راهنمای جامع انواع کک: از متالورژی تا نفتی (تحلیل تخصصی، کاربردها و بازار ایران)

مقدمه: کربن، پادشاه خاموش صنایع

در قلب تپنده صنایع سنگین جهان، ماده‌ای سیاه، متخلخل و حیاتی وجود دارد که بدون آن، چرخ‌های صنعت فولادسازی و تولید آلومینیوم از حرکت می‌ایستند. «کک» (Coke) تنها یک سوخت نیست؛ بلکه یک عامل شیمیایی احیاکننده (Reductant) و یک تکیه‌گاه مکانیکی در راکتورهای عظیم صنعتی است. شناخت انواع کک برای هر مهندس یا بازرگانی که در زنجیره تأمین فولاد فعالیت می‌کند، از نان شب واجب‌تر است.

کک، محصول نهایی یک فرآیند حرارتی پیچیده است که در آن، مواد اولیه غنی از هیدروکربن (زغال‌سنگ یا بقایای نفتی) تحت شرایط کنترل‌شده حرارت داده می‌شوند تا مواد فرار (مانند متان، هیدروژن و قطران) خارج شده و ساختاری تقریباً خالص از کربن باقی بماند. این ساختار کربنی پایدار، مقاومت حرارتی و مکانیکی لازم برای عملیات‌های متالورژیکی در دماهای بالای ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد را فراهم می‌کند.

در این مقاله جامع و تخصصی، ما فراتر از تعاریف عمومی حرکت خواهیم کرد. ما به بررسی میکروسکوپی ساختار کربن در انواع مختلف کک می‌پردازیم، تفاوت‌های ظریف بین کک متالورژی (که در کوره‌های بلند استفاده می‌شود) و کک نفتی (محصول پالایشگاه‌ها) را تشریح می‌کنیم و مهم‌تر از همه، بازار پرنوسان ایران را با توجه به نیازهای استراتژیک فولاد و آلومینیوم زیر ذره‌بین می‌بریم. هدف، ارائه یک راهنمای مرجع برای تصمیم‌گیری‌های فنی و تجاری است.

فصل اول: کک چیست؟ (فراسوی سوختن و احیاء)

تعریف هسته‌ای کک به عنوان یک ماده کربنی جامد، با حذف ترکیبات فرار از ماده اولیه از طریق حرارت دهی در غیاب اکسیژن شناخته می‌شود. این فرآیند کلیدی، “کک‌سازی” یا “پیرولیز حرارتی” است.

۱.۱. فرآیند کک‌سازی (Coking Process)

کک‌سازی یک واکنش گرماگیر است که در دمای بسیار بالا (معمولاً بین ۹۰۰ تا ۱۲۵۰ درجه سانتی‌گراد برای کک متالورژی و تا ۱۳۵۰ درجه برای کک نفتی کلسینه) انجام می‌شود.

۱.۱.۱. کک‌سازی زغال‌سنگ (برای متالورژی)

زغال کک‌شو (Coking Coal) که دارای نسبت مناسبی از مواد فرار است، در کوره‌های بزرگ آجری (Coke Ovens) که به صورت متوالی حرارت می‌بینند، پخته می‌شود.

1. گرمایش اولیه: زغال در دمای حدود ۴۰۰ درجه، نرم شده و مواد اولیه پلیمریزه می‌شوند.

2. فاز نرم شدن (Plastic Range): بین ۴۰۰ تا ۶۰۰ درجه، زغال به حالت نیمه‌مایع (پلاستیک) می‌رود. در این مرحله است که ساختار نهایی کک تعیین می‌شود.

3. آزادسازی گاز و تثبیت: بالای ۷۰۰ درجه، مواد فرار (شامل هیدروکربن‌های سبک، متان و هیدروژن) خارج شده و کربن به ساختار بلوری ثابت خود نزدیک می‌شود.

4. تخلیه: کک پخته شده در دمای حدود ۱۱۰۰ درجه از کوره خارج و بلافاصله توسط آب سرد می‌شود تا از سوختن مجدد آن جلوگیری شود (Quenching).

