آهن اسفنجی چیست + روش تولید و 7 مزیت آهن اسفنجی

آهن اسفنجی احتمالا از آن دسته اصطلاحاتی نباشد که روزانه و به طور متداول به گوش رسد. این در حالی است که در سال‌های اخیر بیش از 5 درصد فولاد مصرفی جهان، از آهن اسفنجی حاصل می‌شود. این محصول از احیای مستقیم سنگ آهن به دست می‌آید و در فولادسازی و ریخته‌گری کاربرد گسترده‌ای دارد.

در ادامه به معرفی بیش‌تر و شرح مزایای این محصول می‌پردازیم. از آن‌جایی که در این روش برخلاف دیگر روش‌های تولید آهن، مشکلات زیست محیطی وجود ندارد و قیمت آن نیز مقرون به صرفه است، پیش‌بینی می‌شود که بکارگیری آن رشدی افزایشی داشته باشد.

اما این تنها مزیت آهن اسفنجی نیست. در مقاله امروز به تفصیل به شرح مزایا و نحوه ساخت این محصول خواهیم پرداخت. با ما تا انتهای مطلب همراه باشید.

آهن اسفنجی چیست؟

آهن اسفنجی (به انگلیسی Sponge Iron) از احیای مستقیم سنگ آهن (به شکل کلوخه، گلوله یا خاکروبه) یا همان (Direct Reduced Iron) که به اختصار DRI نامیده می‌شود، به دست می‌آید. طی عملیات احیای بی‌واسطه، بدون آن‌که لزومی به ذوب سنگ آهن باشد، اکسیژن آن حذف می‌گردد.

طی خروج و حذف اکسیژن، سنگ‌آهن به قطعه‌های کروی شکلی تبدیل می‌گردد. این محصول کروی شکل، در سطح خود همچون اسفنج سوراخ‌های کوچکی دارد و به همین علت، این چنین نامیده شده است. در این روش احیای سنگ آهن با عیاری مابین 84 تا 95 درصد، انجام می‌شود.

پس از آن محصول مورد نظر که آهن اسفنجی و در بعضی موارد گندله متخلخل نامیده می‌شود، به دست می‌آید. از این محصول پس از ذوب و احیا در فولادسازی و فرآیندهای ریخته‌گری استفاده می‌گردد.

همه‌چیز درباره مواد اولیه فولادسازی در مقاله مواد اولیه تولید فولاد چیست + 2 روش تولید فولاد

تاریخچه آهن اسفنجی

اگر بخواهیم به تاریخچه تولید و به‌کارگیری آهن اسفنجی بپردازیم، لازم است به سده شانزدهم میلادی بازگردیم. تولید آهن اسفنجی و استفاده از آن، نخستین روش برای به دست آوردن آهن در خاورمیانه و اروپا بود. با این نشانه‌ها و  شواهدی برای استفاده از روش شکوفه در چین وجود دارد.

اما چین کوره‌های انفجاری را برای به دست آوردن آهن چدن تا 500 سال پیش از میلاد ایجاد کرده بود. شروع استفاده از گندله متخلخل در ایران به سال 1389 برمی‌گردد. در آن سال‌ یکی از کارخانه‌های القایی یزد برای اولین بار آهن اسفنجی را مصرف کرد.

در ابتدا واکنش‌ها نسبت به آن به علت عدم آشنایی با نحوه شارژ آن، سختی کار در اثر کربن بالا و فسفر و وگوگرد موجود در آن، آنالیز ذوب را به هم می‌زد. رفته رفته واحدهای بزرگ و کوچک فولاد از این روش استفاده بسیاری می‌کنند.

چراکه ایران منابع طبیعی در دسترسی برای احیای مستقیم دارد و به تدریج و با گذشت زمان تولید‌کنندگان توانستند با روش‌هایی، راندمان کوره‌ها را افزایش داده و استفاده از آهن اسفنجی را ادامه دهند.

فرآیند تولید آهن اسفنجی چگونه است؟

تولید گندله متخلخل از سنگ‌آهن، معمولا به دو روش گازی و یا با استفاده از زغال‌سنگ، صورت می‌گیرد. معمولا در کشورهایی که دارای ذخایر گاز هستند، استفاده از روش گازی رایج‌تر است. در ایران نیز به‌طور مثال، فولاد خوزستان و فولاد مبارکه از گاز به عنوان ماده احیاکننده، استفاده می‌کنند.

