طرح توجیهی تولید ورق سیاه فولادی با کاربرد در خودروسازی

ورق گالوانیزه فولادی ، ورق فولادیست که لایه ای از روی (Zn) بر روی سطح آن پوشانده می شود و با حفظ خواصی از قبیل جوش پذیری ورق را در برابر عوامل محیطی همچون واکنش با اکسیژن و خوردگی مقاوم می نماید.

یکی از روشها برای گالوانیزه کردن روش گالوانیزه گرم است که ورق فولادی را در حمامی از روی مذاب غوطه ور می کنند و پس از خارج کردن از حمام، ورق ابتدا با اکسیژن و سپس با کربن واکنش داده و لایه مقاوم ZnCO3 روی آن شکل می گیرد.

امروزه روش های پیشرفته تری جایگزین روش های قبلی برای برخی کاربردها شده است، یکی از این روشها آبکاری است که در آن لایه ای از روی بوسیله الکترولیز از محلول آبی بر روی فلز می نشیند.

موارد مصرف ورق فولادی

انواع مختلف محصولات فولادی بسته به خواص کاربرد فراوانی در صنایع مختلف همچون لوازم خانگی و ابزارآلات، خودرو، هوافضا، ساخت کشتی و قطار دارند.

بعنوان مثال در صنعت خودرو علاوه بر ورقه فولادی مورد استعمال برای ساخت بدنه، برای تولید قطعاتی نظیر موتور و رینگ نیز از فولاد با خواص دیگر استفاده می شود.

از دیگر موارد استفاده ورقه فولاد می توان ساخت لوله، ساختمان سازی، پکیج های گرمایشی و سرمایشی و اوازم خانگی را نام برد. اما روی هم رفته امروزه عمده ترین مصرف انواع ورقه فولادی در بخش ساخت بدنه و سازه خودرو است.

کاربرد در صنعت خودرو

در واقع بخش اساسی تولید هر خودرو بدنه و شاسی آن می باشد. امروزه علی رغم افزایش استفاده از آلومینیوم، هنوز بخش اصلی ساخت بدنه خودروها را فولاد تشکیل می دهد، که این موضوع خود ارزش فولاد را در آینده توسعه اقتصادی پررنگتر می کند.

امروزه برای ساخت بدنه خودرو علاوه بر ورق فولادی ساده از ورقه فولادی گالوانیزه نیز که مقاومت، کشش پذیری و رنگ پذیری بالاتری دارد استفاده می شود. از ورقه های فولادی با ضخامت و کشش پذیری متفاوت نیز برای ساختمان خودرو مانند شاسی و … استفاده می شود.

از آنجایی که نهایتا این بدنه است که نیروهای وارده بر وسیله نقلیه را تحمل می کند، در نظر داشتن سه عامل وزن، سختی و چگونگی تغییر شکل بدنه در تصادفات بسیار حائز اهمیت است.

تغییرات جدیدی صورت گرفته تا با دسترسی به مواد نوین از وزن بدنه کاسته و علاوه بر بخش های فولادی، از مواد سبکی نظیر پلاستیک ها، آلومینیوم و منیزیم نیز استفاده گردد. اما با این وجود و علی رغم اینکه طراحی وسایل نقلیه تمام آلومینیومی مد روز گشته کماکان فولاد ماده اصلی سازنده بدنه خودرو است و بطور متوسط ۶۰۰ کیلوگرم از بدنه را شامل می شود.

بررسی کالاهای جایگزین و تجزیه و تحلیل اثرات آن بر محصول

با توجه به چالش های زیست محیطی سر راه صنعت و نیز فضای رقابتی شدید بین تولید کننده ها برای جذب بازار مشتری، تلاش برای استفاده از مواد سازگارتر با محیط زیست، سبکتر، ایمن تر و ارزانتر بین تولید کننده ها با توان بیشتری دنبال می شود.

از کالاهای جایگزین برای ورق فولادی میتوان ورقهای آلومینیوم و انواع کامپوزیت ها شامل کامپوزیت فلزی، نانو کامپوزیت پایه فلزی، فولاد مرکب، فیبرکربن و فایبرگلاس را نام برد. بعنوان نمونه کامپوزیت های پایه فلزی، کم وزن و سبک بوده و به علت استحکام و سختی بالا کاربردهای وسیعی در صنایع خودرو و هوافضا پیدا کرده اند.

اما این کاربردها به لحاظ کم بودن قابلیت کشش در این کامپوزیت ها محدود شده است. تبدیل کامپوزیت به نانوکامپوزیت سبب افزایش استحکام و رفع محدودیت های مذکور می شود.

نانوکامپوزیت های پایه فلزی کاربردهای متفاوتی دارند، خصوصا نانوکامپوزیت های پایه منیزیم که در سالهای اخیر به دلیل چگالی کم، استحکام بالا، مقاومت و پایداری حرارتی مناسب، گسترش چشمگیری داشته اند. این نوع نانوکامپوزیتها نیز کاربردهای گسترده ای در صنایع هوایی و خودرو سازی دارند.

اهمیت استراتژیکی کالا

فولاد امروزه با تولید بیش از ۱.۳ میلیارد تن در سال یکی از پرکاربردترین فلزات در دنیاست و دلیل اساسی آن استفاده بالای این آلیاژ در صنعت به جهت ویژه گیهای متمایز آن می باشد. در واقع می توان گفت صنعت فولاد یکی از صنایع بسیار مهم و مادر در جهان است که نقش اساسی و تعیین کننده در رشد و جهش صنعتی یک کشور ایفا می کند.

با توجه به رونق این صنعت در کشور، توجه دولت به این صنعت مادر و برنامه های مختلفی که در حوزه این صنعت تدوین شده و یا مورد توجه قرار گرفته اند نیاز به یک نگاه کلی و همه جانبه به آن را در بخشهای مختلف ضروری می نماید.

بررسی فولاد از زیر بخشهای آن تا محصولات نیمه نهایی و نهایی فرصت و دید مناسبی به دست اندرکاران و مدیران صنعت خواهد داد تا با دید بازتری به آینده و مسیر و نحوه حرکت این صنعت نگاه کنند تا تصمیمات آنها از ضریب اطمینان بالاتری برخوردار باشد.

فولاد صنعتی است که در عین نیاز به سرمایه های بالا برای ایجاد، ارزش افزوده و نرخ باز دهی بالایی را به سرمایه گذار وجامعه می رساند. امروزه کشور ایران داعیه دار توسعه همه جانبه و نجات از اقتصاد تک محصولی نفت بوده و به این منظور راهبردهای اقتصادی خود را متوجه متنوع نمودن تولیدات قابل صدور نموده است.

در تولید ورق های فولادی می توان اذعان داشت در صورت تغذیه کامل نیاز خودروسازان و قطع واردات این کالا از خارج، علاوه بر افزایش تولید صنایع خودروسازی می توان موجب جلوگیری از خروج سرمایه از کشور شد و همچنین اقدام به صادرات آن کرد.

کشورهای عمده تولید کننده و مصرف کننده محصول

کشورهای تولید کننده :
بر اساس آمارها در سال چند ساله اخیر کشورهای چین، ژاپن، کره جنوبی، هند، آمریکا و روسیه بیشترین تولید فولاد را در بین کشورهای جهان داشته اند.

کشور های عمده مصرف کننده فولاد در جهان :
میزان مصرف کشورهای جهان را بر اساس معیار سرانه مصرف می توان سنجید. میزان مصرف فولاد هر کشور ارتباط نزدیک با اقتصاد آن دارد و تقریبا بیشترین سرانه مصرف در کشورهای ثروتمند اقتصادی و کمترین میزان در کشورهای فقیر است.

همچنین برخی کشورها نیز همچون هند در آسیا با وجود تولید بالای فولاد سرانه مصرف پایینی (تقریبا ۴۵ kg) نسبت به دیگر کشورهای تولیدکننده دارند و کشورهایی همچون قطر و امارات با وجود تولید بسیار اندک بالاترین سرانه مصرف را داشته اند.

