تولید آهن در قدیم با استفاده از برخی روش هایی صورت می گرفته است که امروزه بسیاری از ما شاید کمترین اطلاعی از آنها نداشته باشیم. با ماه همراه باشید تا با تولید آهن و نحوه آشنایی بشر اولیه با آهن را بررسی کنیم.
آهن در دوران باستان شناخته شده است. چون این فلز در بین فلزات از نظر تنوع کاربرد در زندگی، برای ساختن آلات و ابزار و ماشین آلات در دوره جدید، همواره در مقام اول قرار داشته است. مصالح آهنی و فولادی زیربنای واحد ها و تجهیزات تولیدی را تشکیل می‌دهند، و از طرف دیگر در نظر است راجع به آهن و فولاد در ایران و جهان مفصل‌تر بخش شود. لذا مناسب به نظر می‌رسد این فلز به طور جداگانه مورد بررسی قرار گیرد.
تاریخچه آشنایی انسان با آهن
آشنایی انسان با تولید آهن انسان یقینا به عصر حجر باز می گردد. پس از عصر حجر به عصر مفرغ که فلزات مس، نقره، طلا، قلع، سرب،جیوه، انواع مفرغ‌ها، برنج و آلیاژ هفت جوش تولید در ساختن آلات و ابزار به کار برده شدند، در هزاره دوم پیش از میلاد دوره آهن شروع شد. به این جهت آهن فلزی نسبتاً جوان است. بشر اولیه، آهن را مانند مس به صورت نسبتاً خالص از طریق سنگهای آسمانی می شناختند و در دسترس داشتند. مضافاً این که قابلیت های آن تقریباً مشابه مس بود و در دوران باستان به عنوان یک فرآورده جنبی در فرآیندهای تولید مس و سرب به دست می آمده است. لذا این سوال مطرح است که چرا اصولاً بشر نسبت به تولید این فلز تا این اندازه بی توجه بوده است.
این امر احتمالاً به دلیل این بوده که نیروی، لازم برای تغییر شکل آهن در دمای محیط، برعکس مس و سرب بالاست و باید آن را پیش از تغییر شکل گداخت. در آن زمان نگهداری آهن در حین شکل دادن کار ساده‌ای نبوده است. از طرف دیگر امکان تولید مفرغ و کاربرد آن برای ابزارهای مختلف و تامین نیازهای بشر برای ساختن مصالح محکم تر از مس، یا ممکن نبوده و یا احتمالا بشر در دوران طولانی مفرغ، به فکر ساختن آلیاژ و یا کشف فلز جدیدی نبوده است. همانطور که اشاره شد سنگهای آسمانی در دست بشر بوده و انسان دوران باستان آهن را از طریق آن سنگها می شناخته است. بزرگترین سنگ آسمانی شناخته شده در هوپا است که در آفریقای جنوبی قرار دارد.
ساخت اولین ابزار و زینت آلات آهنی
اولین ابزار آلات و زینت آلات آهنی ساخته شده، به احتمال قریب به یقین از سنگهای آسمانی بودند. این ادعا بر اساس تجزیه و تحلیل شیمیایی و مصالح آهنی به دست آمدند. گرچه در داخل یکی از قبرهای سومریان در شهر اور، واقع در جنوب بین النهرین یک تبر آهنی پیدا شده که متعلق به ۳ هزار سال پیش از میلاد، و در هرم خئوپس ابزار های آهنی پیدا شده که متعلق به ۲۷۰۰ سال پیش از میلاد هستند اما تا مدت ها پس از آن اشیا آهنی در هیچ یک از دوران های تمدن باستانی دیده نشده است.
مطالب مرتبط: تفاوت آهن و فولاد
تولید آهن خام در کوره های دمشی
در این بررسی امکان تجزیه و تحلیل پیشرفت ها و ابداعات و اختراعات در زمینه تولید آهن و در گذشته نمی باشد. کتاب ها و مقالات زیادی در این باره نوشته شده است اما تاکنون مقاله جامع و مستند و تاریخی که نشان دهد سیر تکاملی تکنولوژی تولید آهن به ویژه در ایران باشد منتشر نشده زیرا مولفین، هر یک قسمتی از فرآیندهای تولید آهن و فولاد را که بیشتر مورد توجه کشورهای صنعتی امروز بوده و مورد بررسی قرار دادند.لازم به ذکر است که در تاریخ، هنگام بررسی محل ابداع و نیز مسیر توسعه شناخت فن تولید آهن و فولاد، احتمال بروز اشتباه وجود دارد.
