آهن اسفنجی چیست و چگونه تولید می‌شود؟

آهن اسفنجی مانند گندله آهن یکی از خوراک‌های آهن در کارخانه‌های تولید فولاد است که از طریق کاهش آهن اکسید شده به دست می‌آید. در این مقاله به فرایند تولید آهن اسفنجی، آنالیزهای آهن اسفنجی، انواع نرمه آهن اسفنجی، تفاوت آهن اسفنجی و گندله آهن و مزایا و معایب آن اشاره شده است که در ادامه این مقاله از پاوان از شما دعوت می‌شود با ما همراه باشید.

آهن اسفنجی چیست؟‌

آهن اسفنجی (sponge iron) یا آهن کاهش یافته (Reduced Iron) آهنی است که از کاهش اکسید آهن بدون آنکه مذاب شود به دست می‌آید و به دلیل بافت متخلخل آن، نام آهن اسفنجی را به آن داده‌اند. برای حمل بهتر و بیشتر آهن اسفنجی را در قالب‌هایی ریخته و فشرده می‌کنند که به آن بریکت می‌گویند.

تولید آهن اسفنجی

به‌طورکلی تولید آهن به روش احیا یا کاهش مستقیم (Direct Reduced Iron) در برابر دیگر روش‌ها یک روش جدید است و در دهه 70 میلادی پا به عرصه صنعت گذاشته است. در این روش برای احیای آهن از زغال‌سنگ یا گاز طبیعی استفاده می‌شود و آن را به دو گروه کلی تقسیم می‌کند که در ادامه به انواع روش‌های هر دو گروه به طور خلاصه پرداخته شده است.

بیشتر بخوانید: کنسانتره آهن چیست و چه کاربردی دارد؟ چگونه تولید می شود؟

تولید آهن اسفنجی به روش میدرکس

تولید آهن اسفنجی با روش میدرکس (Midrex) با استفاده از سنگ‌آهن با عیار ۶۷ درصد و بدون نیاز به واسطه با استفاده از گاز طبیعی شکسته شده، احیا شده یا کاهش میابد.

در این روش از گاز طبیعی به‌عنوان یک کاتالیزور در کنار حرارت استفاده می‌شود. در واقع گاز پیش از مخلوط شدن در واحد شکست گاز به اجزاء خود یعنی هیدروژن و کربن منوکسید شکسته شده و سپس وارد کوره احیا شده، با اکسیژن سنگ آهن ترکیب شده و موجب احیا شدن سنگ آهن و در نتیجه تولید آهن اسفنجی می‌شود.

آهن اسفنجی تهیه شده به روش میدرکس در دمای 600 درجه سانتی‌گراد تولید می‌شود و پس از آن وارد کوره‌های قوس الکتریکی (EAF) شده و پس از آن وارد پروسه تولید فولاد می‌شود.

تولید آهن اسفنجی به روش HYL

در ابداع تولید آهن اسفنجی به روش HYL متخصصان زیادی همکاری داشته‌اند و ازآنجایی‌که توسعه این روش در شرکت هیلسا (HYLSA) که مخفف (Hojalata Y Lamina,S.A) است انجام گرفته است، نام این روش از تولید این اسفنجی HYL انتخاب شد.

در روش HYL علاوه بر استفاده از گاز طبیعی شکسته شده به‌عنوان احیاکننده، از بخار آب نیز برای افزایش مقدار هیدروژن تولید شده استفاده می‌شود. از همین رو مقدار هیدروژن نسبت به منوکسید کربن در این فرایند بسیار بیشتر بوده که عامل اصلی احیاکننده است.

کوره احیا در روش  HYL نیز شبیه کوره در روش میدرکس است، ولی فشار محیط واکنش در سطح بالاتری (۷ اتمسفر) در نظر گرفته شده تا واکنش‌ها با سرعت انجام شود.

بیشتر بخوانید: تیرآهن چیست؟ کاربرد انواع تیرآهن در ساختمان سازی

تولید آهن اسفنجی به روش Purofer

روش Purofer بیشتر در کشور برزیل رواج داشته و در ایران به کار برده نمی‌شود. این روش تنها برای تکمیل اطلاعات آورده شده درباره تولید آهن اسفنجی با استفاده از گاز طبیعی بیان می‌شود.

