بهبودهای اخیر در فناوری بازیافت مواد نسوز در صنعت فولاد

بازیافت مواد نسوز و مشکلات زیست محیطی ناشی از نسوزها در سال های اخیر به یک موضوع حیاتی تبدیل شده است. بسیاری از نسوزها در صنعت فولادسازی استفاده می شوند. دور ریز نسوز زمانی انجام می شود که نسوزها آسیب دیده، کارایی و خواص متالورژی خود را از دست داده باشند و تولید فولاد را در حالت ناپایدار قرار دهند. اکثر نسوزهای مورد استفاده بدون بازیافت به محل دفن زباله می روند. با این حال، نیاز روزافزونی به بازیافت این مواد از جهت کاهش هزینه های دفع و دفن زباله در خارج از کارخانه فولادسازی و خرید مواد نسوز جدید وجود دارد. بنابراین در این مقاله ما با استفاده و توسعه فناوری های بازیافت در حجم بالا به کاربرد جدیدی از نسوزهای استفاده شده دست پیدا کرده ایم.

1. مقدمه

صنعت فولادسازی عمدتا با توجه به شرایط کاری کوره (کوره قوس الکتریکی، کوره القایی، کوره بلند و …) از نسوزهای منطبق و مناسب شرایط مورد نظر استفاده می کنند. مواد نسوز پس از صدمه دیدن و از دست دادن توانایی انجام وظیفه خود از محل خود تخریب و خارج می شوند.  شکل 1 فلوچارت بازیافت نسوزها را نشان می دهد. نسوزهای تخریب و خارج شده دسته بندی، خرد، جداسازی مغناطیسی، طبقه بندی و در صورت لزوم خشک می شوند. این مواد در طول فرآیند تا حدودی احیا شده و سپس مجددا به عنوان مواد نسوز بازیافت یا به عنوان زیر مواد استفاده می شوند (به عنوان نمونه: فلاکس کنورتر). اگر نسوزهای استفاده شده کیفیت مورد نیاز برای بازیافت به عنوان نسوز یا زیر مواد را نداشته باشند یا بازیافت آنها از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نباشد فروخته، یا به عنوان مواد اولیه استفاده یا دفن می شوند. با توجه به افزایش حساسیت و علاقه به مشکلات زیست محیطی و قیمت های سرسام آور مواد خام نسوز در سال های اخیر، شرکت Nippon Steel Corporation برای کاهش حجم دفن زباله و پیشبرد برنامه های بازیافت با بازدهی اقتصادی بالا تلاش نموده است. در این گزارش به شرح ابتکارات با بالاترین ابقای اقتصادی برای بازیافت نسوزهای استفاده شده انجام می دهیم.

2. مسائل مربوط به بازیافت مواد نسوز

2.1. فن آوری ها و مسائل رایج در بازیافت مواد نسوز

  فناوری‌های بازیافت مواد نسوز دورریز در گذشته شامل موراد زیر بودند:

1.  فناوری بازسازی صفحات اسلایدگیت و آجرهای مستعمل
2. استفاده از مواد نسوز دورریز به عنوان فلاکس های تصفیه و افزودن تکه های خرد شده آجرهای مستعمل خاص به نسوزهای مونولوتیک

 با این وجود این فناوری‌ها به صورت محدود به کار می‌رفتند و می‌توانستند حداکثر 20 درصد از نسوزهای تولید شده را شامل شوند. بیشتر نسوزهای باقیمانده دورریز، دفن و یا دفع می شدند.

2.2. مسائل جدید در تغییر محیط زیست

در گذشته، بسیاری از نسوزهای بازیافت نشده در محل کارخانه فولادسازی دفن می شدند یا به عنوان مواد اولیه استفاده می شدند. در دهه 1990، محل های دفن زباله در کارخانه های فولادی یکی پس از دیگری پر شد. سپس کارخانه های فولاد با نیاز کاهش حجم ضایعات نسوز مواجه شدند بنابراین از بازیافت برخی مواد نسوز به سمت بازیافت تمامی انواع ضایعات نسوز تغییر رویه ایجاد شد.

