آهن اسفنجی چیست؟

آهن اسفنجی یک ماده کروی شکل شبیه به گندله است که از طریق استخراج و احیا سنگ آهن از معادن تولید می شود. نام دیگر این ماده Direct Reduced Iron یا به صورت اختصار DRI می باشد و از طریق عملیات احیا مستقیم و بی وابسته بدون نیاز به ذوب، اکسیژن آن حذف شده و آهن اسفنجی تولید می شود.

از سوی دیگر گندله سنگ آهن عیار 67 درصدی داشته و به همین علت پس از احیا در برخی مواقع محصول نهایی گندله متخلخل شناخته می شود. این محصول در بخش فولاد سازی کارخانجات تحت فرآیند ریخته گری به فلز مورد نظر تبدیل می شود و به سه صورت شمش، اسلب یا تختال، بیلت و بلوم و میلگرد عرضه می گردد. امروزه 5 درصد از مقاطع فولادی جهان، از طریق این ماده به دست می آید. علت نامگذاری این محصول به آهن اسفنجی به علت شکل ظاهری آن است که شبیه به گندله بوده و ساختار آن متخلخل است.

تاریخچه آهن اسفنجی

بهتر است بدانید استفاده از گندله متخلخل در کشور ایران از سال 1389 در کوره های القایی آغاز شد و کمبود قراضه وجود نداشت. در واقع تاریخچه آهن اسفنجی به حدود 14 سال پیش بر می گردد. در آن زمان یکی از کارخانه های القایی یزد، فرآیند تولید این محصول را انجام داد و امروزه بسیاری از واحد های فولادسازی کشور از آهن اسفنجی استفاده می کنند.

این محصول جایگزین مناسبی برای آهن قراضه است؛ زیرا کمبود آن رو به افزایش است. لازم به ذکر است به همین دلیل با افزایش قیمت آهن در چند سال اخیر مواجه بوده ایم؛ در نتیجه می توان به جای استفاده از آهن قراضه، از آهن اسفنجی در جهت تهیه ذوب مورد نیاز واحدهای فولادسازی استفاده نماییم.

بررسی چیستی بریکت

یکی از انواع آهن اسفنجی با نام بریکت(Briquette)  شناخته می شود. این محصول مشکلات حمل و نقل بسیار کمتری داشته و نگهداری آن نیز راحت تر انجام می گیرد. یکی از مزیت های بریکت، مقاومت بالاتر آن در برابر ساییدگی و زنگ زدگی در مقایسه با آهن اسفنجی معمولی می باشد. همچنین در زمان استفاده از این محصول، امکان ایجاد تخلخل و جدایی سطح در آن کمتر است. بریکت انواع مختلفی بر اساس جنس مواد و دما داشته که شامل بریکت گرم، سرد و نرمه می باشند.

در واقع می توان گفت بریکت نوع خاصی از آهن اسفنجی است که در قالب های بزرگ قرار گرفته تا فشرده شوند. امروزه بیشتر از بریکت گرم استفاده شده که در دمای 650 درجه سانتی گراد تولید می گردد. سایر بریکت های سرد و نرمه در دمای معمولی محیط ساخته می شوند. با این وجود آهن اسفنجی یکی از محصولات اولیه می باشد که به سبب آن قطعات ثانویه ای مانند بریکت تولید می شوند.0

کاربرد های آهن اسفنجی

همان طور که اشاره شد، امروزه آهن اسفنجی ماده اولیه برای تولید آهن و فولاد مذاب و در نتیجه شمش فولادی است. حال با وجود کمبود آهن قراضه به راحتی می توان از آهن اسفنجی به خصوص برای کوره های القایی استفاده کرد. این میزان تا حدود 50 درصد برای استفاده از آهن اسفنجی در کوره های القایی امکان پذیر است. لازم به ذکر است علاوه بر این موضوع، از آهن اسفنجی در کوره های قوس الکتریکی نیز استفاده می کنند.

