فرایند زینترینگ چیست، چگونه کنترل می‌شود و چه تفاوتی با گندله‌سازی دارد؟

 

وقتی سنگ‌آهن استخراج می‌شود، فرایندهای زیادی بر روی آن اعمال می‌گردند تا به کیفیتی برسد که امکان ورود به کوره‌های فولادسازی را دارد. به‌طورکلی این مراحل پیش‌پردازش را فرآوری سنگ‌آهن می‌گویند و شامل فرایندهایی چون خرد کردن، جداسازی، آسیاکنی، پرعیارسازی، زینترینگ و …، است.

هرکدام از فرایندها باهدف و پروتکل خاص خود پیاده‌سازی می‌شوند. گاهی ترکیبی از چند فرایند نیاز است تا سنگ‌آهن به ویرایشی قابل‌استفاده در محصول خاصی تبدیل شود. دقت در اعمال روش‌ها، مواد مورداستفاده و تحلیل لحظه‌به‌لحظه محصولات در مراحل مختلف، ازجمله فعالیت‌هایی هستند که موفقیت در فرآوری سنگ‌آهن به آن‌ها بستگی دارد.

آهن اصلی‌ترین عنصر در تولید فولاد است و سنگ‌آهن تنها منبع معدنی برای تولید آهن خام است. اما قبل از تبدیل سنگ‌آهن به فولاد، باید فرایندهای مختلفی بر آن اعمال شود تا برای تولید فولاد آماده گردد. به‌طورکلی، برای تولید فولاد مراحل زیر باید طی شوند:

1. استخراج سنگ‌آهن

2. فرآوری سنگ‌آهن و ارتقا گرید سنگ‌آهن

3. تولید کک

4. تولید کلوخه یا گندله سنگ‌آهن

5. تولید آهن

6. آماده‌سازی آهن

7. تولید فولاد (شامل مراحل گرما و الکتریسیته دهی)

8. مدیریت باطله‌های حاصل از تولید

در این مقاله، به فرایند زینترینگ، اهمیت آن و سؤالات متداول مرتبط با آن می‌پردازیم. قبل از هر توضیحی، باید عنوان کرد که فرایند زینترینگ را با اصطلاحات دیگری چون تَف‌جوشی، پخت سنگ‌آهن و فرایند کلوخه‌سازی نیز یاد می‌کنند. همچنین، محصول این فرایند را زینتر، آگلومره، کلوخه یا خشته آهن می‌نامند.

 

 

فرایند زینترینگ یا تَف‌جوشی چیست؟

زینترینگ یک فرایند گرمایی است که در آن هدف تبدیل ذرات کوچک، مانند نرمه‌های سنگ‌آهن با اندازه‌هایی کوچک‌تر از 8 میلی‌متر، به یک ساختار جامد منسجم و در اندازه‌های بسیار بزرگ‌تر است که ویژگی‌های مطلوبی برای ذوب شدن و تبدیل به فولاد دارد. در زینترینگ، گرما نقش اصلی را بازی می‌کند. فرایند پخت سنگ معدن با گرمایی نزدیک به نقطه ذوب آن باعث می‌شود ذرات ریز، بدون اینکه ذوب شوند، به هم بچسبند.

به‌طور دقیق‌تر، در فرایند زینترینگ اتم‌های موجود در مواد و مواد معدنی به دلیل گرما (یا فشار) به مرز ذرات حرکت می‌کنند تا عمل جوش‌ خوردن ذرات به یکدیگر را ممکن سازند (به همین دلیل، تف‌جوشی خوانده می‌شود). توجه کنید که فرایند جوش خوردن ذرات معدنی به هم به‌صورت طبیعی نیز اتفاق می‌افتد؛ بخصوص زمانی که در لایه‌های زیرین هستند و در معرض فشار و دمای بالا قرار می‌گیرند.