شکل 2 تغییرات در تولید نسوز و نسبت نسوز مونولوتیک را در بین سایر نسوزها نشان می دهد. نسوزهای ضایعاتی در صنایع فولادسازی از آجر به نسوز مونولوتیک تبدیل می شوند. آجر در پوشش دهی کوره در معرض شرایط عملیاتی شدید و آسیب زننده جدی استفاده می شود. بویژه آجرهای دائمی که به عنوان آخرین لایه یا همان لایه ایمنی در برابر نشت مذاب فولاد مورد استفاده قرار می گیرند خلوص و عملکرد بالاتری برای مواد اولیه نسوز مورد نیاز است. این روندها کاربردهای بازیافت آجرهای مستعمل و سایر مواد نسوز ضایعاتی را به شدت محدود نموده است. برای توسعه بازیافت نسوزهای دورریز، ایجاد فناوری دسته بندی نسوزهای مونولوتیک برای بازیافت و فناوری استفاده از مقادیر بیشتری از مواد اولیه نسوز بازیافتی نسبت به گذشته ضروری شد.

3. فناوری توسعه یافته

3.1. فناوری مرتب سازی

شکل 3 نمونه ای از بازیافت نسوز را در یک کارخانه فولاد نشان می دهد. خرد کردن، دسته بندی و کلاس بندی مراحل فرآوری نسوز هستند که به طور رایج سنتی انجام می شوند. فناوری های معرفی شده برای توسعه بازیافت مواد نسوز در سال های اخیر در ادامه توضیح داده می شود.

3.1.1. نیازها و مشکلات مربوط به فناوری دسته بندی

نسوزهای مورد استفاده حاوی فلز، سرباره و سایر اجزای مضر برای نسوزها هستند. برای بازیافت دیرگدازهای استفاده شده به عنوان مواد اولیه نسوز، حذف این ترکیبات مضر ضروری است.

به عنوان مثال از نیاز به حذف ترکیبات مضر، رابطه بین مقدار FeO به عنوان یک جزء مضر در ترکیبات و نقطه ذوب جرم نسوز مورد بررسی قرار گرفت (شکل 4). بدیهی است افزایش مقدار FeO، باعث کاهش درصد مواد نسوز می شود. علاوه بر این، انبساط حجمی ناشی از اکسیداسیون FeO موجود و همچنین واکنش آن با اجزای سرباره باعث ایجاد ترک و آسیب شدید به دیرگدازها می شود.

روش‌های دسته بندی رایج عمدتاً شامل جذب و حذف مواد آهنی با آهنربای نصب شده بر روی یک ماشین سنگین یا نوار نقاله و دسته بندی چشمی و دستی بود. این روش‌ها قادر به مرتب کردن ترکیبات آهن دار با مغناطیس ضعیف که در مواد نسوز مخلوط شده نبودند یا فشار کاری سنگینی را بر کارگران بازیافت تحمیل می نمودند. نسوزهای مونولوتیک بدون اشکال خاص لازم است جهت  فرآیند دسته بندی در اندازه های مناسب خرد شوند. بدون در نظر گرفتن اندازه قطعات خرد شده، نسوزهای مورد استفاده حاوی لایه های نفوذ نموده FeO، سرباره و سایر ترکیبات مضر هستند. این ترکیبات مضر باید به صورت چشمی از ذرات خرد شده بسیار ریز تفکیک شوند. واضح است که این روش دشوار است. بویژه ضخامت لایه های نفوذ نموده سرباره در نسوز های مونولوتیک فاقد کربن بیشتر از نسوزهای مونولوتیک حاوی کربن است. این امر حذف ترکیبات مضر را دشوارتر می کند. نسوزهای مونولوتیک حاوی کربن با نفوذ سرباره تغییر رنگ کمی دارند و به سختی قابل تفکیک چشمی هستند.

