آهن اسفنجی چیست؟ چه کاربردی در ریخته گری دارد؟

اگر در صنعت فلزات و به‌ویژه فولاد فعالیت دارید، حتما نام آهن اسفنجی را شنیده‌اید. اما آیا می‌دانید آهن اسفنجی چیست و چه کاربردی در ریخته گری دارد؟

آهن اسفنجی یکی از اشکال اصلی آهن است که برای تولید انواع آلیاژهای آهنی و ریخته گری مقاطع فولادی مورد استفاده قرار می‌گیرد. آهن اسفنجی با عیار بالا و ناخالصی کمی که دارد، امکان تولید فولاد باکیفیت و با استحکام بالا را فراهم می‌آورد.

آهن اسفنجی یا آهن احیای مستقیم، در این مقاله از آیرومارت مورد بررسی قرارگرفته است. با آیرومارت همراه باشید تا درباره این محصول مهم فولادی بیشتر بخوانید.

آهن اسفنجی چیست؟

در ابتدای مقاله، باید تعریف کنیم که آهن اسفنجی چیست؟ سپس به کاربردها و مزایای استفاده از آن بپردازیم. آهن احیای مستقیم (DRI) یا آهن اسفنجی به انگلیسی sponge iron، از احیای مستقیم سنگ آهن به صورت آگلومره، گندله یا نرمه تولید می‌شود. این فرایند به صورت مستقیم و بدون ذوب کردن انجام می‌شود.

در فرایند احیای مستقیم فولاد، گاز اکسیژن از سنگ آهن خارج شده و به همین دلیل سنگ آهن به شکل قطعاتی کروی شکل که در سطح خود سوراخ‌های کوچکی دارد، درمی‌آید و شکل اسفنج به خود می‌گیرد. ازاین‌رو این محصول خاص، آهن اسفنجی نامیده می‌شود.

تاریخچه آهن اسفنجی

در تاریخچه آهن اسفنجی در ایران آمده است که اولین بار در سال ۱۳۸۹، کارخانه‌ای در یزد این ماده را در کوره القایی خود مورد استفاده قرار داد.

پس از گذشت مدتی، کارخانه‌های دیگر نیز شروع به استفاده از آهن اسفنجی کردند اما به دلیل عدم آشنایی با نحوه شارژ کوره، بالا بودن کربن پس از تولید و وجود فسفر و گوگرد در مقایسه با قراضه که آنالیز ذوب را بهم می‌زد، استفاده از آن را متوقف نمودند. از طرفی، زمان ذوب طولانی بود و سرباره زیادی هم تولید می‌‌شد.

با این‌حال، با گذشت زمان، تولیدکنندگان توانستند با استفاده از آهن اسفنجی راندمان کوره را افزایش دهند و این ماده را به چرخه تولید خود اضافه کنند.

ساختار و ویژگی های آهن اسفنجی

سنگ آهن پس از استخراج از بزرگترین معادن آهن ایران از جمله معدن چادرملو، برای تولید آهن خام و آهن اسفنجی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
عیار آهن اسفنجی بین ۸۴ تا ۹۵ درصد است. در ادامه می‌توانید درصد ترکیب شیمایی این ماده را مشاهده فرمایید:

• آهن: ۸۶.۱ تا ۹۳.۵ درصد
• کربن: ۱ تا ۴.۵ درصد
• گوگرد: ۰.۰۰۱ تا ۰.۰۳ درصد
• پنتا اکسید فسفر: ۰.۰۰۵ تا ۰.۰۹ درصد
• کلوخه سنگ: ۳.۹ تا ۸.۴ درصد

آهن اسفنجی اندازه‌ای بین ۴ تا ۲۰ میلی‌متر دارد و چگالی ظاهری آن بین ۳.۴ تا ۳.۶ تن برمترمکعب متفاوت است. از طرفی چگالی توده آن ۱.۶ تا ۱.۹ تن بر مترمکعب ثبت شده است.

کاربرد آهن اسفنجی در ریخته گری و ساخت فولاد

در حال حاضر و طی چندین سال گذشته، تولید فولاد در کوره‌های قوس الکتریکی مورد توجه قرار گرفته است. بنابراین تولید و استفاده از آهن اسفنجی در این کوره‌ها، در حال گسترش است.

اگرچه آهن اسفنجی به عنوان جایگزین آهن قراضه درنظر گرفته می‌شود اما باید بدانید که منبعی از آهن تصفیه‌شده‌ای است که می‌تواند به عنوان مکمل مورد استفاده قرار گیرد. از آهن اسفنجی می‌توان با عیار آهن بالا و پسماند کم، برای تولید آهن و مقاطع فولادی با کیفیت بالا استفاده نمود.

گندله متخلخل، در حقیقت ماده اولیه تولید فولاد در ریخته گری نیز به شمار می‌رود که پس از ذوب برای تولید فولاد مورد استفاده قرار می‌گیرد.

پیش از این، از ضایعات و قراضه‌های فولادی برای ریخته گری فولاد نیز استفاده می‌شد که با وجود آهن اسفنجی می‌توان فولادی با استحکام و مقاومت بالا تولید نمود. آهن اسفنجی توانسته تا ۵۰ درصد، جایگزین قراضه‌های فولادی شود.

نکته قابل توجه این است که استفاده از آهن اسفنجی نیاز به دانش و مهارت کافی دارد، بنابراین رسیدن به نتیجه مطلوب آن نیازمند تخصص است.

مزایای استفاده از آهن اسفنجی

در حال حاضر، ۵ درصد از بازار آهن آلات را آهن اسفنجی تشکیل می‌دهد. علت این امر، مزایای استفاده از آهن اسفنجی است که در اینجا به اختصار به آن‌ها می‌پردازیم:

• خلوص و عیار آهن اسفنجی نسبت به سایر محصولات آهنی بیشتر است.
• آهن اسفنجی به عنوان جایگزینی بسیار خوب برای ضایعات شناخته می‌شود.
• کوره‌های القایی یا واحدهای احیای مستقیم نسبت به کوره های بلند، هزینه کمتری دارند.
• در تولید آهن اسفنجی می‌توان بدون جداسازی ناخالصی‌ها از گاز طبیعی استفاده کرد.
• انتقال و حمل آهن اسفنجی به شکل آهن گرم کلوخه شده یا HBI آسان است.
• آهن اسفنجی ضمن بازدهی بالا، قیمت مناسبی دارد.
• این روش نسبت به استفاده از قراضه آهن روش سریعتری است.

روش های تولید آهن اسفنجی

اگرچه استفاده از آهن اسفنجی در ایران به سال‌های اخیر بازمی‌گردد اما پیدایش آن در جهان، مربوط به دهه ۷۰ میلادی است. البته به طور کلی در مقایسه با سایر شیوه‌های تولید آهن، نوین‌تر و جدیدتر است.

در روش‌های احیای مستقیم، ماده مورد استفاده می‌تواند زغال سنگ یا گاز طبیعی باشد. البته، تاریخچه استفاده از زغال سنگ طولانی‌تر است.

تولید آهن اسفنجی با استفاده از گاز طبیعی

تولید آهن اسفنجی به روش گاز طبیعی، با استفاده از فناوری‌های میدرکس، HYL و Purofer انجام می‌شود که میدرکس و HYL کاربرد بالاتری دارند.

روش میدرکس برای تولید آهن اسفنجی

فناوری میدرکس، کاربردی‌ترین و پراستفاده‌ترین روش برای تولید آهن اسفنجی است که در آن، گاز طبیعی با حرارت گرفتن و به کمک کاتالیزورهای خاص، در واحد شکست گاز تجزیه شده و هیدروژن و کربن مونوکسید آزاد می‌کند. هیدروژن و کربن مونوکسید تولید شده در کوره القایی یا کوره احیا با ترکیب با گندله سنگ آهن، باعث احیای آن و تولید آهن اسفنجی می‌شوند.

از آنجایی که روش میدرکس می‌تواند با کاهش حداکثری مصرف گاز، بازدهی بالاتری داشته باشد، هم اکنون پرکاربردترین روش تولید آهن اسفنجی به شمار می‌رود.

روش HYL در تولید آهن اسفنجی

در این روش، علاوه‌بر گاز طبیعی از بخار آب نیز برای افزایش مقدار هیدروژن تولید شده استفاده می‌گردد. باتوجه به این مساله و بالاتر بودن هیدروژن نسبت به مونوکسید کربن، این عامل نقش احیاکننده اصلی را بر عهده دارد.

کوره در روش HYL همان کوره مشابه میدرکس است اما فشار محیط واکنش بالاتر است تا سرعت انجام واکنش افزایش یابد.
تفاوت روش میدرکس و HYL برای تولید آهن اسفنجی، مصرف بالای برق و محدودیت در ظرفیت تولید است.

تولید آهن اسفنجی با استفاده از زغال سنگ

تولید آهن اسفنجی با زغال سنگ از دو روش کوره تونلی و SL/RN استفاده می‌شود.

روش کوره تونلی

کوره تونلی ساختاری بلند و طویل دارد و از آجرهای نسوز ساخته می‌شود. در کف این کوره ریل‌های مخصوصی قرار گرفته‌اند. در کوره تونلی سه مرحله پیش‌گرمایش، احیا و خنک شدن وجود دارد. آهن به شکل پودر این تونل عبور کرده، در مجاورت زغال سنگ قرار گرفته و در اثر حرارت ناشی از سوختن گاز طبیعی با اکسیژن هوا احیا می‌شود.

روش SL/RN در تولید آهن اسفنجی

یکی از روش‌های قدیمی فرایند احیا، روش SL/RN است که در آن در کوره دوار، سنگ آهن، ذغال کک نشو، مقداری آهک، دولومیت و زغال سنگ برای تولید آهن اسفنجی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

تفاوت آهن اسفنجی و آهن خام

آهن اسفنجی و آهن خام به عنوان دو شکل اصلی آهن شناخته می‌شوند که از طریق فرآوری سنگ آهن طبیعی می‌توان آن‌ها را تولید نمود. تفاوت اصلی آهن اسفنجی و آهن خام، در روش تولید آن‌ها است.

آهن اسفنجی را از طریق فرایند احیای مستقیم سنگ آهن تولید می‌کنند در صورتی که برای تولید آهن خام باید سنگ آهن را به همراه زغال سنگ و سنگ آهن و تحت فشار بالا ذوب نمود.
متخلخل بودن آهن اسفنجی نیز تفاوت دیگر این دو نوع شکل اصلی آهن به شمار می‌رود.

کارخانه تولید آهن اسفنجی

در حال حاضر، در کشورهای مختلفی تولید آهن اسفنجی انجام می‌شود که هندوستان بیشترین میزان تولید آن را به خود اختصاص داده است. در کشور ما نیز واحدهای صنعتی مختلفی آهن اسفنجی را تولید می‌کنند. ازجمله انواع کارخانه تولید آهن اسفنجی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• فولاد مبارکه اصفهان
• فولاد هرمزگان جنوب (زیرمجموعه فولاد مبارکه)
• صنایع معدنی فولاد سنگان
• فولاد امیرکبیر کاشان
• شرکت توسعه و آهن فولاد گل‌گهر

سخن نهایی

قیمت آهن اسفنجی و عیار بالایی که دارد، موجب شده تا در تولید فولاد و ریخته گری کاربرد بالایی را به خود اختصاص دهد. در حال حاضر مراکز مختلف صنعتی در کشور به تولید آهن اسفنجی مشغولند. آهن اسفنحی در تولید مقاطع فولادی و ریخته‌گری مورد استفاده قرار می‌گیرد.

از سوی دیگر می‌توان گفت که قیمت آهن اسفنجی از عوامل موثر بر قیمت مقاطع فولادی چون قیمت میلگرد ۱۶، قیمت تیرآهن و قیمت ورق گالوانیزه است. شما می‌توانید قیمت این مقاطع را از صفحه هر محصول در آیرومارت استعلام بگیرید و برای خرید نبشی و سایر مقاطع اقدام نمایید.