آهن اسفنجی (Sponge iron)، نوعی آهن است که از طریق کاهش مستقیم مادهٔ معدنی آهن به صورت گلوله‌ها، علامت‌ها و یا ذرات ریز به یک محصول مشابه اسفنج با بافت پوسته‌دار تبدیل می‌شود. به تولید آهن اسفنجی در فرآیندهای مختلف از جمله آهن افزایشی مستقیم (DRI) و یا آهن بریکت شدهٔ گرم (HBI) اشاره می‌شود که بسته به فرآیند تولید و شکل نهایی محصول، از نام‌های مختلفی استفاده می‌شود.
آهن اسفنجی از طریق یک فرآیند کاهش در دماهای پایین تر از دمای ذوب آهن به دست می‌آید. این فرآیند معمولاً در یک کوره دوار، با استفاده از ذغال به‌عنوان عامل کاهش دهندهٔ اصلی و منبع انرژی صورت می‌گیرد. محصول نهایی به صورت یک مادهٔ بافت پوسته‌دار و پرتراکم است که به راحتی می‌توان آن را برای استفاده در فولادسازی به بریکت‌ها یا گلوله‌ها فشرده کرد.
آهن اسفنجی نسبت به روش‌های سنتی تولید آهن، ازجمله مصرف انرژی کمتر، کاهش گازهای گلخانه‌ای و قابلیت استفاده از معدن‌های آهن با کیفیت پایین و ذغال غیرکک (non-coking coal) ، مزایایی دارد. این نوع آهن مواد اولیه محبوبی در کوره‌های قوس الکتریکی (EAF) فولادسازی است، به ویژه در کشورهایی با تأمین محدود از معدن‌های آهن با کیفیت بالا و ذغال کک (coking coal) مورد استفاده قرار می‌گیرد.
تاریخچه آهن اسفنجی
تاریخچهٔ آهن افزایشی مستقیم (DRI) به قرن هفدهم بازمی‌گردد که در آن آزمایشاتی برای تولید آهن اسفنجی با استفاده از کاهش مادهٔ معدنی آهن با ذغال در کوره‌های کوچک و متناوب انجام شد. اما تولید تجاری DRI تا دهه ۱۹۵۰ شروع نشد که در آن زمان فرایند HYL به وسیله شرکت Hojalata y Lamina در مکزیک توسعه داده شد. این فرآیند شامل کاهش مادهٔ معدنی آهن با گاز هیدروژن در جریان معکوس بود که توسط آغاز سوخت کردن ناقص گاز طبیعی با اکسیژن تولید می‌شد.
در دهه ۱۹۶۰، فرآیند SL/RN در سوئد به وسیلهِ Lurgi و موسسه ملی سوئدی متالورژی توسعه داده شد. این فرآیند شامل کاهش پلت‌های مادهٔ معدنی آهن در کوره دوار با مخلوطی از ذغال و دولومیت به عنوان عامل کاهنده بود. فرآیند SL/RN بعدها توسط فرآیند KOBM که در دهه ۱۹۷۰ در آلمان توسط شرکت Klöckner-Werke AG توسعه داده شد، بهبود یافت.
در دهه ۱۹۸۰، فرآیند MIDREX در ایالات متحده توسعه داده شد که با استفاده از گاز طبیعی به عنوان گاز کاهنده برای تولید DRI استفاده می‌شود. فرآیند MIDREX شامل کاهش پلت‌های مادهٔ معدنی آهن در یک کوره محوری با مخلوطی از گاز طبیعی و گاز بازیافتی از فرآیند به عنوان گازهای کاهنده است. این فرآیند یکی از روش‌های گسترده در تولید DRI شده است که بیش از ۷۰ کارخانه از آن در سراسر جهان فعالیت می‌کنند.
در دهه ۱۹۹۰، تعدادی از فرآیندهای جدید DRI توسعه داده شدند که شامل فرآیند COREX بود که در آلمان توسط شرکت سیمنز توسعه داده شد و از ذغال غیرکک به عنوان عامل کاهنده و شیشه‌سازی به عنوان عامل آلاینده استفاده می‌کند.
فرایند تولید آهن اسفنجی
آهن اسفنجی، همچنین با نام آهن افزایشی مستقیم (DRI)، از طریق فرآیندی به نام فرآیند تولید آهن اسفنجی تولید می‌شود. این فرآیند شامل کاهش مادهٔ معدنی آهن توسط یک گاز کاهش‌دهنده است که از سوختن گاز طبیعی یا ذغال تولید می‌شود.
مرحلهٔ اول در فرآیند تولید آهن اسفنجی، آماده‌سازی مواد خام است. آهن مادهٔ معدنی، ذغال و سنگ آهک خرد شده و با یکدیگر مخلوط می‌شوند تا از مادهٔ تغذیه ساخته شود. مادهٔ تغذیه سپس به داخل یک کورهٔ دواری ورودی می‌شود که به دمای حدود ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد گرم می‌شود.
در کورهٔ دواری، مادهٔ تغذیه چرخانده و به دمای بالا گرم می‌شود، در حالی که جریانی از گاز کاهنده سرد به پایین کوره دمیده می‌شود. این گاز کاهنده، که از مخلوطی از گاز طبیعی و هوا تشکیل شده است، با مادهٔ تغذیه واکنش داده و باعث کاهش اکسید آهن در مادهٔ معدنی آهن می‌شود و آهن متالیک تولید می‌شود. سنگ آهک در مادهٔ تغذیه به عنوان یک عامل خنثی‌کننده عمل کرده و به تشکیل شلاف مذابی کمک می‌کند که آلاینده‌ها را جذب کند و با فلز جدا شود.
آهن اسفنجی نتیجهٔ نهایی به صورت ذراتی بزرگ یا پلت‌هایی است، که سپس خنک شده و صاف شده و از هرگونه ذرات کوچک یا آلاینده جدا شده می‌شود. آهن اسفنجی می‌تواند برای تولید فولاد نیز فرآیند شود
فواید آهن اسفنجی
عوامل زیادی وجود دارد که محبوبیت DRI را در طول سال ها ایجاد کرده است، تا جایی که دیگر جایگزینی برای ضایعات نیست، بلکه یک ماده جایگزین است … برخی از مزایای متمایز آن عبارتند از:
محتوای گوگرد کم در DRI آن را به واسطه ای ترجیح داده شده برای فولاد با کیفیت بهتر تبدیل می کند.
عناصر گانگ محدود و شناخته شده اپراتورهای کوره الکتریکی را قادر می سازد تا پارامترهای فرآیند خود را به طور مناسب کالیبره کنند. این غیر پیروفوریک، عاری از مواد ولگرد است. مس، روی، قلع، کروم، تنگستن، مولیبدن و غیره معمولاً در قراضه وجود دارد.
- فرآیند DRI می تواند از زغال سنگ غیر کک با کیفیت معمولی استفاده کند که نمی تواند در ساخت آهن استفاده شود. با کاهش منابع زغال‌سنگ کک‌ساز، نیاز به استفاده از ذخایر زغال‌سنگ غیرکک‌شونده فراوان برای فرآیند فولادسازی وجود دارد.
- تغذیه مداوم DRI منجر به دستیابی به سطح توان بالاتر از 100 درصد شارژ قراضه با تنظیمات مشابه در EAF می شود.
- آهن اسفنجی همچنین جایگزین ضایعات آهنی به عنوان خنک کننده در مبدل LD می شود.
- ریزش ضایعات منجر به افزایش شکستگی می شود که در مورد شارژ DRI بسیار کمتر است.
- بهره وری کوره در مورد استفاده کنندگان DRI بیشتر است. به دلیل محتوای بالای CO در کوره، اکسیداسیون الکترود کاهش می یابد.
- نیازی به اکسیژن در برش ضایعات نیست.
نقاط قوت آهن اسفنجی
آهن اسفنجی تولید شده در TSLP به دلیل محتوای بالای آهن فلزی و ویژگی های شیمیایی و فیزیکی ثابت آن متمایز است. این به سازندگان فولاد ثانویه انعطاف‌پذیری در آماده‌سازی شارژ کوره خود برای تولید فولادهای با کیفیت‌تر نسبت به آنچه که فقط با استفاده از ضایعات فولاد ممکن است، می‌دهد.
برخی از ویژگی های آهن اسفنجی تولید شده در TSLP عبارتند از:
- کیفیت یکنواخت و ثابت
- درجه بالایی از آهن فلزی
- میزان گوگرد و فسفر کمتر
- عنصر ولگرد ناچیز
- حداقل تولید گرد و غبار در هنگام جابجایی مواد
- جریان پذیری خوب در سطل ها، لوله ها و نوار نقاله ها برای شارژ مداوم و بدون مشکل
کاربردها
آهن اسفنجی، به عنوان یکی از مهمترین مواد اولیه در صنعت فولادسازی، در تولید فولاد به کار می‌رود. برای تولید فولاد، آهن اسفنجی به همراه فولادثبتی، ذوب می‌شود و در نهایت به شکل محصولات فولادی مانند شمش، ورق، نبشی و قطعات دیگر تقسیم بندی می‌شوند.
از دیگر کاربردهای آهن اسفنجی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
1. تولید فشرده‌سازی پودر (Powder Metallurgy): آهن اسفنجی به عنوان یکی از مواد اولیه در تولید قطعات پودری مانند دنده‌ها، سری‌های موتور، قطعات الکترونیکی و غیره به کار می‌رود.
2. تولید فولاد ضد زنگ: آهن اسفنجی با مقدار مناسبی از المان‌های ضد زنگ مانند نیکل و کروم مخلوط می‌شود تا فولاد ضدزنگ تولید شود. فولاد ضد زنگ برای ساخت قطعاتی که در شرایط آلودگی به نمک و رطوبت قرار دارند، مثل قطعات دریایی و خودروهایی که در مناطق با آب و هوایی سرد استفاده می‌شوند، استفاده می‌شود.
| عنصر شیمیایی | نماد شیمیایی | درصد وزنی |
|---|---|---|
| آهن | Fe | 96 – 98% |
| کربن | C | 0.5 – 2.5% |
| کرم | Cr | 0.5 – 2% |
| منگنز | Mn | 0.5 – 1.5% |
| فسفر | P | 0.05 – 0.5% |
| گوگرد | S | کمتر از 0.05% |
لطفا توجه داشته باشید که درصدهای ذکر شده ممکن است با محتوای واقعی آهن اسفنجی متفاوت باشد و بسته به روش تهیه و شرایط فرآیند، مقادیر مختلفی از عناصر شیمیایی مختلف در آهن اسفنجی دیده می‌شود.
مقاله های پیشنهادی :