بازیافت ضایعات آهن و فولاد بسیار زیاد است. در واقع، داخلی به کارخانه های فولاد تقریبا ۱۰۰٪. به طور کلی، بازیافت کل قراضه به این صنعت بسیار بالاتر از ۷۰ درصد و در حال افزایش است. تامین مواد خام حیاتی برای آسیاب های کوچک قراضه بوده است و این امر برای آسیاب های یکپارچه با بازده ریخته گری مداوم بالا صادق است. اکثر کارخانه‌های کوچک دارای بخش‌های بازیافت قراضه یا شرکت‌های فرعی قراضه هستند تا بتوانند هزینه‌های مواد خام خود را کنترل کنند، که عاملی حیاتی برای کارخانه‌های فولادی است که تقریباً برای تامین مواد اولیه خود به قراضه وابسته است.

سرباره های آهن و فولادسازی به عنوان مواد پرکننده در مصالح ساختمانی از جمله تخته های عایق، سیمان و مواد قیری استفاده شده است.

بازیافت مواد حاوی آهن اکسید شده و محصولات زغال سنگ و کک در کارخانه های فولادی یکپارچه مشکلی است که تحت کنترل است. این ضایعات حدود ۱۰ درصد وزنی کل تولید فولاد را تشکیل می دهند. فرآیندهای انباشتگی مناسب می توانند به طور مستقیم بیش از ۸۰ درصد از این ماده را به عنوان ماده شارژ به کوره بلند آهن بازیافت کنند . فرصت های دیگر بازیافت برای مواد باقی مانده وجود دارد.

افزایش محصولات پوشش داده شده، به ویژه مواد ورق گالوانیزه، چالش های بیشتری را برای بازیافت گرد و غبار جمع آوری شده در فرآیندهای فولادسازی که از روی غنی شده اند، ایجاد کرده است. چندین فرآیند قابل دوام برای استخراج روی از این غبارهای بازیابی شده تجاری شده اند.

تولید کنندگان فولاد زنگ نزن با چالش های زیست محیطی جدی در زمینه ضایعات آلیاژی مواجه هستند. یک نگرانی خاص به سمت ظرفیت پنج یون کروم در محصولات زائد و محلول های محصول است.

صنعت تمام تلاش خود را برای پاسخگویی به این مسائل انجام داده است. هزینه های ساخت و ساز جدید برای کنترل های زیست محیطی برای تاسیسات تولید فولاد بالغ بر ۳۵ درصد از کل سرمایه گذاری است. این موضوع در ایالات متحده به ویژه برای تأسیسات کک سازی که بازسازی یا بازسازی نشده اند، اما به خارج از ساحل فرستاده شده اند، آلودگی صادر می کنند و در عین حال اشتغال و ایجاد سرمایه دارند، سنگین بوده است.

تبدیل گاز طبیعی V

۲ تولید مستقیم آهن کاهش یافته و آهن بریکت داغ

با توجه به سناریوی کمبود آهن قراضه و افزایش کارخانه های کوچک فولاد به عنوان جایگزین برای کارخانه های فولادسازی یکپارچه، تولید آهن کاهش یافته مستقیم (DRI) به شکل بریکت (آهن بریکت شده داغ – HBI) در حال حاضر در حال گذراندن مراحل عمده ای است. گسترش این با اخبار مداوم گیاهان جدید در هر دو آشکار می شوداسترالیا و در سطح بین المللی، از جمله کارخانه BHP Port Hedland HBI. فن آوری DRI اساساً می تواند به دو فناوری گسترده با توجه به خوراک سنگ آهن تقسیم شود. بر پایه توده و/یا گلوله یا بر پایه ریز. تقسیم بندی بیشتر را می توان بر اساس مواد اولیه هیدروکربنی (زغال سنگ یا گاز) انجام داد. جدول ۱ شامل خلاصه ای از فرآیندهای اصلی DRI است [۱] . در حال حاضر فناوری‌های مبتنی بر کلوخه/گلوله Midrex و HYL به ترتیب با ۶۵% و ۲۶% از تولید جهانی بر تولید تجاری DRI غالب هستند، در حالی که تنها فن‌آوری‌های ریز تجاری شده تا به امروز Fior و Nucor Iron Carbide هستند.فرآیندها کارخانه BHP که به زودی راه اندازی می شود در پورت هدلند اولین کارخانه Finmet است که فناوری آن بر اساس گونه ای از فرآیند Fior است. همه این فرآیندها مبتنی بر گاز طبیعی هستند و فناوری های مبتنی بر زغال سنگ اساساً هنوز منتظر وضعیت اقتصادی مناسب یا در مرحله تحقیق و توسعه هستند.