برای تولید آهن اسفنجی با استفاده از گاز طبیعی، از فناوری‌های زیر استفاده می‌شود:

• میدرکس
• HYL
• Purofer

شناخته‌شده‌ترین روش‌های احیای مستقیم گازی، روش‌های میدرکس و HYL  هستند. شرکت ایریتک و نیز شرکت MMTE دارای لیسانس ساخت کارخانه‌های احیای مستقیم (از کوبه استیل ژاپن) با تکنولوژی میدرکس هستند (میدرکس تکنولوژی اصالتا آمریکایی است.)

منابع زغال سنگ:

1. SL/RN
2. Jindal
3. DRC

تولید آهن اسفنجی به روش میدرکس

این روش به‌عنوان پر استفاده‌ترین روش‌های تولید در ایران و جهان است. حدود ۸۰ درصد آهن اسفنجی ایران، به این روش تولید می‌گردد. در این روش، گاز طبیعی وارد واحد شکست گاز می‌شود، سپس بر اثر حرارت وارد شده و کتالیست‌های مخصوص به هیدروژن و کربن تبدیل می‌شود.

سپس این هیدروژن و کربن، به کوره‌ای تحت عنوان کوره احیا وارد شده و با اکسیژن گندله سنگ آهن ترکیب می‌شود و باعث احیای سنگ آهن می‌شود. بعد از آن روش HYL می‌باشد ولی مصرف بالای برق و مشکلات ظرفیتی دارد.

بنابراین روش HYL و روش‌هایی که بر مبنای زغال سنگ هستند، در ایران استفاده نمی‌شود. ترکیبات شیمیایی تولید این محصول به روش میدرکس در جدول زیر آمده است:

Production Range	Component
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/m3	Bulk Density

تولید آهن اسفنجی به روش احیا مستقیم

عمل احیا در روش‌های احیای مستقیم مانند آنچه در شکم کوره‌بلند رخ می‌دهد صورت می‌گیرد و گاز احیاکننده بر روی اکسیدآهن اثر می‌گذارد و آن را در چند مرحله احیا می‌کند. خوراک اکسید آهن در این روش به صورت گندله مختلخل است. چراکه لازم است توانایی عبور گاز احیا کننده وجود داشته‌ باشد.

گاز احیا کننده در رآکتورهای احیای مستقیم قبل از ورود به رآکتور، در رفورمرها از شکسته شدن گاز طبیعی (CH4) و تبدیل به CO و H2 تهیه می‌شود و پس از پیش‌گرم شدن تا دمای ۱۰۰۰ درجه‌سانتیگراد، وارد رآکتور احیای مستقیم می‌شوند.

در روش‌های احیای مستقیم حداقل ۹۰% اکسید آهن موجود در گندله به آهن فلزی تبدیل می‌شود. محصول رآکتور احیای مستقیم که صورت آهن اسفنجی جامد است به سهولت در دمای حدود ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد توسط سیستم انتقال مواد مستقیما به کوره‌های قوس الکتریکی (EAF) شارژ شده و عمل تصفیه و فولاد سازی بر روی آن انجام می‌شود.

تفاوت گندله و آهن اسفنجی در چه مواردی است؟

افشرده سنگ آهن ماده اصلی و اولیه برای تولید گندله است که به علت ریز بودن ذرات، نمی‌توان از آن به صورت مستقیم در فرآیند احیا استفاده کرد. گلوله‌هایی که از ترکیب افشرده سنگ آهنو چند نوع مواد افزودنی دیگر به تولید می‌رسند را گندله می‌نامند. در ابتدا این گلوله‌ها خام بوده و سپس پخته و سخت می‌شوند. پس از آن در فرآیند احیا به آهن اسفنجی تبدیل می‌شوند. درنهایت می‌توان چنین گفت که گندله ماده اولیه برای تولید آهن اسفنجی می‌باشد.

به آهن اسفنجی گندله متخلخل نیز گفته می‌شود که مهم است برای استفاده در کوره‌های احیا، ویژگی‌های مکانیکی و شیمیایی خاصی را دارا باشد. دیگر موادی که برای تولید گندله سنگ آهن استفاده می‌شود بنتونیت، شیر آهک، ماده آلی، آهک، آب و سیمان هستند.

