راه جدیدی برای تولید فولاد می تواند وابستگی آمریکا به واردات را کاهش دهد | اخبار MIT

آمریکا صدها سال است که فولاد را از سنگ آهن به همین روش تولید می کند. متأسفانه، آن را به اندازه کافی از آن ساخته نشده است. امروزه ایالات متحده بزرگترین واردکننده فولاد در جهان است و برای تولید موادی که به عنوان ستون فقرات جامعه ما عمل می کند به سایر کشورها متکی است.

این بدان معنا نیست که ایالات متحده تنها است: در سطح جهانی، اکثر فولادهای امروزی در کارخانه های عظیم و چند میلیارد دلاری با استفاده از فرآیندی مبتنی بر زغال سنگ ساخته می شوند که در 300 سال گذشته تغییر چندانی نکرده است.

در حال حاضر هرتا متالز، توسط مدیر عامل Laureen تاسیس شده است Meroueh SM ’18, PhD ’20, در حال توسعه یک سیستم جدید تولید فولاد با انرژی گاز طبیعی و برق است. این فرآیند که می تواند بر روی هیدروژن نیز اجرا شود، از یک کوره قوس الکتریکی پیوسته استفاده می کند که در آن سنگ آهن با هر عیار و فرمت در یک مرحله کاهش می یابد و به فولاد مذاب کربوره می شود. همچنین نیاز به کارخانه های کک سازی و تف جوشی را در کنار سایر اجزای خطرناک و گران قیمت سیستم های سنتی بی نیاز می کند. در نتیجه، این شرکت می‌گوید که فرآیند آن 30 درصد انرژی کمتری مصرف می‌کند و هزینه کار کمتری نسبت به کارخانه‌های فولادسازی معمولی در آمریکا دارد.

تیتر اصلی این واقعیت است که می‌توانیم فولاد از سنگ آهن را تا ۲۵ درصد در ایالات متحده مقرون به صرفه‌تر کنیم و در عین حال انتشار گازهای گلخانه‌ای را نیز کاهش دهیم. مروه می گوید. “ایالات متحده در دهه های گذشته در زمینه فولادسازی رقابتی نبوده است. اکنون ما این امکان را فراهم می کنیم.”

از اواخر سال 2024، هرتا یک کارخانه آزمایشی 1 تن در روز را در اولین مرکز تولید خود در خارج از هیوستون، تگزاس راه اندازی کرده است. این شرکت آن را بزرگترین نمایش در جهان از فرآیند تولید فولاد تک مرحله ای می نامد. این شرکت در سال جاری ساخت کارخانه ای را آغاز خواهد کرد که قادر است سالانه 10000 تن فولاد تولید کند. این کارخانه، که هرتا انتظار دارد در پایان سال 2027 به ظرفیت کامل تولید برسد، همچنین آهن با خلوص بالا برای صنعت آهنربا تولید خواهد کرد و به آمریکا کمک می کند تا ماده حیاتی دیگری را در خشکی تولید کند.

مروئه می‌گوید: «با واردات این همه آهن و فولاد، ما کاملاً به مکانیسم‌های تجارت جهانی و ژئوپلیتیک‌های امروزی خود متکی هستیم تا بتوانیم موادی را که برای زیرساخت‌ها، سیستم‌های دفاعی و سیستم‌های انرژی ما حیاتی هستند، ادامه دهیم.» “فولاد اساسی ترین ماده برای جامعه ما است. به سادگی غیر قابل تعویض است.”

ساده سازی فولادسازی

مروئه مدرک کارشناسی ارشد خود را در آزمایشگاه گنگ چن، پروفسور کارل ریچارد سودربرگ MIT در مهندسی نیرو به دست آورد. او ذخیره انرژی حرارتی و فیزیک بنیادی انتقال حرارت را مطالعه کرد و در نهایت اولین طعم کارآفرینی خود را زمانی که به بررسی تجاری برخی از این تحقیقات پرداخت. مروئه از صندوق نوآوری Sandbox MIT کمک مالی دریافت کرد و مدیر اجرایی جینانه ابونادی را امروز یک مربی نزدیک می داند.

این تجربه به مرویه چیزهای زیادی در مورد استارتاپ ها آموخت، اما او در نهایت تصمیم گرفت در MIT بماند تا دکترای خود را در متالورژی و تولید هیدروژن در آزمایشگاه داگلاس هارت، استاد مهندسی مکانیک MIT دنبال کند. او پس از اخذ دکترای خود در سال 2020، به مدت یک سال و نیم برای رهبری یک استارت آپ تولید هیدروژن استخدام شد.

