واحدهاي کوچک فولاد ("ميني ميل"ها)
چکيده
اساسا واحد کوچک فولاد يا ميني ميل (mini-mill) کارخانهاي است مشتمل بر ذوب قراضه در کوره قوس الکتريکي، ريختهگري در واحد ريختهگري مداوم شمشال (billet) و نورد گرم ميلگرد و مفتول. ظرفيت چنين واحدي منوط به فروش فولاد ساختماني و فروش محصول براي خريد قراضه است. دو مشخصه عمومي در طراحي واحد فولاد آن است که ۵۰ درصد قراضه محلي موجود را مصرف کند و حدود ۵۰ درصد نياز محلي به فولادهاي ساختماني را پاسخگو باشد. يک محدوديت ديگر آن است که معمولا حداکثر فاصله براي حمل را ۴۰۰ کيلومتر در نظر ميگيرند. يکي از نکات اصلي در طراحي واحد، موازنه ظرفيت قسمتهاي مختلف است، به گونهاي که حداکثر استفاده از همه آنها به عمل آيد. واحدهايي که شمشال ميخرند و به ميلگرد و مفتول نورد ميکنند (واحدهاي صرفا نوردي: reroller) "واحد کوچک فولاد" در نظر گرفته نميشوند.
مقدمه
در سالهاي گذشته تلاشهايي در جهت توسعه صنايع فولاد صورت گرفته است، با اين فرض که با افزايش ظرفيت، بهرهوري اقتصادي بهتر ميشود. تحليل اقتصادي برخي محققان اين بود که با افزايش توليد هم هزينه سرمايهگذاري و هم عمليات کاهش مييابد. واحد فولاد ايدهآل از نظر اين افراد بايد توليد سالانه ۲۰ ميليون تن داشته باشد (که چنين واحدي هرگز ساخته نشده است!)
اما برخي محققان نشان دادهاند که هزينه واحدهاي خيلي بزرگ بيش از واحدهاي کوچک است. مثلا در سال 1982 نسبت هزينه به ظرفيت سالانه براي واحدهاي بزرگ 1200-1500دلار بر تن بود، اما براي واحدهاي کوچک 250 -300 و براي واحدهاي صرفا نوردي 100-150 دلار بر تن.
واحد کوچک ظرف ۲۸ ماه نصب ميشود و به ظرفيت اسمي و کامل ميرسد، در حالي که واحد خيلي بزرگ چهار يا پنج سال وقت لازم دارد. با توجه به مقدار بهره و تورم، کل هزينه براي سرمايهگذاري واحدهاي بزرگ بالغ بر 25-30 درصد ميشود، در حالي که براي واحدهاي کوچک بيشتر از ۱۰ درصد نيست.
به دليل تجهيزات ساده کارخانه، توليد هر تن فولاد بر نفر ساعت، در واحدهاي کوچک بصرفهتر است. با يک حساب سرانگشتي، توليد براي اين واحدها 500-800 تن بر نفر ساعت، و براي واحدهاي بزرگ غربي 200-400 تن بر نفر ساعت است. به علاوه، واحد کوچک فولاد به دليل زمان کوتاه طراحي تا عمل، بيشتر ميتواند از تکنولوژي جديد بهره ببرد. مسائل ارتباطي و اداري نيز در واحدهاي کوچک کمتر است.
رشد واحدهاي کوچک فولاد
اولين واحد کوچک فولاد در حدود سال 1935 ساخته شد. در سال 1972 تعداد کل اين واحدها در دنياي غرب به 130 واحد با ظرفيت کل ۱۵ ميليون تن در سال رسيد. از اين تاريخ به بعد، ظرفيت واحدها به سرعت افزايش يافت و در سال 1977 به 49 و در سال 1983 به 63 ميليون تن (با 305 واحد) رسيد. در سال 1983 ظرفيت کورههاي قوسي در دنياي غرب 180 ميليون تن بود که 39 درصد آن در واحدهاي کوچک نصب شده بود.
رشد واحدهاي ريختهگري مداوم نيز جالب است. در واحدهاي کوچک فولاد در غرب، 96 درصد فولاد به صورت مداوم ريختهگري ميشود در حالي که واحدهاي ديگر تنها تا 37 درصد از ريختهگري مداوم استفاده ميکنند. اولين واحدهاي کوچک براي ظرفيتهاي 10 تا 20 هزار تن ساخته شدند، اما به سرعت رشد کردند و به محدوده معمولي 60 تا 500 هزار تن رسيدند. امروزه تعدادي واحد کوچک براي ظرفيت يک ميليون تن طراحي شدهاند. محصولات واحدهاي کوچک معمولا ميلگرد و مفتول فولاد کم کربن است. اين امر، استفاده از اين واحدها را بهبود ميبخشد. در سالهاي اخير، پيشرفت تجهيزات و روشهاي توليد، کيفيت فولاد را افزايش داده است. امروزه در آمريکا بيشتر مفتول، ميلگرد آجدار و مقاطع سبک در واحدهاي کوچک توليد ميشود. در آينده ميلگردها و مقاطع متوسط نيز توليد ميشود. امروزه اين واحدها تنها تعداد محدودي استفاده از روش جديد ريختهگري امکان وارد شدن واحدهاي کوچک به اين بازار نيز وجود دارد.
فولادسازي
همانگونه که قبلا اشاره شد، واحدهاي کوچک فولاد قراضه را در کورههاي قوس الکتريکي ذوب ميکنند. با نصب ترانسفورمر پر قدرت (Ultra High Power) زمان عمليات از ۳ تا ۴ ساعت به 60 تا 70 دقيقه ميرسد، بنابراين، در واحدهاي موچک مدرن، امکان 20 تا 23 ذوب در روز وجود دارد. کورههاي قوسي معمولي با برق متناوب (AC) کار ميکنند، گرچه پس از ساليان متمادي تحقيق و بررسي، اولين کوره با جريان مستقيم (DC) نيز در واحد کوچک فولاد فرانسه در سال 1984 نصب شد. مزاياي کوره DC عبارتند از کاهش مصرف الکتريسيته، سر و صداي کمتر و اشکالات کمتر الکتريکي. واحدهاي کوچک، بخصوص آنها که فولادهاي مرغوب توليد ميکنند، امروزه به استفاده از تکنولوژي تصفيه پاتيلي روي آوردهاند.
براي به دست آمدن همگني حرارتي و ترکيبي، پاتيل با استفاده از گاز خنثي (آرگون يا نيتروژن) همزده ميشود. امروزه اين روش ساده و ارزان محسوب ميشود. تصفيه و گرم کردن توسط کورههاي پاتيلي و تجهيزات گاززدايي انجام ميشود. تکنولوژي فولادسازي در کورههاي قوسي به سرعت رو به توسعه و بهبود است. تا چند سال پيش، بهرهوري t/MVAhr مورد نظر بود. با استفاده از ترانسفورمرهاي پر قدرت UHP، پيشگرم کردن قراضه، مشعلهاي اکسيژن ـ سوخت و دمش اکسيژن، زمان تخليه به 60 تا 70 دقيقه کاهش يافته است.
به تازگي فرايندهاي فولادسازي مداوم مطرح شده است. قراضه در يک تونل گرم شده پيشگرم ميشود و به طور مداوم از طريق يک کانال لرزان به کوره منتقل ميگردد. کوره در همه وقت ميتواند با حداکثر توان کار کند، زيرا از ظرفيت کوره به خوبي بهرهبرداري ميشود. سرعت توليد به دماي پيشگرم بستگي دارد.
فرايند مداوم هر 40 تا 50 دقيقه يک پاتيل مذاب به دست ميدهد، و سپس فولاد مذاب در پاتيل تصفيه ميشود. گرچه اساس واحدهاي کوچک فولاد استفاده صد در صد از قراضه به عنوان تنها منبع فلزي بود، امروزه بيش از 100 واحد وجود دارد که آهن اسفنجي به روش احياء مستقيم ـ اغلب با استفاده از فرايند ميدرکس ـ توليد ميکنند. شرکتهاي مانسمان دماگ و لورگي تکنولوژي جديدي در توليد آهن خام ارائه دادهاند که منبع بر استفاده از زغال سنگ به عنوان تنها منبع انرژي مبتني است. آهن مذاب با مقدار کربن کنترل شده 1/0 تا 6/2 درصد در يک کوره دوار توليد ميشود. تکنولوژي پلاسما نيز در احياي سنگ آهن به طريق مستقيم مورد آزمايش قرار گرفته است. در آينده ممکن است اين روش براي واحدهاي کوچک مورد توجه باشد.
ريختهگري
سرعت فرايند در واحدهاي کوچک عمدتا به نحوه استفاده از ريختهگري مداوم بستگي دارد. واحدهاي کوچک از شمشال و آن نوع فولادهايي که به سادگي ريختهگري ميشوند استفاده ميکنند. محدوده کوچک محصولات باعث ميشود که از ريختهگري متوالي استفاده شود و بنابراين بازده بالا رود. در ريختهگري شمشمال، اجتناب از اکسايش مجدد مذاب بين پاتيل و تانديش معمولا با استفاده از يک لوله ساده آببندي شده انجام ميگيرد. در توليد فولادهاي مرغوب، استفاده از اين وسيله براي کاهش آخالهاي غيرفلزي ضروري است. براي افزايش منطقه دانههاي محوري (equiaxed grains) و بهبود جدايش مرکزي (central segregation) از همزن القايي (induction stirrer) در قسمت خارج از قالب استفاده ميشود. همزن القايي حفرههاي گازي و آخالهاي زير سطحي را کاهش ميدهد. با توجه به تاثير همزن القايي در توليد يک پوسته منجمد شده با ضخامت يکنواخت، سرعت ريختهگري افزايش مييابد. يک پيشرفت مهم در تکنولوژي ريختهگري عرصه زنجير سخت
(rigid dumy bar)انحنادار است که با آن پارگي خط (breakout) کاهش مييابد، هدايت آن به درون قالب به راحتي صورت ميگيرد و آمادهسازي دوباره آن بلافاصله پس از آنکه انتهاي شمش ماشين کشنده(machine withdrawal) را ترك كرد صورت ميگيرد. طرحهاي مختلف ريختهگري افقي امروزه مطرح شده است و قطعات در آينده براي کاهش هزينه و بهبود کيفيت در واحدهاي کوچک به کار گرفته خواهد شد. محافظت مذاب در فاصله بين تانديش و قالب از جذب گاز و اکسايش مجدد آن جلوگيري ميکند.نورد
در سابق شمشمالهاي حاصل از ريختهگري در بستر خنک کننده سرد و در کورههاي هل دهنده (pusher) يا گامي (walking beam) پيشگرم ميشد. امروزه سعي بر استفاده از شارژ گرم شمشالها يا نورد مستقيم به منظور صرفهجويي در مصرف انرژي است. در واحدهاي قديميتر اغلب از روش باز (open train) براي نورد ميلگرد و مفتول استفاده ميشود. واحدهاي جديد معمولا از روش مداوم مستقيم با 15 تا 25 قفسه و معمولا ترکيبي از ميلگرد و مفتول استفاده ميکنند. ميلگرد در يک قفسه و مفتول اغلب در دو قفسه نورد ميشود. معمولا خط نورد مستقيم مداوم داراي ۷ قفسه در نورد اوليه، ۸ قفسه مياني و يک يا دو بلوک نهايي با ۸ تا ۱۰ قفسه است.
نورد اوليه
در گذشته، ابعاد معمولي شمشال مورد استفاده در واحدهاي کوچک فولاد 140 ميليمتر مربع يا بيشتر از 100 تا 120 ميليمتر مربع بود. براي افزايش توليد و بازده، تلاش در جهت بالابردن ابعاد تا ۱۲۰ ميليمتر متمرکز شده است. بنابراين، قفسههاي اوليه با يک بلوک فشرده جايگزين شدهاند. سازندههايي چند براي بلوک وجود دارد، از جمله مورگان (Morgan) كه بلوكهاي 4 و 6 قفسهاي براي مقادير زياد کاهش سطح مقطع طراحي کرده است. يک بلوک ۴ قفسهاي ميتواند جايگزين 6 قفسه معمولي شود. در يک نورد با استفاده از غلتکهاي بدون شيار (grooveless) شمشال 175 ميليمتر مربع در طي يک عبور (pass) از بلوک به 75 ميليمتر ميرسد. اين بدان معناست که به طور متوسط 8/35 درصد کاهش سطح مقطع در هر قفسه و کلا 9/5 درصد تغيير طول نسبي وجود دارد. مورگاردشامر (Morgardshammer) نيز تلاشهايي در اين زمينه کرده است. در بلوک ۵ قفسهاي، متوسط کاهش سطح مقطع در هر قفسه 40 درصد با استفاده از شيارهاي الماسي است. يک شمشال 150 ميليمتر مربعي در يک عبور به بيضي 30 * 70 تبديل ميشود و کل تغيير طول نسبي 7/10 درصد است. بلوک اوليه با غلتکهاي يک سر درگير توسط پومينيـ فورل (pomini-Forrel) ساخته شده است. زيماگ (Siemag) نيز قفسه اوليه غلتکي ساخته است.
نورد سه تايي
در نورد مستقيم، محصولات عبارتند از ميلگرد، مفتول و مقاطع کوچک، نظير نبشي، ناوداني و غيره. براي محصولات پهن، مثل صفحه و تسمه، اين نوع نورد مناسب نيست. بدين منظور، نياز به يک نورد اوليه معکوس وجود دارد که مناسبترين آن نورد سه تايي است. اين نورد يک بلوک ۳ قفسهاي بسيار فشرده است که به صورت قفسههاي عمودي ـ افقي ـ عمودي تربيت يافته است. اين نورد ابتدا براي نورد تخالهاي نازک و تبديل گوشهها به بيضي يا مربع براي تغذيه نورد مياني يک نورد ميلگرد توسعه يافته بود. با توجه به استفاده از غلتکهاي تخت و نورد معکوس در چند عبور، نورد يک شمشه (bloom) مربع يا تخت به شکلها و اندازههاي مختلف، براي به تناسب درآوردن آن براي نورد بعدي در محصولات بلند نظير ميلگرد، مفتول، مقاطع يا محصولات تخت و تسمه نازک قابل قبول است. توجه به نکات زير در پروژه بازسازي و توسعه محدوده محصول جالب است:
· ميلگرد 10ـ30 ميليمتر، کلاف مفتول ۷ تا 12 ميليمتر، تسمه گرم ۳ تا ۵ در ۳۰۰ ميليمتر
· نوع فولاد: کم کربن و پر کربن، ضد زنگ
· ماده اوليه: کم کربن و پرکربن، ضد زنگ
با نورد سه تايي، شمشالها يا شمشمههاي ريختگي و کنده (ingot) در طي ۹ عبور در بلوک به مقطع 42 * 42 ميليمتر نورد ميشوند. شمشه تخت در طي ۷ عبور در بلوک به مقطع 200*300 ميليمتر نورد ميشود. نورد سه تايي همزمان ميتواند يک نورد مداوم را براي ميلگرد و يک نورد کوتاه را براي تسمه تغذيه کند. از آنجا که تمام غلتکها بدون شيار هستند و فاصله بين دو غلتک (gap) بسيار سريع تغيير ميکند، ميتوان به سرعت، عبورهاي مختلف را به تناسب نورد، با ابعاد مختلف، براي محصولات گوناگون انتخاب کرد. در نورد سه تايي ميتوان محصول تخت را تا اندازه نهايي نورد کرد بنابراين نورد سه تايي براي محدوده وسيعي از محصولات بسيار مناسب است. نورد مستقيم معمولي نميتواند اين محدوده را بپوشاند.
