loader

مراحل تبدیل سنگ آهن به آهن اسفنجی

منتشر شده در 18 آذر 1396

مراحل تبدیل سنگ آهن به آهن اسفنجی

 

خلاصه:

در این مقاله به بررسی مراحل مورد نیاز برای تبدیل سنگ آهن به آهن اسفنجی یا آهن احیای مستقیم (Direct Reduced Iron) پرداخته شده است. ناحیه آهن سازی به طور کلی از 4 بخش تشکیل می­شود که شامل واحد انباشت و برداشت مواد خام، گندله سازی، آهک سازی و واحد احیای مستقیم می­باشد. منظور از فرآیند احیای مستقیم آهن، حذف اکسیژن از گندله­های اکسیدی تولید شده در کوره­های احیا و در تبادل با گاز احیا کننده می­باشد. محصول احیا مستقیم گلوله­های اسفنجی با خلوص آهن بالای 92 و کربن بالای 1/7 درصد می­باشد که پس از خنک کاری با گاز خنک کننده از پائین کوره در دمای محیط تخلیه و پس از جداسازی ریزدانه آن به فولادسازی ارسال می­گردد.

 

واژگان کلیدی: سنگ آهن، کنسانتره، کوره پخت، احیای مستقیم.

سنگ آهن:

سنگ آهن به شکل سنگ های آذرین، متامورف (تبدیل شده) یا سنگ­های رسوبی در انواع محیط های زمین شناسی یافت می­شود. اکثر سنگ­ها رسوبی هستند، اما بسیاری از آنها توسط شرایط جوی تغییر کرده اند و بنابراین تعیین منبع آنها دقیقا مشکل است. مواد معدني که بيشترين توزيع آهن را دارند، اکسيد هستند و سنگ آهن شامل اغلب هماتيت (Fe2O3) است که قرمز است. مگنتیت (Fe3O4) که سیاه است؛ سنگ آهن لیمونیت یا سنگ آهن (Fe2O3 · 3H2O) که قهوه ای است؛ و سیدریت (FeCO3) که قهوه ای کمرنگ است. هماتیت و مگنتیت فراوان ترین نوع سنگ آهن است. مگنتیت خالص حاوی 4/72 درصد آهن، هماتیت 9/69 درصد، لیمونیت 9/58 درصد و سیدیریت 2/48 درصد است، اما از آنجا که این مواد معدنی هرگز به تنهایی وجود ندارند، میزان فلزات سنگ معدن واقعی کمتر است. رسوباتی با کمتر از 30 درصد آهن از دید تجاری نامطلوب هستند و اگر چه برخی از کانی ها حاوی 66 درصد آهن هستند، اکثر رسوبات در حدود 50 تا 60 درصد آهن وجود دارد. کیفیت سنگ معدن نیز تحت تاثیر سایر اجزای تشکیل دهنده آن قرار دارد که به طور کلی به عنوان gangue شناخته می شود. سیلیکا (SiO2) و ترکیبات فسفر (معمولا به عنوان P2O5 گزارش می شوند) به ویژه مهم هستند، زیرا آنها بر ترکیب فلزات اثر می گذارند و مشکلات بیشتری در ساخت فولاد بوجود می­آورند. چین، برزیل، استرالیا، روسیه و اوکراین بزرگترین تولید کننده سنگ آهن هستند اما مقدار قابل توجهی از سنگ آهن نیز در هند، ایالات متحده، کانادا و قزاقستان استخراج می شود.این 9 کشور با هم، 80 درصد از سنگ آهن جهان را تولید می کند. برزیل، استرالیا، کانادا و هند بزرگترین صادر کننده­ها هستند، اگرچه سوئد، لیبریا، ونزوئلا، موریتانی و آفریقای جنوبی نیز مقدار زیادی سنگ آهن به فروش می رسانند. ژاپن، اتحادیه اروپا و ایالات متحده واردکنندگان عمده هستند.

 

معدن کاری و کنسانتره سازی

بیشتر سنگ معدن آهن توسط معدن کاری سطحی استخراج می شود. برخی از معادن زیرزمینی وجود دارد، اما هر جا که امکان دارد، معدنکاری سطح ترجیح داده می شود زیرا ارزان تر است.

خردایش

سنگ معدن آهن معدن شامل توده های مختلفی می باشد که بزرگترین آنها بیش از 1 متر (40 اینچ) و کوچکترین در حدود 1 میلی متر (04/0 اینچ) است. کوره پخت،نیاز به توده های بین 7 و 25 میلی مترمی­باشد، بنابراین سنگ معدن باید برای کاهش حداکثر اندازه ذرات خرد شود. سنگ معدن با عبور  از طریق غربال، بخش های مختلف تقسیم می شود. به این ترتیب، سنگ معدن یا سنگ آهک (اندازه 7 تا 25 میلی متر) ازسنگ های ریز (کمتر از 7 میلی متر) جدا می شود. اگر سنگ معدن از لحاظ  کیفیت مناسب باشد، می توان آن را به کوره پخت بدون هیچگونه پردازش بیشتر شارژ شد. با این حال، سنگ­های ریز باید ابتدا طی فرآیند سینترینگ آگلومره شوند تا به اندازه مناسب درآیند.

سینترینگ

پخت سنگ آهن، شامل گرم کردن لایه ای از ذرات تا زمانی که ذوب جزئی رخ داده و ذرات جدا از هم سنگ با هم ترکیب شوند. سوختن کک ریز(که به عنوان نسیم کک شناخته می شود) درون سنگ معدن حرارت لازم فرآیند را تولید می کند. قبل از تحویل به دستگاه سینترینگ، مخلوط سنگ معدن، مرطوب می شود تا ذرات ریز به اندازه های  بیشتری برسند و سپس مقدار مناسب کک اضافه می شود. در ابتدا، کک در سطح بالایی تخت زمانی که مخلوط تحت بخار مشعل در یک هود احتراق عبور می کند، اما پس از آن احتراق توسط هوای کشیده شده از طریق بستر مواد توسط یک فن مکش نگه داشته شده، به طوری که تا زمانی که آلیاژ می رسد پایان دستگاه کاملا متصل است. در ابتدا، کک روی سطح بالایی که مخلوط از زیر هود های احتراق عبور می­کند، می­سوزد اما بعد از آن احتراق آن بوسیله هوای مکش شده فن بالای سطح ادامه می­یابد بنابراین زمانی که سینترینگ به پایان می­رسد تمام آن سوخته است. غلطکی که مخلوط سینتر از روی آن عبور می­کند از جنس میله­های چدنی بوده با فاصله کم بوده تا هوا بتواند از بین آن­ها عبور کند. بعد از خنک شدن، سینترینگ متوقف شده و محصولات از الک عبور کرده تا خوراک کوره پخت فراهم شده و بخشی از محصول که اندازه ای کوچکتر از اندازه­های قابل قبول دارند، بازگردانده شوند. ماشین­های سینترینگ مدرن قادر به تولید تا 25000 تن در روز هستند. ماشین آلات پخت، معمولا توسط مساحت پخت مقایسه می شوند؛ بزرگترین دستگاه ها 5 متر عرض(16 فوت) و 120 متر طول داشته و سطح موثر حدودا 600  متر مربع (6،500 فوت مربع) است.

 

کنسانتره

خرد کردن و غربالگری عملیات مکانیکی ساده است که ترکیب سنگ را تغییر نمی دهند، اما برخی از سنگ ها باید قبل از ذوب سازی ارتقا پیدا کنند. کنسانتره سازی به روش های تولید سنگ آهن با درصد بیشتری از آهن و درصد کمتری از سیلیس مواد اولیه اشاره دارد. اکثر فرایندها به تفاوت های بین چگالی متکی هستند تا مواد معدنی سبک را از سنگین تر جدا کنند، بنابراین سنگ آهن خرد شده تا سنک معدن از ناخالصی­ها جدا شود. تکنیک های مغناطیسی نیز استفاده می شود.