اصول اساسی احیای اکسید های آهن به وسیله کربن به عنوان ماده احیا کننده و گرمازا از ابتدا تاکنون تغییر نکرده است. تغییرات عمده در گسترش ابعاد تاسیسات، افزایش بازده واکنش ها، استفاده مناسب از مواد اولیه مورد نیاز و شناخت دقیق تر اصول نظری احیا،ذوب و پالایش آهن و فولاد بوده اند.
در دو دهه اخیر ۱۰ روش برای احیای کانال های آهن بر اساس کاربرد گاز طبیعی به عنوان عامل احیا کننده و گرمازا، ابداع شده که از . نظر اصول و تکنولوژی با روش سنتی، متفاوت هستند. در بخش های بدن روش ها اشاره خواهد شد.
نحوه احیای سنگ آهن و جداسازی آهن از ناخالصی ها
توجه داشته باشید به طور کلی به سه روش می توان سنگ آهن را احیا و آهن را از ناخالصی ها جدا کرد:
- احیای سنگ آهن در حالت جامد و جدا کردن ناخالصی های همراه آن به صورت مذاب
- احیای سنگ آهن تا جدا کردن ناخالصی های آن در حالت جامد
- احیا همزمان سنگ آهن و ناخالصی های همراه آن
در دوران باستان تولید آهن از طریق احیای سنگ آهن و تولید آهن اسفنجی در حالت جامد و در حرارت خیلی کمتر از درجه حرارت ذوب آهن خالص، امکان پذیر بوده است. زیرا در واحد های اولیه تولید آهن به احتمال قریب به یقین، ذوب آهن و ناخالصی های همراه آن ممکن نبوده است. در ابتدایی ترین مراحل تولید آهن، حذف اکسیژن پیوسته با آهن، عملیات حرارتی، مکانیکی و شیمیایی جهت حذف ناخالصی های سنگ آهن و بالاخره تغییر شکل آهن اسفنجی، برای تولید مصالح آهنی در حالت جامع و به روش های بسیار ابتدایی انجام می گرفته است. از قرن ها پیش، بشر اولیه می دانست چگونه سنگ آهن را به وسیله زغال چوب، احیا کند.
سیر تکاملی کوره‌های دمشی
همانطور که پیشتر اشاره شد، در دوران باستان در اثر احیای سنگ های آهن با زغال چوب در حالت جامد، نخست آهن خام همراه ناخالصی های سنگ آهن تولید می‌شده. این نوع آهن خام اسفنج مانند بوده و ناخالصی های این نوع آهن اسفنجی در فرآیند چکش کاری و آهنگری حذف می شده است.
آهن اسفنجی
به عنوان مثال این محصول حاوی مقداری کربن بوده و قابلیت چکش کاری کافی داشته و برای ساخت اسلحه و ابزار مورد لزوم بشر اولیه استفاده می شده است.
در تکامل کوره‌های دمشی شکل تجهیزات و توان آنها به مرور تغییر یافته است. در بخش های زیر ضمن تشریح مختصر شکل و توان کوره‌ها و تجهیزات لازم برای تامین هوای دم کوره ها و سایر موارد تجزیه و تحلیل می شود:
استفاده از فوتک در تامین هوای دم
آهن اسفنجی در دوران اولیه در کوره های ابتدایی تولید می‌شده است ساده ترین نوع کوره‌ها، گودال های حفر شده در زمین به قطر و ارتفاعی حدود یک متر بوده اند. دیواره داخلی این کوره ها با ضخامت حدود ۱۶ سانتیمتر از گل‌رس آستربندی می‌شده‌اند.
در این نوع کوره ها نخست چوب را آتش می‌زدند و سپس حدود چند کیلویی سنگ آهن را در آن می ریختند و هوا را به وسیله لوله هایی در آن می دهند این کوره های گودال مانند برای تولید آهن، در هلند، بلژیک سوئیس و نواحی مختلف آلمان کشف شدند.
چوب در فرایند تولید آهن اسفنجی در این کوره ها به عنوان:
عامل تامین کننده گرما، عامل احیا کننده کانه های آهن، و وسیله حفظ آهن اسفنجی از اکسایش، در مجاورت هوا به کار می رفته اند. ضمنا در این فرآیند مقداری از کربن زغالی در آهن اسفنجی در حالت جامد حل می شدند. هوای دم در این کوره ها نخست از طریق نی و یا فوتک و به وسیله دهان تزریق می شدند.
