آهن اسفنجی و دلیل آتش گرفتن آهن اسفنجی

آهن یکی از پرکاربردترین متریال‌ در صنایع مختلف است، اما وقتی به صورت سنگ آهن از معدن استخراج می‌شود، هیچ کاربردی ندارد. روش‌های مختلفی برای تبدیل سنگ آهن به متریال قابل استفاده برای صنایع مختلف وجود دارد که یکی از آن‌ها تولید آهن اسفنجی یا گندله متخلخل است. 

این محصول بدون نیاز به ذوب سنگ آهن تولید می‌شود و تنها به احیای مستقیم و خروج اکسیژن از سنگ‌ها نیاز دارد. گندله‌های متخلخل معمولا عیار بالا (بیشتر از ۸۴ درصد) دارند، به همین دلیل به عنوان جایگزین مناسب‌تر و با ارزش‌تر شمش‌های قراضه شناخته می‌شوند. این محصول در کارخانه‌های ایرانی هم تولید می‌شود و حتی علاوه بر تأمین نیاز بازار داخل، امکان صادرات آن هم وجود دارد. در این مقاله توضیح می‌دهیم آهن اسفنجی چیست، چه کاربردی دارد و چطور تولید می‌شود.

آهن اسفنجی چیست؟

آهن اسفنجی (sponge iron) ماده‌ای به شکل خاکروبه، کلوخه و یا گلوله است که در فرآیند احیای مستقیم (Direct Reduced Iron) یعنی بدون نیاز به ذوب ایجاد می‌شود. پس از استخراج سنگ­ آهن از معدن، به‌­منظور تولید این محصول نیاز است که اکسیژن آن را جدا کنند. برای‌­این‌­مقصود بدون‌­آنکه سنگ آهن ذوب شود باید به­‌کمک گازهای کاهنده، آن‌­را تحت حرارت بالا قرار داد. این محصول به خاطر خروج اکسیژن از قطعه‌های سنگ آهن، متخلخل است و به همین دلیل با نام اسفنجی یا گندله متخلخل شناخته می‌شوند؛ گندله‌ها معمولا به شکل کره هستند.

عیار بالای این نوع آهن صنعتگران را بر آن داشته تا آن را جایگزین قراضه و ضایعات آهن کنند. فرایند تولید آهن اسفنجی بهینه است، هزینه کم‌تری دارد و مشکلات زیست‌محیطی کم‌تری نسبت به سایر روش‌های فرآوری سنگ آهن ایجاد می‌کند. البته در حال حاضر تنها ۵ درصد از صنایع، مصرف‌کننده این آهن هستند. اما مزیت‌های این محصول باعث می‌شود در آینده‌ای نه چندان دور، سهم بیشتری از مصرف صنایع وابسته را به خود اختصاص بدهد.

تاریخچه آهن اسفنجی

اولین استفاده از این محصول فولادی به کشورهای شرقی و همچنین اروپا بازمی­‌گردد. همچنین مدتی بعد در چین نیز این محصول به روش شکوفه یا همان Bloomery تولید شد. تاریخچه شروع استفاده و تولید فولاد اسفنجی در ایران به سال 89 برمی‌گردد که کارخانه‌ه­ای در یزد شروع به استفاده از این محصول در کوره­‌های القایی خود کرد. طولی نکشید که مصرف آن درتمام ایران فراگیر شد تا جایی‌­که اکنون 90 درصد خوراک فولادسازان داخلی را به خود اختصاص داده­‌است.

لجن آهن اسفنجی چیست؟

این محصول از فرآورده‌های معدنی است که در حین تولید آهن اسفنجی به دست می‌آید و با نام لجن آهن اکسیدی هم شناخته می‌شود. این ماده به صورت پودری به دست می‌آید و در سطح تناژ خرید و فروش می‌شود؛ حتی بعضی از کارخانه‌های تولیدکننده این محصول، به خاطر حجم بالای لجنی که تولید می‌کنند، امکان صادرات آن را هم به دست آورده‌اند. مهم‌ترین کاربردهای لجن آهن اکسیدی عبارت است از:

• تبدیل به محصولات مختلف مانند آگلومره
• تولید گندله آهن
• تولید محصولات و مقاطع فولادی

کاربرد آهن اسفنجی چیست؟

آهن اسفنجی متریال اصلی است که در ریخته‌گری برای تولید فولاد مورد استفاده قرار می‌گیرد. در واقع این متریال در کوره‌های القایی تا ۵۰ درصد جایگزین قراضه شده است و با ذوب آن می‌توان فولاد تولید کرد. در نتیجه این فرایند، می‌توان محصولاتی مانند بیلت، اسب و میلگرد را ریخته‌گری کرد. روش استفاده از آن در ریخته­‌گری، به­‌صورت مخلوط پودر آهن اسفنجی با دیگر فلزات، برای تولید محصولات دارای آهن هست.

یکی از مواد دیگری که از این محصول به دست می‌آید، به عنوان نرمه آهن اسفنجی شناخته می‌شود و برای تولید بریکت‌ کاربرد دارد. در قسمت‌های بعدی توضیحات بیشتری درباره بریکت‌ها و تفاوت آن با گندله‌های متخلخل ارائه می‌دهیم. قبل از فراگیر شدن این محصول، از قراضه آهن و ضایعات استفاده می­‌شد اما به‌­دلیل مناسب بودن قیمت این محصول در عین تراکم و عیار بالایی که دارد، بلافاصله تبدیل به پراستفاده­‌ترین فرآورده در کوره­‌ها و ریخته­‌گری‌­ها شد. شما می‌توانید برای اطلاع از به‌روزترین قیمت آهن و مقاطع فولادی به صفحه مربوطه در وب سایت گرفت مراجعه کنید.

مراحل و فرآیند تولید آهن اسفنجی

همانطور که گفتیم برای تولید آهن احیا مستقیم، سنگ آهن را ذوب نمی‌کنند. در فرایند تولید این محصول، با استفاده از گاز یا سوخت‌هایی چون ذغال سنگ، اکسیژن موجود در سنگ آهن را از بین می‌برند و در نهایت، آنچه باقی می‌ماند همان گندله متخلخل است. به‌طورکلی برای تولید انواع آهن اسفنجی از دو منبع استفاده می‌شود. در ادامه روش‌های تولید این محصول را توضیح می‌دهیم.

با استفاده از منابع گازی (Gas Based)

این روش به سه دسته میدرکس، HYL  و پوروفر تقسیم می‌­شود که پرکاربردترین آن Midrex هست. از گازها برای اکسید کردن و خارج کردن اکسیژن استفاده می‌­شود اما نباید به­‌طور مستقیم در معرض حرارت قرار بگیرند زیرا در دمایی کمتر از احیا، سوخته و تولید دوده می‌کنند.

روش میدرکس

روش Midrex کاربرد بیشتری نسبت به احیا مستقیم دارد، زیرا کم‌هزینه‌تر است، سوخت زیادی مصرف نمی‌کند و بازدهی قابل قبولی هم دارد. اکثر کشورهایی که به منابع گاز دسترسی دارند، از این متد برای تولید آهن اسفنجی استفاده می‌کنند. در ایران هم ۸۰ درصد از محصولات با همین روش تولید می‌شوند.

در متد میدرکس، گاز طبیعی وارد محفظه شکست گاز می‌شود. در این محفظه فرایندهای شیمیایی صورت می‌گیرد و گاز طبیعی با قرار گرفتن در معرض دمای بالا و کاتالیزورها به دو عنصر کربن و هیدروژن تبدیل می‌شود. از طرف دیگر، قطعات سنگ آهن در کوره احیا گداخته می‌شوند. در نهایت کربن و هیدروژن به دست آمده از واحد شکست گاز، وارد کوره احیا می‌شود تا با اکسیژن موجود در سنگ آهن‌ها ترکیب شود. در پایان این فرایند، اکسیژن‌ از سنگ‌ها خارج می‌شود و گندله‌های متخلخل در کوره باقی می‌مانند. در مراحل بعدی، گندله‌ها به کوره‌های ریخته‌گری منتقل می‌شوند و در سایر فرایندها برای تولید فولاد روی آن‌ها اعمال خواهد شد.

روش HYL

در این روش، علاوه بر گاز طبیعی از مواد دیگری چون بخار آب هم برای تولید هیدروژن استفاده می‌شود. فشار محیطی کوره‌های احیا در این متد بالاتر از کوره‌هایی است که در روش میدرکس مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین در پایان فرایند، مقدار آب (ترکیب اکسیژن و هیدروژن) بیشتری نسبت به مونوکسید کربن (ترکیب کربن و اکسیژن) باقی می‌ماند.

