صنعت استراتژیک دیرگداز و نقش تحقیق و توسعه در آن

برطبق استانداردهای بین المللی دیرگدازها را عموما براساس ترکیب شیمیایی (دیرگدازهای قلیایی، اسیدی و خنثی) و همچنین شکل هندسی، دیرگدازهای شکل دار (انواع آجرها و بلوک ها) و بدون شکل (جرم ها و ملات ها) تقسیم بندی می کنند.

این مواد علاوه بر مقاومت دربرابر تنش های حرارتی و پدیده های فیزیکی و مکانیکی که در درجه حرارت های بالا ایجاد می شوند، بایستی قابلیت تحمل دربرابر نیروهای مختلف فرسایش و واکنشهای خوردگی شیمیایی را نیز داشته باشند. به عبارتی دیگر این مواد بایستی خواص خودرا تا درجه حرارتهای بالا حفظ نمایند. از این رو این محصولات در بسیاری از صنایع انرژی بر همچون صنعت آهن و فولاد، سیمان، پتروشیمی، شیشه، فلزات غیرآهنی (آلومینیوم، مس، سرب و روی) و... اهمیت حیاتی دارند و همواره در این صنایع تقاضا برای تولید دیرگدازهای باکیفیت، با کارآیی بالا و هزینه های پایین تر وجود داشته است. طول عمر یک محصول دیرگداز بسته به نوع صنعت و همچنین تکنولوژی تولید درآن بستگی دارد که می تواند برای مثال به چند ساعت، روز، هفته در صنعت آهن و فولاد و حتی به حدود 10 سال در دیرگدازهایی که در صنعت شیشه مصرف می شوند، اشاره نمود. اما بدیهی است بعد ازهر سیکل کاری کوره، نیازاست تا دیرگدازهای مصرف شده با انجام تعمیرات جزیی (در صورت نیاز) و یا تخریب کلی وجایگزینی دیرگدازهای جدید مجدداً مشغول به کار شوند. لذا پارامتری موسوم به مقدار ویژه مصرف دیرگداز، بر اساس مقدار یا هزینه دیرگداز برای تولید یک تن محصول (kg/t و Cost/t) جهت ارزیابی عملکرد و کارآیی دیرگداز درصنایع مختلف تعریف می شود. صنعت آهن و فولاد به عنوان بزرگترین مصرف کننده دیرگدازها در دنیا (60 تا 70 درصد) نقش کلیدی و راهبردی در توسعه صنعت استراتژیک دیرگداز ایفاء می نماید (جدول 1) به گونه ای که بررسی های آماری نشان می دهد که محققان دانشگاهی و صنعتی توجه ویژه ای به دیرگدازهای مصرفی در صنعت آهن و فولاد داشته و مقالات و گزارشات علمی وصنعتی درمجلات و کنفرانس ها بیشتر حول و حوش این دیرگداز ها منتشر شده است. در حقیقت، صنعت دیرگداز بر حسب ضرورت و نیاز در پاسخ به پیشرفت های ایجاد شده در صنعت آهن و فولاد توسعه یافته است.

