به گزارش فولادنامه به نقل از ایراسین؛    تولید فولاد خام در جهان با سرعتی چشمگیر در حال افزایش است، به طوری که در سال ۲۰۲۴ میزان تولید جهانی فولاد خام به ۱.۸۸۱ میلیارد تن متریک رسید که نشان‌دهنده رشد ۱۲.۲ درصدی در یک دهه گذشته است. در این میان، اگرچه روش سنتی کوره بلند-کوره اکسیژن قلیایی (BF-BOF) همچنان سهم عمده‌ای در جهان دارد، اما محدودیت‌های زیست‌محیطی و تعهدات بین‌المللی برای کاهش انتشار دی‌اکسید کربن، توجهات را به سمت روش احیای مستقیم و کوره قوس الکتریکی (DR-EAF) معطوف کرده است. فناوری احیای مستقیم، به عنوان یکی از منعطف‌ترین و کارآمدترین روش‌های متالورژیکی، نقش استراتژیکی در کربن‌زدایی و حرکت به سوی «فولاد سبز» ایفا می‌کند. فرآیند تولید آهن اسفنجی، شبکه‌ای پیچیده از واکنش‌های ترمودینامیکی و سینتیکی است که به شدت تحت تأثیر کیفیت مواد ورودی و معماری مصرف انرژی قرار دارد.
متالورژی احیا و کیفیت مواد ورودی: بررسی تأثیر خواص فیزیکی و شیمیایی گندله بر درجه فلزشدگی (Metallization) آهن اسفنجی
در قلب فرآیند احیای مستقیم، درجه فلزشدگی (Metallization Degree) — که به صورت نسبت آهن فلزی (Metallic Iron) به کل آهن موجود در بافت آهن اسفنجی تعریف می‌شود — به عنوان حیاتی‌ترین شاخص کیفی شناخته می‌شود.2 این شاخص نه تنها نشان‌دهنده میزان موفقیت در احیای اکسیدهای آهن است، بلکه به صورت مستقیم میزان انرژی الکتریکی مورد نیاز در مرحله ذوب را تعیین می‌کند. متالورژی احیا در کوره‌های شفت (Shaft Furnaces) بر مبنای برهم‌کنش گازهای احیاکننده — که عمدتاً مخلوطی از مونوکسید کربن و هیدروژن است — با سنگ آهن هماتیت یا مگنتیت استوار است.
معادلات ترمودینامیکی اساسی که در این رآکتورها به وقوع می‌پیوندند، شامل زنجیره‌ای از واکنش‌های متوالی هستند. ابتدا هماتیت به مگنتیت، سپس مگنتیت به وستیت و در نهایت وستیت به آهن فلزی تبدیل می‌شود.
پیشروی این واکنش‌ها به شدت تحت تأثیر خواص فیزیکی و شیمیایی گندله‌های ورودی قرار دارد. پارامترهایی نظیر چگالی، ساختار متخلخل، استحکام فشاری سرد (Cold Compression Strength - CCS) و مقاومت در برابر سایش (Tumbling Strength) نقشی تعیین‌کننده در سینتیک احیا ایفا می‌کنند. تحقیقات گسترده نشان داده است که نوع گاز کاهنده (هیدروژن در برابر گاز طبیعی) بر استحکام مکانیکی محصول نهایی تأثیر می‌گذارد؛ به عنوان مثال، آهن اسفنجی تولید شده توسط هیدروژن خالص در شرایط آزمایشگاهی، استحکام فشاری کمتری نسبت به آهن اسفنجی احیا شده با گاز طبیعی صنعتی دارد.
علاوه بر این، مطالعات آماری و مدل‌های رگرسیون حداقل مربعات (OLS) اثبات کرده‌اند که یک همبستگی معکوس و چالش‌برانگیز میان استحکام مکانیکی گندله و راندمان متالورژیکی (درجه فلزشدگی) وجود دارد. افزایش بیش از حد میزان کربن در گندله‌های خام، اندازه ذرات آنتراسیت و سرعت حرکت گریت‌ها، اگرچه می‌تواند استحکام فشاری سرد (CCS) را به منظور جلوگیری از تخریب فیزیکی در حین حمل و نقل افزایش دهد، اما منجر به کاهش تخلخل مفید گندله می‌شود. کاهش تخلخل، نفوذپذیری گازهای احیاکننده به درون هسته واکنش‌گر گندله را محدود کرده و در نتیجه درجه فلزشدگی را تقلیل می‌دهد.
از سوی دیگر، تنظیم پارامترهای عملیاتی رآکتور نظیر دمای گاز در ورودی، دبی جریان گازهای کاهنده، نسبت هیدروژن به مونوکسید کربن و میزان رطوبت، به طور مستقیم بر نرخ متالیزاسیون و رسوب کربن تاثیرگذارند. افزایش دمای گاز ورودی و دبی اکسیژن در ناحیه احتراق جزئی می‌تواند درصد فلزشدگی را ارتقا دهد، در حالی که افزایش دبی گاز خنک‌کننده (Cooling Gas) و تزریق گاز طبیعی مازاد، منجر به افزایش محتوای کربن در بافت آهن اسفنجی می‌شود. همچنین در فرآوری کانسنگ‌های پیچیده‌تر نظیر تیتانومگنتیت‌ها (Titanomagnetite) که علاوه بر آهن، حاوی تیتانیوم و وانادیوم هستند تنظیم دقیق نسبت امکان دستیابی به درجه فلزشدگی بالای ۹۰ درصد را فراهم می‌آورد که از منظر اقتصادی برای استحصال عناصر باارزش بسیار حائز اهمیت است.
