فولاد از ابتدا تا انتها :

فولاد آلیاژی از آهن است كه بيشتر ناخالصي هاي آن جدا شده است. آهن عنصري فلزي، مستحكم، تاحدودی نرم، سنگين و به رنگ خاكستري است. اين ماده در شهاب سنگ ها يافت مي گردد. آهن در تركيب با بسياري از كاني ها در پوسته زمين پيدا مي شود. آهن به آساني زنگ مي زند و مي توان آن را مغناطيسي ساخت و به شدت جذب آهنربا نمود. از اين ماده جهت ساختن بسياري از سازه ها استفاده مي گردد. فولاد (آهن ذوب شده) با گرماي شديد و آميختن آن با كربن (آلياژ) درست مي شود. از فولاد براي ساختن ماشين آلات، اتومبيل، ابزار آلات و ديگر مصنوعات استفاده مي گردد.

امروزه فن‌آوري‌هاي مورد استفاده در توليد محصولات فولادي در مراحل بعد از به‌ دست آوردن فولاد مذاب يعني ريخته‌گري و نورد كم و بيش يكسان است. اما براي به‌دست آوردن فولاد مذاب يا خام از فن‌آوري‌هاي مختلفي مي‌توان استفاده نمود. به طور کلي فولاد خام از دو روش زير توليد مي‌گردد:

1- تهيه آهن‌خام يا چدن‌مذاب در کوره بلند (BF) و توليد فولاد در کانورترهاي اکسيژني

2- احياي مستقيم سنگ‌آهن (DR) و آهن اسفنجي (DRI) و قراضه (Scrap) در کوره‌هاي الکتريکي از قبيل قوس‌الکتريکي (EAF) که در طرح جاری از این روش استفاده می شود.

لازم به‌ذکر است که توليد فولاد از روش‌هاي ديگري نظير روش کوره باز (Open Heart) نيز انجام مي‌گيرد که باتوجه به حجم توليد بسيار محدود آن در جهان (طبق آمار World Steel حدود 5/2 درصد از کل توليد فولاد جهان در سال 2007) و کاهش پيوسته توليد با اين روش در اين‌جا مورد بررسي قرار نگرفته‌است.

حال به مقایسه دو روش ذکر شده می پردازیم:

در روش اول که شيوه سنتي توليد است از احياي غيرمستقيم آهن استفاده می شود و در آن سنگ آهن پس از فرآوري به‌ همراه آهک و کک وارد کوره بلند می شود و آهن خام يا چدن‌مذاب (Pig Iron) به‌دست مي‌آيد. در مرحله بعد آهن‌خام در يک کانورتر به فولاد مذاب تبديل گرديده، قسمتی از کربن و ناخالصي‌هاي ديگر آن به کمک اکسيژن خارج و فولاد خام (Crude Steel) توليد مي‌گردد.

روش دوم توليد فولاد استفاده از کوره‌هاي الکتريکي و ذوب مجدد قراضه آهن و فولاد مي‌باشد. به‌دليل کمبود منابع قراضه در جهان و نيز رشد فزاينده قيمت آن در طول سال‌هاي گذشته، در اين روش مي‌توان به همراه قراضه از آهن‌اسفنجي نيز براي ذوب در کوره استفاده نمود.

آهن اسفنجي

آهن اسفنجي (DRI) محصول عمليات احياي مستقيم سنگ آهن است که داراي عيار بالاي آهن بوده و جايگزين مناسبي براي قراضه جهت ذوب محسوب مي‌گردد. به‌طور كلي اين ماده در جهان به ‌عنوان يك ماده شارژ مرغوب محسوب مي‌شود. آهن اسفنجي از احياي مستقيم سنگ‌آهن به‌دست مي‌آيد كه عيار آن بين 84 تا 95 درصد است. احيا موجب حذف يا از بين ‌رفتن اكسيژن در سنگ ‌آهن شده و سنگ را به‌صورت شانه‌ عسل يا ساختار متخلخل اسفنجي شكلي در مي‌آورد كه به ‌همين دليل به آهن اسفنجي مي‌گويند.

آهن اسفنجي به دو شكل كلوخه يا گندله‌اي شكل و يا به ‌صورت فشرده و بريكت شده (HBI) توليد مي‌شود. شكل HBI كه به‌آن آهن بریكت شده گرم نيز مي‌گويند از طريق فشرده ‌نمودن DRI در درجه حرارت حدود 650 درجه سانتيگراد به‌وجود مي‌آيد. درحقيقت HBI شكل تغليظ شده و فشرده DRI است كه براي انبار نمودن و حمل ‌و نقل آسان طراحي شده‌است. به ‌طور كلي DRI را مي‌توان در كارخانه‌ها و واحدهاي فولادسازي كه در آن‌عمليات احيا در واحد  احيا و در كنار واحد فولادسازي‌صورت مي‌پذيرد، استفاده نمود.

به‌طوركلي 3/66 درصد فولاد خام جهان به کمک روش کوره بلند و 2/31 درصد آن نيز به روش احياي مستقيم و استفاده از کوره‌هاي الکتريکي توليد مي‌گردد. با وجود آنکه بيش‌تر توليد فولاد خام در جهان به‌وسيله روش کوره ‌بلند توليد مي‌شود، اما موارد ذيل استفاده از روش احياي مستقيم و کوره‌هاي الکتريکي را مخصوصاً در ايران توجيه‌پذيرتر مي‌نمايد:

- با توجه به استفاده از قراضه آهن، اين روش سريع‌تر است.

- هزينه راه‌اندازي يک واحد کوره ‌بلند نسبت به يک واحد احياي مستقيم و کوره ‌الکتريکي در ظرفيت‌هاي متناظر بالاتر است.

کک متالورژيکي که يکي از مواد اوليه مورد نياز کوره‌هاي بلند است از زغال‌سنگ کک ‌شونده به‌دست مي‌آيد که منابع آن در ايران محدود است. همچنين اين ماده عمدتاً وارداتي و گران ‌قيمت است. (براي توليد هر تن آهن‌خام به روش کوره ‌بلند طبق استانداردهاي جهاني به حداقل 5/1 تن سنگ ‌آهن و 450 کيلوگرم کک متالورژيکي نياز بوده که گاهي اين مقدار تا 3 تن سنگ آهن و 1000 کيلوگرم کک هم افزايش مي‌يابد.) در نتيجه باتوجه به اینکه مي‌توان از گاز به عنوان ماده احيا کننده در روش احياي مستقيم استفاده نمود و با وجود منابع عظيم گاز در ايران عملاً روش کوره ‌بلند مزيت خود را از دست مي‌دهد.

    - روش کوره‌ بلند محدوديت‌هاي زيست ‌محيطي بيشتري نسبت به روش احياي مستقيم دارد.

    - کوره بلند در ظرفيت‌هاي بالا (حداقل 2 ميليون تن در سال) داراي توجيه اقتصادي بيش‌تري است درحالي که از روش احياي مستقيم مي‌توان در واحدهاي کوچک فولادسازي نيز با توجيه اقتصادي مناسب استفاده نمود.

    - آهن اسفنجي را مي‌توان به‌صورت آهن گرم کلوخه شده (HBI) درآورده، به‌ سهولت حمل يا ذخيره نمود.

    - در فرآيند احياي مستقيم مي‌توان از گاز طبيعي بدون حذف ناخالصي‌هاي آن استفاده نمود.

تشريح فرايند توليد آهن اسفنجي

توليد آهن اسفنجي از سنگ‌آهن عموماً به دو روش گازي (Gas Based) يا استفاده از زغال‌سنگ (Coal Based) براي احياي آهن صورت مي‌پذيرد. معمولاً در کشورهايي که داراي ذخاير گاز هستند از روش گازي استفاده مي‌گردد. در ايران نيز به‌طور مثال، فولاد خوزستان و فولاد مبارکه از گاز به‌ عنوان ماده احياکننده استفاده مي‌نمايند. شناخته شده‌ترين روش‌هاي احياي مستقيم گازي روش‌هاي ميدرکس و HYL هستند. شرکت MMTE ايران و نيز شرکت ايريتک داراي ليسانس ساخت کارخانه‌هاي احياي مستقيم (از کوبه استيل) با تکنولوژي ميدرکس هستند.

به‌طور كلي سه‌روش جهت احياي مستقيم (توليد آهن اسفنجي) در ايران مورد استفاده قرار مي‌گيرد:

Purofer، Midrex و HYL كه در ادامه به اختصار هر يك توضيح داده مي‌شود.

الف) Purofer

در اين روش سنگ‌آهن غربال شده به‌صورت Lump و يا پلت از بالا به ‌داخل يك تنور استوانه‌اي كه سطح مقطع آن از بالا به پايين به‌طور يكنواخت افزايش مي‌يابد شارژ شده و توسط جريان گاز احيايي كه در جهت مخالف سنگ‌آهن حركت مي‌نمايد احيا مي‌گردد.

