شرکت کننده  شماره 1، در مسابقه آذر 1403 وبسایت آکادمی پاترون:

محاسبه دقیق مقدار انرژی مصرفی برای تبدیل قراضه و آهن اسفنجی به مذاب به عوامل متعددی بستگی دارد و نمی‌توان یک عدد ثابت برای آن ارائه داد. با این حال، به طور کلی می‌توان گفت که ذوب آهن اسفنجی به دلیل نیاز به احیای بیشتر، معمولاً انرژی بیشتری نسبت به ذوب قراضه نیاز دارد. در ادامه به بررسی عوامل مؤثر و نحوه تخمین این انرژی می‌پردازیم:

عوامل مؤثر بر میزان انرژی مصرفی:

نوع کوره: کوره‌های قوس الکتریکی (EAF) و کوره‌های القایی (IF) از رایج‌ترین کوره‌ها برای ذوب آهن هستند و هر کدام راندمان و مصرف انرژی متفاوتی دارند.

ترکیب شیمیایی مواد اولیه: میزان اکسید آهن (FeO) در آهن اسفنجی و همچنین میزان ناخالصی‌ها در قراضه، بر میزان انرژی مورد نیاز برای ذوب تأثیرگذار است. به طور مثال، وجود FeO بیشتر در آهن اسفنجی، به دلیل نیاز به احیای بیشتر، مصرف انرژی را افزایش می‌دهد. همچنین وجود عناصری مانند سیلیس (SiO2) نیز با افزایش نیاز به آهک برای حفظ بازیته مذاب، مصرف انرژی را بالا می‌برد.

درصد متالیزاسیون آهن اسفنجی: هرچه درصد متالیزاسیون (میزان تبدیل اکسید آهن به آهن فلزی) بیشتر باشد، انرژی کمتری برای ذوب مورد نیاز است.

اندازه و شکل مواد اولیه: اندازه و شکل قراضه و آهن اسفنجی نیز بر سرعت ذوب و در نتیجه مصرف انرژی تأثیر دارد.

شرایط عملیاتی کوره: عواملی مانند دمای اولیه کوره، نرخ تزریق اکسیژن و نحوه شارژ مواد اولیه نیز بر مصرف انرژی مؤثرند.

با فرض ثابت بودن تمامی پارامترها، می‌توان با تمرکز بر ترکیب شیمیایی و مقدار مواد اولیه، تخمین دقیق‌تری از انرژی مصرفی برای ذوب قراضه و آهن اسفنجی ارائه داد. در این حالت، تأثیر نوع کوره، شرایط عملیاتی، اندازه مواد و سایر عوامل ثابت در نظر گرفته می‌شوند. در ادامه، روش محاسبه و نکات مهم مرتبط با آن توضیح داده می‌شود:

1. تعیین ترکیب شیمیایی دقیق مواد اولیه:

مهم‌ترین قدم، آنالیز دقیق شیمیایی قراضه و آهن اسفنجی است. این آنالیز باید شامل موارد زیر باشد:

درصد آهن فلزی (Fe): این مقدار نشان‌دهنده میزان آهن موجود در ماده است که مستقیماً در محاسبات انرژی مورد نیاز برای ذوب دخیل است.

درصد اکسید آهن (FeO): به خصوص در آهن اسفنجی، مقدار FeO بسیار مهم است زیرا احیای آن به آهن فلزی نیازمند انرژی زیادی است.

درصد عناصر آلیاژی و ناخالصی‌ها: عناصری مانند سیلیس (SiO2)، منگنز (Mn)، فسفر (P)، گوگرد (S) و سایر عناصر موجود در قراضه و آهن اسفنجی باید مشخص شوند. این عناصر بر نقطه ذوب، ویسکوزیته مذاب و در نتیجه انرژی مصرفی تأثیر می‌گذارند.

