فرن دوار لاختزال الحديد

فرن دوار لاختزال الحديد

يُعدّ فرن الاختزال الدوّار للحديد المعدّة الأساسية في عملية الاختزال المباشر بالفرن الدوّار. تعتمد هذه التقنية على فرن دوّار يدور باستمرار كمفاعل، مما يجعله منشأة معدنية رئيسية لإنتاج الحديد الإسفنجي عبر اختزال أكاسيد الحديد بالكربون الصلب. وتتمثل وظيفته الأساسية في إجراء اختزال خام الحديد بالكربون في الطور الصلب ضمن نطاق درجة حرارة يتراوح بين 950 و1100 درجة مئوية. وبفضل تصميمه الهيكلي الفريد، يُتيح هذا الفرن معالجة مستمرة وتحويلًا فعالًا للمواد. يُعرف المنتج الناتج، الذي يتميز ببنية مسامية وفضفاضة، بالحديد الإسفنجي، ويُستخدم على نطاق واسع في صناعة الصلب واستخلاص الموارد المعدنية المتعددة، حيث يُشكّل حلقة وصل حيوية بين الموارد المعدنية ومنتجات الحديد عالية القيمة.

مبدأ العمل

تعتمد آلية تشغيل فرن اختزال الحديد الدوار على الدوران المستمر والتحكم الدقيق في درجة الحرارة والاختزال في الحالة الصلبة. يتكون الهيكل الرئيسي من أسطوانة فولاذية مائلة مبطنة بمواد حرارية عالية الحرارة، وتدور بسرعة ثابتة بواسطة بكرات داعمة. أثناء التشغيل، يُغذى الفرن باستمرار إلى طرف التغذية بنسب دقيقة، بما في ذلك خام الحديد عالي الجودة (محتوى الحديد 66%)، وعامل الاختزال (فحم ذو محتوى كربون ثابت 50%، مثل الليغنيت أو الفحم البيتوميني)، وعوامل إزالة الكبريت. مع دوران الفرن، ترتفع المواد إلى ارتفاع معين ثم تتساقط بفعل الجاذبية. يضمن هذا المزج التام للخام وعامل الاختزال، مع دفع المواد تدريجيًا نحو طرف التفريغ.

تُنتج درجة الحرارة العالية التي تتراوح بين 950 و1100 درجة مئوية، واللازمة لتفاعل الاختزال، من خلال احتراق الهواء المُدخل من مخرج الفرن مع المواد المتطايرة من الفحم المُختزل وثاني أكسيد الكربون الناتج عن التفاعل. ويُكمّل ذلك نظام احتراق تكميلي دقيق في رأس الفرن للتحكم بدقة في مجال درجة الحرارة. ومع تقدم المادة، تمر بمراحل متتابعة من التجفيف، والتسخين المسبق، وتحلل الكربونات، وإزالة الكبريت، واختزال أكسيد الحديد. ونظرًا لانخفاض درجة حرارة الاختزال نسبيًا، يبقى معظم الشوائب الموجودة في الخام ضمن المنتج، مع عدم كفاية الكربنة. ويؤدي فقدان الأكسجين أثناء الاختزال إلى تكوين العديد من المسامات الدقيقة. ويُبرّد منتج الحديد الإسفنجي النهائي بسرعة إلى أقل من 200 درجة مئوية في مُبرّد رأسي لمنع إعادة الأكسدة قبل تفريغه. ويمر غاز العادم الخارج من الفرن عبر مُسخّن مسبق لاستعادة الحرارة المهدرة، مما يُحسّن كفاءة الطاقة.

