فرآیند تولید آهن

در این مقاله به بررسی در مورد آهن و روشهای استخراج آهن و انواع  و روش های تولید آهن و معرفی انواع کوره های آن میپردازیم  با ما همراه باشید

آهن چیست ؟

• آهن جزء هفت فلزی است که در دوران باستان شناخته شده است.
• آهن با نماد شیمیایی Fe (به لاتین: Ferrum)، نام یک عنصر شیمیایی با عدد اتمی ۲۶ و چگالی ۷۸۷۴ کیلوگرم بر مترمکعب است.
• آهن یک فلز است که در نخستین دورهٔ فلزهای واسطه جای دارد.
• این فلز از نقطه نظر تنوع کاربرد در زندگی برای ساختن قطعات، ابزار الات، ماشین آلات و زیرساخت های زندگی بشر، همواره در مقام اول قرار داشته است.
• به ­طوری­که مصالح آهنی و فولادی زیربنای واحدها و تجهیزات ساختمانی و صنعتی را تشکیل می دهد.
• عنصر شیمیایی است که در جدول تناوبی با نشان Fe و عدد اتمی ۲۶ وجود دارد.
• آهن فلزی است که در گروه ۸ و دوره ۴ جدول تناوبی قرار دارد.
•  آهن یکی از رایج‌ترین عناصر زمین است که تقریبا” ۵% پوسته زمین را تشکیل می‌دهد.
•  این فلز از سنگ معدن هماتیت که عمدتا”Fe2O3″ می‌باشد، استخراج می‌گردد.
• این فلز را بوسیله روش کاهش با کربن که عنصری واکنش‌‌پذیرتر است جدا می‌کنند.
• این عمل در کوره بلند در دمای تقریبا” ۲۰۰۰″ درجه سانتی‌گراد انجام می‌پذیرد.
•  در سال ۲۰۰۰ ، تقریبا ” ۱۱۰۰ ” میلیون تن سنگ معدن اهن با رشد ارزش تجاری تقریبا “۲۵ میلیارد دلار” آمریکا استخراج شد.
• درحالی که استخراج سنگ معدن اهن در ۴۸ کشور صورت می‌گیرد.
• چین ، برزیل ، استرالیا ، روسیه و هند با تولید ۷۰% سنگ اهن جهان پنج کشور بزرگ تولید کنندگان آن به‌حساب می‌آیند.
• برای تولید تقریبا ” ۵۷۲ میلیون تن” آهن خام “۱۱۰۰ میلیون تن” سنگ آهن مورد نیاز است.

استخراج آهن

مرحله استخراج اهن از ترکیبهای طبیعی آهن به مرور زمان ،راه تکامل را ‌پیمود تا اینکه اولین کوره استخراج آهن به سبک امروزی که به کوره کانالانی معروف بود، رونمایی شد.

این کوره دارای آتش‌دانی به ابعاد ۷۵×۶۰×۶۰ سانتی‌مترمی باشد.

سیر تکاملی این مرحله به آنجایی رسید که امروزه ، کارخانه‌های بزرگ استخراج و ذوب آهن و فولاد با ظرفیت چندین میلیون تن به وجود آمده است.

سنگ آهن

سنگ معدن‌های آهن

سنگ معدن‌هایی که آهن از آن استخراج می‌شود

بیشتر به‌صورت اکسیدهای آهن ، مانند مگنتیت یا هماتیت است که با ۲ تا ۲۰ درصد ناخالصی (نظیر سیلیکات‌ها و آلومینات‌ها) همراه است.

این ناخالصی‌ها در کوره ازآهن جدا می شود و به‌صورت تفاله خارج می‌شوند.

سنگ معدن تصفیه شده و تغلیظ شده به‌صورت پودر یا دانه‌های ریز در کوره وارد می‌شود.

مناسب‌ترین اندازه ذرات آن بین ۶ تا ۲۵ میلی‌متر است.
امروزه از سولفید طبیعی آهن (پیریت) در استخراج آهن استفاده نمی‌شود، بلکه مصرف بیشتر آن دراسید سولفوریک سازی است.

آهن در طبیعت بصورت ترکیب با مواد دیگر وجود دارد و کانی های مختلف آهن را شکل می دهد.

کانیهای آهن

کانیهای آهن به چهارقسمت دسته بندی می شوند.

