مقایسه شمش فولاد تولید شده در کوره بلند با کوره قوس الکتریکی

شمش فولادی یکی از مهم ترین محصولات میانی در زنجیره تولید فولاد است که برای تولید انواع مقاطع فولادی مانند میلگرد، تیرآهن، نبشی، ناودانی و محصولات تخت مورد استفاده قرار می گیرد. با این حال، تمام شمش های فولادی به یک روش تولید نمی شوند و نوع فرآیند ذوب می تواند بر هزینه تولید، ترکیب شیمیایی، میزان ناخالصی ها، مصرف انرژی و حتی اثرات زیست محیطی تولید فولاد تاثیرگذار باشد.

دو مسیر مهم در صنعت فولاد، تولید مبتنی بر کوره بلند و تولید با کوره قوس الکتریکی است. البته از نظر فنی، کوره بلند مستقیما شمش فولادی تولید نمی کند؛ بلکه در کوره بلند چدن مذاب تولید شده و این ماده معمولا در مرحله بعد وارد کنورتور اکسیژنی می شود تا پس از کاهش کربن و تنظیم ترکیب شیمیایی، فولاد مذاب برای ریخته گری و تولید شمش آماده شود. در مقابل، کوره قوس الکتریکی فولاد را با ذوب قراضه آهن، آهن اسفنجی یا ترکیبی از مواد فلزی تولید می کند.

به همین دلیل، برای مقایسه شمش فولاد تولید شده در کوره بلند با کوره قوس الکتریکی باید کل مسیر تولید فولاد، مواد اولیه، کیفیت محصول نهایی، مصرف انرژی، هزینه و میزان آلایندگی را در نظر گرفت.

قیمت فولاد آلیاژی علاوه بر شرایط بازار، تحت تاثیر روش تولید، نوع مواد اولیه، ترکیب شیمیایی و هزینه های انرژی در فرآیند فولادسازی قرار دارد.

تفاوت روش تولید شمش در کوره بلند و قوس الکتریکی

اصلی ترین تفاوت کوره بلند و کوره قوس الکتریکی به نحوه تامین مواد اولیه و انرژی مورد نیاز برای تولید فولاد مربوط می شود.

در مسیر کوره بلند، سنگ آهن به همراه کک و مواد کمک ذوب مانند سنگ آهک وارد کوره می شود. کک علاوه بر تامین بخشی از حرارت، نقش عامل احیاکننده را بر عهده دارد و باعث جداسازی اکسیژن از اکسیدهای آهن می شود. محصول این مرحله چدن مذاب با درصد کربن نسبتا بالا است.

چدن مذاب سپس معمولا وارد کنورتور اکسیژنی یا BOF می شود. در این مرحله با دمش اکسیژن، میزان کربن کاهش پیدا کرده و بخشی از عناصر و ناخالصی های نامطلوب نیز حذف می شوند. پس از انجام عملیات فولادسازی ثانویه و تنظیم ترکیب شیمیایی، فولاد مذاب به بخش ریخته گری منتقل می شود.

در کوره قوس الکتریکی یا EAF، شرایط متفاوت است. مواد فلزی مانند قراضه آهن و فولاد، آهن اسفنجی یا DRI و در برخی واحدها آهن گرم بریکت شده یا HBI وارد کوره می شوند. قوس الکتریکی ایجاد شده بین الکترودهای گرافیتی و شارژ فلزی، انرژی حرارتی لازم برای ذوب مواد را تامین می کند. پس از ذوب و تصفیه فولاد، ترکیب شیمیایی تنظیم شده و مذاب برای ریخته گری ارسال می شود.

بنابراین، مسیر کوره بلند بیشتر بر سنگ آهن و کک متکی است، در حالی که کوره قوس الکتریکی انعطاف بیشتری برای استفاده از قراضه و آهن اسفنجی دارد.

مقایسه مواد اولیه مورد استفاده

یکی از مهم ترین تفاوت ها در مقایسه کوره بلند و کوره قوس الکتریکی، مواد اولیه مورد استفاده در هر فرآیند است.

در مسیر کوره بلند، ماده اولیه اصلی سنگ آهن است که معمولا به شکل گندله، کلوخه یا آگلومره وارد فرآیند می شود. کک متالورژی نیز به عنوان سوخت و عامل احیا نقش بسیار مهمی دارد. علاوه بر این، موادی مانند سنگ آهک و سایر مواد کمک ذوب برای کنترل سرباره و جداسازی ناخالصی ها استفاده می شوند.

در مقابل، کوره قوس الکتریکی می تواند از ترکیب متنوع تری از مواد اولیه استفاده کند. قراضه فولادی یکی از رایج ترین خوراک های EAF در جهان است. آهن اسفنجی نیز به خصوص در کشورهایی که دسترسی مناسبی به گاز طبیعی و واحدهای احیای مستقیم دارند، ماده اولیه مهمی برای کوره قوس الکتریکی محسوب می شود.

