کاربرد آهن اسفنجی چیست

استفاده از آهن اسفنجی در حدود سال ۸۹ در کوره‌های القایی ایران شروع شد. در آن سال‌ها کمبود قراضه احساس نمی‌شد و هرچند روند کیفیت قراضه نزولی بود ولی بازهم کسی به فکر استفاده از اسفنجی نبود. چراکه تصور عمومی بر این بود که آهن اسفنجی برای کوره القایی مناسب نیست.  شاید نام عجیب آهن اسفنجی (sponge iron)  و قیمت شمش فولادی را قبلا در اخبار یا روی تابلوی معاملات بورس کالا به چشمتان خورده باشد. محصولی که تجارت آن در چند وقت اخیر رونق زیادی پیدا کرده و گزینه جذابی برای خریداران به شمار می‌رود. آهن اسفنجی یا همان گندله متخلخل، حاصل احیای مستقیم سنگ‌آهن است که یکی از ویژگی‌های قابل ‌توجه آن، داشتن عیار بالاست

هندی‌ها و چینی‌هایی که کوره القایی به ایران فروخته بودند هم تشویق به استفاده نمی‌کردند. شاید به خاطر اینکه پارامترهای مربوط به راندمان کوره‌هایشان افت می‌کرد. از طرفی در هند از آهن اسفنجی پایه زغالی استفاده می‌گردد که کربن بسیار ناچیزی دارد و هندی‌ها خیلی به روش استفاده از آهن اسفنجی پایه گازی ایران مسلط نبودند.

در سال ۸۹، یکی از کارخانه‌های القایی یزد به دلایلی برای اولین بار به مصرف اسفنجی رو آورد. متعاقب آن، بسیاری از کارخانه‌ها، البته با تأخیر، از آهن اسفنجی استفاده کردند. اولین واکنش، تقریباً در تمامی کارخانه‌ها، منفی بود. چراکه املا با روش شارژ آن آشنا نبودند و ثانیاً فسفر و گوگرد آهن اسفنجی در مقایسه با قراضه، آنالیز ذوب را به هم می‌زد و کربن بالای آن کار را سخت می‌کرد. زمان ذوب طولانی می‌شد و سرباره بسیار، وحشتناک بود. لذا به‌محض استفاده، بسیاری از کارخانه‌ها استفاده از آن را تا همین اواخر متوقف کردند.

آهن اسفنجی چیست؟

آهن اسفنجی یا DRI (آهن احیای مستقیم) ماده‌ای است که از احیای سنگ‌آهن (به شکل کلوخه، گلوله یا خاکروبه) به صورت مستقیم یعنی بدون ذوب کردن، به دست می‌آید. در طی فرآیند احیای مستقیم و به دلیل خروج گاز اکسیژن، سنگ‌آهن به قطعه‌هایی کروی شکل تبدیل می‌شود که مانند اسفنج در سطح خود دارای سوراخ‌های کوچکی است. همین ویژگی ظاهری علت نام‌گذاری خاص این محصول شده است.

در سال‌های اخیر بیش از ۵ درصد فولاد مصرفی جهان ازاین نوع آهن به دست آمده است. با توجه به میزان بالای آلایندگی هوا، مشکلات زیست محیطی موجود در سایر روش‌های تولید آهن و همچنین مناسب‌تر بودن قیمت آهن اسفنجی انتظار می‌رود که میزان استفاده از این محصول در آینده بیشتر نیز بشود.

این خاصیت مهم باعث شده که جایگزین مناسبی برای آهن قراضه شود وهمواره مورد توجه متخصصان قرار بگیرد. در طی سال‌های اخیر روش‌ها و تکنولوژی‌های گوناگونی مانند کوره‌ی تونلی، میدرکس و… برای تولید پربازده‌تر آن ابداع شد. در این میان ایران با بهره‌گیری از تلاش متخصصان داخلی در ده‌ها واحد صنعتی کوچک و بزرگ در سراسر کشور، تکنولوژی ساخت آهن اسفنجی را تا درصد بالایی بومی‌سازی کرده و هم‌اکنون دومین تولیدکننده‌ بزرگ آن در جهان به شمار می‌رود.

روش های تولید آهن اسفنجی sponge iron

برای تولید آهن اسفنجی با استفاده از زغال‌سنگ نیز از روش‌های زیر استفاده می‌شود:

کوره‌ تونلی دارای ساختاری بلند و طویل است که از آجرهای نسوز ساخته شده و در کف آن ریل‌های مخصوص قرار داده می‌شود. فرآیند طراحی شده در این کوره به ترتیب شامل سه مرحله‌ پیش‌گرمایش، احیا و خنک شدن است. آهن اولیه به شکل پودر از این تونل عبور کرده و در مجاورت ذغال‌سنگ قرار می‌گیرد و در اثر حرارت ناشی از سوختن گاز طبیعی با اکسیژن هوا احیا می‌شود.

