آهن اسفنجی چیست؛ روش تولید و ویژگی‌های آن

آهن اسفنجی در ساخت فولاد و قیمت آهن چه اهمیتی دارد؟ یکی از مراحل تولید فولاد در کارخانجات تولیدکننده، تهیه مواد اولیه می‌باشد. آهن به عنوان ماده اصلی بکار رفته در فولاد، مهمترین ماده اولیه محسوب می‌شود. شاید برایتان سوال پیش آمده باشد که آهن به عنوان ماده اولیه چگونه تولید می‌شود؟ یا اینکه به آهن اولیه که برای تولید فولاد استفاده می‌شود، چه می‌گویند؟ احتمالا نام آهن اسفنجی را شنیده باشید. آیا ویژگی‌ها و کاربردهای این ماده را می‌دانید؟ برای اینکه با این ماده اولیه برای تولید فولاد بیشتر آشنا شوید، توصیه می‌کنیم در ادامه مطلب با ما همراه باشید.

*** آهن اسفنجی چیست؟

آهن مانند سایر فلزات بصورت طبیعی از سنگ معدن آن بدست می‌آید. اگر سنگ آهن تحت شرایط احیای مستقیم (Direct Reduced Iron) یا به اختصار DRI قرار گیرد، آهن اسفنجی تولید می‌شود. سنگ آهن به تنهایی دارای ناخالصی زیادی می‌باشد. در روش DRI اکسیژن را از سنگ آهن خارج کرده و محصول نهایی بصورت توپ‌های کروی متخلخل خواهد بود. در این روش گندله سنگ آهن که دارای عیار ۶۷ درصد می‌باشد، احیا شده و حاصل آن آهن اسفنجی (گندله متخلخل) بدست می‌آید. در واقع وجود همین حفره‌ها و شباهت آن به اسفنج، دلیل نامگذاری این ماده اولیه می‌باشد.

*** تاریخچه استفاده از Sponge Iron در صنایع ایران

استفاده از آهن اسفنجی در صنایع فولاد سازی ایران از سال ۱۳۸۹ آغاز شد. در آن سال‌ها از قراضه به عنوان ماده اولیه فولاد سازی استفاده می‌شد. با وجود اینکه روند کیفیت قراضه نزولی بود، اما بازهم کسی به دنبال جایگزین این ماده اولیه نبود.

هند و چین هم که کوره‌های القایی به ایران می‌فروختند نیز به دنبال جایگزین قراضه نبودند. شاید دلیل آن کاهش راندمان کوره‌هایشان بود. برای نخستین بار در سال ۱۳۸۹ یکی از کارخانه‌های القایی یزد برای تولید فولاد به استفاده از آهن اسفنجی روی آورد. بعد از آن سایر کارخانجات نیز از این ماده اولیه استفاده کردند. اما به دلیل آشنا نبودن به اصول استفاده از آن، اولین واکنش‌ها به این ماده منفی بود.

امروزه بسیاری از واحدهای کوچک و بزرگ تولید فولاد در کشور از Sponge Iron به عنوان ماده اولیه استفاده می‌کنند. منابع طبیعی موجود در ایران دسترسی راحتتری برای احیای مستقیم دارد. آهن اسفنجی جایگزین بسیار مناسبی برای قراضه و ضایعات آهنی می‌باشد. بنابراین می‌توان جهت تأمین ذوب مورد نیاز واحدهای فولادسازی، درصد بالایی از مواد اولیه را بجای استفاده از ضایعات از طریق این محصول تأمین کرد.

*** روش‌های تولید آهن اسفنجی

برای تولید Sponge Iron روش‌های گوناگونی وجود دارد. اما مبنای همه این روش‌ها احیای مستقیم است. بطور کلی سه روش برای تولید گندله اسفنجی وجود دارد.

• استفاده از گاز طبیعی
• تولید به کمک زغال حرارتی
• روش میدرکس

*** احیای مستقیم بر پایه گاز طبیعی

یکی از روش‌های تولید Sponge Iron در واحدهای تولیدی استفاده از گاز طبیعی می‌باشد. آیا می‌دانید احیای مستقیم بر پایه گاز طبیعی چگونه انجام می‌شود؟ ابتدا لازم است بدانید که احیای مستقیم بر پایه گاز طبیعی بصورت استاندارد در کوره‌های استوانه‌ای انجام می‌شود. گاز طبیعی درکوره احیا بر پایه گاز نقش‌های متفاوتی بر عهده دارد.

نکته مهمی که باید بدانید این است که در فرآیند احیای سنگ آهن، گاز طبیعی به طور مستقیم نمی‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. زیرا در دمای کمتر از احیای سنگ آهن، تجزیه شده و دوده تشکیل می‌شود. به سه دلیل از گاز طبیعی در احیا سنگ آهن استفاده می‌شود.

• استفاده به عنوان ماده اولیه برای تولید گاز احیا
• جهت استفاده به عنوان سوخت برای تامین حرارت مورد نیاز کوره و مبدل گازی
• به عنوان عامل خنک کننده و کربن دهی برای آهن اسفنجی تولیدی

قبل از اینکه گاز طبیعی بتواند در احیای اکسید آهن استفاده شود، بایستی به هیدروژن و کربن مونواکساید تبدیل شود. برای این کار معمولا از بخار و یا دی اکسید کربن استفاده می‌شود و فرآیند در حضور کاتالیست‌هایی بر پایه نیکل در دمای بالا انجام می‌شود.

خوراک اکثر کوره‌های احیای مستقیم بر پایه گاز، گاز طبیعی است، اما به تازگی گازهای ترکیبی یا ساختگی نیز مورد توجه قرار گرفته‌اند. این گازها می‌توانند گازهای خروجی از یک فرآیند دیگر باشند. مانند گاز کوره کک پزی، گاز کوره بلند، فرایند کرکس (Corex) و یا به طور کامل یک محصول مصنوعی و ساختگی مانند آنچه در گازی سازی زغال سنگ انجام می‌شود باشد.

*** احیای مستقیم بر پایه زغال سنگ

شاید برایتان سوال باشد که احیا مستقیم سنگ آهن با استفاده از زغال سنگ چگونه انجام می‌شود؟ یکی از ویژگی‌های زغال سنگ این است که بدون اینکه در فرآیندهای گاز سازی وارد شود، به طور مستقیم به عنوان عامل احیا بکار می‌رود.

فرآیندهایی که بر پایه RHF و RK هستند معمولا از زغال سنگ به عنوان عامل احیا استفاده می‌کنند. در فرآیند بر پایه RHF کنسانتره سنگ آهن، زغال سنگ و افزودنی‌ها با یکدیگر ترکیب می‌شوند و از خود احیا کنندگی سنگ آهن و کلوخه‌های زغال سنگ استفاده می‌شود. با افزایش درجه حرارت، کربن و هیدروژن ناشی از خود احیاکنندگی کلوخه‌ها با اکسیژن واکنش داده و گاز مونواکسید کربن و هیدورژن تولید می‌شود.

در فرآیند RK کلوخه‌های اکسید آهن، زغال سنگ و شار به داخل کوره وارد می‌شوند. مجددا کربن و هیدورژن ناشی از واکنش زغال سنگ با اکسیژن و اکسید آهن در دمای بالا واکنش می‌دهند.

*** فرآیند میدرکس

فرآیند تولید آهن اسفنجی به روش میدرکس بسیار شبیه به احیای مستقیم بر پایه گاز طبیعی می‌باشد. در حقیقت در مناطقی که گاز طبیعی به مقدار زیادی وجود دارد، استفاده از احیای مستقیم بر پایه گاز طبیعی توجیه اقتصادی دارد. فرآیند میدرکس یک فرآیند احیای مستقیم نوع استوانه‌ای می‌باشد که گندله یا کلوخه سنگ آهن و یا ترکیبی از آنها در کوره احیای استوانه‌ای عمودی با استفاده از یک گاز احیا به آهن فلزی تبدیل می‌شود.

گاز احیا در این روش ترکیبی از گاز طبیعی (معمولا متان) و گازهای بازیافتی از کوره احیا می‌باشد. این ترکیب از میان لوله‌های کاتالیست جاری شده و بصورت شیمیایی به گازی حاوی هیدروژن و کربن مونواکساید تبدیل می‌شود. در این مرحله، گاز احیا دمایی نزدیک به ۹۰۰ درجه سانتیگراد را تجربه می‌کند. در این روش گاز در جهت مخالف درطول استوانه احیا بالا می‌رود و اکسیژن حامل‌های آهن را حذف می‌کند.

آهن اسفنجی در این روش بین ۹۰ تا ۹۴ درصد خلوص دارد. پس از آنکه آهن اسفنجی از انتهای شفت خارج شد، جهت تولید بریکت‌های آهنی گرم (HBI) فشرده می‌شوند. بریکت‌ها برای انبار کردن ایمن‌تر هستند و حمل و نقل آنها نیز ساده‌تر است. Sponge Iron یا HBI منابع مرغوبی از آهن هستند که عناصر ناخواسته در آنها وجود ندارد و در کوره‌های قوس الکتریکی (EAF) مورد استفاده قرار می‌گیرند تا آلودگی‌های موجود در قراضه‌ها را رقیق کنند.