فرمول کلی واکنش شیمیایی خالص‌سازی کربن به شکل ساده به صورت زیر است:

Coal —(Heat, no O2)→ Coke + Volatile matters (CH4, H2, CO, Tar)

۱.۱.۲. کک‌سازی نفتی (برای پت‌کک)

در پالایشگاه‌ها، این فرآیند در واحدهای “Delayed Coking” انجام می‌شود. مواد سنگین باقی‌مانده پس از تقطیر اتمسفری و خلاء (مانند وکیوم باقی‌مانده یا Heavy Residue) وارد این واحدها می‌شوند. این فرآیند می‌تواند تا دمای حدود ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد پیش برود، اما محصول خروجی اولیه (کک سبز) هنوز حاوی ناخالصی‌های زیادی است.

۱.۲. معیارهای کیفی کلی برای کاربرد کک

کیفیت کک صرفاً به درصد کربن ثابت بستگی ندارد؛ بلکه ساختار فیزیکی و شیمیایی آن برای عملکرد صحیح در محیط شدید کوره حیاتی است.

1. کربن ثابت (Fixed Carbon – FC): درصد کربنی که در دمای مشخصی باقی می‌ماند (معمولاً بالای ۹۰٪ برای متالورژی).

2. ماده فرار (Volatile Matter – VM): باید حداقل مقدار ممکن باشد، زیرا انرژی خود را هدر داده و باعث افزایش مصرف انرژی می‌شود.

3. خاکستر (Ash Content): مواد معدنی غیر قابل احتراق (سیلیس، آلومینا، اکسید آهن). خاکستر بالا باعث تولید سرباره بیشتر، کاهش بازدهی و افزایش مصرف آهک می‌شود.

4. گوگرد (Sulfur): در متالورژی، گوگرد باید کم باشد (زیر ۱٪)، زیرا به چدن منتقل شده و کیفیت فولاد را کاهش می‌دهد. در پت‌کک، این پارامتر بسیار متغیر است.

فصل دوم: کک متالورژی (Metallurgical Coke)؛ ستون فقرات کوره بلند

کک متالورژی (که گاهی به آن کک فولادی نیز گفته می‌شود) محصولی مهندسی‌شده است که باید بتواند شرایط سخت عملیاتی کوره بلند (Blast Furnace) را تحمل کند. بیش از ۸۰ درصد تولید کک جهان صرف این کاربرد می‌شود.

۲.۱. نقش‌های حیاتی در کوره بلند

عملکرد صحیح کوره بلند مستقیماً به کیفیت کک بستگی دارد. کک در این محیط سه وظیفه اساسی را بر عهده دارد:

1. تأمین حرارت: کک در بستر کوره (Bosh) با اکسیژن دمیده‌شده می‌سوزد و دمای مورد نیاز برای ذوب سنگ آهن (بیش از ۱۵۰۰ درجه سانتی‌گراد در کف کوره) را فراهم می‌کند.

   فرمول واکنش به صورت ساده:

   C + O2 → CO2 + Heat

2. عامل احیاکننده: گاز حاصل از احتراق، مونوکسید کربن (CO)، عامل اصلی کاهنده اکسیدهای آهن به آهن فلزی است.

   فرمول واکنش به صورت ساده:

   Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2

3. پشتیبانی مکانیکی (Permeability): کک باید ساختاری متخلخل و مقاوم داشته باشد تا ستون بار سنگین سنگ آهن، چدن و سرباره را تحمل کند و اجازه دهد گازهای داغ به طور یکنواخت در تمام سطح کوره بالا بروند. اگر کک خرد شود، مسیر گاز مسدود شده و کوره “خفه” می‌شود.

۲.۲. پارامترهای کیفی کلیدی کک متالورژی

برای ارزیابی مرغوبیت کک متالورژی، دو آزمایش استاندارد بین‌المللی استفاده می‌شود که ارتباط مستقیمی با عملکرد آن در کوره دارند:

۲.۲.۱. شاخص استحکام پس از واکنش (CSR – Coke Strength after Reaction)

CSR نشان می‌دهد که کک پس از واکنش شیمیایی با مواد احیاکننده و دی‌اکسید کربن در دمای بالا، چقدر استحکام فیزیکی خود را حفظ می‌کند. این آزمایش، میزان پایداری ساختار کربنی را در برابر نیروهای شیمیایی و حرارتی می‌سنجد.

• اهمیت: کوره‌های مدرن نیاز به CSR بالای ۶۵٪ دارند. CSR پایین (مثلاً زیر ۵۵٪) منجر به تولید بیش از حد کک کوچک (Fines) در کوره می‌شود که به دلیل نفوذپذیری پایین، عملکرد کوره را به شدت مختل می‌کند.

۲.۲.۲. شاخص واکنش‌پذیری کک (CRI – Coke Reactivity Index)

CRI نشان دهنده تمایل کک به واکنش با $CO_2$ (یا گاز احیاکننده) در دمای بالا است. این پارامتر مستقیماً بر مصرف کک تأثیر می‌گذارد.

• رابطه: CRI بالا به معنای آن است که کک زودتر واکنش می‌دهد و زودتر مصرف می‌شود. این امر نیاز به مصرف کک بیشتر در واحد تولید آهن را به دنبال دارد.

• رابطه متقابل: به طور کلی، ککی که CSR بالایی دارد (مقاوم‌تر است)، معمولاً CRI پایین‌تری دارد (واکنش‌پذیری کمتری دارد)؛ یعنی یک کک ایده‌آل دارای CSR بالا و CRI پایین است.

۲.۳. کک اسفنجی (Sponge Coke) در متالورژی

هرچند اصطلاح کک اسفنجی بیشتر با کک نفتی مرتبط است، اما کک متالورژی نیز دارای تخلخل اسفنجی است. در زمینه متالورژی، ساختار مورد نظر، ساختاری است که منافذ به هم پیوسته (Open Pore Structure) داشته باشد تا جریان گاز تسهیل گردد، اما در عین حال دیواره‌های سلولی آن باید سخت و مقاوم باشند.

فصل سوم: کک نفتی (Petroleum Coke)؛ محصول فرعی پالایشگاهی

کک نفتی (Pet Coke) محصول نهایی فرآیند کک‌سازی پالایشگاهی است و پایه آن نفت خام سنگین است، نه زغال‌سنگ. این ماده از لحاظ شیمیایی غنی‌تر از کربن خالص است اما حاوی ناخالصی‌های گوگرد، وانادیم و نیکل است که از نفت اولیه به آن منتقل شده‌اند.

۳.۱. دسته‌بندی پت کک بر اساس فرآوری و گوگرد

پت‌کک بسته به سطح فرآوری و درصد گوگرد، به دو دسته اصلی تقسیم می‌شود:

۳.۱.۱. کک سبز (Green Coke)

کک سبز (Green Coke) محصول خام خروجی از واحد ککرینگ است.

• مشخصات: حاوی رطوبت (۵ تا ۲۰ درصد) و مواد فرار (VM) بالایی است. گوگرد موجود در آن به صورت ترکیبات آلی محلول در نفت باقی مانده است.

• استفاده: به دلیل داشتن VM بالا، در صنایع سیمان به عنوان سوخت جایگزین و یا در نیروگاه‌ها به عنوان سوخت کمکی استفاده می‌شود.

۳.۱.۲. کک نفتی کلسینه (CPC – Calcined Pet Coke)

کک نفتی کلسینه (CPC) محصولی با ارزش افزوده بالاتر است که از کک سبز طی فرآیند کلسیناسیون به دست می‌آید.

• فرآیند کلسیناسیون: کک سبز در کوره‌های دوار (Rotary Kiln) در دمای ۱۲۰۰ تا ۱۳۵۰ درجه سانتی‌گراد حرارت می‌بیند. این دما بالاتر از دمای کک‌سازی متالورژی است.

• تغییرات: در این فرآیند، تقریباً تمام رطوبت و مواد فرار خارج می‌شوند (VM زیر ۰.۵٪). همچنین، ساختار میکروسکوپی از حالت آمورف خارج شده و به ساختار کریستالی نزدیک‌تر می‌شود.

• کاربرد حیاتی: CPC استاندارد (با گوگرد پایین) ماده اولیه اصلی برای ساخت آندهای کربنی مورد نیاز در صنعت تولید آلومینیوم است.