از سوی دیگر می توان به جرأت اذعان داشت که تمام صنایع بطور مستقیم و یا غیرمستقیم به صنعت دیرگداز وابسته اند و بدون دیرگدازها بیشتر پیشرفت های علمی و فناوری در طی صد سال اخیر رخ نمی داد.  صنایع مادر نظیر صنایع آهن و فولاد، سیمان و پتروشیمی به طور مستقیم از محصولات دیرگداز استفاده می نمایند و لذا بدون دیرگدازها تولید در این صنایع غیرممکن است. از سوی دیگر صنایع دیگر نظیر صنایع خودروسازی، کشاورزی، نساجی، راه و ساختمان و ... که ازمحصولات تولیدی صنایع مادر استفاده می کنند نیز به طورغیرمستقیم به دیرگدازها وابسته اند. لذا نگاه ویژه به صنعت دیرگداز درهر کشوری که روند رو به توسعه را طی می کند، بسیار مهم و حیاتی است. در جدول (2) میزان حدودی تولید جهانی دیرگدازها طی سال های گذشته و پیشبینی های صورت گرفته برای سال های آینده آورده شده است. تا سال های 2010 تولید دیرگدازها در دنیا رشد چشمگیری داشته و تا مرز 42 میلیون تن در سال افزایش یافته است که این امر در سایه رشد و افزایش تولید در صنعت فولاد به عنوان بزرگترین مصرف کننده دیرگدازها به ویژه در کشور چین بوده است اما در طی سالهای اخیر با ثبات روند تولید فولاد و همچنین افزایش کیفیت محصولات دیرگداز و کاهش شاخص مصرف ویژه، میزان تولید دیرگدازها کاهش یافته و پیشبینی می شودتا سال های آینده نیز با حفظ شرایط موجود، میزان تولید درهمین مقادیر باقی بماند. در کشور ما نیز در طی 20 سال اخیر بارشد فزاینده تولید فولاد و هدف تدوین شده دستیابی به 55 میلیون تن در سال (در سال 99 میزان تولی حدود 30 میلیون تن بوده است) و همچنین ظرفیتهای موجود و پیشبینی شده تولید درصنایع سیمان، شیشه، آلومینیوم، مس و طرح های جدید در پتروشیمی، شاهد رشد خوبی در صنعت دیرگداز داخل کشوربوده ایم.

البته لازم به ذکر است بیش آنکه افزایش سهم دیرگدازهای تولید داخل در تأمین نیازهای صنایع مصرف کننده را به افزایش ظرفیت تولیدی واحدها ارتباط داده شود، بایستی این امر را در تولید دیرگدازهای جدید و پیشرفته و بهبود سطح کیفی محصولات تولید داخل در طی دو دهه اخیر نسبت داد. دلیل اصلی این امر را میتوان در سایه فعالیت مراکز تحقیق و توسعه شرکت های تولید کننده، ارتباط مناسب صنعت و دانشگاه در زمینه انجام پروژه های تحقیقاتی و وجود نیروهای متخصص دانست. در حال حاضر نیز حداقل 95درصد نیاز کشور با محصولات داخلی با کیفیت بالا و در حد استانداردهای جهانی تأمین شده و حداکثر 5 درصد باقیمانده از خارج تأمین می گردد که علت این امر نیز مربوط به دیرگدازهایی است که با توجه به حجم مصرف پایین، از لحاظ اقتصادی تولید آن ها درداخل مقرون به صرفه نیست. 

اهمیت تحقیق و توسعه درصنعت دیرگداز 

با توجه به حساسیت کاربرد دیرگدازها در کوره های دما بالا و لزوم دستیابی به بهترین عملکرد از لحاظ فنی و اقتصادی همواره مهندسان دیرگداز را بر آن داشته است تا با نگاهی ویژه بهبود خواص کاربردی دیرگدازها رادردستورکارخود قراردهند. دراین راستا نیروی محرکه در بهره وری بالاتر از طریق افزایش طول عمر دیرگدازها در دماهای بالا میسر است که این امر نیز به نوبه خود مستلزم بهبود خواص حرارتی، مکانیکی و پایداری شیمیایی این محصولات است. لذا این امر باعث می شود که تحقیقات کاربردی درزمینه دیرگدازها از یک سو مستلزم انجام پژوهش های کاربردی و توسعه ای  منسجم به کمک مهندسان دیرگداز و از سوی دیگر همکاری و مشارکت نزدیک صنعت (تولیدکننده و مصرف کننده) و دانشگاه است.  