مروئه می‌گوید: «پس از آن تجربه، من به تمام بخش‌های اقتصاد که به سختی کاهش می‌یافتند و انتشار آلاینده‌ها بالا بود، نگاه می‌کردم تا بخش‌هایی را بیابم که کمترین توجه را دریافت می‌کنند». “به فولاد افتادم و عاشق شدم.”

مروئه در شرکت سرمایه‌گذاری استارت‌آپ انرژی و اقلیم بریکتروو انرژی عضو نوآوران شد و رسماً هرتا متالز را در سال 2022 تأسیس کرد.

نام این شرکت برگرفته از نام هرتا آیرتون، فیزیکدان و مخترع قرن نوزدهمی است که درک ما از قوس الکتریکی را که این شرکت در کوره های خود استفاده می کند، ارتقا داد.

در سطح جهان، امروزه بیشتر فولاد از ترکیب سنگ آهن با کک (از زغال سنگ) و سنگ آهک در کوره بلند برای تولید آهن مذاب ساخته می شود. آن “آهن خوک” سپس به کوره دیگری فرستاده می شود تا کربن اضافی و ناخالصی ها را بسوزاند. سپس عناصر آلیاژی اضافه می‌شوند و فولاد برای ریخته‌گری و تکمیل ارسال می‌شود که نیاز به ماشین‌آلات اضافی دارد.

ایالات متحده بیشتر فولاد خود را از ضایعات فلزی بازیافتی می‌سازد، اما همچنان باید آهن ساخته شده از کوره بلند را وارد کند تا به درجه‌های مفید فولاد برسد.

مروئه توضیح می‌دهد: «ایالات متحده نیاز شدیدی به تولید فولاد از سنگ آهن دارد، نه فقط قراضه، بنابراین ما می‌توانیم به واردات این همه اتکا نکنیم». ما فقط حدود 11 کوره بلند عملیاتی در ایالات متحده داریم، بنابراین در نهایت حدود 90 درصد آهن خام مورد نیاز برای تغذیه به کوره های فولاد قراضه داخلی را وارد می کنیم.

برای حل این مشکل، مروئه از سوختی که آمریکا به وفور دارد استفاده کرد: گاز طبیعی. سیستم هرتا از گاز طبیعی (این فرآیند با هیدروژن نیز کار می کند) برای کاهش سنگ آهن استفاده می کند در حالی که از برق برای ذوب آن در یک مرحله استفاده می کند. او می‌گوید نزدیک‌ترین فناوری رقیب به سنگ‌آهن با عیار بالا، کمیاب و گران‌قیمت گندله‌ای و کوره‌های متعدد برای تولید فولاد مایع نیاز دارد. فرآیند Meroueh از سنگ آهن با هر فرمت یا درجه ای استفاده می کند و فولاد مایع تصفیه شده را در یک کوره تولید می کند و هزینه و انتشار گازهای گلخانه ای را کاهش می دهد.

مروئه توضیح می‌دهد: «بسیاری از واکنش‌ها که قبلاً به‌طور متوالی با وجود یک فرآیند فولادسازی معمولی انجام می‌شدند، اکنون به طور همزمان در یک کوره اتفاق می‌افتند». ما در حال ذوب، کاهش و کربوره کردن فولاد به مقدار دقیق مورد نیاز خود هستیم. چیزی که از کوره ما خارج می‌شود یک فولاد مذاب تصفیه شده است. ما می‌توانیم هر عیار و قالبی از سنگ آهن را پردازش کنیم، زیرا همه چیز در فاز مذاب اتفاق می‌افتد. فرقی نمی‌کند که سنگ معدن به صورت گلوله وارد شده باشد یا کلوخه و ریز از سنگ خارج شود.»

مروئه می‌گوید بزرگترین نوآوری این شرکت انجام احیای گازی زمانی است که اکسید آهن یک مایع مذاب با استفاده از فناوری‌های گاز اختصاصی است.

مروئه می‌گوید: «همه فن‌آوری‌های متعارف فولادسازی در حالی که سنگ آهن در حالت جامد است، احیا را انجام می‌دهند و از گاز – چه کک احتراق یا گاز طبیعی – برای انجام این کاهش استفاده می‌کنند.» ما شاهد ناکارآمدی در انجام این کار بودیم و اینکه چگونه عیار و شکل سنگ آهن قابل استفاده را محدود کرد، زیرا در پایان روز باید سنگ معدن را به هر حال ذوب کنید.