سنگ معدن یا کنسانتره به شکل یک پودری بسیار ریز بوده که برای استفاده در کوره پخت مناسب نیست. کنسانتره اندازه بسیار کوچکتری از سنگ معدن های ریز داشته و با سینترینگ نمی­توان آن را آگلومره کرد. کنسانتره باید با عمیات گندله سازی آگلومره شود.

 

 

گندله سازی

اول، کنسانتره های مرطوب به یک درام چرخشی یا یک دیسک شیبدار تغذیه می شوند، که لرزش منجر به تولید آگلومره های نرم و کروی می شود. این آگلومره­های سبز پس از خشک شدن و سوختن در در محدود دمای 1250 تا 1340 درجه سانتیگراد (2،300 تا 2،440 درجه فارنهایت) است. سرانجام، آنها به آرامی سرد می شوند. گلوله های محصول نهایی گرد بوده و قطر آنها 10 تا 15 میلی متر است و آنها تقریبا شکل ایده آل برای کوره پخت را تشکیل می دهند.

 

آهن سازی

هدف اولیه ساخت آهن، احیای آهن از ترکیب شیمیایی با اکسیژن است، و از آنجایی که کوره پخت بسیار کارآمد است، بیشترین توجه را در اینجا دریافت می کند. روش­های جایگزین مانند احیای آهن در درصد کمی از کشورها مورد استفاده قرار می­گیرند، اما کمتر از 5 درصد از آهن به این روش تولید می­شود. گروه سوم تکنیک آهن سازی که در گروه احیا و ذوب دسته بندی می­شوند هنوز روش­های نوپایی هستند.

 

کوره پخت

اساسا کوره انفجاری یک مبدل حرارتی اکسیژن بوده که در آن گاز در حال سوختن بیشترین میزان گرمای خود را از دست داده، و کوره را در دمای حدود 200 درجه سانتیگراد (390 درجه فارنهایت) ترک می کند، در حالی که اکسیدهای آهن در حال ریزش کاملا به آهن فلزی تبدیل می­شوند.. انرژی حرارتی ارزشمند است و از دست ندادن آن دارای اهمیت فراوانی می­باشد. تصویر یک کوره پخت در شکل زیر نمایش داده شده است.

 

منبع حرارت

کک (در واقع کربن ناخالص) در کوره پخت با هوای داغ طی یک واکنش به شدت گرماده می­سوزد. این واکنش سوختن منبع اصلی حرارت در کوره می­باشد.

واکنش 1                                                                                           

C+O2=CO2

احیای سنگ آهن

در دمای بالای پایین کوره، کربن دی اکسید با کربن واکنش داده و کربن مونوکسید تولید می­کند.

واکنش 2                        

C+CO2=2CO                                                       

کربن مونوکسید جزء اصلی احیا کننده در کوره پخت می­باشد.

واکنش 3                                                                         

Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2

در قسمت­های داغ تر کوره، کربن به عنوان جزء احیا کننده عمل می­کند. توجه شود که در دماهای بالاتر، محصول جانبی به جای کربن دی اکسید، کربن مونوکسید می­باشد.

واکنش 4                                                                              

 Fe2O3+3C=2Fe+3CO

دمای کوره به اندازه­ای بالا بوده که توانایی ذوب آهن را دارد و آهن مذاب سبه پایی کوره جاری شده تا در آن قسمت جدا شود.

 

احیای مستقیم

هر فرآیندی که طی آن آهن از سنگ آهن در دمایی پایین تر از دمای ذوب ماده مورد نظر استخراج شود، احیای مستقیم نامیده می­شود. در این فرآیند gangue درمحصول که آهن اسفنجی نامیده می­شود باقی مانده و می­بایست در فرآیندهای بعدی آهن سازی حذف شود، بنابراین تنها سنگ آهن­ها و گندله­هایی با گرید بالا و تولید شده از سوپرکنسانتره (66% آهن) برای احیای مستقیم آهن سازی قابل استفاده هستند. آهن کاهش یافته (DRI) نام خود را از تغییرات شیمیایی که سنگ آهن تحت حرارت در کوره در دماهای بالا در حضور گازهای غنی از هیدروکربن، مونوکسید کربن یا کربن عنصری به دست می آید، گرفته است. گاز احیا کننده معمولا مخلوطی از گاز هیدروژن (H2) و کربن مونوکسید (CO) بوده و فرآیند در بازه­ی دمایی بین 800 تا 1200 درجه سانتی گراد انجام می­شود.

