یکی از مواد تشکیل‌دهنده آهن‌آلات، سنگ‌آهن است. همان‌طور که انتظار می‌رود لازم است طی فرآیندهای مختلفی سنگ‌آهن به آهن تبدیل گردد.

یکی از انواع سنگ‌آهن که در تولید آهن‌آلات نقش مهمی دارد، آهن اسفنجی است. استفاده از آهن اسفنجی نه تنها مشکلات زیست‌محیطی به همراه ندارد، بلکه بسیار مقرون به صرفه است. در ادامه بررسی و معرفی آهن اسفنجی، روش تولید، کاربرد و مزایای آن خواهیم پرداخت.

تاریخچه استفاده از آهن اسفنجی به چه زمان باز می‌گردد؟

استفاده از آهن اسفنجی برای اولین بار به سده 16 میلادی در اروپا و خاورمیانه باز می‌گردد. از طرف دیگر کوره‌های انفجاری برای دست‌یابی به آهن، 500 سال پیش از میلاد مسیح در چین تولید شد. همچنین در سال 1389 در کشور ایران، یکی از کارخانه‌های القایی یزد به استفاده از آهن اسفنجی روی آورد.

تاریخچه استفاده از آهن اسفنجی به چه زمانی باز می‌گردد

اگرچه در آغاز عللی همچون عدم آشنایی با چگونگی شارژ نمودن آن، سبب عدم استقبال کارخانه‌ها و صنایع از آهن اسفنجی شد، اما رفته‌رفته صنایع مختلف به علت برخورداری از مزایای بسیار، به استفاده از آهن اسفنجی روی آوردند.

آهن اسفنجی چیست؟

آهن اسفنجی یا گندله متخلخل که به انگلیسی Sponge Iron نام دارد، ماده‌ای کروی شکل است که از احیای مستقیم سنگ‌آهن به تولید می‌رسد و در اصطلاح تخصصی Direct Reduced Iron یا DRI نامیده می‌شود.

از آن‌جایی که بافت این محصول، اسفنجی‌مانند و دارای سوراخ‌هایی بر سطح خود است، با عنوان آهن اسفنجی شناخته می‌شود.

آهن اسفنجی، عیار بالایی از آهن را دارا می‌باشد و طی پروسه حذف اکسیژن به شکل گرد و کروی در می‌آید. لازم به ذکر است که چیزی در حدود 5 درصد فولاد جهان، توسط آهن اسفنجی تامین می‌گردد.

روش تولید آهن اسفنجی چیست؟

تولید آهن اسفنجی به‌ طور معمول یا از طریق روش گازی و یا از طریق روش زغال‌سنگ انجام‌پذیر است. در کشور ایران به علت وجود منابع گازی، از گازها به عنوان مواد احیاکننده استفاده می‌کنند.

در تولید گندله متخلخل از فناوری‌های مختلفی مانند میدرکس، HYL و یا Sl/rn استفاده می‌کنند.

روش تولید آهن اسفنجی

تولید آهن اسفنجی با روش میدرکس چگونه انجام می‌شود؟

کاربردی‌ترین روش تولید آهن اسفنجی، روش میدرکس است که در آن از گاز طبیعی استفاده می‌کنند. ابتدا گاز طبیعی به واحد شکست گاز وارد می‌شود و پس از آن به علت حرارت وارد شده و کاتالیست‌ها، به کربن و هیدروژن تبدیل می‌گردند.

این 2 عنصر در کوره احیا، با اکسیژن گندله سنگ‌آهن ترکیب شده و سنگ‌آهن را احیا می‌نمایند. بیش از نیمی از آهن اسفنجی در ایران (80 درصد) با روش میدرکس تولید می‌گردد.

ترکیبات شیمیایی تولید آهن اسفنجی به روش میدرکس در جدول زیر آورده شده است:

Production RangeComponent
86-85.9%Fe (total)
Min 90%Fe (metallization)
78.5-82%Fe (metal)
1.3-2%C
Max 0.01%S
Max 0.1%P
Max 5.5%SiO2
Max 1%Al2O3
Max 1.1%CaO
Max 2.5%MgO
1.6-1.9 tons/m3Bulk Density

تولید آهن اسفنجی به کمک روش HYL

احیای سنگ‌آهن در این روش، به کمک گاز طبیعی انجام می‌گیرد. تفاوت این روش با میدرکس در آن است که در این فرآیند، پیچیدگی و صرف هزینه بیش‌تری وجود دارد.

برای احیای سنگ‌آهن، لازم است ابتدا مواد مورد نیاز آماده شده و پس از آن تجزیه گاز طبیعی انجام شود. 

در قسمت آماده‌سازی گاز طبیعی، ابتدا گاز طبیعی متان همراه با بخار آب ترکیب می‌شود و به عناصر تشکیل‌دهنده تجزیه می‌گردد.

پس از آن، این عناصر در کوره با سنگ‌آهن دمیده می‌شوند. نهایتا محصول حاصل شده، آهن اسفنجی نام دارد. آهن اسفنجی تولید شده، کربن نسبتا زیادی دارد و اصطلاحا کربوره می‌شود.

تولید آهن اسفنجی به کمک روش sl/rn

در این روش به جای گاز طبیعی از زغال‌سنگ استفاده می‌کنند و در قسمت تغذیه آن، مواد با یک‌دیگر ترکیب می‎گردند. سنگ‌آهن یا کلوخه آهن به قسمت تغذیه‌کننده وارد می‌شوند و آهک، دولومیت و زغال‌سنگ به آن اضافه می‌گردد. 

پس از آن، این مواد برای فرآیند احیا به کوره افقی ارسال می‌گردند. دولومیت و آهک موجود در مواد به حفظ درصد گوگرد مورد نیاز کمک می‌کند.

کوره افقی دارای شیب بسیار کمی است و به شکل دورانی حرکت می‌کند. پس از آن، به کوره تا جایی دما داده می‌شود که زغال سنگ کک نشده و شروع به سوختن و در نتیجه تولید کربن‌دی‌اکسید نماید.

تولید CO2 تا جایی ادامه دارد که سنگ‌آهن به طور کامل احیا گردد. در مرحله بعد دمای سنگ‌آهن را کاهش می‌دهند و به کمک روش‌های مغناطیسی، آهن اسفنحی را جدا می‌نمایند.

میزان چگالی و آنالیز آهن اسفنجی

چگالی آهن اسفنجی به نسبت آهن‌ قراضه بیش‌تر است. به همین علت می‌توان مقادیر بیش‌تری از آن را شارژ کرد. درصد عناصر آهن اسفنجی در جدول زیر ارائه شده است:

به‌ طور کلی، چگالی آهن اسفنجی به شکل کلوخه، gm/cc 1.80 و به شکل نرمه،  gm/cc 1.75 است. همچنین میزان عیار آن مابین 84 تا 95 درصد می‌باشد.

ردیفعنصردرصد
1Fe (مجموع)85.9% تا 86%
2Fe (متالیزاسیون)حداقل 90%
3Fe (فلز)78.5% تا 82%
4C (کربن)1.3% تا 2%
5S (گوگرد)حداکثر 0.01%
6P (فسفر)حداکثر 0.1%
7SiO2حداکثر 5.5%
8Al2O3حداکثر 1%
9CaOحداکثر 1.1%
10MgOحداکثر 2.5%

فرمول شیمیایی آهن اسفنجی

احیای اکسید به فلز در چند مرحله انجام می‌شود و در هر مرحله با حذف اکسیژن، اکسیدهای مختلفی به تولید می‌رسند. واکنش‌های احیا در تولید آهن اسفنجی مطابق با استفاده از زغال‌سنگ عبارت‌اند از:

C + O2 = CO2

CO2 + C = 2CO

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2

Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2

FeO + CO = Fe + CO2

تفاوت گندله و آهن اسفنجی چیست؟

گندله سنگ‌آهن از کنسانتره آهن تولید می‌گردد و امکان استفاده در واحدهای ذوب و احیا را به صورت مستقیم دارا است.

در مقابل، آهن اسفنجی از احیای مستقیم گندله آهن به تولید می‌رسد. به‌ نحوی‌که هیچ‌گونه فرآیند ذوب انجام نمی‌شود. آهن اسفنجی در کوره‌های ذوب کارخانه‌های فولادسازی به همراه ضایعات آهن مورد استفاده قرار می‌گیرد.

به‌ طور کلی، گندله و آهن‌ اسفنجی از لحاظ روش تولید، کاربرد، آنالیز و ترکیبات شیمیایی و قیمت با هم‌ دیگر تفاوت دارند.

