فرآیند خط تولید فولاد

در این مقاله سعی بر آن است تا مراحل صفر تا صد خط تولید فولاد به طور کامل شرح دهیم پس با ما همراه باشید

• فولاد یا همان استیل، استفاده گسترده‌ای در زمینه‌های تولید و مهندسی دارد.
• آلیاژی از آهن است که بین ۰٫۰۰۲ تا ۲٫۱ درصد وزن آن کربن است.
• هم اکنون میزان فولاد در حال استفاده در جهان را حدود ۲۰ میلیارد تن تخمین زده‌اند.
• این میزان برابر 2 تن فولاد به ازای هر نفر است.
• ترکیبات این آلیاژ را برای رسیدن به خواص دلخواه تغییر می‌دهند.
• خواص فولاد به کمک تغییر در درصد کربن، عناصر آلیاژی و عملیات حرارتی قابل کنترل است.
• به فولادی متشکل از عناصر نیکل، کروم، تنگستن، مولیبدن، وانادیم، منیزیم، کبالت، مس، «نیوبیم» (Niobium)،‌ زرگون، سلنیم و سرب، «فولاد آلیاژی» (Alloy Steel) می‌گویند.
• خود فولاد، آلیاژی از آهن، کربن و سایر فلزات و نافلزات است.
• استیل را می‌توان بارها و بارها بازیافت کرد بدون اینکه خاصیت و عملکرد آن کاهش پیدا کند.

 فرآیند اصلی در تولید استیل دخالت دارند.

«فرآیند اکسیژنِ بازی» (Basic Oxygen Steel-making Process) که در آن از آهن تولید شده

توسط «کوره بلند» (Blast Furnace)

به همراه ضایعات (قراضه) فولاد استفاده می‌شود

و روش «کوره قوس الکتریکی» (Electric Arc Furnace Process) که تنها از ضایعات بهره می‌گیرد.

تولید فولاد

۲ فرآیند اصلی در تولید استیل دخالت دارند.

«فرآیند اکسیژنِ بازی» (Basic Oxygen Steel-making Process) که در آن از آهن تولید شده توسط «کوره بلند» (Blast Furnace) به همراه ضایعات (قراضه) فولاد استفاده می‌شود و روش «کوره قوس الکتریکی» (Electric Arc Furnace Process) که تنها از ضایعات بهره می‌گیرد.

فرآیند اکسیژن بازی در تولید فولاد

فرآیند اکسیژن بازی از اصلی‌ترین فرآیندها در تبدیل آهن به استیل است.

در این روش، اکسیژن به داخل یک محفظه دمیده و فرآیندی گرماده را شامل می‌شود.

مراحل تولید استیل با این روش به صورت زیر است:

یک کوره که به «کنورتور» (Converter) معروف است را با ۳۰ درصد از ضایعات فولاد و آهن مذاب پر می‌کنند.

یک لوله باریک و نیزه‌مانند را به داخل کوره می‌فرستند که اکسیژن خالص با سرعتی دو برابر سرعت صوت به کوره تزریق خواهد شد

و در نتیجه این کار، تمامی ناخالصی‌های موجود در کوره به اکسیدهای آن تبدیل می‌شوند.

واکنش‌های اصلی به صورت زیر است:

2C+O2⟶2COSi+O2⟶SiO22Mn+O2⟶2MnO4P+5O2⟶2P2O5

به غیر از مونواکسید کربن، بقیه فرآورده‌ها با آهکی که در طول واکنش اضافه شده است واکنش می‌دهند و تولید «سرباره» (Slag) می‌کنند.

تمامی واکنش‌های بالا گرماده است و برای حفظ دما و جلوگیری از افزایش آن، به صورت کنترل شده به آن ضایعات اضافه می‌کنند.

روش کوره قوس الکتریکی

در ابتدا ضایعات فولاد به کمک یک جرثقیل سقفی به کوره وارد می‌شوند.

این ضایعات از سه منبع قابل تهیه هستند:

• ضایعات خانگی
• ضایعات صنعتی: از کارخانه‌هایی که استیل مصرف می‌کنند مانند کارخانه‌های خودروسازی
• ضایعات کهنه: مثل قوطی‌های کنسرو

این کوره از یک حمام دوار با سقف متحرک تشکیل شده است که ۳ الکترود گرافیتی در آن قرار دارند.

این‌ الکترودها وزن سنگین و ابعادی به طول و عرض به ترتیب 6 و 4 متر دارند.

این نوع از کوره‌ها تا حجم ۱۰۰۰ تن فولاد را در خود جای می‌دهند.

بعد از اینکه ضایعات در کوره قرار گرفتند، سقف متحرک بسته می‌شود و الکترودها در داخل کوره قرار می‌گیرند.

قوس الکتریکی شامل عبور شوک جریان الکتریکی از طریق یک فلز است.

گرمای ناشی از این قوس موجب ذوب شدن ضایعات خواهد بود.

جهت تشکیل سرباره، مواد زیر را به کوره اضافه و با یکدیگر ترکیب می‌کنند:

آهک: به شکل کلسیم اکسید یا کلسیم کربنات
فلورسپار (کلسیم فلوراید): جهت مایع نگه داشتن سرباره
سنگ آهن

زمانی که به ترکیب مورد نظر استیل دست پیدا کردند، سرباره را از کوره خارج می‌کنند.

در نتیجه، استیل مورد نیاز در کوره باقی می‌ماند که با تخلیه کوره به آن دست پیدا می‌کنند.

در مراحل بعدی، سرباره را هم می‌توان بازیافت و از آن آهن استخراج کرد.

فرآیند تولید در یک کارخانه کامل از مرحله تولید آهن خام شروع و تا مراحل پایانی تولید انواع ورق فولادی و پوشش دار ادامه می یابد و مشتمل بر فرایندهای کلی زیر است:

• فرآوری سنگ آهن به عنوان ماده ی خام و اولیه و تولید گندله
• تولید آهن اسفنجی
• تولید تختال(شمش فولادی)
• تبدیل تختال به کلاف گرم با فرآیند نورد گرم
• تولید کلاف گرم با استفاده از فرآیند نورد سرد
• عملیات تکمیلی فولاد و تولید محصول نهایی کلاف و ورق سرد
• عملیات پوشش دهی و تولید ورق فولادی پوشش دار مانند(ورق گالوانیزه،ورق رنگی،ورق قلع اندود)
•  

مرحله اول از تولید فولاد، فرآوری مواد اولیه آن یعنی سنگ آهن می باشد

• سنگ آهن ترکیبی از اکسیدهای آهن و ناخالصی های فلزی از قبیل سولفور، فسفر، سیلیس و … می باشد.
• در مرحله ی اول که فرآوری مواد اولیه است سنگ آهن خرده شده و طی فرایندهای خاصی ناخالصی های فلزی از آن جدا می شود.
• سپس در فرایند گندله سازی، سنگ آهن (به صورت ترکیبی از اکسیدهای آهن) به شکل گلوله ای در آمده و پس از عملیات پخت محصولی به نام گندله تولید می شود.
• گندله طی فرآیند احیا مستقیم با کربن، آهن خالص را تولید می کند.
• چون گندله اکسیژن خود را در این فرایند از دست می دهد ترکیب حاصله حالتی تخلخلی مانند اسفنج دارد.
• به همین لحاظ آن را آهن اسفنجی می نمایند.
• آهن اسفنجی در مخازن مخصوصی انباشت و نگهداری می شود تا به تدریج به عنوان ماده اولیه تولید فولاد در مراحل بعدی به کار گرفته می شود.

مرحله دوم تولید آهن اسفنجی

• در مرحله ی دوم آهن به فولاد مذاب تبدیل می شود.
• ورودی این فرایند آهن اسفنجی است.
• نوع و گرید فولاد و خواص شیمیایی آن در این مرحله ایجاد می شود.
• در این مرحله آهن قراضه و آهن اسفنجی در کوره های قوس الکتریکی با نسبت های مشخصی به فولاد مذاب تبدیل می شوند.
• پس از سرباره گیری از مذاب با توجه به کیفیت مورد انتظار آن مواد افزودنی به نسبت های لازم به فولاد مذاب افزوده شده
• و با دمش گاز در حجم مذاب به طور یکنواخت پخش شده و با آن ترکیب می شود.

مرحله سوم تولید تختال

• در مرحله ی سوم فولاد مذاب در پاتیل های حجیمی تخلیه شده و برای انجام عملیات تکمیلی فرستاده می شود
• .در نهایت براساس نمونه های آزمایشگاهی که از فولاد گرفته می شود عملیات تصفیه مذاب انجام گرفته و فولاد مذاب آماده ریخته گری می شود.
• دمای فولاد مذاب پس از تولید حدود 1650 درجه سانتی گراد می باشد.
• حداقل دمای مجاز برای ریخته گری مذاب 1580 درجه می باشد.
• به همین لحاظ بعد از عملیات تکمیلی، مذاب باید بلافاصله برای ریخته گری ارسال گردد.
• اگر عملیات ریخته گری به هر دلیلی صورت نگیرد، دمای مذاب در کوره های پاتیلی حفظ می شود و این تاخیر هزینه ی زیادی در بر دارد.
• در این مرحله مذاب تولید شده در فرایند فولادسازی در ماشین های ریخته گری مداوم به صورت شمش یا تختال در می آید.
• ماشین های ریخته گری مداوم نیم قوسی هستند.
• پاتیل مذاب بر روی برج ریخته گری قرار می گیرد.
• برج ریخته گری می تواند دو پاتیل را روی خود نگه دارد که یکی در موقعیت عملیات ریخته گری و دیگری به صورت آماده به کار می باشد.
• مذاب از طریق راهگاه مخصوصی که زیر پاتیل نصب می شود وارد پاتیل میانی می شود. 
• تاندیش به صورت یک بافر میانی همیشه مقداری مذاب را به صورت ذخیره در خود نگه می دارد تا در مواقعی که پاتیل مذاب تعویض می شود تداوم و یکنواختی جریان مذاب در قالب های ماشین ریخته گری قطع نشود.
• برای افزایش سرعت عملیات ریخته گری، دستگاه های ریخته گری دو مسیر دارند که لازم است مواد مذاب از دو مسیر مجزا وارد قالب های ماشین شود.
• تاندیش دارای دو راهگاه خروجی است که مذاب داخل پاتیل را به قالب های ماشین ریخته گری هدایت می کند.
• عمر تاندیش مورد استفاده در فرآیند ریخته گری محدود است بنابراین عملیات ریخته گری مداوم ذوب ها روی ماشین ریخته گری نمی تواند بیشتر از عمر یک تاندیش ادامه پیدا کند.
• از این رو به ناچار عملیات ریخته گری مداوم با اتمام عمر تاندیش قطع شده و پس از تعویض تاندیش ریخته گری مجددا شروع می شود.
• بین هر دو تعویض تاندیش یک توالی تولید صورت می پذیرد. 
• این توالی مشتمل بر تعداد محدودی ذوب است که پشت سر هم و بلا انقطاع ریخته گری می شوند.
• حداکثر تعداد این ذوب ها با توجه به عرض ماشین ریخته گری و کیفیت ذوب متفاوت است.
• ذوب هایی که در یک توالی ریخته گری می شوند باید از نظر کیفیت یکسان بوده و عرض ریخته گری مشابهی داشته باشند.
• مذاب پس از تخلیه در قالب توسط جریان آب اطراف قالب خنک شده و شکل قالب را به خود می گیرد و به تدریج در یک مسیر نیم قوسی حرکت کرده و آرام آرام خنک می شود تا به شکل یک نوار طولانی با مقطع مستطیل از ماشین ریخته گری خارج شود.
•  در پایان خط ریخته گری این نوار به طول های مشخص به طور مقطعی بریده شده و در نهایت شمش فولادی تولید می شود.

مرحله چهارم نورد گرم تختال

• تختال تولید شده به عنوان محصول نیم ساخته وارد فرایند نورد گرم می شود.
• در واحد نورد گرم ابتدا تختال توسط کوره های پیش گرمکن تا دمای 1200 درجه گرم می شود.
• در این دما تختال سرخ شده و در این دما شکل می پذیرد.
• سپس با عبور از بین غلتک های نورد، ضخامت آن کاهش می یابد و پس از خنک کاری به صورت کلاف گرم تحویل می شود.
• محصول واحد نورد گرم هم به عنوان محصول نهایی قابل فروش است هم می توان به عنوان محصول نیم ساخته برای ادامه ی فرآیند های بعدی از آن استفاده کرد.
• در واحد تکمیل نورد براساس سفارش مشتری در صورت نیاز فرایند اسکین پاس (نورد پوسته ای) روی کلاف ها انجام می شود.
•  همچنین در مرحله ی خطوط برش، کلاف برش داده می شود و به صورت ورق فولادی به عنوان محصول نهایی عرضه می شود.
• محصولات گرم عمدتا برای تولید سازه های فولادی سنگین نظیر لوله های انتقال سیالات و … استفاده می شوند.

مرحله پنجم فرآیند نورد سرد

• در واحد نورد سرد ابتدا کلاف های گرم از فرایند اسیدشویی عبور داده می شوند و سطح کلاف تمیز می شود.
• این محصول که کلاف اسیدشویی شده نامیده می شود می تواند به عنوان محصول نهایی به فروش رود یا برای ادامه سیکل به واحدهای بعدی ارسال شود.
• در مرحله ی نورد سرد، کلاف اسید شویی شده به حالت سرد از بین تعدادی غلتک عبور داده شده و بر اثر فشار غلتک و کشش ورق ضخامت ورق فولادی کاهش می یابد.
•  محصول این فرایند کلاف خام می باشد.
• این محصول هم به عنوان یک محصول تمام شده قابل فروش است ولی به عنوان ورودی فرایندهای بعدی محصولات سرد، نوار باریک و محصولات پوشش دار استفاده می شود.
• در تولید محصولات سرد، کلاف خام مراحل بازپخت ،نورد پوسته ای و اصلاح ورق فولادی را طی می کند.
• در صورت نیاز طبق خواست مشتری، کلاف تولید شده پس از طی مراحل فوق سیکل های برش سبک یا برش سنگین را نیز طی می نمایند.
• براساس سفارش مشتری، کلاف تولید شده پس از عبور از مراحل مذکور و برش در تولید بدنه ی خودرو، لوازم خانگی و فیلترسازی و… به کار می رود.
• برای تولید نوار باریک، محصول کلاف خام پس از طی کردن سیکل های بازپخت و نورد پوسته ای وارد فرایند برش طولی می شود.
• در این فرایند کلاف به صورت طولی توسط چند تیغه برش داده شده و به شکل نوار با عرض کم تحویل می شود

در مرحله ی نهایی و پایانی همان عملیات پوشش دهی ورق است.

• این ورق فولادی پوشش دار شامل ورق گالوانیزه، ورق قلع اندود و ورق رنگی است.
• محصولات پوشش دار محصولات با کیفیت و مقاوم در مقابل زنگ زدگی هستند که برای مصارف خاص به کار گرفته می شوند.
• در پروسه قلع اندود، سطح کلاف با لایه ی نازکی از قلع پوشیده می شود.
• ورق های قلع اندود در صنایع غذایی و همچنین تولید قوطی های حلبی مورد استفاده برای محلول ها و مواد شیمیایی کاربرد دارند.
• در فرآیند گالوانیزه، سطح ورق با لایه ی نازکی از روی پوشش داده می شود.
• از این محصول برای ساخت مخازن و … استفاده می شود.
• ورق گالوانیزه را می توان به عنوان محصول نیم ساخته در فرایند پوشش رنگی به کار گرفت.
• در این فرایند سطح ورق فولادی با رنگ های مخصوصی پوشش داده می شود.
• ورق رنگی بیشتر در صنایع تولید لوازم خانگی، ساخت سوله ها و … به کار می رود.