ب) Midrex

اين روش علي‌رغم شباهت‌هاي فراواني كه با روش قبل دارد، به‌مراتب بيشتر مورد مقبوليت جهاني مي‌باشد. در اين روش سنگ معدن به داخل يك تنور Shaft عمودي به‌ طور پيوسته تغذيه شده و توسط جريان گاز احيايي تا حدود 96 درصد به آهن آزاد احيا مي‌گردد. گاز تغيير فرم‌يافته از نيمه ارتفاع وارد كوره شده و در امتداد ارتفاع صعود مي‌كند. احياي سنگ‌آهن در بالاي كوره صورت گرفته و مواد احيا شده در پايين تنور سرد و سپس تخليه مي‌گردد. گاز احيايي از تغيير فرم مخلوط گاز طبيعي و گاز بازگشتي از بالاي تنور در يك مبادله‌كننده حرارت به‌دست مي‌آيد.

ج) HYL

اين روش بر اساس احياي سنگ‌معدن در حالت استاتيك توسط گاز احيايي كه از تغيير فرم گازطبيعي با بخار آب به‌دست مي‌آيد، طراحي شده‌است. در تغيير فرم‌دهنده‌هاي گاز، نيكل به‌عنوان كاتاليزور به‌صورت استوانه‌هاي توخالي در داخل لوله‌هاي فولادي كرم- نيكل پر شده، مخلوط گازطبيعي و بخار آب از داخل آن‌ها عبور نموده و در درجه حرارتي حدود 800 درجه سانتيگراد به هيدروژن و اكسيد كربن تبديل مي‌گردد. در اين روش سنگ معدن توسط نوار نقاله به داخل محفظه احيا تغذيه شده سپس محل ورود شارژ بسته و گاز احيايي از بالا به ‌داخل محفظه جريان مي‌يابد. اين روش با سابقه طولاني و طراحي قابل اعتماد، توانسته است شهرت فراواني كسب نمايد. تأسيسات و كارخانه‌هاي جديد آن غالباً در مدتي بسيار كوتاه به ظرفيت طراحي‌ شده ‌شان مي‌رسند

معرفي کاربرد هاي محصول

فولاد یک محصول میانی است که دارای کاربردهای متفاوتی است و تقریباً همه صنایع به نوعی از فولاد استفاده می کنند اما عمده مصرف آن شامل موارد زیر است:

• تیرآهن و میلگرد، ریل، نبشی و ناودانی معمولی در صنعت ساختمان سازی، سد، راه، پل، جاده و راه آهن کاربرد دارد.
• انواع ورق در صنعت ساختمان (به عنوان پروفیل و لوله)، صنعت خودروسازی، صنایع غذایی، صنایع نفت و گاز و صنایع آبی و ... کاربرد دارد.
• فولاد آلیاژی (همانند میلگرد، سپری و ناودانی و نبشی و ...)، همه صنایع به خصوص در صنایع ماشین سازی، خودرو و صنایع غذایی، صنایع شیمیایی و ... کاربرد دارد.
• فولاد مذاب آلیاژی صنایع ریخته گری برای ریخته گری انواع قطعات فولادی و چدنی از فولاد و یا چدن مذاب استفاده می نمایند.

انواع فولاد به عنوان یک محصول میانی به صورت های مختلف تقریباً در تمام صنایع دیگر از جمله صنایع ساختمانی و ماشین سازی کاربرد گسترده ای دارد. مصرف کنندگان صنعتی شامل خودروسازان، صنعت ماشین سازی، صنعت نفت و گاز، صنعت کشتی سازی و مصرف کنندگان ساختمان شامل سد سازی، راه سازی، ساختمان های مسکونی، تجاری و اداری، فرودگاه ها و ... می باشد.

عمده مصارف صنعتی شامل مقاطع عرضی(ورق)، مقاطع طولی آلیاژی و عمده مصارف مسکونی شامل مقاطع طولی بویژه میلگرد و تیرآهن می باشد.

بررسي کالاي جايگزين و تجزيه و تحليل اثرات آن بر مصرف محصول

در صنعت هر چند که در شرایط خاص و در صورت عدم دسترسی به مواد مورد نظر تا حدودی امکان جایگزینی برخی دیگر از موارد وجود دارد. لیکن این جایگزینی آنچنان از مطلوبیت مصرف برخوردار نبوده و به جرأت می توان گفت که هر ماده مصرف خاص خود را داشته و مصرف کننده علاقه ای برای جایگزینی آن با سایر مواد را ندارد. محصولات مورد مطالعه نیز از وضعیت مشابه برخوردار هستند و حوزه های مصرف مخصوص خود را دارا بوده ولی با این وجود می توان تخته چوبهای مهندسی و مصالح کامپوزیت از جمله پلاستیک ها و پلیمرهای تقویت شده توسط فیبر (FRP) و دیگر آلیاژهای آهنی  را به عنوان جایگزینی برای فولاد در نظر گرفت.