2. محاسبه انرژی مورد نیاز برای ذوب آهن فلزی:

برای ذوب هر کیلوگرم آهن فلزی، حدود 270 کیلوژول انرژی لازم است. این مقدار شامل انرژی لازم برای افزایش دما تا نقطه ذوب (حدود 1538 درجه سانتیگراد) و همچنین گرمای نهان ذوب (انرژی لازم برای تغییر فاز از جامد به مایع) می‌باشد.

3. محاسبه انرژی مورد نیاز برای احیای اکسید آهن (FeO):

احیای FeO به Fe یک واکنش گرماگیر است و نیازمند انرژی زیادی است. طبق منابع مختلف، احیای هر کیلوگرم FeO به حدود 800 کیلووات ساعت (معادل 2880 مگاژول) انرژی نیاز دارد. این مقدار بسته به نوع احیاکننده (معمولاً کربن) و شرایط واکنش می‌تواند کمی متفاوت باشد.

4. محاسبه انرژی مورد نیاز برای ذوب سرباره:

ناخالصی‌های موجود در مواد اولیه، مانند SiO2، با آهک (CaO) واکنش داده و سرباره تشکیل می‌دهند. ذوب سرباره نیز نیازمند انرژی است. به طور تقریبی، ذوب هر کیلوگرم سرباره به حدود 530 کیلووات ساعت (معادل 1908 مگاژول) انرژی نیاز دارد. البته این مقدار به ترکیب سرباره بستگی دارد.

5. محاسبه انرژی کل:

با داشتن اطلاعات فوق، می‌توان انرژی کل مورد نیاز برای ذوب قراضه و آهن اسفنجی را به صورت زیر محاسبه کرد:

انرژی لازم برای ذوب آهن فلزی موجود در قراضه و آهن اسفنجی را جداگانه محاسبه کنید.

انرژی لازم برای احیای FeO موجود در آهن اسفنجی را محاسبه کنید.

با توجه به میزان ناخالصی‌ها و مقدار آهک مصرفی، انرژی لازم برای ذوب سرباره را تخمین بزنید.

مجموع این سه مقدار، انرژی کل مورد نیاز برای ذوب خواهد بود.

مثال:

فرض کنید 1 تن آهن اسفنجی با ترکیب زیر داریم:

Fe: 90%

FeO: 5%

SiO2: 3%

برای ذوب این مقدار آهن اسفنجی، محاسبات به صورت زیر خواهد بود:

انرژی ذوب آهن: 900 کیلوگرم × 270 کیلوژول/کیلوگرم = 243 مگاژول

انرژی احیای FeO: 50 کیلوگرم × 2880 مگاژول/کیلوگرم = 144000 مگاژول

با فرض تشکیل سرباره با وزن تقریبی 30 کیلوگرم (بر اساس SiO2)، انرژی ذوب سرباره: 30 کیلوگرم × 1908 مگاژول/کیلوگرم = 57240 مگاژول

انرژی کل: 243 + 144000 + 57240 = 201483 مگاژول

نکات مهم:

این محاسبات، تخمینی از انرژی مورد نیاز هستند و در عمل، به دلیل تلفات حرارتی و سایر عوامل، ممکن است مقدار واقعی انرژی مصرفی بیشتر باشد.

استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی فرآیندهای متالورژی می‌تواند به تخمین دقیق‌تر انرژی مصرفی کمک کند.

با ثابت نگه داشتن سایر پارامترها و تمرکز بر ترکیب شیمیایی، می‌توان تأثیر تغییر نسبت قراضه و آهن اسفنجی در شارژ کوره بر مصرف انرژی را بررسی کرد و بهینه‌ترین ترکیب را از نظر مصرف انرژی و هزینه مشخص نمود.

با استفاده از این روش و با داشتن اطلاعات دقیق در مورد ترکیب شیمیایی مواد اولیه، می‌توان تخمین نسبتاً دقیقی از انرژی مصرفی برای ذوب قراضه و آهن اسفنجی به دست آورد.

