آهن اسفنجی چیست ؟ اگر شما هم از صنعتگران این مرز و بوم هستید حتماً برای شما هم این سوال پیش آمده و در پی آشنایی بیشتر با این محصول هستید. آهن اسفنجی، که به عنوان DRI یا آهن احیای مستقیم نیز گفته می‌شود، ماده‌ای است که از فرآیند احیای مستقیم سنگ‌آهن به دست می‌آید. در این فرآیند، سنگ‌آهن که می‌تواند به شکل کلوخه، گلوله یا خاکروبه باشد، بدون ذوب شدن احیا می‌شود.

در طی این فرآیند، گاز اکسیژن از سنگ‌آهن خارج می‌شود و سنگ‌آهن به قطعات کروی تبدیل می‌شود که سطح آن‌ها شبیه به اسفنج است و دارای سوراخ‌های کوچکی می‌باشد.

ایران، با استفاده از تلاش متخصصان داخلی در واحدهای صنعتی متعدد در سراسر کشور، تکنولوژی ساخت آهن اسفنجی را بومی‌سازی کرده و اکنون به عنوان دومین تولیدکننده بزرگ آهن اسفنجی در جهان شناخته می‌شود. در ادامه با شرح کاملی از کل پروسه آهن اسفنجی در خدمت شما هستیم. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد محصولات آلیاژی می‌توانید از وبسایت پارس مواد نقش جهان استفاده کنید.

فهرست

• آهن اسفنجی چیست 
• فرمول شیمیایی و مشخصات ظاهری آهن اسفنجی چیست
• روش‌های تولید آهن اسفنجی چیست
• مزایا و معایب آهن اسفنجی
• کاربرد آهن اسفنجی در تولید

آهن اسفنجی چیست 

آهن اسفنجی با نام‌های آهن احیای مستقیم یا DRI نیز شناخته می‌شود، یک فرآورده فلزی است که از تغییر سنگ آهن توسط گازهای احیا کننده مانند گاز طبیعی یا زغال سنگ به دست می‌آید. در این فرآیند، گاز اکسیژن از سنگ آهن خارج می‌شود و سنگ آهن به شکل قطعات کروی تبدیل می‌شود که سطح آن‌ها شبیه به اسفنج دارای سوراخ‌های کوچک است.

عیار آهن اسفنجی بین ۸۴ تا ۹۵ درصد است، که این مقدار بالا آن را به یک جایگزین مناسب برای آهن قراضه تبدیل کرده است. در سال‌های اخیر، تکنولوژی‌های متعددی مانند کوره‌های تونلی و میدرکس برای تولید آهن اسفنجی با بازده بالاتر ابداع شده‌اند.

تاریخچه آهن اسفنجی

از نظر تاریخچه تولید و استفاده از آهن اسفنجی در دنیا می‌توان گفت که، تولید آهن اسفنجی در خاورمیانه، مصر و اروپا شروع شد و تا سده شانزدهم مورد استفاده بود. در چین نیز، روش‌هایی مانند Bloomery و کوره بلند برای تولید آهن اسفنجی مورد  استفاده قرار داشتند.

اولین تولیدات آهن اسفنجی در انگلستان در سال 1792 رخ داد. با گذشت زمان، فرآیند تولید آهن اسفنجی یا DRI مدرن در اواسط قرن نوزدهم توسعه یافت و از سال 1920 به بعد، بیش از 100 فرآیند مختلف برای تولید آهن اسفنجی اختراع و عملیاتی شد.

ایده اصلی این فرآیند توسط دونالد بگز در شرکت میدلند برای اولین بار مطرح شد. اولین کارخانه آزمایشی برای تولید آهن اسفنجی به روش میدرکس در سال 1967 در تولدو، اوهایو ساخته شد و سپس در سال 1969، اولین کارخانه تجاری با ظرفیت تولید 150 هزار تن در پورتلند، اورگون افتتاح شد. تولید این محصول در ایران نیز از سال 1389 شروع شد و در کمتر از دو دهه، ایران به یکی از بزرگترین تولیدکنندگان آهن اسفنجی در جهان تبدیل شد. 

