آهن اسفنجی چیست و چه کاربردی دارد

آهن اسفنجی چیست ؟ آهن اسفنجی چطور به دست می‌آید؟  ترکیب شیمایی آهن اسفنجی ؟ تاریخچه آهن اسفنجی ازجمله مواردی است که در این مطلب به آن می‌پردازیم

آهن اسفنجی از احیای مستقیم سنگ‌آهن (Direct Reduced Iron ) است منظور از سنگ‌آهن همان گندله هست که طی عملیات احیای بی‌واسطه، بدون نیاز به ذوب سنگ‌آهن، اکسیژن آن حذف می‌گردد. در این روش گندله سنگ‌آهن که دارای عیار ۶۷% هست احیا گردیده و حاصل آن آهن اسفنجی (گندله متخلخل) با متالیزاسیون fe ( حدود ۹۲ درجه) به دست می‌آید

آهن اسفنجی پس از ذوب و احیا در فولادسازی، در فرآیند ریخته‌گری به شکل محصولات موردنیاز درمی‌آید و به سه شکل اسلب (تختال)، بیلت( شمش) و میلگرد مورداستفاده قرار می‌گیرد.

چرا از واژه اسفنجی در آهن اسفنجی استفاده می‌شود ؟

شکل ظاهری آهن اسفنجی به‌صورت قطعات کروی (گندله) متخلخل که دارای ظاهری اسفنجی هست که به همین دلیل به آن آهن اسفنجی می‌گویند. آهن اسفنجی دارای عیار بالای آهن بوده که امروزه با توجه به کمبود ضایعات آهن و افزایش قیمت آن و همچنین مشکلات زیست‌محیطی رواج بیشتری دارد.

استفاده از آهن اسفنجی روبه افزایش است

در حدود ۵% از فولاد جهان از آهن اسفنجی (DRI) تولید می‌شود و این روند رو به افزایش است. آهن اسفنجی، از احیای مستقیم سنگ‌آهن به دست می‌آید و اصطلاحاً به آن DRI نیز گفته می‌شود.امروزه آهن اسفنجی با کاهش سنگ‌آهن بدون ذوب کردن آن ایجاد می‌شود. این باعث می‌شود که یک منبع انرژی کارآمد برای سازندگان فولاد مخصوص که به فلز قراضه متکی بودند استفاده شود.

کاربرد آهن اسفنجی

کاربرد آهن اسفنجی در کوره‌های القائی به‌عنوان یکی از مهم‌ترین کاربردهای آن هست. می‌توان گفت که استفاده از آهن اسفنجی، در کوره‌های القائی قادر است که نزدیک به ۵۰ درصد، جایگزین قراضه شود. ولی کاربرد آن در کوره القایی، نیازمند دانش فنی و تجربه هست. همچنین استفاده از آهن اسفنجی تحولی بزرگ در ریخته‌گری مداوم صنعت فولاد هست.

تقریباً در همه روش‌های تولید فولاد استفاده از آن مقدور هست.

تاریخچه و  کاربرد آهن اسفنجی در صنایع فولاد ایران

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. 

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.

بسیاری از واحدهای کوچک و بزرگ تولید فولاد در کشور از این روش‌ها استفاده می‌کنند. ایران منابع طبیعی در دستر‌تری برای احیای مستقیم دارد.آهن اسفنجی جایگزین مناسبی برای ضایعات آهن هست بنابراین می‌توانیم درصد بالایی از مواد اولیه جهت تأمین ذوب موردنیاز واحدهای فولادسازی را بجای استفاده از ضایعات، از طریق آهن اسفنجی تأمین کنیم.

تولید آهن اسفنجی از سنگ‌آهن، عموماً به دو روش گازی (Gas Based) یا استفاده از زغال‌سنگ (Coal Based)، برای احیای آهن صورت می‌پذیرد. معمولاً در کشورهایی که دارای ذخایر گاز هستند، از روش گازی استفاده می‌گردد. در ایران نیز به‌طور مثال، فولاد خوزستان و فولاد مبارکه از گاز به‌عنوان ماده احیاکننده استفاده می‌کنند. شناخته‌شده‌ترین روش‌های احیای مستقیم گازی روش‌های میدرکس و HYL هستند. شرکت ایریتک و نیز شرکت MMTE دارای لیسانس ساخت کارخانه‌های احیای مستقیم (از کوبه استیل ژاپن) با فنّاوری میدرکس هستند (میدرکس فنّاوری اصالتاً آمریکایی هست).