پدیده رسوب کربن (Carbon Deposition) در کوره شفت، یکی دیگر از جنبه‌های کلیدی در کیفیت آهن اسفنجی است. این رسوب که منجر به تشکیل کاربید آهن یا سمنتیت می‌شود، عمدتاً از طریق دو واکنش گرمازا به نام‌های واکنش انحلال مونوکسید کربن (وارونگی بودوار) و واکنش بگز (Beggs) رخ می‌دهد.

وجود این کربن در ساختار آهن اسفنجی (معمولاً بین ۳.۵ تا ۴.۲ درصد) در مراحل بعدی در کوره قوس الکتریکی، به عنوان یک منبع انرژی شیمیایی درون‌زا عمل کرده و به کاهش مصرف انرژی الکتریکی و تشکیل سرباره پفکی کمک شایانی می‌کند. تزریق جریانی غنی از هیدروکربن به داخل کوره احیا با استفاده از تکنیک‌های نوین، محتوای کربن آهن اسفنجی را از طریق واکنش‌های گرمازا افزایش داده و علاوه بر حفظ حرارت کوره، بهره‌وری پلنت را ارتقا می‌بخشد.
تحلیل تکنولوژی‌های بازیافت حرارت و مدیریت مصرف گاز طبیعی در پروسه تولید DRI
مگامدول‌های احیای مستقیم (Mega-modules) به دلیل حجم عظیم تولیدات سالانه، نیازمند معماری پیچیده و فوق‌پیشرفته‌ای برای مدیریت مصرف انرژی و سیالات هستند. در سطح جهانی، رقابت پنهانی برای بهینه‌سازی مصرف گاز طبیعی و بازیابی حرارت اتلافی (Waste Heat Recovery) در جریان است، چرا که این دو فاکتور، پایه‌های اصلی اقتصادی کردن فرآیند و تحقق استانداردهای زیست‌محیطی به شمار می‌آیند.
فناوری میدرکس (MIDREX) که بیش از ۸۰ درصد از سهم بازار تولید آهن اسفنجی بر پایه کوره شفت را در اختیار دارد، به صورت ذاتی دارای یکپارچگی حرارتی (Heat Integration) بالایی است. در این فرآیند، از گازهای خروجی ریفرمر برای پیش‌گرمایش هوای احتراق، گاز فرآیندی، گاز سوختی خروجی از بالا (Top Gas Fuel) و گاز طبیعی استفاده می‌شود. با این حال، در نسل جدید مگامدول‌ها، سیستم‌های پیشرفته‌تر بازیافت حرارت تعبیه شده‌اند که می‌توانند راندمان ترمودینامیکی کل سیستم را به شکل چشمگیری ارتقا داده و انرژی مازاد برای سایر بخش‌های کارخانه تولید کنند. این زیرساخت‌های بازیافت حرارت در سه بخش محوری عملیاتی می‌شوند:
۱. بازیافت حرارت از گاز دودکش ریفرمر (Reformer Flue Gas): گاز دودکش پس از عبور از مبدل‌های حرارتی استاندارد، همچنان دارای دمایی در حدود ۳۲۰ درجه سانتی‌گراد است. با نصب باندل‌های حرارتی اضافی در پایین‌دست سیستم، می‌توان این دما را تا ۲۲۰ درجه سانتی‌گراد کاهش داد. این تکنولوژی در یک پلنت میدرکس با ظرفیت تولید ۲.۵ میلیون تن در سال، علاوه بر کاهش بار حرارتی فن‌های اگزاست، حدود ۱۸ مگاوات انرژی حرارتی معادل ۲۲ تن بر ساعت بخار آب (Steam) تولید می‌کند.
۲. بازیافت حرارت از گاز آب‌بند (Seal Gas): بخشی از گاز دودکش ریفرمر که با دمای بسیار بالای ۱۱۵۰ درجه سانتی‌گراد برای خنثی‌سازی محیط و جلوگیری از نفوذ هوا استفاده می‌شود، پتانسیل حرارتی عظیمی دارد. پیش از ورود این گاز به خنک‌کننده تماس مستقیم (Direct Contact Cooler)، یک سیستم بازیافت تعبیه می‌شود که با خنک‌سازی گاز تا دمای ۲۲۰ درجه، ۱۶ مگاوات دیگر انرژی حرارتی معادل ۱۹ تن در ساعت بخار آب به سیستم بازمی‌گرداند.
۳. بازیافت حرارت از گاز خروجی بالا (Top Gas): گاز خروجی که پر از غبار بوده و از بالای شفت کوره با دمای ۳۵۰ تا ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد خارج می‌شود، به بویلرهای بازیافت حرارت (Waste Heat Boilers) هدایت می‌گردد. برای جلوگیری از رسوب غبار، این سیستم‌ها مجهز به دوده پاک‌کن‌های خودکار (Soot Blowers) و مسیرهای بای‌پَس (Bypass) اتوماتیک هستند تا پایداری و دسترس‌پذیری واحد احیا در هنگام تمیزکاری به خطر نیفتد.