سایرمواد اولیه برای تولید گندله‌ سنگ‌آهن عبارتند از:

• بنتونیت
• شیرآهک
• ماده‌ی آلی
• آهک
• آب
• سیمان

فرمول شیمیایی آهن اسفنجی

واکنش‌های احیا در تولید آهن اسفنجی بر اساس استفاده از زغال‌سنگ عبارت‌اند از:

C + O2 = CO2

CO2 + C = 2CO

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2

Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2

FeO + CO = Fe + CO2

متالیزیشن آهن اسفنجی

متالیزیشن آهن اسفنجی همان درجه آهنی شدن آهن اسفنجی است و هنگامی که در درصد آهن کل ضرب شود، میزان آهنی که به مذاب تبدیل شده است را مشخص می‌کند.

به عنوان مثال اگر آهن کل یا همان Fe Total آهن اسفنجی 92% درصد و درجه آهنی شدن 90% باشد، آهنی که به مذاب تبدیل می‌شود، می‌تواند حدودا 83%درصد باشد.

تفاوت کوره احیا و کوره میدرکس در چیست؟

روش HYL که از روش‌های تولید آهن اسفنجی است، از گاز طبیعی شکسته شده و بخار آب ( برای تولید بیش‌تر هیدروژن) استفاده می‌گردد. در این روش مقدار هیدروژن به نسبت مونوکسید کربن تولید شده بیش‌تر بوده که همین امر به احیای مستقیم سنگ آهن منجر می‌شود. عملکرد کوره احیا مشابه با کوره میدرکس است؛ با این تفاوت که فشار محیطی معادل با 7 اتمسفر خواهد بود.

چه روش‌ های دیگری برای تولید آهن اسفنجی وجود دارد؟

از دیگر از روش‌هایی که برای تولید آهن اسفنجی استفاده می‌شود، روش کوره تونلی و SL/RN است. کوره‎های تونلی بسیار طولانی هستند و سه مرحله پیش‌گرمایش، عملیات احیای سنگ آهن و خنک شدن را شامل می‌شوند.

در روش کوره تونلی، سنگ آهن به صورت خرد شده وارد کوره می‌شود و با قرارگیری در کنار زغال سنگ و مواجهه با حرارتی که از سوختن گاز طبیعی با اکسیژن حاصل می‌گردد، احیا می‌شود.

در مقابل روش SL/RN وجود دارد که در این روش نیز برای احیا، از زغال سنگ استفاده می‌شود و با استفاده از کوره‌های افقی آهن اسفنجی به تولید می‌رسد.

آهن اسفنجی چه کاربردی دارد؟

از آن‌جایی که در ایران منابع مختلفی برای استخراج و احیای آهنگری وجود دارد و عیار آهن اسفنجی نسبت به آهن بالا است، از آن در تولید فولاد و ریخته‌گری فولاد استفاده می‌گردد. در حقیقت گندله متخلخل، ماده اولیه تولید فولاد در ریخته‎گری می‌‎باشد که ذوب شده و به کمک آن می‌توان فولاد را تولید کرد.

پیش از تولید این  محصول، از ضایعات و قراضه‌ها در ریخته‌گری فولاد استفاده می‌شد. اما امروزه فولاد به دست آمده به واسطه وجود آهن اسفنجی علاوه بر کیفیت و عیار بالا، از استحکام بالایی نیز برخوردار است.

لازم به ذکر است که در پروسه تولید آهن اسفنجی، 5 درصد از مواداولیه به نرمه آهن اسفنجی تبدیل می‌شوند که کاربردهای گوناگون اما متفاوتی با آهن اسفنجی دارد.

چه مزایایی در استفاده از آهن اسفنجی وجود دارد؟

آهن اسفنجی از مزیت‌های بسیاری برخوردار است. همین امر منجر به آن می‌شود که این محصول به طور گسترده مورد استفاده قرار گیرد. این مزایا به شرح زیر هستند:

• آهن اسفنجی صرفه اقتصادی بسیاری دارد.
• عیار این محصول نسبت به آهن خام بالاتر است.
• در فرآیند تولید به روش مستقیم می‌توان از گاز طبیعی و بدون جداسازی ناخالصی‌ها استفاده کرد.
• کوره‌های القایی یا واحدهای احیای مستقیم نسبت به کوره‌های بلند هزینه کم‌تری دارند.
• مشکلات زیست محیطی در روش کوره بلند به نسبت احیای مستقیم بیش‌تر است.
• این محصول جایگزین مناسبی برای ضایعات است.
• جابه‌جایی و حمل و نقل آهن اسفنجی به صورت آهن گرم کلوخه شده بسیار آسان است.
• در روش احیای مستقیم در واحدهای کوچک فولادسازی نیز با توجیه اقتصادی مناسب می‌توان استفاده کرد. این در حالی است که در روش کوره بلند، صرفه اقتصادی تنها در ظرفیت‌های بالا وجود دارد.