 

فرایند زینترینگ برای نرمه سنگ‌آهن

همانند فرایند زینترینگ در مواد دیگر، زینترینگ نرمه سنگ‌آهن با اندازه کمتر از 8 میلی‌متر را به آگلومره‌ها، زینتر یا کلوخه، با اندازه 5 تا 50 میلی‌متر تبدیل می‌کند. مواد در این بازه حجمی، ویژگی‌های فیزیکی و متالورژیکی مناسب و بخصوص نفوذ‌پذیری گازی لازم برای ورود به کوره‌های بلند را کسب می‌کنند.

فرایند زینترینگ سنگ‌آهن در سه مرحله اصلی زیر انجام می‌گیرد:

1. آماده‌سازی مواد خام

2. اشتعال و پختن

3. خنک‌سازی

فرایند زینترینگ با تهیه یک مخلوط زینتر متشکل از نرمه سنگ‌آهن، گدازآور، سوخت جامد مانند انواع کک و آهن‌های بازیافتی حاصل از مراحل تولید آهن و فولاد شروع می‌شود. این مواد در یک درام چرخان مخلوط می‌شوند و آب به آن‌ها اضافه می‌گردد.

سپس، با کنترل رطوبت مخلوط و سرعت چرخش درام، مرحله تشکیل گرانول آغاز می‌شود. در این مرحله، از موادی شیمیایی برای کمک به انسجام مواد موجود در مخلوط استفاده خواهد شد. در انتهای این مرحله، آگلومره‌ها با اندازه‌های چندین برابر دانه‌های اولیه تشکیل شده‌اند.

مخلوط دانه‌بندی شده (گرانول سنگ‌آهن)، تعداد بسیار کمی ذرات ریز با خود دارد و اکثر قطعات در اندازه‌هایی هستند که به‌راحتی قابل‌تفکیک‌اند. گرانول‌های حاصل از این مرحله وارد میز کلوخه‌سازی با عمق نیم تا 1 متر می‌شوند که با سرعت 2 تا 3 متر در دقیقه حرکت می‌کند.

پس از بارگیری و تراز کردن گرانول‌ها بر روی میز کلوخه سازی، با حرکت میز در مسیر مشعل‌های گازی یا نفتی گرم می‌شوند تا ذرات کک موجود در آن‌ها مشتعل گردند. از این طریق، و در لایه‌های مختلف، مخلوط داغ‌تر و داغ‌تر می‌شود. هدف اصلی در این گرما‌دهی، شکل‌دهی به گرانول‌های سنگ‌آهن، حذف عناصر اضافی مانند سیلیس و آلومینا و افزایش نرخ گرما پذیری محصول نهایی برای ورود به کوره بلند است.

درنهایت، مخلوط گرما دیده از یک مرحله خنک‌سازی عبور می‌کند تا انسجام به‌دست‌آمده مذاب مانند، به کلوخه‌هایی با درصد ناخالصی کمتر و آماده برای ورود به کوره‌های فولادسازی تبدیل شود. همچنین، اندازه‌های بزرگ‌تر از 75 میلی‌متر وارد یک مرحله خرد سازی می‌شوند تا به اندازه‌های استاندارد 50 تا 75 میلی‌متر درآیند.

 

کاربردهای کلوخه‌های سنگ‌آهن

زینترینگ اقتصادی‌ترین و پرکاربردترین فرایند کلوخه‌سازی یا آگلومره‌سازی است. محصول نهایی این فرایند به کوره‌های تولید فولاد ارسال می‌شود تا پس از طی چند فرایند ذوب، ترکیب و خنک‌سازی به فولاد قابل‌استفاده در صنایع مختلف تبدیل گردد.

اصل جریان مخالف که مبنای عملکرد کوره بلند است، به‌شدت آن را به کیفیت و اندازه مواد تغذیه‌ای خود وابسته می‌کند. به‌ویژه، نفوذ‌پذیری گازی در شفت بالایی و نفوذ‌پذیری مایع و گاز در قسمت پایینی، اصلی‌ترین ویژگی‌هایی هستند که حفظ آن‌ها به عملکرد مناسب کوره کمک می‌کند.

تقریباً در اکثر کشورهای جهان، محصول نهای فرایند زینترینگ سنگ‌آهن، در حدود 60 درصد از بار ورودی کوره‌های بلند را تشکیل می‌دهد. بنابراین، اندازه، کیفیت مخلوط و به‌طورکلی، گرید کلوخه‌های ورودی نقش مهمی در تولید فولاد باکیفیت دارند.

