العلماء يطورون فهم تقنية الاختزال المباشر في إنتاج الصلب الحديث

هل سبق لك أن تساءلت عما يدخل في إنتاج الفولاذ بخلاف الخردة المعدنية؟ أحد أفضل أسرار صناعة الصلب هو المنتج شبه النهائي الرائع المعروف باسم الحديد المخفض المباشر (DRI). تلعب هذه المادة دورًا حاسمًا في صناعة الفولاذ الحديثة، حيث تقدم بديلاً أنظف وأكثر كفاءة للطرق التقليدية.

الحديد المختزل المباشر، أو DRI، هو منتج حديد عالي النقاء يتم الحصول عليه عن طريق إزالة الأكسجين من خام الحديد في حالته الصلبة - دون ذوبانه. تعتمد هذه العملية على عوامل اختزال مثل أول أكسيد الكربون والهيدروجين لتجريد ذرات الأكسجين من جزيئات خام الحديد، تاركة وراءها حديدًا معدنيًا نقيًا تقريبًا. فكر في الأمر على أنه عملية كيميائية دقيقة يتم فيها استخراج الأكسجين بعناية، تاركًا وراءه الحديد فقط.

هناك طريقتان أساسيتان لإنتاج DRI:

• الاختزال المباشر المعتمد على الغاز:الطريقة الأكثر استخدامًا، إنتاج حديد الاختزال المباشر المعتمد على الغاز، غالبًا ما يتم دمجها مع مصانع الصلب بفرن القوس الكهربائي (EAF)، مما يشكل "طواحين صغيرة" مدمجة. يتم تحويل الغاز الطبيعي إلى أول أكسيد الكربون والهيدروجين، والذي يتفاعل بعد ذلك مع خام الحديد في فرن الاختزال. يمكن تغذية الـ DRI الناتج مباشرة إلى EAF وهو لا يزال ساخنًا، مما يوفر الطاقة. يقوم بعض المنتجين أيضًا بنقل حديد الاختزال المباشر إلى مصانع الصلب الأخرى أو بيعه لأطراف ثالثة.
• الاختزال المباشر المعتمد على الفحم:تُستخدم هذه الطريقة في الغالب في دول مثل الهند، وتستخدم الأفران الدوارة حيث يعمل الفحم كوقود وعامل اختزال. وعادة ما يتم إنتاج هذا المنتج، المعروف محليًا باسم "الحديد الإسفنجي"، بكميات أقل ولكنه يظل حلاً اقتصاديًا لإنتاج الصلب الإقليمي. والجدير بالذكر أن الهند حصلت على ما يقرب من 57% من الصلب الخام من القوات المسلحة المصرية (بيانات عام 2016)، حيث يلعب الحديد الإسفنجي دورًا رئيسيًا.

حديد الاختزال المباشر (DRI) ليس حديدًا نقيًا، بل يحتوي على شوائب متبقية. عند إنتاجه من خام الحديد الذي يحتوي على نسبة حديد تتراوح بين 65.5% إلى 68%، فإن تركيبه النموذجي يشتمل على:

• معدل المعدنة:92.0%-96.0%
• إجمالي محتوى الحديد:86.1%-93.5%
• محتوى الحديد المعدني:81.0%-87.9%
• محتوى الكربون:1.0%-4.5%
• محتوى الكبريت:0.001%-0.03%
• خامس أكسيد الفوسفور (P₂O₅):0.005%-0.09%
• الشوائب (SiO₂، Al₂O₃، CaO، MgO، MnO، إلخ):3.9%-8.4%
• حجم الجسيمات:4-20 ملم
• الكثافة الظاهرية:1.6-1.9 طن/م3

يعتبر DRI شديد التفاعل وعرضة لإعادة الأكسدة عند تعرضه للهواء، مما قد يولد حرارة ويؤدي إلى احتراق تلقائي. وللتخفيف من المخاطر، يتم تطبيق بروتوكولات معالجة وتخزين صارمة. تصنف المنظمة البحرية الدولية (IMO) بضائع المجموعة ب (خطيرة كيميائيًا) وMHB (مواد خطرة سائبة فقط)، مما يتطلب النقل تحت غاز خامل (النيتروجين عادةً) لمنع الأكسدة.

الاستخدام الأساسي لـ DRI هو كمادة وسيطة في صناعة الصلب بفرن القوس الكهربائي (EAF). بالمقارنة مع الخردة المعدنية، يقدم DRI العديد من المزايا:

• تكوين متسق:يحتوي DRI على عدد أقل من الشوائب، مما يسمح بتحكم أفضل في جودة الفولاذ.
• العناصر المتبقية المنخفضة:يحتوي على الحد الأدنى من العناصر الضارة (مثل النحاس والنيكل والكروم)، مما يجعله مثاليًا لإنتاج الفولاذ عالي الجودة.
• تعزيز الكفاءة:تؤدي إضافة DRI إلى EAFs إلى تسريع عملية الذوبان، مما يقلل من وقت الإنتاج واستهلاك الطاقة.

وبعيدًا عن الأفران الكهربائية، يُستخدم الاختزال الاختزالي (DRI) أيضًا في الأفران العالية والمسابك.

ومع تشديد اللوائح البيئية، تتعرض صناعة الصلب لضغوط للحد من انبعاثات الكربون. يقدم حديد الاختزال المباشر (DRI) بديلاً أنظف لصناعة الحديد التقليدية، خاصة عند إنتاجه باستخدام الهيدروجين كعامل اختزال. تعتبر هذه الطريقة، المعروفة باسم DRI المعتمد على الهيدروجين، حجر الزاوية في إنتاج الصلب المستدام.

ومع أهميتها المتزايدة، تستعد تقنية الاختزال المباشر (DRI) للعب دور محوري في تحول صناعة الصلب نحو ممارسات أكثر خضرة.

بالإضافة إلى حديد الاختزال المباشر، تساهم المعادن الأخرى المشتقة من خام الحديد في إنتاج الصلب:

• الحديد المقولب على الساخن (HBI):يعتبر HBI، وهو شكل أكثر كثافة واستقرارًا من DRI، أسهل في النقل والتخزين.
• حديد الخنزير:يحتوي الحديد الخام، الذي يتم إنتاجه في الأفران العالية، على نسبة عالية من الكربون ويعمل كمكون رئيسي في صناعة الصلب.
• الحديد الخنزير المحبب (GPI):يستخدم كمبرد في الأفران العالية أو كمادة أولية في الأفران الكهربائية والمسابك.