3.1.2. مقدمه ای بر جداکننده های مغناطیس بالا

شکل 5 به صورت شماتیک یک جداکننده مغناطیسی را نشان می دهد. دسته بندی به روش جداسازی مغناطیسی رایج عمدتا با تفکیک کننده مغناطیسی آویز نصب شده بر روی نوار نقاله انجام می شود. تفکیک ساز مغناطیسی معمولی می تواند بقایای آهنی و سایر مواد فرومغناطیسی را که بر روی ذرات نسوز دورریز به جا مانده را به طور موثر حذف کند. از آنجا که در این روش فاصله مگنت ها از مواد تفکیکی زیاد بود این روش برای جداسازی مواد دارای مقادیر کمکی ترکیبات آهنی، سرباره های با خاصیت مغناطیسی ضعیف و مواد نسوز مشابه ترکیبی مناسب نبود. با توجه به شرایط توضیح داده شده، یک جداکننده مغناطیسی قرقره ای با حداقل فاصله ممکن از مواد تفکیک سازی به کار گرفته شد. این جداکننده مغناطیس بالا با نیروی مغناطیسی بیش از G 10000 برای جداسازی و حذف کامل ذرات مغناطیسی خرد شده به کار گرفته شد. هم اکنون با این روش ذرات خرد و ریز که قابلیت جداسازی چشمی را نداشتند با این میدان بالای مغناطیسی ایجاد شده جداسازی می شوند.

نسوز ضایعاتی بدون کربن با محتوای ناخالصی نسبتاً بالا خرد شده، به ذرات 5 تا 10 میلی متری تقسیم شده و به صورت مغناطیسی دسته بندی شد. نتایج این فرایند در شکل 6 نشان داده شده است. جداسازی مغناطیسی با نیروی مغناطیسی بیش از G 10000 می تواند کل مقدار آهن از جمله اکسیدها و ترکیبات آهن را به سطح پایین تا حدود 2 درصد وزنی کاهش دهد.

استفاده از یک تفکیک ساز مغناطیسی آویز به همراه تفکیک ساز مغناطیسی قرقره ای روش موثری بوده و توصیه می شود. در ابتدا اسکلت های آهنی و سایر مواد فرومغناطیس توسط تفکیک ساز آویز مغناطیسی که ظرفیت جداسازی بالایی دارد جدا می شوند. در مرحله بعدی موادی که میزان مغناطیسه پایینی دارند توسط تفکیک ساز مغناطیسی قرقره ای با دقت بالایی دسته بندی می شوند.

3.1.3. تفکیک سازی از طریق رنگ

علاوه بر تفکیک سازهای مغناطیسی بالا که پیش از این ذکر شد، تفکیک سازهایی که از طریق رنگ ظاهری عمل جداسازی را انجام می دهند نیز مورد استفاده قرار میگیرند. این تفکیک سازها جداسازی را در ترکیبات غیرمغناطیسی سرباره مضر غیرمغناطیسی از ذرات نسوز بدون محتوی کربن که به محض نفوذ ناخالصی تغییر رنگ می دهند انجام می دهند. شکل 7 یک تصویر شماتیک دسته بندی از طریق رنگ ظاهری را نشان می‌دهد. ذرات نسوز قبل و بعد از دسته بندی رنگی در شکل 8 نشان داده شده است. تفکیک ساز رنگی عمدتاً برای ذرات نسوز مونولوتیک غیر کربنی در نظر گرفته شده است و تنظیمات اولیه آن برحسب زمینه رنگ ذرات نسوز استفاده نشده تنظیم شده است. تغییر رنگ ذرات نسوز در اثر نفوذ سرباره با دوربین CCD مشخص می شود. ذرات نسوز غیر منطبق با هوا از طریق یک تفنگ هوا، دمیده می شوند تا فاصله بالا رفتن آنها تغییر کند و دسته بندی می شوند. این تفکیک بازیافت مواد نسوز که تحت نفوذ سرباره قرارنگرفته اند از آن هایی که تحت نفوذ قرار گرفته اند امکان دسته بندی با گریدهای بالا را فراهم می سازد.