بررسی تکنولوژی و روش تولید فولاد در کشور

روشهای اصلی تولید فولاد در دنیا بطور کلی به دو دسته زیر تقسیم می شود :

* بر پایه سنگ آهن (Ore Based) یا Integrated Mill :
در این روش ماده اولیه سنگ معدن آهن (اکسید آهن) می باشد که اکسید آهن در فرایند آهن سازی و با استفاده از یک ماده احیا کننده، احیاء شده و به آهن تبدیل می شود. پس از آن در فرایند فولاد سازی با افزودن کربن یا سایر افزودنیهای ضروری، آهن به فولاد مطلوب تبدیل می گردد.

* بر پایه قراضه و ضایعات (Scarp Based) یا Mini Mill :
در این روش ماده اولیه، قراضه و ضایعات آهن و فولاد است که پس از ذوب در کوره های قوس الکتریکی (Electronic Arc Furnace)، حذف ناخالصیها، افزودن کربن و سایر مواد ضروری به فولاد تبدیل میگردد. به دلیل کمبود منابع قراضه در جهان و نیز رشد فزاینده قیمت آن در طول سال های گذشته، در این روش می توان به همراه قراضه از آهن اسفنجی نیز برای ذوب در کوره استفاده نمود. آهن اسفنجی محصول عملیات احیای مستقیم سنگ آهن است که دارای عیار بالای آهن بوده، جایگزین مناسبی برای قراضه جهت ذوب است.

روش Integrated Mill شامل دو تکنولوژی می شود

1. تکنولوژی کوره بلند (Blast Furnace) یا کانورتور
در این روش، از یک کوره بلند در تولید آهن خام (Pig Iron) با استفاده از ماده احیا کننده کک (coke) که از زغال سنگ حاصل می شود و از کوره های اکسیژنی (BOF) جهت تولید فولاد از آهن استفاده می گردد. در کنار فرایند های اصلی (آهن سازی و فولاد سازی)،

فرآیندهای جانبی شامل کک سازی جهت تهیه ماده اولیه عملیات احیاء و اگلومراسیون جهت آماده سازی سنگ معدن آهن نیز وجود دارند که در واقع خوراک مورد نیاز فرآیندهای اصلی را فراهم می کنند. این تکنولوژی مهمترین شیوه تولید فولاد خام در جهان به شمار می آید و حدود ۶۰ درصد فولاد خام دنیا به این روش تولید می شود.

در این روش برای تبدیل چدن مذاب به فولاد از کوره های BOF استفاده می شود که این کوره ها پس از بهبود تکنولوژی فولادسازی، جایگزین کوره ای باز (Open Hearth Furnace) شده است. در کشورمان کارخانه ذوب آهن اصفهان از این تکنولوژی استفاده می کند.

2. تکنولوژی احیای مستقیم (Direct Reduction)
تکنولوژی دیگری تولید فولاد روش احیای مستقیم می باشد. در این روش گاز طبیعی CH۴ عامل احیای سنگ معدن آهن است و در کشورهایی با منابع غنی گاز طبیعی مانند ایران مورد توجه می باشد. سهم فولاد خام تولیدی از این روش در دنیا در حدود ۷٪ است .تکنولوژی احیای مستقیم به چند تکنولوژی عمده تقسیم می شود که مهمترین آنها عبارتند از:

• MIDREX
• HYLIII
• HYL IV Fluid Bed

که رایج ترین آنها، تکنولوژی MIDREX می باشد. تاکنون تعداد ۲۶ واحد MIDREX در دنیا نصب و راه اندازی شده است که ۲ واحد آن در مجتمع های فولاد مبارکه و فولاد خوزستان در کشور قرار دارند.

روش تولید پیشنهادی این طرح با توجه به افزایش قیمت انرژی در کشور بدلیل هدفمند سازی یارانه ها و همچنین بدلیل وجود منابع فسیلی ذغال سنگ کافی در کشور کوره بلند با استفاده از منابع قراضه و سنگ آهن می باشد. تصویر زیر فرآیند تولید آهن و سپس فولاد را از روشهای ذکر شده و همچنین تبدیل فولاد خام به محصولات نیمه نهایی و نهایی را نشان می دهد:

تعیین نقاط ضعف و قوت تکنولوژیهای مرسوم در تولید محصول

* روشهای شایع در کشور:
تولید فولاد نیاز شدیدی به انرژی از جمله برق و انرژی های فسیلی (زغال سنگ و گاز طبیعی) دارد و سهم عمدهای از قیمت تمام شده آن نیز مربوط به قیمت انرژی است.

تولیدکنندگان بزرگ فولاد در دنیا از جمله آمریکا، روسیه، چین و کره جنوبی به دلیل نداشتن گاز و برق ارزان حجم بالای تولید فولاد را به روش کوره بلندی انجام می دهند تا علاوه بر استفاده از زغال سنگ به جای گاز طبیعی، از گاز حاصل از کوره بلند نیز برای تولید برق استفاده کنند.

این گاز خروجی از کوره بلند که بر اثر سوختن کک تولید می شوند، دارای ارزش حرارتی قابل قبول برای مصرف در نیروگاه های حرارتی است، به این معنا که با گاز خروجی از کورهای ۲۰۰۰ متر مکعبی که کورهای کوچک محسوب می شود می توان حداقل ۱۱۰ مگاوات برق تولید کرد.

این درحالی است که ایران بدلیل داشتن ذخایر گاز طبیعی ارزان دومین کشور استفاده کننده از روش احیا مستقیم است و حدود ۲۰٪ فولاد کشور به روش کوره بلند تولید می شود. از طرف دیگر، در فرآیند احیای مستقیم نه تنها زغال سنگ مصرف ندارد بلکه از گاز کوره نیز برای تولید برق استفاده نمی شود.

نتیجه گیری 

از برآیند نکات ضعف و قوت تکنولوژی های متداول در تهیه فولاد و ورق فولادی این نتیجه گرفته می شود که جهت بهره وری حداکثر از ظرفیت سرمایه گذاری، سهم عمده تولید توسط کوره بلند (Blast Furnace) انجام شود تا با توجه به واقعی شدن قیمت های انرژی در کشور از منابع سوخت ذغال سنگ (در تولید گندله بعنوان ماده اولیه فرآیند فولاد سازی) بیشتر استفاده گردد. هرچند استفاده از دیگر کوره ها در کنار کوره بلند اجتناب ناپذیر است.

مواد اولیه مورد نیاز و محل تأمین

مواد اولیه مورد نیاز جهت تامین ماده اولیه فرآیند فولاد سازی (گندله) به شرح زیر است :

1. اکسیژن
2. آهک
3. ذغال سنگ و سنگ آهن جهت تولید آهن اسفنجی

همچنین در کنار مواد اولیه قراضه و سنگ آهن برای رسیدن به ظرفیت تولید مطلوب می توان از آهن اسفنجی نیز استفاده کرد که روش تامین آن توضیح داده می شود :

* احداث فرآیند تولید آهن اسفنجی بصورت مجزا برای تولید ماده اولیه تولید فولاد

در این صورت دو روش برای تولید آهن اسفنجی وجود دارد :

1. تولید پایه گازی
2. و تولید پایه زغال سنگ.

سنگ آهن یک ماده جامد خام اولیه برای فرآیند تولید آهن اسفنجی پایه گازی است. سنگ آهن، زغال سنگ حرارتی و فلاکسها مواد مورد نیاز برای فرآیند تولید آهن اسفنجی پایه زغال سنگ هستند.

* تامین از دیگر واحدهای تولیدی

پیشنهاد منطقه مناسب برای اجرای طرح

بعد مسافت نقش مهمی را در تعیین قیمت فولاد بازی می کند بنابراین سعی شده محل پیشنهادی برای اجرای طرح تولید ورق فولادی به معادن سنگ آهن و سنگ آهک نزدیک باشد.