تفاوت آهن اسفنجی و گندله

در این مقاله سعی می‌کنیم تفاوت گندله با آهن اسفنجی را بررسی کنیم؛ برای اینکه بتوان درک کامل و جامعی از هرکدام از موارد فوق داشته باشیم بایستی با تعریف و نحوه تهیه هرکدام به‌طور جداگانه آشنا شویم. در ابتدا مختصری از آهن و تاریچه آن را مطالعه، سپس با سنگ آهن که اولین مرحله از فرآیند تولید آهن است شروع میکنیم و سپس با گندله و نحوه تهیه آن مبحث را ادامه داده و در نهایت با آهن اسفنجی و فرآیند ها و روش‌های تولید آن بطور خلاصه آشنا می‌شویم، پس از آنکه درک نسبتاً کاملی از موارد فوق بدست آوردیم؛ در ابتدا مزایای گندله نسبت به سنگ آهن و سپس تفاوت‌های آهن اسفنجی و گندله، نسبت گندله به آهن اسفنجی و ترکیبات هرکدام را برای شما شرح می‌دهیم.

آهن چیست و چگونه به وجود آمد؟

فلز و به ویژه آهن، از زمان کشف و استفاده از آن، با تکامل بشر همراه بوده است. اگرچه در ابتدا به ندرت از آن استفاده می شد، اما کم کم با این مواد آشنا شدیم. در واقع، در تمام دوره‌های تاریخ بشر، همراه وفادار ما شده است. تا آنجا که آهن در تاریخ منجر به انقلاب صنعتی اول شد و هنوز هم در بسیاری از فناوری‌هایی که استفاده می‌کنیم با ما همراه است.

با این حال، از اولین استفاده آن، تاریخچه آهن پیچیده و هیجان‌انگیز بوده است. همه چیز به سرعت توسعه نیافته است، بلکه ما در مورد قرن ها آزمون و خطا صحبت می کنیم. هر فرهنگی آهن را به روش و در زمان خود کشف و دستکاری کرد.

تقریباً ۴۰ درصد فلزات کره زمین از آهن تشکیل شده است . قیمت خرید و فروش این فلز در سراسر دنیا مقرون به صرفه و ارزان می‌باشد و این دلیلی برای پرمصرف بودن آن به حساب می‌آید یکی دیگر از دلایل کاربرد آهن در صنعت‌های مختلف، وجود منابع زیاد برای استخراج و همچنین استخراج آسان تر نسبت به سایر فلزات است.

می توان گفت، و اشتباه نخواهد بود، که اولین فلزی که انسان آزمایش کرد «از آسمان» بیرون آمد. برخلاف تصور رایج، اولین فلزاتی که توسط فرهنگ‌هایی مانند سومری، مصر و برخی از فرهنگ‌های باستانی آناتولی استفاده شد، از شهاب‌سنگ‌ها به وجود آمدند. اگرچه فلز چهارمین عنصر رایج در سطح زمین است، اما جمعیت های باستانی فناوری استخراج آن را از زیر خاک نداشتند. زیرا آهن نسبت به سایر فلزات مانند مس و برنز که به دمای بالا و عملیات سخت تری برای استخراج آن نیاز دارد آسانتر استخراج می شود . بنابراین، این عنصر گرانبها تا رسیدن تمدنی با فناوری لازم برای استخراج و دستکاری آن در زمین مدفون می ماند.

تعریف کنسانتره یا سنگ آهن

سنگ آهن یک ماده معدنی است که وقتی در حضور یک احیا کننده حرارت داده می‌شود، آهن فلزی (Fe) تولید می کند. تقریباً همیشه از اکسیدهای آهن تشکیل شده است که اشکال اولیه آن مگنتیت (Fe3O4) و هماتیت (Fe2O3) است.

سنگ آهن، منبع آهن اولیه صنایع آهن و فولاد در جهان است. بنابراین برای تولید فولاد ضروری است، تقریباً تمام (۹۸٪) سنگ آهن در فولادسازی استفاده می‌شود. در ۵۰ کشور جهان سنگ آهن استخراج می‌شود. هفت کشور بزرگ این تولیدکننده حدود سه چهارم کل تولید جهانی را تشکیل می‌دهند. یک سوم صادرات کل سنگ آهن در دنیا از استرالیا و برزیل انجام می‌شود.

سنگ آهن نوعی سنگ یا کانی است که می‌توان آهن فلزی را از آن به‌صورت اقتصادی استخراج کرد. معمولاً حاوی ترکیبات آهن به شکل اکسید، کربنات یا سولفید همراه با ناخالصی‌های مختلف است. ویژگی‌های سنگ آهن می‌تواند بسته به نوع سنگ معدن متفاوت باشد، اما به‌طور کلی شامل:

۱- ترکیب: سنگ آهن عمدتاً از آهن، معمولاً به شکل اکسیدهای آهن مانند هماتیت(Fe2O3)، مگنتیت(Fe3O4)، یا گوتیت(FeO (OH)) تشکیل شده است. همچنین ممکن است حاوی عناصر یا مواد معدنی دیگری مانند ناخالصی باشد، مانند سیلیس، آلومینا، فسفر، گوگرد و عناصر کمیاب.

۲- خواص فیزیکی: سنگ آهن معمولاً سخت، متراکم و سنگین است. رنگ بسته به نوع اکسید آهن موجود می‌تواند متفاوت باشد، هماتیت معمولا قرمز یا قهوه‌ای مایل به قرمز، مگنتیت سیاه یا خاکستری تیره و گوتیت قهوه‌ای یا قهوه ای مایل به زرد است. سنگ آهن می تواند بافت های مختلفی از جمله کریستالی، دانه ای یا توده ای داشته باشد.

۳- عیار سنگ: میزان آهن یا عیار آهن سنگ آهن یک ویژگی مهم است. سنگ آهن با عیار بالا معمولاً حاوی درصد بالاتری از آهن است که آن را برای تولید آهن و فولاد با ارزش تر و مطلوب تر می کند.

۴- کانی‌شناسی: انواع مختلف کانی‌های سنگ آهن دارای ویژگی‌های کانی‌شناسی متمایزی هستند، مانند ساختار بلوری، تداعی‌های معدنی و آزادسازی مواد معدنی. این خواص کانی شناسی می تواند بر فرآوری و بهره برداری سنگ آهن تاثیر بگذارد.

۵-  محل قرار گیری: سنگ آهن می تواند در موقعیت‌های زمین‌شناسی مختلف از جمله سنگ‌های رسوبی، دگرگونی و آذرین وجود داشته باشد. همچنین می‌توان آن را به اشکال مختلف، مانند رسوبات رگه‌ای، رسوبات بستر، و رسوبات منتشر یافت که می‌تواند بر روش‌های استخراج آن تأثیر بگذارد.

۶- ناخالصی‌ها: سنگ آهن ممکن است حاوی ناخالصی های مختلفی مانند سیلیس، آلومینا، فسفر، گوگرد و عناصر کمیاب باشد که می تواند بر کیفیت و مناسب بودن سنگ معدن برای تولید آهن و فولاد تأثیر بگذارد. وجود ناخالصی‌ها ممکن است نیاز به مراحل پردازش یا بهینه‌سازی اضافی برای حذف یا کاهش آنها را به دنیال داشته باشد.

به طور کلی سنگ آهن یک ماده خام با ارزش برای تولید آهن و فولاد است و ویژگی های آن بسته به نوع سنگ معدن، کانی شناسی، عیار، پیدایش و ناخالصی‌های موجود می‌تواند متفاوت باشد. درک تعریف و ویژگی‌های سنگ آهن برای اکتشاف، استخراج، فرآوری و استفاده از آن در صنایع مختلف حائز اهمیت است.کاربرد اصلی سنگ آهن در تولید آهن است که برای تولید فولاد بیشترین کاربرد را دارد.

