همه چیز درباره‌ی آهن خام یا چدن

آهن خام (Pig Iron) که در دنیای صنعت به چدن خام معروف است، یک محصول میانی در فولادسازی محسوب می‌شود. از مقادیر آن نیز می‌توان به درصد زیادی کربن و عناصری نظیر سیلیس، منگنز و فسفر اشاره کرد. درصد کربن آهن خام چیزی بین 3.8 تا 4.7 درصد است. وجود کربن زیاد در آن باعث شده است تا چدن خام یک ساختار شکننده پیدا کند و چکش‌خوار نباشد. این شکننده بودن ساختار آهن یا چدن خام، مانعی برای استفاده مستقیم از آن است. البته آهن خام از نظر مقدار کربن و ناخالصی انواع مختلفی دارد و به چندین گروه تقسیم می‌شود که در ادامه آن‌ها را شرح داده‌ایم.

ماده اولیه تولید آهن خام چیست؟

آهن خام در کارخانجات تولیدکننده فولاد از احیا و ذوب سنگ معدن تهیه می‌شود. باید بدانید که فلز آهن دومین فلز فراوان در پوسته‌ زمین به ‌شمار می‌رود و تمایل آن به ترکیب با اکسیژن، به حدی زیاد است که به صورت خالص در طبیعت یافت نمی‌شود. عنصر آهن به صورت سنگ‌های هماتیت، مگنتیت، زئولیت، لیمونیت و سیدریت استخراج شده و نمی‌توان از آن به صورت خالص بهره‌وری کرد؛ ازاین‌رو، این فلز ابتدا باید فرآوری شود. یکی از مواد اولیه تولید آهن خام، گندله است. گندله در واقع گلوله‌های ساخته شده از نرمه سنگ آهن و برخی مواد افزودنی است که در ابتدا خام بوده، سپس پخته شده و به حالت سخت درمی‌آید. از این ماده برای تولید آهن خام به شکل سنتی در کوره‌های بلند یا احیا مستقیم استفاده می‌کنند.

آهن خام چطور تولید می‌شود؟

آهن خام از احیا و ذوب سنگ‌های معدن تغلیظ‌شده، حاصل می‌شود. برای این کار از دو روش کوره بلند و کوره قوس الکتریکی استفاده می‌کنند که در قسمت زیر، به بررسی هر یک از آن‌ها پرداخته‌ایم:

روش کوره بلند

اکثر فولاد مورد نیاز در جهان با این روش تولید می‌شود. برای انجام این روش در ابتدا سنگ آهن کلوخ‌شده را به همراه آهک و کک با درصد مشخصی به شکل لایه به لایه وارد کوره می‌کنند. در این قسمت، کک نقش تامین‌کننده انرژی کوره و آهک نقش فلاکس را برعهده دارد. کک با دمش هوا و اکسیژن در دمایی معادل با 300 درجه سانتی‌گراد می‌سوزد و با این احتراق، حرارت لازم برای ذوب سنگ آهن و همچنین احیای آن تامین می‌شود. با بالارفتن حرارت، تاثیرات حاصل از گاز منواکسیدکربن و سوختن ناقص کک، آهن احیا می‌شود. آهن خامی که در این فرآیند به دست می‌آید، دارای 3 الی 4 درصد کربن با نقطه ذوب 300 درجه است.

روش قوس الکتریکی

قدمت استفاده از روش قوس الکتریکی از روش کوره بلند برای تولید آهن خام کمتر است. استفاده از روش قوس الکتریکی بر پایه‌ به کار گرفتن آهن قراضه و آهن اسفنجی بوده که آهن اسفنجی از اکسید آن، توسط احیا مستقیم در کوره احیا حاصل می‌شود. با تجزیه گاز طبیعی به مونواکسید کربن و هیدروژن سنگ آهن در حالت جامد به آهن اسفنجی، آهن خام احیا می‌شود. آهن اسفنجی ساختاری متخلخل داشته و 7.1 درصد کربن و همچنین 92 درصد آهن دارد. در ادامه، آهن اسفنجی یا قراضه را به همراه کک، آهک و بنتونیت به کوره قوس الکتریکی وارد می‌کنند و بعد از اینکه ناخالصی‌های آن به طور کامل از بین رفت، برای تهیه شمش‌های فولادی به ریخته‌گری فرستاده می‌شود.

انواع آهن خام

آهن خام یا چدن خام از نظر میزان ناخالصی، رنگ و کربن انواع مختلفی دارد که در این قسمت به بررسی هرکدام از آن‌ها پرداخته‌ایم. انواع آهن خام بر اساس ترکیبات و ناخالصی‌ها به دسته‌‌های زیر تقسیم می‌شوند:

آهن پایه

آهن خام پایه (Basic pig iron) در روش قوس الکتریکی برای تهیه‌ فولاد استفاده می‌شود.

آهن ریخته گری

آهن ریخته‌گری، به آهن خام هماتیت معروف است که در کوره کوپل جهت ریخته‌گری چدن خاکستری استفاده می‌شود. لازم به ذکر است که ریخته‌گری یکی از قدیمی‌ترین روش‌ها برای ساخت فولاد بوده که با ذوب مواد و ریختن آن‌ها درون قالب انجام می‌گیرد. چدن خاکستری یکی از مواد پرکاربرد در فرآیند ریخته‌گری محسوب می‌شود. از دیگر فلزات رایج برای این کار می‌توان به چدن نشکن، آلومینیوم، فولاد، مس و روی اشاره کرد. اما به غیر از این موارد هم می‌توان از مواد غیر فلزی نظیر بتن، شیشه، پلاستیک و رزین برای ساخت قطعات ریخته‌گری استفاده کرد.

آهن خلوص بالا

از این نوع آهن خام جهت تهیه چدن نشکن استفاده می‌کنند. همچنین، این دسته از آهن خام یک معادل برای آهن خام کروی است.

آهن سفید

رنگ آهن سفید برخلاف اسم آن، نقره‌ای بوده و وزنی معادل 7.4 دارد. درواقع، زمانی که آهن خام مذاب فورا سرد شود، گرافیت تشکیل نشده و آهن خام حاصل‌شده را آهن سفید می‌نامند. آهن خام سفید، جنسی سخت و شکننده دارد و میزان حرارت لازم برای ذوب آن معادل 1100 درجه سانتی‌گراد است.

آهن خاکستری

وزن آهن خام خاکستری معادل 7.2 است و دمای ذوب آن نیز به حدود 1200 درجه سانتی‌گراد می‌رسد. زمانی که آهن مذاب به آرامی سرد شود، کربن موجود در ساختار آن به صورت گرافیت درمی‌آید. آهن خام خاکستری دارای ترکیباتی نظیر کربن، سیلیسیوم، منگنز، فسفر و گوگرد است. مقدار زیاد سیلیسیوم در این آهن، سبب نرمی آن شده است و اگر بافتش را بشکنیم، دانه‌هایش به رنگ خاکستری هستند. ضمنا، در صنعت چدن ریزی از این آهن استفاده می‌شود.

آهن نیمه خاکستری

آهن خام نیمه خاکستری خاصیتی مشابه با آهن سفید و خاکستری دارد و در صنعت فولاد و چدن سخت از آن استفاده می‌کنند.

آهن خام چه کاربردهایی دارد؟

آهن خام یکی از مهم‌ترین فرآورده‌های فولادسازی به حساب می‌آید که از آن برای ساخت محصولاتی مانند میلگرد، تیرآهن و ورق استفاده می‌کنند. علاوه بر این موارد، به دلیل استحکام بالا و هزینه‌ مناسب آن در صنایع مختلفی همچون زیرساخت‌ها، خودروسازی، ساختمان سازی، ساخت سلاح، قطار، وسایل و تجهیزات الکتریکی، ابزارآلات، ساخت محصولات دکوری، نرده‌ها، ساخت موشک، کشتی و... نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.