• کانیهای اکسیدی
• کانیهای کربناتی
• کانیهای سولفیدی
• کانیهای سیلیکاتی

مهمترین کانیهای آهن مورد استفاده در صنایع فولاد مگنتیت Fe3O4 با ۷۲% آهن و هماتیت Fe2O3 .

با ۷۰% آهن می باشد که در حال حاضر از معادن چغارت قابل استحصال می باشد.
اندازه و نوع دانه بندی سنگ اهن برای استفاده در کوره بلند فولاد با کیفیت مطلوب بسیار مهم است.

برای احیاء کامل سنگ اهن باید حداقل اندازه دانه مصرفی در کوره بلند ۱۰ میلی متر باشد.

روزانه ۲۰۰۰ تن سنگ اهن در سایت مخصوص توسط سه دستگاه سرند ویبراتوری دانه بندی و برای بخش های آگلومراسیون و کوره بلند ارسال می گردد

در اینجا توضیح کامل درباره تولید آهن میپردازیم باما همراه باشید  :

سنگ آهن به دو روش عمده­ ی

• غیر مستقیم
• مستقیم

احیا می شود.

اصول اساسی احیای اکسیدهای آهن به وسیله کربن به عنوان ماده احیاکننده و گرمازا، از زمان های قدیم تاکنون تغییر نکرده است.

در دو دهه اخیر ده ­ها روش برای احیای کانی ­های آهن بر اساس کاربرد گاز طبیعی به عنوان عامل احیاکننده و گرمازا، ابداع شده است.

که از نقطه نظر اصول و تکنولوژی با روش های سنتی تفاوت عمده دارد.

به ­طور کلی به سه طریق می­توان سنگ آهن را احیاء و آهن را از ناخالصی ها جدا کرد:

• احیای سنگ آهن و جدا کردن ناخالصی های آن در حالت جامد
• احیای سنگ آهن در حالت جامد و جدا کردن ناخالصی های همراه آن به ­صورت مذاب
• احیاء و ذوب هم ­زمان سنگ آهن و ناخالصی های اطراف آن

در اثر احتراق کربن با اکسیژن آهن و یا هوا، اکسید کربن، گاز کربنیک و یا ترکیبی از این دو گاز تولید و حرارت نیز ایجاد می شود.

گاز کربنیک خود در اثر تماس با کربن در درجه حرارت بالا، سوخته و به اکسید کربن تبدیل می شود.

سنگ­ های آهن از جمله هماتیت و یا مگنتیت، در صورت تماس با اکسید کربن در دمای نسبتاً بالا، احیاء و آهن فلزی تولید می شود.

البته کربن به تنهایی نیز می تواند باعث احیای اکسیدهای آهن شود.

همان ­طور که اشاره شد احیای اکسیدهای آهن با کربن، نیاز به حرارت نسبتاً بالایی دارد که باید با سوختن زغال و غیره تامین شود.

تولید آهن به روش احیای مستقیم

• روش مستقیم احیای سنگ آهن بدون ذوب کردن آن انجام می شود.
• به آهن خامی که از این نوع کوره ها به دست می آید، آهن اسفنجی می ­گویند.
• این آهن در مراحل بعد در کوره های قوس الکتریکی یا القایی تبدیل به فولاد می شود.

انواع روش های احیای مستقیم عبارتند از:

1. MIDREX
2. HYL
3. هوگانس
4. RHF
5. FINEMET
6. FIOR
7. SL/RN

در احیای مستقیم، آهن اسفنجی با استفاده از دو منبع انرژی عمده تولید می شود:

 استفاده از زغال سنگ

استفاده از گاز طبیعی

احیای مستقیم با گاز در کشورهایی که دارای منابع گاز طبیعی هستند (مانند ایران) باعث می شود

که بتوان با سرعت بیشتر و هزینه کمتر سنگ آهن را به آهن خام تبدیل کرد.

در کل گرایش به احیاء توسط گاز بیشتر است.

از سوی دیگر توجیه اقتصادی استخراج از معادن زغال سنگ در حال کاهش است.

همچنین تولید آهن اسفنجی به کمک زغال سنگ سهم زیادی در آلودگی محیط زیست و انتشار گازهای گلخانه ای دارد.

مراحل تولید آهن در کوره بلند:

• از بالای کوره بلند ، کانه یا کانی آهن ، کک و سنگ آهک را که “گداز آور” یا “بار کوره” نیز می‌نامند، وارد می‌کنند
• و از پایین کوره نیز جریان شدیدی از هوای گرم می‌دهند.
• این هوای گرم گاهی با اکسیژن تقویت می‌شود.
• هوای ورودی با کک یا همان کربن ، ترکیب شده ، به کربن منوکسید کاهیده می‌شود
• و مقدار قابل ملاحظه‌ای گرما آزاد می‌کند. در این مرحله دمای کوره بالاترین مقدار یعنی حدود ċ1500 را دارد.بار
• کوره که در حال نزول است به تدریج گرم می‌شود.
• نخست رطوبت آن گرفته و سپس کانی آهن بطور جزئی توسط کربن منوکسید کاهیده می‌شود.
• در قسمت داغتر کوره ، کاهش کانی آهن به آهن فلزی ، تکمیل می‌شود و سنگ آهک نیز CO2 از دست می‌دهد
• و با ناخالصی های موجود در کانی آهن (که بطور عمده سیلیسیم دی‌اکسید است) ترکیب شده
• ، سرباره مذاب تولید می‌شود.
• آهن مذاب و سرباره مذاب با یکدیگر مخلوط نمی‌شوند و درته کوره دو لایه جداگانه تشکیل می‌شوند

.واکنشهای این مراحل عبارتند از:

در ناحیه پایینتری از کوره که داغتر است به کاهیده می شود:

در داغترین ناحیه کاهش به آهن فلزی صورت می گیرد:

نقش سرباره:

• لازم به ذکر است که سرباره مذاب عمدتا کلسیم سیلیکات است و بوسیله اثر نمایی گدازآور بر روی هرزه سنگ تولید می‌شود.
• این سرباره بر روی آهن مذاب شناور است و به این ترتیب فلز را از اکسید شدن بوسیله هوای ورودی حفظ می‌کند.
• واکنشهای کاهش اکسیدهای آهن برگشت پذیرند و کاهش کامل فقط وقتی صورت می‌گیرد که دی‌اکسید کربن حاصل را از بین ببریم.
• این کار توسط کاهش آن با مقدار زیاد کک صورت می‌گیرد.

گاز خروجی از بالای کوره بلند:

• گازی که از بالای کوره خارج می‌شود، بطور عمده از منواکسید کربن و نیتروژن موجود در هوای دمیده شده ، تشکیل می‌شود.
• این مخلوط گازی داغ را با هوا ترکیب می‌کنند تا منواکسید کربن آن بسوزد.
• و محصولات این احتراق را که گرمای بیشتری دارد از درون دستگاه تبادل گرما عبور می‌دهند.
• و به کمک آن هوای ورودی را گرم می‌کنند.

جایگزین هوا در بعضی از کوره‌ها:

• در بعضی کوره‌ها به جای هوا از اکسیژن نسبتا خالص استفاده می‌کنند.
• در این مورد ، ابعاد کوره کوچکتر و دمای آن قدری زیادتر است
• و مونواکسید کربن حاصل نسبت به مخلوط نیتروژن و مونواکسید کربن ، سوخت بهتری است.

اصول کار کوره ها:

در فرایند استخراج , تصفیه و ذوب مجدد , معمولاً راههائی وجود دارد که بسته به نوع کار طراحی می شوند و در این کوره ها عمل ذوب انجام می شود .

در این جهت می توان از کوره بلند (کوره ای که در آن اکسید آهن تبدیل به چدن می شود) ,

کنورتور که در آن چدن با دمش اکسیژن خالص به فولاد تبدیل می شود .

و کوره های دیگر بعنوان کوره های ذوب Melting نامیده می شود , در این درس بحث ما در روی کوره هائی که برای استخراج فلزات استفاده می شود.

دور نمی زند مثل کوره های استخراج آهن در اصفهان , استخراج مس در سرچشمه کرمان , استخراج سرب و روی در زنجان .

در این درس کوره هائی که مورد بررسی قرار می گیرند بیشتر کوره های مربوط به صنعت ریخته گری هستند .

یعنی کوره هائی که شوشه ها Pigs در آنها ذوب می شود و با تنظیم آنالیز آنها مذاب برای ریخته گری قطعات آماده می شود .

