بررسی تأثیر مواد افزودنی بر سنتیک احیای مستقیم سنگ آهن بر پایه زغال

برای تولید فولاد، روش احیای مستقیم-کوره قوس الکتریکی به دلیل هزینه های کمتر وکاربرد آسان تر آن نسبت به روش سنتی کوره بلند-کنورتور دارای توجیهات اقتصادی می باشد. در این پژوهش با توجه به فراوانی زغال سنگ های کک نشو در مقایسه با محدودیت ها و هزینه های بالای گاز طبیعی، با طراحی یک سیستم چند لایه ای متشکل از پودرهای زغال سنگ با محتوای بالای مواد فرار، آلومینا و هماتیت خالص، امکان احیای هماتیت در لایه بالا به کمک مواد فرار حاصل از زغال سنگ در لایه پایین بررسی گردید. گرمایش نمونه ها در دو مرحله غیر ایزوترم تا دماهای 800 ، 900 و 1000 درجه سانتیگراد با سرعت حرارت دهی متوسط 5/2 درجه سانتیگراد بر دقیقه و نگهداری نمونه ها در این دماها درون کوره موفلی انجام گرفت و تغییرات همزمان میزان احیا و خروج مواد فرار در این شرایط بررسی گردید. سپس جهت بهره گیری هر چه بیشتر از مواد فرار برای احیای لایه هماتیت به بررسی اثر افزودن مواد کمکی به لایه زغال سنگ بر میزان خروج مواد فرار و افزایش احیا پرداخته شد. در این پژوهش، دو هدف اصلی افزایش بیشینه احیا در دما و زمان بهینه توسط افزودن مواد کمکی نظیر آهن فلزی، نیکل فلزی و کربنات کلسیم با مقادیر متفاوت درصد های وزنی آن ها به لایه زغال سنگ، و بررسی تأثیر افزودن این مواد با مقادیر بهینه آن ها در دماها و زمان های مختلف بر روند افزایش سرعت و درصد احیا دنبال شد. به منظور بررسی روند احیای هماتیت در مقادیر مختلف احیای اکسیدهای آهن، از آنالیز تفرق اشعه x استفاده شد. نتایج آنالیزهای تفرق اشعه x نشان دادند که احیای هماتیت خالص اولیه به آهن فلزی از طریق ساز وکار سه مرحله ای با عبور از فاز مگنتیت و وستیت انجام شده و احیای اکسیدهای آهن از پایین به بالای نمونه هماتیت به صورت غیریکنواخت بوده است. پس از افزودن مواد کمکی به لایه زغال سنگ افزایش چشمگیر درصد مواد فرار و عوامل احیا کننده و در نتیجه، افزایش احیای لایه هماتیت در دماها و زمان های مشابه نسبت به شرایط اولیه بدون مواد افزودنی مشاهده شد. در این سیستم طراحی شده، افزودن 2 درصد وزنی آهن فلزی به لایه زغال سنگ، توانست با افزایش سرعت احیا در دمای 1000 درجه سانتیگراد، مقدار بیشینه احیا در این دما را 1/39 درصد افزایش دهد. اما در دمای 900 درجه سانتیگراد افزودن 2 درصد وزنی نیکل فلزی بیشترین تأثیر را بر افزایش سرعت احیای لایه هماتیت داشت و مقدار حداکثر احیا در این دما را از مقدار 40/44 درصد به مقدار 49/44 درصد رسانیده و باعث افزایش 4/23 درصدی مقدار احیا شده است. در دمای 900 درجه سانتیگراد پس از نیکل فلزی، افزودن آهن فلزی با مقدار بهینه 2 درصد وزنی زغال سنگ، با افزایش 3/17 درصدی حداکثر احیا در این دما، در رتبه دوم قرار گرفت. در دمای 800 درجه سانتیگراد نیز افزودن آهن فلزی باعث افزایش 9/43 درصدی حداکثر احیا نسبت به شرایط بدون افزودن مواد کمکی شد. افزودن کربنات کلسیم با مقدار بهینه آن (5 درصد وزنی زغال سنگ) در دمای 800 درجه سانتیگراد جهت افزایش سرعت احیای پودر هماتیت در مقایسه با دو کاتالیست دیگر رتبه دوم و در سایر دماهای 900 و1000 درجه سانتیگراد رتبه سوم را کسب کرد. بدین ترتیب افزودن کاتالیست های فلزات واسطه آهن و نیکل فلزی به لایه زغال سنگ در این سیستم احیا، باعث افزایش بیشتر سرعت احیای پودر هماتیت در مقایسه با کربنات کلسیم شدند.