فرآیند ذوب آهن

‌ذوب‌آهن (Ironworks) ساختمان یا مکانی است که در آن آهن ذوب می‌شود و محصولات آهن سنگین و فولاد ساخته می‌شوند. آهن، یکی از فراوان ترین عناصر روی زمین، برای هزاران سال نقش آهن در طول تاریخ بسیار پر رنگ بوده است. تطبیق پذیری و استحکام آن را به یک ماده حیاتی برای ساخت و ساز، ابزار و ماشین آلات تبدیل کرده است. فرآیند تبدیل سنگ آهن به آهن قابل استفاده، که به ذوب آهن معروف است، طی قرن ها تکامل یافته است.

ذوب آهن از زمانی که کوره بلند جایگزین روش‌های قبلی شد به عنوان نسل بعدی کوره آهن خالص شناخته می‌شود. یک ذوب آهن یکپارچه در قرن نوزدهم معمولاً شامل یک یا چندین کوره دمنده و تعدادی کوره ذوب یا کارخانه ذوب همراه می‌شد. پس از اختراع فرایند بسمر، فرایندهای تبدیل رایج شدند و ظهور کارخانه فولاد جایگزین ذوب‌آهن شد.

ذوب آهن

فرآیند ذوب آهن به طور خلاصه

تاریخچه

انسان اولیه معلوم نیست چگونه و از کجا سنگ آهن را کشف ، ذوب و فلز آهن را بدست آورده‌است. اما از شواهد امر پیداست که از 2400 سال پیش و شاید هم بیشتر ، انسان‌های اولیه آهن را شناخته اند. بنظر می‌رسد ابتدا شهاب‌های ثابت آسمانی که حاوی آهن و نیکل است، مورد استفاده انسان‌های اولیه قرار گرفته‌باشد و اطلاق سنگ و فلز آسمانی به آهن توسط انسان‌های اولیه به همین دلیل باشد. سنگ آهن بعدها شناخته شد.

دید کلی

آهن عنصری است با حرف اتمی Fe، وزن اتمی56 ، چهارمین عنصر موجود در پوسته زمین از نظر فراوانی و میزان آن در پوسته زمین در حدود 5% می‌باشد. سنگ‌هایی‌که بیشتر از 20% آهن داشته باشند سنگ معدنی آهن نامیده می‌شوند.

استخراج فلز آهن از سنگ آهن با یک عمل شیمیایی انجام می‌گیرد، باین معنی که سنگ‌های اکسیدی آهن بوسیله کربن ، احیا و عنصر آهن آزاد می‌شود. قرن‌ها زغال چوب به عنوان احیا کننده استفاده می‌شد، ولی از سال 1907، که نقطه عطفی در کار ذوب آهن پدید آمده، کک جای آنرا گرفت که بعنوان مهمترین سوخت کوره بلند نیز بکار می‌رود.

برای ایجاد یک تن آهن خام ، حدود 3-5 تن سنگ آهن، 1000-900 کیلوگرم کک و 6-5 تن هوا لازم است و سنگ آهک نیز بعنوان ماده گدازآور در کوره بلند بکار می‌رود. در ابتدا ذوب آهن در کوره‌های اولیه انجام می‌گرفت و ارتفاع کوره نیز ، حداکثر به 10 متر می‌رسید. این کوره‌ها از سنگ یا آجر ساخته می‌شدند و از هوای دم برای جریان هوا استفاده می‌شد.

ولی امروزه با اختراع ماشین و وارد کردن هوای تحت فشار به کوره، ارتفاع و قطر کوره افزایش یافته و کوره‌های بلند جدید از ورقه‌های آهنی که روی ستون‌هایی استوار گردیده و ارتفاع بدنه کوره به حدود 30متر می‌رسد، ساخته شده‌است. بدین ترتیب ، پیشرفت صنعت و احتیاج روز افزون بشر به نوع بهتر آهن ، کوره‌های بلند جدید را بوجود آورده‌است.

سنگ‌های معدنی آهن

سنگ‌های معدنی آهن ، که می‌توان از آنها با صرفه اقتصادی استخراج کرد، باید بیش از 20 درصد آهن داشته باشد. با ارزش ترین سنگ‌های معدنی، سنگ آهن مغناطیسی یا مگنتیت (Fe3O4) و هماتیت (Fe2O3) می‌باشند که مقدار آهن در آنها تا 70% می‌باشد. بقیه عبارتند از:

  1. لیمونیت (Fe2O3,3H2O)
  2. اسپانیک (FeCO3)
  3. پیریت (Fe2S)
  4. ایلمینت (FeTiO3) و غیره.
سنگ‌های معدنی آهن

مقادیر عمده‌ای از سنگ‌های معدنی به‌همان شکلی که از معدن استخراج شده‌اند، در کوره‌ها بکار برده می‌شوند، ولی بسیاری از سنگ‌های معدنی را، برای اینکه آسان‌تر در کوره‌ها ذوب شوند، قبلا آرایش کرده و آماده می‌سازند.

مراحل مختلف آرایش سنگ‌های معدنی عبارتند از:

  • خرد کردن سنگ‌های معدنی
  • دانه‌بندی سنگ‌های معدنی
  • پر عیار کردن سنگ‌های معدنی
  • گرفتن آب مواد معدنی
  • تکلیس
  • اگلومراسیون
  • مخلوط کردن مواد معدنی.

