آهن خام چیست؛ روش تولید، انواع و کاربرد آن

آهن خام از مهم‌ترین محصولات حین تولید فولاد محسوب می‌شود. آهن‌دومین فلز فراوان در پوسته زمین بعد از آلومینیوم می‌باشد. تمایل ترکیب شدن آهن با اکسیژن بسیار بالاست؛ به همین دلیل است که این عنصر بصورت خالص در طبیعت یافت نمی‌شود. برای رسیدن به آهن با خلوص بالا باید سنگ آهن استخراج شده از معادن را خالص سازی کرد. سنگ‌آهن استخراج شده دارای ناخالصی‌هایی از جمله سیلیکات و آلومینات می‌باشد که بایستی این ناخالصی‌ها حذف شوند. برای اینکه با چگونگی تولید آهن‌خام، انواع و کاربردهای آن بیشتر آشنا شوید، توصیه می‌کنیم حتما در ادامه با ما همراه باشید.

*** آهن خام چیست؟

آهن خام (Crude Iron) که با نام چدن خام (Pig Iron) نیز در صنعت شناخته می‌شود، یک محصول میانی فولادی است که از فرآیند ذوب و خالص سازی سنگ‌آهن بوجود می‌آید. از این محصول میانی برای تولید محصولات پایانی مانند میلگرد، ورق و تیرآهن استفاده می‌شود. چدن خام حاوی مقادیر بسیار زیادی کربن (بین ۳.۸ تا ۴.۷ درصد) به همراه مقادیر کمی سیلیس، منگنز، فسفر و برخی مواد دیگر است. وجود درصد بالای کربن در چدن خام باعث می‌شود که ساختار این ماده ترد و شکننده باشد و قابلیت چکش خواری نداشته باشد.اگر نمیدانید چدن چیست، حتما مقاله آنرا مطالعه فرمایید..

به آهن خام در اصطلاح انگلیسی Pig Iron گفته می‌شود. بصورت تحت اللفظی pig به معنای خوک است. ممکن است برایتان سوال پیش بیاید که چرا به این محصول این نام را نسبت داده‌اند؟ درگذشته و به صورت سنتی برای تولید شمش چدن خام از یک قالب با ساختار شاخه‌ای درون ماسه استفاده می‌شده است. به این صورت که یک کانال مرکزی تعبیه می‌شد و در دو طرف آن قالب‌های شمش قرار داشت. فلز مذاب وارد این کانال شده و به درون قالب های شمش سرازیر می‌شد. این عمل شبیه به خوکی بود که در حال تغذیه بچه‌های خود می‌باشد و به دلیل همین تشابه به این نوع از‌آهن Pig Iron گفته می‌شود که البته در زبان فارسی ما آن را به آهن‌یا چدن خام می‌شناسیم.

*** تاریخچه آهن یا چدن خام

ذوب و تولید آهن‌کار شده (Wrought Iron) به صورت سنتی در اروپای قدیم و خاورمیانه انجام می‌شده است، اما این کار درون بلومر و با احیای مستقیم صورت می‌گرفت. قبل از قرون وسطی چدن خام در اروپا تولید نمی‌شد. چینی ها در دوره سلسله ی ژو (Zhou) که ۲۵۶ سال قبل از میلاد به پایان رسید چدن خام تولید می‌کردند. این احتمال وجود دارد که توسعه صنعت فولاد و آهن‌در اروپا به دلیل ارتباطاتی بوده باشد که از طریق ایران و چین و در امتداد جاده ابریشم با اروپاییان برقرار شده است. در گذشته تبدیل فاز آهن‌به مایع درون کوره یک عمل بسیار خسته کننده و سخت بوده است، زیرا با فناوری آن زمان امکان کربن زدایی آهن‌خام وجود نداشته است.

*** انواع آهن خام

چدن خام از نظر میزان کربن و ناخالصی دارای انواع مختلفی است. برای حرارت دادن سنگ‌آهن از کک با حرارت بسیار بالا استفاده می‌شود. در نتیجه آهنی که تولید می‌شود درصد بالایی کربن دارد. این نوع از آهن‌به صورت سرد با نام آهن‌خام تجاری (Merchant pig iron) شناخته می‌شود که به صورت شمش یا بلوک به فروش می‌رسد. این نوع از چدن خام به مراکز تولید فولاد به عنوان خوراک فروخته می‌شود. انواع آهن‌خام تجاری براساس میزان کربن و ناخالصی دسته بندی شده است که در ادامه بیان می‌کنیم.

*** دسته بندی از نظر ترکیب و ناخالصی

• آهن‌خام پایه  (Basic pig iron): در کوره‌های قوس الکتریکی و به منظور تولید فولاد مصرف می‌شود.
• آهن‌یا چدن خام ریخته گری (Foundry pig iron) : این نوع از آهن‌با نام آهن‌خام هماتیت نیز معرفی می‌شود و در کوره کوپل برای ریخته گری چدن خاکستری مصرف می‌شود.
• آهن‌یا چدن خام خلوص بالا (High purity pig iron) : یک معادل برای آهن خام کروی (Nodular) است و برای تولید چدن نشکن (Ductile Iron) استفاده می‌شود.

از نظر رنگ و ظاهر، آهن‌یا چدن خام دارای سه نوع سفید، خاکستری و نیمه خاکستری می‌باشد. در ادامه آنها را معرفی می‌کنیم.