۳.۲. دسته‌بندی پت‌کک بر اساس گوگرد (درصد وزنی)

در بازار جهانی، پت‌کک بر اساس درصد گوگرد طبقه‌بندی می‌شود که مستقیماً بر کاربرد آن تأثیر می‌گذارد:

1. کک کم‌گوگرد (Low Sulphur Pet Coke): گوگرد کمتر از ۰.۵٪. این نوع برای تولید CPC و آند آلومینیوم ایده‌آل است.

2. کک متوسط‌گوگرد (Mid Sulphur Pet Coke): ۰.۵٪ تا ۳٪ گوگرد. قابل استفاده در برخی کوره‌های سیمان یا به عنوان بخشی از شارژ کک در کوره‌های فولادی (با ریسک بالا).

3. کک پرگوگرد (High Sulphur Pet Coke): بالای ۳٪ گوگرد (حتی تا ۷٪). عمدتاً به عنوان سوخت در نیروگاه‌ها استفاده می‌شود و در متالورژی کاربرد مستقیمی ندارد مگر آنکه گوگردزدایی انجام شود.

فصل چهارم: مورفولوژی و انواع ساختاری کک (فراتر از کک متالورژی)

ساختار میکروسکوپی کک، تعیین‌کننده نهایی خواص مکانیکی و الکتریکی آن است. در این بخش، بر ساختارهای خاص پت‌کک که کاربردهای استراتژیک دارند، تمرکز می‌کنیم.

۴.۱. کک اسفنجی (Sponge Coke)

همانطور که پیشتر اشاره شد، کک اسفنجی یک ساختار متخلخل است که از فرآیند کک‌سازی نفتی در دماهای متوسط به دست می‌آید.

• ویژگی: دارای منافذ باز و شبکه‌ای است. این ساختار به آن اجازه می‌دهد تا چگالی نسبی مناسبی داشته باشد (معمولاً بین ۰.۷ تا ۰.۹ گرم بر سانتی‌متر مکعب).

• کاربرد: ماده اولیه ایده‌آل برای آندهای آلومینیوم است، زیرا مقاومت الکتریکی مناسبی را فراهم می‌کند و در فرآیند الکترولیز آلومینا مصرف می‌شود.

۴.۲. کک ساچمه‌ای (Shot Coke)

این نوع کک زمانی تشکیل می‌شود که نفت اولیه حاوی مقادیر بالایی از ترکیبات آسفالتینی با وزن مولکولی بسیار بالا باشد که در دماهای پایین‌تر کک‌سازی ذوب می‌شوند.

• ویژگی: به شکل دانه‌های سفت و کروی کوچک (شبیه ساچمه) دیده می‌شود. این ساختار معمولاً همسانگرد (Isotropic) است و استحکام حجمی بسیار بالایی دارد اما تخلخل کمی دارد.

• محدودیت: به دلیل داشتن تخلخل کم و مقاومت حرارتی بالا، برای تولید الکترود مناسب نیست و معمولاً ارزش کمتری داشته و عمدتاً در بخش سوختی استفاده می‌شود.

۴.۳. کک سوزنی (Needle Coke)؛ جواهر کربنی

کک سوزنی (Needle Coke) بالاترین درجه کک از نظر ساختاری و ارزش اقتصادی است. این ماده برای تولید الکترودهای گرافیتی در کوره‌های ذوب فولاد (EAF) ضروری است.

۴.۳.۱. تشکیل و ساختار بلوری

کک سوزنی محصول کک‌سازی نفتی یا قطران زغال‌سنگ است که تحت فرآیند دقیق کنترل شده حرارتی شکل می‌گیرد تا فاز میانی (Mesophase) تشکیل شود.

• ویژگی ساختاری: کریستال‌های گرافیت در این کک در یک راستا (Anisotropic) و به شکل سوزن‌های بلند و موازی سازماندهی شده‌اند.

• خواص عملکردی:

  1. تراکم بالا: چگالی ظاهری بسیار بالا (حدود ۱.۰۵ تا ۱.۱۵ گرم بر سانتی‌متر مکعب).

  2. هدایت الکتریکی و حرارتی عالی: به دلیل نظم کریستالی.