با توجه به اینکه اکثر کارخانه‌های تجاری DRI تا به امروز (Midrex، HYL III، Fior) مبتنی بر گاز طبیعی هستند، مطلوب‌ترین وضعیت برای این شرکت جایی است که گاز ارزان قیمت و سنگ آهن با عیار بالا در مجاورت آن قرار دارند، زیرا این امر هزینه‌های حمل و نقل بیش از حد را کاهش می‌دهد. . در غیاب گاز طبیعی، یک جایگزین تولید گاز سنتز از مواد اولیه هیدروکربنی جایگزین و سپس ادغام آن در یک فرآیند DRI/HBI موجود است. BHP و Texaco چنین مفهوم فرآیندی را توسعه داده و بهینه سازی کرده اند که می تواند از طیف وسیعی از مواد اولیه هیدروکربنی استفاده کند.

آهن سازی

۱.۱.۱.۴.۱ فرآیند کوره بلند برای فولادسازی یکپارچه

فولاد با استفاده از دو نوع ماده خام: فلز داغ یا چدن خام و ضایعات فولادی تولید می شودو از طریق دو نوع فرآیند: کوره های اکسیژن پایه (BOF) یا فولادسازی با اکسیژن پایه و کوره های قوس الکتریکی (EAF). در فولادسازی BOF، حدود ۷۵ درصد آهن از فلز داغ تولید شده توسط فرآیند کوره بلند به دست می آید، ۲۵ درصد باقی مانده از مواد خام، ضایعات فولاد است. در فرآیند EAF به طور کلی از ۱۰۰% قراضه فولاد استفاده می شود، اما در برخی از کارخانه ها سهم قابل توجهی از آهن کاهش یافته مستقیم (DRI) استفاده می شود. علاوه بر این، آهن خام جامد به عنوان ماده خام و منبع کربن خالص در EAF ها استفاده می شود. مسیر کوره بلند – BOF تقریباً ۶۶ درصد کل فولاد خام را تولید می کند و مسیر EAF حدود ۳۱ درصد را تشکیل می دهد در حالی که فرآیند کوره بلند – کوره باز که در نیمه اول دهه ۱۹۰۰ بر فولادسازی غالب بود، تنها سهمی در حدود ۳ داشت. % باقی مانده .

فرآیند کوره بلند در دو قرن گذشته مسیر غالب آهن‌سازی برای تامین مواد اولیه صنعت فولادسازی بوده است. امروزه بیش از ۹۳ درصد از کل تولید آهن از سنگ معدن از طریق مسیر BF انجام می شود. یک مسیر جایگزین برای تولید آهن، احیای مستقیم است که در فصلی جداگانه به طور کامل توضیح داده شده است. شکل ۱.۱.۱ موقعیت کوره بلند و همچنین کاهش مستقیم در فرآیند کلی فولادسازی را نشان می دهد .

کوره بلند از سنگ آهن به عنوان مواد خام حاوی آهن، و کک و زغال سنگ پودر شده به عنوان عوامل کاهنده و منبع حرارت، آهک یا سنگ آهک به عنوان مواد روان کننده استفاده می کند. هدف اصلی آهن‌سازی کوره بلند، تولید فلز داغ با کیفیت ثابت برای فرآیند فولادسازی BOF است. به طور معمول مشخصات کار فولادی به یک فلز داغ با ۰.۳-۰.۷٪ Si، ۰.۲-۰.۴٪ منگنز، و ۰.۰۶-۰.۱۳٪ P و دمای تا حد امکان (۱۴۸۰-۱۵۲۰  درجه سانتیگراد در هنگام ضربه زدن) نیاز دارد. یک کوره بلند بزرگ مدرن دارای قطر کوره ۱۴-۱۵  متر و ارتفاع ۳۵  متر با حجم داخلی حدود ۴۵۰۰  متر مکعب است . یکی از این کوره های بلند بزرگ می تواند ۱۰۰۰۰  تن فلز داغ در روز (THM/day) تولید کند.شکل ۱.۱.۲ کوره های بلند آهن سازی مدرن را نشان می دهد.

از آنجایی که فرآیند کوره بلند مقدار زیادی کک متالورژیکی مصرف می‌کند، سایر فرآیندهای آهن‌سازی در حال توسعه هستند و به‌عنوان فرآیندهای جایگزین احتمالی آهن‌سازی در آینده در حال ظهور هستند: کاهش ذوب و کاهش مستقیم که در آن کک متالورژیکی می‌تواند با زغال سنگ پودر شده یا سایر عوامل کاهنده گاز جایگزین شود. نمونه هایی از فرآیندهای تجاری عبارتند از MIDREX [ 9 ] به عنوان فرآیند احیای مستقیم و COREX [ 10 ] به عنوان فرآیند کاهش ذوب.