تشکیل گرانول و تراکم حرارتی دو مرحله اصلی در فرایند زینترینگ سنگ‌آهن هستند که کیفیت و عملکرد نهایی محصول را تعیین می‌کنند. نوع سنگ‌آهن و خواص آن‌ نیز بر این دو مرحله از زینترینگ تأثیر می‌گذارد.

به‌ویژه، خواص فیزیکی و شیمیایی گرانول‌ها ارتباط مستقیمی با جنس سنگ‌آهن، میزان مرطوب بودن آن، زمان و سرعت چرخش درام دارند. همچنین، خواص سینتیک سنگ‌آهن نقشی اساسی در تشکیل و نحوه دانه‌بندی در درام دارند. هرچقدر اندازه ذرات سنگ‌آهن کوچک‌تر باشند (به‌عنوان‌مثال کمتر از 0.2  میلی‌متر) استحکام گرانول بیشتر می‌شود اما اندازه کلوخه سنگ‌آهن نهایی آن کوچک‌تر خواهد بود.

خواص کانی‌شناسی سنگ‌آهن نیز در تشکیل گرانول مرغوب نقش دارند. بخصوص سنگ‌آهن‌هایی که منافذ بیشتری دارند، رطوبت را بهتر جذب و حفظ می‌کنند و در زمان تشکیل مخلوط، پیوندهای قوی‌تری با سایر مواد ایجاد خواهند کرد. به‌ویژه، مراحل خرد کردن و فرآوری قبلی نقش مهمی در پذیرش فرایند زینترینگ و تشکیل محصول با اندازه دلخواه دارند.

 

 

انتشار گردوغبار معدنی و گازهای گلخانه‌ای در فرایند زینترینگ

از مهم‌ترین دغدغه‌های تولیدکنندگان زینتر سنگ‌آهن، کاهش آسیب‌های زیست‌محیطی حاصل از این فرایند است. گردوغبار مواد معدنی خطرناک و انتشار گازهایی چون CO2 ازجمله مشکلات زیست‌محیطی است که فرایند زینترینگ کنترل نشده به همراه دارد.

جابجایی مواد خام، دود حاصل از سوخت کک و گرمادهی به مخلوط، مراحل خرد کردن سنگ‌آهن‌ها، مرحله خنک‌سازی و انتشار مواد معدنی کوچک به اتمسفر اطراف، مهم‌ترین کانون‌های تشکیل آلاینده در فرایند زینترینگ هستند. در این مراحل، موادی چون اکسید آهن، اکسیدهای گوگرد، ترکیبات کربنی، هیدروکربن‌های آلیفاتیک و کلریدها آزاد می‌شوند.

انتشارهای حاصل از مراحل متناظر با میز کلوخه‌سازی با استفاده از شوینده‌های سیکلونی و به دنبال آن یک ESP خشک یا مرطوب، استفاده از اسکرابر مرطوب یا کیسه‌های بزرگ مخصوص جمع‌آوری گرد‌وغبار کنترل می‌شوند.

آلاینده‌های مراحل خرد کردن سنگ و صفحه داغ، که معمولاً با کیسه یا اسکرابر کنترل می‌شوند، بزرگ‌ترین منابع انتشار آلاینده‌ها هستند. علاوه‌براین، جابه‌جایی مواد و حمل آن‌ها به نقاط برای انجام مراحل مختلف و سپس انتقال به کوره بلند، عامل تولید CO2 بوده که با نگهداری و تعمیر به‌موقع خودروهای دیزلی یا استفاده از خودروهای الکتریکی قابل‌کنترل است.

 

رصد و تجزیه‌وتحلیل آنی فرایند زینترینگ

روشی دیگر در کنترل آلاینده‌های حاصل از فرایند زینترینگ، رصد مداوم و تجزیه‌وتحلیل ویژگی‌های مخلوط در مراحل مختلف از فرایند است. سازندگان کلوخه‌های سنگ‌آهن می‌توانند کیفیت مواد ورودی به فرایند زینترینگ و کلوخه تولیدی را به‌صورت هم‌زمان و پیوسته کنترل کنند.

