ब्लास्ट फर्नेसमध्ये ऑक्सिजनची वाढ

आधुनिक स्टील निर्मितीमधील ऑक्सिजनचा फायदा

ब्लास्ट फर्नेसद्वारे लोह निर्मिती ही शतकांपासून मूलभूतपणे बदलली नाही. कोक, लोह अयस्क आणि फ्लक्स वरच्या भागात टाकले जातात; द्रवरूप लोह आणि स्लॅग खालच्या भागातून बाहेर पडतात; आणि गरम हवा ट्यूयर्सद्वारे आत वाहते. परंतु तपशीलांमध्ये मोठ्या प्रमाणात बदल झाले आहेत, आणि ऑक्सिजन समृद्धीकरण हा गेल्या पन्नास वर्षांतील सर्वात प्रभावी बदलांपैकी एक आहे.

ब्लास्ट फर्नेसमध्ये ऑक्सिजन इंजेक्ट करणे—दहन वायूमधील ऑक्सिजनचे प्रमाण २१% पासून २५% किंवा त्यापेक्षा जास्त करणे—हे फर्नेसचे उष्णता आणि रासायनिक वर्तन बदलते. त्वरित परिणाम म्हणजे ज्वाळेचे तापमान वाढणे, ज्यामुळे लोह ऑक्साईडचे धातूच्या लोहामध्ये रूपांतर करणाऱ्या कमी होण्याच्या प्रतिक्रिया वेगवान होतात. दुय्यम परिणामांमध्ये उत्पादनक्षमतेत वाढ, कोकच्या वापरात कमतरता आणि प्रति टन लोह उत्पादित करताना कमी CO₂ उत्सर्जन यांचा समावेश होतो.

ऑक्सिजन कसे फर्नेसची उष्णगतिकी बदलते

गणित सोपे आहे, पण परिणाम गंभीर आहेत. वायूमध्ये सुमारे ७९% नायट्रोजन असतो, जो फर्नेसमधून रासायनिक प्रतिक्रियांमध्ये सहभागी न होता जातो. तो नायट्रोजन उष्णता शोषतो—उष्णता जी लोह अयस्क कमी करण्यासाठी वापरली जाऊ शकली असती. जेव्हा ऑक्सिजन ब्लास्टमध्ये नायट्रोजनच्या जागी येतो, तेव्हा निष्क्रिय वायूच्या तापनासाठी वाया जाणारी उष्णता कमी होते. ज्वाळेचे तापमान वाढते, आणि फर्नेस समान कोकच्या दराने जास्त अयस्क प्रक्रिया करू शकतो.

प्रत्येक १% ऑक्सिजन समृद्धीसाठी, ज्वाळेचे तापमान अंदाजे ५०°से. ने वाढते. २५% ऑक्सिजनाच्या प्रमाणात ज्वाळेचे तापमान २,२००°से. इतके होते, तर २१% ऑक्सिजनाच्या प्रमाणात ते अंदाजे २,०००°से. इतके असते. ही उच्च तापमानाची ज्वाळ काही ऑपरेशनल सुधारणांना सक्षम करते: मलिन कोळसाच्या इंजेक्शन दरात वाढ, कोकच्या वापरात कमतरता आणि उत्पादन प्रवाहात वाढ.

याचा फायदा-तोटा असा की, ऑक्सिजन समृद्धी भट्टीची विक्षोभांप्रती संवेदनशीलता देखील वाढवते. २५% ऑक्सिजनावर चालणारी भट्टी २१% ऑक्सिजनावर चालणाऱ्या भट्टीपेक्षा कमी थर्मल जडत्व दाखवते. स्थिर ऑपरेशन राखण्यासाठी ऑपरेटर्सना भार वितरण, ब्लास्ट तापमान आणि आर्द्रता प्रमाण यावर कडक नियंत्रण ठेवणे आवश्यक असते.

उत्पादकतेतील वाढ: डेटा काय सांगतो

ऑक्सिजन समृद्धीचा उत्पादनक्षमतेवरील परिणाम चांगल्या प्रकारे दस्तऐवजित केला आहे. संपूर्ण पिट्स्टील मिल्समधून मिळालेले उद्योगाचे डेटा दर्शविते की, प्रत्येक १% ऑक्सिजन समृद्धीच्या वाढीमुळे उत्पादन दरात सुमारे ३ ते ४% वाढ होते, अशी कल्पना करता की ब्लास्ट तापमान स्थिर आहे आणि भाराची गुणवत्ता सुसंगत आहे. २५% ऑक्सिजन वापरल्यास, हे नैसर्गिक वायूच्या कार्याच्या तुलनेत १२ ते १६% उत्पादनक्षमता वाढ दर्शविते.

कोक दरात कमीत कमी होणे विशेषत: महत्त्वाचे आहे. कोक हा ब्लास्ट फर्नेस प्रक्रियेतील सर्वात महागडा कच्चा माल आहे, आणि त्याच्या उत्पादनामुळे मोठ्या प्रमाणात CO₂ उत्सर्जन होते. वार्षिक २ मिलियन टन स्टील उत्पादन करणाऱ्या स्टील संयंत्रात कोकच्या वापरात ५% कमीत कमी केल्यास, कोकच्या खर्चात वार्षिक सुमारे ५ मिलियन डॉलर्सची बचत होते आणि त्याच एका प्रमाणात कार्बन पदचिह्नात कमीत कमी होते.

वास्तविक जगातील अंमलबजावणी: उत्तर चीनचा एकीकृत मिल

उत्तर चीनमधील एक मोठा एकीकृत स्टील मिल १८ महिन्यांच्या कालावधीत टप्प्याटप्प्याने ऑक्सिजन समृद्धीकरण कार्यक्रम अंमलात आणला. ह्या सुविधेमध्ये इतर प्रक्रियांसाठी ऑक्सिजन तयार करण्यासाठी आधीपासूनच वायु पृथक्करण यंत्रणा (ए.एस.यू.) होती, परंतु ब्लास्ट फर्नेसच्या वायू प्रवाहात ऑक्सिजन इंजेक्शन केले जात नव्हते. ह्या प्रकल्पामध्ये ट्यूयर लेव्हलवर ऑक्सिजन इंजेक्शन लाँस बसविणे, अतिरिक्त ऑक्सिजन प्रवाह हाताळण्यासाठी नियंत्रण प्रणालीचे अद्ययावतीकरण करणे आणि नवीन कार्यपद्धतीच्या पॅरामीटर्सवर ऑपरेटर्सना प्रशिक्षण देणे यांचा समावेश होता.

पहिल्या तिमाहीतच परिणाम मोजता आले. ऑक्सिजन समृद्धी २४.५% पर्यंत वाढविल्याने उत्पादन ११% ने वाढले, तर कोकचा दर ७% ने कमी झाला. मिलने हे फायदे मोठ्या भांडवली गुंतवणुकीशिवाय मिळवले—ऑक्सिजन आधीपासूनच तयार केला जात होता, आणि ब्लास्ट फर्नेसवर केलेल्या बदलांची पातळी तुलनेने कमी होती. ऑक्सिजन उत्पादन आणि इंजेक्शन खर्च यांच्या तुलनेत कोकच्या बचती आणि वाढलेल्या उत्पादनाच्या मूल्यावरून गणना केलेला परताव्याचा कालावधी बारा महिन्यांपेक्षा कमी होता.

कार्यपद्धतीशी संबंधित अडचणी होत्या. भार वितरणाचे वारंवार निरीक्षण करणे आवश्यक होते, जेणेकरून चॅनलिंग टाळता येईल—ही एक परिस्थिती आहे ज्यामध्ये वायू विशिष्ट क्षेत्रांमधून प्राधान्याने प्रवाहित होतो, ज्यामुळे असमान कमीकरण आणि संभाव्य स्कॅफोल्ड निर्मिती होते. कार्यपद्धती संघाने घंटा-रहित शीर्ष चार्जिंग पॅटर्नमध्ये सुधारणा केली आणि सुरुवातीच्या ऑक्सिजन इंजेक्शनपासून सहा आठवड्यांत कुंभारखाना स्थिर झाला.

कुंभारखान्यात ऑक्सिजन इंजेक्शनसाठी ऑक्सिजन पुरवठ्याचा विचार

कुंभारखान्यातील ऑक्सिजन समृद्धीसाठी ऑक्सिजन सामान्यतः स्थानिक वायू विभाजन एककातून किंवा पाईपलाइन पुरवठ्यातून मिळतो. इतर ऑक्सिजन अनुप्रयोगांच्या तुलनेत शुद्धतेची आवश्यकता कमी आहे—कुंभारखान्यातील इंजेक्शनसाठी ९० ते ९५% ऑक्सिजन पुरेसे आहे, तर वैद्यकीय किंवा सेमिकंडक्टर अनुप्रयोगांसाठी ९९.५% किंवा त्यापेक्षा जास्त शुद्धता आवश्यक असते. .

ही कमी शुद्धता आवश्यकता पुरवठ्याच्या पर्यायांना उघडते. वॅक्यूम दाब ऑसिलेशन (VPSA) प्रणाली ऑक्सिजनचे ९०-९५% उत्पादन करू शकतात, ज्याची मूळ आणि कार्यप्रणाली खर्च क्रायोजेनिक हवा विभाजनापेक्षा कमी असते, तरी त्यांची क्षमता सामान्यतः लहान प्रमाणात मर्यादित असते. मोठ्या कारखान्यांसाठी क्रायोजेनिक ASU ही मानक प्रणाली आहे, जी ९९.५% पेक्षा जास्त शुद्धतेचे ऑक्सिजन उत्पादित करते आणि नायट्रोजन आणि आर्गॉन यांचे उत्पादन करण्याची लवचिकता देखील प्रदान करते.

ऑक्सिजन इंजेक्शन प्रणालीच्या स्वतःच्या अभियांत्रिकीची काळजीपूर्वक रचना करणे आवश्यक आहे. ऑक्सिजन ब्लास्ट फर्नेसच्या मागील दाबावर मात करण्यासाठी पुरेशा दाबाने पोहोचविले पाहिजे, जो सामान्यतः ३ ते ५ बार असतो. इंजेक्शन लाँसची रचना ट्यूयर पातळीवरील उच्च तापमानांना—सुमारे २,०००°C—सहन करण्यासाठी केली पाहिजे आणि ऑक्सिजन प्रवाहाचे अचूक नियंत्रण करणे आवश्यक आहे जेणेकरून इच्छित समृद्धीचे प्रमाण राखले जाऊ शकेल.

ऑक्सिजन हाताळण्यातील सुरक्षा विचार

ऑक्सिजन समृद्धीकरणामुळे सुरक्षेच्या बाबतीत काही गोष्टींकडे लक्ष देणे आवश्यक आहे. ऑक्सिजन हा वायू हवेपेक्षा जास्त प्रबलपणे दहनाला प्रोत्साहन देतो, आणि कोणताही रिसाव किंवा हायड्रोकार्बन्सशी अप्रत्यक्ष संपर्क झाल्यास आगीचा धोका निर्माण होऊ शकतो. ऑक्सिजन इंजेक्शन पाईपिंगचे डिझाइन ऑक्सिजन सर्व्हिससाठीच्या मानकांनुसार करावे, ज्यामध्ये कडक स्वच्छता आवश्यकता आणि योग्य निर्माण साहित्याचा समावेश असावा.

उद्योग मानके या चिंतांना साक्षात् प्रतिसाद देतात. कॉम्प्रेस्ड गॅस असोसिएशनचा CGA G-4.1 मार्गदर्शन ऑक्सिजन प्रणालीच्या स्वच्छता आणि डिझाइनवर संपूर्ण माहिती देतो. ASME B31.3 हे ऑक्सिजन सर्व्हिससाठीच्या पाईपिंगच्या आवश्यकता निश्चित करते, ज्यामध्ये साहित्य निवड आणि जॉइंट डिझाइन यांचा समावेश असतो.

ऑक्सिजन समृद्धीकरण लागू करणाऱ्या सुविधांनी सुरूवातीपूर्वी एक संपूर्ण धोका पुनरावलोकन करावे, ज्यामध्ये संभाव्य रिसावांच्या परिस्थितींचा विचार, आपत्कालीन बंद करण्याच्या प्रक्रिया आणि ऑपरेटर प्रशिक्षण यांचा समावेश असावा. योग्य अभियांत्रिकी नियंत्रणे आणि कार्यपद्धतींसह हे धोके नियंत्रित करता येतात.

ऑक्सिजन समृद्धीकरण केव्हा योग्य आहे—आणि केव्हा नाही

ऑक्सिजन समृद्धीकरण हे सर्वत्र फायदेशीर नाही. याची आर्थिक व्यवहार्यता ऑक्सिजनच्या किमतीवर, कोकच्या किमतीवर आणि अतिरिक्त उत्पादनाच्या मूल्यावर अवलंबून असते. ज्या इस्पात उत्पादन केंद्रांमध्ये ऑक्सिजनचे स्थानिक उत्पादन केले जाते—विशेषतः ज्यांच्याकडे अतिरिक्त एएसयू क्षमता आहे—ते यासाठी नैसर्गिकरित्या योग्य आहेत. ज्या इस्पात उत्पादन केंद्रांमध्ये ऑक्सिजन पुरवठा नाही, त्यांना भांडवली निर्णय घ्यावा लागतो: एएसयू किंवा व्हीपीएसए प्रणाली स्थापित करावी किंवा नैसर्गिक वायूच्या कार्यपद्धतीच्या कमी उत्पादकतेचा स्वीकार करावा.

भट्टी-विशिष्ट विचारांसुद्धा आहेत. ज्या ब्लास्ट भट्ट्या त्यांच्या कमाल उत्पादन क्षमतेजवळ कार्यरत आहेत, त्यांना ऑक्सिजन समृद्धीकरणामुळे मर्यादित फायदा होऊ शकतो—बॉटलनेक बेसिक ऑक्सिजन भट्ट्या किंवा सतत ढाळण प्रक्रियेसारख्या खालच्या प्रक्रियांकडे स्थानांतरित होतो. या प्रकरणांमध्ये, ऑक्सिजन समृद्धीकरणामुळे अपेक्षित उत्पादकता वाढ मिळू शकत नाही.

ज्या भट्ट्या कोकच्या पुरवठ्यावर मर्यादा असल्या किंवा कोकच्या किमती जास्त असल्या, त्यांच्यासाठी याची आर्थिक व्यवहार्यता अधिक आकर्षक बनते. वाचवलेला प्रत्येक टन कोक हा खरेदी करण्याची, वाहतूक करण्याची किंवा भट्टीत भरण्याची गरज नसलेला टन असतो.

ग्रीनफिर स्टील मिलमध्ये ऑक्सिजन उत्पादनासाठी क्रायोजेनिक वायू विभाजन उपकरणे पुरवतो, ज्यामध्ये आशिया भरभरून एकत्रित स्टील निर्मिती कार्यांमध्ये स्थापना करण्याचा इतिहास आहे.