تولید سالیانه فلز داغ توسط فرآیند کوره بلند، DRI و همچنین فولاد خام از سال ۱۹۸۰ تا ۲۰۱۱ در شکل ۱.۱.۳ نشان داده شده است.

حفاظت کاتدیک

۵.۱۳.۲ ضایعات فلزی

این مزیت ارزان بودن و در دسترس بودن فراوان است. میزان مصرف لوله های قراضه فولادی ملایم ، ریل و ضایعات چدنریخته گری متفاوت است برای ضایعات فولادی نرم میزان مصرف ۶.۶ تا ۹.۰ کیلوگرم در هر سال و برای چدن ۰.۹ تا ۹.۰ کیلوگرم در هر سال است. فولاد به صورت خط راه آهن قدیمی، لوله و مقاطع سازه ای استفاده می شود. میزان مصرف ضایعات فولاد به طور کلی یکنواخت است. این ماده عمدتاً به صورت مقطع بلند و نازک موجود است و بسته به اینکه این مقاطع به صورت افقی یا عمودی نصب شوند، ممکن است با لایه‌های خاکی با مقاومت‌های متفاوت مواجه شوند که منجر به خوردگی غیریکنواخت می‌شود. چدن مزیت ضخیم بودن برش و شکل آن را دارد که هر قطعه در خاکی با مقاومت کم و بیش یکنواخت قرار می گیرد. همچنین، با مصرف آهن بیرونی، یک سطح گرافیت در معرض دید قرار می گیرد. بنابراین، آهن باقی مانده به شکل گرافیت، به عنوان آند گرافیت عمل می کند.

فرووانادیوم

۱۰.۱.۷.۱ تنظیم محتوای وانادیوم فرووانادیوم

محتوای وانادیم به دلیل اختلاط مواد یا از دست دادن سرباره متفاوت است، جایی که در زمانی که محتوای وانادیوم زیاد است ، ضایعات فولاد اضافه می شود. مقدار ضایعات آهن =(کسری از وانادیوم که باید کاهش یابد)×(مقدار آلیاژ در کوره)/(کاهش محتوای آلیاژ وانادیم). در اینجا مقدار آلیاژ مهم است. هنگامی که محتوای وانادیوم کم است، V ۲ O ۵ باید اضافه شود. مقدار V ۲ O ۵ = (محتوای وانادیم افزایش یافته) × (مقدار آلیاژ در کوره) × (۱۸۲/۱۰۲) / (V ۲ O ۵ خلوص). در اینجا مقدار آلیاژ مهم است.

مقدمه ای بر تحقیقات رابط چرخ-راه آهن

از تولید در مقیاس کوچک آهن خام، تحولات عمده در تولید فولاد در نیمه دوم قرن ۱۹ رخ داد. ۱۴ فرآیند بسمر (۱۸۵۵) امکان تولید فولاد را به عنوان شمش فراهم کرد. فرآیندهای مارتین (۱۸۶۹ و ۱۸۹۰) امکان استفاده از آهن قراضه و کاهش شدید محتوای گوگرد و فسفر را فراهم کردند. تحولات عمده ای در طول دهه های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ دنبال شد. فرآوری متالورژی ثانویه معرفی شد که امکان کاهش بیشتر گوگرد و فسفر و سایر آلاینده‌ها را فراهم کرد. محتوای هیدروژن کم از طریق گاز زدایی خلاء و دانه بندی ریز با استفاده از افزودنی های کوچک وانادیوم یا آلومینیوم معرفی شد. ریخته گری شمش در حال حاضر تا حد زیادی با ریخته گری مداوم جایگزین شده است. افزایش دانش در مورد آخال های غیرفلزی و تأثیر آنها بر خواص خستگی و شکست، ۱۵ همراه با تکنیک های مدرن آنالیز مواد و روش های آزمایش غیر مخرب، کیفیت مواد را در چرخ ها و ریل های امروزی به سطح بسیار بالایی رسانده است.