این ارتباط  عموما بایستی درمحورهایی تعریف شود تا بتوان با تکیه بر فناوری های جدید در راستای بهبود کیفیت و تولید محصولات پیشرفته و همچنین کنترل فرآیندها و خدمات جدید، نیاز مصرف کنندگان دیرگداز را برطرف نمود. با توجه به تنوع بسیار زیاد اغلب مواد اولیه مورد استفاده در صنعت دیرگداز از یک سو، تنوع محصولات تولیدی از نقطه نظر ترکیب شیمیایی و شکل فیزیکی از سوی دیگر و همچنین تنوع صنایع مصرف کننده (انواع فرآیندها و کوره های صنعتی)، نیاز به تحقیق و توسعه خلاقانه و نوآورانه است تا بتوان پاسخ مناسبی به نیازهای فنی و اقتصادی مصرف کنندگان داد.

در یک دید کلی برای آن که این فرآیند تحقیق و توسعه منجر به بازدهی مناسب از نقطه نظر کارآیی و هزینه های اقتصادی گردد، نیازهای پژوهشی صنعت دیرگداز، تحقیقات کاربردی و نیروی انسانی متخصص باید به گونه ای با یکدیگر همسو شوند، تا بهترین نتیجه ممکن حاصل گردد.

در این راه نقش مدیریت و سیاست گذاری ها از سوی صنایع تولید کننده و مصرف کننده دیرگدازها و همچنین دانشگاه ها و مراکز تحقیقاتی به منظور تدوین استراتژیهای مثمر ثمر و ایجاد بستر تحقیقاتی مناسب بسیار حائز اهمیت است. نگاهی به اقدامات انجام شده در طی دهه های اخیر در دنیا نشان داده است که  عموما فعالیت های تحقیق و پژوهش بر زنجیره وسیعی از تولید و آماده سازی مواد اولیه، تکنولوژی تولید، استفاده و نصب دیرگدازها، پیشرفت درتکنیک های آزمایش و تعیین خواص شیمیایی و فیزیکی، استانداردسازی، تولید دیرگدازهای جدید و همچنین طراحی سیستم های بازیافت و مدیریت ضایعات دیرگدازهای مصرفی، متمرکز گردیده است.

برای مثال از سال های 1990 نگاهی جدید در صنعت آهن و فولاد در راستای تولید فولادهای با خلوص بالا و با کیفیت ایجاد شد و فولادسازان را بر آن داشت تا روش ها و تکنیکهای جدیدی را برای تولید این فولادها مد نظر قراردهند.  توسعه این روش ها با افزایش دما در کوره های فولادسازی، افزایش نیروهای به هم زننده مذاب بواسطه سیستم های دمش گاز مورد استفاده جهت تصفیه فولاد و ایجاد شرایط سخت تر کاری برای دیرگدازها بود. لذا این شرایط سخت موجب افزایش سطح تنش های حرارتی، مکانیکی و شیمیایی حاکم بر دیرگدازهای مصرفی درانواع کوره های فولادسازی شده است.

از این رو چالش های جدیدی را برای مهندسان و محققان دیرگداز ایجاد نموده و تلاش گردید تا با انجام تحقیقات کاربردی خواص دیرگدازها را بهبود داده تا بتوانند جوابگوی نیازهای فنی فولادسازان باشند. این امر منجر به توسعه خانواده جدیدی موسوم به دیرگدازهای اکسید-کربن گردید که در حال حاضر به عنوان مهم ترین دیرگداز مصرفی در فولادسازی مطرح است.

مثال دیگر، با توسعه تکنولوژی تولید فولادهای خاص با استفاده ازکوره های القایی و افزایش سایز این کوره ها تا بالاتر از 50 تن، باعث شد تا شرایط کاری برای استفاده از جرم های کوبیدنی سیلیسی بسیار سخت شده و شاخص عملکرد بشدت افت نماید. صنعت دیرگداز در پاسخ به این نیاز جرم های هوشمند سیستم آلومینا - منیزیا را پیشنهاد نمود که امروزه به عنوان دیرگدازی مناسب در تولید فولاد بر اساس تکنولوژی کوره های القایی در دنیا مطرح است. به طور مشابه در طی سال های اخیر، تولید مواد اولیه جدید دیرگداز (مواد سبک و سنتزی)، توسعه دیرگدازهای هوشمند (Refractories Smart)، تولید دیرگدازهای سبز(refractories Green) و استفاده از علوم جدید نظیر نانو تکنولوژی جدیدترین مواردی است که طی سال های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است. نتایج حاصل نشان داده است که در سایه این تحقیقات و بهبود خواص دیرگدازها، کارآیی و عملکرد آن ها افزایش یافته و هزینه های مربوط به آن کاهش یافته است.  

