منظور از آهن اسفنجی چیست؟
زمانی که اکسیژن از سنگ آهن به صورت بی واسطه حذف می‌ گردد، آهن اسفنجی که به آن گندله متخلخل هم می‌ گویند تولید می‌ شود. عملیات تولید آهن اسفنجی طی احیای مستقیم آهن یا Direct Reduced Iron بدون اینکه سنگ آهن ذوب شود انجام می ‌پذیرد. محصول آهن اسفنجی که به صورت گلوله ‌های کوچک است دارای شکل ظاهری متخلخل بوده و به همین جهت به آن اسفنجی می ‌گویند.

آهن یکی از پرکاربرد ترین و پرمصرف ‌ترین فلزات در جهان است. کمتر سازه‌ یا کارخانه ‌ای در جهان یافت می‌ شود که در آن فلز آهن یا مشتقات آن استفاده نشده باشد. محصولات نهایی که از آهن تولید می ‌شوند مراحل زیادی را باید طی کنند، زیرا ابتدا باید سنگ آهن به آهن تبدیل شده و سپس با ترکیب شدن با آلیاژهای مختلف، انواع مختلفی از آهن با ترکیبات شیمیایی متفاوت و با درجه استحکام و همچنین مقاومت های متنوع تولید می‌ شود. نوعی محصول از سنگ آهن به نام آهن اسفنجی وجود دارد که جایگزین آهن قراضه بوده و برای تولید محصولات آهنی و فولادی مورد استفاده قرار می گیرد. در این مقاله ابتدا تعریفی از آهن اسفنجی خواهیم داشت و بعد در مورد نحوه تولید آهن اسفنجی، مزایا و معایب و همچنین کاربردهای این محصول توضیح خواهیم داد.

آهن اسفنجی بعد از اینکه ذوب شد در طی فرآیند ریخته ‌گری به سه محصول شمش، تختال (اسلب) و میلگرد تبدیل می‌ شود که این سه محصول برای مصارف مختلف به کارخانجات ارسال شده و در آنجا به محصولات پرکاربردتر دیگری تبدیل می ‌شوند. گندله دارای عیار بسیار بالایی از آهن است و می ‌تواند جایگزین خوبی برای ضایعات آهن باشد. نکته قابل توجه در مورد گندله این است که به آهن اسفنجی اطلاق می ‌شود و معادل آن است.

روش های تولید آهن اسفنجی
سنگ آهن به طور کل به دو روش گاز طبیعی و زغال سنگ احیا شده و به تولید آهن اسفنجی منجر می‌ شود. پروسه احیای سنگ آهن با گاز طبیعی به سه روش میدرکس،HYL وPurofer انجام می‌ شود که از میان این سه روش، میدرکس از بقیه پرکاربردتر است. همچنین پروسه احیای سنگ آهن و تولید آهن اسفنجی با زغال سنگ به روش ‌های Jindal DRC و SL/ RN انجام می ‌پذیرد. در این بخش از مقاله به توضیح تعدادی از روش‌ های پرکاربرد تولید آهن اسفنجی خواهیم پرداخت.

روش های تولید آهن اسفنجی
تولید آهن اسفنجی به روش میدرکس
این روش یکی از بهترین ‌ها برای احیای سنگ آهن است، در واقع مراحل تولید آهن اسفنجی به زبان ساده به قرار زیر می باشد:

ابتدا گاز متان وارد واحد شکست شده تا به دو گاز احیا کننده اکسیژن و هیدروژن تجزیه شود. سپس متان تجزیه شده در یک کوره استوانه‌ ای دمیده می‌ شود. همزمان با دمیدن متان تجزیه شده، سنگ آهن از بالا به کوره انداخته تا با گاز متان تجزیه شده برخورد کند. گاز طبیعی متان تجزیه شده زمانی که در کوره دمیده شد، داغ می ‌شود و سنگ‌ های آهن به هنگام برخورد با آن اکسیژن خود را از دست می‌ دهد. محصول نهایی گلوله‌ هایی متخلخل از آهن خالص هستند که پخته و سخت شده ‌اند. آهن اسفنجی که با روش میدرکس تولید می ‌شود سختی بیشتری دارد و به همین جهت به هنگام انجام عملیات ذوب به انرژی بیشتری نیاز خواهد داشت.

تولید آهن اسفنجی به روش hyl
در این روش نیز از گاز طبیعی برای احیای سنگ آهن استفاده می‌ شود، با این تفاوت که تجهیزات مورد نیاز و مراحل تولید محصول نهایی کمی پیچیده ‌تر و پرهزینه ‌تر از روش میدرکس است. پروسه احیای سنگ آهن مشتمل بر دو بخش کلی یعنی بخش آماده سازی و تجزیه گاز طبیعی و بخش کوره احیای آهن می باشد. در واحد آماده سازی گاز طبیعی، گاز طبیعی متان با بخار آب ترکیب شده و به عناصر تشکیل دهنده تجزیه می ‌شود. سپس این عناصر در کوره با سنگ آهن دمیده خواهد شد که محصول به دست آمده آهن اسفنجی است. آهن اسفنجی که با این فرایند تولید می ‌شود کربن بیشتری در محتوای خود دارد و به اصطلاح کربوره شده است.

تولید آهن اسفنجی به روش sl/rn
این روش باز هم یکی دیگر از روش‌ های احیای سنگ آهن است که به جای گاز طبیعی از زغال ‌سنگ برای انجام فرآیند استفاده می‌ شود. این فرایند شامل یک بخش تغذیه است که مواد اولیه در آنجا با هم ترکیب می ‌شوند. مواد اولیه شامل سنگ آهن یا کلوخه آهن است که ابتدا به بخش تغذیه کننده وارد شده، سپس آهک و دولومیت به همراه زغال سنگ به آن مواد اضافه می شود تا برای مرحله احیا به کوره افقی فرستاده شوند. دلیل استفاده از دولومیت و آهک در ترکیب مواد اولیه کمک به حفظ درصد گوگرد مورد نیاز فرآیند است.

در بخش کوره افقی که دارای شیب خیلی کمی است و به صورت دورانی حرکت می‌ کند، مواد اولیه در آنجا ریخته شده و خیلی آهسته در آن کوره دوار به حرکت در می ‌آیند. در این مرحله دمای کوره بالا می‌ رود تا حدی که زغال سنگ کک نشود شروع به سوختن و تولید دی ‌اکسید کربن کند. آنقدر تولید دی‌ اکسید کربن ادامه پیدا می‌ کند و دما بالا می ‌رود تا سنگ آهن به طور کامل احیا شود. سپس سنگ آهن احیا شده به واحد خنک سازی روانه شده و در آنجا به روش‌ های مغناطیسی آهن اسفنجی به عنوان محصول نهایی جداسازی می ‌شود.

آنالیز آهن اسفنجی
آهن اسفنجی دارای خواص زیر است:

دارا بودن مقادیر بالای عنصر آهن و درصد خلوص بسیار زیاد، و همچنین فلزکاری بالا
منسجم و یکدست بودن آن از لحاظ کیفیت
کم بودن عناصر سمی مثل سرب، قلع، روی، تنگستن و غیره در محتوای آن
کم بودن محتوای فسفر و گوگرد در آن
جذب کمترین میزان گرد و غبار در طول مسیر حمل و نقل
حرکت بدون وقفه در لوله ‌ها و نقاله ‌ها به دلیل داشتن جریان خوب و روان

مزایای آهن اسفنجی
آهن اسفنجی و قراضه آهن دو ماده اولیه ذوب آهن و تولید محصولات آهنی و فولادی می باشند. اما آهن اسفنجی مزایای بیشتری نسبت به قراضه آهن دارد و از این رو اکثر کارخانجات ذوب آهن از آن به عنوان ماده اولیه اصلی استفاده می ‌کنند. یکی از مزایای آهن اسفنجی درصد خلوص آهن آن است که تا ۹۵ درصد می‌ رسد. از این رو به دلیل نداشتن ناخالصی‌ های زیاد استفاده از آن خیلی راحت‌ تر از قراضه آهن است ضمن اینکه این گندله متخلخل به دلیل مصرف کم انرژی و آب به هنگام ذوب کردن، بسیار مقرون به صرفه ‌تر از مواد اولیه دیگر است. از دیگر مزیت‌ های این ماده اولیه این است که به هنگام ذوب شدن میزان کمی نیتروژن در محتوای خود دارد و به همین جهت محصولاتی که از آن تولید می ‌شوند کیفیت بهتری خواهند داشت.

علاوه بر موارد نامبرده آهن اسفنجی به راحتی نگهداری می‌ شود و جابجایی و حمل آن نیز آسان است؛ علاوه بر آن استفاده از آن در کوره ‌های ذوب، خطر انفجار به دلیل وجود ناخالصی را از بین می ‌برد. از دیگر مزایای این نوع آهن مصرف کم اکسیژن به هنگام ذوب شدن است‌. وجود اکسیژن در آن مقاومتش را کاهش می ‌دهد، همچنین از مهمترین مزایای استفاده از این نوع گندله متخلخل عدم خراب شدن دیواره کوره است. ضمن آنکه کیفیت محصولات ریخته‌ گری که با این نوع آهن تولید می ‌شوند به دلیل انسجام و عدم داشتن عناصر سمی بسیار زیاد است. عملیات متالوژی و ذوب آن به دلیل عدم نیاز به فیلتراسیون به راحتی انجام می ‌پذیرد و به تبع آن عملکرد کوره‌ ها به خوبی انجام خواهد گرفت.

معایب آهن اسفنجی
آهن اسفنجی یا همان گندله متخلخل افزون بر مزایای متعدد، دارای معایبی نیز می ‌باشد. اول اینکه تولید آهن اسفنجی به عنوان مواد اولیه مراحل زیادی پشت سر می‌ گذارد، در حالی که قراضه آهن پس از جمع ‌آوری به کوره ذوب فرستاده می ‌شود. از دیگر معایب این نوع آهن متنوع بودن مراحل تولید و در نهایت محصولات با ترکیبات شیمیایی متفاوت است. به عبارت دیگر هر فرآیند تولید آهن اسفنجی، محصولی با ترکیب شیمیایی متفاوت تولید می ‌کند. به همین جهت تمامی گندله ‌های متخلخل با یک درجه دمای مشابه ذوب نمی ‌شوند.

کاربرد آهن اسفنجی
گندله متخلخل کاربردهای بسیار زیادی در ساخت انواع محصولات آهنی پیدا کرده است. از جمله کاربردهای آهن اسفنجی در صنایع فولادسازی و چدن است که به دلیل خلوص بالای آهن و ترکیبات شیمیایی منحصر به فرد، فولاد مستحکم‌ تر و با کیفیت ‌تر تولید می‌ کند. از دیگر تفاوت ‌ها و کاربردهای این نوع آهن نسبت به ضایعات آهن، استفاده در صنایع تولید اسلحه و ابزارهای آهنی می باشد، در واقع عناصر و خواص موجود در این آهن سطح استحکام بیشتری به اینگونه صنایع می‌ دهد. همچنین این نوع آهن در ساخت انواع شمش فولادی در کوره‌ های قوس الکتریکی به ‌کار می‌ رود. ساخت شمش فولادی توسط آهن اسفنجی میزان بهره ‌وری و بازده آن را تا میزان بالایی افزایش می ‌دهد. نا گفته نماند از این آهن در کارخانه ‌های فولاد نیز به عنوان خنک کننده در مبدل ‌های ال دی LD بهره گرفته می‌ شود.

جمع‌ بندی

آهن اسفنجی یک ماده اولیه بسیار مهم در ساخت محصولات آهنی و فولادی باکیفیت به شمار می ‌رود و از این رو به جای آهن قراضه مورد استفاده قرار می ‌گیرد. ما در این مقاله سعی کردیم آهن اسفنجی و روش‌ های تولید آن را معرفی کنیم. با معرفی مزایا، معایب و کاربردهای آن توانستیم دید بهتری نسبت به این ماده اولیه پیدا کنیم. البته باید در استفاده از این نوع ماده اولیه حد اعتدال رعایت شود زیرا منبع اصلی آن سنگ آهن است و استخراج بی‌ رویه آن ممکن است باعث آسیب به محیط‌ زیست شود.