به‌عنوان‌مثال روش تجزیه‌وتحلیل PFTNA (فعال‌‎سازی نوترون حرارتی سریع پالسی)  یک رویکرد جدید و کاربردی برای رصد آنی مواد در فرایند زینترینگ و واکنش به‌ هرگونه ناهنجاری است. PFTNA از یک پالس نوترونی برای ارتباط با هسته اتم‌ها در مواد عبوری استفاده می‌کند که با برهم‎‌کنش آنی، خواص ماده و وضعیت کنونی آن را گزارش می‌دهد.

این روش، به‌مراتب از روش‌های مبتنی بر ایزوتوپ رادیواکتیو ایمن‌تر است؛ نه‌تنها زباله خطرناکی تولید نمی‌کند، بلکه از فرایند خودکاری برای قطع جریان نوترونی، در صورت وجود عامل انسانی در اطراف آن، بهره می‌برد.

علاوه بر PFTNA، شرکت‌های تولیدکننده کلوخه سنگ‌آهن می‌توانند از روش پراش پرتو ایکس (XRD) برای تجزیه‌وتحلیل مواد زینتر و بخصوص تجزیه‌وتحلیل کانی‌شناسی آن‌ها استفاده کنند. این روش بسیار سریع است و نتایج حاصل از تجزیه‌وتحلیل‌های آن در بازه‌ای چنددقیقه‌ای آماده می‌شود.

فلورانس پرتو ایکس (XRF) نیز روش دیگری برای تجزیه‌وتحلیل مواد دخیل در فرایند زینترینگ است. XRF یک شیوه غیرتهاجمی است که برای تعیین ترکیبات شیمیایی مواد، استفاده می‌شود. با ساطع کردن یک پرتو ایکس فلورسنت (ثانویه) بر روی نمونه موردنظر، یک پرتو ایکس بازگشتی از ماده ساطع می‌شود که برای سنجش اجزای آن تحلیل خواهد شد.

 

اهمیت تجزیه‌وتحلیل ترکیبات موجود در کلوخه در طول فرایند زینترینگ

کنترل ورودی‌ها به مراحل مختلف فرایند زینترینگ از اهمیت خاصی برخوردار است. بخصوص، مواد باید با دقت بالایی با یکدیگر مخلوط شوند، گرما به میزان مناسب به اجزای زینتر تابانده شود و تحلیل باید مرحله‌به‌مرحله و تا تولید محصول ادامه یابد.

در روش‌های کنترلی معمول و تا حدودی قدیمی، از آزمایش محصول نهایی به‌عنوان عمل سنجش و تحلیل عملکرد فرایند زینترینگ استفاده می‌کنند. این شیوه به‌هیچ‌وجه بهینه نیست و در صورت وجود اختلالات زیاد، نمی‌توان از ضرر وارد آمده اجتناب کرد و بهبودها نیز نمی‌توانند به‌صورت لحظه‌ای اعمال شوند.

با استفاده از روش‌های لحظه‌ای و مستمری چون XRD فولادسازان و شرکت‌های مستقل تولیدکننده گندله و کلوخه سنگ‌آهن، این امکان را می‌یابند تا بافاصله زمانی کمتری، آزمایش‌های شیمیایی و کانی‌شناسی را انجام و نتایج را با دقت و سرعت بیشتری اعمال کنند.

به‌ویژه، زنتیرینگ و شیوه‌های کنترلی متناظر با آن، رویکردی بهینه در بازیافت پودرهای باطله سنگ‌آهن، قراضه‌های آهن و فولاد هستند. به‌طور خاص، می‌توان با اعمال روش‌های کنترلی برای تشخیص و تنظیم میزان مواد شیمیایی همراه با سنگ‌آهن، میزان انتشار دی‌اکسید کربن را در مراحل تولید فولاد کاهش داد.