فرآیند تولید آهن اسفنجی با استفاده از منابع گازی و زغال‌سنگ

• روش میدرکس (Midrex)
• اچ – وای – ای (HYL)

منابع زغال‌سنگ:

1. SL/RN (اس – ال – آر – ان)
2. Jindal (جیندال)
3. DRC (دی – آر – سی)

تولید آهن اسفنجی به روش میدرکس

این روش به‌عنوان پر استفاده ترین روش‌های تولید در ایران و جهان هست.در این روش، گاز طبیعی وارد واحد شکست گاز می‌شود، سپس براثر حرارت واردشده و کتالیست های مخصوص به هیدروژن و کربن تبدیل می‌شود. سپس این هیدروژن و کربن وارد کوره‌ای که کوره احیا نام دارد و گندله سنگ‌آهن را در آن گداخته کردیم می‌شود و با اکسیژن گندله سنگ‌آهن ترکیب می‌شود و باعث احیای سنگ‌آهن می‌شود.این روش به‌عنوان کم‌مصرف‌ترین روش و پربازده‌ترین روش‌ها در ایران و جهان هست. حدود ۸۰ درصد آهن اسفنجی ایران، به این روش تولید می‌گردد. بعدازآن روش HYL هست ولی مصرف بالای برق آن و مشکلات ظرفیتی آن است. بنابراین روش HYL و روش‌هایی که بر مبنای زغال‌سنگ هستند، در ایران استفاده نمی‌شود.

ترکیب شیمیایی ( فرمول شیمایی) آهن اسفنجی

چرا استفاده از آهن اسفنجی ؟

۶۶.۳ درصد فولاد خام جهان به کمک روش کوره بلند و ۳۱.۲ درصد آن نیز به روش احیای مستقیم و استفاده از کوره‌های الکتریکی تولید می‌گردد. باوجودآنکه بیش‌تر تولید فولاد خام در جهان به‌وسیله روش کوره بلند تولید می‌شود، اما موارد ذیل استفاده از روش احیای مستقیم و کوره‌های الکتریکی را، مخصوصاً در ایران، توجیه‌پذیرتر می‌کنند:

• – با توجه به استفاده از قراضه آهن، این روش سریع‌تر است.
• -هزینه راه‌اندازی یک واحد کوره بلند نسبت به یک واحد احیای مستقیم و کوره الکتریکی در ظرفیت‌های متناظر، بالاتر است.
• – کک متالورژیکی که یکی از مواد اولیه موردنیاز کوره‌های بلند است، از زغال‌سنگ کک شو به دست می‌آید که منابع آن در ایران محدود است. همچنین این ماده عمدتاً وارداتی و گران‌قیمت است. برای تولید هر تن آهن خام به روش کوره بلند، طبق استانداردهای جهانی به حداقل ۵/۱ تن سنگ‌آهن و ۴۵۰ کیلوگرم کک متالورژیکی نیاز بوده که گاهی این مقدار تا ۳ تن سنگ‌آهن و ۱۰۰۰ کیلوگرم کک هم افزایش می‌یابد. درنتیجه با توجه به آنکه می‌توان از گاز به‌عنوان ماده احیاکننده درروش احیای مستقیم استفاده نمود و باوجود منابع عظیم گاز در ایران، عملاً روش کوره بلند مزیت خود را از دست می‌دهد.
• -روش کوره بلند محدودیت‌های زیست‌محیطی بیشتری نسبت به روش احیای مستقیم دارد.
• -آهن اسفنجی عیار بالاتری نسبت به آهن خام دارد.
• -کوره بلند در ظرفیت‌های بالا (حداقل یک و نیم میلیون تن در سال) دارای توجیه اقتصادی بیش‌تری است، درحالی‌که از روش احیای مستقیم می‌توان در واحدهای کوچک فولادسازی نیز با توجیه اقتصادی مناسب استفاده کرد.
• -آهن اسفنجی را می‌توان به‌صورت آهن گرم کلوخه شده (HBI) درآورده، به سهولت حمل یا ذخیره کرد. درصورتی‌که که حمل آگلومره که خوراک کوره بلند است سخت‌تر هست.
• -در فرایند احیای مستقیم می‌توان از گاز طبیعی بدون حذف ناخالصی‌های آن استفاده کرد.
• -درعین‌حال شرکت‌های ذوب‌آهن اصفهان، فولاد میبد، فولاد زاگرس، ذوب‌آهن غرب کشور و فولاد زرند، درمجموع حدود ۵ میلیون تن فولاد، از طریق روش کوره بلند تولید خواهند کرد که با توجه به پتانسیل‌های موجود در کشور، به نظر کافی می‌آیند.

با توجه به آنچه گفته شد، در ایران تولید فولاد از طریق آهن اسفنجی توجیه مناسب‌تری داشته، لذا به بررسی بیشتر آن می‌پردازیم.