بخار آب استحصالی از این سه سیستم می‌تواند در ماژول‌های چرخه رانکین آلی (ORC) برای تولید برق، تزریق به نیروگاه‌های موجود یا پشتیبانی از پلنت‌های جذب کربن مورد استفاده قرار گیرد.

در کنار بازیافت حرارت، یکپارچه‌سازی سیستم‌های جذب کربن (Carbon Capture) گامی اساسی در جهت کربن‌زدایی است. دو رویکرد اصلی در سیستم‌های میدرکس شامل استخراج دی‌اکسید کربن از گاز سوختی خروجی بالا (پیش از ورود به ریفرمر) و جذب آن مستقیماً از دودکش ریفرمر است. جذب کربن از جریان گاز سوختی با استفاده از اسکرابرهای آمین‌پایه، مصرف گاز طبیعی را تا ۵ درصد کاهش داده و حدود ۵۰ درصد از کل انتشارات دی‌اکسید کربن را مهار می‌کند. در مقابل، استقرار سیستم‌های پیشرفته‌تر نظیر فرآیند KM CDR (با استفاده از حلال‌های انحصاری شرکت میتسوبیشی) بر روی دودکش ریفرمر، می‌تواند تا ۹۵ درصد از انتشارات کربن را جذب و ذخیره‌سازی نماید.
مجتمع‌های پیشرو ایرانی نیز در این مسیر گام‌های استواری برداشته‌اند. در فولاد مبارکه اصفهان که با تولید سالانه ۸ میلیون تن آهن اسفنجی یکی از بزرگترین تولیدکنندگان جهان محسوب می‌شود، پیاده‌سازی پروژه‌هایی نظیر تولید بخار سوپرهیت از انرژی دودکش نیروگاه گازی و بهینه‌سازی شبکه‌های توزیع سیالات، منجر به کاهش مصرف گاز طبیعی به میزان ۱۲ هزار نرمال مترمکعب در ساعت شده است. علاوه بر این، راندمان نیروگاه‌های گازی مرتبط از ۳۰ درصد به ۳۶ درصد ارتقا یافته است. مصرف انرژی در این مجتمع به ازای هر تن اسلب حدود ۲۲.۹ گیگاژول گزارش شده است که در مقایسه با استانداردهای جهانی (بین ۱۸.۵ گیگاژول در انگلستان، ۲۳ گیگاژول در آمریکا، ۲۷ گیگاژول در هند و ۲۹ گیگاژول در اوکراین) در سطح کاملا بهینه‌ای ارزیابی می‌شود.
با توجه به محدودیت‌های فزاینده منابع گاز طبیعی و فشارهای ژئوپلیتیک انرژی، گذار به سیستم‌های احیای مبتنی بر هیدروژن، افق جدیدی برای بقای این صنعت است. تکنولوژی‌های جدید مانند MIDREX FLEX (قابلیت استفاده از ترکیب گاز طبیعی و هیدروژن تا ۱۰۰ درصد) و MIDREX(طراحی شده انحصارا برای هیدروژن خالص به همراه گرمکن الکتریکی جریان)، چشم‌اندازی روشن برای تولید صددرصدی فولاد سبز بدون تولید محصول جانبی دی‌اکسید کربن (تولید آب به عنوان خروجی اصلی واکنش کاهش) به دست می‌دهند. فولاد مبارکه با مطالعه بر روی تولید آهن اسفنجی مبتنی بر هیدروژن و توسعه زیرساخت‌های نیروگاه خورشیدی ۶۰۰ مگاواتی، در حال هموارسازی این مسیر حیاتی است.
بخش دوم: پیشرفت‌های عملیاتی در کوره‌های قوس الکتریکی
کوره‌های قوس الکتریکی (Electric Arc Furnace - EAF) به عنوان هسته مرکزی کارخانجات مینی‌میل (Mini-mill) و مجتمع‌های فولادسازی مدرن، نقش تبدیل جامدات فلزی به مذاب با کیفیت را بر عهده دارند. با افزایش روزافزون سهم EAF در تولید جهانی فولاد، ضرورت افزایش ظرفیت ذوب، کاهش زمان‌های مرده (Dead times) و ارتقای متالورژیکی مذاب بیش از پیش احساس می‌شود. پاسخ مهندسی به این نیازها، گذار از فرآیندهای ناپیوسته (Batch) به پلتفرم‌های شارژ پیوسته (Continuous) و کنترل هوشمند دینامیک سرباره بوده است.
تکنیک‌های شارژ پیوسته و استفاده از ترانسفورماتورهای فوق‌قوی (UHP) برای افزایش ظرفیت ذوب
در عملیات ذوب سنتی، کوره با استفاده از سبدهای عظیم قراضه به صورت مرحله‌ای شارژ می‌شود. این فرآیند ناپیوسته نیازمند باز شدن مکرر سقف کوره است که به طور گریزناپذیری باعث اتلاف شدید انرژی حرارتی، خروج گازهای آلاینده، شوک‌های حرارتی به نسوزها و افزایش نوسانات شدید در شبکه توزیع برق منطقه‌ای می‌شود. مهم‌تر از همه، این شیوه زمان تخلیه تا تخلیه (Tap-to-Tap Time) را افزایش داده و ظرفیت تولید سالانه را محدود می‌کند. در پاسخ به این معضلات، نوآوری‌های تکنولوژیک نظیر فرآیند کانستیل (Consteel®) توسعه یافته‌اند که الگوهای دینامیکی ذوب را به طور کامل دگرگون کرده‌اند.