بگونه ای که شاخص عملکرد بر هزینه (Cost/Performance) روند رو به رشدی را نشان می دهد. از سوی دیگر تحقیق وتوسعه در زمینه بازیافت دیرگدازهای مصرف شده با دو هدف حفظ محیط زیست وجلوگیری ازنقش تخریبی باطله های دیرگداز و کاهش هزینه ها از جمله مواردی بوده است که بسیار مورد توجه متخصصان دیرگداز قرار گرفته است. از جمله این موارد می توان به استفاده از محصولات بدون کروم به جای دیرگدازهای منیزیا – کرومیت مورد استفاده درکوره های دوار صنعت سیمان به دلیل تولید 6+cr  سرطان زا در طول کار کوره اشاره کرد. علاوه بر موارد فوق می توان به استفاده از سیستم های شبیه سازی کامپیوتری در راستای بررسی پروفیل تنش های حرارتی-مکانیکی اعمال شده بر آستر دیرگدازها در کوره های مختلف و بهینه سازی وضعیت نصب دیرگدازها در کوره به منظور تحمل تنش های ترمومکانیکی نیز اشاره نمود. 

چالش های تحقیق وتوسعه دیرگدازها در ایران 

به طور کلی افزایش بهره وری در بخش های صنعتی و اقتصادی هر کشوری درگرو تحقیق و پژوهش است که یکی از مهم ترین عوامل توسعه صنعتی بوده و ضامن پیشرفت و توسعه پایدار به حساب می آید. به گونه ای که در اهداف توسعه پایدار از دولت ها خواسته شده است تا صنعتی شدن و نوآوری پایدار را با افزایش بودجه های لازم در تحقیق و توسعه و افزایش تعداد محققین، ترویج نمایند.

حجم بسیار بالای پژوهش های علمی هدفمند و نوآورانه در کشورهای توسعه یافته صنعتی گویای این واقعیت است که هر نوع پیشرفت و توسعه ارتباط مستقیمی با تحقیقات علمی دارد. صنعت دیرگداز نیز به عنوان صنعتی تحقیقات محور و بواسطه اهمیت امر تحقیق و توسعه دربهبود کیفیت محصولات تولیدی بواسطه نقش بسیار مؤثر آن ها در صنایع مادر از این قاعده مستثنا نبوده و این امر با توجه به لزوم حفظ کیفیت محصولات دیرگداز و ارتقای خواص آن ها اهمیت مضاعفی پیدا مینماید.  علیرغم وضعیت نه چندان مناسب و جایگاه نامطلوب ایران درمقایسه با دیگر کشورها در نسبت هزینه های تحقیق و توسعه بر تولید ناخالص ملی (GPD) (بر اساس آمار منتشره از سوی مؤسسه آمار یونسکو ( UIS ، 0.45) صنعت دیرگداز را می توان یکی استثناها دانست. در طی 20 سال اخیر، به حق می توان اذعان داشت که توسعه کیفی بسیار خوبی در صنعت دیرگداز کشور صورت گرفته است و تولیدکنندگان داخلی توانسته اند از لحاظ کیفی محصولات خود را با خواص مطلوب و مورد نیاز مصرف کنندگان تولید و رقیب کیفی قدرتمندی در رقابت با شرکت های خارجی باشند.  این امر میسر نشده است مگر با توجه خاصی که طی این سال ها با مدیریت و سیاست گذاری مناسب در امر تحقیق و توسعه و سرمایه گذاری در این بخش از صنعت دیرگدازانجام شده است.