اصطلاحاً به این کوره ها , کوره های دوباره ذوب (Re-Melting Furnaces) می گویند , کوره هائی که در ریخته گری برای ذوب مجدد فلزات و آلیاژها استفاده می شوند

به ترتیب می توانیم به شرح زیر نام ببریم :

1) کوره های بوته ای Crucible Furnaces

2) کوره های تشعشعی Radiation or Reverberatory Furnaces

3) کوره های ایستاده (کوپل) Vertical Shaft (Couple)

4 ) کوره های برقی Electric Furnaces

5) کوره های با شعاع الکترونی Electron Furnaces

6) کوره های دیگر (استفاده از انرژیهای دیگر)

کوره های بوته ای :

همانطو که از نام آنها پیداست برای عمل ذوب از بوته استفاده می شود . انتقال حرارت در این کوره ها بیشتر از طریق هدایت به مواد موجود در داخل بوته می رود .

حرارت به سه طریق منتقل می شود :

1. هدایت
2. جابجائی.
3. تشعشعی

جنس بوته ها :

• جنس بوته ها که استفاده می کنند به شرح زیر است .
• بوته های آهن خالص- بوته های فولادی- بوته های چدنی- بو ته های شاموتی- بوته های گرافیتی- بوته های سیلیکون کاربایدی- بوته های دیگر
• آهن خالص برای فلزاتی که نقطه ذوب کمتری نسبت به آهن دارند
• و خوردگی کمتری دارند- از بوته های آهنی برای ذوب موادی که نقطه ذوب آنها پائین تر از نقطه ذوب آهن خالص است (1539-1536درجه سانتیگراد) است .
• منیزیم را مجبوریم در داخل این بوته ذوب کنیم چون با بهترین آجر نسوز نمی توان منیزیم را ذوب کرد
• و دلیلش میل ترکیبی منیزیم با اکسیژن است که اکسیژن نسوز را می کشد و نسوز متخلخل می شود.

بوته های فولادی :

از بوته های فولادی برای ذوب آلیاژها با نقطه ذوب کم و آلیاژهائی که میل ترکیبی زیادی نسبت به اکسیژن دارد

مثل آلیاژهای منیزیم که علاقه دارند اکسیژن مواد نسوز را بگیرند , استفاده می کنند .

فولادهای معمولی خوردگی بیشتری دارند و مذاب آلیاژهای مختلف در آن تدریجاً آن را می خورند (یعنی بدنه را در خود حل می کنند).

بوته از جنس مواد نسوز دوام بیشتری در برابر پوسته پوسته شدن یعنی اکسید شدن دارد .

آنالیز یک نوع فولاد نسوز عبارتست از 25% کرم و 20% نیکل و بقیه عناصر جزئی دیگر ,

از آلیاژهای دیگر نیز که قیمت آنها گران است بعنوان بوته می توان استفاده کرد ,

از جمله آلیاژ 50% کرم و 50% نیکل یا آلیاژ 50% کرم و 50% نیکل و کمی نیوبیوم Nb (که دوام و مقاومت خوبی دارد) .

بوته های گرافیتی :

همانطور که از نام این بوته ها پیداست , جنس این بوته ها از گرافیت می باشد .

 کربن بی شکل :

این کربن شکل بلوری ندارد و به آن کربن آمولف نیز می گویند .

این کربن در اثر حرارت در مجاورت اکسیژن , می سوزد و خاکستر از آن باقی می ماند.

 کربن بصورت گرافیت :

این نوع کربن بصورت بلوری (کریستالی) می باشد و بلوری آن طوری است که دارای صفحات لغزش است

و این صفحات می توانند روی هم براحتی بلغزند .

بهترین آنها گرافیت چرب نقره ای است .

این گرافیت ماده نسوز است و نقطه ذوبی در حدود بیش از 3000 درجه سانتیگراد دارد گرافیت راسب (رسوب یافته) شده

در حین انجماد در چدنهای خاکستری از این نوع است که از مذاب جدا شده .

کربن بصورت الماس

بلور این نوع کربن بصورت یک هشت وجهی است ولی رنگی و شفاف است و با سختی 10 موهس سخت ترین ماده در طبیعت می باشد .

بوته های گرافیتی بدلیل اینکه نقطه ذوب بالا داشته و گرافیت نیز علاوه بر نسوز بودن از انتقال حرارت زیادی نیز برخوردار است

هدایت خوبی داشته و حرارت را از جداره خود به داخل بوته هدایت می کند .

طرز ساخت بوته های گرافیتی

به این شکل است که گرافیت را همراه با کمی قیر و مواد چسبی آغشته کرده و با

فشار زیاد پرس می کنند سپس آن را در مدت زمان طولانی در محیط بسته ای دور از هوا می پزند

(دما در حدود 1600 درجه سانتیگراد) تا عمل تف جوشی (زینتر) روی آن انجام شود و به آرامی در کوره سرد می شود .

بوته های سیلیکون کارباید :

این نوع بوته ها از استحکام بیشتری برخوردارند و خود ماده سیلیکون کارباید در اثر حرارت , کمی منقبض و منبسط می شود .

یکی از بهترین موادی است که به شک حرارتی مقاوم است .

برای ذوب چدن بیشتر از بوته های سیلیکون کاربایدی استفاده می شود

چون چدن آلیاژیست از آهن- کربن- سیلسیم , پس کمتر علاقه دارد جداره را بخورد (خوردگی بازی یا اسیدی) .

بوته های شاموتی :

این بوته ها از خاک رس نسوز ساخته می شود .

از ریختن رس نسوز در اثر حرارت اصطلاحاً شاموت به دست می آید .

البته درجه نسوز بوته های شاموتی بستگی به درجه خلوص شاموت دارد .

بهترین ماده شاموت آن است که پس از پخت , مقدار فازهای مولیت در حداکثر خود قرار گیرد (1800 0C . 3Al2O3 . 2SiO2).

مولیت نسوزی است که تا دمای 1800 0C می تواند دوام بیاورد , در ضمن از نظر مقاومت مکانیکی در دمای بالا نیز خوب است .

در بوته های شاموتی آلیاژهای غیر آهنی و بندرت چدن ذوب می شود .

معمولاً دوام بوته های شاموتی تا دمای 1650 0C است .

انواع کوره های بوته ای : Crucible Furnaces

الف) کوره بوته ای چرخان)

1- چرخان حول تقریباً کمی بالاتر از مرکز ثقل

2- چرخان حول محور ناودانی کوره

ب) کوره بوته ای ثابت (زمینی)

سوخت لازم برای احتراق:

1- با سوخت جامد

این نوع کوره ها دو نوع اند یکی کوره سنتی است که از سوخت جامد زغال سنگ یا کک برای عمل ذوب استفاده می کردند.

این نوع کوره نیاز به برق نداشت و با هوای طبیعی که از زیر کوره از لابه لای میله های کف به داخل کشیده می شد زغال سنگ یا ککها را مشتعل می ساخت .

برای ذوب فلزات مخصوصاً چدن بوته را در داخل ککها دفن می کردند تا هم از بالا و هم از بغل ها و هم از زیر حرارت به فلز برسد و ذوب خوب و کامل انجام شود.

(برای ذوب چدن در این کوره ها اول باید ککها را الک کرد یعنی ککها را دسته بندی کرد از درشت به ریز و پودر,کک

درشت در زیر و بعد بوته و بعد شارژ و چند کک گنده در داخل بوته و کک متوسط در اطراف و ریزها را در اطراف می ریزیم و بقیه را در بالا می گذاریم.

2- با سوخت مایع

نقشه این کوره در شکل آمده است که برای ذوب 100-150 کیلوگرم چدن می باشد.

سوخت این کوره ها از گازوئیل با ارزش حرارتی 9300 کیلو کالری بر لیتر درجه سانتیگراد یا مازوت با ارزش حرارتی 1100 کیلو کالری بر لیتر درجه سانتیگراد است

و می توان با استفاده از بوته های گرافیتی در آن چدن ذوب کرد.

مشعل آن از نوع فارسونگاهی(یک نوع مشعل ساده صنعتی که از طریق یک لوله رابط به یک ونتیلاتور(دمنده هوا) وصل شده است).

نوع ونتیلاتور یا دمنده هوا بستگی به ظرفیت کوره انتخاب می شود .

معمولاً دمنده هائی که پس از ساخت بالانس شده اند را در این کوره ها قرار می دهند 

بدنه کوره از اسکلت فلزی است .

از تکه لوله های 40 اینچی یا بالاتر از آن به ارتفاع 130 سانتیمتر و اگر نبود از ورق 6 mm به بالا رول کرده و به هم جوش می زنیم .

قطر داخلی 100 و ارتفاع 130- 110 cm پس 100*14/3=314 cm قطر داخلی بدنه می باشد که از جوش زدن ورق گسترده بدست می آید.

و در کف بدنه رول شده رینگ می زنیم و میله های در جای خالی رینگ جوش می دهیم رویش آجر نسوز با کمی شیب قرار می دهیم تا سرباره ها بیرون رود .

بعد کف بوته قرار داده می زنیم که کف بوته می تواند بوته شکسته باشد و سپس از پائین به بالا نسوز کاری می کنیم که نسوز جداره 20- 15 cm است.

فارسونگاه را طوری می گذاریم که بصورت مماس به کف بوته بخورد تا شعله دور بزند.

مثال :

از کوره های تشعشعی ثابت برای ذوب آلیاژهای غیر آهنی مخصوصاً آلومینیوم استفاده می کنند .

در این کوره ها شعله مستقیماً به مذاب نمی خورد , زیرا اگر مستقیماً به مذاب بخورد موجب اکسیده کردن آن می شود.

کوره های تشعشعی نیمه چرخان :

از این کوره ها نیز برای ذوب آلیاژهای غیر آهنی استفاده می کنند و موقع تخلیه مذاب , کوره چرخانده می شود یا در هنگام شارژ کوره چرخانده شده و شارژ را تحویل می گیرد.

در این کوره ها نیز سعی می شود شعله به دیواره ها برخورد کرده و برخورد مستقیم با مذاب نداشته باشد

کوره های دوار :

کوره های دوار که برای ذوب چدن در سال 1930 در آلمان ساخته شد ولی در حال حاضر در دنیا بیشتر انگلیسی ها از آن استفاده می کنند .

یک شرکت در انگلستان به نام Manometer سازنده این نوع کوره ها است.

Rotary Furnace که با ظرفیت های Kg 250 تا 70 تن مذاب چدن و تا 12 تن مذاب آلومینیوم می سازد.

سوخت این نوع کوره ها گاز , گازوئیل و مازوت است .

کوره هائی با ظرفیت کمتر با دست و کوره های با ظرفیت بیشتر به کمک جراثقیل شارژ می شوند.

کوره روی جکهای مربوطه به اندازه 45 درجه بلند می شود و بعد از شارژ دوباره به جای خودش بر می گردد.

جداره نسوز این کوره ها برای ذوب چدن , خاک نسوز سیلیسی و برای ذوب آلیاژهای آلومینیوم خاک نسوز آلومینائی است .

ساختمان این کوره ها :

این کوره ها شامل یک اسکلت فلزی که به شکل یک استوانه متصل به دو مخروط ناقص است

و توسط فلنچ روی استوانه و مخروط ها به یکدیگر متصل می شود .

به طرف دهانه بزرگ مخروط ها و هر دو طرف استوانه فلنچ نصب شده و روی استوانه دو غلطک وصل می شود.

غلطکهای محرک , کوره را با سرعت یک دور در دقیقه می چرخانند 1 r.p.m و در ایران با سرعت تقریباً 2 r.p.m درست می شود .

در کشور کوره های دوار توسط بعضی از افراد ساخته می شود.

اولین کوره که در ایران در تسلیهات ارتش تهران توسط مهندس پسیان و مهندس گرنسر آلمانی ساخته شد و شروع به ذوب چدن نمود .

در ایران ظرفیت 500 Kg در ریخته گریهای چدن زیاد استفاده می شود , زیرا خاک نسوز داخل آن خاک سیلیسی بودهو قابل تهیه در داخل کشور است .

چون بوته های گرافیتی گران است , بیشتر از این کوره ها در ایران استفاده می شود.

در یک طرف مخروط ناقص مشعل و در طرف دیگر دودکش است ,

در بعضی از طرح کوره ها دود از سقف کارگاه با کانالی خارج می شود

و در تعدادی از آنها نیز دود توسط کانالهائی به زیرزمین کارگاه کشیده میشود.