 

فرآیند

فرآیند کاهش مستقیم تقریبا به دو دسته گاز و ذغال سنگ تقسیم شود:. در هر دو مورد، هدف از این فرایند است حذف اکسیژن موجود در اشکال مختلف سنگ آهن (سنگ معدن، کنسانتره، گلندله، پوسته اکسیدی، گرد و غبار کوره، و غیره)، به منظور تبدیل ماده اولیه به آهن فلزی، بدون ذوب کردن (زیر 1200 درجه سانتیگراد) آن می­باشد.

فواید

در زمان های مدرن، فرایندهای کاهش مستقیم به ویژه برای غلبه بر مشکلات کوره های انفجاری معمول ساخته شده است. DRI با موفقیت در بخش های مختلف دنیا تولید می شود. سرمایه گذاری اولیه و هزینه های عملیاتی کارخانه های تولید آهن اسفنجی در مقایسه با کارخانه های فولاد یکپارچه کم است و برای کشورهای در حال توسعه که در آن منابع زغال سنگ کک محدود هستند، مناسب است.

فاکتور­هایی که باعث می­شوند روش احیای مستقیم، مقرون به صرفه باشد شامل موارد زیر می­باشند:

  • آهن اسفنجی درصد آهنی معادل با آهن قراضه ( بین 90 تا 94 درصد داشته) بنابراین ماده ولیه مناسبی برای استفاده در کارگاه­های تولیدی کوچک بوده و امکان تولید گرید­هایی با خلوص بالاتری با استفاده از قراضه­هایی با خلوص پایین تر بوجود می­آورد.
  • آهن داغ بریکت شده (HBI) یک فرم فشرده از  DRI بوده که قابلیت  حمل و نقل، جابجایی و ذخیره سازی را دارد.
  • آهن مستقیم کاهش آهن (HDRI) آهن قبل از تخلیه از کوره الکتریکی سرد نمی­شود، که بلافاصله به یک کوره قوس الکتریکی منتقل می شود و به این ترتیب موجب صرفه جویی در انرژی می شود.
  • فرآیند کاهش مستقیم از سنگ گندله یا سنگ معدن طبیعی استفاده می کند. یک استثناء، فرآیند بستر سیال است که نیاز به اندازه بزرگتر ذرات سنگ آهن دارد.
  • فرآیند کاهش مستقیم می تواند از گاز طبیعی آلوده به گازهای خنثی استفاده کند و نیازی به حذف این گازها برای استفاده های دیگر نیست با این وجود هر آلودگی گاز بی اثر گاز (کیفیت) جریان گاز و بازده حرارتی این فرآیند را کاهش می دهد.
  • منابع سنگ های آهن پودر شده و گاز طبیعی خام هر دو در مناطقی مانند استرالیا شمالی، از هزینه های حمل و نقل گاز را به شدت کاهش داده است. در اغلب موارد، کارخانه DRI در نزدیکی منبع گاز طبیعی واقع شده است، تا هزینه حمل و نقل گاز خام کاهش یابد.
  • این روش آهن با 97 درصد خلوص تولید می­کند.

 

 

مشکلات روش DRI

آهن اسفنجی اگر محافظت نشده باقی بماند به شدت به اکسیداسیون و زنگ زدن حساس می­باشد و باید سریعا به فولاد تبدیل شود. بالک آهن احتمال احتراق داشته زیرا خاصیت اشتعال زایی دارد. بر خلاف آهن قراضه که تقریبا آهن خالص می­باشد، آهن اسفنجی دارای ناخالصی سیلیسیومی بوده که باید در فرآیند آن سازی جدا شود.

 

منابع و مراجع

1-www.welspunsteel.com

2- www.britannica.com

3- M.Smalls, "Direct Reduction of Iron Ore", Journal of Metals, 1981.

 

صفحه اصلی

 

ورود به پنل مدیریت