*** ترکیب از نظر رنگ و ظاهر

• آهن‌خام سفید: رنگ این‌آهن برخلاف نامش نقره‌ای بوده و وزن مخصوصش نیز ۷.۴ می‌باشد. سطح شکست آن هم ریزدانه و روشن است. در آهن‌یا چدن خام سفید، منگنز به فراوانی یافت می‌شود و خمش آن هم خیلی سخت و ترد است. گرمای ذوب این‌آهن حدود ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد بوده و در صنعت فولاد سازی از آن استفاده می‌شود.
• آهن‌خام خاکستری: رنگ این‌آهن همان‌طور که از اسمش پیداست، خاکستری بوده و وزن مخصوص آن هم ۷.۲ می‌باشد. سطح شکست این‌آهن درشت دانه و خاکستری رنگ بوده و سیلیسم زیادی هم در آن وجود دارد. شکست آهن‌خاکستری ترد نمی‌باشد و از آهن‌سفید به مراتب نرم‌تر است. گرمای ذوب این‌آهن حدود ۱۲۰۰ درجه‌ی سانتیگراد بوده و کاربرد آن هم در چدن ‌ریزی می‌باشد.
• آهن‌خام نیمه خاکستری: جنس این آهن تلفیقی از دو آهن خام سفید و خاکستری است و از آن در تهیه‌ی فولاد و چدن سخت استفاده می‌شود.

*** مراحل تولید آهن خام از سنگ آهن

دو روش برای تولید آهن یا چدن خام از سنگ‌آهن مورد استفاده قرار می‌گیرد. در هر دو روش تمامی ناخالصی‌ها از جمله سیلیکات و آلومینات از سنگ‌آهن جدا شده و در نهایت آهن‌خام تولید می‌‌شود. در مورد مراحل تولید آهن یا چدن خام از سنگ‌آهن می‌‌توان مراحل هر دو روش را به صورت جداگانه توضیح داد. برای اینکه آهن‌خام تولید شود می ‌بایست سنگ‌آهن را فرآوری کرد. در واقع سنگ‌آهن را نمی‌‌توان به صورت مستقیم و بدون تغییر برای تولید آهن یا چدن خام مورد استفاده قرار داد. بنابراین سنگ‌آهن فرآوری شده که با نام‌ های مختلف از جمله سنگ دانه بندی شده، کنسانتره آهن و گندله آهن شناخته می‌‌شود به منظور تولید آهن خام مورد استفاده قرار می‌گیرد.

*** روش کوره بلند

نخستین روشی که برای تولید آهن یا چدن خام مورد استفاده قرار می‌گیرد روش کوره بلند است. در واقع این روش اولین روشی بوده است که توسط بشر ابداع شده و آهن خام با این روش تولید و به خدمت بشر در آمده است. درصد زیادی از فولاد جهان نیز به همین روش تولید می‌شود. در ابتدا سنگ‌آهن که به صورت فرآوری شده با نام سنگ دانه بندی و کنسانتره آهن تولید شده است با ترکیب آهک و کک از بالا به صورت لایه‌ای در داخل کوره ریخته می‌شوند.

دمای مورد نیاز برای تولید آهن یا چدن خام در این کوره حدود ۳۰۰ درجه سانتیگراد است. در این دما کک می‌تواند با اکسیژن هوا ترکیب شده و با استفاده از سوختن ناقص کک، گرمای لازم برای ذوب شدن سنگ‌آهن تامین شود. حال با استفاده از افزایش درجه حرارت و تاثیر گاز مونوکسید کربن که توسط احتراق ناقص کک آزاد می‌شود، آهن احیا شده و یا به عبارتی آهن‌خام تولید می‌شود.

*** روش قوس الکتریکی

روش قوس الکتریکی برای تولید آهن خام در مقایسه با کوره بلند قدمت چندانی ندارد. این روش بر پایه استفاده از آهن‌اسفنجی و قراضه فولاد است. آهن اسفنجی از احیای مستقیم اکسید آن در کوره‌های احیا مستقیم تولید می‌شود. در احیا مستقیم با تجزیه گاز طبیعی به گازکربن مونواکسید و هیدروژن سنگ‌آهن در حالت جامد به آهن اسفنجی احیا می‌شود. آهن اسفنجی با ۷.۱ درصد کربن و عیار بالای ۹۲ درصد آهن، ساختاری متخلخل دارد. برای فولادسازی، آهن‌اسفنجی یا آهن‌قراضه به همراه آهک، کک و بنتونیت وارد کوره قوس شده و پس از حذف ناخالصی‌ها به عنوان ماده اولیه برای تولید شمش فولاد به واحد ریخته‌گری ارسال می‌شود.

*** نتیجه گیری

آهن خام از مهم‌ترین محصولات میانی در فرآیند تولید فولاد محسوب می‌شود که برای تولید محصولات پایانی مانند میلگرد، تیرآهن و ورق بسیار کاربردی است. این محصول از فرآوری سنگ‌آهن استخراج شده بدست می‌آید. چدن خام دارای انواع مختلفی می‌باشد که براساس خلوص و رنگ تقسیم بندی می‌شود. برای تولید چدن خالص از دو روش کوره بلند یا قوس الکتریکی استفاده می‌شود. امیدواریم تا با مطالعه این مقاله پاسخ سوال‌هایتان را دریافت کرده باشید.