تکنولوژی کانستیل (توسعه یافته توسط شرکت Tenova) بر مبنای شارژ پیوسته متریال فلزی شامل قراضه، آهن اسفنجی و هات بریکت (HBI) عمل می‌کند. در این سیستم، بار فلزی از طریق یک نوار نقاله نوسانی (Oscillating Conveyor) به درون یک حوضچه مذاب دائم که در کف کوره نگهداری می‌شود (Hot Heel، معمولاً معادل ۴۲ تا ۵۰ درصد از وزن تخلیه) تغذیه می‌شود. حرکت نوسانی نوار نقاله شامل یک حرکت رفت آهسته و یک حرکت برگشت سریع است که باعث لغزش مواد و پیشروی مداوم آن‌ها به سمت کوره می‌گردد.
پیش از ورود به کوره، بار فلزی از درون یک تونل پیش‌گرمکن بسته عبور می‌کند. در این تونل، گازهای خروجی به شدت داغ کوره (Exhaust Gases) در جهت مخالف (Counter-current) روی قراضه‌ها جریان یافته و آن‌ها را تا دمای میانگین ۴۰۰ الی ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد پیش‌گرم می‌کنند. برای استخراج حداکثر انرژی، اکسیژن و هوا از طریق انژکتورهای سقفی به درون تونل تزریق می‌شوند تا مونوکسید کربن موجود در گاز خروجی دچار احتراق ثانویه (Post-Combustion) گردد.

حفظ فشار و جلوگیری از نفوذ هوای ناخواسته به انتهای تونل نیز با استفاده از مکانیزم «آب‌بند دینامیک» (Dynamic Seal) شامل پرده‌های مکانیکی و فن‌های قدرتمند تضمین می‌شود.
ادغام شارژ پیوسته با سیستم‌های هم‌زن الکترومغناطیسی (مانند ABB ArcSave EMS در سیستم‌های پیشرفته Consteerrer) پیامدهای متالورژیکی و اقتصادی شگرفی به دنبال دارد.

پایداری قوس در شرایط حمام مسطح (Flat Bath Operation): از آنجا که قراضه و آهن اسفنجی مستقیماً درون حوضچه مایع فرو رفته و ذوب می‌شوند (Immersion Melting)، قوس الکتریکی هرگز به قراضه جامد برخورد نمی‌کند. قوس همواره روی یک سطح صاف و پایدار از مذاب که با لایه‌ای از سرباره پفکی (Foamy Slag) پوشانده شده، تخلیه می‌شود. این امر از آسیب‌های تشعشعی به پنل‌های آب‌گرد و سقف کوره جلوگیری کرده و طول عمر تجهیزات را افزایش می‌دهد.
راندمان انرژی الکتریسیته: پیش‌گرمایش متریال و ثبات بی‌نظیر قوس، منجر به کاهش ۸۰ تا ۱۲۰ کیلووات ساعت مصرف انرژی الکتریکی به ازای هر تن فولاد مذاب می‌شود.
تقویت راندمان ترانسفورماتورهای UHP: کوره‌های مدرن EAF مجهز به ترانسفورماتورهای فوق‌قوی (Ultra-High Power) هستند (به عنوان نمونه ترانسفورماتورهای 30MVA و بالاتر). در کوره‌های شارژ دسته‌ای، برخورد الکترود به قراضه سرد باعث نوسانات شدید (Flicker) و کاهش ضریب توان می‌شود. اما تغذیه پیوسته بار در حمام مسطح، اجازه می‌دهد تا ترانسفورماتورها به صورت مداوم با حداکثر توان اکتیو در مدار بمانند و کمترین اختلالات الکتریکی (Electrical Disturbances) را به شبکه برق تحمیل کنند.
مزایای زیست‌محیطی: فرآیند کانستیل میزان تولید غبار را ۳۰ تا ۴۰ درصد نسبت به روش‌های سنتی کاهش می‌دهد. علاوه بر این، به دلیل عدم برخورد مستقیم قوس با قراضه جامد و نیتروژن هوا، انتشار گازهای سمی اکسید نیتروژن (NOx) از ۲۵۰ گرم به حدود ۱۲۰ گرم بر تن فولاد کاهش یافته و تولید دیوکسین‌ها و فوران‌ها نیز به حداقل می‌رسد.
در ایران، مجتمع فولاد سبا (زیرمجموعه فولاد مبارکه) با بهینه‌سازی پارامترهای عملیاتی و پیاده‌سازی تکنیک‌هایی نظیر شارژ مداوم کک، مدیریت حداکثری انرژی شیمیایی و شناورسازی تعویض شل (Shell) و هوزینگ کوره‌ها، موفق به کاهش زمان تعویض شل به میزان ۴ ساعت و تقلیل متوسط زمان هر ذوب به ۴۰ الی ۵۰ دقیقه شده است که این امر منجر به ثبت رکوردهای پی‌درپی تولید اسلب و کلاف گرم گردیده است.