بهداشت، ایمنی و مسائل زیست محیطی

شناسایی زباله

اگر زباله های شهری (از تاسیسات غذاخوری شرکت، خدمات اداری، نگهداری باغ، لجن تصفیه آب بهداشتی و غیره) حذف شوند، زباله های تولید شده در فرآیند تولید سرامیک را می توان به دو گروه بزرگ تقسیم کرد:

زباله های غیر خطرناک

بیشترین مقدار ضایعات تولید شده در تمامی مراحل فرآیند تولید سرامیک، زباله های غیرخطرناک هستند. می توان به انواع زباله های زیر اشاره کرد:

بقایای مواد خام و مواد افزودنی، ضایعات تمیزکننده گاز و ضایعات سرامیکی پخته نشده بدون ترکیبات خطرناک (قبل از فرآیند پخت).

ضایعات محصول نهایی محصولات غیر منطبق با مشخصات یا استانداردها (پس از فرآیند پخت).

ضایعات خدمات کمکی به فرآیند تولید و نگهداری، مانند آهن قراضه، غلطک، عناصر نسوز و ساینده ها.

زباله های بسته بندی (مقوا، پلاستیک، چوب و غیره).

لجن و سوسپانسیون های آبی که حاوی مواد سرامیکی هستند.

زباله های خطرناک

زباله های خطرناک زباله هایی هستند که با توجه به ویژگی های خود می توانند خطراتی برای محیط زیست یا افراد به همراه داشته باشند. بنابراین نیاز به درمان ویژه و همچنین کنترل مستمر با توجه به حمل و نقل و دفع دارد.

زباله های خطرناک در مراحل فرآیندی تولید می شوند که از مواد خام حاوی موادی استفاده می شود که می تواند زباله ها را خطرناک کند. ممکن است به موارد زیر توجه شود:

بقایای مواد خام و مواد افزودنی، ضایعات تمیزکننده گاز و ضایعات سرامیکی پخته نشده حاوی ترکیبات خطرناک (قبل از فرآیند پخت).

مواد حاوی مواد خطرناک که در کانال های جمع آوری آب (داخل کارخانه) ته نشین می شوند.

روغن های مستعمل و سایر ضایعات نگهداری عمومی (باتری های مصرف شده، فیلترهای استفاده شده و غیره).

جدول ۲۰ انواع اصلی ضایعاتی را که می توانند در فرآیند تولید سرامیک منشأ می گیرند، بر حسب مراحل مختلف فرآیند، خلاصه کند.

تولید کادمیوم، ایندیم و تالیم

در کارخانه ذوب سرب و روی Cominco در Trail در کانادا، ایندیم در بخارات کوره ذوب مداوم انباشته می شود. مخلوطی از دود، کک و سرباره حاوی آنتیموان در کوره ای با آتش مستقیم ذوب می شود. آرسنیک با افزودن ضایعات آهن برای تشکیل اسپیس حذف می شود. آلیاژ قلع-ایندیم-آنتیمون-سرب باقیمانده به آند ریخته می شود و در محلول فلوئوروسیلیکات الکترولیز می شود و آلیاژ قلع-سرب روی کاتد و ایندیم-آنتیموان در لجن ها رسوب می کند. اسلایم ها با اسید سولفوریک برشته می شوند. ایندیم از محصول سولفاته با شستشو با آب حل می شود. مس در محلول با سیمان کردن با ایندیم حذف می شود. سپس ایندیم از محلول با سیمان کردن با آلومینیوم یا روی بازیابی می شود. اسفنج ایندیوم ذوب شده و تصفیه می شود تا ایندیم با خلوص ۹۹.۹۹ درصد بدست آید.

در پالایشگاه لا اورویا در پرو، ابتدا شمش سرب را برای حذف مس خشاب می‌کنند، سپس قلع و ایندیم را در دمای بالاتر حذف می‌کنند. تفاله قلع-ایندیوم با استفاده از کک به فلز تبدیل می شود، مخلوطی از کلریدهای سرب و روی اضافه می شود و ایندیم به عنوان کلرید ایندیم در سرباره بازیافت می شود. سرباره کلرید توسط آب شسته می شود. محلول با سیمان کردن سرب و قلع با ایندیم خالص می شود. ایندیم با افزودن روی به صورت اسفنج بازیابی می شود.

در کارخانه ذوب هوبوکن در بلژیک، ایندیم در یک باقیمانده پیچیده در طی تصفیه سرب توسط فرآیند هریس، که از آن بازیابی می شود، غلیظ می شود.

