آهن اسفنجی چیست؟ | کاربردها و روش تولید DRI

آهن احیا شده مستقیم (DRI) که به نام آهن اسفنجی نیز شناخت می‌شود محصولی است که از احیای مستقیم سنگ آهن یا سایر مواد آهن‌دار در حالت جامد با استفاده از زغال سنگ غیر کک یا گاز طبیعی تولید می‌شود. در این متن قصد داریم کلیه اطلاعات موردنیاز شما عزیزان را در مورد این ماده بسیار مفید ارائه کنیم. با ما همراه باشید.

فرایندهای DRI

فرایندهایی که آهن اسفنجی (sponge iron) را با کاهش سنگ آهن در زیر نقطه ذوب آهن تولید می‌کنند، معمولاً به عنوان فرایندهای احیای مستقیم (DR) شناخته می‌شوند. عوامل کاهنده مونوکسید کربن (CO) و هیدروژن (H2) هستند که از گاز طبیعی اصلاح شده، گاز سنتز یا زغال سنگ به دست می‌آیند. سنگ آهن بیشتر به صورت پلت و یا گلوله‌ای (گندله متخلخل) استفاده می‌شود. اکسیژن (O2) از سنگ آهن توسط واکنش‌های شیمیایی مبتنی بر H2 و CO برای تولید DRI بسیار متالیز شده حذف می‌شود.

در فرایند احیای مستقیم، آهن فلزی جامد (Fe) مستقیماً از سنگ آهن جامد، بدون قرار دادن سنگ معدن یا فلز در معرض همجوشی به دست می‌آید. احیای مستقیم را می‌توان به عنوان کاهش حالت جامد در پتانسیل O2 تعریف کرد که امکان کاهش اکسیدهای آهن را فراهم می‌کند، اما اکسیدهای دیگر (MnO و SiO2 و غیره) را به عناصر مربوطه کاهش نمی‌دهد.

از آنجایی که احیا در حالت جامد است، احتمال بسیار کمی برای حل شدن این عناصر (در فعالیت ترمودینامیکی کم) در آهن احیا شده وجود دارد، بنابراین اکسیدهایی که پایدارتر از آهن هستند اساساً احیا نشده باقی می‌مانند.

DRI ساختاری متخلخل دارد. این بدان دلیل است که DRI با حذف O2 از سنگ آهن تولید می‌شود. این ماده به عنوان آهن اسفنجی شناخته می‌شود؛ زیرا ساختار آن دقیقاً مانند اسفنج با شبکه‌ای از منافذ اتصال است. این منافذ باعث ایجاد یک سطح داخلی بزرگ می‌شود که حدود 10000 برابر بیشتر از سطح داخلی آهن جامد است.

مطالعه کنید: همه چیز درباره سنگ آهن

اشکال مختلف آهن اسفنجی

آهن اسفنجی به اشکال مختلف تولید می‌شود. این موارد شامل کلوخه، گلوله، آهن بریکت شده داغ (HBI)، ریزدانه و آهن بریکت شده سرد (CBI) هستند. HBI و CBI اشکال متراکم شده DRI برای تسهیل حمل و نقل و حمل و نقل آن به شمار می‌آیند. HBI با فشرده‌سازی DRI تحت فشار بسیار بالا در دمای بیش از 650 درجه سانتیگراد تولید می‌شود. این امر بسیاری از منافذ را می‌بندد و ناحیه تماس را که برای واکنش با هوا در دسترس است محدود می‌کند. همچنین هدایت حرارتی آن را افزایش می‌دهد.

محتوای آهن در DRI به دو صورت است. یکی به شکل فلزی است که به آهن فلزی، Fe (M) معروف است و شکل دوم آهن که در اکسیدهای آهن باقی مانده یا Fe (O) وجود دارد. کل آهن یا Fe (T)، مجموع این دو جزء آهن است.

متالیزاسیون DRI معیاری برای تبدیل اکسیدهای آهن به آهن فلزی (چه آزاد یا در ترکیب با کربن به عنوان سمنتیت) با حذف O2 مورد استفاده قرار می‌گیرد. درجه متالیزاسیون DRI میزان تبدیل اکسید آهن به آهن فلزی در حین احیا است و بر حسب درصد جرم آهن فلزی تقسیم بر جرم کل آهن تعریف می‌شود.

مطلب پیشنهادی: خاک آهن و کاربردهای آن

تاریخچه فرایندهای DRI

اولین روند تولید آهن اسفنجی در سال 1792 در انگلستان رخ داد. توسعه فرایند DR مدرن در اواسط قرن نوزدهم آغاز شد. از سال 1920 بیش از 100 فرایند DRI اختراع و عملیاتی شده است. بیشتر آنها ادامه نیافتند. اولین کارخانه Midrex در 17 می 1969 در کارخانه فولاد اورگان در پورتلند، اورگان به بهره‌برداری رسید.