البته جالب است بدانید جدا از این روش، از آهن اسفنجی در فرایند ریخته گری نیز استفاده می کنند تا اسلب، بیلت و میلگرد تولید شوند. کاربرد این ماده در این مصارف سبب شده تا تحول عظیمی در صنعت فولاد پدید آید. به نوع فشرده شده آهن اسفنجی نیز بریکت گفته می شود. تفاوت بریکت با آهن اسفنجی معمولی در حمل و نقل آن است که راحت تر بوده و در نتیجه نگهداری و جابه جایی آن نیز آسان تر می باشد.

به طور کلی سه نوع بریکت وجود دارد که شامل گرم، سرد و نرمه می باشند. هر کدام از این آهن های اسفنجی در دمای مختص به خود تولید شده و در نتیجه کاربردهای آن ها نیز با یک دیگر تفاوت دارد. به طور مثال بریکت نوع گرم در دمای حدودی 650 درجه سانتی گراد ساخته شده و به سبب محبوبیتی که دارد، بیشترین کاربرد را در صنایع به خود اختصاص می دهد.

حتما بخوانید:تفاوت آهن و چدن چیست؟

فرآیند تولید آهن اسفنجی

به طور کلی تولید آهن اسفنجی با استفاده از دو روش قابل انجام است که با نام های گازی  (Gas Based)و زغال سنگ (Coal Based) شناخته می شوند. به طور معمول کشورهایی که دارای منابع ذخایر گازی می باشند، این روش بیشتر قابلیت انجام دارد. در کشور ما کارخانجات فولاد خوزستان و فولاد مبارکه از گاز به عنوان ماده احیا کننده استفاده می کنند. در نهایت برای تولید آهن اسفنجی با استفاده از گاز طبیعی از فناوری ‌های زیر استفاده می کنند:

• میدرکس
• HYL
• Purofer

تولید به روش Midrex

روش میدرکس پرکاربردترین راه برای تولید آهن اسفنجی در ایران و جهان می باشد. تولید به وسیله این روش، به صورتی است که ابتدا گاز طبیعی وارد خط شکست گاز شده و سپس با حرارتی که به آن اعمال می شود، کتالیست‌های مخصوص به هیدروژن و کربن تبدیل می گردند. این هیدروژن و کربن به کوره احیا منتقل شده و با اکسیژن گندله سنگ آهن ترکیب می شوند تا احیای سنگ آهن صورت گیرد.

در این روش ابتدا گاز احیا کننده که از شکستن گاز متان در واحدهای شکننده به دست می آید و به دو گاز اکسیژن و هیدروژن تبدیل می شود، درون کوره دمیده می شود. این کوره ها معمولاً از نوع قوس الکتریکی هستند. از این رو همزمان با دمیده شدن گاز احیا کننده، سنگ آهن از بالا درون کوره ریخته شده و در نهایت گلوله های متخلخل شده از آهن خالص به دست می آیند که آهن اسفنجی نامیده می شوند. این ماده سختی بالاتری داشته و از این رو در زمان ذوب انرژی بیشتری نیاز دارد.

روش HYL

روش HYL یکی از کم استفاده ترین و البته پربازده ترین روش در ایران و کل جهان برای تولید آهن اسفنجی به شمار می آید. مصرف بالای برق و مشکلات ظرفیتی برای این روش وجود داشته و همچنین بر مبنای ذغال سنگ می باشد؛ از این رو در کشور ما استفاده نمی شود. روش HYL به وسیله گاز طبیعی شکسته شده و بخار آب برای تولید هیدروژن استفاده می شود، اما بهتر است بدانید میزان هیدروژن در مقایسه با میزان مونو اکسید کربن بیشتر می باشد؛ از این رو سبب احیای مستقیم سنگ آهن خواهد شد. روش کوره احیا یا HYL شبیه به روش میدرکس است، اما در فشار محیطی بالاتر از 7 اتمسفر باید انجام شود.

تولید آهن اسفنجی نیز در این روش به صورتی است که ابتدا گاز طبیعی متان با بخار آب ترکیب شده تا تجزیه شود. در مرحله بعدی این عناصر درون کوره ها به همراه سنگ آهن دمیده شده تا در نهایت آهن اسفنجی با درصد کربن بالاتر در مقایسه با سایر روش ها به دست آید. از این رو به آن کربوره شده نیز می گویند.

