تعریف آهن اسفنجی چیست؟

آهن اسفنجی محصولی مهم در صنعت فولادسازی است که با استفاده از فرآیند احیا مستقیم تولید می‌شود. این محصول به دلیل دارا بودن درصد بالای آهن (Fe) و حذف ناخالصی‌های موجود در سنگ آهن، به‌عنوان ماده اولیه برای تولید فولاد در کوره‌های قوس الکتریکی به‌کار می‌رود. در سال‌های اخیر، با توجه به افزایش تقاضا برای فولاد و همچنین محدودیت منابع قراضه آهن، تولید آهن اسفنجی به روش احیا مستقیم اهمیت بیشتری یافته است.

تولید آهن اسفنجی به روش احیا مستقیم چیست؟

روش احیا مستقیم یکی از مهم‌ترین روش‌های تولید آهن اسفنجی است که به دلیل مصرف انرژی کمتر و آلایندگی پایین‌تر نسبت به روش‌های سنتی مانند کوره بلند، به‌طور گسترده‌ای در صنایع فولاد جهان مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش بر پایه استفاده از گازهای احیاکننده مانند گاز طبیعی و حذف اکسیژن از گندله سنگ آهن استوار است.

انواع روش‌های تولید آهن اسفنجی

برای تولید آهن اسفنجی دو روش اصلی وجود دارد:

روش کوره بلند

• در این روش، سنگ آهن به همراه کک و آهک در کوره بلند ذوب می‌شود و آهن مذاب تولید می‌گردد. این روش به دلیل مصرف زیاد کک و تولید گازهای گلخانه‌ای، کمتر مورد توجه قرار گرفته است.

روش احیا مستقیم

• در این فرآیند، سنگ آهن در دمای پایین‌تر از نقطه ذوب و در حضور گازهای احیاکننده مانند گاز طبیعی، به آهن فلزی تبدیل می‌شود. این روش به دلیل راندمان بالا و آلایندگی کمتر، به‌ویژه در کشورهایی که منابع گاز طبیعی غنی دارند، مانند ایران، بسیار متداول است.

توضیح فرآیند احیا مستقیم

در روش احیا مستقیم، سنگ آهن در قالب گندله یا کلوخه با استفاده از گازهای احیاکننده مانند هیدروژن و مونوکسید کربن، در دمای پایین‌تری نسبت به کوره‌های سنتی، به آهن فلزی تبدیل می‌شود. در این فرآیند، گاز احیاکننده با اکسیژن موجود در سنگ آهن واکنش داده و آن را به تدریج از بین می‌برد و در نتیجه آهن خالص به‌دست می‌آید.

به‌طور ساده این فرآیند به چند مرحله تقسیم می‌شود:

1. ابتدا گاز طبیعی با بخار آب ترکیب می‌شود تا گازهای احیاکننده تولید شود.
2. گازهای تولیدشده در واکنش با سنگ آهن، اکسیژن موجود در آن را از بین برده و آهن فلزی متخلخل که به آهن اسفنجی معروف است را تولید می‌کند.

تکنولوژی‌های احیا مستقیم

احیا مستقیم به روش میدرکس (MIDREX)

فرآیند میدرکس یکی از پرکاربردترین روش‌های احیا مستقیم در جهان است. در این روش:

• گاز طبیعی به‌عنوان ماده اولیه به‌کار می‌رود.
• طی واکنش‌هایی، گاز احیاکننده تولید می‌شود که شامل هیدروژن و مونوکسید کربن است.
• این گازها در دمایی حدود 900 درجه سانتی‌گراد وارد راکتور احیا می‌شوند و اکسیژن سنگ آهن را از بین می‌برند.
• محصول نهایی، آهن اسفنجی با خلوص بالا است.

این روش به دلیل راندمان بالای تولید و کیفیت مناسب محصول نهایی، در بسیاری از کشورهای صنعتی به‌کار می‌رود.

احیا مستقیم به روش اچ‌وای‌ال (HYL)

روش اچ‌وای‌ال از نظر اصول فرآیندی مشابه روش میدرکس است، اما تفاوت‌های مهمی دارد:

• این فرآیند در فشار بالاتری نسبت به میدرکس انجام می‌شود.
• طراحی راکتور به گونه‌ای است که می‌تواند سرعت احیا را افزایش دهد و زمان فرآیند را کاهش دهد.
• گاز احیاکننده شامل هیدروژن و مونوکسید کربن نیز در این فرآیند به‌کار گرفته می‌شود و سنگ آهن به‌آرامی به آهن فلزی تبدیل می‌شود.

مزیت این روش، تولید آهن اسفنجی با مصرف انرژی بهینه و در مدت زمان کوتاه‌تر است.