در روش دسته بندی رنگی برخی تفنگ های هوا توان کافی برای دمیدن ذرات بزرگ را ندارند و در نتیجه دقت دسته بندی کاهش می یابد. در چنین حالتی لازم است که با توجه به گرید مورد نیاز نسوز توان دسته بندی ست شود و یا مواد بازیافتی مجددا خرد شده و دوباره در سیکل فرآیند بازیافت قرار بگیرند.

در مطالب بالا  به تشریح روش های دسته بندی و حذف اجزای مضر مخلوط شده در ذرات نسوز ضایعاتی و بازیافت مواد نسوز بازیافتی با کیفیت خوب پرداختیم. طبیعتا چنانچه حد آستانه مواد نسوز خیلی با کیفیت و درجه بالا تعیین شود میزان استفاده از مواد بازیافتی کاهش می یابد. بنابراین تغییر آستانه دسته بندی برای برآورده سازی کاربردهای نسوز که بعداً توضیح داده می شود و برنامه ریزی و مدیریت برنامه هایی برای تولید مواد نسوز بازیافتی با گرید مورد نظر مهم است.

3.2. فناوری استفاده از حجم انبوه مواد نسوز بازیافتی

  با فناوری رایج برای افزودن مقدار زیادی از مواد خام نسوز بازیافتی به دیرگدازهای مونولوتیک، مواد نسوز بازیافتی خارج از رنج حداکثری اندازه ذرات به نسوز اصلی اضافه می شود (شکل 9). این روش عموما درصد اضافه بیرونی نامیده می شود.

این روش دارای یک محدوده بالایی برای مقدار مواد نسوز بازیافتی بود که بر اساس گرید به آن اضافه می‌شد به طوریکه ظرفیت پکینگ نسوز اصلی را حفظ کند. بنابراین استفاده از حجم های زیاد مواد اولیه نسوز بازیافتی خارج از محدوده و مشکل ساز بود. همچنین با توجه اینکه اندازه ذرات قابل استفاده محدود به حداکثر رنج اندازه ذرات و روش نصب نسوز محدود به فرایند ریخته‌گری بود، کاربردها به شدت محدود می شد. به عبارت دیگر تکنولوژی استفاده از مقدار بیشتری از مواد اولیه نسوز بازیافتی در بازه اندازه ذرات و در عین حال در نظر گرفتن همزمان خواص دیرگدازهای مونولوتیک مورد نیاز بود.

به همین دلیل، روش اضافه نمودن بیرونی برای افزایش استفاده از مواد اولیه نسوز بازیافتی ابداع شد. بر اساس این روش، مواد اولیه دیرگداز بازیافتی با رجوع به بازه اندازه ذرات مناسب به عنوان یک شاخص (مانند آنچه که توسط معادله توزیع اندازه ذرات پیوسته آندریسن تعریف شده است) در کسرهایی با نسبت خاص از دیرگداز مونولوتیک اضافه می‌شود و بازه اندازه ذرات مناسب با استفاده از مواد اولیه ضایعاتی به دست می آید. روش اضافه نمودن بیرون می تواند از مواد اولیه نسوز بازیافتی نه تنها برای نسوزهای ریخته گری، بلکه برای سایر دیرگدازهای مونولوتیک مانند نسوزهای تعمیری گانیگ و ماله کشی مورد استفاده قرار گیرد. کاربردهای مواد اولیه نسوز بازیافتی به طور قابل توجهی با روش اضافه نمودن بیرونی توسعه یافته است.