از جنبه متریال ورودی، استفاده از آهن اسفنجی به صورت شارژ داغ (Hot DRI / HYTEMP) با دمای ۶۰۰ تا ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد مستقیم از واحد احیا به EAF، دینامیک ذوب را بهینه‌تر می‌کند. در این میان، پارامترهای کیفی آهن اسفنجی نظیر درجه فلزشدگی به شدت خودنمایی می‌کنند. اگر درجه فلزشدگی DRI از ۹۴.۵ درصد بیشتر باشد، جریمه انرژی (Energy Penalty) کوره قوس به حداقل می‌رسد. اما در درجات پایین‌تر (مثلا ۹۱ درصد)، به دلیل ورود حجم بالایی از اکسیدهای آهن احیا نشده و گانگ‌هایی نظیر سیلیس، برای هر یک درصد افزایش سیلیس، حدود ۱۰ کیلووات ساعت بر تن به مصرف انرژی کوره افزوده می‌شود.32 از سوی دیگر، وجود کربن درون‌زا در آهن اسفنجی (در محدوده ۳.۵ تا ۴.۲ درصد)، طی واکنش تفکیک سمنتیت در داخل کوره، یک واکنش گرمازا ایجاد می‌کند که به ازای هر یک درصد کربن، حدود ۷ کیلووات ساعت انرژی آزاد می‌نماید. این کربن آزاد شده به سرعت با اکسیژن تزریقی واکنش داده و گازهای مورد نیاز برای عملیات حیاتی سرباره پفکی را تامین می‌کند.
مدیریت سرباره و تکنولوژی ریخته‌گری پیوسته اسلب: فرآیندهای تصفیه متالورژیکی در کوره پاتیلی (LF) و تأثیر آن بر کیفیت نهایی اسلب خروجی
متالورژی ثانویه (Secondary Metallurgy) و مدیریت دینامیکی سرباره، حد فاصل حیاتی میان ذوب در EAF و انجماد در ماشین‌های ریخته‌گری مداوم (CCM) است. کیفیت نهایی اسلب و خواص مکانیکی ورق‌های نورد شده، مستقیماً به دقت عملیات تصفیه در این فاز بستگی دارد.
در داخل کوره قوس الکتریکی، عملیات تولید سرباره پفکی (Foamy Slag Practice) یک استراتژی مهندسی برای افزایش راندمان حرارتی است. با تزریق همزمان کربن (از طریق لانس‌ها یا دیسپنسرهای کربن) و اکسیژن به درون حمام مذاب، گازهای C و CO2 با نرخ بالا آزاد می‌شوند:


حباب‌های گاز تولید شده در لایه سرباره به دام افتاده و باعث متورم شدن آن می‌شوند، تا جایی که الکترودها و شعله قوس الکتریکی کاملاً در سرباره غوطه‌ور می‌گردند. این پدیده تشعشعات شدید آرک را جذب کرده و ضمن حفاظت از پنل‌های نسوز دیواره کوره، انتقال حرارت از قوس به مذاب را به حداکثر می‌رساند. علاوه بر این، شرایط اکسیداسیونی و قلیاییت بالای این سرباره، محیطی ایده‌آل جهت فسفرزدایی (Dephosphorization) اولیه فراهم می‌آورد.
پس از رسیدن به دما و ترکیب شیمیایی اولیه، مذاب از کوره قوس تخلیه می‌شود. در کوره‌های مدرن از سیستم تخلیه از کف خارج از مرکز (Eccentric Bottom Tapping - EBT) استفاده می‌شود تا از ورود سرباره اکسیدی کوره به داخل پاتیل (Slag Carryover) و جذب مجدد نیتروژن در حین تخلیه جلوگیری به عمل آید.

مذاب سپس به کوره پاتیلی (Ladle Furnace - LF) منتقل می‌شود که وظیفه اصلی آن اکسیژن‌زدایی، گوگردزدایی، تنظیم دقیق آنالیز شیمیایی و دما، و کنترل آخال‌های غیرفلزی (Non-metallic Inclusions) است. فرآیند گوگردزدایی در LF یک واکنش پیچیده میان فازی (Slag-Metal) است. راندمان این واکنش به سه عامل ترمودینامیکی کلیدی وابسته است:
۱. بازیسیته بالای سرباره (نسبت ترکیبات بازی نظیر کلسیم اکسید به ترکیبات اسیدی نظیر سلیسیوم دی اکسید
۲. پتانسیل پایین اکسیژن (اتمسفر احیایی شدید و محتوای پایین اکسید آهن در سرباره).
۳. سیالیت (Fluidity) و حجم مناسب سرباره برای افزایش سطح تماس با مذاب.

به موازات تصفیه شیمیایی، حذف آخال‌ها جهت جلوگیری از افت کیفیت اسلب در ریخته‌گری پیوسته (Continuous Casting) حیاتی است. دمش گاز آرگون از کف پاتیل (Bottom Argon Blowing) باعث ایجاد یک تلاطم ملایم و برنامه‌ریزی‌شده در مذاب می‌شود. این حرکت جریانی، موجب برخورد آخال‌های ریز اکسیدی (مانند آلومینا ناشی از اکسیژن‌زدایی) به یکدیگر، انعقاد (Agglomeration) و بزرگ شدن آن‌ها می‌شود. آخال‌های درشت‌تر به دلیل نیروی شناوری (Buoyancy) به سطح مذاب صعود کرده و توسط سرباره تصفیه جذب می‌گردند.
با این حال، برخی از آخال‌های جامد همچنان در مذاب باقی می‌مانند که می‌توانند در نازل خروجی پاتیل و تاندیش (نازل غوطه‌ور یا SEN) رسوب کرده و باعث گرفتگی نازل (Nozzle Clogging) شوند. برای رفع این مشکل، عملیات اصلاح آخال (Inclusion Modification) با تزریق سیم کلسیم به درون مذاب انجام می‌شود. کلسیم با آخال‌های جامد آلومینا واکنش داده و آن‌ها را به کلسیم-آلومینات‌های کروی مایع یا نیمه‌مایع تبدیل می‌کند که در دمای ریخته‌گری سیال بوده و از گرفتگی نازل جلوگیری می‌کنند. نقص در کنترل دقیق نسبت کلسیم به اکسیژن می‌تواند منجر به تشکیل آخال‌های جامد کلسیم-سیلیکات درشت شود که علاوه بر گرفتگی نازل، اصلی‌ترین عامل ایجاد عیوب سطحی و درونی، ترک‌خوردگی و ناپیوستگی در ساختار اسلب خروجی از ماشین ریخته‌گری پیوسته به شمار می‌روند.
بخش سوم: انقلاب صنعتی چهارم و کارخانه‌های هوشمند
گذر از محدودیت‌های فیزیکی ترمودینامیک و مکانیک، صنعت فولاد را به آستانه انقلاب صنعتی چهارم (Industry 4.0) کشانده است. در این پارادایم نوین، تحول دیجیتال دیگر یک کالای لوکس یا یک انتخاب نیست، بلکه تنها تضمین‌کننده رقابت‌پذیری در بازارهای جهانی است. شرکت‌های پیشگام نظیر فولاد مبارکه و بازوی فناوری آن، شرکت ایریسا (IRISA)، با سرمایه‌گذاری‌های کلان در حوزه سیستم‌های اطلاعاتی، یکپارچه‌سازی فناوری اطلاعات (IT) با فناوری عملیات (OT) و ایجاد اکوسیستم‌های نوآوری باز (نظیر ایریسا پرایم و صندوق خطرپذیر MSTID)، مرزهای اتوماسیون صنعتی را جابه‌جا کرده‌اند. ادغام الگوریتم‌های هوش مصنوعی (AI) و شبکه‌های اینترنت اشیاء صنعتی (IIoT)، شبکه‌ای نامرئی اما به شدت کارآمد از پردازش لحظه‌ای، پیش‌بینی هوشمند و بهینه‌سازی خودکار را بر پهنه کارخانجات حاکم کرده است.
ادغام هوش مصنوعی (AI) در پایش لحظه‌ای: چگونه الگوریتم‌های یادگیری ماشین فرآیند ذوب را پیش‌بینی و بهینه‌سازی می‌کنند؟
هوش مصنوعی در فرآیندهای پیچیده احیا و ذوب فولاد، از طریق پردازش ابری، محاسبات لبه (Edge Computing) و ایجاد «همزاد دیجیتال» (Digital Twin) عمل می‌کند. همزاد دیجیتال یک کپی مجازی و زنده از تجهیزات و فرآیندهای فیزیکی است که با دریافت بی‌وقفه داده‌ها از سنسورهای میدانی، امکان شبیه‌سازی سناریوهای مختلف و بهینه‌سازی بلادرنگ را فراهم می‌آورد.
در واحدهای احیای مستقیم میدرکس، سامانه‌های کنترل فرآیند مبتنی بر هوش مصنوعی نظیر DRIpax، با بهره‌گیری از مدل‌های مبتنی بر اصول اولیه ترمودینامیک (First-principle calculations) و شبکه‌های عصبی (Neural Networks)، به صورت لحظه‌ای کیفیت محصولات خروجی را پیش‌بینی می‌کنند. این سامانه‌ها قادرند صدها متغیر ورودی — شامل آنالیز شیمیایی گازهای خروجی، دمای سیالات، دبی گازهای کاهنده و خواص شیمیایی گندله خام — را در لحظه پایش کرده و با دقت بالا، پارامترهای کلیدی نظیر راندمان متالیزاسیون و محتوای کربن آهن اسفنجی را تنظیم کنند تا محصولی یکنواخت با بالاترین کیفیت به کوره‌های ذوب تزریق شود.
در بخش کوره قوس الکتریکی (Melt Shop)، استرس‌های شدید حرارتی، مکانیکی و الکتریکی، کنترل دستی را به شدت ناکارآمد کرده است. الگوریتم‌های یادگیری ماشین (Machine Learning) نظیر شبکه‌های حافظه طولانی کوتاه‌مدت (LSTM) برای تحلیل سری‌های زمانی و پیش‌بینی وضعیت ترمودینامیکی حمام مذاب به کار گرفته می‌شوند. این مدل‌ها با تحلیل هیبریدی داده‌های تله‌متری (توان الکتریکی مصرفی ترانسفورماتورها، ارتعاشات کوره و آنالیز گاز خروجی)، زمان دقیق پایان فرآیند ذوب را تخمین زده و مصرف انرژی را به حداقل می‌رسانند. یکی از کاربردهای شگرف هوش مصنوعی، استفاده از بینایی ماشین (Computer Vision) در ترکیب با سنسورهای آکوستیک و حرارتی برای ارزیابی دینامیک تشکیل سرباره پفکی است. این سیستم‌ها به صورت خودکار و بدون دخالت اپراتورهای انسانی، ضخامت و کیفیت کف سرباره را تحلیل کرده و نرخ تزریق کربن و اکسیژن از طریق لانس‌ها را کالیبره می‌کنند. نتیجه این هوشمندسازی، نه تنها کاهش مصرف مواد افزودنی و الکترودهای گرافیتی است، بلکه نقش بسزایی در تثبیت فرآیند و کاهش انتشار آلاینده‌ها دارد.