نورد انعطافپذير
برنامه نورد معمولا وسيع و متنوع است، به گونهاي که آمادهسازيهاي متوالي را براي تغيير غلتکها و شيارها (grooves) و تنظيم راهنماها (guides) ميطلبد که زمانبر است. آمادهسازي براي شکل و ابعاد جديد محصول ممکن است توقف 20 تا 60 دقيقهاي يا حتي بيشتر را باعث شود. در نورد بدون شيار، تنها فاصله غلتکها ـ بدون هيچ گونه توقفي ـ تنظيم ميشود. هنگامي که ابعاد محصول نورد شده، در مقايسه با قطر غلتک، بزرگ باشد غلتکهاي تخت کاملا براي نورد شمشه و شمشال مناسب هستند. براي اندازههاي نازک ـ ميلگرد کوچک و مفتول ـ نورد پايدار نيست و راهنماهاي دقيقي مورد نياز است که خود مسائلي را در پي دارد.
يک برنامه کاليبر تخت ـ بيضي که نگارنده ارائه کرده "خود راهنما" (self rolling) است، يعني در آن تنها راهنماهاي ساده براي اندازههاي مختلف لازم است، با اين برنامه، تمام محصولات بدون تغيير غلتک و شيار نورد ميشوند و بنابراين بازده نورد زياد است. يک تکنيک جديد براي تهيه نبشي و ناوداني از ابعاد مناسب تخت، نورد پربازدهي را از اين محصولات در پي دارد.
نورد مستقيم
پرمصرفترين انرژي در نورد، کوره پيشگرم است. با نورد مستقيم، مقدار زيادي انرژي صرفهجويي ميشود. شمشال فولادي معمولا در محدوده دمايي 1150 تا 1200درجه سانتيگراد نورد ميشود. از آنجا که دما بعد از ريختهگري و انتقال به اولين قفسه نورد ممکن است کمتر از اين شود، شمشال را پيشگرم ميکنند. تحقيقاتي که در زمينه نورد در دماي کم انجام شده است نشان ميدهد که امکان نورد فولادهاي معمولي در دماي تا 750 درجه سانتيگراد وجود دارد. گرچه بار نورد افزوده ميشود، اغلب کارخانههاي نورد ميلگرد ظرفيت و توانايي استفاده از دماي کن نورد را دارند.
نورد شاخهاي
به هنگام نورد ميلگردها و مفتولهاي نازک، بهرهوري به صورت طبيعي کم است. براي افزايش توليد، تکنيک نورد شاخهاي (slit rolling) بازدهي خوبي دارد و هزينه کمي در مقايسه با نورد دو خطي (strand rolling) ميبرد.
صرفهجويي در مصرف انرژي
تغييرات بازار جهاني در مورد انرژي حتي بر واحدهاي کوچک فولاد فشار ميآورد تا مصرف انرژي را بهبود بخشند. در يک کوره قوسي آلماني، مصرف انرژي الکتريکي از 630 به 400 کيلووات ساعت بر هر تن فولاد کاهش يافت. براي کارخانههاي نورد، امکان صرفهجويي در جدول ۲ نشان داده شده است.
در اغلب کارخانههاي نورد، با استفاده مناسب از انرژي، صرفهجويي زيادي ميتوان انجام داد.