روشSR/NL از قدیمی‌ترین فرآیندهای احیا به شمار می‌رود و ایده‌ آن از کوره‌ افقی تولید سیمان گرفته شده است. در این کوره‌ ذغال‌سنگ حرارتی به عنوان ماده‌ احیاکننده با ذغال‌سنگ ترکیب شده و آهن اسفنجی تولید می‌شود.

روش میدرکس برای تولید آهن اسفنجی چیست؟

کاربردی‌ترین و پراستفاده‌ترین روش برای تولید آهن اسفنجی، روش میدرکس است. برای تولید آهن اسفنجی به این روش، در ابتدا گاز طبیعی به واحد شکست گاز ورود پیدا می‌کند و پس از دریافت حرارت و پروسه‌ای پیچیده به هیدروژن و کربن تبدیل می‌شود. هیدروژن و کربن به دست آمده از گاز طبیعی وارد کوره القایی یا کوره احیا می‌شوند تا با ترکیب با گندله سنگ آهن که از قبل در کوره پخته شده است، باعث احیای سنگ آهن و تولید آهن اسفنجی شود.
روش میدرکس از این جهات بسیار مورد اسقتبال قرار گرفته است که می‌تواند با کاهش حداکثری مصرف گاز، بیشترین بازدهی ممکن را برای تولیدکننده به ارمغان بیاورد. هم‌اکنون در ایران و جهان، تولید آهن اسفنجی در اکثر مواقع با تکیه بر همین روش حاصل می‌شود. سوال مهمی که ممکن است ایجاد شود، این است که تفاوت اصلی روش میدرکس و HYL برای تولید آهن اسفنجی چیست؟ پاسخ کوتاه و واضح است؛ مصرف بسیار بالای برق و محدودیت در ظرفیت تولید، 2 دلیل اصلی هستند.

تفاوت کوره احیا و کوره میدرکس در چیست؟

یکی دیگر از روش‌های تولید آهن اسفنجی، استفاده از روش HYL است؛ در این روش با استفاده از گاز طبیعی شکسته‌شده، از عوامل دیگر مثل بخار آب هم برای تولید بیشتر هیدروژن استفاده می‌شود. با همه این اوصاف، در روش HYL مقدار هیدروژن نسبت به میزان مونو اکسید کربن تولیدشده بیشتر است و همین می‌تواند به احیا شدن مستقیم سنگ آهن منجر شود. کوره احیا عملکردی شبیه به کوره میدرکس دارد، ولی فشار محیطی در اندازه‌ای بالاتر (معادل با 7 اتمسفر) صورت خواهد گرفت.

روش‌های دیگر برای تولید آهن اسفنجی چیست؟

از روش‌های دیگری که برای تولید آهن اسفنجی به کار گرفته می‌شوند، می‌توان به روش‌های کوره تونلی و SL/RN اشاره کرد. کوره‌های تونلی بسیار طویل هستند و 3 مرحله پیش‌گرمایش، عملیات احیای سنگ آهن و خنک شدن را شامل می‌شوند. در این روش، سنگ آهن به شکل خردشده وارد کوره خواهد شد و با قرار گرفتن در کنار ذغال سنگ و مواجهه با حرارتی که از سوختن گاز طبیعی با اکسیژن حاصل شده است، به اصطلاح احیا می‌شود.
اما روش SL/RN برای تولید آهن اسفنجی چیست؟ در این روش هم به جای استفاده از گاز طبیعی، از ذغال سنگ برای احیای سنگ آهن استفاده می‌شود تا با استفاده از کوره‌های افقی، آهن اسفنجی تولید شود.

مزایای استفاده از آهن اسفنجی چیست؟

همان‌طور که گفتیم، حدود 5 درصد از بازار آهن‌آلات جهان را آهن‌های اسفنجی تشکیل می‌دهند؛ این آمار نشان‌دهنده اهمیت این محصولات آهنی در صنایع مختلف است. اما چه مزیت‌هایی در بطن آهن‌های اسفنجی نهفته شده‌اند که می‌توانند آن را به یک محصول بسیار مهم تبدیل کنند؟ در زیر، خلاصه‌ای از مزایای مهم آهن اسفنجی را در اختیار شما قرار خواهیم داد:

• آهن اسفنجی بهترین جایگزین برای ضایعات است.
  • کوره‌های القایی یا واحدهای احیای مستقیم، هزینه‌ کمتری نسبت به کوره‌های بلند دارند.
  • آهن‌های اسفنجی از عیار و خلصو بسیار بیشتری نسبت به یگر محصولات آهنی برخوردارند.
  • انتقال و حمل‌ونقل آهن اسفنجی به شکل آهن گرم کلوخه‌شده (HBI) بسیار آسان و بدون دردسر است.
  • برای تولید آهن اسفنجی به روش مستقیم می‌توان از گاز طبیعی، آن‌هم بدون جداسازی ناخالصی‌ها استفاده کرد.
  • صرفه اقتصادی آهن‌های اسفنجی بسیار بالاست و می‌توان با تولید آن‌ها از بازدهی بالایی برخوردار شد.

کاربردهای آهن اسفنجی

با توجه به کمبود آهن قراضه که جهت تولید انواع شمش فولادی و سایر محصولات فولادی به کار می‌رود، یافتن جایگزین مناسبی برای آن دارای اهمیت است. آهن اسفنجی محصولی است که می‌تواند برای تولید این محصولات، در کوره‌های القایی جایگزین آهن ضایعاتی شود.

امروز در کوره‌های القایی می توان تا ۵۰ درصد آهن اسفنجی را جایگزین ضایعات کرد. همچنین آهن اسفنجی درریخته گری به سه شکل بیلت، اسلب و میلگرد کاربرد داشته و تحول عظیمی در این صنعت ایجاد کرده است.

نوع فشرده ‌شده‌‌ آهن اسفنجی که به آن بریکت (Briquette) گفته می‌شود مشکلات حمل و نقل کمتری داشته و ذخیره‌سازی آن نیز آسان‌تر است. علاوه بر این بریکت مقاومت بالاتری در برابر ساییدگی و زنگ‌زدگی هم دارد و احتمال ایجاد تخلخل (جدایی سطح) در آن کم‌تر است. با توجه به نوع مواد و دمایی که در آن بریکت‌زنی انجام می‌شود سه نوع بریکت وجود دارد:

• بریکت گرم
• بریکت سرد
• بریکت نرمه

بریکت گرم در دمای بیشتر از ۶۵۰ درجه سانتی‌گراد تولید شده و شناخته شده‌ترین و پرکاربردترین نوع بریکت به شمارمی‌رود. بریکت‌های سرد و نرمه در دمای محیط تولید می‌شوند ولی نوع مواد استفاده شده در آن‌ها متفاوت است.

تفاوت بریکت با آهن اسفنجی چیست؟

بریکت‌ها در واقع همان آهن‌های اسفنجی هستند، البته با تفاوت اینکه آن‌ها در قالب‌هایی بزرگ قرار می‌گیرند و در نهایت فشرده می‌شوند. بریکت‌ها از طریق 2 روش بریکست‌سازی سرد و گرم قابل تولید هستند و در انواع بریکت گرم، بریکت نرمه آهن اسفنجی و بریکت سرد آهن اسفنجی قابل ارائه خواهند بود.
بریکت گرم بریکت سرد آهنی
در پروسه بریکت‌سازی و با توجه به آهن اسفنجی گرم یا HDRI در دمای بالای 650 درجه سانتی‌گراد تولید می‌شود.  موارد ورودی در دمای محیط وارد پروسه بریکت‌سازی می‌شوند.
شناخته‌شده‌ترین بریکت حال حاضر است و حمل‌ونقل آن آسان خواهد بود. 2 نوع محصول، شامل بریکت نرمه و بریکت سرد از آن حاصل می‌شوند.

تفاوت گندله و آهن اسفنجی

کنستانتره‌ سنگ‌آهن ماده‌ی اصلی اولیه در تولید گندله است که به دلیل ریز بودن ذراتش، امکان استفاده‌ مستقیم از آن در فرآیند احیا وجود ندارد. گلوله‌هایی که از ترکیب کنستانتره‌ سنگ‌آهن و چند نوع مواد افزودنی دیگر تولید می‌شوند را گندله می‌گویند. این گلوله‌ها در ابتدا خام هستند و سپس پخته و سخت می‌شوند و در فرآیند احیا با روش‌های گفته شده به آهن اسفنجی تبدیل می‌گردند. بنابراین گندله ماده‌ اولیه برای تولید آهن اسفنجی است. به آهن اسفنجی گندله‌ متخلخل نیز می‌گویند که باید ویژگی‌های مکانیکی و شیمیایی خاصی را برای استفاده در کوره‌های احیا داشته باشد.

سایرمواد اولیه برای تولید گندله‌ سنگ‌آهن عبارتند از:

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

مداوم صنعت فولاد هست.