احیا مستقیم به روش پرد (PERED)

فرآیند پرد یک فناوری بهینه‌سازی‌شده برای احیا مستقیم است که توسط متخصصان ایرانی توسعه یافته است. این روش با هدف کاهش مصرف انرژی و افزایش راندمان تولید طراحی شده است. ویژگی‌های مهم این فرآیند شامل موارد زیر است:

• بهینه‌سازی مصرف گاز طبیعی برای تولید گازهای احیاکننده.
• کاهش تلفات حرارتی و افزایش بهره‌وری انرژی.
• امکان تولید آهن اسفنجی با کیفیت بالا و خلوص مناسب.

این فناوری به‌عنوان یک دستاورد مهم در صنعت فولاد ایران شناخته می‌شود و در واحدهای احیا مستقیم داخلی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تاریخچه تولید آهن اسفنجی به روش احیا مستقیم

فرآیند احیا مستقیم به‌عنوان یکی از روش‌های مدرن تولید آهن، قدمت چندانی نسبت به روش‌های سنتی مانند کوره بلند ندارد. با این حال، ریشه‌های استفاده از احیای مستقیم سنگ آهن به دوران باستان برمی‌گردد؛ زمانی که انسان‌ها برای اولین بار آهن را از سنگ آهن استخراج کردند.

در دوران اولیه، کوره‌های کوچک چاهک‌شکل برای تولید آهن خام استفاده می‌شد. در این کوره‌ها، زغال چوب به‌عنوان منبع حرارتی و احیاکننده به‌کار می‌رفت و سنگ آهن در دمای پایین به آهن جامد تبدیل می‌شد. محصول نهایی که حاصل این فرآیند بود، شامل آهن خام متخلخل و مقداری ناخالصی بود. این فرآیند ابتدایی را می‌توان اولین نمونه احیای مستقیم دانست که هنوز به مرحله ذوب کامل نرسیده بود.

تحولات صنعتی و توسعه تولید آهن اسفنجی به روش احیا مستقیم

با پیشرفت فناوری و ظهور انقلاب صنعتی در قرن هجدهم و نوزدهم، روش‌های تولید آهن و فولاد به‌طور چشمگیری تغییر کرد. در این دوره، روش کوره بلند به‌عنوان روش غالب برای تولید آهن خام به‌کار گرفته شد. با اینکه کوره بلند راندمان بالاتری نسبت به روش‌های سنتی داشت، اما چالش‌های اساسی مانند مصرف بالای سوخت (زغال‌سنگ یا کک) و تولید زیاد گازهای گلخانه‌ای در آن وجود داشت.

در قرن بیستم و به‌خصوص پس از جنگ جهانی دوم، نیاز به روش‌های نوین تولید آهن با مصرف انرژی کمتر و آلایندگی کمتر افزایش یافت. این نیاز، منجر به توسعه روش‌های احیا مستقیم شد.

توسعه فناوری‌های مدرن تولید آهن اسفنجی به روش احیا مستقیم

اولین فناوری صنعتی احیا مستقیم در دهه 1950 و 1960 میلادی شکل گرفت. از جمله اولین تلاش‌های موفق می‌توان به فرآیند اچ‌وای‌ال (HYL) در مکزیک اشاره کرد که به‌عنوان پیشگام احیای مستقیم شناخته می‌شود.

سپس در دهه 1970، فناوری میدرکس (MIDREX) توسط یک شرکت آمریکایی معرفی شد. این فناوری با استفاده از گاز طبیعی به‌عنوان منبع احیاکننده توانست روشی اقتصادی و پایدار برای تولید آهن اسفنجی ارائه دهد. فناوری میدرکس به‌سرعت در سراسر جهان گسترش یافت و به یکی از پرکاربردترین روش‌های احیا مستقیم تبدیل شد.

در دهه‌های بعدی، با توجه به پیشرفت‌های علمی و صنعتی، روش‌های جدیدتر و بهینه‌تری مانند پرد (PERED) در ایران توسعه یافتند. این فناوری‌ها با هدف کاهش مصرف انرژی، افزایش بهره‌وری و کاهش آلایندگی محیط زیست طراحی شدند.

احیا مستقیم به‌عنوان یک روش پیشرفته برای تولید آهن اسفنجی، جایگاه ویژه‌ای در صنعت فولاد جهانی دارد. روش‌های مختلفی مانند میدرکس، اچ‌وای‌ال و پرد با هدف افزایش راندمان و کاهش مصرف انرژی طراحی شده‌اند. در کشورهایی مانند ایران که منابع گاز طبیعی در دسترس است، توسعه و به‌کارگیری این فناوری‌ها می‌تواند نقش مهمی در رشد و توسعه صنعت فولاد ایفا کند.