روش SL/RN

همان طور که می دانید منابع زغال سنگ شامل سه مورد زیر هستند که در این بین روش اول کاربری بیشتری برای احیا سنگ آهن و تبدیل به آهن اسفنجی دارد.

• SL/RN
• Jindal
• DRC

در روش SL/RN به جای گاز طبیعی از زغال سنگ استفاده می کنند. در واقع ابتدا مواد اولیه ای که شامل سنگ آهن یا کلوخه می باشند به همراه مواد افزودنی نظیر آهک و دولومیت و زغال سنگ با یک دیگر ترکیب می شوند. در بخش بعدی این مواد وارد کوره افقی شده تا با شیب کمی که دارد، به شکل دورانی سبب حرکت مواد شود.

این حرکت تا زمانی ادامه دارد که با افزایش دمای کوره، زغال سنگ به کک تبدیل نشود و با سوختن باعث تولید دی اکسید کربن گردد. تولید این ماده تا زمانی نیز ادامه خواهد یافت که سنگ آهن با افزایش دما کاملاً احیا شود. در نهایت سنگ آهن احیا شده وارد واحد خنک سازی شده تا در آن جا به وسیله شیوه های مغناطیسی آهن اسفنجی جدا و ساخته گردد.

فرمول شیمیایی آهن اسفنجی

آهن اسفنجی یکی از محصولات خاص اولیه برای تولید فولاد و محصولات نیمه نهایی آن به شمار می آید که بر اساس یک سری شرایط ویژه تولید می گردد. احیا اکسید به فلز بر اساس چند مرحله رخ داده و سپس با حذف اکسیژن سایر اکسیدها تولید می شوند. فرمول شیمیایی این محصول نیز به شرح زیر است: 

C + O2 = CO2؛

CO2 + C = 2CO؛

Fe2O3 + CO = Fe3O4 + CO2؛

Fe3O4 + CO = FeO + CO2؛

FeO + CO = Fe (Metallic) + CO2؛

مشخصات و مزایای آهن اسفنجی

همان طور که اشاره شد، استفاده از آهن اسفنجی نسبت به آهن معمولی، عیار بالایی داشته و به علت وجود منابع طبیعی احیا، پیشنهاد می شود. این محصول سبب تولید مقاطع فولادی با کیفیت تری می شود. نحوه استفاده از آهن اسفنجی به علت ترکیب شیمیایی تقریباً یکنواخت آن می باشد که برای کاهش غلظت عناصر ناخالصی و رسوبات در ذوب و بالا بردن عیار آهن موجود در شارژ استفاده می گردد. با شارژ این فلز به جای قراضه آهن، سطح ناخالصی های موجود در شارژ و در نتیجه نیتروژن ذوب کاهش می یابد. در نهایت کاهش نیتروژن سبب تولید اسلب ها و بیلت های با کیفیت تری می شود؛ بنابراین ورق های گرم با کیفیت تر، مقاوم تر و با استحکام بالاتر تولید می گردند.همچنین به طور کلی قیمت اسلب فولادی با استفاده از این روش صرفه اقتصادی بیشتری داشته و باعث تولید ورق های فولادی با بهترین سطح خواهد شد

یکی از مهم ترین نکات در زمان تولید آهن اسفنجی این است که 5 درصد از مواد اولیه این محصول به بریکت نرمه تبدیل شده و از این رو کاربردهای بسیاری را به خود اختصاص می دهد. سایر مزایای آهن اسفنجی شامل موارد زیر است:

• داشتن عیار بالاتر در مقایسه با آهن
• آهن اسفنجی یکی از بهترین جایگزین ها برای آهن قراضه و ضایعات است
• استفاده از کوره های القایی یا احیا مستقیم، هزینه کمتری در مقایسه با روش کوره بلند دارد.
• حمل و نقل و منتقل شدن آهن اسفنجی به سایر شرکت ها یا مکان ها، به صورت آهن گرم کلوخه شده یا HBI انجام شده که بسیار راحت تر است.
• تولید آهن اسفنجی با استفاده از روش احیا مستقیم، به وسیله گاز طبیعی و بدون جداسازی ناخالصی ها امکان پذیر است.
• این محصول صرفه اقتصادی داشته و با استفاده از آن می توان هزینه های تولید را کاهش داد.

امروزه استفاده از گندله متخلخل یا آهن اسفنجی، با استفاده از کاهش ناخالصی های سنگ آهن و بدون انجام عملیات ذوب انجام شده و درنتیجه این موضوع یک منبع انرژی کارآمد را برای کارخانه های فولادسازی که به قراضه اکتفا کرده بودند، به وجود آورده است.

معایب آهن اسفنجی

از جمله مهم ترین معایب آهن اسفنجی می توان به موارد زیر اشاره داشت:

قابلیت اکسیداسیون و زنگ زدگی: آهن اسفنجی با وجود داشتن تمامی مزیت هایی که در بالا به آن ها اشاره کردیم، دارای یک ایراد بزرگ به نام قرارگیری در معرض اکسیداسیون و زنگ زدگی می باشد. این ماده به سبب نداشتن هیچ گونه عنصر یا لایه محافظ در سطح، به راحتی دچار خوردگی و زنگ زدگی خواهد شد. از این رو پس از تولید آهن اسفنجی باید بلافاصله آن را به فولاد تبدیل کرد.

آلودگی های زیست محیطی: مواد شیمیایی و فیزیکی خام در زمان ترکیب باید به شکل جداگانه ای قرار بگیرند؛ زیرا آهن اسفنجی حساسیت بسیار بالایی به محیط زیست و مواد آن دارد.

اشتعال: و در آخر یکی از مهم ترین عیوب آهن اسفنجی، اشتعال یا اکسیداسیون این ماده است. از این رو پیشنهاد می شود به وسیله موادی مانند گاز خنثی، آهک، سیلیکات سدیم و قرارگیری آن ها در فضایی سر پوشیده، از اشتعال آهن اسفنجی جلوگیری کرد.

کارخانه های تولید کننده آهن اسفنجی

جالب است بدانید در حال حاضر برخی از کارخانه های کشور، به تولید آهن اسفنجی به روش کوره بلند می پردازند که مجموع تولیدات آن ها 5 میلیون تن فولاد می باشد. این شرکت ها شامل ذوب‌آهن اصفهان، فولاد میبد، فولاد زاگرس، ذوب‌آهن غرب کشور و فولاد زرند هستند.

همچنین بهتر است بدانید امروزه هندوستان بزرگ ترین تولید کننده آهن اسفنجی در کل جهان به شمار می آید و تولیدات آن حدود 9/64 میلیون تن آهن اسفنجی برآورد شده است. کشور ایران نیز با تولید 5/11 درصد آهن اسفنجی، مکزیک با حدود ۱۰ درصد و ونزوئلا در حدود 12 درصد  در رتبه های بعدی قرار گرفته اند.

حتما بخوانید:ورق فولادی چیست

جمع بندی

در نهایت باید گفت آهن اسفنجی یک ماده کروی شکل است که ظاهری شبیه به گندله دارد و در واقع از گندله آهن تولید می شود. امروزه استفاده از این ماده جایگزین قراضه های آهن گردیده است؛ از این رو اهمیت زیادی در صنعت آهن دارد. البته جدا از این که با کمبود قراضه های آهن مواجه هستیم، بهتر است بدانید آهن اسفنجی به شکل ساده و بریکت مزیت های بیشتری در مقایسه با استفاده از آهن دارد.

برخی از این مزیت ها شامل عیار بالاتر نسبت به آهن، حمل و نقل آسان، جایگزین مناسب برای آهن قراضه و ضایعات، منبع انرژی کارآمد و کاهش هزینه تولید هستند. بهتر است بدانید امروزه در کشور ما نیز از آهن اسفنجی در کوره های قوس الکتریکی یا القایی استفاده می کنند که سبب تولید مقاطع مختلف فولادی خواهند شد. در واقع با ذوب آهن اسفنجی به همراه مواد  سرباره در این کوره ها، انرژی و ناخالصی آن تخلیه شده و مواد مذاب به صورت فولاد تولید می شوند.