سیستم هرتا ماژولار است و از تجهیزات استاندارد انتقال گاز، توربین های بخار و مبدل های حرارتی استفاده می کند. همچنین گاز طبیعی را بازیافت می کند تا الکتریسیته را از گازهای داغ خروجی از کوره تولید کند.

مروئه می‌گوید: «کارخانه فولاد ما نیروگاه کوچک خود را دارد که منجر به بازیابی 35 درصدی انرژی می‌شود و تقاضای برق شبکه را در عصری که در آن با مراکز داده رقابت می‌کنیم، به حداقل می‌رساند.

بر روی مواد حیاتی

کارخانه های فولاد امروزی نتیجه سرمایه گذاری های هنگفت هستند و برای حداقل 50 سال کار طراحی شده اند. هرتا متالز جایگزینی کامل آن ها را تصور نمی کند – حداقل نه به این زودی.

مروئه می گوید: «شما قرار نیست فقط یک کارخانه فولاد را در میانه عمرش ببندید. مطمئناً، شما می‌توانید کارخانه‌های فولادی جدید بسازید، اما ما واقعاً می‌خواهیم بتوانیم کوره بلند و کوره اکسیژن اولیه را جابه‌جا کنیم و در عین حال از تمام تجهیزات پایین دست کارخانه استفاده کنیم.»

کارخانه هوستون این شرکت تنها دو سال پس از تأسیس هرتا و کمتر از یک سال پس از افتتاح دفتر مرکزی هرتا توسط مرویه، شروع به تولید روزانه یک تن فولاد کرد. او آن را اولین قدم مهم می نامد.

مروئه می‌گوید: «این بزرگترین نمایش در مقیاس یک شرکت فولادسازی تک مرحله‌ای است. “این یک پیشرفت واقعی از نظر مقیاس پذیری، سرعت پیشرفت و کارایی سرمایه است.”

کارخانه بعدی این شرکت که قادر به تولید 10000 تن فولاد در سال خواهد بود، همچنین آهن با خلوص بالا برای آهنرباهای دائمی تولید خواهد کرد که در موتورهای الکتریکی، رباتیک، لوازم الکترونیکی مصرفی، هوافضا و سخت افزار نظامی استفاده می شود.

مروئه می‌گوید: «این دیوانه‌کننده است که ما آهن‌رباهای خاکی کمیاب را در داخل کشور نمی‌سازیم. “این دیوانه کننده است که هیچ کشوری آهنرباهای خاکی کمیاب خود را نمی سازد. بیشتر آهنرباهای خاکی کمیاب آهنرباهای دائمی هستند، بنابراین آهنرباهای نئودیمیومی. جالب اینجاست که از نظر وزن، 70 درصد از این آهنربا یک زمین کمیاب نیست، بلکه از آهن با خلوص بالا است. آمریکا در حال حاضر هیچ آهن ربا با خلوص بالا تولید نمی کند، اما هرتای ما قبلاً آن را ساخته است.”

هرتا قصد دارد به سرعت تولید آهن با خلوص بالا را افزایش دهد به طوری که تا سال 2030 بتواند حدود یک چهارم کل تقاضای پیش بینی شده برای آهن ربا در ایالات متحده را برآورده کند.

پس از آن، این شرکت قصد دارد یک کارخانه فولاد تجاری در مقیاس کامل را با مشارکت یک تولید کننده فولاد در آمریکا راه اندازی کند. مرویه می گوید این کارخانه که می تواند سالانه حدود نیم میلیون تن فولاد تولید کند، باید تا سال 2030 به بهره برداری برسد.

مروئه می‌گوید: «ما مشتاق همکاری با تولیدکنندگان فولاد امروزی هستیم تا بتوانیم به طور جمعی از زیرساخت‌های موجود در کنار نوآوری هرتا استفاده کنیم. “این شامل 1.5 میلیارد دلار سرمایه پایین دستی یک کارخانه ذوب است که فرآیند هرتا می تواند در آن ادغام شود. کارخانه مذاب بخش سنگ معدن به فولاد مایع کارخانه فولاد است. این تازه شروع است. این مقیاس کوچکتر از یک کارخانه معمولی است که در آن ما هنوز از نظر اقتصادی یک بار با فرآیندهای تولید سنتی خود رقابت می کنیم و در هر سال یک بار با فرآیندهای تولید سنتی خود رقابت می کنیم. سپس ما به تعادل می رسیم. ورق.»