استفاده از دمهای دستی برای تامین هوای دم
با پیشرفت تجارب بشر هوای دم که نخست حتی از طریق فوت کردن به وسیله نیرو و یا فوتک در آتش انجام می گرفت، توسط دمهای دستی کوچک تامین شد. در برخی نقاط دم های اولیه به کیسه هایی شباهت داشته است که هوا از طریق آن کیسه ها تامین و در کوه ها دمیده می شده است. این کیسه های دم به کمک انرژی عضلات پا، هوای دم را تامین می کردند زمانی که با فشار پایه یکی از دم‌ها را در کوره تزریق میکردند دومی توسط ریسمانی برای ورود هوا به داخل کیسه آماده می شده است و سپس این دم ها هوا را به تناوب در کیسه می‌دمیدند.
در طول زمان با توسعه علوم به ویژه در رشته مکانیک، هوای دم و تجهیزات پیشرفته تری که از پوست حیوانات من جمله پوست بز ساخته شد و هوای دم با استفاده از دمهایی متشکل از استوانه و پیستون های چوبی بودند تامین می شد. با بالا و پایین بردن دسته های چوبی نصب شده بر روی کیسه پوستی به تناوب، دریچه های انتقال هوا با باز و بسته شده و به این ترتیب هوا از خارج به داخل دم و بازدم از طریق لوله به داخل کوره تزریق می شده است. این نوع آدم ها هنوز در آفریقا وجود دارد و مورد استفاده قرار می گیرد.
تولید و پالایش آهن اسفنجی در آهن پزی ها
همانطور که اشاره شد، اولین محصولات واحدهای تولید آهن در قدیم آهن اسفنجی بوده است. پس از اینکه آهن اسفنجی گداخته با ابعاد مناسب از کوره تخلیه می‌شد، جهت حذف ناخالصی های آن به دفعات دلخواه تحت عملیات حرارتی و آهنگری قرار می گرفته و در حین حذف قسمتی از ناخالصی ها مقداری از حفره های آن نیز مسدود می شدند. آهن اسفنجی با ناخالصی هایی از جمله فسفر، سیلیسیوم، منگنه و کربن پس از پالایش مکانیکی از قابلیت چکش‌کاری، شکل پذیری و جوشکاری کافی برخوردار می شد. لذا آهن اسفنجی با وزن حدود ۵ تا ۹ کیلوگرم برای مصرف آهنگری ها به بازار عرضه شده است.
تولید آهن به روش احیای مستقیم
فولاد سازی از طریق احیای مستقیم کانه‌های آهن، جذبه ابتدایی ترین روش های تولید آهن از سنگ آهن در حالت جامع بوده است. با توجه به محدودیت تکنولوژی در روش های ابتدایی، تولید آهن اسفنجی در سطح وسیع ممکن نبوده است. به‌ویژه اینکه کوره‌های دمشی به مرور زمان توسعه چشمگیری یافته و تولید آهن خام به روش احیای غیر مستقیم کانه‌های آهن در قرن نوزدهم میلادی در این کوره ها از نظر سرعت و بهره دهی هرچه بیشتر به کمال مطلوب نزدیک تر می‌شدند. لذا گذشته از روش های احیای کانه‌های آهن با زغال، روش های دیگر احیای مستقیم تا اواسط قرن نوزدهم میلادی مورد توجه نبودند. به همین دلیل آهن اسفنجی کم‌و‌بیش تولید می شد. به عنوان مثال احیای مستقیم به روش شامپلین در سال ۱۸۰۰ میلادی شروع شده است.
از آنجایی که مس از نظر الکتروشیمیایی مثبت تر از آهن است، لذا آهن اسفنجی برای بازیابی مس به کار می رفته است در سال ۱۸۵۹ میلادی گوساک، آهن را به روشهای احیای مستقیم برای تولید مس از محلول آن تولید می کرده است. و در همان سال بورناک و دبرپیون، آهن اسفنجی را برای بازیابی مس در حالت جامد به کار می بردند.
یکی از متداول‌ترین وسایل تولید آهن اسفنجی مخازنی محبوس از هوا بوده که با زغال و سولفور آهن (پیریت) و یا سنگ آهن تا ارتفاع حدود ۱۵ سانتی متر بار می شده و چندین مرتبه در حین احیا برگردانیده می‌شدند.