بریکت چیست و تفاوت بریکت و آهن اسفنجی در چیست؟

هنگامی که آهن اسفنجی فشرده شود، به آن بریکت می‌گویند که مزایایی همچون حمل و نقل و ذخیره‌سازی آسان، مقاومت بالا در برابر ساییدگی و زنگ‌زدگی و احتمال پایین ایجاد تخلخل دارد. بسته به نوع مواد و دمایی که در آن بریکت‌زنی انجام می‌شود، انواع بریکت زیر وجود دارد:

• بریکت گرم
• بریکت سرد
• بریکت نرمه

بریکت گرم کاربردی‌ترین نوع بریکت است و در دمای 650 درجه سانتی‌گراد تولید می‌گردد. دو نوع دیگر مواد اولیه متفاوتی دارند و در دمای محیط تولید می‌شوند.

خطرات آهن اسفنجی شامل چه مواردی می‌شود؟

از مشکلاتی که می‌توان برای آهن اسفنجی نام برد، قابلیت اکسید شدن و بروز زنگ‌زدگی در آنان است؛ بنابراین لازم است که در زودترین زمان ممکن به فولاد تبدیل شود. یکی دیگر از خطراتی که می‌توان برای آهن اسفنجی نام برد، امکان اشتعال آن در حالت خمیری است.

برای آن‌که از اکسیداسیون جلوگیری شود، می‌توان با استفاده  از گاز خنثی، سیلیکات سدیم، آهک و قرارگیری در فضای سرپوشیده و بریکت سازی، از این محصول مراقبت کرد.

ریمیت آهن اسفنجی چیست؟

ریمیت آهن اسفنجی در واقع ریجکت شده و یا برگشت خورده آهن‌های اسفنجی‌ تولید شده‌ای است که به هر دلیل از لحاظ کیفیت، پایین‌تر از حد استاندارد هستند و یا به خوبی احیا نشده‌اند.

لجن آهن اسفنجی چیست؟

یکی از فرآورده‎های معدنی مهم که از آهن اسفنجی حاصل می‌شود، لجن آهن است. این فرآورده معمولا به صورت پودری است و در صنایع، نقش مهمی را ایفا می‌کند. پس از تولید آهن اسفنجی، ریزدانه‌های آن پس از برخورد با گازهای احیایی، شسته شده و به حوضچه‌های جمع‌آوری ذرات منتقل شده و رسوب خواهند کرد.

پس از آن، ریزدانه‌ها را در فضای انبار آب تخلیه می‌کنند و بعد از آن‌که این مواد به همراه آب، تبخیر شده و برای مخلوط با سایر بارهای فلزی برای تولید گندله یا آگلومره استفاده می‌شوند.

فروش آهن اسفنجی و کارخانه تولید آهن اسفنجی

نظر به تولید گسترده آهن اسفنجی در ایران و اختصاص رتبه اول در ساخت به خود، تبعا تولیدکنندگان در ایران شامل کارخانه‌ها و مراکز بسیاری می‎شوند:

• مجتمع فولاد خوزستان
• مجتمع فولاد مبارکه اصفهان
• مجتمع فولاد اردکان
• شرکت آهن و فولاد ارفع
• شرکت فولاد آذربایجان میانه
• شرکت توسعه آهن و فولاد گل گهر
• شرکت فولاد سیرجان ایرانیان
• شرکت فولاد غدیر نی ریز
• شرکت مجتمع جهان فولاد سیرجان
• شرکت صنعت فولاد شادگان
• شرکت کاوه جنوب کیش

گفتار آخر

در محتوای امروز به بررسی و معرفی آهن اسفنجی، کاربرد و مزایای استفاده از آن پرداختیم. این محصول که از طریق احیای مستقیم سنگ آهن به دست می‌‎آید، Direct Reduced Iron نامیده می‌شود و بیش از 5 درصد از فولاد مصرفی جهان، از آن تولید می‌‎گردد. با توجه به برخورداری از مزایایی همچون عدم وجود مشکلات زیست محیطی، قیمت مناسب و غیره، استفاده از این محصول رو به افزایش است.

سوالات متداول: