آهن اسفنجی ؛ فرآیند تولید و کاربرد آن

آهن اسفنجی که به آن آهن احیای مستقیم نیز گفته می‌شود، نوعی آهن متخلخل است که در فرآیند فولادسازی مورداستفاده قرار می‌گیرد. محتوای بالای آهن موجود در آهن اسفنجی، آن را برای استفاده در انواع کوره‌ها به‌عنوان شارژ کوره مناسب کرده است. در ادامه به بررسی فرآیند تولید آهن اسفنجی، مزایا و معایب و کاربردهای آن می‌پردازیم.

آهن اسفنجی چیست ؟

آهن اسفنجی با ساختار متخلخل و مقدار بالای آهن، حاصل فرآیند احیای سنگ آهن در کوره احیای مستقیم (DRF) است. این سنگ آهن اغلب در قالب کلوخه، گندله و یا ذرات ریزتر به کوره افزوده می‌شود تا به‌وسیله گازهای احیاکننده که از کک یا گاز طبیعی منتشر می‌شوند، به آهن اسفنجی تبدیل شود. سنگ‌های اکسید آهن که از زمین خارج می‌شوند، از طریق فرآیند احیا، اجازه جذب کربن را می‌دهند. در این احیای طبیعی، هنگامی‌که سنگ آهن با کربن گرم می‌شود، سطحی با علائم سوراخ ایجاد می‌شود، ازاین‌رو به آن اهن اسفنجی گفته می‌شود.

حدود 5 درصد از تولیدات فولاد جهان با استفاده از آهن اسفنجی انجام می‌شود که این مقدار رو به افزایش است. در طی فرآیند احیای مستقیم آهن، اکسیژن از آن خارج‌شده تا آهن فلزی خالص‌تری حاصل شود. اهن اسفنجی یکی از مواد خام اولیه مهم در تولید فولاد است و جایگزین مناسبی برای قراضه آهن و کوره بلند محسوب می‌شود.

تاریخچه اهن اسفنجی

اولین تولیدات آهن اسفنجی به خاورمیانه، مصر و اروپا برمی‌گردد که در حین دستیابی به آهن اتفاق افتاد. در چین نیز از روش Bloomery و کوره بلند برای دستیابی به آهن اسفنجی استفاده شد. لازم به ذکر است که در روش سنتی، دمای کوره پایین و در حدود 1100 درجه سانتی‌گراد است که منجر به ظرفیت تولید کم در کوره بلند می‌شود.

در مقایسه با روش سنتی، روش احیای مستقیم آهن از نظر مصرف و بازده سوخت، بسیار کارآمدتر است. ضمن اینکه، کارخانه‌های استفاده‌کننده از روش احیای مستقیم نباید مانند کوره بلند، یک سیستم تولید فولاد یکپارچه را تشکیل دهند. علاوه بر این، کارخانه‌های استفاده‌کننده از آهن اسفنجی از نظر اقتصادی کارآمدتر هستند، زیرا در مقایسه با کارخانه‌های فولادی یکپارچه، به سرمایه اولیه کمتری نیاز دارند. ازاین‌رو، در کارخانه‌های فولادسازی کوچک، تولیدکنندگان ترجیح می‌دهند از روش احیای مستقیم به‌جای کوره بلند استفاده کنند.

فرمول شیمیایی آهن اسفنجی

جدول زیر، برخی خواص آهن اسفنجی را نشان می‌دهد.

تولید آهن اسفنجی

ساخت آهن اسفنجی فرآیندی است که در آن گندله‌های سنگ آهن (معمولاً به‌اندازه 5 تا 18 میلی‌متر) با مقدار مشخصی از کک‌ و دولومیت در داخل یک کوره دوار شیب‌دار ریخته شده و در مجاورت هوا به مدت حدود 12 ساعت حرارت داده می‌شوند. قبل از اینکه محصولات خنک شوند، به‌صورت مغناطیسی از هم جدا شده و در انبارهای محصول نهایی قبل از ارسال، غربالگری و اندازه‌گیری می‌شوند. با انواع کوره ذوب آهن در این صفحه آشنا شوید.

این فرآیند مستلزم احیای مستقیم سنگ آهن (یعنی حذف اکسیژن از سنگ معدن) در حالت جامد برای فلزی‌تر کردن سنگ معدن در دمای بحرانی است تا این امکان فراهم شود. سنگ آهن در حالت جامد در دمای 800 تا 1050 درجه سانتی‌گراد با گاز (H₂+CO) یا زغال‌سنگ احیا می‌شود.

واکنش‌های احیا در تولید آهن اسفنجی بر اساس استفاده از زغال‌سنگ عبارت‌اند از:

C + O₂ = CO₂

CO₂ + C = 2CO

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂

FeO + CO = Fe + CO₂

انواع گرید فولاد اسفنجی

اهن اسفنجی می‌تواند شامل ترکیبات متفاوتی باشد و معمولاً از سرباره و گانگ (مواد باطله) نیز تشکیل شده است. اگرچه که این مقدار ناخالصی بسیار ناچیز بوده و آسیبی به فرآیند تولید وارد نمی‌کند. انواع گریدهای آهن اسفنجی عبارت‌اند از:

• GRADE – A (FeM – 81% Min)
• GRADE – B (FeM – 78 To 80 %)
• GRADE – C (Fem – < 78%)

کاربرد آهن اسفنجی

آهن اسفنجی در صنعت آهن و فولاد به‌عنوان جایگزینی برای ضایعات آهن در کوره‌های القایی و قوس الکتریکی استفاده می‌شود. در طول سال‌ها، کمبود ضایعات ذوب گران‌قیمت، آهن اسفنجی را به یک ماده خام ارزشمند برای تولید فولاد با کیفیت بالا تبدیل کرده است. همچنین، یکی از رایج‌ترین موارد استفاده از آهن اسفنجی، در تولید آهن فرفورژه یا نوردی است.

مزایا و معایب

آهن اسفنجی مقدار بالایی از آهن را داراست که خاصیت فلزی آن را باوجود ناخالصی‌هایی مانند فسفر و گوگرد، موجب می‌شود. اگرچه که از این عناصر تحت عنوان ناخالصی یاد می‌شود اما مقدار آن‌ها بسیار ناچیز است. آهن اسفنجی دارای سایزهای متفاوتی است که امکان حمل‌ونقل آسان آن را به کارخانه‌های نقاط مختلف فراهم می‌کند.

آهن اسفنجی با آهنگری و جوشکاری به یکدیگر متصل شده و آهن فرفورژه را تشکیل می‌دهند. این آهن فرفورژه حاوی 3 درصد سرباره و مقادیر کمی از ناخالصی است. دیگر کاربرد آهن اسفنجی، به‌عنوان خنک‌کننده در مبدل‌های LD است که در فولادسازی به روش کوره اکسیژن قلیایی استفاده می‌شوند.

مهم‌ترین عیب آهن اسفنجی، تمایل به خوردگی و زنگ زدن است که مربوط به سطح متخلخل آن است. برای جلوگیری از این مشکل، ترجیح فولادسازان این است که بلافاصله پس از تولید آهن اسفنجی، از آن برای فولادسازی استفاده کنند.

سؤالات متداول

1- دلیل استفاده از آهن اسفنجی چیست؟

به‌منظور کاهش نیاز به قراضه آهن به‌عنوان شارژ کوره‌های فولادسازی

2- آهن اسفنجی در چه کوره‌ای تولید می‌شود؟

کوره احیای مستقیم یا DRF