مطالعه کنید: سنگ اهن مگنتیت

فرایند تولید آهن اسفنجی

فرایند تولید آهن اسفنجی شامل مخلوط کردن سنگ آهن آماده شده با یک احیاکننده است که معمولاً برای گرم کردن بستر سنگ تا دمای مورد نیاز برای دستیابی به نرخ‌های احیاء کافی استفاده می‌شود. احیاکننده می‌تواند گاز یا جامد باشد.

فرایندهای اصلی تولید آهن اسفنجی یا مبتنی بر گاز طبیعی یا زغال سنگ هستند. مواد خوراک برای فرایند DR سنگ آهن با اندازه‌های مختلف از 10 میلی‌متر تا 30 میلی‌متر یا گلوله‌های سنگ آهن با اندازه‌های مختلف از 8 میلی‌متر تا 20 میلی‌متر است که در کارخانه گندله سنگ آهن تولید می‌شوند.

فرایند مبتنی بر گاز از یک کوره شفت برای واکنش کاهش استفاده می‌کند. فرایند مبتنی بر زغال سنگ از هر یک از چهار نوع رآکتور برای واکنش کاهش بهره می‌برد. این راکتورها عبارت‌اند از (i) کوره دوار، (ii) کوره شفت، (iii) رآکتور بستر سیال و (IV) کوره اجاق دوار. کوره دوار محبوب‌ترین رآکتور برای فرایند زغال سنگ است.

مطالعه کنید: معادن سنگ آهن ایران کدامند؟

فرایند مبتنی بر گاز

در فرایندهای احیای گاز، از یک کوره شفت عمودی استفاده می‌شود که در آن سنگ آهن به بالای کوره وارد می‌شود و آهن اسفنجی پس از خنک شدن از پایین آن خارج می‌گردد تا از اکسیداسیون مجدد آن جلوگیری شود.

گاز احیاکننده از بستر سنگ معدن عبور داده می‌شود و گاز مصرف شده پس از گرم شدن و تبدیل شدن به مخلوطی از H2 و CO در یک ریفورماتور دوباره به گردش در می‌آید و در آنجا نیز تا دمای 950 درجه سانتیگراد گرم می‌شود که دمای مورد نیاز برای رسیدن به محصول نهایی است. کوره شفت بر اساس اصل جریان مخالف کار می‌کند که در آن مواد خوراک سنگ آهن در کوره توسط گرانش به سمت پایین حرکت می‌کند و توسط گازهای کاهنده جریان بالا کاهش می‌یابد.

در فرایند DR مبتنی بر گاز، از سوخت‌های گازی استفاده می‌شود. این سوخت‌ها باید توانایی اصلاح یا ترک خوردگی برای تولید مخلوطی از گاز H2 و CO را داشته باشند. گاز طبیعی حاوی متان بالا، متداول‌ترین گاز مورد استفاده است. گاز طبیعی برای غنی‌سازی با مخلوط H2 و CO اصلاح می‌شود و این مخلوط گاز غنی شده و اصلاح شده از قبل گرم گشته و به کوره DR شفت فرستاده می‌شود.

عملیات مبتنی بر گاز ساده و شامل سه مرحله اصلی است: (1) کاهش سنگ آهن، (2) گرم کردن گاز، و (iii) اصلاح گاز طبیعی. در حال حاضر فرایند مبتنی بر گاز خاصی نیز موجود است که در آن نیازی به اصلاح گاز طبیعی نیست.

قلب فرایند مبتنی بر گاز، کوره شفت است. این محصول یک مخزن استوانه‌ای شکل و با پوشش نسوز است و جزء کلیدی فرایند احیای مستقیم محسوب می‌شود. این کوره یک رآکتور انعطاف‌پذیر و همچنین همه کاره است. می‌تواند از گاز طبیعی، گاز سنتز از زغال سنگ، گاز کوره کک یا گاز خروجی از فرایند Corex به عنوان گاز کاهنده استفاده کند.

مطالعه کنید: هماتیت و کاربردهای آن

فرمول‌های مربوطه

واکنش‌های کاهش هر دو با H2 و CO در یک فرایند تولید آهن اسفنجی مبتنی بر گاز انجام می‌شود. واکنش‌هایی که با H2 انجام می‌شود عبارت‌اند از (i) 3Fe2O3 + H2 =2Fe3O4 + H2O، (ii) Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O، و (iii) FeO + H2 = Fe + H2O. واکنش‌هایی که با CO انجام می‌شود عبارت‌اند از (i) 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2، (ii) Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2، و (iii) FeO + CO = Fe + CO2.

DRI مبتنی بر گاز تحت هیچ‌گونه جداسازی مغناطیسی قرار نمی‌گیرد؛ زیرا هیچ‌گونه آلودگی با مواد غیرمغناطیسی امکان پذیر نیست. فرایند مبتنی بر گاز برای تولید سه شکل محصول مختلف، بسته به نیازهای خاص هر کاربر، انعطاف‌پذیر است. سه شکل DRI عبارت‌اند از DRI سرد، HBI یا DRI گرم. سه فرایند رایج مبتنی بر گاز وجود دارد. اینها عبارت‌اند از (i) فرایند HYL، (ب) فرایند Midrex، و (iii) فرایند PERED. آخرین نسخه فرایند HYL به فرایند Energiron معروف است.