 

 

تفاوت گندله‌سازی با زینترینگ

در فرایند گندله‌سازی، سنگ‌آهن استخراج‌شده به “گلوله‌های سنگ‌آهن با اندازه‌ یکنواخت” تبدیل می‌شود تا در ادامه به‌عنوان تغذیه کوره‌های فولادسازی به کار گرفته شوند.

 

ویژگی‌های گندله

گندله‌های سنگ‌آهن در اندازه‌های یکنواخت و با خلوص 63 تا 68 درصد تولید می‌شوند. به دلیل خواص سایشی، استحکام و یکنواختی گندله‌ها، تولید آهن اسفنجی با این محصولات، 25 تا 30 درصد در مصرف سوخت صرفه‌جویی می‌کند. اندازه گندله‌ها در محدوده 9 تا 16 میلی‌متر است.

 

کلوخه یا زینتر سنگ‌آهن

کلوخه سنگ‌آهن، چنانکه توضیح داده شد، اندازه‌های مختلف و بسیار بزرگ‌تری دارد. شکل آن یکنواختی چندانی ندارد و ممکن است در تمام شکل‌ها تولید شود. همچنین، فرایند زینترینگ بسیار متفاوت از روند گندله‌سازی است. دما، خنک‌سازی، مواد اضافه شونده به مواد معدنی و …، کاملاً متفاوت از انواع موجود در فرایند گندله‌سازی هستند.

 

خواص فرایند زینترینگ

درصد بسیار بالایی از فولاد کشور و جهان، به مرحله پیش‌پردازش زینترینگ نیاز دارند. ازجمله خواص این فرایند عبارت‌اند از:

• ترکیب سنگ‌آهن‌های بسیار کوچک و حتی پودری با انواع بزرگ‌تر و ایجاد توده‌ای بانفوذ و با گرماپذیری بالا

• حذف 60 تا 70 درصد از گوگرد و آرسنیک (در صورت وجود) در حین پخت مواد

• از بین رفتن رطوبت، آب هیدراته و سایر مواد فرار (درنتیجه، نیاز به حرارت کوتاه‌مدت‌تر و سوخت کمتر)

• افزایش قابل‌توجه کارایی کوره بلند

• امکان استفاده از ضایعات جامد تولیدشده در کارخانه‌های فولادسازی و بازگشت آن‌ها به چرخه ساخت فولاد

 

جمع‌بندی

تراکم‌سازی و تشکیل گرانول یکی از اصلی‌ترین فعالیت‌ها در مراحل نهایی آماده‌سازی سنگ‌آهن برای ورود به کوره‌های تولید فولاد است. زینترینگ نامی است که به تمام فرایندهای مخلوط‌سازی و کلوخه‌سازی اطلاق می‌شود؛ در کانون مراحل مختلف آن، عمل گرما و رطوبت دهی برای تشکیل اندازه‌های بزرگ‌تر و با خواص هدف در تولید محصول نهایی استفاده می‌شوند.

در فرایند زینترینگ سنگ‌آهن، ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی و کانی‌شناسی آن نقشی اساسی و تعیین‌کننده در تولید کلوخه‌ یا زینترهای نهایی دارند. به‌ویژه، تولید فولاد با خواص و مقدار کربن مختلف علاوه بر نحوه ذوب و شکل‌دهی در کوره بلند، به مرحله زینترینگ و آماده‌سازی تغذیه کوره بستگی دارد.

درنهایت، کنترل فرایند با استفاده از روش‌های نوین و سریعی چون XRD نقشی کلیدی در افزایش بهره‌وری فرایند زینترینگ و فرایندهای بعدی چون تولید فولاد در کوره‌های بلند دارد. این شیوه‌های بخصوص از ایمنی بالاتری برای نیروی انسانی فعال در کارخانه‌های فولادسازی برخوردارند.

 

منابع:

https://www3.epa.gov/ttn/chief/ap42/ch12/final/c12s05.pdf

https://www.thermofisher.com/de/de/home/industrial/cement-coal-minerals/iron-ore-sintering-process-steel-manufacturing/online-elemental-analysis-sinter-faqs.html?icid=CAD_blog_mining_2019June

https://www.materials-talks.com/efficient-iron-sintering-process-control/