روش Purofer

در این متد، ابتدا سنگ آهن را الک می‌کنند و گندله‌هایی که بعد از الک باقی می‌ماند را در یک کوره مخروطی شکل می‌ریزند. در این کوره هم از گاز طبیعی استفاده می‌شود. گندله‌ها به سمت پایین می‌ریزند و گاز طبیعی با استفاده از فشار گازی کمکی که به آن وارد می‌شود، به بالای کوره هدایت خواهد شد. در نهایت با ترکیب هیدروژن و کربن موجود در گاز طبیعی با اکسیژن سنگ آهن، حدود ۹۵ درصد از گندله‌ها به آهن اسفنجی تبدیل می‌شود.

تولید فولاد اسفنجی با استفاده از زغال‌ سنگ (Coal Based)

یکی دیگر از روش‌های تولید فولاد اسفنجی استفاده از زغال سنگاست. این روش نیز به 2 زیرمجموعه SL/RN و Jindal DRC تقسیم می‌­شود. این متد نسبت به روش‌های قبلی کاربرد کم‌تری دارد و جزو روش‌های قدیمی برای تولید این محصول به شمار می‌رود. برعکس منابع گازی، زغال سنگ می‌­تواند به صورت مستقیم در فرآیند تولید آهن اسفنجی استفاده شده و به‌عنوان ماده اصلی احیا انتخاب شود. در این فرآیند، کوره‌ای تونلی مورد استفاده قرار می‌گیرد که طول زیادی دارد و در آن زغال سنگ می‌سوزد. گندله‌های آهن هم به صورت پودر از این تونل عبور می‌کنند و در مجاورت حرارت ناشی از زغال سنگ قرار می‌گیرند و اکسیژن آن‌ها خارج می‌شود.

مزایا و معایب فولاد اسفنجی

برخی از مزایای آهن اسفنجی عبارت است از:

• با افزودن آن به آهن قراضه، می‌­توان تاحد قابل قبولی میزان سولفور و همچنین فسفر آهن را کاهش داد.
• برای استفاده در کوره­‌ها و کارگاه‌­های کوچک دارای توجیه اقتصادی بالایی هست.
• به دلیل تراکم بالا کیفیت فلزکاری را بهبود می‌­بخشد.
• لجن آهن اسفنجی که در زمان جداسازی اکسیژن از سنگ آهن به دست می‌­آید نیز کاربردهای بسیاری دارد.
• با اینکه قیمتی پایین‌تر از قیمت آهن کیلویی دارد اما عیار آن بالاتر هست.
• به­‌دلیل وجود کربن در این محصول، در مصرف انرژی نیز صرفه‌­جویی می‌­شود.

با تمام مزایای ذکر شده باید گفت استفاده از آهن اسفنجی بدون خطر و عیب نیست. از معایب آن می‌­توان به موارد زیر اشاره کرد:

• به دلیل روش تولید آن، دارای ناخالصی بیشتری نسبت به آهن قراضه هست.
• زمان مورد نیاز برای ذوب آن طولانی می‌­باشد و همچنین برای تولید حجم ثابتی از این محصول در مقایسه با آهن قراضه، به سنگ آهن بیشتری نیاز است.
• امکان زنگ‌­زدگی بالایی دارد و برای رفع این مشکل نیاز به استفاده از لایه محافظتی هست که طبیعتا هزینه­ بیشتری تحمیل می­‌کند.
• در حالت خمیری آن امکان اشتعال نیز وجود دارد.
• در مراحل تولید آن از سنگ آهن، امکان فرآوری مواد سمی و ایجاد خطرات زیست محیطی بالا است.

چگالی آهن اسفنجی چقدر است؟

چگالی آهن بسته به نوع آن متفاوت است و چگالی آهن اسفنجی، به­‌دلیل تراکم بالایی که دارد، به نسبت ضایعات و قراضه آهن بیشتر است. چگالی این محصول را می‌­توان در دو حالت نرمه و کلوخی محاسبه کرد.

• چگالی آهن اسفنجی کلوخی: 1.8 gm/cc
• چگالی آهن اسفنجی نرمه: 1.75 gm/cc

فرمول شیمیایی آهن اسفنجی

درهر مرحله از تولید فرمول شیمیایی این آهن، دست­خوش تغییرات می‌­شود. با حذف اکسیژن در مراحل اولیه اکسیدهای متفاوتی تشکیل شده و به تدریج فرآیند تولید این محصول فولادی کامل می­‌شود.

C+O2=CO2

CO2+C= 2CO

Fe2O3+CO=Fe3O4+CO2

Fe3O4+CO=FeO+CO2

FeO+CO=Fe(Metallic)+CO2

درصد کاهش اکسیژن در هر مرحله تولید آهن اسفنجی

در قسمت‌های قبلی توضیحاتی درباره فرایندهای تولید گندله‌های متخلخل ارائه دادیم و گفتیم که با واکنش شیمیایی بین کربن و اکسیژن یا هیدروژن و اکسیژن، اکسیژن موجود در سنگ آهن خارج می‌شود. این ترکیب‌های شیمیایی طی چند مرحله رخ می‌دهند و در هر مرحله درصدی از اکسیژن کم خواهد شد. در جدول زیر می‌توانید درصد کاهش اکسیژن در هر مرحله از احیای مستقیم گندله‌ها را ببینید.

تفاوت بریکت با آهن اسفنجی

بریکت نوعی آهن اسفنجی است که به صورت فشرده تولید می‌شود و معمولا قالب‌های بزرگی دارد. این محصولات در سه نوع بریکت سرد، بریکت گرم و بریکت نرمه تولید می‌شوند. برای تولید نوع گرم آن‌ها، دمای نرمه آهن تا ۶۵۰ درجه سانتی‌گراد بالا می‌رود. بریکت‌ها به عنوان متریال در بسیاری از صنایع آهن و فولاد، مواد شیمیایی و معدنی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در ادامه به تفاوت‌های کلیدی آهن اسفنجی و بریکت اشاره می‌کنیم.

• بریکت قابلیت آلیاژ شدن و ترکیب با مواد دیگری چون کربن را دارد، اما گندله‌های متخلخل این ویژگی را ندارند.
• درصد فسفر و گوگرد در آهن احیا مستقیم (اسفنجی) کم‌تر است و می‌توان از آن به عنوان خنک‌کننده در کوره استفاده کرد. البته وقتی این ماده برای تولید فولاد مورد استفاده قرار می‌گیرد، درصد ناخالصی آن بسیار زیاد می‌شود و زمان ذوب آن نیز کوتاه‌تر خواهد شد.
• جابجایی بریکت‌ها ساده‌تر است، زیرا قطعات آهن اسفنجی در حین جابجایی خرد می‌شوند و استحکام چندانی ندارند.
• گندله متخلخل زودتر از بریکت اکسید می‌شود.
• حفره‌های موجود در محصولات اسفنجی، چگالی آن‌ها را کم‌تر می‌کند. یعنی در وزن برابر، حجم یک گنده متخلخل خیلی بیشتر از بریکت است.

تفاوت گندله و آهن اسفنجی

کنسانتره آهن، بعد از فرآوری تبدیل به گندله آهن می‌­شود که به علت اندازه بسیار ریز آن، امکان استفاده در کارگاه­‌های احیای مستقیم را ندارد؛ اما در­مقابل، آهن اسفنجی از احیای مستقیم گندله به­‌دست می‌­آید. تولید گندله قبل از تولید آهن اسفنجی صورت می‌گیرد. درواقع، گندله ماده اولیه تولید آهن اسفنجی است که بعد از طی کردن یک پروسه مشخص به آهن اسفنجی تبدیل می‌شود. آهن اسفنجی نیز معمولا به بریکت تبدیل شده و در حوزه‌های گوناگونی بکار گرفته می‌شود. شایان ذکر است، آهن‌های اسفنجی که در کوره القایی تولید می‌شوند، مصارف مهم و متنوعی دارند و اغلب به جای آهن قراضه مورداستفاده قرار می‌گیرند. بنابراین، یکی از تفاوت‌های مهم میان گندله و آهن اسفنجی مربوط به کاربری آن‌ها می‌شود.
افزون بر این، عیار گندله حدود 67 درصد و عیار سنگ آهن بیش از 84 درصد برآورد شده است. مقاومت گندله نیز بیشتر از آهن اسفنجی بوده و شرایط نگهداری راحت‌تر و بهتری هم دارد. در کل، آهن اسفنجی همچون یک فولاد فرآوری‌شده بکار گرفته می‌شود و آن را در ساخت محصولاتی مانند آهن فرفوژه استفاده می‌کنند. می‌توان گفت که تفاوت‌های زیادی بین گندله و آهن اسفنجی از نحوه تولید گرفته تا موارد مصرف وجود دارد. البته این دو ماده دارای عناصر سازنده مشترکی هم هستند؛ اما درصد همگی آن‌ها برابر نیست. از گندله در کوره­‌های بلند و احیا مستقیم به­‌عنوان ماده اولیه برای ساخت این نوع آهن استفاده می‌­شود، اما از خود آهن اسنفجی برای ساخت فولاد فرآوری شده استفاده می­‌شود. همچنین عیار آهن اسفنجی در حدود 17 درصد بیشتر از گندله هست که از باعث بالاتر رفتن ارزش آن برای مصرف‌­کننده می­‌شود.

انواع گرید فولاد اسفنجی

یکی از مهم‌ترین مواردی که صنعتگران در حوزه آهن و فولاد به آن توجه می‌کنند، گرید آهن اسفنجی است. این متریال با توجه به مقدار ناخالصی که دارد، به سه گرید تقسیم‌بندی می‌شود که در ادامه آن‌ها را نام می‌بریم:

• A: حداقل ۸۰ درصد خلوص
• B: بین 78 تا ۸۰ درصد خلوص
• C: کم‌تر از ۷۸ درصد خلوص

تولید شمش از آهن اسفنجی

کوره‌های مختلفی برای تولید شمش آهنی مورد استفاده قرار می‌گیرد که یکی از کاربردی‌ترین آن‌ها، کوره قوس الکتریکی است. این وسیله شبیه به یک وان بزرگ و کم‌عمق است که در قسمت‌های بالایی آن الکترودهای کربنی تعبیه شده است. بعد از اینکه گندله‌های متخلخل داخل کوره ریخته شدند، این الکترودها پایین می‌آیند و با ایجاد جریان الکتریکی، دمای کوره را به ۴۱۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسانند تا گندله‌ها ذوب شوند.

وقتی از این روش برای تولید شمش استفاده می‌شود، هم کیفیت محصول به دست آمده بیشتر خواهد بود و هم امکان تولید نوع آلیاژی آن (فولاد) وجود خواهد داشت. قیمت فولادی که در کوره‌های القایی تولید شده، نسبت به سایر انواع فولادهای موجود در بازار بیشتر است.

دلیل آتش گرفتن آهن اسفنجی چیست؟

وقتی این نوع آهن در حالت خمیری قرار دارد، بسیار اشتعال‌پذیر و خطرناک است. به همین دلیل توصیه می‌شود گندله‌های متخلیل در کوتاه‌ترین زمان ممکن پس از تولید به فولاد یا بریکت تبدیل شوند. دلیل آتش گرفتن آهن اسفنجی و اشتعال‌پذیری این ماده، تمایل شدید آن به ترکیب دوباره با اکسیژن است که یک واکنش شیمیایی گرماده محسوب می‌شود. بنابراین اگر در فرایند انبار کردن یا جابجایی، دمای ماده بیش از حد بالا برود یا جرقه‌ای در فضا ایجاد شود، احتمال آتش‌سوزی بسیار زیاد می‌شود.

کارخانه های تولیدکننده آهن اسفنجی

کشور ایران در مسیر تبدیل شدن به یکی از بزرگترین تولیدکنندگان فولاد، آهن و علی‌­الخصوص sponge iron بوده و در سال‌­های اخیر در این زمینه دستاوردهای چشم­گیری به­‌دست آورده است که تاثیر زیادی تعیین روند تغییرات قیمت میلگرد و سایر محصولات فولادی گذاشته است. حدود 50 کارخانه تولیدکننده آهن اسفنجی در ایران مشغول فعالیت هستند که بیشتر آن­‌ها از روش گازهای طبیعی یا Gas based برای احیای مستقیم استفاده می­‌کنند و دلیل این امر منابع گازی بسیار غنی کشورمان هست. برخی از مهم‌­ترین کارخانه­‌ها و شرکت‌های فولادی تولیدکننده این محصول عبارت است از: کاخانه فولاد خوزستان، بافت، هرمزگان، خراسان، مبارکه اصفهان، اردکان، سیرجان ایرانیان و … .

در این مقاله به بررسی فولاد اسفنجی، روش‌­های متنوع تولید آن، کاربرد و همچنین مزایا و خطرات استفاده از این محصول پرداخته و همچنین با بهترین کارخانه­‌های تولیدکننده این فرآورده نیمه­‌آماده آشنا شدیم. بدلیل تولیدات مرغوب کارخانجات داخلی، مصرف­‌کنندگان و افراد فعال در حوزه صنعت آهن و فولاد، می‌­توانند به بهترین کیفیت آهن اسفنجی در ایران دسترسی داشته­‌باشند. امیدواریم که این مقاله توانسته باشد اطلاعات کافی و جامع را درخصوص این محصول در اختیار شما قرارداده باشد. در صورت نیاز به اطلاعات بیشتر به سایت گرفت مراجعه نمایید.