مزایای DRI

مزایای مختلف DRI عبارت‌اند از:

• • امکان رقیق شدن بقایای فلزی در قراضه در طول فولادسازی

• • از آنجایی که یک محصول تولیدی است، ترکیب یکنواختی دارد

• • اندازه یکنواختی دارد

• • در مقایسه با قراضه دارای گوگرد و فسفر کم‌تری است

• • اگر در کوره بلند همراه با سایر مواد باردار شارژ شود، بهره‌وری کوره بلند را بهبود می‌بخشد.

قراضه در مقابل آهن اسفنجی

آهن یک فلز برگشت‌پذیر است به این معنی که می‌توانیم محصولات آهن را دوباره به عنوان قراضه ذوب کنیم. بازیافت فولاد و آهن سازگار با محیط‌زیست و تقریباً سودآور است. بازیافت قراضه فلزات جهانی اخیر در سال 2020 حدود 895.8 میلیون تن برآورد شده است. قراضه فولاد تقریباً بهترین ماده از این نظر است. بسیاری از مواد مصرفی روزانه ما حاوی آلومینیوم، فولاد یا سایر فلزات هستند. محصولاتی مانند قوطی، بسته‌بندی مواد غذایی، اسپری‌ها، فویل‌ها و باتری‌ها تنها چند نمونه محدود از این موارد هستند.

بازیافت ضایعات آهن اسفنجی باعث صرفه‌جویی در مصرف انرژی و کاهش آلودگی محیطی استخراج فلز می‌شود. اما بازیافت چندین جنبه منفی نیز دارد. جداسازی دستی مواد فلزی از پلاستیک و سایر اجزاء یکی از مشکلات بازیافت است. علاوه بر این، با هر فرایند بازیافت، فلز تولید شده تجزیه می‌شود. کیفیت آن دیگر مانند سابق نیست.

این در حالی است که آهن اسفنجی نیازی به جداسازی دستی ندارد و به طور مستقیم اکسیژن سنگ آهن را در فرایند متالیزاسیون بدون ذوب آهن کاهش می‌دهد. ما همچنین می‌دانیم که راه‌اندازی کارخانه‌های مخصوص این نوع آهن کم‌هزینه‌تر هستند. به جای ذوب ضایعات فولاد در کارخانه‌های کوچک فولاد، آهن اسفنجی در یک کوره قوس الکتریکی یا کوره القایی حل می‌شود تا فولاد ایجاد گردد.

مطلب مفید: کنسانتره آهن چیست و چگونه تولید می‌شود؟

استفاده و فواید آهن اسفنجی

آهن احیا شده مستقیم یا اسفنجی اندازه‌ها و اشکال مختلفی دارد و همه آنها به راحتی در گیاهان انتقال به مکان‌های دیگر قابل انتقال هستند. قطعات مختلف آهن اسفنجی به هم جوش داده می‌شود تا آهن فرفورژه تولید شود. این آهن فرفورژه حدود 3 درصد سرباره و درصد کمی از ناخالصی‌های دیگر دارد.

علاوه بر این، در کارخانه‌های فولادی یکپارچه، آهن اسفنجی به عنوان خنک‌کننده مبدل‌های LD عمل می‌کند. این محصول شباهت زیادی به آهن خام دارد، بنابراین می‌تواند خوراک جایگزین مناسبی برای کوره‌های الکتریکی در کارخانه‌های کوچک‌تر باشد. با استفاده از آهن احیا شده مستقیم می‌توان مصرف ضایعات را کاهش داد و فولاد باکیفیت بالاتری تولید کرد.

آهن اسفنجی مستعد اکسیدشدن و زنگ‌زدگی است. پس از تولید این محصول، تولیدکنندگان برای جلوگیری از زنگ‌زدگی، در سریع‌ترین زمان ممکن فرایند تولید فولاد به وسیله این آن را انجام می‌دهند.

از دست ندهید: مراحل اکتشاف معدن

گریدهای مختلف آهن اسفنجی

آهن اسفنجی می‌تواند مشخصات مختلفی داشته باشد و معمولاً حاوی سرباره یا گانگ است. با این حال، ناخالصی آن ناچیز است و به فرایندهای تولید آسیب نمی‌رساند. چندین درجه اصلی این محصول عبارت‌اند از:

• • درجه – A (FeM – 81٪ حداقل)

• • درجه – B (FeM – 78 تا 80 %)

• • درجه -C   (Fem – < 78٪)

سخن پایانی

در این متن به بررسی آهن اسفنجی، روند تولید و همچنین مزایای اصلی آن پرداختیم. به طور کلی می‌توان گفت که این آهن یکی از محصولات بسیار پرکاربرد و مهم در دنیای فلزات است. مهم‌ترین امر در زمان خرید این محصول مراجعه به شرکت‌هایی است که محصولاتی باکیفیت را ارائه می‌کنند، زیرا کیفیت این محصول بر روی کیفیت نهایی نیز اثر می‌گذارد.