آهن اسفنجی یا همان آهن تقلیل یافته ( DRI ) شکلی از آهن است که می توان آن را به طور مستقیم و از طریق یک فرایند کاهش به دست آورد. به همین دلیل است که به آهن مستقیما تقلیل یافته معروف است. سنگ آهن در تماس با بسیاری از عناصر کاهنده مختلف مثل گاز طبیعی یا گاز خارج شده از ذغال قرار داده می شود تا آهن اسفنجی به دست آید. علاوه براین، آهن اسفنجی در درون انواع بسیاری از کوره های بلند گداخت، کوره های اکسیژن و اجاق های ذغال سنگ قابل تولید است.

آهن اسفنجی نسبت به سایر فرم های آهن ذوب شده فواید بیشتری دارد. آهن اسفنجی بسیار غنی تر از آهن خوک در داشتن میزان فلز آهن است. به همین دلیل کاربردهای زیادی در کوره های برقی دارد.

آهن اسفنجی ماده ای فلزی است که از تقلیل ( جداسازی) اکسیژن از اکسید آهن ( سنگ آهن) در دمای پایین تر از نقطه ذوب آهن به دست می آید. آهن اسفنجی با استفاده از گاز کاهنده ( عمدتا ترکیبی از هیدروژن و مونواکسیدکربن) تولید می شود. دماهای متناسب این فرایند به طور قابل توجهی از دماهای استفاده شده در کوره های ذوب پایین تر است و نیازهای اساسی آن هم کمتر است. DIR به دلیل داشتن یک بافت اسفنجی شکل به این نام معروف شده است.

مواد اولیه مناسب برای تولید آهن اسفنجی

برای تولید این نوع آهن از  سنگ های آهن با درجه آهن بالا ( حداقل حاوی ۷۰ درصد آهن) یا فولاد قراضه زنگ زده استفاده میشود که عمدتا از آهن تشکیل شده اند. البته این مواد در یک کوره القایی هنوز قابل استفاده نیست چون تقلیل یک واکنش شیمیایی است در حالی که القا فقط فلز خالص تقلیل یافته را ذوب می کند.

آهن اسفنجی داغ ( HDRI )

آهن داغ بلافاصله برای ذوب در درون کوره قوس الکتریکی یا کوره القا برده می شود تا در مصرف انرژی صرفه جویی شود. وقتی HDRI در معرض هوا قرار می گیرد ممکن است به سرعت اکسید شده و منفجر شود.

DRI به ما این امکان را می دهد تا چیزی دریافت کنیم که اساسا در دو صنعت ( استخراج آهن از معدن و آماده کردن و اصلاح برای تولید فولاد) ایجاد می شود و رد پای آنها را کاهش دهیم. مهم تر از همه این است که DRI به عنوان یک منبع اصلی و عالی برای فولادسازی با روش  EAF عمل می کند. به این معنی که ما می توانیم آن دسته از فواید فولادسازی EAF را که در زمان بازیافت فلز قراضه می بینیم، با استفاده از DRI به فرآوری فولاد جدید انتقال دهیم.

آهن اسفنجی یک شیوه جایگزین برای تولید فولاد به جای شیوه های Scrap-EAF و BF-BOF ارائه می دهد. سنگ آهن در DRI به فرم سخت خود تجزیه می شود( به غیر از فرایند BF که یک فلز مایع در حین تقلیل شکل می گیرد). DRI می تواند در کوره های قوس الکتریکی به فولاد تبدیل شود.

تولید DRI

تولید-آهن-اسفنجی

تصویر ۱- تولید آهن اسفنجی

تولید DRI در خاورمیانه، آمریکای جنوبی، هند و مکزیک بسیار متداول است. کشور هند یکی از برترین تولیدکنندگان آهن اسفنجی در جهان است که دارای منابع معدنی کوچک و متوسط فراوانی است.

طبقق آمارهای ارائه شده سازمان جهانی، تولید سالانه جهانی آهن اسفنجی به بالاترین میزان خود یعنی ۱۰۰ میلیون تن در سال ۲۰۱۸ رسیده که طی دو سال متوالی به رشد دوبرابری دست یافته است. دو کشور هند و ایران به طور مشترک بیش از نیمی از تولید جهانی این فلز را به خود اختصاص داده اند.

آهن اسفنجی به دلیل نیاز های سرمایه گذاری در مقیاس کوچک و تناسب خوب با شرایط فلزی خام موضعی یک فلز خاص و جذاب است. درنتیجه تولید آن در سه دهه اخیر به شدت و به سرعت در حال گسترش است. با این حال، عملکرهای  DRI در مقیاس کوچک هم به عنوان یک مانع در سرمایه گذاری های کارایی انرژی عمل می کند.

گاز طبیعی و ذغال دو سوخت اصلی مورد استفاده در تولید این آهن هستند. با اینکه بیش از ۹۰ درصد کارخانجات DRI  جهانی از گاز طبیعی با درجه پایین برای تولید این فلز استفاده می کنند ولی تولید آن در هند توسط ذغال انجام می شود. مصرف انرژی در تولید DRI  بر مبنای گاز طبیعی بسیار شایع است ولی این روش تولید سبب انتشار گاز CO۲ می شود. میزان انتشار گاز دی اکسید کربن به ازای تولید هر تن فولاد بین ۰.۷۷ تا ۰.۹۲ تن است که این میزان بستگی به نوع برق مصرفی در فرایند تولید دارد. رایج ترین فناوری های مورد استفاده برای تولید DRI فناوری های MIDREX و HYL III هستند که هر دو از گاز طبیعی استفاده می کنند.

فرایندهای انجام گرفته بر روی DRI بر مبنای نوع رآکتور به کار گرفته شده را می توان به بخش هایی زیر تقسیم کرد.

فرایندهای انجام گرفته بر روی DRI

  • کوره های استوانه ای
  • کوره های دوار
  • کوره های آتش دوار
  • رآکتورهای بستر سیال

چون در تولید آهن اسفنجی هیچ مرحله سرباره و مرحله ذوب وجود ندارد، تمام عناصر هرز سنگ های سنگ آهن در خود آهن اسفنجی باقی می مانند و درنتیجه نیاز به جداسازی از طریق سرباره در روش EAF دارند. این روش باعث افزایش میزان مصرف انرژی الکتریکی در روش EAFدر مقایسه با روش ذوب فولاد قراضه می شود. اگرآهن اسفنجی داغ بلافاصله به بخش ذوب EAFانتقال داده شود، گرمای ایجاد شده توسط فرایند تقلیل مستقیم هزینه ذوب DRIرا در روش  EAFپایین می آورد و این هزینه های تامین انرژی و مصرف الکترود را به طور چشم گیری کاهش می دهد.

بارگیری های دمایی برای تولید آهن اسفنجی اساسا مرتبط با کیفیت ذغال و تا حد کمتری هم با تجزیه پذیری سنگ مرتبط هستند. نسبت های بالایی از (میانگین ۳۲٪) مواد تشکیل دهنده قابل احتراق (خاکستر و رطوبت) ذغال معمولا در کارخانه های تولید DRIدر هند استفاده می شوند که منجر به مصرف بیشتر انرژی هستند. استفاده متدوال ذغال در کارخانجات هند در محدوده ۱.۲ تا ۱.۵ تن به ازای هر تن آهن اسفنجی است. درحالی که مصرف ذغال در کارخانجات پیشرفته بین ۱.۰۵ تا ۱.۲ است که البته این مقدار بسیار بالاتر از ذغال مورد استفاده در کارخانجات آفریقای جنوبی است که از ذغال غیرقابل احتراق با نسبت ۱۶٪ استفادا می کنند.

نکات تکمیلی در مورد تولید آهن اسفنجی

تولید آهن اسنفجی

تصویر ۲- تولید آهن اسنفجی

 

کوره های دوار با جریان غیرهمسو که برای تولید آهن اسفنجی در هند استفاده می شوند، فقط به ۶۰٪ گرما اجازه استفاده برای تولید می دهند و با تجدید ارزیابی ۴۰ درصد گرمای باقی مانده که از کوره ها خارج می شود، به عنوان یک پتانسیل مهم برای بهبود کارایی انرژی استفاده می کنند.

بیشتر کارخانجات تجزیه مستقیم بر مبنای گاز بخشی از آسیاب های کوچک تجمیع شده فولاد هستند که در جوار کارخانجات تولید فولاد درکوره های قوس الکتریکی قرار گرفته اند. آهن اسفنجی یا به صورت و یا سرد وارد EAF می شود. شرکت های فولادسازی کوچک این آهن را از مجتمع های تجزیه مستقیم خود به آسیاب های فلزی دور آنها انتقال می دهند و یک حجم کوچکی از DRI به بازار فروش می رود. در کشور هند تعداد زیادی از کوره های دوار کوچک در حال تولید آهن اسفنجی هستند که از ذغال به عنوان منبع انرژی استفاده می کنند.

ترابری و حمل و نقل

چون فلز DRI یک فلز به شدت تقلیل یافته و تجزیه شده است بنابراین میل زیادی به اکسید شدن دوباره و یک واکنش گرمازدگی دارد. بنابراین بدون رعایت شرایط خاص آن و بدون درنظر گرفتن مخازن مناسب برای حمل و نقل این فلز، خطر اشتعال و خود گرمایشی وجود دارد. بسیاری از شرکت های حمل و نقل بین المللی از روش ذخیره سازی DRI در مخازن حاوی گازهای بی اثر مثل نیتروژن استفاده می کنند.

کاربرد آهن اسفنجی

آهن اسفنجی به شکل پودر شده را می توان با بسیاری از فلزات دیگر برای ساختن محصولات متنوع حاوی آهن ترکیب کرد. برای مثال، می توان آهن فرفورژه را از آهن اسفنجی تولید کرد. این یک نوع از آهنی است که ما برای ساخت وسایل زینتی مثل مبلمان پاسیو استفاده می کنیم. آخرین روش های ساخت آهن اسفنجی با استفاده از تقلیل گازها انجام شده و درنتیجه هیچ نیازی به ذوب در کوره های گداخت نیست.

آهن اسفنجی یا آهن خو‌ک؟

آهن اسفنجی متفاوت از آهن خوک است. آهن خوک درواقع شکل دیگری از آهن است که با ذوب سنگ آهن یا ذغال سنگ و سنگ آهک تحت فشار بسیار بالا تولید می شود. بعد از سرد کردن، محصول به دست آمده آهن خوک نامیده می شود. این آهن حاوی کربن بالایی است. بنابراین چنان شکننده و ناپایدار است که نمی توان آن را با طور مستقیم و به همین شکل استفاده کرد.

با این حال، این نوع از طریق ذوب و مخلوط شدن بیشتر برای تولید آهن چکش کاری شده، فولاد و چدن استفاده می شود. این آهن برای اولین باز در قرن یازدهم توسط چینی ها کشف شده است. اگرچه آهن خوک در فرم اصلی خود قابل استفاده نیست ولی با اصلاح و فراوری بیشتر تبدیل به فلزات مهم و کاربردی مثل چدن و فولاد می شود که جزو پرکاربردترین فلزات جهان هستند.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *