יחידת הפרדת אוויר ליישומים בתעשיית הפלדה

למה מפעלי פלדה משולבים מסתמכים על ייצור באתר יחידות הפרדת אוויר

גורמים תפעוליים לדרישה: דרישות נפח גבוה וטהרה גבוהה לחמצן, חנקן וארגון

מפעלי פלדה זקוקים לכמויות עצומות של גזים תעשייתיים שחייבים לעמוד בדרישות ניקיון מחמירות ביותר. קחו לדוגמה כור רתיח גדול, שיכול לעבד יותר מ-300 טון חמצן בכל שעה. שיטת הכבשן לחמצן בסיסי דורשת חמצן שטוהר שלו הוא לפחות 99.5% כדי להשיג תוצאות בעירה טובות ולנהל את הסלע המנוקב (slag) כראוי. עבור פעולות יציקה רציפה, יש צורך בארגון שטוהר שלו עולה על 99.999% בעת ביצוע תהליכי שטיפת חנקן. זה עוזר למנוע את היווצרות החסרונות המטרידים של חמצון בלוחות הפלדה. בהתחשב בדרישות הנפח העצומות והספציפיקציות המחמירות האלה, אספקת כל הגז הזה במיכלים גדולים אינה פרקטית. לכן, מרבית המתקנים מתקינים את הציוד באתר יחידות הפרדת אוויר (מערכות ASU). מערכות אלו מספקות למנהלי המפעל שליטה מיידית על כמות הגז שיוצרת, על הלחץ שבו הוא מופק, ובעיקר על טהירותו. גמישות מסוג זה מאפשרת להם להתאים את צורכי הגז שלהם בדיוק למה שקו הייצור דורש מהם יום-יום.

יתרונות כלכליים ואמינות של מערכות ASU קריאוגניות לעומת אספקת גז בكمיות גדולות

יחידות הפרדת אוויר קריאוגניות מציעות יתרונות ארוכי טווח ממשיים בהשוואה לקניית גזים מספקים חיצוניים. כאשר חברות מייצאות גזים באתר, הן מפחיתות את כל ההוצאות הנוספות הקשורות להובלת חומרים קריאוגניים, ובנוסף אין צורך יותר במרחבים מיוחדים לטיפול ולבידוד. ובואו נודה בזה: אף אחד לא רוצה שפעולותיו יישארו תלויה בבעיות שרשרת האספקה. מתקנים שצריכים יותר מ-2,000 טון חמצן מדי יום לרוב מגלה כי השקעה ביחידת הפרדת אוויר קריאוגנית משתלמת מאוד. מחקרים מראים שתחנות אלו יכולות לחסוך בין 40% ל-60% בהוצאות על גזים במשך עשר שנים, לעומת סליקה המבוססת על משלוחים קיבוציים. חלק מהמערכת החדשות יותר אף משחזרות אנרגיה באמצעות תהליכים כגון שחזור חום במהלך תהליכי הלחיצה, מה שמפחית את צריכת החשמל הכוללת בכ־15%. אך מה שחשוב באמת ביותר הוא אספקת גז אמינה בדיוק במקום שבו היא נדרשת. מתקנים המשולבים בדרך זו מונעים את עצירת הכבשנים הקטלנית, שיכולה לעלות מיליונים בכל שעה של עצירה.

יישומים מרכזיים של יחידות הפרדת אוויר ביצירת פלדה

העשרה בחמצן של כבשן ניפח: שיפור הפקודה וצמצום הצריכה של קוקס

הכורות הדרומיים של ימינו מזרימים בדרך כלל אוויר עשיר בחמצן בריכוז של כ-25–30 אחוז חמצן, מה שמעלים באופן משמעותי את כמות הפחמן החום שנשרף בתוך הכור. התוצאה? ייצור מתכת חמה עולה ב-15–25 אחוז, אך באותו זמן דרושים כ-200–300 קילוגרם פחות פחמן חום לכל טון מיוצר. זה גורם לירידה בהוצאות להפעלת הכור ולפיחות בפליטות דו-תחמוצת הפחמן לכל טון ברזל המיוצר. כאשר חברות מתקינות יחידות ניפוץ אויר משלהן באתר, הן משיגות שליטה טובה יותר בתהליך העשירה בחמצן הזה. מערכות אלו שומרות על להבות חזקות ויציבות ששורפות מעל 2200 מעלות צלזיוס, ללא בעיות הנגרמות על ידי תנודות בטמפרטורה. שליטה טובה יותר בטמפרטורה מביאה לזרימה חלקה יותר של הסקוריה ולפחת בבלאי חומרי הריצוף של דפנות הכור. מומחי תעשייה מארגונים כגון המכון האמריקאי לברזל ולפלדה ציינו את היתרונות האלה בהנחיות הפעולה שלהן, ובכך מסבירים מדוע יצרני פלדה רבים בוחרים לעבור לשיטה הזו.

תהליך ניפוח חמצן במחורר חמצן בסיסי (BOF): בקרת דיוק עם טהרה של 99.5%

תהליך ייצור הפלדה במחורר חמצן בסיסי (BOF) דורש חמצן טהור ביותר, בדרך כלל מעל 99.5%, כדי להשיג תוצאות עקביות ויעילות של הסרת פחמן. כמויות קטנות של זיהומים כגון חנקן או רטיבות עלולות לגרום לתגובות חמצון לא צפויות שמביאות לירידה בשכיחות התוצר ולפגיעה באיכות המשטח. יחידות הפרדת אוויר קריאוגנית מספקות חמצן זה ברמה גבוהה של טהרה, בלחץ של כ-12–15 בר, דרך מקלעות מיוחדות. המקלעות הללו מאפשרות למנהלי התהליך לשלוט בתבנית הניפוח ובמיקום המקלעת בדיוק רב יותר. הדיוק המופחת מצמצם את אובדן הברזל עקב חמצון אקראי ב-3–5 אחוזים בקירוב, בהשוואה לשימוש בחמצן ברמה נמוכה יותר של טהרה. עובדה זו חשובה במיוחד בייצור פלדות שעומדות בדרישות כימיות מחמירות ליישומים כגון רכיבי רכב וחומרים לخطوط צינורות, שבהם עקביות היא קריטית לחלוטין.

ארגון ליציקה רציפה ולמטאלורגיה משנית: בקרת הזרקות באמצעות גז נקי באיכות אולטרה-גבוהה (99.999%)

למטלורגיית כוסיות ולפעולות יציקה רציפה, ארגון באיכות על-תפיסה של יותר מ־99.999% הוא פשוט בלתי אפשרי ללאו. הזרקת גז זה לתוך פלדה נוזלית עוזרת להסיר את הימן והחנקן הלא רצויים. במקביל, הוא דוחף את החיבורים הלא מתכתיים המטריחים, כגון אלומינה וסיליקטים, כלפי מעלה, שם הם נלכדים בשכבה של סיגר. גם המספרים חשובים. שימור סך כל הפסולת מתחת ל־10 חלקים למיליון מהווה את כל ההבדל. גם כמויות זעירות של חנקן עלולות לגרום להתנפחות תת-שגרתית מטריחה הן בפלדות נירוסטה והן בפלדות לדרישות חשמליות. מפעלים המחליפים לארגון שמתקבל מיחידות מפרידות אוויר חשים שיפור דרמטי. כמה מפעלים דיווחו על הפחתת דחיות הנובעות מחיבורים ב־40% ויותר בסגסוגות הסופיות ובבליטות. תוצאות אלו תואמות את מה שמצאה המכון הבינלאומי לפלדה ולברזל במחקר השוואתי אחרון על איכות משנת 2023.

אתגרי יעילות אנרגטית ואינטגרציה מערכתית ליחידות הפרדת אוויר במפעלי פלדה

מקורות עיקריים לאובדן אנרגיה: הרס האקסרجي של המניע הראשי לאויר והזדמנויות לשחזור חום

יחידות הפרדת אוויר, הנקראות בדרך כלל ASU, נאבקות בבעיות יעילות אנרגטית כאשר הן משולבות במפעלי פלדה. חלק גדול מהבעיה נובע מאופן פעולתן הבסיסי של מערכות אלו, כשחלקים מסוימים מאבדים יעילות עקב אובדי תרמודינמיקה בלתי נמנעים. קחו לדוגמה את המניע הראשי לאוויר – הוא צורך כ-40% מכלל החשמל שמשתמשת בו יחידת ASU. כאשר בוחנים את הנושא מקרוב, רוב האנרגיה הזו שאבודה נובעת מהתהליך עצמו של דחיסה, שבו אנרגיה עיקרית מאבדת את ערכה כחום. מה שמתרחש לאחר מכן גם הוא די מבזבז. המערכת מייצרת חום פסול בטמפרטורות גבוהות בין 150 ל-300 מעלות צלזיוס, אך מרבית המתקנים פשוט משחררים אותו לאטמוספירה במקום לנצל אותו בצורה מועילה. כמה חברות חכמות מתקינות כיום פתרונות לשיקום חום, כגון מחזור אורגני של רנקיין (ORC) או ייצור אדים בלחץ נמוך מתוך החום הפסולת הזה. גישות אלו מסוגלות לשחזר כ-שני שלישים מהאנרגיה התרמית שאבדה בכל המפעל. זה לא רק מקטין את עצמת הצריכה האנרגטית לייצור חמצן ב-20% בערך, אלא גם מקטין באופן משמעותי את דרישות המים להטיה. עם זאת, הגעה למצב שבו מערכות אלו פועלות כראוי נותנת קשה. מערכות הבקרה צריכות להתואם בזהירות כדי שיחידת ASU תוכל להתאים את תפוקתה בהתאם לשינויים בדרישות בתהליך ייצור הפלדה. במיוחד במהלך התקופות הקשות שבהן כבשנות הלהט נעות בין מסעות ייצור או כאשר מכונות הזריקה מוחלפות, אפילו תנודות קטנות בלחץ עלולות לפגוע בריצה מלאה של התהליך.

שאלות נפוצות

למה מפעלי פלדה זקוקים לגזים בעלי טהרה גבוהה ביותר?

מפעלי פלדה זקוקים לגזים בעלי טהרה גבוהה לצורך בקרת דיוק ואיכות בתהליך הייצור. חמצן, חנקן וארגון בעלי טהרה גבוהה מבטיחים בעירה אופטימלית, ניהול יעיל של הפסיפס ומניעת פגמים תוצאת חמצון בלוחות הפלדה.

אילו יתרונות מספקים מערכות חילוץ אוויר קריאוגניות (ASU) לעומת האספקה המונית של גזים?

מערכות חילוץ אוויר קריאוגניות מספקות אמינות ויעילות כלכלית. המתקנים חוסכים בהוצאות להובלה ואחסון, ומונעים הפרעות בשרשרת האספקה. מערכות אלו גם מספקות חיסכון באנרגיה וגזים בעלי טהרה גבוהה באופן עקבי.

איך ארגון משפר את פעולות היציקה הרציפה?

ארגון בעל טהרה אולטרה-גבוהה מפחית זרבים וכוללות לא מתכתיות בפלדה נוזלית, דוחף את הכוללות הללו לשכבה העליונה של הפסיפס ועוזר לשמור על איכות הפלדה. זה מפחית את שיעורי הדחייה ומשפר את עקביות הייצור.

באילו קשיי יעילות אנרגטית נתקלים מערכות חילוץ אוויר (ASU)?

יחידות הפרדת אוויר ניצבים בפני אתגרי יעילות אנרגטית עקב אובדי תרמודינמיקה, במיוחד במדחס האוויר הראשי. פתרונות לשחזור חום משמשים כדי למזער בזבוז אנרגיה ולשפר את היעילות הכוללת של המתקן.