مدیریت و کنترل خوردگی

در برخی موارد، یک خط لوله بلااستفاده یا سایر سازه های فلزی در مجاورت پروژه که نیاز به حفاظت کاتدی دارد ممکن است به عنوان سیستم آند استفاده شود. مشهور است که اولین سیستم اسکله جریان تحت تاثیر در بریتانیا از یک کیل زیردریایی قراضه به عنوان آند استفاده کرد. با این حال، در موارد ضایعات فولادی یا بسترهای آهنی ضروری است که اطمینان حاصل شود که فولاد کاری کاملاً به صورت الکتریکی پیوسته است و برای اطمینان از عمر کافی باید از اتصالات کابلی متعدد به قسمت های مختلف بستر زمین استفاده شود. خوردگی ترجیحی می تواند در مجاورت اتصالات کابل رخ دهد که منجر به قطع زودهنگام برق می شود. از این رو نیاز به اتصالات متعدد است. قراضه فولاد و آهن تقریباً هرگز به عنوان آند استفاده نمی شود.

۴.۲۱.۳.۱.۲ گرافیت

آندهای گرافیت معمولاً به رزین آغشته می شوند و در طول های استاندارد، به عنوان مثال، قطر ۶۵ میلی متر عرضه می شوند. طول ۱.۲ متر؛ و قطر ۷۵ میلی متر ۱.۵ متر طول، با طول کابل (به نام دم آند) ثابت در یک سر. آندهای گرافیت به ویژه در سیستم های حفاظت کاتدی اولیه رایج بودند. با این حال، آنها تقریباً به طور کامل با سیلیکون-آهن جایگزین شده‌اند، دلیل اصلی آن این است که (۱) گرافیت در استفاده، به ویژه در محیط‌های کلرید، تمایل به پوسته شدن دارد. و (۲) چگالی جریان عملیاتی نسبتاً کمی دارد (۱۰-۲۰ A  m – ۲ ، جدول ۴ ). بنابراین، آندهای گرافیت در حال حاضر به ندرت مورد استفاده قرار می گیرند، زیرا با آندهای سیلیکونی-آهن کارآمدتر و قابل اعتمادتر و MMO/Ti جایگزین شده اند.

آندهای سیلیکون-آهن عموماً در اندازه های استاندارد عرضه می شوند، به عنوان مثال، برای ریخته گری های جامد ۵۰ یا ۷۵  میلی متر در قطر. و ۱.۲ یا ۱.۵  متر طول دارند و با دم کابل کامل می شوند. این آندها از چدن با محتوای سیلیسیم بالای ۱۴ تا ۱۵ درصد همراه با درصد کمی از عناصر آلیاژی مانند کروم ساخته شده اند.

آندها با سرهای بزرگ در دسترس هستند که در داخل آن دم کابل ها خاتمه یافته و با رزین و کلاه های محافظ حرارتی محصور شده اند. آنها به صورت “یک سر” یا “دو سر” به ترتیب با یک اتصال کابل در یک انتها یا یک کابل در هر انتها موجود هستند. آندهای “دو سر” را می توان در رشته های آند متعدد با یک کابل در هر رشته عرضه کرد.

آندهای لوله ای ریخته گری گریز از مرکز نیز در قطرهای ۵۵ تا ۱۷۰  میلی متر در طول های ۱.۵ و ۲.۱  متر با اتصال مرکزی کابل موجود است. داده‌هایی وجود دارد که نشان می‌دهد آندهای ریخته‌گری سرد در عملکردشان سازگارتر هستند، احتمالاً به دلیل ساختار دانه‌ای ظریف‌تر و منسجم‌تر آنها و اینکه اتصال مرکزی کابل‌ها منجر به ضریب استفاده بالاتر برای جرم آند می‌شود. منجر به مصرف زودهنگام انتهای (های) اتصال کابل نمی شود.

سیلیکون-آهن با ۴.۵ درصد کروم به رایج ترین آلیاژ سیلیکون-آهن مورد استفاده برای آندهای جریان تحت تأثیر تبدیل شده است، اما فقط زمانی باید از آن استفاده کرد که محتوای کلرید الکترولیت قابل توجه باشد. در خاک‌هایی با محتوای کلرید کم، لایه اکسید مقاومی که روی آلیاژ کروم تشکیل می‌شود و میزان مصرف کم آن را در آب دریا و سایر محیط‌های کلرید فراهم می‌کند، می‌تواند بسیار مقاوم شده و منجر به شکست ظاهری آند/زمین شود.

معایب اصلی آندهای سیلیکون-آهن وزن و شکنندگی شدید آنها است که منجر به هزینه های حمل و نقل بالا و شکستگی احتمالی از ریخته گری تا محل حفاظت کاتدی می شود، به خصوص اگر در خارج از کشور باشد. این آند همچنان به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد، زیرا عملکرد آن بسیار خوب است و در برابر تغییرات در شرایط عملیاتی انعطاف پذیر است.