آهن خام چیست؟ بررسی کاربرد و فرایند تولید

آهن خام نوعی ماده معدنی محسوب می شود که از ترکیب آهن،گوگرد، فسفر، سیلیسیوم و سایر عناصر به وجود می آید، به صورت طبیعی آهن خام در سنگ آهن یافت شده و از جمله منابع اصلی تولید آهن و فولاد در جهان محسوب می شود در ادامه این مقاله به صورت کامل و جامع به بررسی و آشنایی با ویژگی ها و انواع آهن خام می پردازیم.

آهن خام چیست؟

آهن خام (Crude Iron) معروف به چدن خام از محصولات میانی صنعت فولاد است که با ذوب موادی مانند سنگ آهن حاصل می‌شود. این محصول میانی جهت ساخت محصولات نهایی نظیر میلگرد، تیرآهن و ورق مورداستفاده قرار می‌گیرد. همچنین، از عناصر موجود در ترکیب آهن خام می‌توان به کربن به میزان ۳.۸ الی ۴.۷ درصد به همراه منگنز، فسفر، سیلیس و... اشاره کرد. درضمن، مقدار زیاد کربن در آهن خام موجب شده است، ساختاری ترد و شکننده پیدا کند و همین‌طور، چکش‌خوار نباشد به این معنا که با اعمال ضربه دچار شکستگی شود. افزون بر این، زیاد بودن درصد کربن دمای ذوب آهن خام را هم کاهش می‌دهد. ضمن اینکه آهن خام تحت مدل‌ها و رنگ‌های مختلفی ساخته می‌شود که در ادامه با آن‌ها آشنا خواهید شد.

انواع آهن خام

همان‌طور که اشاره شد، آهن خام را می‌توان با عناصر مختلفی تولید کرد؛ حتی درصد عناصر نیز بسته به نظر تولیدکننده و خواست مصرف‌کننده ممکن است فرق داشته باشند. از‌این‌رو، شاهد عرضه آهن خام در گریدها و مدل‌های مختلف هستیم. به عبارتی، این محصول بنا بر ترکیب شیمیایی و رنگ خود دسته‌بندی ویژه‌ای دارد که در ادامه به آن‌ها پرداخته‌ایم.

انواع آهن خام به لحاظ ترکیب و ناخالص

ترکیب و ناخالصی آهن خام بر خواص و کارکرد آن تاثیر می‌گذارد؛ به همین دلیل، آن را به لحاظ ترکیب و میزان ناخالصی‌هایش طبقه‌بندی کرده‌اند. از انواع آهن خام ازمنظر ترکیب و ناخالصی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• آهن خام پایه

آهن خام پایه با هدف ساخت فولاد در کوره‌های قوس الکتریکی مورداستفاده قرار می‌گیرد.

• آهن یا چدن خام ریخته گری (Foundry pig iron)

آهن یا چدن خام ریخته‌گری معروف به آهن خام هماتیت در کوره کوپل جهت ریخته‌گری چدن خاکستری استفاده می‌شود.

• آهن یا چدن خام خلوص بالا (High purity pig iron)

آهن یا چدن خام خلوص بالا یک اصطلاح برای آهن خام کروی است که با هدف ساخت چدن نشکن بکار گرفته می‌شود.

انواع آهن خام به لحاظ رنگ و ظاهر

آهن خام ازنظر رنگ و ظاهر دسته‌بندی جداگانه‌ای دارد. از‌این‌رو، در زمان خرید آهن خام باید به ظاهر و رنگ آن توجه داشته باشید. این محصول در سه رنگ سفید، خاکستری و نیمه خاکستری موجود است که در قسمت زیر، توضیحات آن‌ها را آورده‌ایم:

• سفید

در صورتی که آهن خام مذاب به سرعت سرد شود، دیگر شاهد تشکیل گرافیت نخواهید بود. آهن خام خروجی آن به آهن خام سفید معروف است و در صنعت فولادسازی به کار گرفته می‌شود. آهن خام سفید، جنس سخت و تردی دارد و مقدار سیلیسیم آن نیز کم است.

• خاکستری

چنانچه آهن مذاب به کندی سرد شود، کربن به حالت گرافیت درمی‌آید. این آهن را با نام آهن خام خاکستری می‌شناسند و سیلیسیم بالای آن نیز موجب تردی‌اش شده است. به‌طورکلی، مقدار سیلیسیم آهن خام تعیین‌کننده میزان ترد بودن آن است.

• نیمه خاکستری

آهن خام نیمه خاکستری خصوصیات مابین مدل‌های سفید و خاکستری را دارد و از آن در تولید چدن و فولاد استفاده می‌کنند.

ماده اولیه برای تولید آهن خام

آهن به شکل سنگ‌های لیمونیت، زئولیت، مگنتیت و سیدریت از معادن استخراج می‌شود. ضمن اینکه سنگ‌های آهن به صورت مستقیم قابل‌استفاده نیستند و باید در کارخانجات مربوطه فرآوری شوند. سنگ آهن‌های فرآوری‌شده عبارت‌اند از سنگ آهن دانه‌بندی شده، گندله و کنسانتره که به عنوان ماده اولیه مورداستفاده قرار می‌گیرند. سنگ آهن دانه‌بندی شده معروف به گرانول در دو حالت دانه‌ریز نهایت تا ۱۰ میلی‌متر و دانه درشت حدود ۱۰ الی ۳۰ میلی‌متر ساخته می‌شود. سنگ آهن کنسانتره نیز دانه‌های بسیار ریزی دارد و مدل گندله هم با بنتونیت و مواد دیگر ترکیب شده و معمولا کروی شکل است و آن را به صورت مستقیم به آهن اسفنجی تبدیل می‌کنند.

فرایند و روش های تولید آهن خام

فرآیند تولید آهن خام از گذشته تا به حال تغییرات زیادی داشته است. امروزه تولیدکنندگان از روش‌های نوین و پیشرفته‌تری جهت ساخت آهن خام استفاده می‌کنند و با علم کامل‌تری نسبت به قبل عناصر موردنیاز را در ترکیب آهن خام بکار می‌گیرند. در هر حال، از روش‌های تولید آهن خام که توسط بسیاری از تولیدکنندگان استفاده می‌شوند می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

روش کوره بلند

روش کوره بلند به تایید تولیدکنندگان حرفه‌ای در اقصی نقاط دنیا رسیده است و معمولا فولاد را با این فرآیند تولید می‌کنند. در این روش، مقداری سنگ آهن کلوخه‌شده، کک و آهک را در اندازه مشخص به شکل لایه لایه از قسمت بالا وارد کوره می‌کنند. آهک جهت فلاکس و کک به عنوان تامین‌کننده انرژی به آن اضافه می‌شوند. درواقع، کک در دمای تقریبی ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد با دمش هوا و اکسیژن می‌سوزد و حرارت لازم جهت ذوب سنگ آهن و احیای آهن را فراهم می‌‌کند. آهن خام حاصل‌شده از این روش دارای ۳ الی ۴ درصد کربن با نقطه ذوب ۱۳۰۰ درجه سانتی‌گراد است.

روش قوس الکتریکی

روش قوس الکتریکی قدمت کمتری نسبت به کوره بلند دارد و اساس کار آن، استفاده از آهن اسفنجی و قراضه فولادی است. آهن اسفنجی با احیای مستقیم اکسیدش در کوره‌های احیا به دست می‌آید. در احیا مستقیم با تجزیه گاز طبیعی به گاز کربن مونوکسید و هیدروژن می‌توان باعث احیا سنگ آهن به آهن اسفنجی شد. ضمن اینکه آهن اسفنجی به دلیل داشتن ۷.۱ درصد کربن و عیاری بالاتر از ۹۲ درصد بافتی متخلخل دارد. در روند فولادسازی، آهن اسفنجی یا قراضه آهن با کک، آهک و بنتونیت به کوره قوس ریخته می‌شود و بعد از نابودی ناخالصی‌های آن به عنوان ماده پایه‌ای جهت ساخت شمش‌های فولادی راهی واحد ریخته‌گری می‌شود.

کاربرد آهن خام

آهن خام به عنوان یک ماده اولیه در اختیار فولادسازان قرار می‌گیرد. این محصول معمولا به صورت مستقیم از ته کوره بلند توسط یک فرورفتگی به درون محفظه‌های مخصوص می‌ریزد و به شکل مایع راهی کارخانجات فولادی می‌شود. در اینجا آهن خام را با نام فلز داغ می‌شناسند. از این فلز مذاب در تولید فولاد استفاده می‌کنند. در ادامه پروسه با یک کوره قوس الکتریکی، کوره القایی یا اکسیژن اولیه کربن اضافی را می‌سوزانند تا ترکیب آلیاژ رعایت شود. به این ترتیب، آهن خام یکی از محصولات میانی صنعت فولادسازی است که با بهره‌گیری از آن می‌توان محصولات پرمصرف فولادی را تولید ‌و روانه بازار کرد.