آهن اسفنجی چیست و چگونه تولید می‌ شود؟

آهن یکی از پرکاربردترین و پرمصرف‌ترین عناصر در جهان است. کمتر سازه‌ یا کارخانه تولیدی در جهان یافت می‌‌شود که در آن از آهن یا مشتقات آن استفاده نشود. محصولات نهایی که از آهن تولید می‌شوند مراحل زیادی را باید طی کنند، زیرا ابتدا باید سنگ آهن به آهن تبدیل شود؛ سپس با ترکیب آلیاژها، انواع مختلفی از آهن با ترکیبات شیمیایی متفاوت و با درجه استحکام و همچنین مقاومت‌های متنوع تولید می‌شود.

به عنوان مثال میلگرد st37 را ‌می‌توان به عنوان یکی از محصولات آلیاژی فولاد نام برد. نوعی محصول از سنگ آهن به نام آهن اسفنجی وجود دارد که جایگزین آهن قراضه بوده و برای تولید محصولات آهنی و فولادی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این مقاله ابتدا تعریفی از آهن اسفنجی خواهیم داشت و بعد در مورد نحوه تولید آهن اسفنجی، مزایا و معایب و همچنین قیمت میلگرد st37 توضیح خواهیم داد.

منظور از آهن اسفنجی چیست؟

زمانی که اکسیژن از سنگ آهن به صورت بی واسطه حذف می‌‌گردد، آهن اسفنجی (که به آن گندله متخلخل هم می‌‌گویند) تولید می‌‌شود. عملیات تولید آهن اسفنجی طی احیای مستقیم آهن یا Direct Reduced Iron بدون اینکه سنگ آهن ذوب شود، انجام می‌پذیرد. محصول آهن اسفنجی که به صورت گلوله‌های کوچک است دارای شکل ظاهری متخلخل بوده و به همین جهت به آن اسفنجی می‌گویند.

آهن اسفنجی بعد از اینکه ذوب شد، طی فرآیند ریخته‌گری به سه محصول شمش، تختال (اسلب) و میلگرد تبدیل می‌‌شود که این سه محصول برای مصارف مختلف به کارخانجات ارسال شده و در آنجا به محصولات پرکاربردتر دیگری تبدیل می‌شوند. گندله دارای عیار بسیار بالایی از آهن است و می‌تواند جایگزین خوبی برای ضایعات آهن باشد. نکته قابل توجه در مورد گندله این است که به آهن اسفنجی اطلاق می‌شود و معادل آن است.

روش های تولید آهن اسفنجی

سنگ آهن به دو روش گاز طبیعی و زغال سنگ احیا شده و به آهن اسفنجی تبدیل می‌‌شود. پروسه احیای سنگ آهن با گاز طبیعی به سه روش میدرکس،HYL و Purofer انجام می‌‌شود که از میان این سه روش، میدرکس از بقیه پرکاربردتر است. همچنین پروسه احیای سنگ آهن و تولید آهن اسفنجی با زغال سنگ به روش‌های Jindal DRC و SL/ RN انجام می‌پذیرد. در این بخش از مقاله به توضیح تعدادی از روش‌‌های پرکاربرد تولید آهن اسفنجی خواهیم پرداخت.

در جدول زیر می‌توانید تعدادی از روش‌های تولید آهن اسفنجی را باهم مقایسه کنید:

ردیف	ویژگی‌ها	روش میدرکس	روش HYL	روش SL/RN
1	منبع احیای سنگ آهن	گاز متان	گاز طبیعی (متان)	زغال سنگ
2	پیچیدگی فرآیند	کم	بالا	کم
3	هزینه‌های تولید	متوسط	بالا	متوسط
4	کیفیت آهن اسفنجی	با سختی بیشتر	با کربن بیشتر	با کربن بیشتر
5	نیاز به انرژی برای ذوب	بیشتر	بیشتر	کمتر
6	محتوای کربن	کم	زیاد	زیاد
7	مقاومت به خوردگی	کم	بالا	بالا
8	مصرف آب	کم	زیاد	زیاد

تولید آهن اسفنجی به روش میدرکس

این روش یکی از بهترین‌ روش‌ها برای احیای سنگ آهن است، تولید آهن اسفنجی به روش میدرکس شامل مراحل زیر است:

• ابتدا گاز متان وارد واحد شکست شده تا به دو گاز احیا کننده اکسیژن و هیدروژن تجزیه شود.
• سپس متان تجزیه شده در یک کوره استوانه‌‌ای دمیده می‌‌شود.
• همزمان با دمیدن متان تجزیه شده، سنگ آهن از بالا به کوره انداخته تا با گاز متان تجزیه شده برخورد کند.
• گاز طبیعی متان تجزیه شده زمانی که در کوره دمیده شد، داغ می‌شود.
• سنگ‌‌های آهن هنگام برخورد با آن اکسیژن خود را از دست می‌‌دهد.
• محصول نهایی گلوله‌‌هایی متخلخل از آهن خالص هستند که پخته و سخت شده‌اند.

توجه داشته باشید که آهن اسفنجی که با روش میدرکس تولید می‌شود سختی بیشتری دارد و به همین جهت هنگام انجام عملیات ذوب به انرژی بیشتری نیاز خواهد داشت.

تولید آهن اسفنجی به روش HYL

پس از روش میدرکس، بیشترین تولید آهن اسفنجی با روشی معروف به اچ.وای.ال انجام می‌گیرد. در این روش نیز از گاز طبیعی برای احیای سنگ آهن استفاده می‌‌شود، با این تفاوت که تجهیزات مورد نیاز و مراحل تولید محصول نهایی کمی پیچیده‌‎تر و پرهزینه‌تر از روش میدرکس است! مراحل تولید آن شامل موارد زیر است:

• این پروسه مشتمل بر سه بخش کلی یعنی بخش آماده سازی و تجزیه گاز طبیعی و بخش کوره احیای آهن است.
• در واحد آماده سازی: گاز طبیعی متان با بخار آب ترکیب شده و به عناصر تشکیل دهنده تجزیه می‌شود.
• سپس این عناصر در کوره با سنگ آهن دمیده خواهد شد که محصول به دست آمده آهن اسفنجی است.

توجه داشته باشید آهن اسفنجی که با این فرایند تولید می‌شود کربن بیشتری در محتوای خود دارد و به اصطلاح کربوره شده است.

تولید آهن اسفنجی به روش sl/rn

این روش باز هم یکی دیگر از روش‌‌های احیای سنگ آهن است که به جای گاز طبیعی از زغال ‌سنگ برای انجام فرآیند استفاده می‌‌شود. در ادامه با مراحل آن آشنا می‌شویم:

• این فرایند شامل یک بخش تغذیه است که مواد اولیه در آنجا با هم ترکیب می‌شوند.
• مواد اولیه شامل سنگ آهن یا کلوخه آهن است که ابتدا به بخش تغذیه کننده وارد می‌شود.
• سپس آهک و دولومیت به همراه زغال سنگ به آن مواد اضافه می‌شود.
• سپس برای مرحله احیا به کوره افقی فرستاده می‌شوند.
• در بخش کوره افقی که دارای شیب خیلی کمی است و به صورت دورانی حرکت می‌‌کند.
• مواد اولیه در آنجا ریخته شده و خیلی آهسته در آن کوره دوار به حرکت در می‌آیند.
• در این مرحله دمای کوره بالا می‌‌رود تا حدی که زغال سنگ کک نشود شروع به سوختن و تولید دی ‌اکسید کربن کند.
• آنقدر تولید دی‌ اکسید کربن ادامه پیدا می‌‌کند و دما بالا می‌رود تا سنگ آهن به طور کامل احیا شود.
• سپس سنگ آهن احیا شده به واحد خنک سازی روانه می‌شود.
• در آنجا به روش‌‌های مغناطیسی آهن اسفنجی به عنوان محصول نهایی جداسازی می‌شود.

علت استفاده از دولومیت و آهک در ترکیب مواد اولیه کمک به حفظ درصد گوگرد مورد نیاز فرآیند است. 

آنالیز آهن اسفنجی

آهن اسفنجی دارای خواص زیر است:

• مقادیر بالای عنصر آهن، درصد خلوص بسیار زیاد و فلزکاری بالا
• منسجم و یکدست (از لحاظ کیفیت)
• کم بودن عناصر سمی مثل سرب، قلع، روی، تنگستن و غیره در محتوای آن
• کم بودن محتوای فسفر و گوگرد در آن
• جذب کمترین میزان گرد و غبار در طول مسیر حمل و نقل
• حرکت بدون وقفه در لوله‌ها و نقاله‌ها به دلیل داشتن جریان خوب و روان

مزایای آهن اسفنجی

آهن اسفنجی و قراضه آهن دو ماده اولیه ذوب آهن جهت تولید محصولات آهنی و فولادی هستند. اما آهن اسفنجی مزایای بیشتری نسبت به قراضه آهن دارد! از این رو اکثر کارخانجات ذوب آهن از آن به عنوان ماده اولیه اصلی استفاده می‌کنند:

1. یکی از مزایای آهن اسفنجی درصد خلوص آهن آن است که تا ۹۵ درصد می‌‌رسد.
2. از این رو به دلیل خلئص بالا استفاده از آن خیلی راحت‌تر از قراضه آهن است.
3. گندله متخلخل به دلیل مصرف کم انرژی و آب به هنگام ذوب کردن، بسیار مقرون به صرفه‌تر از مواد اولیه دیگر است.
4. از دیگر مزیت‌های این ماده اولیه این است که به هنگام ذوب شدن میزان کمی نیتروژن در محتوای خود دارد و به همین جهت محصولاتی که از آن تولید می‌شوند کیفیت بهتری خواهند داشت!
5. آهن اسفنجی شرایط نگهداری خاصی ندارد و جابجایی و حمل آن نیز آسان است.
6. استفاده از آن در کوره‌های ذوب، خطر انفجار ندارد.
7. از دیگر مزایای این نوع آهن، مصرف کم اکسیژن هنگام ذوب شدن است‌.
8. وجود اکسیژن در آن مقاومتش را کاهش می‌دهد.
9. همچنین از مهمترین مزایای استفاده از این نوع گندله متخلخل عدم خراب شدن دیواره کوره است.
10. کیفیت محصولات ریخته‌‌گری که با این نوع آهن تولید می‌شوند به دلیل انسجام و عدم وجود عناصر سمی بسیار زیاد است.
11. عملیات متالوژی و ذوب آن به دلیل عدم نیاز به فیلتراسیون Filtration به راحتی انجام می‌پذیرد و به تبع آن عملکرد کوره‌‌ها به خوبی انجام خواهد گرفت.

معایب آهن اسفنجی

آهن اسفنجی یا همان گندله متخلخل افزون بر مزایای متعدد، مانند هر ماده دیگری دارای معایبی هم هست:

اول اینکه تولید آهن اسفنجی به عنوان ماده اولیه مراحل زیادی پشت سر می‌‌گذارد در حالی که قراضه آهن پس از جمع ‌آوری به کوره ذوب فرستاده می‌شود. از دیگر معایب این نوع آهن متنوع بودن مراحل تولید و در نهایت محصولات با ترکیبات شیمیایی متفاوت است. به عبارت دیگر هر فرآیند تولید آهن اسفنجی، محصولی با ترکیب شیمیایی متفاوت تولید می‌کند؛ به همین جهت تمامی گندله‌های متخلخل با یک درجه دمای مشابه ذوب نمی‌شوند.

کاربرد آهن اسفنجی

گندله متخلخل کاربردهای بسیار زیادی در ساخت انواع محصولات آهنی پیدا کرده است:

صنایع فولادسازی و چدن

از جمله کاربردهای آهن اسفنجی در صنایع فولادسازی و چدن است که به دلیل خلوص بالای آهن و ترکیبات شیمیایی منحصر بفرد، فولاد مستحکم‌تر و با کیفیت‌تر تولید می‌کند.

تولید اسلحه و ابزارآلات آهنی

از دیگر تفاوت‌ها و کاربردهای این نوع آهن نسبت به ضایعات آهن، استفاده در صنایع تولید اسلحه و ابزارهای آهنی است در واقع عناصر و خواص موجود در این آهن سطح استحکام بیشتری به اینگونه صنایع می‌‌دهد.

ساخت انواع شمش فولادی

همچنین این نوع آهن در ساخت انواع شمش فولادی در کوره‌ های قوس الکتریکی به ‌کار می‌‌رود. ساخت شمش فولادی توسط آهن اسفنجی میزان بهره ‌وری و بازده آن را تا میزان بالایی افزایش می‌دهد. نا‌گفته نماند از این آهن در کارخانه‌های فولاد نیز به عنوان خنک کننده در مبدل‌های ال دی LD بهره گرفته می‌‌شود.

جمع‌ بندی

آهن اسفنجی یک ماده اولیه بسیار مهم در ساخت محصولات آهنی به شمار می‌رود و از این‌رو به جای آهن قراضه مورد استفاده قرار می‌گیرد. ما در این مقاله سعی کردیم آهن اسفنجی و روش‌‌های تولید آن را معرفی کنیم. با معرفی مزایا، معایب و کاربردهای آن توانستیم دید بهتری نسبت به این ماده اولیه پیدا کنیم. البته باید در استفاده از این نوع ماده اولیه حداعتدال رعایت شود زیرا منبع اصلی آن سنگ آهن است و استخراج بی‌‌رویه آن ممکن است باعث آسیب به محیط‌ زیست شود.