*** جدول ترکیبات Sponge Iron

ترکیبات Sponge Iron در جدول زیر آمده است:

*** چگالی sponge Iron

همانطور که گفتیم برای تولید فولاد از ماده اولیه قراضه یا Sponge Iron استفاده می‌شود. چگالیSponge Iron نسبت به قراضه و ضایعات آهنی بیشتر است، بنابراین آهن قراضه کمتری در مقایسه با کلوخه‌های اسفنجی می‌توان به کوره شارژ کرد. چگالی آهن اسفنجی در شکل کلوخه ۱.۸ gm/cc و در شکل نرمه ۱.۷۵ gm/cc می‌باشد.

*** خطرات آهن اسفنجی

از خطرات این ماده اولیه می‌توان به قابلیت اکسیداسیون و زنگ زدگی آن اشاره کرد. بنابراین باید بلافاصله پس از تولید از آن محافظت شود و یا سریع به فولاد تبدیل شود. از دیگر خطرات آهن اسفنجی می‌توان به امکان اشتعال آن در حالت خمیری اشاره کرد. جهت جلوگیری از اکسیداسیون آهن اسفنجی می‌توان توسط گاز خنثی، سیلیکات سدیم، آهک و سپس قرار دادن در فضای سرپوشیده و بریکت سازی از این محصول حفاظت نمود.

*** تفاوت گندله و آهن اسفنجی

از کنسانتره آهن که آهن آسیاب شده است، گندله سنگ آهن تولید می‌شود و می‌توان از آن در واحدهای ذوب و واحدهای احیا مستقیم استفاده کرد. حال آنکه آهن اسفنجی از احیای مستقیم گندله آهن به دست می‌آید؛ ‌بطوری‌که هیچ فرآیند ذوبی صورت نمی‌گیرد. این محصول در کوره‌های ذوب مجتمع‌های فولادسازی همراه با ضایعات آهن به کار می‌رود.

*** کاربرد آهن اسفنجی

شاید برایتان سوال باشد که کاربرد آهن اسفنجی چیست؟ از کاربردهای این ماده اولیه می‌توان به استفاده از آن به‌جای ضایعات آهن در فرآیند ذوب اشاره کرد. کاربردهای این ماده در کوره‌های القائی بسیار بیشتر از دیگر روش‌های ذوب است. زیرا در این روش می‌توان با داشتن تجربه و دانش کافی، نزدیک به ۵۰ درصد آهن اسفنجی را جایگزین ضایعات آهنی کرد. همچنین از دیگر کاربردهای کلوخه اسفنجی می‌توان به ساخت آهن فرفورژه یا فولاد فرآوری‌ شده اشاره نمود.

*** مزایا و معایب sponge Iron

آهن اسفنجی دارای مزایا و ویژگی‌های مثبتی است که در ادامه آنها را بیان می‌کنیم.

• درصد گوگرد و فسفر پایین آن.
• عیار بالا و در نتیجه کیفیت فلزکاری بهتر.
• در مقایسه با آهن قراضه ضایعات کمتری دارد.
• سرعت تولید آن در مقایسه با قراضه آهنی بیشتر است.
• حمل و انبار کردن در حالت بریکت راحتتر است.
• امکان استفاده از آهن اسفنجی به صورت عامل خنک کننده در کوره های اکسیژنی وجود دارد.

Sponge Iron در کنار تمامی مزایایی که دارد، معایبی نیز دارد که در ادامه بیان می‌کنیم.

• خطر ناشی از خود اشتعالی، ذخیره و نگهداری آن را سختتر کرده است.
• فولاد اسفنجی مقداری ناخالصی سیلیسی دارد که باعث زنگ زدگی بیشتر آن می‌شود.
• فولاد تولید شده به روش احیای مستقیم سریعتر خورده می‌شود.

*** نتیجه گیری

آهن اسفنجی به دلیل داشتن مزایای بیشتر در مقایسه با قراضه آهنی، در فولاد سازی ترجیح داده می‌شود. این ماده اولیه با روش احیای مستقیم سنگ آهن بدست می‌آید. رایج ترین روش بدست آوردن آن روش میدرکس است. ویژگی‌های برتر و خلوص بالای این ماده اولیه باعث شده است بسیاری از تولیدکنندگان داخلی نیز فولاد سازی را با آن انجام دهند. از تولیدکنندگان بنام داخلی که آهن اسفنجی تولید می‌کنند می‌توان به مجتمع فولاد خوزستان، فولاد اردکان، فولاد میانه، آهن و فولاد گلگهر، فولاد سیرجان و شرکت کاوه جنوب کیش اشاره کرد. امیدواریم تا با مطالعه مقاله فوق پاسخ سوال‌هایتان را دریافت کرده باشید.