لازم است ذکر شود تولید فولاد از طریق احیای مستقیم و کوره‌های الکتریکی در راستای سیاست‌های شرکت ملی فولاد و وزارت صنایع نیز بوده است. بر این اساس، با استفاده از آمار، به بررسی وضعیت آهن اسفنجی در جهان و کشورهای پیشرو در این زمینه می‌پردازیم. بر اساس اطلاعات World Steel، هندوستان بزرگ‌ترین تولیدکننده آهن اسفنجی در دنیا هست. این کشور از مجموع تولید ۹/۶۴ میلیون تن آهن اسفنجی دنیا در سال ۲۰۰۷، حدود ۱/۱۸ میلیون تن یعنی حدود ۲۸درصد از کل تولید را به خود اختصاص داده است. ونزوئلا با ۱۲درصد، ایران با حدود ۵/۱۱درصد (۵/۷ میلیون تن در سال) و مکزیک با حدود ۱۰درصد در جایگاه‌های بعدی قرار دارند. حدود ۸۰درصد آهن اسفنجی جهان در کشورهای مذکور به‌علاوه عربستان سعودی، ترینیداد، روسیه و مصر تولید می‌شود. دلیل اصلی آمار بالای تولید آهن اسفنجی در چند کشور محدود، به ذخایر گاز و زغال‌سنگ (حرارتی)، به‌عنوان عوامل اصلی جهت تولید انرژی موردنیاز فرایند احیای مستقیم مربوط می‌شود. در کشور هند، حدود ۷۰درصد تولید آهن اسفنجی با استفاده از زغال‌سنگ (حرارتی یا کک نشو) و حدود ۳۰درصد با استفاده از گاز (در ۷ کارخانه) تولید می‌گردد. روش‌های استفاده از زغال‌سنگ در فرایند احیای مستقیم در هند متنوع هست.

بزرگ‌ترین تولیدکنندگان آهن اسفنجی در جهان:

• هند
• ایران

بریکت چیست؟

بریکت همان آهن اسفنجی یا DRI هست. با این تفاوت که در زمان تولید، به‌صورت فشرده شکل‌گرفته،در فرآیند بریکت­ سازی سرد، مواد ورودی در دمای محیط به ماشین بریکت ­زنی وارد می‌شوند. در این فرآیند با توجه به نوع مواد ورودی به ماشین، دو نوع محصول شناخته‌شده است. که عبارت‌اند از بریکت نرمه آهن اسفنجی و بریکت سرد آهن اسفنجی.

انواع بریکت:

• بریکت گرم آهن اسفنجی

بریکت­ گرم آهن اسفنجی (HBI) محصولی است که در فرآیند بریکت­ سازی از آهن اسفنجی گرم (HDRI) و در دمای بیش از ۶۵۰ درجه سانتی‌گراد تولید می‌شود. این نوع بریکت شناخته‌شده‌ترین محصول جهت حمل‌ونقل آسان و ایمن آهن اسفنجی در سطح جهان به شمار می‌رود.

• بریکت نرمه آهن اسفنجی -برکیت سرد آهنی

در فرآیند بریکت­ سازی سرد، مواد ورودی در دمای محیط به ماشین بریکت ­زنی وارد می‌شوند. در این فرآیند با توجه به نوع مواد ورودی به ماشین، دو نوع محصول شناخته‌شده است. که عبارت‌اند از بریکت نرمه آهن اسفنجی و بریکت سرد آهن اسفنجی.

با استفاده از فنّاوری بریکت سازی سرد در واحدهای احیای مستقیم، فرآیند ذخیره‌سازی و انتقال آهن اسفنجی به واحدهای فولادسازی به‌طور مؤثرتری انجام‌شده و از طرف دیگر گامی مؤثر در جهت توسعه صادرات آهن اسفنجی کشور و دستیابی به بازارهای جهانی برداشته خواهد شد.

زمینه‌های کاربرد بریکت­ سازی عبارت‌اند از:

• آهن و فولاد (آهن اسفنجی، کک و زغال‌سنگ)
• مواد معدنی (دولومیت، منگنز، فروآلیاژ، آلومینا، آهک و ..)
• مواد شیمیایی (سولفات­ها، کربنات­ها، کلریدها، سیانیدها، برومیدها
• کودهای شیمیایی
• مواد شوینده و بهداشتی

مشخصات فیزیکی بریکت یا HBI:

سایز نرمال بریکت : ۳۵×۵۵×۱۴۵ میلی‌متر

توزیع گرانولومتریک (ریزدانه‌ها )

  >6.0 mm: 95% min.

<6.0 mm: 5% max.

ویژگی‌های ترکیب شیمیایی ( Chemical Composition) :

استفاده از شارژ آهن اسفنجی

استفاده از شارژ آهن اسفنجی یا بریکت در کوره قوس می‌تواند تأثیرات مشخصی را در فرآیند ذوب نشان دهد. مصرف انرژی، بهره‌وری یا قابلیت تولید و بازدهی مواد متأثر از ترکیب شیمیایی DRI و درصد استفاده از آن در شارژ است.

آهن اسفنجی به‌عنوان جایگزین قراضه و با توجه به ترکیب شیمیایی تقریباً یکنواخت آن به‌منظور کاهش غلظت عناصر ناخالصی و رسوبات در ذوب از طریق بالا بردن عیار آهن موجود در شارژ استفاده می‌شود.

در حقیقت با شارژ آهن اسفنجی در سبد قراضه آهن، سطح ناخالصی‌های موجود در شارژ کاهش‌یافته و سبب کاهش مقدار نیتروژن موجود در ذوب می‌شود.

کاهش نیتروژن در ذوب باعث می‌شود، تختال‌ها و بیلت‌های باکیفیت جهت تولید ورق‌های گرم، وایر و انواع محصولات دیگر را بتوان تولید کرد.