تربیت نیروهای متخصص در صنعت و دانشگاه و ارتباط بسیار خوب میان تولیدکننده، مصرف کننده و محقق دانشگاهی و صنعتی باعث شده است تا این امر با شتاب یالایی تداوم یابد. این در حالی است که بارفع مشکلات امکان صادرات برای شرکت های تولیدکننده به علت کیفیت بالای محصولات تولیدی در مقایسه با رقبای جهانی در مقادیر بالاتر از وضعیت کنونی نیز وجود دارد. البته طبیعی است مشکلات زیادی نیز وجود دارد که باعث ایجاد چالشهای زیادی درصنعت دیرگداز گردیده است.

الف) چالش مواد اولیه 

حداقل 70 درصد قیمت تمام شده یک محصول دیرگداز مربوط به قیمت مواداولیه مصرفی است و از آنجایی که غالب مواد اولیه با کیفیت و خلوص بالا مورد استفاده در این صنعت وارداتی است، لذا هزینه تمام شده آن با توجه به وضعیت اقتصادی حال حاضر بالاست. برای مثال می توان به عدم وجود ذخایر طبیعی نظیر گرافیت به عنوان یکی از اجزاء اصلی دیرگدازهای پیشرفته اکسید-کربن مورد استفاده در صنعت فولاد اشاره نمود. علاوه بر این معادن بسیار مهم مواد اولیه با حجم بالای مصرف در صنعت دیرگداز نظیر منیزیت و بوکسیت به دلایل مختلفی همچون خلوص پایین، وجود ناخالصی های با تأثیر منفی بر خواص دیرگدازی و یا عدم اکتشاف معادن جدید، در وضعیت بسیار مناسب که جوابگوی نیاز داخل باشد را ندارد.  از سوی دیگر در بسیاری از ذخایر معدنی دیگر نظیر دولومیت کهدارای وضعیت مناسبی از لحاظ کمی و کیفی می باشد، به علت مشکلات تکنولوژیکی و فقر دانش فنی (قابلیت هیدراتاسیون دولومیت و عدم تولید انواع دولومای زینتری و ذوبی) هنوز به جایگاه واقعی خود جهت مصرف در تولید دیرگدازهای مورد استفاده در صنایع فولاد و سیمان نرسیده است. نکته جالب آنجاست که علیرغم آنکه در طی سال های اخیر از سوی متخصصان و صاحب نظران صنعت دیرگداز استراتژی های لازم در این خصوص تدوین شده است، متأسفانه هنوز اتفاق خاصی دربهره برداری مناسب از این نعمت الهی در کشور صورت نگرفته است. البته اخیراً برخی ازتولید کنندگان داخلی اقدامات خوبی را در این خصوص آغاز نموده اند، ولی هنوز به نتیجه نهایی و تولید محصول نرسیده است. 

علاوه بر موارد فوق در بسیاری از انواع دیگر مواداولیه که در تولید دیرگدازهای پیشرفته کاربرد فراوانی دارند، وابستگی کامل به واردات از چین به عنوان بزرگترین تولید کننده و تأمین کننده مواداولیه دیرگداز در دنیا و کشورهای دیگر وجود دارد. برای مثال میتوان به عدم تولید انواع آلومینا (زینتری و ذوبی) و سیمان های دیرگداز کلسیم آلومینایی خلوص بالا مورد استفاده در انواع جرم های ریختنی و کوبیدنی آلومینایی اشاره کرد که بواسطه مصرف بسیار بالا در صنایع مصرف کننده و حجم تولید زیاد، میزان واردات در این خصوص بسیار بالا است.  

موانع متعددی همچون مشکلات تکنولوژیکی، فقدان مواداولیه داخلی مورد نیازدر ساخت آن ها و دانش فنی تولید از مهمترین عواملی است که باعث شده تاکنون در داخل کشور تولید در مقیاس انبوه انجام نشود. با توجه به هزینه های بسیار بالا، حل این معضل نیازمند حمایت های مالی دولت از بخش تولید و همچنین سرمایه گذاری در دو بخش نرم افزاری (تحقیقات) جهت دستیابی به دانش فنی تولید و سخت افزاری ساخت تجهیزات تولید است تا بتوان شرایط بهتری را برای آینده متصور بود. با توجه به شرح فوق می توان نتیجه گرفت که نگاه ویژه به ماده اولیه دولومیت و انجام تحقیقات لازم در راستای بهبود سطح کیفی آن، دستیابی به دانش فنی و تکنولوژی تولید انواع آلومینا ذوبی و زینتری، بوکسیت، آندالوزیت و درنهایت در طی یک برنامه جامع و مشخص، طرح تولید مواداولیه سنتزی نظیر سیمان های دیرگداز خلوص بالا، اسپینل، مولایت، سیلیکون کارباید و... ازمهمترین محورهای مورد بحث باشد.  

ناگفته نماند که در حال حاضر نیز نگرشی جدید در زمینه استفاده از مواد اولیه متخلخل و سبک در تولید دیرگدازهای مورد استفاده در لایه کاری انواع کوره ها در دنیا مطرح شده است. مزیت عمده این مواداولیه درمقایسه با مواداولیه حال حاضر، استفاده از تکنیک های خاص و مدرن با استفاده از افزودنی های نانو سایز، در ایجاد تخلخل های کروی درمقیاس میکرو و نانو و به صورت هموژن در ساختار آن هاست. این امر باعث تغییر مثبت در خواص حرارتی دیرگداز و افزایش مقاومت به خوردگی شیمیایی درتماس با مواد مذاب در دماهای بالا است. هم اکنون با توجه به حجم کارهای تحقیقاتی در مقیاس آزمایشگاهی و نیمه صنعتی که در دنیا و همچنین درداخل کشور در حال انجام است، در آینده نزدیک و با تجاری شدن این ایده جالب تحولی منحصر به فرد را در صنعت دیرگداز شاهد خواهیم بود.

ب) چالش نیروی انسانی متخصص

در صنایع استراتژیک و تحقیقات محور نقش نیروی انسانی متخصص در فرآیند توسعه و سرعت بخشیدن به روند رو به رشد آن امری اجتناب ناپذیر است. این امر با هدف گذاری و اهمیت دادن به رشته تخصصی مهندسی مواد و بالاخص گرایش سرامیک در دانشگاه ها، بهبود فضای آموزش، تحقیق و پژوهش در واحدهای صنعتی و ارتباط مناسب میان صنعت و دانشگاه، امکانپذیر است.  در دهه های 70 و 80 بواسطه تربیت تعداد زیاد نیروهای متخصص درسایه ارتباط و همکاری بسیار خوب صنعت و دانشگاه و تعریف پروژه های متعدد درمقاطع تحصیلی کارشناسی، ارشد و دکتری در راستای حل مشکلات کیفی و تدوین دانش فنی تولید دیرگدازهای جدید، جهش قابل توجهی رادر این صنعت شاهد بودیم.

به گونه ای که وضعیت کیفی بسیارمناسب حال حاضر صنعت دیرگداز در تولید محصولات در حد استانداردهای جهانی را باید مدیون نگرش والای مدیران صنعتی و تلاش محققان دانشگاهی در این دوره زمانی دانست. در حال حاضر نیز علیرغم گسترش و توسعه صنعت دیرگدازدر کشور و افزایش تقاضا در تولید دیرگدازهای پیشرفته، نیاز است تا با برنامه ریزی های دقیق، نیاز صنایع تولیدکننده و مصرف کننده دیرگداز به نیروهای متخصص برطرف گردد. موضوعی که روز به روز کمرنگ تر شده و درصورت عدم چاره اندیشی می تواند باعث بروزمشکلاتی دراین زمینه گردد.

منبع: ماهنامه پردازش