آهن اسفنجی چیست؟ بررسی کاربرد آن در صنعت ریخته گری و فولاد

آهن اسفنجی یکی از مهم ترین مواد اولیه در زنجیره تولید فولاد است که در دهه های اخیر جایگاه ویژه ای در صنعت فلزات پیدا کرده. این محصول که با فرآیند احیای مستقیم سنگ آهن به دست می آید، به دلیل خلوص بالا، قیمت مناسب و سازگاری با انواع کوره های فولادسازی، جایگزین قابل اطمینانی برای قراضه آهن شده است.

در ایران، با توجه به ذخایر غنی سنگ آهن و دسترسی به گاز طبیعی ارزان، تولید آهن اسفنجی از موقعیت رقابتی ممتازی برخوردار است. کارخانه های بزرگی مانند فولاد خوزستان و کارخانه فولاد مبارکه اصفهان از این روش برای تامین بخش قابل توجهی از مواد اولیه خود استفاده می کنند. اما آهن اسفنجی دقیقا چیست؟ چه ویژگی های شیمیایی دارد؟ و چگونه تولید می شود؟ در این مقاله به تمام این پرسش ها پاسخ می دهیم.

آهن اسفنجی چیست؟

آهن اسفنجی که با نام های DRI (Direct Reduced Iron) یا گندله متخلخل هم شناخته می شود، محصولی است که از حذف مستقیم اکسیژن موجود در سنگ آهن به دست می آید. در این فرآیند، سنگ آهن بدون اینکه ذوب شود، در حالت جامد احیا می شود و آهن فلزی با تخلخل بالا حاصل می گردد.

ظاهر این محصول شباهت زیادی به اسفنج دارد؛ سطح آن پر از منافذ ریز است که همین ویژگی باعث شده نام «آهن اسفنجی» برای آن ماندگار شود. این تخلخل از یک سو وزن محصول را کاهش می دهد و از سوی دیگر واکنش پذیری آن را در کوره های فولادسازی افزایش می دهد.

آهن اسفنجی نسبت به قراضه آهن از خلوص بالاتری برخوردار است و عناصر مزاحمی مانند مس، قلع، نیکل یا کروم که معمولا در قراضه وجود دارند، در آن یافت نمی شوند. همین مزیت باعث شده فولادسازانی که به دنبال تولید فولاد با کیفیت بالا هستند، آهن اسفنجی را به قراضه ترجیح دهند.

تفاوت آهن اسفنجی با گندله و بریکت

گندله ماده اولیه تولید آهن اسفنجی است. گندله ها به شکل گلوله های کروی و متراکم از کنسانتره سنگ آهن ساخته می شوند و هنوز حاوی اکسیژن هستند. آهن اسفنجی محصول نهایی پس از احیای گندله است که اکسیژن آن حذف شده.

بریکت نیز نوع فشرده شده آهن اسفنجی است که با اعمال فشار بر گندله متخلخل تولید می شود. بریکت نسبت به آهن اسفنجی حجم کمتری دارد، حمل و نقل آسان تری دارد و در برابر اکسیداسیون مجدد مقاوم تر است.

فرمول شیمیایی آهن اسفنجی

آهن اسفنجی ترکیب شیمیایی یکنواختی ندارد و بسته به روش تولید و درجه احیا، فرمول آن متفاوت است. اما به طور کلی، هسته اصلی آن آهن فلزی (Fe) است که درصد بالایی از ساختار را تشکیل می دهد.

جدول ترکیب شیمیایی آهن اسفنجی

درجه فلزی شدن (Metallization) یکی از مهم ترین شاخص های کیفی آهن اسفنجی است و از تقسیم آهن فلزی بر آهن کل محاسبه می شود. آهن اسفنجی با درجه فلزی شدن بالاتر از ۹۰ درصد، در صنعت به عنوان محصول با کیفیت بالا شناخته می شود.

محتوای کربن در آهن اسفنجی نقش مهمی در فرآیند فولادسازی دارد. کربن بالاتر به ذوب سریع تر در کوره قوس الکتریکی کمک می کند اما در عین حال بر ترکیب شیمیایی فولاد نهایی اثر می گذارد.

کاربرد آهن اسفنجی در صنعت فولاد و ریخته گری

• استفاده در کوره قوس الکتریکی (EAF)
• استفاده در کوره های القایی 
• کاربرد در ریخته گری فولاد
• تولید مقاطع فولادی 
• تولید ورق های فولادی
• تولید فروآلیاژها
• تولید آهن فرفورژه

آهن اسفنجی طیف گسترده ای از کاربردها در صنایع مختلف دارد. اصلی ترین کاربرد آن در فولادسازی است، اما این محصول در ریخته گری، تولید فروآلیاژها و حتی صنایع دفاعی هم نقش دارد.

استفاده در کوره قوس الکتریکی (EAF)

مهم ترین و رایج ترین کاربرد آهن اسفنجی، استفاده به عنوان شارژ کوره قوس الکتریکی است. در این کوره ها، آهن اسفنجی جایگزین تمام یا بخشی از قراضه می شود. مزیت اصلی این جایگزینی، کنترل دقیق تر بر ترکیب شیمیایی فولاد تولیدی و حذف عناصر مزاحم است.

در ایران، اکثر کوره های قوس الکتریکی از ترکیب آهن اسفنجی و قراضه به عنوان شارژ استفاده می کنند. نسبت این ترکیب بسته به نوع محصول نهایی و شرایط بازار تغییر می کند.

کاربرد در کوره های القایی

استفاده از آهن اسفنجی در کوره های القایی از حدود سال ۸۹ در ایران آغاز شد. آهن اسفنجی قادر است تا نزدیک به ۵۰ درصد از قراضه را در کوره های القایی جایگزین کند. البته این کاربرد نیاز به دانش فنی تخصصی دارد و باید نسبت بار کوره با دقت کنترل شود.

کاربرد در ریخته گری فولاد

در ریخته گری مداوم فولاد، آهن اسفنجی به دلیل خلوص بالا موجب بهبود کیفیت محصول نهایی می شود. تیرآهن، میلگرد، ورق فولادی و لوله از جمله محصولاتی هستند که با استفاده از آهن اسفنجی با کیفیت بهتری تولید می شوند. فرآیند ریخته گری مداوم با مواد اولیه با خلوص بالا، احتمال نقص در محصول را کاهش می دهد.

تولید مقاطع فولادی

آهن اسفنجی در تولید انواع مقاطع فولادی از جمله میلگرد، تیرآهن، نبشی، ناودانی و پروفیل کاربرد دارد. فولاد تولیدشده از آهن اسفنجی در صنایع ساختمانی، خودروسازی و صنایع پتروشیمی استفاده می شود.

تولید ورق های فولادی

ورق های فولادی که از آهن اسفنجی تولید می شوند و بزرگترین کارخانه های تولید ورق سیاه در ایران از این محصول به عنوان ماده اولیه استفاده میکنند و، به دلیل محتوای پایین عناصر مزاحم، برای کاربردهایی که نیاز به انعطاف پذیری و جوش پذیری بالا دارند، مناسب تر هستند.

تولید فروآلیاژها

آهن اسفنجی به دلیل محتوای کربن پایین، در تولید فروآلیاژها نیز کاربرد دارد. این آلیاژها به عنوان مواد افزودنی در فرآیند تولید فولاد استفاده می شوند و خواص مکانیکی و شیمیایی فولاد را بهبود می بخشند.

تولید آهن فرفورژه

یکی از کاربردهای قدیمی تر آهن اسفنجی، استفاده در تولید آهن فرفورژه یا نوردی است. آهن فرفورژه که از آهن اسفنجی تولید می شود، در ساخت درب، پنجره، نرده و تجهیزات تزئینی کاربرد دارد.

فرآیند تولید آهن اسفنجی

فرآیند تولید آهن اسفنجی بر پایه احیای مستقیم سنگ آهن استوار است. در این فرآیند، اکسیژن موجود در سنگ آهن توسط گازهای احیاکننده (مانند مونوکسید کربن و هیدروژن) یا زغال سنگ حذف می شود و آهن فلزی متخلخل به دست می آید.

ماده اولیه اصلی این فرآیند، گندله سنگ آهن است که معمولا با ابعاد ۵ تا ۱۸ میلی متر در کوره وارد می شود. گندله ها باید از کیفیت و استحکام مکانیکی کافی برخوردار باشند تا در طول فرآیند احیا دچار تردد و خرد شدن نشوند.

دمای احیا در این فرآیند معمولا بین ۸۰۰ تا ۱۰۵۰ درجه سانتی گراد است. در این دما، اکسیدهای آهن (هماتیت و مگنتیت) توسط گازهای احیاکننده طی واکنش های شیمیایی زیر به آهن فلزی تبدیل می شوند:

• Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
• Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O
• Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂

انواع روش های ساخت آهن اسفنجی

روش میدرکس (MIDREX)

روش میدرکس پرکاربردترین و شناخته شده ترین روش تولید آهن اسفنجی در جهان و ایران است. در این روش، گاز طبیعی با عبور از یک ریفرمر به مونوکسید کربن و هیدروژن تبدیل می شود و این گازها در یک کوره شفتی به گندله های سنگ آهن جاری می شوند.

کوره شفتی میدرکس به صورت عمودی کار می کند. گندله ها از بالا وارد کوره می شوند و با نزول به سمت پایین، با گاز احیاکننده داغ که از پایین به بالا جاری است، واکنش می دهند. آهن اسفنجی تولید شده از پایین کوره خارج می شود.

این روش حدود ۷۵ درصد تولید آهن اسفنجی در ایران را به خود اختصاص داده و کارخانه هایی مانند فولاد خوزستان و فولاد مبارکه از آن استفاده می کنند.

روش HYL (هیل)

روش HYL که توسط شرکت مکزیکی هیلسا توسعه یافته، یکی دیگر از روش های احیای مستقیم گازی است. تفاوت اصلی این روش با میدرکس در نوع ریفرمر و فشار عملیاتی کوره است. در روش HYL، فرآیند در فشار بالاتر انجام می شود که امکان کنترل دقیق تر بر ترکیب شیمیایی محصول را فراهم می کند.

نسل جدید این روش با نام HYL-III یا Energiron، مستقیما از گاز طبیعی اصلاح نشده استفاده می کند و مصرف انرژی کمتری دارد. این روش برای تولید آهن اسفنجی با محتوای کربن بالا مناسب تر است.

روش کوره دوار (SL/RN)

روش کوره دوار یا SL/RN از زغال سنگ به عنوان عامل احیاکننده استفاده می کند. در این فرآیند، گندله های سنگ آهن با مقدار مشخصی از کک و دولومیت در داخل یک کوره دوار شیب دار ریخته شده و در مجاورت هوا به مدت حدود ۱۲ ساعت حرارت داده می شوند.

این روش در کشورهایی که دسترسی به گاز طبیعی ندارند اما ذخایر زغال سنگ فراوانی دارند (مانند هند) بیشتر استفاده می شود. در ایران به دلیل دسترسی به گاز ارزان، روش های گازی (میدرکس و HYL) غالب هستند. روش کوره دوار حدود ۲۴ درصد از تولید جهانی آهن اسفنجی را تشکیل می دهد.

روش بستر سیال (Fluid Bed)

در روش بستر سیال، به جای گندله از نرمه سنگ آهن (سنگ آهن با دانه بندی ریز) استفاده می شود. این مواد در داخل راکتور توسط گاز احیاکننده در حالت تعلیق نگه داشته می شوند و واکنش احیا در این حالت انجام می شود.

این روش حدود ۰/۲ درصد از تولید جهانی آهن اسفنجی را شامل می شود و معمولا برای مواقعی که نرمه سنگ آهن به عنوان ماده اولیه در دسترس است، کاربرد دارد.

جدول مقایسه روش های تولید آهن اسفنجی

مزایای استفاده از آهن اسفنجی

خلوص بالا و کیفیت برتر فولاد

اصلی ترین مزیت آهن اسفنجی، خلوص بالای آهن فلزی آن است. برخلاف قراضه که ممکن است حاوی عناصر آلاینده مانند مس، قلع، روی یا سرب باشد، آهن اسفنجی از این ناخالصی ها عاری است. این خلوص بالا در تولید فولادهای ویژه و با کیفیت بالا که استانداردهای دقیق شیمیایی دارند، بسیار حیاتی است.

کاهش وابستگی به قراضه

در بازارهای بین المللی، قراضه آهن یک کالای استراتژیک است که قیمت آن نوسانات شدیدی دارد. کشورهایی که منابع سنگ آهن فراوان دارند (مانند ایران) می توانند با تولید آهن اسفنجی، وابستگی به واردات قراضه را کاهش دهند و زنجیره تامین فولاد خود را ایمن تر کنند.

سازگاری با انواع کوره ها

آهن اسفنجی با تقریبا همه روش های تولید فولاد سازگار است. در کوره قوس الکتریکی، کوره القایی و ریخته گری مداوم می توان از این ماده استفاده کرد. این انعطاف پذیری، دست فولادسازان را در انتخاب فناوری تولید باز می گذارد.

مزایای زیست محیطی

روش احیای مستقیم نسبت به کوره بلند سنتی، انتشار دی اکسید کربن کمتری دارد. در کوره بلند، از کک به عنوان عامل احیاکننده استفاده می شود که آلودگی محیطی قابل توجهی ایجاد می کند. در مقابل، روش های گازی (میدرکس و HYL) با استفاده از گاز طبیعی، ردپای کربنی کمتری دارند.

کنترل دقیق ترکیب شیمیایی

با آهن اسفنجی می توان ترکیب شیمیایی فولاد نهایی را با دقت بیشتری کنترل کرد. این ویژگی برای تولید فولادهای آلیاژی و فولادهای با مشخصات فنی دقیق، بسیار ارزشمند است.

امکان تولید در مقیاس کوچک تر

برخلاف کوره بلند که نیاز به ظرفیت های بسیار بالا دارد تا اقتصادی باشد، واحدهای احیای مستقیم می توانند در مقیاس های کوچک تر هم به صرفه باشند. این مزیت باعث شده کارخانه های فولادسازی کوچک و متوسط بتوانند از این فناوری بهره ببرند.

جدول مقایسه آهن اسفنجی با قراضه

تحلیل و بررسی ایران فلز: آهن اسفنجی در صنعت فولاد ایران

طبق نظر تحلیلگران شرکت ایران فلز ایران از معدود کشورهایی است که زنجیره کامل تولید فولاد از سنگ آهن تا محصول نهایی را در داخل دارد. ذخایر سنگ آهن کشور در مناطقی مانند سنگان، چادرملو، گل گهر و جلال آباد از منابع غنی فراهم می کنند و دسترسی به گاز طبیعی ارزان، هزینه تولید آهن اسفنجی را در ایران رقابتی نگه می دارد.

از منظر خریداران و فعالان بازار آهن آلات، چند نکته درباره آهن اسفنجی اهمیت دارد. اول اینکه کیفیت آهن اسفنجی تولیدی کارخانه های مختلف ایران متفاوت است و درجه فلزی شدن (Metallization) شاخص اصلی برای سنجش این کیفیت است. هر چقدر این درجه به ۹۰ تا ۹۲ درصد نزدیک تر باشد، محصول از ارزش بالاتری برخوردار است.

دوم اینکه آهن اسفنجی در برابر رطوبت حساس است. منافذ موجود در ساختار این محصول، در صورت جذب رطوبت، می توانند موجب اکسیداسیون مجدد و کاهش کیفیت شوند. این موضوع در حمل و نقل و انبارداری باید جدی گرفته شود. بریکت آهن اسفنجی که فرم فشرده شده آن است، مشکل رطوبت کمتری دارد.

از نظر بازار، قیمت آهن اسفنجی در ایران تحت تاثیر چند عامل است: قیمت گاز طبیعی (که اثر مستقیم بر هزینه تولید دارد)، قیمت سنگ آهن و گندله، نرخ ارز (به ویژه در تعاملات صادراتی) و سیاست های دولت در حوزه انرژی. احتمال می رود با ادامه سیاست های صادرات فولاد و محدودیت صادرات مواد اولیه، تقاضای داخلی برای آهن اسفنجی در سال های آینده بیشتر شود.

برای فولادسازانی که می خواهند کیفیت محصول خود را ارتقا دهند، جایگزینی بخشی از قراضه با آهن اسفنجی با کیفیت بالا می تواند راهکاری موثر باشد. این موضوع به ویژه برای واحدهایی که میلگرد درجه بالا (A4 و A5) یا ورق های فولادی ویژه تولید می کنند، اهمیت بیشتری دارد.

جمع بندی

آهن اسفنجی یا DRI، محصول احیای مستقیم سنگ آهن است که بدون ذوب، اکسیژن آن حذف می شود و آهن فلزی متخلخل با خلوص بالا به دست می آید. این محصول با فرمول اصلی Fe و محتوای کل آهن ۸۸ تا ۹۴ درصد، جایگاه کلیدی در زنجیره تولید فولاد دارد.

روش های اصلی تولید آن شامل میدرکس و HYL (بر پایه گاز طبیعی) و کوره دوار SL/RN (بر پایه زغال سنگ) است. در ایران، روش های گازی به دلیل دسترسی به گاز طبیعی ارزان، غالب هستند و کارخانه هایی مانند فولاد خوزستان و فولاد مبارکه از این فناوری بهره می برند.

کاربردهای آهن اسفنجی از شارژ کوره قوس الکتریکی و کوره القایی تا ریخته گری مداوم، تولید ورق، میلگرد، تیرآهن و فروآلیاژها گسترده است. مهم ترین مزیت آن، خلوص بالا و نبود عناصر مزاحم نسبت به قراضه است.

برای استعلام قیمت آهن اسفنجی، مشاوره در انتخاب مواد اولیه فولادسازی یا اطلاع از آخرین قیمت محصولات فولادی، کارشناسان ایران فلز در خدمت شما هستند.