مشخصات فنی مهندسی فرآیند تولید فولاد
دیسیپلین ‏های مختلف مهندسی کارخانه فولاد

جهت انجام مهندسی کامل یک کارخانه تولید فولاد معمولا، واحد / بخش / دپارتمان / دیسیپلین‏ های ذیل را می توان نام برد.

فرآیند (عمومی و تکنولوژی)، نسوز، مکانیک، سیویل، سازه، معماری، پایپینگ و سیالات، برق، ابزار دقیق و اتوماسیون

واحد فرآیند شامل فرآیند عمومی و فرآیند تکنولوژی

طراحی و مهندسی فرآیندها، جانمایی کارخانه، چیدمان تجهیزات، عایق و رنگ

واحد نسوز

• طراحی و مهندسی مواد نسوز، مشخصات فنی مواد نسوز، نقشه چیدمان و جزئیات مواد نسوز

واحد مکانیک

• طراحی و مهندسی تجهیزات ثابت، تجهیزات دوار، سیستم حمل مواد، ماشین آلات، بالابرها و غبارگیرها

واحد سیویل، سازه و معماری

• طراحی و مهندسی سازه های فلزی و بتنی، فونداسیون ها، ساختمان های عمومی، محوطه سازی و تاسیسات محوطه، نقشه برداری، توپوگرافی و مکانیک خاک

واحد پایپینگ و سیالات

طراحی و مهندسی سیستم های لوله کشی، گازهای صنعتی، تهویه مطبوع، آتش نشانی، تصفیه آب و آبرسانی، جمع آوری، تصفیه و دفع فاضلاب و سوخت رسانی

واحد برق

طراحی و مهندسی شبکه و پست برق، سیستم توزیع برق، رله و حفاظت کاتدی

واحد ابزار دقیق و اتوماسیون

طراحی و مهندسی سیستم های اتوماسیون و ابزاردقیق

اهم تجهیزات اصلی در واحدهای صنعت فولاد به تفکیک هر کارخانه به شرح ذیل معرفی می گردند.

واحد کنسانتره
خط سنگ شکنی: تجهیزات سنگ شکن فکی یا ژیراتوری، سنگ شکن های مخروطی، سرند گریزلی، صفحات تغذیه کننده

بستر همگن سازی: انباشت کننده، برداشت کننده

خط تولید کنسانتره: آسیاب غلطکی، هیدروسیکلون، آسیاب گلوله ای، پمپ ها، جدا کننده های مغناطیسی

واحد آبگیری: فیلترهای نواری مکنده

واحد انتقال محصول: انباشت کننده، برداشت کننده

واحد گندله سازی
واحد انبار مواد اولیه: آسیاب غلطکی فشار بالا، انباشت کننده، برداشت کننده

واحد آسیاب آهک: آسیاب غلطکی

واحد آسیاب سنگ آهن: دستگاه تولید گاز داغ، آسیاب های گلوله ای

واحد مخلوط سازی: دستگاههای میکسر اولیه و ثانویه

واحد تولید گندله خام: دیسک های گندله ساز

واحد پخت گندله: بر حسب پروسه تولید تجهیز اصلی این واحد از نوع کوره شبکه متحرک یا کوره دوار یا کوره عمودی می باشد

واحد سرند محصول: سرند ارتعاشی

واحد انتقال محصول: انباشت کننده، برداشت کننده

واحد احیاء مستقیم
سیستم انتقال گندله و محصول: انباشت کننده، برداشت کننده، نوار نقاله

واحد تولید گاز احیایی: گاز شکن

واحد احیاء سنگ آهن: کوره احیاء مستقیم

واحد بازیابی حرارتی: بازیاب حرارتی، دودکش، دمندهها

واحد فولاد سازی
سالن ذوب: کوره قوس الکتریکی، کوره پاتیلی، ماشین ریخته گری مداوم، سیستم انتقال مواد فروآلیاژ و افزودنی ها، سیستم انتقال مذاب

واحد تولید اکسیژن: کمپرسورهای اکسیژن و نیتروژن، ستون تبرید، مخازن ذخیره

واحد غبارزدایی: فن های اصلی، سیستم خنک کننده، واحد مکش

تصفیه خانه آب: پمپ ها، فیلترهای شنی، مبدل¬های حرارتی، سیستم اسمز معکوس، واحد تزریق مواد شیمیایی

واحد تولید هوای فشرده: کمپرسورها، خشک کن هوا

واحد نورد
واحد تولید میلگرد و مقاطع فولادی: میز شارژ بیلت، کوره پیش گرم کن، استندهای اولیه، استندهای میانی، استندهای پایانی، بستر خنک کننده، قیچی ها، سیستم بسته بندی محصول

لازم به ذکر است که واحدهای جنبی از جمله

سیستم تامین آب خام

آب آشامیدنی

آب پروسس و آب آتش نشانی

تصفیه خانه آب

ایستگاه تامین گاز و سیستم هوای فشرده

نیز در تمامی کارخانجات صنایع فولاد، حائز اهمیت بوده و بایستی در زمان مهندسی به آنها توجه ویژه ای نمود.

کاربردهای فولاد

• صنایع تولیدی، بیشترین استفاده را از استیل دارند.
• در ساخت ساختمان‌های کوچک تا پل‌های عظیم، از استیل استفاده شده است.
• کروم موجب افزایش مقاومت استیل در برابر خوردگی می‌شود.
• همچنین برای تولید «فولاد ضد زنگ» (Stainless Steel)
• که به استنلس استیل هم موسوم است به حداقل ۱۲ درصد از کروم نیاز داریم.
• معروف‌ترین نوع از فولاد ضد زنگ، 74 درصد آهن، 18 درصد کروم و ۸ درصد نیکل را شامل می‌شود که به آن استنلس 18-8 می‌گویند.
• از استیل ضد زنگ بیشتر در مصارف آشپزخانه مانند سینک ظرفشویی، سماور و کارد و چنگال بهره می‌گیرند.
• استیل مورد استفاده در ساختمان‌ها بیشتر از آهن تشکیل شده که گوگرد آن به کمک منیزیم جداسازی شده است.
• آلیاژهایی از استیل که شامل درصدهای مختلفی از مولیبدن، وانادیم، کروم و تنگستن هستند، بسیار سخت و در مواردی شکننده و ترد هستند.
• از این قابلیت در ساخت مته‌ها بهره می‌گیرند چراکه این نوع از مته‌ها بعد از گذشت زمان کند نمی‌شوند.
• از استیل در ساخت موتورهای الکتریکی، ژنراتور‌های برق، چرخ‌دنده‌ها و موتورها استفاده می‌کنند زیرا در برابر دما‌های بالا مقاوم هستند.
• برای ساخت آهنربا از استیل به همراه کبالت و در ساخت راکتورهای هسته‌ای از استیل و نیکل بهره می‌گیرند.
• دسته‌ای از فولادها موسوم به «فولاد پیشرفته پرمقاومت» (Advanced High Strength Steel) وجود دارند که به صورت ورقه‌های بسیار نازکی تولید می‌شوند.
• این ورقه‌های AHSS با نازک شدن،‌ مقاومت خود را از دست نمی‌دهند.
• از فولاد پرمقاومت در تولید خودروها به منظور کاهش وزن نهایی و مصرف سوخت استفاده می‌کنند.
• همچنین از فولادی که با لایه‌ای از قلع اندود شده باشد برای تولید قوطی‌های کنسرو و نوشابه بهره می‌گیرند.
• از آنجایی که استیل ضد زنگ بازتاب نور کمی دارد، می‌توان از آن در سقف فرودگاه‌ها استفاده کرد.
• با این کار، خلبانان به هنگام برخاستن و فرود مشکلی در برابر بازتاب نور خورشید نخواهند داشت.

نتیجه گیری » خط تولید فولاد در پنج مرحله از فرآوری مواد اولیه تا تولید آهن اسفنجی، تولید تختال، نورد گرم تختال، فرآیند نورد سرد و عملیات پوشش دهی می باشد