کیفیت مواد اولیه اهمیت زیادی دارد. برای مثال، استفاده از قراضه نامناسب یا آلوده می تواند ورود عناصر باقیمانده مانند مس، قلع، کروم یا نیکل را به مذاب افزایش دهد. حذف برخی از این عناصر در فرآیند فولادسازی دشوار است. به همین دلیل، تفکیک و کنترل کیفیت قراضه در تولید فولادهای حساس اهمیت زیادی دارد.

از طرف دیگر، استفاده از آهن اسفنجی با کیفیت در EAF امکان کنترل بهتر خوراک فلزی و تولید فولاد با ترکیب شیمیایی مطلوب را فراهم می کند.

مقایسه کیفیت شمش تولیدی

نمی توان صرفا بر اساس نوع کوره اعلام کرد که شمش تولید شده در کوره بلند همیشه با کیفیت تر از شمش کوره قوس الکتریکی است یا برعکس. کیفیت شمش فولادی به مجموعه ای از عوامل مانند کیفیت مواد اولیه، فرآیند فولادسازی، عملیات متالورژی ثانویه، کنترل ترکیب شیمیایی، دمای ریخته گری و کیفیت فرآیند ریخته گری مداوم بستگی دارد.

مسیر کوره بلند و کنورتور اکسیژنی به دلیل استفاده گسترده از مواد اولیه آهنی با منشا معدنی، امکان تولید حجم بسیار بالایی از فولاد با ترکیب نسبتا قابل کنترل را فراهم می کند. این روش برای تولید انبوه بسیاری از فولادهای تخت و فولادهایی که کنترل عناصر باقیمانده در آنها اهمیت دارد، بسیار مناسب است.

در کوره قوس الکتریکی نیز می توان شمش فولادی با کیفیت بسیار بالا تولید کرد. استفاده از آهن اسفنجی مرغوب، قراضه تفکیک شده و فرآیندهای متالورژی ثانویه مانند کوره پاتیلی، امکان تنظیم دقیق ترکیب شیمیایی و تولید فولادهای مهندسی و کیفی را فراهم می کند.

بنابراین کیفیت نهایی شمش را نباید تنها به EAF یا مسیر کوره بلند نسبت داد. تجهیزات کارخانه و کنترل فرآیند در بسیاری از موارد تعیین کننده تر از نوع کوره هستند.

تفاوت ترکیب شیمیایی و میزان ناخالصی شمش

ترکیب شیمیایی شمش یکی از مهم ترین شاخص هایی است که مشخص می کند فولاد برای چه کاربردی مناسب خواهد بود. عناصری مانند کربن، منگنز، سیلیسیم، فسفر و گوگرد و همچنین عناصر آلیاژی باید متناسب با استاندارد و گرید مورد نظر تنظیم شوند.

در مسیر کوره بلند، چدن اولیه دارای مقدار بالایی کربن و برخی عناصر دیگر است که طی فرآیند فولادسازی در کنورتور کاهش داده می شوند. سپس در مراحل فولادسازی ثانویه، ترکیب شیمیایی مذاب با دقت بیشتری تنظیم می شود.

در کوره قوس الکتریکی، ترکیب شیمیایی تا حد زیادی تحت تاثیر نوع خوراک قرار دارد. اگر سهم قراضه بالا باشد، عناصر باقیمانده موجود در قراضه اهمیت بیشتری پیدا می کنند. برخی عناصر مانند مس و قلع به راحتی طی فرآیند ذوب و تصفیه حذف نمی شوند و تجمع آنها می تواند برای بعضی گریدهای فولادی مشکل ایجاد کند.

در مقابل، افزایش سهم آهن اسفنجی یا HBI می تواند خوراک تمیزتری برای کوره فراهم کرده و امکان کنترل عناصر باقیمانده را افزایش دهد.

فسفر و گوگرد نیز از ناخالصی های مهم فولاد هستند که میزان آنها باید کنترل شود. توانایی کارخانه در سرباره سازی، تصفیه مذاب و متالورژی ثانویه تاثیر زیادی بر مقدار نهایی این عناصر دارد.

در نتیجه، نمی توان میزان ناخالصی شمش را فقط بر اساس نوع کوره تعیین کرد؛ کیفیت و ترکیب مواد اولیه و نحوه کنترل فرآیند نقش اساسی دارند.