کاربرد هوش مصنوعی در مجتمع‌های عظیمی چون فولاد مبارکه، به خطوط تولید محدود نمانده و کل زنجیره تامین و لجستیک را در بر می‌گیرد. ارزش موجودی انبارهای این مجتمع معادل گردش مالی چندین شرکت بزرگ است. سیستم‌های هوشمند با تحلیل ریسک‌های ژئوپلیتیک، نوسانات بازارهای جهانی مواد اولیه، و زمان‌بندی دقیق ناوگان حمل‌ونقل، قراردادهای کلان (با حجم بیش از ۱۰۰ همت در سال) را مدیریت و بهینه‌سازی می‌کنند تا پایداری تامین و کاهش هزینه‌های رسوب سرمایه تضمین گردد.
نگهداری پیش‌بینانه (Predictive Maintenance): استفاده از سنسورهای اینترنت اشیاء (IoT) برای کاهش توقفات ناخواسته تجهیزات و افزایش دسترس‌پذیری ماشین‌آلات
صنعت فولاد جهان تنها در سال ۲۰۲۴ بالغ بر ۴.۲ میلیارد دلار خسارت مستقیم ناشی از توقفات برنامه‌ریزی‌نشده (Unplanned Downtime) را متحمل شده است که این رقم حدود ۵ تا ۸ درصد از کل هزینه‌های عملیاتی کارخانجات را تشکیل می‌دهد. استراتژی‌های سنتی تعمیر و نگهداری (نظیر Reactive Maintenance یا تقویم‌محور) توانایی پاسخگویی به پیچیدگی تجهیزات مدرن را ندارند. نگهداری پیش‌بینانه (Predictive Maintenance) با تکیه بر همگرایی تکنولوژی سنسورهای اینترنت اشیاء (IoT)، تحلیل کلان‌داده‌ها و الگوریتم‌های یادگیری عمیق، رویکرد تعمیراتی را از حالت منفعلانه «تعمیر پس از خرابی» به رویکرد پیش‌دستانه «تعمیر پیش از وقوع عارضه» تغییر داده است.48 آمارها گواه آن است که پیاده‌سازی بلوغ‌یافته این سیستم‌ها در مینی‌میل‌ها، توانسته است بین ۳۵ تا ۵۵ درصد از توقفات اضطراری تجهیزات بکاهد و در برخی سایت‌های پیشرو این عدد به ۷۰ درصد نیز رسیده است.
طراحی معماری اینترنت اشیاء در محیط به شدت خشن و پر سر و صدای کارخانه‌های فولاد، مستلزم استقرار شبکه‌های سنسوری بی‌سیم و استفاده از تکنیک «هم‌جوشی داده‌ها» (Multi-sensor Data Fusion) است تا دقت تشخیص عیوب ارتقا یابد.

الگوریتم‌های یادگیری عمیق (Deep Learning) نظیر شبکه‌های عصبی پیچشی (CNN) و مدل‌های هیبریدی (نظیر LSTM-ANN-GA) با تجزیه و تحلیل الگوهای پنهان در سری‌های زمانی (Time-Series Data) استخراج شده از این سنسورهای چندگانه، قادر به شناسایی زوال ساختاری ماشین‌آلات بسیار پیش‌تر از توقف عملکردی آن‌ها هستند. به دلیل حجم عظیم داده‌های تولید شده (Big Data)، استفاده از تکنیک‌های رایانش لبه (Edge Computing) و یادگیری فدراتیو (Federated Learning) گسترش یافته است. در رایانش لبه، پردازش داده‌ها در نزدیک‌ترین نقطه به سنسور انجام می‌پذیرد تا تأخیر زمانی (Latency) به حداقل رسیده و سیستم اتوماسیون (مانند PLCها و CMMS) بتواند بدون نیاز به مداخله انسانی، دستورات اصلاحی را در کسری از ثانیه صادر کرده و سفارشات قطعات یدکی را به طور خودکار تولید نماید.
توسعه زیرساخت‌های بومی در این حوزه‌ها، با حمایت بی‌نظیر مجتمع‌های بزرگی چون فولاد مبارکه و همکاری با اکوسیستم‌های دانش‌بنیان نظیر دانشگاه صنعتی اصفهان (برای احداث آزمایشگاه جامع صنعت ۴.۰) و پلتفرم‌های تخصصی ایریسا، باعث شده تا صنعت فولاد کشور به سمت خودکفایی در فناوری‌های پردازش ابری، اینترنت اشیاء، واقعیت افزوده و کارخانه‌های یکپارچه هوشمند با سرعت چشمگیری حرکت کند.
سوالات متداول استراتژیک
سوال ۱: ارتقای سیستم‌های اتوماسیون و هوش مصنوعی چه تأثیری بر راندمان کوره‌های قوس الکتریکی (EAF) دارد؟
ارتقای سیستم‌های اتوماسیون و پیاده‌سازی هوش مصنوعی (AI) باعث یکپارچه‌سازی متالورژیکی و کاهش خطاهای اپراتوری در کوره‌های EAF می‌شود. ایجاد مدل‌های همزاد دیجیتال (Digital Twin) و استفاده از الگوریتم‌های یادگیری ماشین (Machine Learning) برای تحلیل لحظه‌ای داده‌های سنسورها (شامل ارتعاشات کوره، توان مصرفی ترانسفورماتور و گازهای خروجی)، امکان تنظیم پویای پروفایل‌های ذوب را فراهم می‌آورد. هوش مصنوعی با بهره‌گیری از بینایی ماشین و سنسورهای صوتی، زمان دقیق تزریق کربن و اکسیژن را برای ایجاد سرباره پفکی بهینه کالیبره می‌کند. از سوی دیگر، اتوماسیون فرآیندهای شارژ پیوسته (نظیر فناوری Consteel) با حفظ مداوم شرایط حمام مسطح (Flat Bath)، نوسانات مخرب الکتریکی را حذف کرده و زمان تخلیه تا تخلیه (Tap-to-Tap Time) و مصرف انرژی را بین ۸۰ تا ۱۲۰ کیلووات ساعت بر تن فولاد کاهش می‌دهد.23 همچنین استراتژی‌های نگهداری پیش‌بینانه (Predictive Maintenance) مبتنی بر اینترنت اشیاء، با مانیتورینگ پیوسته وضعیت سلامت تجهیزات دوار و ترانسفورماتورها، توقفات برنامه‌ریزی‌نشده را بین ۳۵ تا ۵۵ درصد کاهش داده و دسترس‌پذیری کارخانه را به طور چشمگیری افزایش می‌دهند.
سوال ۲: شاخص‌های کلیدی عملکرد (KPI) در ارزیابی راندمان واحدهای احیای مستقیم و تولید آهن اسفنجی کدامند؟
مهم‌ترین شاخص‌های کلیدی عملکرد (KPI) در واحدهای احیای مستقیم (DRI)، به دو دسته متالورژیکی و مصرف انرژی تقسیم می‌شوند. از منظر متالورژیکی، درجه فلزشدگی (Metallization Degree) و میزان کربن موجود در بافت محصول (Carbon Content) حیاتی‌ترین شاخص‌ها هستند.2 درجه فلزشدگی پایدار در بازه ۹۳ تا ۹۵ درصد نشان‌دهنده راندمان مطلوب سینتیک واکنش‌ها در کوره شفت است. خواص فیزیکی گندله ورودی نظیر تخلخل، چگالی، مقاومت در برابر سایش (Tumbling Strength) و استحکام فشاری سرد (CCS) نیز از شاخص‌های کیفیت مواد ورودی محسوب می‌شوند. از جنبه بهره‌وری انرژی، مصرف ویژه گاز طبیعی به ازای هر تن تولید (Specific Gas Consumption) و همچنین راندمان حرارتی بازیافتی از سیستم‌های بویلر گاز دودکش ریفرمر، گاز آب‌بند (Seal Gas) و گاز خروجی بالا (Top Gas)، معیارهای اصلی سنجش بهره‌وری اقتصادی و زیست‌محیطی (مانند میزان کاهش انتشار کربن دی اکسید) در مگامدول‌ها به شمار می‌روند.
سوال ۳: چگونه کیفیت آهن اسفنجی (درجه فلزشدگی و میزان کربن) بر زمان ذوب و مصرف انرژی در کوره‌های قوس الکتریکی تأثیر می‌گذارد؟
کیفیت فیزیکوشیمیایی آهن اسفنجی (DRI) تعیین‌کننده اصلی بالانس انرژی و زمان ذوب در کوره EAF است. افت درجه فلزشدگی به معنای ورود حجم بالایی از اکسیدهای آهن احیا نشده (مانند وستیت) و ناخالصی‌های اسیدی نظیر سیلیس به کوره است که ذوب و تبدیل آن‌ها به سرباره نیازمند مصرف انرژی الکتریکی مازاد است. تحقیقات اثبات کرده‌اند که اگر درجه فلزشدگی DRI از مرز ۹۴.۵ درصد بالاتر باشد، کمترین جریمه انرژی (Energy Penalty) متوجه عملیات ذوب می‌شود، اما در درجات پایین‌تر (نظیر ۹۱ درصد)، افزایش شدیدی معادل ۲۰ تا ۴۰ کیلووات ساعت به ازای هر تن اسلب ایجاد می‌گردد. از سوی دیگر، وجود کربن درون‌زا (به شکل سمنتیت) در بافت آهن اسفنجی در محدوده ۳.۵ تا ۴ درصد، نقشی بسیار سودمند ایفا می‌کند.

تجزیه سمنتیت طی یک واکنش گرمازا باعث آزادسازی انرژی (معادل ۷ کیلووات ساعت به ازای هر یک درصد کربن) شده و کربن آزاد شده با واکنش سریع با اکسیژن، حباب‌های مونوکسید کربن را برای تشکیل سریع سرباره پفکی (Foamy Slag) تولید می‌کند. این سرباره با محافظت از حرارت قوس، راندمان حرارتی کوره را به شدت بهبود بخشیده و زمان ذوب‌گیری را کاهش می‌دهد.