فرآیند و روش‌های تولید آهن

تاریخچه روش‌های تولید آهن

تاریخچه روش‌های تولید آهن و فرآیند هایی که برای تولید این ماده با ارزش استفاده می شود، به چندین قرن پیش باز می گردد. بدون هیچ گونه بزرگ نمایی، ساخت آهن یک جهش بزرگ در تاریخ بشریت محسوب می شود. بسیاری از پیشرفت های بشر را می توان مدیون این فلز بسیار با ارزش دانست. فرآیند تولید آهن شامل چندین مرحله می شود. در روش‌های تولید آهن، سنگ معدن آهن را با استفاده از فرآیند های مذاب تبدیل به آهن می کنند. در مقاله حاضر قصد داریم تا به بررسی فرآیند و روش‌های تولید آهن بپردازیم. پس اگر شما هم علاقمند هستید تا در رابطه با این موضوع اطلاعات بیشتری به دست آورید، با ما همراه باشید.

آشنایی با روش‌های تولید آهن

اصلی ترین هدف در روش‌های تولید آهن، جدا کردن آهن ترکیب شده با اکسیژن از ساختار سنگ آهن است. در واقع آهن به صورت Fe2O3 با اکسیژن ترکیب شده است. در روش‌های تولید آهن با استفاده از فرآیند های مختلف، تلاش می شود تا آهن موجود در سنگ معدن را استخراج کرد. فرآیند ذوب سنگ معدن برای ساخت آهن، با استفاده از کوره بلند انجام می شود. البته به جز استفاده از کوره بلند، روش های احیا مستقیم نیز برای تولید آهن وجود دارد که البته استفاده از این روش ها بسیار محدود است. به گونه ای که کم تر از 5 درصد آهن از این طریق ساخته می شود. روش دیگری نیز برای تولید آهن از طریق واکنش های کاهش-ذوب وجود دارد که البته هنوز در مراحل تحقیقاتی قرار دارد و به صورت صنعتی از این روش ها استفاده نمی شود.

استفاده از کوره بلند برای تولید آهن

همان طور که گفته شد، یکی از روش‌های تولید آهن، استفاده از کوره بلند است. کوره بلند همان طور که از اسم آن مشخص است یک کوره با ارتفاع بسیار بلند و به صورت عمودی است که از یک پوسته فولادی با پوشش نسوز و گرافیت تشکیل شده است. ساختار کوره بلند از بخش های مختلفی تشکیل شده است. در قسمت پایین، یک کوره وجود دارد که در آن فلز به صورت مایع همراه با سرباره جمع می شود. هوا نیز از طریق لوله هایی به داخل کوره دمیده می شود. بالاترین قسمت کوره بلند نیز گلوگاه آن است. جنس آجر های نسوز مورد استفاده در کوره بلند معمولا از آلومینا است.

اصول کلی کار کوره بلند بدین صورت است که در آن سنگ آهن و کک از بالای آن وارد کوره می شوند. هوای دمیده شده به داخل کوره دما را تا 1350 درجه بالا می برد و گرمای لازم برای ذوب کردن آهن تامین می شود. پس از ذوب آهن، فرآیند احیا انجام می شود. با پایین رفتن سنگ آهن، دمای کوره افزایش می یابد. در قسمت پایین ذوب آهن و سرباره قرار می گیرد. در نهایت، سرباره از محصول نهایی جدا سازی می شود تا فرآیند تولید آهن تکمیل شود. آهن خام در نهایت در کوره بلند ساخته می شود.

روش ذوب و احیا برای تولید آهن

همان طور که گفته شد روش‌های تولید آهن به نسبت روش های محدودی هستند. با توجه به گران بودن کک و همچنین کمبود نسبی این ماده برای استفاده در کوره بلند، فرآیند های دیگری نیز برای تولید آهن استفاده می شود. یکی از این روش ها، روش ذوب و احیا آهن است. در روش ذوب و احیا، برای تولید آهن دو کار انجام می شود. در ابتدا سنگ آهن گرما داده می شود و سپس در مرحله دوم با استفاده از گازهای به دست آمده از زغال سنگ و اکسیژن احیا می شود.

همان طور که مشاهده کردید در مرحله اول ذوب نسبی اتفاق می افتد و در مرحله دوم احیا انجام می شود که دلیل نام گذاری این روش نیز انجام این دو مرحله است. در نهایت سنگ معدن احیا شده ذوب می شود تا آهن مایع تولید شود. مزیت این روش این است که به جای کک می توان از طیف وسیعی از زغال سنگ ها برای ساخت آهن استفاده نمود.

ریخته گری آهن

در ادامه بررسی فرآیند و روش‌های تولید آهن، می خواهیم به بررسی نحوه ریخته گری آهن بپردازیم. ریخته گری آهن می تواند با روش های مختلفی انجام شود. اما استفاده از قالب ماسه ای رایج ترین این روش هاست. برای این کار در ابتدا یک الگو به شکل مورد نیاز از چوب یا فلز یا پلاستیک ساخته می شود.

سپس در یک جعبه قالب گیری قرار داده می شود و روی آن ماسه ریخته می شود. ماسه ریخته شده کوبیده می شود تا سفت شود. پس از سفت شدن ماسه، الگوی قالب را از درون ماسه خارج می کنند تا بتوان قالب بعدی را با آن ایجاد کرد. این روش مزیت های زیادی دارد. از جمله اینکه تولید قالب ماسه ای به نسبت ساده است و می توان به راحتی آن را ایجاد نمود. با این وجود معایبی نیز دارد. من جمله اینکه آهن تولید شده توسط این روش شکل دقیقی ندارد که این ویژگی ضعف قالب های ماسه ای به شمار می رود.

برای کاربرد هایی که نیاز است تا شکل آهن دقیق ساخته شود، از قالب های چدن یا گرافیتی استفاده می شود. روش های مختلفی برای ریخته گری آهن وجود دارد. اما اصلی ترین روش تولید ریخته گری، مبتنی بر جاذبه است که آهن مذاب به صورت مستقیم درون قالب ریخته می شود تا سرد شود.

استفاده از پودر آهن

یکی دیگر از روش‌های تولید آهن، استفاده از پودر آهن است. در این روش پودر آهن که توسط خرد کردن یا آسیاب شدن آهن به دست آمده است، با استفاده از پرس فشرده می شود و می توان با آن قطعات آهنی کوچک درست کرد. پودر آهن فشرده شده در نهایت با استفاده از کوره، زینتر شده و به فلز آهن تبدیل می شود. دانسیته آهن ساخته شده به پارامتر هایی نظیر نیروی پرس مورد استفاده و یا دمای زینتر بستگی دارد.

همان طور که مشاهده کردید، روش‌های تولید آهن روش هایی محدود اما متنوع هستند که می توان با استفاده از آنها بسته به کاربرد مد نظر آهن را تولید نمود. با این وجود در مقیاس صنعتی، همچنان اصلی ترین روش تولید آهن استفاده از کوره بلند است که در اکثر کشور ها استفاده می شود.