مقایسه هزینه و مصرف انرژی

هزینه تولید فولاد به عوامل متعددی از جمله قیمت سنگ آهن، قراضه، گاز طبیعی، زغال سنگ کک شو، برق، الکترود گرافیتی، مواد نسوز و ظرفیت تولید کارخانه وابسته است. بنابراین نمی توان یک روش را در تمام کشورها و شرایط اقتصادی ارزان تر دانست.

کوره بلند معمولا در مجتمع های فولادی بزرگ و یکپارچه مورد استفاده قرار می گیرد. احداث چنین مجموعه هایی به سرمایه گذاری اولیه بسیار بالا و زیرساخت گسترده نیاز دارد. واحد کک سازی، آگلومراسیون یا گندله سازی، کوره بلند و واحد فولادسازی تنها بخشی از تجهیزات مورد نیاز این مسیر هستند.

مزیت مهم این روش، ظرفیت بسیار بالای تولید و امکان فعالیت پیوسته در مقیاس صنعتی است.

کوره قوس الکتریکی از نظر ساختار تولید انعطاف پذیرتر است و معمولا امکان راه اندازی واحدهای فولادسازی در مقیاس های متنوع تری را فراهم می کند. با این حال، قیمت برق، قراضه و آهن اسفنجی می تواند تاثیر قابل توجهی بر هزینه نهایی داشته باشد.

از نظر انرژی نیز مقایسه باید بر اساس کل زنجیره انجام شود. EAF مقدار قابل توجهی برق مصرف می کند، اما در مسیر کوره بلند مصرف کک و سایر حامل های انرژی در مراحل مختلف تولید بسیار قابل توجه است.

در مناطقی که برق ارزان یا برق کم کربن در دسترس است و امکان تامین مناسب قراضه یا آهن اسفنجی وجود دارد، کوره قوس الکتریکی می تواند مزیت اقتصادی و زیست محیطی بیشتری داشته باشد.

مقایسه آلایندگی و اثرات زیست محیطی

مسائل زیست محیطی یکی از مهم ترین معیارهای مقایسه فناوری های تولید فولاد در سال های اخیر است.

مسیر سنتی کوره بلند به دلیل وابستگی زیاد به کک و زغال سنگ، با انتشار قابل توجه دی اکسید کربن همراه است. علاوه بر انتشار مستقیم گازهای گلخانه ای، فرآیندهایی مانند کک سازی و آماده سازی مواد اولیه نیز بر اثرات زیست محیطی کل زنجیره تاثیر می گذارند.

کوره قوس الکتریکی، به خصوص زمانی که از قراضه فولادی استفاده می کند، معمولا امکان کاهش قابل توجه انتشار مستقیم کربن را فراهم می کند. با این حال، میزان واقعی انتشار به منبع تولید برق وابسته است. اگر برق مصرفی EAF از نیروگاه های با سوخت فسیلی و شدت کربن بالا تامین شود، بخشی از مزیت زیست محیطی آن کاهش پیدا می کند.

استفاده از برق تجدیدپذیر یا کم کربن در کنار قراضه یا آهن اسفنجی تولید شده با فرآیندهای کم کربن می تواند انتشار گازهای گلخانه ای مسیر EAF را بیش از پیش کاهش دهد.

از سوی دیگر، بازیافت قراضه در کوره قوس الکتریکی باعث بازگشت فولاد مصرف شده به چرخه تولید می شود و از این نظر EAF نقش مهمی در اقتصاد چرخشی صنعت فولاد دارد.

مزایا و معایب کوره بلند و کوره قوس الکتریکی

کوره بلند و کوره قوس الکتریکی هر کدام مزایا و محدودیت های خاص خود را دارند و انتخاب بین آنها باید بر اساس مواد اولیه در دسترس، ظرفیت تولید، زیرساخت انرژی و نوع محصولات مورد نظر انجام شود.

مزایای مسیر کوره بلند:

• ظرفیت تولید بسیار بالا و مناسب برای مجتمع های بزرگ فولادی
• امکان استفاده مستقیم از منابع سنگ آهن در زنجیره تولید
• مناسب برای تولید پیوسته و انبوه فولاد
• کنترل مناسب عناصر باقیمانده به دلیل وابستگی کمتر به قراضه در شارژ اصلی
• فناوری تثبیت شده برای مجتمع های فولادسازی یکپارچه

معایب مسیر کوره بلند:

• سرمایه گذاری اولیه بسیار بالا
• وابستگی قابل توجه به کک و زغال سنگ
• انتشار بالاتر دی اکسید کربن در مسیر متداول تولید
• پیچیدگی بیشتر زنجیره تولید و نیاز به واحدهای جانبی متعدد
• انعطاف پذیری عملیاتی کمتر نسبت به برخی واحدهای EAF

مزایای کوره قوس الکتریکی:

• قابلیت استفاده گسترده از قراضه فولادی
• امکان استفاده از آهن اسفنجی و HBI
• انعطاف پذیری بیشتر در انتخاب ترکیب شارژ
• انتشار مستقیم کربن کمتر در مقایسه با مسیر سنتی کوره بلند و کنورتور
• امکان تولید فولادهای با کیفیت بالا در صورت کنترل مناسب مواد اولیه و فرآیند
• نقش مهم در بازیافت فولاد و اقتصاد چرخشی

معایب کوره قوس الکتریکی:

• وابستگی اقتصادی زیاد به قیمت و دسترسی برق
• حساسیت کیفیت مذاب به نوع و کیفیت قراضه
• احتمال ورود عناصر باقیمانده مانند مس و قلع از قراضه
• نیاز به کنترل دقیق خوراک برای تولید برخی گریدهای حساس
• وابستگی به الکترودهای گرافیتی و زیرساخت مناسب تامین برق

جدول مقایسه شمش کوره بلند و قوس الکتریکی

معیار مقایسه	مسیر کوره بلند	کوره قوس الکتریکی
ماده اولیه اصلی	سنگ آهن، کک و مواد کمک ذوب	قراضه، آهن اسفنجی و HBI
روش تامین انرژی	عمدتا سوخت های کربنی و واکنش های شیمیایی	عمدتا انرژی الکتریکی
محصول مستقیم کوره	چدن مذاب	فولاد مذاب
مرحله بعد از کوره	معمولا کنورتور اکسیژنی برای تولید فولاد	تصفیه و متالورژی ثانویه
ظرفیت تولید	بسیار بالا	متنوع و انعطاف پذیر
سرمایه گذاری اولیه	بالا	معمولا کمتر از مجتمع یکپارچه کوره بلند
انعطاف پذیری خوراک	کمتر	بیشتر
وابستگی به قراضه	پایین تر	می تواند بالا باشد
ریسک عناصر باقیمانده ناشی از قراضه	معمولا کمتر	وابسته به نوع و میزان قراضه
کنترل ترکیب شیمیایی	بسیار مناسب با تجهیزات تصفیه مناسب	بسیار مناسب با خوراک و تصفیه مناسب
انتشار کربن	معمولا بالاتر	معمولا پایین تر، به ویژه با برق کم کربن
قابلیت بازیافت قراضه	محدودتر	بسیار بالا
کیفیت شمش	قابلیت تولید شمش با کیفیت بالا	قابلیت تولید شمش با کیفیت بالا
کاربرد مناسب	تولید انبوه در مجتمع های یکپارچه	تولید مبتنی بر قراضه یا آهن اسفنجی و واحدهای منعطف

شمش کوره بلند بهتر است یا کوره قوس الکتریکی؟

برای پاسخ به این سوال ابتدا باید مشخص شود منظور از «بهتر» چیست. اگر منظور کیفیت شمش باشد، نمی توان یکی از دو روش را بدون بررسی گرید فولاد، مواد اولیه و تجهیزات کارخانه برنده قطعی دانست.

هر دو مسیر می توانند فولاد و شمش با کیفیت تولید کنند. در مسیر کوره بلند و کنورتور، استفاده از مواد اولیه با منشا سنگ آهن می تواند از نظر کنترل برخی عناصر باقیمانده مزیت ایجاد کند. این ویژگی برای تولید بعضی فولادهای حساس اهمیت دارد.

از طرف دیگر، کوره قوس الکتریکی نیز در صورت استفاده از آهن اسفنجی یا قراضه کنترل شده و بهره گیری از تجهیزات متالورژی ثانویه، قابلیت تولید فولاد با کیفیت و ترکیب شیمیایی دقیق را دارد.

اگر معیار، کاهش انتشار کربن و استفاده از قراضه باشد، کوره قوس الکتریکی معمولا گزینه جذاب تری است؛ به ویژه زمانی که برق مورد نیاز آن از منابع کم کربن تامین شود.

اگر هدف تولید بسیار انبوه در یک مجتمع فولادی یکپارچه و دسترسی مناسب به سنگ آهن و زغال سنگ باشد، مسیر کوره بلند همچنان می تواند مزایای عملیاتی و اقتصادی مهمی داشته باشد.

در نتیجه، تفاوت شمش کوره بلند و قوس الکتریکی بیشتر از آنکه به یک تفاوت مطلق در کیفیت خلاصه شود، به مواد اولیه، ترکیب شیمیایی مورد نیاز، هزینه انرژی، ظرفیت تولید و الزامات زیست محیطی مربوط است. برای ارزیابی کیفیت یک شمش مشخص نیز بهتر است آنالیز شیمیایی، خواص مکانیکی، میزان ناخالصی ها، استاندارد تولید و شرایط ریخته گری بررسی شود.

سوالات متداول