آهن اسفنجی

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.

میزان عیار آهن اسفنجی بین ۸۴ تا ۹۵ درصد است که مقدار بالایی به شمار می‌رود. در جد.ل زیر ترکیب شیمیایی و چگالی این محصول فولادی در دو شکل متفاوت کلوخه و نرمه نمایش داده می‌شود.

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.

روش های تولید آهن اسفنجی 

تولید آهن به روش احیای مستقیم که آهن اسفنجی از آن حاصل می‌شود، در مقایسه با سایر شیوه‌های تولید آهن جدیدتر است و پیدایش آن در جهان به دهه ۷۰ میلادی برمی‌گردد. در روش‌های احیای مستقیم ماده‌ احیاکننده‌ مورد استفاده، می‌تواند ذغال‌سنگ یا گاز طبیعی باشد که البته استفاده از ذغال‌سنگ سابقه‌ی طولانی‌تری دارد.
برای تولید آهن اسفنجی با استفاده از گاز طبیعی از فناوری‌های زیر استفاده می‌شود:
• میدرکس
• HYL
• Purofer
از بین این سه فناوری، میدرکس و HYL پرکاربردتر و پربازده‌تر هستند.
در روش میدرکس، سنگ‌آهن دارای عیار ۶۷ درصد، بدون نیاز به واسطه و با استفاده از گازهای شکسته‌ شده احیا می‌شود. به این شکل که گاز طبیعی به‌ وسیله‌ حرارت و کاتالیزورهای خاصی، در واحد شکست گاز تجزیه شده و هیدروژن و کربن مونواکسید آزاد می‌کند. سپس این دو گاز وارد کوره‌ احیا شده، با اکسیژن موجود در آهن مذاب ترکیب می‌شوند و سنگ‌آهن احیا می‌شود، در نتیجه آهن اسفنجی با عیار بالا به دست می‌آید. آهن اسفنجی تولید شده در دمای ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد، جهت تصفیه به کوره‌های قوس الکتریکی (EAF) منتقل شده و عملیات فولادسازی روی آن آغاز می‌شود.
در روش HYL علاوه‌ بر استفاده از گاز طبیعی شکسته شده به عنوان احیاکننده، از بخار آب نیز برای افزایش مقدار هیدروژن تولید شده استفاده می‌کنند. بنابراین در این روش مقدار هیدروژن نسبت به مونواکسید کربن بسیار بیشتر بوده و نقش عامل اصلی احیاکننده را ایفا می‌کند. کوره‌ احیا نیز مشابه همان کوره‌ میدرکس است، ولی فشارمحیط واکنش در سطح بالاتری (۷ اتمسفر) در نظر گرفته شده تا واکنش‌ها با سرعت موردنظر انجام شود.

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

• روش کوره‌ی تونلی
• SL/RN

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 شمش 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

آهن اسفنجی (آهن احیای مستقیم – DRI) یکی از مواد مهم و پرکاربرد در صنعت فولادسازی است که از احیای سنگ آهن به روش مستقیم تولید می‌شود. در این فرآیند، بدون ذوب سنگ آهن، با خروج اکسیژن و ایجاد سوراخ‌های متعدد در سطح آن، محصولی با شکل و شمایل اسفنج تولید می‌شود.

ویژگی‌ها و مزایای آهن اسفنجی:

• عیار بالای آهن (بین 84 تا 95 درصد).
• جایگزین مناسب برای ضایعات آهن.
• کاهش هزینه‌ها نسبت به فرآیندهای کوره بلند.
• قابل استفاده در کوره‌های قوس الکتریکی (EAF).
• بازدهی بالا و مقرون‌به‌صرفه در فرآیند تولید فولاد.

روش‌های تولید آهن اسفنجی (احیای مستقیم)

1. احیای مستقیم با گاز طبیعی

برای تولید آهن اسفنجی با استفاده از گاز طبیعی، از فناوری‌های زیر استفاده می‌شود:

الف) روش میدرکس (Midrex):

• گاز طبیعی در فرآیند شکست گاز به هیدروژن و کربن مونوکسید تجزیه می‌شود.
• این گازها وارد کوره احیای میدرکس شده و با حذف اکسیژن موجود در سنگ آهن، آهن اسفنجی تولید می‌کنند.
• مزایا:
  • مصرف بهینه گاز.
  • بازدهی بالا و عملکرد مناسب در تولید صنعتی.

ب) روش HYL:

• در این روش علاوه بر گاز طبیعی شکسته، از بخار آب برای افزایش مقدار هیدروژن استفاده می‌شود.
• فشار محیط واکنش در کوره HYL به حدود 7 اتمسفر می‌رسد که باعث تسریع فرآیند احیا می‌شود.

2. احیای مستقیم با زغال‌سنگ

در این روش از دو فرآیند کوره تونلی و SL/RN استفاده می‌شود:

الف) کوره تونلی:

• پودر سنگ آهن به همراه زغال‌سنگ در کوره‌ای بلند و طویل قرار می‌گیرد.
• مراحل این روش شامل پیش‌گرمایش، احیا و خنک‌سازی است.

ب) روش SL/RN:

• استفاده از کوره‌های افقی مشابه کوره‌های تولید سیمان.
• زغال‌سنگ حرارتی به عنوان ماده احیاکننده با سنگ آهن ترکیب شده و فرآیند احیا صورت می‌گیرد.

بریکت آهن اسفنجی و تفاوت آن با آهن اسفنجی

بریکت محصولی است که از فشرده‌سازی آهن اسفنجی به دست می‌آید. این فرآیند باعث می‌شود که حمل‌ونقل و ذخیره‌سازی آسان‌تر شود و مقاومت محصول در برابر سایش و زنگ‌زدگی افزایش یابد.

انواع بریکت:

1. بریکت گرم (HBI):
   • تولید در دمای بالای 650 درجه سانتی‌گراد.
   • شناخته‌شده‌ترین و پرکاربردترین نوع بریکت.
2. بریکت سرد:
   • تولید در دمای محیط.
   • مناسب برای ذخیره‌سازی طولانی‌مدت.
3. بریکت نرمه:
   • تولید از ذرات ریز (نرمه) آهن اسفنجی در دمای محیط.

تفاوت بریکت و آهن اسفنجی:

• بریکت: فشرده و مقاوم، مناسب برای حمل‌ونقل.
• آهن اسفنجی: محصول اولیه و غیر فشرده.

مقایسه گندله و آهن اسفنجی

گندله: گلوله‌هایی تولیدشده از کنسانتره سنگ آهن که در ابتدا خام هستند و سپس پخته و سخت می‌شوند. گندله ماده اولیه در تولید آهن اسفنجی است.

تفاوت‌ها:

• گندله: ماده اولیه برای احیا.
• آهن اسفنجی: محصول نهایی فرآیند احیا که دارای عیار بالای آهن است.

مواد اولیه تولید گندله:

• بنتونیت
• شیرآهک
• ماده آلی
• آهک
• آب
• سیمان