تفاوت بریکت و آهن اسفنجی چیست؟

بریکت، همان آهن اسفنجی می‌باشد که در حقیقت از فشرده‌سازی آهن اسفنجی تولید می‌گردد. بریکت انواع مختلفی دارد که شامل بریکت نرمه، سرد و گرم می‌شوند.

تفاوت بریکت و آهن اسفنجی در چیست؟

کاربرد آهن اسفنجی چیست؟

همان‌طور که می‌دانید و پیش‌تر نیز به آن اشاره شد، کشور ایران دارای منابع مختلف نفت و گاز است. به علت عیار بالای آهن اسفنجی، در تولید فولاد و ریخته‌گری از آن استفاده می‌شود؛ چراکه آهن اسفنجی ماده اولیه تولید فولاد به حساب می‌آید که پس از ذوب شدن می‌توان از آن فولاد را تهیه کرد.

برخلاف سال‌های قبل که از ضایعات و قراضه‌ها در ریخته‌گری استفاده می‌گردند، امروزه آهن اسفنجی در این صنعت بکار گرفته می‌شوند و محصول باکیفیت‌تری را نیز ارائه می‌دهد.

مزایای استفاده از آهن اسفنجی چیست؟

استفاده از آهن اسفنجی با مزایای بسیاری همراه است که شامل موارد زیر می‌شود:

  • جایگزین مناسب برای ضایعات
  • عیار بالاتر نسبت به آهن خام
  • امکان تولید به صورت مستقیم از گاز طبیعی و بدون جداسازی ناخالصی
  • برخورداری از صرفه اقتصادی
  • عدم آسیب‌رسانی به محیط زیست
  • حمل و نقل آسان آهن اسفنجی به شکل آهن گرم کلوخه شده

خطرات آهن اسفنجی چیست؟

یکی از مشکلات و خطرات آهن اسفنجی، امکان اکسیداسیون و زنگ‌زدگی آن است؛ به همین خاطر، لازم است برای آهن اسفنجی محافظی در نظر گرفته شود.

برای جلوگیری از اکسیداسیون گندله متخلخل، می‌توان به کمک گاز خنثی، سیلیکات سدیم، آهک و سپس قراردهی در فضای سرپوشیده و بریکت‌سازی، از آهن اسفنجی محافظت کرد.

از دیگر مشکلاتی که برای آهن اسفنجی به حالت خمیری وجود دارد، اشتعال‌پذیری آن است. 

دلیل آتش گرفتن آهن اسفنجی چیست؟

آهن اسفنجی به علت داشتن سطح ویژه بسیار بالا، تمایل به اکسیداسیون مجدد و در بعضی موارد آتش‌سوزی در محیط‌های دارای اکسیژن دارد.

در فرآیند احیای مستقیم سنگ‌آهن، اکسیژن از سنگ‌آهن خارج می‌شود و محصول به دست آمده به شکل توپ‌های کروی‌شکل متخلخل خواهد بود.

وجود همین حفره‌ها منجر به افزایش سطح ویژه آهن اسفنجی می‌گردد و آن را به ماده‌ای بسیار فعال تبدیل می‌نماید.

جمع بندی

آهن اسفنجی یا گندله متخلخل به ماده‌ای کروی‌شکل و توپ‌مانند گفته می‌شود که بر سطح خود سوراخ‌های بسیاری دارد و بافت آن اسفنجی‌مانند است.

آهن اسفنجی از طریق یکی از 3 روش میدرکس، HYL و یا Sl/rn تولید می‌گردد. آهن اسفنجی یکی از مواد اولیه در تولید فولاد است و استفاده از آن به میزان چشم‌گیری در هزینه‌ها صرفه‌جویی می‌نماید.

Source:
* WHAT IS SPONGE IRON AND HOW IS IT MADE?

سوالات متداول

تفاوت گندله و آهن اسفنجی چیست؟

گندله و آهن اسفنجی در قیمت، روش تولید، کاربرد، ترکیبات شیمیایی و غیره با هم دیگر متفاوت هستند.

خطرات آهن اسفنجی چیست؟

امکان اشتعال و خطر زنگ‌زدگی، از مشکلات آهن اسفنجی می‌باشد.

تفاوت بریکت و آهن اسفنجی چیست؟

بریکت همان آهن اسفنجی است با این تفاوت که از فشرده‌سازی آهن اسفنجی تولید می‌شود.