شرکت کننده شماره 2، در مسابقه آذر 1403 وبسایت آکادمی پاترون:

راندمان کوره القایی تقریبا 60 تا 80 درصد است که به شرایط زیادی بستگی دارد. ازجمله اپراتوری کوره و نسبت توان به ظرفیت کوره. همچنین تمیز نبودن قراضه و وجود ناخالصی و به تبع آن تبدیل به شیره و شلاکه شدن بر انرژی مصرفی کوره ها تاثیر می گذارد. ناخالصی های قراضه 40 تا 50 درصد بیشتر از فولاد انرژی جذب می کنند؛ همچنین اکسید آهن موجود در قراضه برای تبدیل شدن به آهن نیاز به گرمای زیادی دارد (نزدیک به 1100 کیلووات ساعت در تن.
برای مشخص کردن میزان آهنی که در آهن اسفنجی وجود دارد، شاخصی وجود دارد که به آن متالیزاسیون یا درجه آهنی شدن گفته می شود. درصد متالیزاسیون آهن اسفنجی در مصرف انرژی فرآیند ذوب و تولید فولاد موثر است. متالیزاسیون پایین و بالا بودن مقدار FeO موجود در DRI سبب افزایش انرژی مصرفی در فرآیند فولادسازی می شود. افزایش سیلیس در آهن اسفنجی نیز سبب افزایش مصرف انرژی می شود، زیرا به منظور حفظ بازیسیته ذوب به شارژ بیشتر آهک نیاز خواهد داشت، که این باعث تولید سرباره بیشتر خواهد شد و از آنجا که ذوب هر تن سرباره به حدود 500 کیلووات ساعت انرژی نیاز دارد، لذا مصرف انرژی کل را افزایش می دهد. فسفر و گوگرد با توجه به اینکه باعث افزایش آهک مصرفی در فرآیند می شود، تاثیر منفی در انرژی مصرفی دارد. جهت حذف فسفر به سرباره اکسیدی نیاز است، Cao فسفر موجود در حمام مذاب را جذب می کند و در صورتی که مقدار ثابت و مشخص از Feo در سرباره مدنظر باشد، لازم است تزریق بیشتر آهک و حذف بیشتر فسفر را داشته باشیم که بدین ترتیب همان طور که قبلا بیان شد، این افزایش سبب بالا رفتن مقدار مصرف انرژی و نیز کاهش بازده مواد آهنی می شود.
ضخامت شابلون خاک کوبی و جرم کوره هم بر بازدهی کوره تاثیرگذار است. دمای تخلیه کوره، مدت زمان شارژ و آنالیز ذوب هم اثرگذار است. با احتساب همه موارد فوق و قراضه مصرفی میتوان انرژی مصرفی تبدیل قراضه یا آهن اسفنجی به ورق یا محصول نهایی را به صورت کیلووات ساعت در هر تن محاسبه کرد. از مدل PSM گروه پاترون هم میشود استفاده کرد.
اصولا در کوره های القایی با استفاده از قراضه، حدودا ۴۰۰ تا ۵۰۰ کیلووات ساعت انرژی الکتریکی مصرف می شود و اگر ۵۰ درصد آهن اسفنجی در کوره تزریق شود، نه تنها مصرف انرژی ۲۰۰ کیلووات ساعت بر تن افزایش می یابد بلکه زمان ذوب گیری نیز زیاد می شود. حال فرض کنید میزان آهن اسفنجی را تا ۸۰ درصد افزایش دهیم که در این صورت ممکن است مصرف انرژی تا ۱۱۰۰ کیلووات ساعت بر تن افزایش یابد.
کوره قوس در شرایط استفاده از قراضه، ۴۰۰ تا ۴۳۵ کیلووات ساعت بر تن انرژی مصرف می کند اما اگر آهن اسفنجی مبنای ذوب و تزریق در کوره باشد، این عدد به ۶۰۰ تا ۶۳۵ کیلووات ساعت بر تن می رسد.

شرکت کننده شماره 3، در مسابقه آذر 1403 وبسایت آکادمی پاترون:

ما از گرمای مولی آهن (9/14 کیلوژول بر مول) برای محاسبه مقدار انرژی مورد نیاز برای ذوب آهن استفاده می کنیم. 0.081: بنابراین برای ذوب 4.50 گرم آهن به 1.20 کیلوژول

البته این در شرایط ایده آل و آهن خالص صدق میکند که در شرایط عملی بسته به خلوص قراضه و آهن اسفنجی و همچنین شرایط کوره انرژی بیشتری مصرف میشه

شرکت کننده شماره 4، در مسابقه آذر 1403 وبسایت آکادمی پاترون:

چند فاکتور در استفاده از شارژ آهن اسفنجی باعث افزایش مصرف انرژی می شوند. قابل ذکر است که در یک کوره قوس با شارژ 100 درصد آهن قراضه سرد و ساخت سرباره پفکی خوب مقدار انرژی مصرفی جهت تشکیل ذوب، حدود 400 تا 435 کیلووات ساعت بر هر تن ذوب صر فنظر از سایر انرژی ها است و به عنوان مقایسه، یک کوره قوس الکتریکی با شارژ 98 درصد آهن اسفنجی و تشکیل سرباره پفکی خوب انرژی مصرفی حدود 635 کیلووات ساعت در هر تن ذوب دارد. پس در نتیجه میزان مصرف انرژی در شارژ با آهن اسفنجی نسبت به قراضه بیشتر می باشد

شرکت کننده شماره 5، در مسابقه آذر 1403 وبسایت آکادمی پاترون:

مقدار انرژی مصرفی جهت تبدیل قراضه به مذاب برابر است با ۴/۲۹ گیگا ژول بر یک تن محصول نورد که از مجموع مقدار انرژی حاصل از احتراق زغال سنگ +انرژی الکتریکی + مصرف گاز اکسیژن در کوره قوس الکتریکی می باشد.

و مقدار انرژی مصرفی جهت تبدیل آهن اسفنجی به مذاب برابر است با ۱۵/۶ گیگا ژول بر تن محصولات نوردی است که برابر است با مجموع انرژی سوختن گاز اکسیژن + انرژی الکتریکی 

شرکت کننده شماره 6، در مسابقه آذر 1403 وبسایت آکادمی پاترون:

محاسبه انرژی مصرفی برای تبدیل قراضه یا آهن اسفنجی به مذاب بستگی به چندین عامل دارد، از جمله ترکیب شیمیایی ماده اولیه، شرایط فرآیند، بازده حرارتی کوره، و نوع سوخت یا انرژی مورد استفاده

معادله کلی انرژی:

انرژی مورد نیاز برای ذوب مواد شامل موارد زیر است:

𝑄=𝑄گرمایش+𝑄ذوب+𝑄واکنش‌ها+𝑄تلفاتQ=Q گرمایش​ +Q ذوب​ +Q واکنش‌ها​ +Q تلفات

که:

Q گرمایش​ : انرژی لازم برای افزایش دمای ماده از دمای اولیه تا نقطه ذوب.

Q ذوب​ : انرژی لازم برای تغییر فاز از جامد به مذاب (حرارت نهان ذوب).

Q واکنش‌ها​ : انرژی مورد نیاز یا تولیدشده در واکنش‌های شیمیایی (مثل احیای آهن، اکسیداسیون کربن، یا واکنش‌های ناخالصی‌ها).

Q تلفات​ : تلفات حرارتی (مانند تلفات از دیواره‌ها، گازهای خروجی، و غیره).

برای محاسبات دقیق‌تر، می‌توان از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی ترمودینامیکی مانند Thermo-Calc یا HSC Chemistry استفاده کرد.

شرکت کننده شماره 7، در مسابقه آذر 1403 وبسایت آکادمی پاترون:

در شرایط آزمایشگاهی برای تبدیل یک تن فولاد از حالت جامد به مذاب از فرمول زیر استفاده می کنیم:

0.188*(دمای محیط-1520)+0.24*(1520-دمای تخلیه)+74.44 = میزان مصرف انرژی برحسب kwh/ton