محصولات تخت
در گذشته، نياز به محصولات بلند در مراحل صنعتي شدن، عمده مصرف فولاد را در بر ميگرفت، اما توسعه صنعت سهم محصولات تخت را افزايش داده است. به عنوان نمونه، در سال 1960 در مکزيک مصرف فولاد 15/1 ميليون تن با 40 درصد محصولات تخت بوده است. در سال 1978 مصرف به 05/6 ميليون تن با 58 درصد محصولات تخت رسيد. يک کارخانه مدرن نورد گرم تسمه، 3 تا 5 ميليون تن تسمه پهن در سال توليد ميکند (که هزينه کارخانه بسيار بالاست). اين کارخانهها براي کشورهاي پيشرفته مناسب نيستند، بنابراين اخيرا تکنيک ريختهگري تختال نازک (thin slab casting) و ريختهگري تسمه به وجود آمده است که هزينه سرمايهگذاري و عمليات آن کمتر است. مشخصات تکنولوژيهاي جديد در جدول ۳ آمده است.
در ريختهگري تختال نازک، مثلا مدل Hazeleh و نيز Hitachi و kawasaki، فولاد بين دو تسمه متحرک فولادي ـ که يک قالب نازک تشکيل ميدهند ـ ريخته ميشود. اختلاف اين دو کارخانه در آن است که در اولي از قالب افقي شيبدار و در دومي از قالب عمودي استفاده ميشود. Schloemann-Siemag از قالب نوساني عمودي کرده است، اما با شکل خاصي در منطقه ريختن، که پهنتر است تا بتوان از امکان نازل غوطهور
(submerged nozzle) استفاده کرد. بعد از کوششهاي اوليه، اولين خط تکي صنعتي اکنون در شرکت نيوکور (Nucor) امريکا نصب شده است. طرح ريختهگري تختال نازک به صورت ريختهگري افقي شمشال در امريکا مورد آزمايش است. ريختهگري تسمه نيز تحت بررسي است. مذاب فولاد در بين دو غلتک موازي، که يک قالب کوتاه عمودي تشکيل ميدهند، ريخته ميشود. در ريختهگري تسمه بسيار نازک، مذاب فولاد روي يک غلتک دوار منجمد، يا روي يک قالب متحرک افقي پاشيده ميشود. اين روشهاي جديد در آينده نزديک در مقياص صنعتي مطرح خواهند شد./
جدول ۱: بهرهوري کوره قوس الکتريکي در شرايط کاری مختلف
وضعيت
t/MVAhr
معمولي
1/1
بدون پيشگرام قراضه
5/1
پيشگرام قراضه تا دماي 500
2
پيشگرام قراضه تا دماي 900
8/2
جدول ۲: امکان صرفهجويي در کارخانههاي نورد
وضعيت
امکان کاهش مصرف انرژي (درصد)
بارگيري مستقيم شمش گرم
21
بهرهبرداري صحيح از خط نورد
10-20
نورد بدون شيار
13
نورد شاخهاي
18
نورد در دماي کم:
750
45
950
17
بلکوک با کاهش شديد سطح مقطع
5-20
نورد endless
5-10
جدول ۳: تکنولوژي جديد در ريختهگري
مواد
ضخامت (ميليمتر)
سرعت ريختهگري (متر بر دقيقه)
ظرفيت سالانه (ميليون تن)
ريختهگري تختال نازک
30 – 40
10 – 25
5/1
ريختهگري تسمه
5 – 25
20 – 30
25/0 – 4/0
ريختهگري تسمه بسيار نازک (ورق)
5/0 – 1
600
3/0
منبع:P. O. Strandell; "The importance of Mini-mill for the steel industry"; Modernization of steel rolling; International Academic Publishers; 1989
-
اين مقاله در نشريه فراز، شماره ۱۳، سال ۱۳۷۸ منتشر شده است.
نگارگر بگه