الميزات الرئيسية

يوفر فرن الاختزال الدوار للحديد العديد من المزايا المتميزة بفضل تصميمه الفريد للعملية:

1. قدرة عالية على التكيف مع المواد الخام: لا يقتصر الأمر على معالجة الخامات المعقدة مثل خام الحديد قليل السيليكا عالي السيليكا، وخام الحديد قليل النيكل، والتيتانومغنيتيت، بالإضافة إلى مختلف الخامات الدقيقة، بل يشمل أيضًا الخامات متعددة المعادن مثل غبار الحديد وخام النيكل اللاتريتي من خلال تقنيات معالجة متنوعة مثل SL-ممرضة مسجلة أو كروب-كودير. ويمكن استخدام الفحم المتوفر بكثرة كعامل اختزال، كما يتميز بمرونة في متطلبات درجة حرارة تليين رماد الفحم، مما يقلل بشكل كبير من الاعتماد على مواد خام محددة ويخفض التكاليف.

٢. ظروف تشغيل معتدلة وقابلة للتحكم: من خلال ضبط ميل الفرن وسرعة دورانه ونسبة الوقود، يمكن التحكم بدقة في جو التفاعل ودرجة حرارته، مما يمنع بشكل فعال الإفراط في الاختزال أو تكوّن الحلقات. يضمن قاع الفرن الرقيق والمساحة الحرة الكبيرة داخله تدفقًا سلسًا للغاز. وهذا يُسهم في الاختزال الانتقائي لخامات الحديد التكافلية متعددة المعادن، ويسمح بتطاير العناصر ذات نقطة الغليان المنخفضة واستعادتها، مما يُتيح الاستخدام الأمثل للموارد.

3. جودة منتج عالية وتشغيل مستقر: يتميز الحديد الإسفنجي المُنتَج بدرجة تمعدن تتجاوز 90%. يُسهّل هيكله الحبيبي المسامي عمليات المعالجة اللاحقة، مما يجعله مناسبًا كمادة خام عالية الجودة لصناعة الصلب. يعمل الجهاز تحت ضغط سلبي طفيف، مما يقلل من فقد الحرارة ويُحسّن بيئة العمل. بالإضافة إلى نظام تحكم ذكي لإدارة دقيقة لدرجة الحرارة، فإنه يُعزز اتساق المنتج وسلامة التشغيل.

4. الفوائد البيئية والاقتصادية: تتميز عملية الإنتاج بالبساطة النسبية وانخفاض استهلاك الطاقة. كما أن استخدام المواد الخام المحلية يساهم في خفض تكاليف التشغيل. وتعمل أنظمة إزالة الغبار المتكاملة وأنظمة إزالة الكبريت/النتروجين على التحكم الفعال في انبعاثات الملوثات، مما يضمن الامتثال للمعايير البيئية.

التطبيقات العملية

من الناحية العملية، يتجلى الدور الأساسي لفرن الحديد المختزل الدوار في بعدين: تحويل الموارد والاستخدام الشامل.

١. يُستخدم هذا المفاعل كعنصر أساسي في إنتاج الحديد المختزل المباشر، حيث يحوّل خام الحديد بكفاءة إلى حديد إسفنجي عالي التمعدن. ويمكن لهذا المنتج أن يحل محل خردة الصلب عالية الجودة في صناعة الصلب باستخدام أفران القوس الكهربائي، مما يُسهم في تقليل اعتماد صناعة الصلب على الخردة المستوردة، ويُسهّل الانتقال إلى الإنتاج منخفض الكربون.

٢- بفضل قدراتها في الاختزال الانتقائي واستخلاص المعادن المتعددة، تُمكّن هذه التقنية من المعالجة العميقة للخامات التكافلية متعددة المعادن والنفايات الحاملة للحديد. فبينما تستخلص موارد الحديد، تزيل العناصر الضارة مثل الزنك والرصاص، وتستخلص معادن قيّمة أخرى، محققةً بذلك الهدفين المزدوجين المتمثلين في إعادة تدوير الموارد ومعالجة البيئة.

علاوة على ذلك، فإن خصائص التشغيل المستمر والاستقرار والموثوقية تجعلها مناسبة للإنتاج الصناعي واسع النطاق. وعند دمجها مع أنظمة التشغيل والصيانة الذكية، فإنها تُحسّن بشكل كبير من كفاءة الإنتاج وتُقلّل من تكاليف العمالة والصيانة.