤثر بر موفقیت این فرایند هستند. برای مقابله با این چالشها، صنایع پیشرفته از ترکیبی از تولید داخلی اکسیژن، سیستمهای ذخیرهسازی پیشرفته، مانیتورینگ و کنترل اتوماتیک، ترکیب با گازهای خنثی و برنامههای پشتیبان تأمین استفاده میکنند. این اقدامات نه تنها بهرهوری و کیفیت محصول را تضمین میکنند، بلکه تابآوری زنجیره تأمین را نیز افزایش میدهند.
در نهایت، نقش اکسیژن در EAF فراتر از یک عامل کمکی است؛ این عنصر کلیدی به عنوان یک ابزار استراتژیک صنعتی، موجب ارتقای عملکرد اقتصادی، کاهش اثرات زیستمحیطی و تقویت توان رقابتی صنایع فولادسازی میشود. با توجه به فشار جهانی برای کاهش انتشار گازهای گلخانهای و بهینهسازی مصرف انرژی، سرمایهگذاری در تأمین پایدار اکسیژن و مدیریت بهینه آن، یک ضرورت عملیاتی و استراتژیک برای تولید فولاد مدرن محسوب میشود.
————————————————–
منابع
Mondal, S., et al. (2020). Oxygen Injection in Electric Arc Furnace: Energy Efficiency and Process Optimization. Journal of Iron and Steel Research International, 27(4), 377–389.
Ghosh, A., & Ray, S. (2018). Energy Saving in EAF Steelmaking through Oxygen Lancing. Metallurgical and Materials Transactions B, 49(6), 3051–3062.
Habib, K., et al. (2019). Sustainable Oxygen Supply in Electric Arc Furnace Steelmaking: Challenges and Solutions. Steel Research International, 90(7), 1800147.
European Steel Association (EUROFER). (2021). Best Practices in Energy Efficiency for Electric Arc Furnace Operations. Brussels: EUROFER Publications.
World Steel Association. (2022). Energy Use in Steelmaking: Electric Arc Furnace Route. [Online] Available: www.worldsteel.org