3.3. توسعه کاربردهای نسوز بازیافتی

با گسترش بازه کاربرد مواد اولیه نسوز بازیافتی، این مواد در بین نسوزهای مورد استفاده برای بازیافت گنجانده شده و به طور مکرر مورد استفاده قرار می گیرند. نگرانی این که به تدریج غلظت مواد مضر در مواد اولیه نسوز بالا رود وجود دارد و این روش به عنوان روشی با کیفیت درجه دو در بازیافت مواد نسوز محسوب می شد.

مواد اولیه نسوز بازیافتی بر اساس محدوده های کاربرد به دو دسته نسوزهای با گرید بالا، متوسط و گرید پایین طبقه بندی می شوند. مواد اولیه نسوز بازیافتی به صورت متوالی اضافه شده و به عنوان نسوزهای گرید بالا، متوسط و پایین استفاده می شوند. شکل 10 ارتباط بین مقدار اضافه شدن مواد اولیه نسوز بازیافتی و دوام دیرگدازهای ساخته شده با استفاده از نسوز بازیافتی را نشان می دهد.

هنگامی که ذرات خرد شده آجرهای صفحه اسلاید گیت ضایعاتی به عنوان مواد اولیه نسوز بازیافتی با گرید بالا به دیرگدازهای مونولوتیک تشکیل شده از مواد اولیه گرید متوسط اضافه شدند، دوام دیرگدازهای مونولوتیک حاصل بهبود یافته و عمر عملیاتی آنها بیش از 20 درصد در مقایسه با حالت قبل بهبود یافته است.

نسوزهای گرید پایین برای استفاده به عنوان مواد گانینگ تعمیری در نظر گرفته شده اند و به میزان روزافزونی در این کاربرد مورد استفاده قرار می گیرند. ماشین آلات اختصاصی همچون خمیرساز های پیوسته مواد اولیه نسوز بازیافتی را جهت آسان تر نمودن فرآیند توسعه داده شده اند.

یک کاربرد جدید برای مواد اولیه نسوز بازیافتی به عنوان محافظ برای آجرکوره های گرمایش مجدد نورد گرم توسعه داده می شود. در گذشته، هنگامی که پوسته ساخته شده به آجر کوره های گرمایش مجدد نفوذ می کرد و به آنها می چسبید، باید همراه با آجرهای کوره پیشگرم جدا می شد. یک ماده اولیه نسوز بازیافتی با ترکیب اندازه ذرات مناسب به عنوان محافظ روی آجرهای کوره پیشگرم پوشش داده شده است. این کاربرد زحمات برداشتن و هزینه تعمیر آجرهای کوره را به شدت کاهش داد.

در سال‌های اخیر، فناوری بازیافت الیاف سرامیکی که اغلب در تجهیزات با دوام طولانی مانند کوره‌های گرمایش مجدد نورد گرم استفاده می‌شوند، توسعه یافته است. الیاف سرامیکی ضایعاتی با نسوزهای ضایعاتی که تاکنون توضیح داده شده است متفاوت است. به دلیل چگالی بالک کم آنها، کار و هزینه زیادی برای مرتب سازی آنها مورد نیاز است. هنگامی که الیاف سرامیکی مورد استفاده از حالت الیافی رشته ای خارج می شوند، می توان آنها را بازیافت کرد.

4. خلاصه مطلب و چشم اندازهای آینده بازیافت مواد نسوز

در سال‌های اخیر، توسعه فناوری‌های جدید بازیابی، دسته بندی و به کارگیری نسوزهای ضایعاتی پیشرفت کرده است. بازیافت نسوزها در گذشته محدود به موارد خاصی بود، اما اکنون این پیشرفت ها به تمامی انواع نسوزهای مورد استفاده در فولادسازی رسیده است. در فرآیندهای فولادسازی نیز کاهش شدید در حجم دورریزها گزارش شده است. هدف فولاد سازان در عین حال تطبیق پذیری با تغییرات فناوری بازیافت مواد نسوز و توسعه این فناوری (با هدف سهیم شدن در جامعه دوستدار محیط زیست) خواهد بود.

برای کسب اطلاعات بیشتر با ما در تماس باشید.