در این روش ابتدا سنگ آهن را الک کرده تا به صورت یک اندازه دانه‌بندی شوند، سپس مواد جامانده روی الک را به داخل کوره مخروطی می‌ریزند. درحالی‌که سنگ‌آهن‌ها از کوره سرازیر می‌شوند از زیر گازهای شکسته شده در دو مرحله همراه با حرارت به سنگ آهن برخورد کرده، با اکسیژن سنگ آهن ترکیب شده و آهن را احیا می‌کنند.

در روش Purofer سنگ آهن در دمای 800 درجه سانتی‌گراد به آهن اسفنجی تبدیل شده و پس از آن به محل ذوب برای تولید فولاد رانده می‌شود

سه روش نام برده در بالا، تولید آهن اسفنجی با استفاده از کاتالیزور گاز طبیعی را شرح می‌داد در ادامه به روش‌هایی که آهن اسفنجی با کاتالیزور زغال‌سنگ انجام می‌شود، اشاره می‌شود. طبیعی است که وجود منابع گاز طبیعی یا زغال‌سنگ در مناطق مختلف در استفاده از روش‌های تولید آهن اسفنجی تأثیر زیادی دارد.

تولید آهن اسفنجی به روش کوره تونلی

قدیمی‌ترین روش احیای مستقیم آهن روش کوره تونلی یا (Tunnel Kiln) است. در این روش در بوته‌های کاربید سیلیسیوم در کوره‌های تونلی، زغال‌سنگ حرارت دیده با سنگ آهن مخلوط شده و آهن اسفنجی به دست می‌آید.

در این روش حرارت از سوختن زغال‌سنگ نبوده و زغال‌سنگ تنها تولید کننده گاز منوکسید کربن است و حرارت با استفاده از مشعل‌های گاز طبیعی تأمین می‌شود که آلایندگی این روش را بسیار کاهش می‌دهد.

سنگ آهن ورودی به کوره‌های تونلی از نوع هماتیت و مگنتیت با عیار بالا 65 درصد است. کوره تونلی دارای سه بخش پیش گرم، منطقه احیا و خنک سازی است و بخش احیای آن دمایی برابر با 1200 تا 1250 درجه سانتی‌گراد دارد.

تولید آهن اسفنجی به روش کوره دوار یا SL/RN

روش SL/RN در واقع مخفف عبارت (Steco Lurgi/Republic Steel) است که این روش هم از قدیمی‌ترین روش‌های احیای مستقیم آهن و تولید آهن اسفنجی است. ایده این روش از کوره افقی پخت سیمان گرفته شده است.

در این روش نیز مانند روش کوره تونلی از زغال‌سنگ به‌عنوان کاتالیزور و احیا کننده آهن استفاده می‌شود. در این فرایند زغال‌سنگ در کوره حرارت داده شده و گاز منوکسید کربن تولید شده با آهن ترکیب شده و آن را احیا می‌کند. لازم به یادآوری است که در این روش هیدروژن وجود ندارد و درجه حرارت نسبتاً بالا بوده و با ظرفیت پایین کوره، سرعت واکنش هم نسبتاً پایین است.

کوره دوار شامل بخش پیش گرم، منطقه احیا و منطقه خنک کننده است و در فشاری کمی بالاتر از یک اتمسفر کار می‌کند. گازهای کاتالیزور با درجه حرارت 1000 درجه سانتی‌گرادی در بخش احیای کوره وارد می‌شوند. گرما پس از احیا کردن آهن برای تولید برق استفاده می‌شود و از آب برای خنک کردن استفاده می‌شود.

در این روش احیای مستقیم برای تولید آهن اسفنجی به جای سنگ آهن مگنتیتی باید از گندله خام با 30 تا 100 درصد کلوخه یا سنگ آهن هماتیتی کلوخه‌ای عیار بالا به‌عنوان ماده اولیه استفاده شود.

بیشتر بخوانید: ناودانی چیست و انواع آن کدامند؟ از مشخصات تا جدول اشتال

احیای سنگ آهن در کوره دوار زمانی که هیدروژن حضور ندارد

در این آنالیز تولید آهن اسفنجی زمانی است که ماده اولیه هماتیت بوده و تنها از زغال‌سنگ برای احیای آهن استفاده می‌شود. این واکنش در دمای 571 درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود و در آن آهن سه ظرفیتی یا هماتیت (Fe₂O₃) به آهن چهار ظرفیتی یا مگنتیت (Fe₃O₄) به وسیله کاتالیزور مونو اکسید کربن تبدیل می‌شود.

Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄+ CO₂

واکنش تبدیلی هماتیت به مگنتیت گرماده است و در مرحله بعد آهن مگنتیتی (Fe₃O₄) به وستیت یا اکسید آهن (FeO) تبدیل می‌شود.

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂

واکنش تبدیل مگنتیت به وستیت گرماگیر است و گرما را جذب می‌کند. در مرحله بعد وستیت به آهن اتمی یا آهن احیا تبدیل می‌شود که واکنشی گرماده بوده حرارت ایجاد می‌کند.

FeO + CO = Fe + CO₂

با خالصه کردن واکنش‌های بالا واکنش احیای آهن در نبود هیدروژن به صورت زیر است.

Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂

تولید آهن اسفنجی با گاز طبیعی زمانی که هیدروژن هم حضور دارد

همانطور که گفته شد در تولید آهن اسفنجی با استفاده از زغال‌سنگ از هیدروژن استفاده نمی‌شود و تنها منوکسید ناشی از حرارت دیدن زغال‌سنگ کاتالیزور است ولی در تولید آهن اسفنجی با استفاده از گاز طبیعی از هیدروژن در محیط‌های پرفشار برای بالا بردن روند و بازدهی عملیات استفاده می‌شود که فرایند شیمیایی آن به شرح زیر است.

در ابتدا با توجه به اینکه ماده اولیه تولید آهن اسفنجی هماتیت یا آهن دو ظرفیتی (Fe₂O₃) است انجام می‌شود و در آن هماتیت با حضور مونوکسید کربن و هیدروژن به مگنتیت یا آهن چهار ظرفیتی (Fe₃O₄) تبدیل می‌شود.

3 Fe2O3 + COA = 3 Fe3O4 + CO2

3 Fe2O3 + H2 = 2 Fe3O4 + H2O

در ادامه فرایند نیز آهن مگنتیتی با کاهشی دوباره در اثر مونوکسید کربن و هیدروژن به اکسید آهن تبدیل می‌شود:

Fe3O4 + CO = 3 FeO + CO2

Fe3O4 + H2 = 3 FeO + H2O

و در انتها اکسید آهن با کاهش مونوکسید کربن و هیدروژن به آهن اسفنجی، آهن اتمی یا آهن احیا تبدیل می‌شود:

FeO + CO = Fe + CO2

FeO + H2 = Fe + H2O

در مرحله بعد با ادامه روند احیا، کربن دار کردن یا تولید سمنتیت (cementite) یا کاربید آهن انجام می‌شود که در ادامه برای تولید فولاد از آن بهره برده می‌شود. کاربید آهن یا سمنتیت ترکیبی شامل آهن و کربن یا فرمول (Fe3C) بوده که سخت شکننده است.

3 Fe + CH4 = Fe3C + 2H2

3 Fe + 2CO = Fe3C + CO2

3 Fe + CO +H2 = Fe3C + H2O

تفاوت گندله و آهن اسفنجی

گندله آهن به ترکیب آهن داری گفته می‌شود که از کنسانتره آهن به دست می‌آید، ازآنجایی‌که کنسانتره آهن به دلیل ریزدانه بودن توانایی استفاده در فرایند احیا را ندارد آن را با اضافه کردن برخی مواد افزودنی به گندله تبدیل می‌کنند. گندله‌ها در ابتدا خام هستند و پخته می‌شوند و با روش‌های گفته شده در بالا به آهن اسفنجی تبدیل می‌شوند.

پس نتیجه می‌شود که برای تولید آهن اسفنجی از گندله استفاده می‌شود و به آهن اسفنجی گندله متخلخل هم گفته می‌شود؛ بنابراین تفاوت اصلی این دو به زبان ساده در عیار آهن آنها و احیا بودن آهن اسفنجی و اکسیدی بودن گندله آهن علاوه بر ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی آنها است.

از مواد افزودنی که به کنسانتره آهن برای تولید گندله آهن اضافه می‌شود، می‌توان به بنتونیت، شیرآهک، ماده آلی، آهک، آب و سیمان اشاره کرد.

بریکت چیست؟

بریکت یا آهن اسفنجی هر دو یک محصول هستند ولی آهن اسفنجی ریزدانه بوده و بریکت درشت است. برای تولید بریکت آهن اسفنجی را به صورت فشرده در می‌آورند تا حمل و نقل آن آسان‌تر شده و هدر رفت آن در کوره‌های تولید فولاد کاهش پیدا کند.

به‌طورکلی سه نوع بریکت نرمه، بریکت سرد و بریکت گرم وجود دارد که از نظر نوع و دمای تولید دسته بندی شده‌اند و در ادامه به هر کدام اشاره خواهد شد.

آهن اسفنجی نرمه یا بریکت نرمه چیست؟

در فرایند آهن اسفنجی تولید شده پس از احیای مستقیم مقداری نرمه آهن اسفنجی تولید می‌شود (کمتر از 10 درصد حجم تولید واحد احیای مستقیم) ریزدانه (6 میلی‌متر) است. به دلیل اینکه شارژ مستقیم نرمه آهن اسفنجی به کوره فولادسازی باعث کاهش راندمان تولید می‌شود این محصول با اضافه شدن اندکی آهک و چسب سیلیکات به آن به صورت بریکت در می‌آید که به آن بریکت نرمه آهن اسفنجی (CBI) تا برای تغذیه کوره‌های فولاد سازی مناسب شود.

بریکت نرمه آهن اسفنجی به دلیل تولید محدود و ویژگی‌های نامطلوب نسبت به بریکت گرم و سرد، به‌عنوان یک محصول تجاری در بازارهای جهانی مطرح نیست. این محصول به دلیل داشتن درجه فلز شدگی (متالیزاسیون) بالا و وزن مناسب برای تولید مذاب در کوره‌های قوس الکتریکی کاربرد دارد.

بریکت آهن اسفنجی سرد چیست؟

بریکت آهن اسفنجی سرد (CDRI) یکی از انواع بریکت آهن اسفنجی است که در دمای محیط فشرده سازی می‌شود و به همین دلیل نام بریکت سرد را به این محصول داده‌اند، ایران یکی از کشورهای بزرگ در تولید این محصول است و به دلیل ویژگی‌های آهن اسفنجی مانند سطح ویژه بالا، مقاومت در برابر اکسایش و سایش پایین و خواص مکانیکی ضعیف، ذخیره سازی و حمل و نقل این محصول را پرهزینه و غیر ممکن می‌سازد.

با تبدیل آهن اسفنجی با کربن و تولید بریکت آهن کربنی سرد (CBIC) می‌توان برخی از این ویژگی‌ها مانند بالا بردن سختی، دانسیته و برخی ویژگی‌های مکانیکی را بهبود داد و نسبت به حمل ایمن‌تر و کم‌هزینه‌تر آن اقدام کرد.

بریکت آهن اسفنجی گرم چیست؟

بریکت آهن اسفنجی گرم (HBI) محصولی است که از آهن اسفنجی گرم (HDRI) در دمای 650 درجه سانتی‌گراد تهیه می‌شود. این نوع بریکت، شناخته شده‌ترین محصول به منظور حمل و نقل آهن اسفنجی در جهان است.

سطح ویژه پایین، دانسیته بالا، استحکام مکانیکی بالا و مقاومت مطلوب در برابر اکسیداسیون از ویژگی‌های بارز این محصول است که آن را برای حمل و نقل یا صادرات مطرح می‌کند.

آنالیز شیمیایی آهن اسفنجی

مواد تشکیل دهنده آهن اسفنجی	مقدار
آهن (کل)	85/9 تا 86 درصد
آهن (فلزدار شده)	حداقل 90 درصد
آهن (فلزی)	78/5 تا 80 درصد
کربن (C)	حداکثر 1/3 تا 2 درصد
فسفر (p)	حداکثر 0/01 درصد
سیلیس (SiO2)	حداکثر  5/5 درصد
اکسید آلومینیوم (Al2O3)	حداکثر  1 درصد
اکسید کلسیم (CaO)	حداکثر  1/1 درصد
اکسید منیزیم (MgO)	حداکثر  2/5 درصد
وزن مخصوص	1/6 تا 1/9 تن بر مترمکعب

سخن آخر

در پاسخ به پرسش اصلی این مقاله باید عرض شود که آهن اسفنجی یک محصول به‌عنوان ماده اولیه کوره‌های فولاد سازی است و با استفاده از روش احیای مستقیم تولید می‌شود که در این مقاله به انواع این روش‌ها، آنالیز شیمیایی آهن اسفنجی، فرایند کاهش یا احیا، فرمول شیمیایی آن اشاره شد تا دسترسی به مقالات کامل و صحیح برای مخاطبان وبلاگ پاوان سازه فراهم باشد. برای سفارش ساخت انواع سازه فلزی به پاوان سازه مراجعه کنید.