از فولاد برای ساخت اتومبیل، لوکوموتیو، کشتی، تیرهای مورد استفاده در ساختمان ها، مبلمان، گیره های کاغذ، ابزار، میله های تقویت کننده بتن، دوچرخه و هزاران مورد دیگر استفاده می‌شود. این فلز هم از نظر تناژ و هم از نظر هدف بیشترین استفاده را دارد.

گندله چیست؟

گندله سازی فرآیندی است که شامل مخلوط کردن ذرات بسیار ریز سنگ آهن با اندازه کمتر از ۲۰۰ مش (۰.۰۷۴ میلی متر) با افزودنی هایی مانند بنتونیت و سپس شکل دادن آنها به توپ‌های تقریباً بیضی/کروی با اندازه در محدوده ۸ میلی متر است.

این محصول ماده اولیه‌ای است که درکوره های احیای مستقیم و کوره‌های بلند جهت تولید آهن اسفنجی کاربرد دارد. اگر تولید آهن اسفنجی در کوره القایی انجام شود، دارای کاربرد وسیع‌تری است و می‌توان آن را جایگزین آهن قراض نمود.

چهار مرحله در تولید گلوله‌های سنگ آهن وجود دارد. این مراحل شامل (۱) آماده سازی مواد خام، (۲) تشکیل گلوله ها یا گلوله های سبز، (۳) استحکام گلوله ها و (۴) خنک سازی، ذخیره سازی و انتقال گلوله ها است.

آماده‌سازی مواد خام – در طول فرآیند گندله‌سازی، کنسانتره سنگ آهن استخراج شده برای خشک شدن تا دمای ۱۲۰ درجه سانتی‌گراد گرم می‌شود. مواد خشک شده برای آسیاب به آسیاب گلوله‌ای منتقل می‌شود. کنسانتره/سنگ آهن آسیاب شده با اندازه معمولی ۸۰ درصد کمتر از ۴۵ میکرون (۰.۰۴۵ میلی متر) با رطوبت حدود ۹ درصد برای تولید گندله مورد نیاز است. چسب مناسب (معمولاً بنتونیت) به کنسانتره اضافه می شود که کاملاً در مخلوط کن با شدت بالا مخلوط می شود. این یک فرآیند انباشتگی برای تبدیل ریزه سنگ آهن به “گلوله های سنگ آهن با اندازه یکنواخت” است که می تواند مستقیماً در یک کوره بلند (BF) یا به یک کوره عمودی یا کوره دوار که معمولاً برای تولید آهن احیا شده مستقیم (DRI) استفاده می شود، شارژ می‌شود .

گندله تولید شده از این کنسانتره آهن قابلیت استفاده در واحدهای ذوب و واحدهای احیای مستقیم را دارد.تشکیل گلوله ها یا گلوله های سبز – گلوله های سبز با دامنه اندازه ۸ میلی متر تا ۱۶ میلی متر در یک درام توپی یا در یک بالینگ دیسک تهیه می شوند. بالینگ دسیک برای تولید گلوله های سبز با کیفیت ترجیح داده می شود زیرا در بالینگ دیسک کنترل عملکرد با حداقل فضا آسان است. بالینگ دیسک یک تشت شیبدار با قطر حدود ۵ متر (متر) تا ۷.۵ متر است که در حدود ۶ دور در دقیقه (چرخش در دقیقه) تا ۸ دور در دقیقه می چرخد.

مخلوط از قبل خیس شده با سرعت کنترل شده وارد دیسک می شود. در دیسک، مواد منعقد شده و در اثر حرکت چرخشی مداوم به گلوله‌های کروی تبدیل می‌شوند. ذرات سنگ معدن به سمت بالا بلند می‌شوند تا زمانی که اصطکاک بر اثر گرانش غلبه کند و مواد به پایین دیسک بغلطند. این عمل نورد ابتدا دانه های کوچکی به نام دانه را تشکیل می دهد. فرایند بزرگ ترشدن گلوله ها در چرخش های بعدی دیسک با افزودن خوراک تازه بیشتر و با برخورد بین گلوله های کوچک اتفاق می افتد. همانطور که گلوله ها در اندازه بزرگ می شوند، به قسمت های کناری بالینگ دیسک منتقل میشوندتا زمانی که لبه آنها سرریز شود.

بزرگترشدن گلوله توسط مقدار کمی آب پاشیده شده در دیسک و تنظیم سرعت چرخش دیسک کنترل می شود. به این گلوله‌ها گلوله‌های سبز می‌گویند زیرا مقاومت لازم را ندارند. سپس گلوله‌های سبز رنگ وارد غربالگر در حال حرکت دستگاه گلوله‌سازی می‌شوند. کشش سطحی آب، اثر مویرگی آب و نیروی گرانشی در بالینگ دیسک، نیروهایی هستند که بر ذرات سنگ معدن اثر می‌گذارند. از این رو، آنها با هم ادغام می‌شوند و هسته‌هایی را تشکیل می دهند که به اندازه و به شکل توپ رشد می کنند. این نیروهای مسئول تجمع ریزدانه های سنگ آهن در بالینگ دیسک، به دلیل حرکت چرخشی در دیسک توپی ایجاد می شوند.

هنگامی که ذرات جامد با آب تماس پیدا می کنند، سطح سنگ خیس می شود و با لایه آب پوشانده می شود. به دلیل کشش سطحی لایه آب، پل های مایع تشکیل می شوند. در نتیجه حرکت ذرات در داخل بالینگ دیسک و به دلیل ترکیب تک تک قطرات آب حاوی دانه های سنگ معدن، ذرات ابتدا آگلومره می شوند.و سپس  تجمع اولیه ذرات باعث تشکیل دانه می شود. پل های مایع در داخل این دانه ها، ذرات را طوری کنار هم نگه می دارند که گویی ذرات در یک شبکه هستند. با تامین بیشتر آب، آگلومره ها متراکم شده و متراکم تر می شوند.

نیروهای مویرگی پل های مایع در این مرحله از تشکیل توپ سبز فعال تر هستند. بهینه این مرحله تشکیل توپ،زمانی حاصل می شود که تمام پورت های داخل توپ ها با مایع پر شوند. هنگامی که ذرات جامد به طور کامل با آب پوشانده می شوند، کشش سطحی قطرات آب کاملاً فعال می شود و بر نیروهای مویرگی غالب می شود. در کنار این اثر، حرکت غلتشی دانه ها و حرکت یا جابجایی ذرات نسبت به یکدیگر نیز نقش مهمی ایفا می کند.

استحکام – در طول مرحله استحکام، سخت شدن حرارتی گلوله های سبز انجام می شود. استحکام گلوله های سبز شامل سه مرحله اصلی است: (۱) خشک کردن گلوله های سبز، (۲) پخت گلوله ها در حدود ۱۳۰۰ درجه سانتیگراد برای تف جوشی ذرات اکسید آهن، و (۳) سرد کردن گلوله های داغ قبل از تخلیه.

در طول خشک کردن (محدوده دمایی ۱۸۰ درجه سانتیگراد تا ۳۵۰ درجه سانتیگراد)، رطوبت گلوله سبز تبخیر می شود. رطوبت سطحی و بینابینی در دماهای پایین تر تبخیر می شود، جایی که به عنوان آب ترکیب شده شیمیایی (به عنوان گوتیت یا لیمونیت) یا هر ترکیب هیدرات یا هیدروکسید در دمای کمی بالاتر آب خود را از دست می دهند.

در مرحله پیش گرمایش (محدوده دمایی ۵۰۰ درجه سانتیگراد تا ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد)، تجزیه کربناتها و هیدراتها صورت می گیرد. گازی شدن سوخت های جامد مانند زغال سنگ یا کک و تبدیل اکسیدهای آهن مانند گوتیت، سیدریت و مگنتیت به هماتیت با حالت اکسید بالاتر نیز در این مرحله صورت می گیرد. شروع پیوند اکسید جامد و رشد دانه از مراحل مهم این مرحله است. در مرحله پخت (محدوده دمایی ۱۲۵۰ درجه سانتیگراد تا ۱۳۴۰ درجه سانتیگراد)، دما کمتر از دمای ذوب فاز اکسید اصلی است، اما در محدوده واکنش پذیری اجزا و مواد افزودنی گنگ است. تشکیل پیوندهای اکسید و سرباره در این مرحله تعیین کننده است

خنک‌سازی و جابجایی گلوله ها – گلوله‌ها پس از سفت شدن سرد و غربال می‌شوند. گلوله‌های بزرگ‌تر خرد می‌شوند و همراه با اندازه‌های کم به سطل‌های انبار فرستاده می‌شوند که در آنجا دوباره پردازش می‌شوند. گلوله های خنک شده برای انتقال به کارخانه های پایین دست برای پردازش بیشتر به انبار فرستاده می‌شوند.

چندین فرآیند/فناوری برای گندله سازی سنگ آهن وجود دارد. برخی از اینها عبارتند از (۱) فرآیند کوره شفت، (۲) فرآیند کوره مستقیم، (۳) فرآیند کوره افقی چرخشی، (۴) فرآیندهای پیوند سیمانی (فرآیند Grangcold، فرآیند MIS Grangcold، و فرآیند ذغال سنگ و غیره)، و (۵) فرآیندهای هیدروترمال (فرآیند COBO، فرآیند MTU، و فرآیند INDESCO و غیره).

با این حال، در حال حاضر، فقط فرآیند کوره مستقیم (STG) و فرآیند کوره افقی چرخشی(GK) فرآیندهای محبوب‌تری هستند.

آهن اسفنجی چیست؟

آهن اسفنجی یک محصول فلزی است که از طریق احیای مستقیم سنگ آهن در حالت جامد تولید می شود. جایگزینی برای قراضه است و عمدتاً در ساخت فولاد از طریق مسیر ثانویه استفاده می شود. هدف از فرآیند ساخت آهن اسفنجی حذف اکسیژن از سنگ آهن است. کیفیت آهن اسفنجی در درجه اول با درصد متالیزاسیون  مشخص می شود که نسبت آهن فلزی به کل آهن موجود در محصول است.

ساخت آهن اسفنجی به ویژگی های مواد خام بسیار حساس است. بنابراین بررسی خصوصیات شیمیایی و فیزیکی مواد خام به صورت جداگانه و ترکیبی ضروری است. مواد اولیه اولیه برای تولید آهن اسفنجی سنگ آهن، زغال سنگ غیرکک و دولومیت است. اندازه گیری مواد اولیه نیز نقش حیاتی در فرآیند تولید آهن اسفنجی ایفا می کند. اندازه مورد نیاز سنگ آهن، MPS (اندازه متوسط ​​ذرات)، خواص فیزیکی آن مانند T.I.، A.I. و خواص شیمیایی مانند Fe (T).

پس از ذوب و احیا در فولادسازی، آهن اسفنجی در فرایند ریخته گری به شکل دلخواه درخواهد آمد. اسلب، بیلت و میلگرد از مقاطع فولادی هستند که از آهن اسفنجی ساخته می‌شوند.

به طور کلی آهن اسفنجی که به طور مستقیم از سنگ آهن بدست آمده به اصطلاح به آن DRI می‌گویند. و در حدود ۵ درصد فولاد کل جهان از آهن اسفنجی ساخته می‌شود.

تعریف آهن احیا شده مستقیم

DRI که به آن آهن اسفنجی نیز می‌گویند، از احیای مستقیم سنگ آهن (به شکل کلوخه، گلوله یا توپی) به آهن ،توسط گاز احیاکننده یا کربن عنصری تولید شده از گاز طبیعی یا زغال سنگ تهیه می شود.

احیای مستقیم به فرآیندهای حالت جامد اشاره دارد که اکسیدهای آهن را در دمای زیر نقطه ذوب آهن  انجام می شود که آهن احیا شده نام خود را از این فرآیند گرفته است،

یکی از نمونه ها حرارت دادن سنگ آهن در کوره در دمای بالای ۸۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد (۱۴۷۰ تا ۲۱۹۰ درجه فارنهایت) در حضور گاز سنتز گاز احیا کننده و مخلوطی از هیدروژن و کربن است که سنگ آهن آن بیشتر به صورت پلت و/یا گلوله ای استفاده می شود.

فرآیندهای کاهش مستقیم سنگ آهن

منابع گازی (Gas Based):

• روش میدرکس (Midrex)
• روشHYL یا (Energiron)
• روش SL/RN
• کوره تونلی

فرآیندهای کوره محوری (Gas Base) مبتنی بر گاز (Midrex® و Energiron اصلی‌ترین آنها هستند؛ در این فرآیند ( Midrex® و Energiron ) عمدتاً از گلوله‌های سنگ آهن به عنوان ماده اولیه استفاده می‌کنند.

گفتنی است روش  HY  (Energiron) به دلیل مشکلات ظرفیتی و مصرف بالای روش های که برمبنای ذغال سنگ هستند در ایران کارایی ندارند.

• منابع زغال سنگ (Coal Based)
• SL/RN (- اس – ال – آر – ان)کوره تونلی

محل قرار گیری کارخانه تولید آهن اسفنجی عامل اساسی  جهت تعیین روش احیای سنگ آهن می باشد . همانطور که در بالا گفته شد با استفاده از منابع گازی یا ذغال سنگ عمل احیا انجام می پذیرد که با توجه به اینکه در ایران دسترسی به منابع گازی بالا می باشد از گاز به عنوان منبع تولید آهن اسفنجی استفاده می شود  اما در کشور هند منبع اصلی تولید آهن اسفنجی استفاده از زغال سنگ حرارتی کک نشو می باشد که  موجب روز مشکلاتی از قبیل آلودگی هوا می‌شود.

گفتنی است روش HY (Energiron) به دلیل مشکلات ظرفیتی و مصرف بالای روش های که برمبنای ذغال سنگ هستند در ایران کارایی ندارند.

فرآیند MIDREX

دراین فرآیند می توان از گاز طبیعی یا زغال سنگ برای تولید DRI، HBI و HDRI با کیفیت استفاده کند. این تنها فرآیند DRI است که توانایی تولید همزمان هر گونه ترکیبی از انواع محصول را با تنظیم لحظه ای نرخ تخلیه فراهم می کند.  میدرکس پر استفاده‌ترین، کم مصرف ترین و پر بازده ترین روش تولید در ایران و جهان است. تقریباً ۸۰ درصد آهن اسفنجی در ایران به این روش تولید می شود.

ظرفیت تولیدبه روش میدرکس:۰۰۰/۲۰۰/۱الی۸۰۰تن سالانه

ظرفیت تولید به روش تونلی:۰۰۰/۳۵ تن سالانه

فرآیند Energiron (HYL)

فناوری DIR یک فناوری کاهش مستقیم گاز است. فرآیند DIRتونلی گلوله ها یا توده های سنگ آهن را به آهن فلزی تبدیل می کند.

یک روش تولید ساده است و از نظر رقابتی بعلت کاهش هزینه تولید و زیست محیطی کاملاً مطلوب است.

۲.دارای انعطاف پذیری برای استفاده از منابع مختلف گازهای کاهنده و استفاده بسیار کارآمد و انعطاف پذیر از سنگ آهن است.

۳.یک عامل کلیدی در بسیاری از مزایای فرآیند مستقیماً با عملکرد تحت فشار آن مرتبط است.

فرآیند Fin met

در این فرایند از ریزدانه‌های سنگ آهن به عنوان ماده اولیه استفاده می‌کند

این محصول یک DRI از ۹۱-۹۴٪ محتوای Fe Total با کربن قابل تنظیم بین ۰.۵-۱.۵ ٪ است که بریکت داغ است.( بریکت در واقع همان آهن اسفنجی است اما در هنگام تولید، در قطعات بزرگ قالب‌گیری و فشرده می‌شود.)

در مقاله‌ای که خواندید با آهن اسفنجی، گندله و تفاوت آنها آشنا شدید؛ در ادامه نیز با ما همراه باشید.