  3. ضریب انبساط حرارتی (CTE) بسیار پایین: این ویژگی حیاتی است؛ زیرا الکترودهای بزرگ در کوره‌های قوس الکتریکی دچار شوک‌های حرارتی شدید می‌شوند. CTE پایین مانع از ترک خوردن و شکستن الکترودها می‌گردد.

۴.۳.۲. کاربرد استراتژیک در ایران

تولید کک سوزنی نیازمند دانش فنی بسیار پیشرفته و مواد اولیه بسیار خاص است. ایران در حال حاضر واردکننده اصلی کک سوزنی و الکترودهای گرافیتی است. نیاز صنایع فولاد کشور به روش EAF، اهمیت استراتژیک تأمین پایدار این ماده را دوچندان می‌کند.

فصل پنجم: مقایسه فنی و تفاوت کک نفتی و متالورژی

درک تفاوت‌های بنیادین این دو محصول، کلید موفقیت در بازرگانی و انتخاب مواد اولیه در صنایع مرتبط است. جدول زیر خلاصه‌ای از مهم‌ترین تفاوت‌ها را ارائه می‌دهد:

۵.۱. چرا کک نفتی برای کوره بلند مناسب نیست؟

علی‌رغم داشتن کربن ثابت بالاتر و خاکستر پایین‌تر، پت‌کک به دلیل دو عامل اصلی برای کوره بلند مناسب نیست:

1. گوگرد بالا: پت‌کک پرگوگرد، گوگرد را به چدن منتقل کرده و سختی و تردی فولاد را افزایش می‌دهد.

2. عدم وجود قابلیت احیای بهینه: ساختار پت‌کک (به خصوص در حالت کلسینه) برای نفوذپذیری و واکنش آهسته مورد نیاز در کوره بلند طراحی نشده است؛ کک متالورژی از طریق پخت، ساختاری توازن‌یافته بین استحکام و تخلخل برای این منظور دارد.

۵.۲. تفاوت کک نفتی کلسینه (CPC) و کک متالورژی در صنعت آلومینیوم

در صنعت آلومینیوم، کک نفتی کلسینه به عنوان آند مصرف می‌شود. در این فرآیند (Hall-Héroult)، آلومینا از طریق الکترولیز در حمام کرایولیت احیا می‌شود.

واکنش کلی به صورت زیر است:

2Al2O3 + 3C → 4Al + 3CO2

در این واکنش، کربن آند به CO2 تبدیل می‌شود. هرچه ناخالصی‌های CPC کمتر باشد (به‌ویژه خاکستر و گوگرد)، راندمان الکترولیز بالاتر می‌رود و آلومینیوم خالص‌تری تولید می‌شود.

فصل ششم: بازار ایران و زنجیره تأمین

صنعت کک در ایران دو پاره است: تأمین کک متالورژی (داخلی محور) و تأمین پت‌کک و کک سوزنی (واردات محور).

۶.۱. بازار کک متالورژی و عرضه داخلی

ایران دارای ذخایر زغال‌سنگ کک‌شو خوبی است، به ویژه در طبس و زرند.

• تولید داخلی: کارخانه‌های کک‌سازی وابسته به ذوب آهن اصفهان و واحدهای خصوصی (مانند زرند) بخش عمده نیاز کوره بلند را تأمین می‌کنند.

• قیمت کک متالورژی: قیمت کک متالورژی داخلی تابعی از قیمت زغال‌سنگ حرارتی و فشارهای لجستیکی (حمل و نقل ریلی) است. نوسانات در قراردادهای بلندمدت با تولیدکنندگان زغال‌سنگ، مستقیماً بر قیمت نهایی تأثیر می‌گذارد. قیمت جهانی اغلب به عنوان مرجع مقایسه‌ای برای افزایش قیمت‌های داخلی استفاده می‌شود.

۶.۲. وابستگی به واردات پت‌کک و کک سوزنی

به دلیل محدودیت‌های فنی و عدم وجود واحدهای تولید کک سوزنی در مقیاس صنعتی:

1. واردات CPC: با توجه به محدودیت‌های گوگرد در منابع زغال سنگ ایران، خرید کک نفتی کلسینه با گوگرد بسیار پایین (زیر ۰.۵٪) از کشورهایی مانند چین، هند یا آمریکا، برای صنایع آلومینیوم حیاتی است.

2. الکترودهای گرافیتی: تأمین الکترودهای بزرگ برای کوره‌های EAF (که بر پایه کک سوزنی هستند) کاملاً وابسته به واردات است که هزینه‌های ارزی قابل توجهی را تحمیل می‌کند.

۶.۳. فرصت‌های توسعه در حوزه پت‌کک

یکی از بزرگترین فرصت‌ها در پالایشگاه‌های مدرن ایران، توسعه واحدهای کلسیناسیون پیشرفته برای تبدیل کک سبز با کیفیت مناسب به کک نفتی کلسینه (CPC) است تا وابستگی به واردات این محصول کلیدی کاهش یابد. این امر نیازمند سرمایه‌گذاری در کوره‌های کلسیناسیون دوار و تکنولوژی‌های کنترل گوگرد است.

فصل هفتم: راهنمای عملیاتی برای بازرگانان و خریداران

برای هر کسی که قصد خرید کک نفتی یا متالورژی دارد، این چک لیست باید مبنای مذاکره باشد:

۷.۱. استراتژی خرید کک متالورژی

1. تمرکز بر عملکرد: به جای صرفاً قیمت بر اساس تن، بر اساس پارامترهای عملکردی (CSR و CRI) قیمت‌گذاری کنید. کک ارزان با CSR پایین، در نهایت گران‌تر تمام می‌شود (به دلیل مصرف بیشتر و توقف‌های کوره).

2. اندازه دانه بندی (Sizing): اطمینان از درصد پایین ذرات زیر ۲۵ میلی‌متر، برای حفظ نفوذپذیری کوره ضروری است.

۷.۲. الزامات فنی برای خرید کک نفتی (برای آلومینیوم)

1. آنالیز گوگرد (Sulfur Analysis): این مهم‌ترین پارامتر است. اگر گوگرد بالای ۰.۸٪ باشد، ارزش آن برای آلومینیوم به شدت کاهش می‌یابد.

2. آنالیز فلزات (Vanadium, Nickel, Iron): این فلزات در دمای الکترولیز ذوب شده و به آلومینیوم منتقل می‌شوند. درصد آهن باید زیر ۰.۲٪ باشد.

3. چگالی ظاهری (Bulk Density): برای محاسبه ظرفیت انبارداری و محاسبه هزینه حمل و نقل بر مبنای حجم، چگالی ظاهری کک کلسینه شده بسیار مهم است.

۷.۳. آینده بازار و تحولات: به سمت کک اسفنجی با گوگرد کمتر

بازار جهانی به سمت استفاده از کک اسفنجی با گوگرد بسیار پایین‌تر حرکت می‌کند. شرکت‌های پیشرو در صنعت نفت به دنبال فرآوری‌های پیشرفته‌تر (مانند کوکرینگ با حلال یا کک‌سازی پیشرفته) هستند تا بتوانند کک‌هایی تولید کنند که نیاز کمتری به کلسیناسیون پرهزینه داشته و همزمان پارامترهای گوگرد و فلزات سنگین آن‌ها برای تولید آند بهبود یابد.

نتیجه‌گیری

دنیای انواع کک، دنیایی از تضادهاست؛ از کک متالورژی که ستون فقرات کوره بلند است و بر پایه زغال‌سنگ ساخته می‌شود، تا کک سوزنی که فناوری های‌تک الکترودهای گرافیتی را ممکن می‌سازد و از بقایای نفتی با فرآوری خاص حاصل می‌شود. برای صنعتگری که می‌خواهد هزینه‌ها را بهینه کند و راندمان عملیاتی خود را تضمین نماید، درک تفاوت‌های ظریف بین کک سبز، کلسینه و اسفنجی حیاتی است. در ایران، استراتژی موفقیت در آینده متکی بر دو محور است: افزایش کیفیت و خودکفایی در کک متالورژی از طریق بهینه‌سازی معادن زغال‌سنگ، و سرمایه‌گذاری کلان در تکنولوژی کلسیناسیون و تولید کک‌های کم‌گوگرد برای جلوگیری از وابستگی استراتژیک در صنعت آلومینیوم.