فرمول شیمیایی و مشخصات ظاهری آهن اسفنجی چیست

آهن اسفنجی، که نتیجه فرآیند احیای مستقیم سنگ آهن است، دارای شکل ظاهری منحصر به فردی است. این ماده فلزی به صورت قطعات کروی یا گندله‌های متخلخل است که سطح آن‌ها شباهت زیادی به اسفنج دارد.

با توجه به فرآیند تولید آن، سنگ آهن به قطعات کروی تبدیل می‌شود که سطح آن‌ها دارای سوراخ‌های کوچکی است. این ویژگی ظاهری باعث شده که به این محصول آهن اسفنجی گفته شود.

چون تغییرات حجمی در این ماده در طول فرآیند احیا نسبتا کم است، چگالی آهن اسفنجی کمتر از چگالی ماده خام است و دارای تخلخل زیادی است. به طور کلی، چگالی ظاهری آهن اسفنجی بین 2 تا 4 گرم بر سانتی متر مکعب است و تخلخل آن بین 50 تا 80 درصد می‌باشد.

فرمول شیمیایی آهن اسفنجی شامل یک فرآیند چند مرحله‌ای است که در آن سنگ آهن توسط گازهای احیا کننده مانند هیدروژن یا کربن مونوکسید به آهن فلزی تبدیل می‌شود. فرمول‌های شیمیایی مربوط به این فرآیند همراه با واکنش‌های آن‌ها به شرح زیر است:

این فرمول‌ها نشان می‌دهند که چگونه سنگ آهن توسط گازهای احیا کننده به آهن فلزی تبدیل می‌شود. این فرآیند در دمای زیر نقطه ذوب آهن انجام می‌شود.

روش‌های تولید آهن اسفنجی چیست

برای تولید آهن اسفنجی از سه روش اصلی زیر استفاده می‌شود:

1. روش گازی: در این روش، گازهایی مانند گاز طبیعی برای احیای سنگ آهن استفاده می‌شوند.
   
2. روش زغال سنگ: در این روش، زغال سنگ به عنوان ماده احیاکننده استفاده می‌شود.
   
3. روش میدرکس (MIDREX): این یکی از روش‌های احیای مستقیم است که در آن از گاز طبیعی به عنوان ماده احیاکننده استفاده می‌شود.

نکته:
در ایران، با توجه به دسترسی به ذخایر گاز، شرکت‌هایی مانند فولاد خوزستان و فولاد مبارکه از گاز طبیعی به عنوان ماده احیاکننده در تولید آهن اسفنجی استفاده می‌کنند.

 در ادامه مراحل تولید آهن اسفنجی  را در هر یک از روش‌های آن بررسی می‌کنیم.

روش گازی 

روش گازی تولید آهن اسفنجی یک فرآیند چند مرحله‌ای است که در آن سنگ آهن توسط گازهای احیا کننده مانند هیدروژن یا منواکسید کربن به آهن فلزی تبدیل می‌شود.

1. مرحله شکست گاز: در این مرحله، گاز طبیعی به واحد شکست گاز (ریفرمر) می‌رود. در اینجا، با استفاده از حرارت و کاتالیزورهای خاص، گاز طبیعی به هیدروژن و منواکسید کربن تبدیل می‌شود.
   
2. مرحله احیای سنگ آهن: سپس، مخلوط گازی حاصل از مرحله قبل به کوره احیا می‌رود. در این کوره، با استفاده از اکسیژن موجود در گندله سنگ آهن، آهن اسفنجی تولید می‌شود.
   
3. مرحله تولید آهن اسفنجی: در نهایت، سنگ آهن به قطعات کروی تبدیل می‌شود که سطح آن‌ها دارای سوراخ‌های کوچکی است. این ویژگی ظاهری باعث می‌شود که به این محصول آهن اسفنجی گفته شود.
   

این فرآیند در دمای زیر نقطه ذوب آهن انجام می‌شود.

روش زغال سنگ

تولید آهن اسفنجی با استفاده از زغال سنگ یک فرآیند چند مرحله‌ای است. این فرآیند شامل مراحل زیر است:

1. آماده‌سازی مواد اولیه: در این مرحله، توده‌های سنگ آهن (با اندازه ۵ تا ۱۸ میلی‌متر) با زغال سنگ و دولومیت ترکیب می‌شوند و در یک کوره چرخشی شیب‌دار قرار می‌گیرند.
   
2. گرمایش: مواد از مرحله قبل در حضور هوا گرم می‌شوند. این فرآیند حدوداً ۱۲ ساعت طول می‌کشد.
   
3. کاهش: در این مرحله، واکنش‌های شیمیایی رخ می‌دهند که باعث می‌شوند اکسید آهن (Fe2O3) در سنگ آهن به فلز آهن تبدیل شود. اگر زغال سنگ به عنوان ماده احیا کننده استفاده شود، کربن مونوکسید (CO) که از زغال سنگ تولید می‌شود، باعث احیا می‌شود.
   
4. خنک‌کردن: پس از خروج آهن از کوره، با استفاده از هوا و آب آن را خنک می‌کنند تا از اکسیداسیون مجدد آن جلوگیری شود.
   
5. غربالگری: پس از خنک‌کردن، آهن اسفنجی را غربال می‌کنند و ذرات یا ناخالی‌های بزرگ را حذف می‌کنند.
   
6. بریکت‌سازی یا گندله‌سازی: بسته به نیازهای محصول نهایی، می‌توان آهن را با استفاده از چسب و مواد افزودنی به بریکت تبدیل کرد.

این فرآیند نیز در دمایی کمتر از نقطه ذوب آهن انجام می‌شود.

روش میدرکس

روش میدرکس برای تولید آهن اسفنجی، یک فرآیند چند مرحله‌ای است که غالب مراحل در کوره‌های مخصوص این عملیات انجام می‌شود و طی آن سنگ آهن به آهن فلزی تبدیل می‌شود. این فرآیند شامل مراحل زیر است:

1. پردازش مواد اولیه: سنگ آهن خرد شده یا گندله سنگ آهن از بالای کوره به طرف پایین انتقال می‌یابد.
   
2. گرمایش و احیا: در مدت حدود ۶٫۵ ساعت، سنگ آهن در منطقه احیا با استفاده از گاز احیاکننده به آهن اسفنجی تبدیل می‌شود. گاز احیاکننده از بالای کلوخه‌شکن‌های فوقانی از طریق لوله کمربندی وارد کوره شده و در خلاف جهت نزول بار، جریان پیدا می‌کند.
   
3. تولید گاز احیاکننده: گاز طبیعی با ترکیب متان (که تقریبا 85 درصد گاز طبیعی را تشکیل می‌دهد) به عنوان گاز احیاکننده استفاده می‌شود. قبل از احیا برای آماده سازی روانه واحد شکست خواهد شد.
   
4. شکست گاز طبیعی: در واحد شکست، متان به دو عنصر احیا کننده هیدروژن و کربن تجزیه شده و پس از جداسازی، روانه کوره جهت احیا می‌شوند.
   
5. تولید آهن اسفنجی: در این فرآیند، گاز احیا کننده درون کوره دمیده می‌شود. گندله‌ها از قسمت بالایی کوره به سمت پایین سقوط می‌کنند و در این بازه زمانی گاز احیا کننده درون کوره دمیده خواهد شد.
   

این فرآیند در کل بر اساس اصول احیای مستقیم سنگ آهن انجام می‌شود.

مزایا و معایب آهن اسفنجی

آهن اسفنجی نوعی آهن با ساختار متخلخل است که در فرآیند تولید فولاد کاربرد دارد. این نوع آهن مزایا و معایب خاص خود را دارد:

مزایا:

• درصد آهن بالا: آهن اسفنجی دارای درصد بالایی از آهن است.
  
• سرعت تولید بالا: این روش نسبت به استفاده از آهن قراضه سرعت تولید بیشتری دارد.
  
• تاثیرات محیطی کمتر: استفاده از این نوع آهن تاثیرات مخرب کمتری بر محیط زیست دارد.
  
• هزینه کمتر: هزینه راه‌اندازی کوره بلند نسبت به کوره‌های احیای مستقیم بیشتر است.
  
• کیفیت بالا: کیفیت محصولات ریخته‌گری شده با آهن اسفنجی، به دلیل انسجام و عدم داشتن عناصر سمی، بسیار بالاست.

معایب:

• مصرف برق بالا: فرآیند تولید آهن اسفنجی به میزان زیادی انرژی برق نیاز دارد.
  
• محدودیت در ظرفیت تولید: ظرفیت تولید در فرآیند تولید آهن اسفنجی محدود است.
  
• محدودیت‌های عرضه گاز و برق: مشکلاتی مانند افزایش قیمت مواد اولیه، محدودیت‌های عرضه گاز و برق و نوسانات نرخ ارز می‌توانند بر بازار تولید آهن اسفنجی تاثیر گذار باشند.
  
• محدودیت‌های فنی در فرآیند: فرآیند تولید آهن اسفنجی با مشکلاتی همچون تولید حجم زیادی از سرباره و تخریب مواد نسوز کوره مواجه است.
  
• محدودیت‌های ماده اولیه: برخی از مواد اولیه ممکن است با فرآیند تولید آهن اسفنجی سازگار نباشند.
  
• نیاز به تکنولوژی پیشرفته: برای تولید آهن اسفنجی، نیاز به تکنولوژی پیشرفته و دقیق است.
  

این محدودیت‌ها می‌توانند تاثیر مهمی بر کیفیت و مقدار تولید آهن اسفنجی داشته باشند.

کاربرد آهن اسفنجی در تولید

آهن اسفنجی در صنایع مختلفی به طور مستقیم یا غیر مستقیم استفاده دارد. برخی از کاربردهای آهن اسفنجی عبارتند از:

1. کوره‌های القایی: آهن اسفنجی در کوره‌های القایی کاربرد دارد و می‌تواند تا 50 درصد قراضه را جایگزین کند.
   
2. صنعت فولادسازی: آهن اسفنجی در صنعت فولادسازی نیز کاربرد دارد.
   
3. تولید فولاد فرآوری‌شده یا آهن فرفورژه: آهن اسفنجی برای تولید فولاد فرآوری‌شده یا آهن فرفورژه نیز استفاده می‌شود.
   
4. تولید محصولات فولادی متنوع: آهن اسفنجی برای تولید محصولات فولادی متنوع مانند میله‌های TMT با کیفیت بالا، لوله‌های DI و غیره استفاده می‌شود.
   
5. خنک‌کننده در مبدل‌های LD کارخانه‌های فولادی: آهن اسفنجی به عنوان خنک‌کننده در مبدل‌های LD کارخانه‌های فولادی استفاده می‌شود.

به همین دلیل، آهن اسفنجی یکی از محصولات مهم در صنایع فولادی و متالورژی است.

آیا آهن اسفنجی در مقایسه با فولاد دارای قابلیت‌های بالاتری است؟

آهن اسفنجی و فولاد دو ماده با خصوصیات و کاربردهای متفاوت هستند. آهن اسفنجی یک ماده اولیه است که در فرآیند تولید فولاد به کار می‌رود. از سوی دیگر، فولاد یک فلز است که از ترکیب آهن، کربن و سایر عناصر بوجود می‌آید و در ساخت سازه‌ها، ابزارها و ماشین‌آلات کاربرد دارد.

آهن اسفنجی دارای مزایای منحصر به فرد خود است. به عنوان مثال، به دلیل داشتن ساختار متخلخل، سطح ویژه آن بیشتر است و می‌تواند به طور موثرتری با مواد دیگر برای تولید حرارت و سوختن واکنش نشان دهد. علاوه بر این، استفاده از آهن اسفنجی در فرآیند تولید فولاد می‌تواند منجر به کاهش هزینه‌ها و افزایش بهره‌وری شود.

اما این بدان معنی نیست که آهن اسفنجی قابلیت‌های بالاتری نسبت به فولاد دارد. هر دوی این محصولات دارای کاربردها و خواص خاص خود هستند و انتخاب بین آن‌ها بستگی به نیازهای خاص صنعت مورد نظر دارد. به عنوان مثال، فولاد به دلیل مقاومت بالا در برابر خوردگی و استحکام مکانیکی بالا در ساخت سازه‌های مهندسی، ابزارها و قطعات ماشین‌آلات استفاده می‌شود، در حالی که آهن اسفنجی به عنوان یک ماده اولیه در فرآیندهای تولید فولاد به کار می‌رود.

برای کسب اطلاعات بیشتر و دریافت مشاوره‌های تخصصی با کارشناسان پارس مواد نقش جهان در تماس باشید.

برای مطالعه بیشتر:

گندله چیست: ماده‌ای ارزشمند در صنعت فولادسازی

سنگ آهن چیست : معجزه‌ای از طبیعت، در خدمت انسان