نوآوری‌های مهم در صنعت آهن و فولاد جهت افزایش کارایی و بهبود کیفیت

مصرف انرژی در فولادسازی

تولید فولاد بسیار انرژی‌بر است. بااین‌حال، سیستم‌های پیچیده مدیریت انرژی، استفاده کارآمد و بازیابی انرژی را در طول فرایند تضمین می‌کند. همان‌طور که در شکل ۱ نشان داده شده است، بهبود در بهره‌وری انرژی منجر به کاهش حدود ۶۰ درصدی انرژی موردنیاز برای تولید یک تن فولاد خام از سال ۱۹۶۰ و منجر به کاهش قیمت آهن در برخی از مقاطع شده است.

انرژی ورودی و هزینه‌های مرتبط

انرژی بخش قابل‌توجهی از هزینه تولید فولاد (۲۰ تا ۴۰ درصد) را تشکیل می‌دهد؛ بنابراین بهبود در بهره‌وری انرژی منجر به کاهش هزینه‌های تولید و در نتیجه افزایش رقابت‌پذیری می‌شود. بازده انرژی صنایع فولادسازی بسته به مسیر تولید، نوع و کیفیت سنگ‌آهن و زغال‌سنگ مورداستفاده، ترکیب محصولات فولادی، فناوری کنترل عملیات و کارایی مواد متفاوت است. حدود ۸۹ درصد انرژی ورودی BF-BOF از زغال‌سنگ، ۷ درصد از برق، ۳ درصد از گاز طبیعی و ۱ درصد از سایر گازها و منابع تأمین می‌شود. در مسیر EAF، انرژی ورودی از زغال‌سنگ ۱۱ درصد، از برق ۵۰ درصد، از گاز طبیعی ۳۸ درصد و ۱ درصد از منابع دیگر است.

تحـول ديجيتـالي در صـنعت فـولاد اروپـا

فنـاوري‌ هايي بـراي صنعت فـولاد با کـربن کم

طبق مقاله (نيلز ناوجوک، 2017)، صنعت فولاد اروپا به دلايل مختلف ازجمله قیمت میلگرد، هزينه‌هاي بالا، الزامات قانوني، الزامات مربوط به محصولات نهايي و خدمات، با چالش‌هاي مهمي روبروست. انقلاب صنعتي چهارم با ترکيب يکپارچگي عمودي و افقي به همراه دسترسي مشتري و مدل‌هاي تجاري در حال پيشرفت است و مي‌توان گفت مهم‌ترين هدف انقلاب صنعتي کنوني، بهينه‌سازي فرآيندها، بهره برداري کارآمد، کاهش هزينه و افزايش توان عملياتي است. طي چند دهه اخير، صنعت فولاد اروپا به منظور رويارويي با چالش‌هاي مهم، در برخي فعاليت‌هاي مربوط به سياست‌گذاري در حوزه نوآوري؛ تحقيق و توسعه و اعطاي امتياز در بخش ديجيتال‌سازي مشارکت نموده است.

همچنين، بودجه پروژه‌هاي متمرکز بر نوآوري در ديجيتال‌‌سازي صنعت فولاد با ساير برنامه‌هاي اروپا، يعني يوريکا و اسپاير تأمين مي‌شوند. يوريکا يک شبکه پان‌اروپايي جهت تحقيق و توسعه صنعت است که به صورت بازار محور فعاليت مي‌کند (يوريکا (Eureka)، 2018)، و اسپاير(SPIRE)، مخفف صنعت فرآيند پايدار از طريق منابع و راندمان انرژي (کميسيون اقتصاد، صنعت فرآيند پايدار، 2018) است، درواقع مشارکت دولتي و خصوصي تحت برنامه افق 2020 (Horizon2020) براي مهم‌ترين صنايع فرآيندي اروپا، از جمله صنعت فولاد است.

بيشتر اين پروژه‌ها بين سال‌هاي 2014 و 2017 آغاز به کار کرده‌اند. با اين وجود، ديجيتال‌سازي در صنعت فولاد قبل از فراخواني اين فعاليت‌ها با انقلاب صنعتي چهارم شروع شده است (هکت، 2017). در اين خصوص، برخي پروژه‌ها، با شروع از اوايل دهه 1990 و با تحت پوشش قرار دادن برخي جنبه‌هاي ديجيتال‌سازي صنعت فولاد شناسايي شده است.

در ميان پروژه‌هاي يوريکا، بريک Brick (1990-1993) با هدف پيش‌بيني خرابي‌ها جهت کاهش زمان‌هاي خرابي در مبدل‌هاي فولادي انجام شد. علاوه بر اين، 32 فعاليت ديگر نيز در زمينه رقومي‌سازي صنعت فولاد اروپا شناسايي شده است. براي مثال، پروژه‌هاي تحقيقاتي مناسب که توسط وزارتخانه‌هاي دولتي يا آژانسهاي نوآوري تأمين بودجه مي‌شوند را تحت پوشش قرار مي‌دهند.

پروژه OREXPRESS (1993-1990) ديگر پروژه يوريکا است که هدف آن توليد اطلاعات لجستيکي و سيستم زمان‌بندي براي حمل و نقل مواد حجيم در آبراهه‌هاي داخلي اروپا بود. اهداف پروژه بعدي، با نام TAM (1997-1993)، تلفيق روش‌هاي پيشرفته براي تحليل اندازه‌گيري و تشخيص تجهيزات و تأسيسات صنعتي براي اهداف تعمير و نگهداري و نيز ايجاد ابزارهاي (مدل‌سازي، جمع‌آوري داده‌ها و پردازش) سودمند براي تفسير اندازه‌گيري‌ها و ايجاد روش‌هاي بازرسي قابل اجراء براي تعمير و نگهداري سيستم‌هاي صنعتي بودند.

جديدترين پروژه، با نام H2PREDICTOR (2004-2000)، محصول استاندارد جديدي براي استفاده در هر مخزن يا نوع RH کارخانه گاززدايي تحت خلا در صنعت فولاد که در آن خروجي اصلي حاصل از پردازش، تصاوير ويدئويي رنگي است، توليد کرد و سپس اقدام به توسعه آن نمود. مدل رايانش شبکه‌هاي عصبي، قادر به تحليل اطلاعات و متغيرهاي ورودي تصوير و همچنين فرآيند اصلي مي‌باشد.

اين پروژه در سال 2014 آغاز شد و در سال 2017 به پايان رسيد و هدف اصلي آن طراحي و توسعه فناوری پيشرفته جديد براي بهينه‌سازي و بهبود ميزان بهره‌وري کارخانه‌هاي نورد و دستگاه نورد سبک، با بهبود راندمان فرآيند، کيفيت مواد توليد شده و کاهش هزينه‌هاي عملياتي آنها بود.

تا جايي که به پروژه‌هاي H2020 مربوط مي‌شود، وظيفه آنها در واتروات (WaterWatt)، حذف موانع بازار براي راهکارهاي انرژي‌کارا، به ويژه فقدان تخصص و اطلاعات در مورد مديريت انرژي و صرفه‌جويي بالقوه در مدارهاي آب صنعتي است (واتروات، قرارداد کمک مالي، به شماره 695820).

خروجي‌هاي اين پروژه شامل محصولات ديجيتالي با تمرکز بر مديران و کارگران براي بهبود راندمان است. پروژه FACTS4WORKERS، محيط کاري کارگر محور در کارخانه‌هاي هوشمند، از ديگر زيرمجموعه‌هاي پروژه H2020 است، که در حال ادغام فعال‌کننده‌هاي آي تي موجود در زيرساخت کارخانه هوشمند يکپارچه و انعطاف‌پذير مبتني بر بلوک‌هاي ساختاري فناوری کارگر محور و داده محور است  (FACTS4WORKERS، 01/12/2014-30/11/2018).

راه‌حل‌هاي مورد نظر در قبال مشکلاتي که ساير پروژه‌هاي اسپاير، در به کارگيري راهکارهاي ديجيتالي مقطعي در صنعت فولاد، با آنها مواجه مي‌گردند:

• پروژه DESIRE (01/01/2015-31/12/2017) مفاهيم جديدي را در مورد مدل‌سازي، کنترل و پردازش کلان داده‌ها در فرايندهاي توليد براي بهبود کيفيت محصول و کاهش مصرف انرژي ارائه مي‌کند.
• پروژه CoPro (01/11/2016- 30/04/2020) با هدف افزايش مانيتورينگ فرآيند و برنامه‌ريزي، زمان‌بندي و کنترل بهينه پويا انجام شد.
• پروژه FUDIPO (01/10/2016- 30/06/2020) با استفاده از حالات تطبيقي در روش يادگيري ماشين، سيستم بهينه‌سازي فرآيند آتي را ابداع مي‌کند.
• پروژه MORSE (1/10/2017-30/9/2021) ابزارهاي بهينه‌سازي انرژي و مواد اوليه پيشگويانه مبتني بر مدل را براي کل مسير فرآيند در صنعت فولاد ايجاد مي‌کند.
• پروژه RECOBA (1/1/2015-31/12/2017) با هدف به حداکثر رساندن و بهينه‌سازي راندمان در صنعت فرآيندي براي مديريت فرآيندهاي دسته‌اي انجام شد.
• پروژه COCOP (2016-2020) با استفاده از مفهوم بهينه‌سازي مبتني بر مدل، پيشگويانه، هماهنگ‌سازي با تلفيق سيستم‌هاي کنترل محلي، کار مانيتورينگ و کنترل را در سطح کارخانه امکان‌پذير مي‌کند.

در اين ميان FP7 (2007-2013)، AREUS (1/9/2013-31/8/2016) موضوع مورد علاقه فناوری هاي يکپارچه در سيستم‌هاي توليد رباتيک و محيط بهينه‌سازي فرايندهاي توليد رباتيک است.

در رابطه با ساير فعاليت‌ها، پروژه‌ در مورد انقلاب صنعتي چهارم در ديلينجر (Dillinger) تهيه شده است، که يک پروژه جهت پيشگويي در زمان واقعي (Real Time) براي BOF است که تطبيقي فرض شده است (يعني، فرآيند توليد محصول را بر پايه داده‌هاي حاصل از فرآيند توليد ياد مي‌گيرد و از اين رو عمليات تنظيم را به دقت انجام مي‌دهد) (گروه، 2014). پروژه ديگر، تحت هدايت SSAB، با هدف در اختيار گذاشتن اطلاعات و دستورالعمل‌هاي مربوط به هر نوع آيتم فولادي، بدون در نظر گرفتن مکان توليد آن انجام شد: هر حلقه در زنجيره مي‌تواند از اطلاعات استفاده کند و آنها را ذخيره سازد و پايه‌اي براي اقتصاد چرخشي و پلتفرمي ايجاد کند (SSAB، 2017).

فناوری هايي براي توليد با کربن کم در صنعت فولاد در پروژه بودجه‌بندي شده اتحاديه اروپا (EUROFER، 2018)

نيل به صنعتي رقابتي و توليد بر اساس کربن کم تر در حوزه فولاد در اروپا، طبق تعريف طرح مادر اتحاديه اروپا هدف اصلي است (اتحاديه فولاد اروپا يعني يوروفر، 2018).

در مسير پايداري، بخش‌هاي مبتني بر منابع، تحت تغييرات اساسي قرار مي‌گيرند (ILO، 2012). در اين زمينه، اقتصاد چرخشي، محصولات و مواد را در سطح بالاتري از سودآوري نگه مي‌دارد، عمر محصول را به حداکثر مي‌رساند و استفاده مجدد، بازسازي و بازيافت را افزايش مي‌دهد (بنياد، 2013). با اين حال، بيشترين تغيير مي‌تواند تخصيص مجدد توليد باشد: استخراج منابع اوليه و توليد فلزات به وسيله بازيافت و پردازش مجدد فلزات ثانويه جايگزين خواهد ‌شد و باعث افزايش بيکاري در معدن‌ و توليد مي‌شود. (ILO، 2018).

با اين که، در اولين تحليل، رقابت بشدت مرتبط با ديجيتال‌سازي به نظر مي‌رسد، اما با توجه ويژه به افزايش کارايي، هم در روند کار و هم کيفيت، مسائل زيست محيطي (براي مثال کاهش CO₂) مي‌توانند از کاربرد KET بهره‌گيري کنند. مانيتورينگ فرآيند پيشرفته و افزايش کيفيت منجر به کارايي بيشتر مي‌شود. با اين حال، توليد فولاد با کربن کم نيز به توسعه فناوري‌هاي اختصاصي نياز دارد. در رابطه با ديجيتال‌سازي، برنامه‌هاي RFCS و H2020 (2020-2014) مهم‌ترين ابزارها براي پروژه‌هاي تحقيقاتي با بودجه تأمين شده توسط اتحاديه اروپا در زمينه فناوری هاي کاهش CO₂ را معرفي مي‌کند.

پروژه LOWCARBONFUTURE (01/04/2018- 31/03/2020) خلاصه‌اي از پروژه‌هاي تحقيقاتي و دانش مربوط به کاهش CO₂ در ساخت آهن و فولاد‌سازي را بيان مي‌کند و آن را ارزيابي کرده و ارتقاء مي‌دهد. ليست فناوري‌هاي قابل اجراء براي کاهش CO₂، توسعه يافته در پروژه‌هاي تأمين بودجه شده‌ توسط اتحاديه اروپا، در سه مسير: اجتناب مستقيم از کربن (CDA)، ادغام فرآيند (PI)، و جذب، ذخيره‌سازي و استفاده از کربن (CCU) گروه‌بندي شده است.

فناوري‌هاي CDA عمدتا شامل کاهش سنگ معدن آهن با هيدروژن (توليد شده با الکتروليز H₂O) و گاز سنتز حاصل از زيست‌توده و کاهش آهن با الکتروليز از طريق ULCOWIN (ذرات سنگ معدن آهن معلق در محلول قليايي) و ULCOLYSIS (سنگ معدن آهن محلول در سرباره مذاب) است. دو فناوری آخر در پروژه ULCOS (2010-2004) (1/9/2004 – 31/8/2010)، برنامه اصلي RTD، با هماهنگي شرکت آرسلورميتال، با هدف يافتن راهکارهاي نوآورانه و جهشي براي کاهش انتشار گازهاي CO₂ در صنعت فولاد توسعه يافتند.

در اين زمينه يکي از پروژه‌هاي اصلي، پروژه HYBRIT (2016-2024) است که ابتکار سه شرکت SSABو، LKAB و واتن‌فال است که با سرمايه‌گذاري مشترک آژانس انرژي سوئد و با هدف توسعه اولين فناوری فولادسازي مبتني بر سنگ معدن عاري از فسيلي جهان با استفاده از هيدروژن براي جايگزيني کربن به عنوان کاهنده انجام شد.

اين پروژه يک پروژه چندمرحله‌اي است که در سال 2016 با مطالعات طرح توجيهي مقدماتي با هدف کسب دانش و ايجاد زمينه‌اي براي مطالعات و آزمايشات بيشتر در مقياس آزمايشي آغاز به کار کرد. همچنين پيش‌نيازهاي ايجاد نيروگاه آزمايشي از جمله طرح پايه، موقعيت مکاني و فناوري‌هاي اصلي به کار رفته در مرحله بعدي را تعريف کرد.

همچنين فناوری هاي CDA براي توليد هيدروژن صنعتي سبز از طريق طراحي الکتروليز برگشت‌پذير با دماي بالا، توليد و بهره‌برداري از الکتروليزگر دماي بالا بعنوان ژنراتور برگشت‌پذير مبتني بر فناوری پيل‌سوختي اکسيد جامد در محيط صنعتي GrInHy (1/3/2016- 28/2/2019) هستند. براي اين که هيدروژن، نيازهاي آتي زنجيره‌هاي ارزش توليد با کربن کم را برآورده سازد، نمايش با مقياس کامل واحد الکتروليزگر براي توليد H2 و خدمات متعادل‌سازي شبکه با فناوري الکتروليز نسل بعدي در پروژه H2Future (01/01/2017-30/06/2021) انجام شده است.

ساير فناوري‌هاي CDA مربوط به توليد آهن با کاهش الکتروشيميايي اکسيد آن براي کاهش دي‌اکسيد کربن بالا، پروژه IERO (1/07/2010-30/06/2014) و بدست آوردن تحول گام به گام فولاد‌سازي مبتني بر کربن در داخل فولادسازي مبتني بر هيدروژن، مانند پروژه SALCOS (1/10/2017-30/09/2022) هستند که در آن انتقال از مسير کوره بلند (BF) به مسير کاهش مستقيم پياده‌سازي شد.

در فناوری هاي CDA، همچنين پروژه‌هايي درباره انرژي‌هاي تجديدپذير مانند پروژه SIDERWIN (1/10/2017-1/09/2022) وجود دارد که بر فرآيند الکتروليز با استفاده از انرژي‌هاي تجديد‌پذير براي تبديل اکسيدهاي آهن به صفحه فولادي با ارائه توليد فولاد عاري از CO₂ متمرکز است. ادغام فرآيند (PI) شامل فناوري‌هايي با مصرف کمتر کربن است. چندين پروژه اتحاديه اروپا در اين زمينه براي توسعه فناوري‌هاي خاص براي موارد ذيل تامين بودجه شده است:

• کاهش استفاده از زغال سنگ در عمليات‌هاي BF، يعني، بهينه‌سازي نرخ جريان در ديواره، پروژه IDEOGAS (1/3/2006 – 28/2/2009)
• لجن‌هاي آلي در فولادسازي، مانند پروژه OSMet S2 (2017) که هدف آن استفاده از لجن حاصل از خمير کاغذ و کاغذ است که حاوي اجزاي ارزشمند (زغال‌سنگ و آهک) در کاربردهاي مختلف متالورژي براي کاهش تأثيرات اقليمي و همزمان، سبب کاهش پايدار مواد زايد براي صنعت خمير کاغذ و کاغذ در محل دفع زباله مي‌شود.
• کاهش ذوب فلز، يعني کاهش سنگ معدن در فاز مايع، مانند کمپين آزمايشي پيشرفته کاهش ذوب فلز در پروژه HISARNA B، C & D (1/07/2011- 31/12/2014).
• استفاده از زيست توده در کارگاه سينتر، يعني منابع جايگزين کربن (شامل زيست توده) براي سينترينگ سنگ معدن آهن در پروژه ACASOS (1/07/2007-31/12/2017) تحليل، پيش‌تصفيه و ارزيابي شده است.
• استفاده بهتر از گازهاي کارخانه فولاد (در BF): پروژه CO2RED (1/03/2018-29/02/2020) که بر روي کوره‌هاي بازگرمايشي متمرکز است، يا پروژه REGTGF (1/09/2003-31/12/2006) که بر بهبود بازگرمايش با گاز بالا و کوره‌هاي کاهش مستقيم براي دماي بالا با استفاده از مشعل‌هاي احيا‌کننده جديد متمرکز است. پروژه RenewableSteelGases (01/03/2017-29/02/2020) با هدف ايجاد زنجيره‌هاي کامل فرآيند براي استفاده انرژي‌کارا از گازهاي فولادي با تلفيق انرژي‌هاي تجديد‌پذير انجام شد.
• سوخت‌هاي جايگزين براي کوره قوس الکتريکي (EAF) (شامل زيست توده)، مانند پروژه SHOCOM (1/07/2005-30/06/2008)، پروژه Torero (1/05/2017- 30/04/2020) همچنين توليد گاز سنتز حاصل از زيست‌توده در کوره‌هاي بازگرمايشي مانند پروژه GREENEAF (1/7/2009-30/06/2012) و پروژه GREENEAF2 از (01/07/2014-30/06/2016) استفاده شد.
• بازيابي انرژي از گازهاي خروجي.
• استفاده از گرماي اتلافي با دماي پايين در فرآيندهاي توليد.
• بهينه‌سازي فرآيند به لحاظ ثبت انرژي، مانيتورينگ CO₂ و توليد برق با گرماي اتلافي. چندين پروژه با اين بهينه‌سازي سروکار دارند، مانند پروژه ENCOP (1/07/2009 – 31/12/2013)، که درباره بهينه‌سازي کامل کارخانه‌هاي فولاد است، پروژه IDEOGAS (1/3/2006 – 28/2/2009)، بر تزريق گاز کاهنده در BF و بازيافت با گاز بالا متمرکز است، پروژه LoCO₂Fe (1/05/2015-31/10/2018)، در حال توسعه مسير فرآيند يکپارچه ساخت آهن و فولادسازي با دي‌اکسيد کربن پايين مي‌باشد و پروژه STEPWISE (1/05/2015- 30/04/2019)، که درباره فناوری نوين براي گرفتن CO₂ از گاز کوره بلند پخش شده از صنعت آهن و فولاد، بر پايه فرآيند به اصطلاح تغيير گاز اتلافي با افزايش ميزان جذب (SEWGS) مي‌باشد.

منبع : آسرون