سوخت کوره

سوخت‌ها، در کوره بلند، دو عمل را انجام می‌دهند:

  1. عمل ایجاد گرما
  2. عمل احیا کنندگی

که به دو دسته عمده طبیعی و مصنوعی تقسیم می‌شوند. بعضی از سوخت‌های طبیعی از قبیل زغال سنگ آنتراسیت و زغال سنگ قیری و لینیت، بیشتر جنبه تاریخی دارند تا جنبه اقتصادی و از سوخت‌های مصنوعی که زغال چوب و کک می‌باشند، کک اهمیت زیادی داشته و در اکثر کارخانه‌ها بکار می‌رود.

مزایای کک عبارت از تخلخل، سختی، فراوانی، قابلیت احتراق بیشتر و ارزانی آن می‌باشد. برای تهیه کک باید چند نوع زغال سنگ را که مواد فرار موجود در آنها متفاوت می‌باشد، با یکدیگر مخلوط و در کوره‌های مخصوص به کک تبدیل نمود. این عمل را کربنیزاسیون می‌نامند. ترکیب شیمیایی کک عبارت است از 94-85% کربن و بقیه شامل مواد فرار، خاکستر، گوگرد و رطوبت می‌باشد.

هوای لازم برای احتراق و ایجاد حرارت

برای به دست آوردن یک تن آهن خام، حدود 6-5 تن هوا لازم است که این هوا از مخلوط دو گاز اکسیژن و ازت به نسبت 1و 4 تشکیل می‌شود. در کوره‌های بلند جدید، هوا بوسیله کمپرسورهای توربینی به داخل کوره دمیده می‌شوند. این توربین‌ها با بخار یا برق کار کرده و فشار دم بیشتر و یکنواختی تولید می‌کنند. همچنین جهت تهیه هوای دم بعضی از کوره‌های بلند‌، کمپرسورهای گازی بکار برده‌می‌شود.

در این ماشین‌ها، گاز کوره‌های بلند همراه با هوا وارد ماشین شده و پس از متراکم شدن توسط جرقه الکتریکی آتش زده می‌شود و فشار حاصله باعث حرکت موتورکمپرسور می‌گردد.

مواد گداز آور

بعد از سنگ آهن و سوخت، مواد گداز آور مهمترین ماده تشکیل دهنده بار کوره بلند می‌باشد. این مواد دو کار انجام می‌دهند:

  • ذوب کردن ناخالصی‌های موجود در سنگ آهن که نقطه ذوب آنها بالاتر از درجه حرارت معمولی کوره است.
  • بعضی از عناصر که همزمان با سنگ آهن احیا می‌شود یا در آهن حل و یا با آن ترکیب شده و جدا کردن آن ممکن نمی‌گردد، مواد گداز آور با این ناخالصی‌ها ، قبل از ترکیب با آهن ، ترکیب می‌گردند. نوع مواد گداز آور بستگی به ترکیب مواد متشکله بار کوره دارد.
  • در صورتیکه سنگ آهن، آهکی (قلیایی) باشد، ماده گداز آور باید اسیدی (مثل SiO2 سیلیس) باشد.
  • در صورتیکه سنگ آهن، سیلیسی (اسیدی) باشد، ماده گداز آور باید قلیایی (مثل سنگ آهک، دولومیت و سنگهای فسفاته) باشد.
  • در مواردیکه بخواهند سرباره خیلی سیال باشد، از مواد گدازآور خنثی از جمله فلوراسپار که دارای نقطه ذوب پایینی می‌باشند، استفاده می‌شود.

سرباره کوره بلند

سرباره، عبارتست از ماده مذابی که بر اثر فعل و انفعال بین مواد گداز، سنگ آهن، سوخت و ناخالصی‌های اکسید موجود در فلز بوجود می‌آید و در اثر این فعل انفعالات، ناخالصی‌هایی که نباید در چدن وجود داشته باشد، از آهن خام جدا می‌شود.
مواد متشکله اصلی سرباره عبارت است از: MgO , Al2O3 , SiO2 , CaO که جمعا 90 درصد سرباره را تشکیل می‌دهند. 10 درصد بقیه عبارتند از: CaS , MnS, MnO , FeO و غیره.

موارد کاربرد سرباره

سرباره برحسب ترکیب شیمیایی، خواص فیزیکی و نحوه سرد کردن آن، موارد کاربرد مختلفی پیدا می‌کند. سرباره را به سه شکل سرد می‌کنند و بر حسب نحوه سرد کردن به سه شکل در می‌آید:

  • سرباره سرد شده با هوا، خرد و غربال شده و جهت مصارف زیر بکار می‌رود: بلوک‌های ستونی توخالی، زیرسازی جاده، ماسه شیشه‌ای جهت ساختن سرامیک، زه‌کشی فاضلاب، آسفالت بیندر و غیره.
  • سرباره دانه دانه شده با آب، جهت موارد زیر بکار برده می‌شود: سیمان، عایق‌کاری، زیرسازی جاده، مصالح بتون، بلوک‌های ساختمانی خاکریزی راه آهن و سایر خاکریزی‌ها و غیره.
  • سرباره سبک، موارد کاربرد آن به قرار زیر است: مصالح ساختمانی بتونی، مصالح ضد حریق، فرش کف‌ها، محصولات ساختمانی بصورت قطعات پیش‌ساخته بتونی از جمله تیورستون و غیره، آجر، کاشی‌های عایق صدا، دیوارهای تیغه‌ای.

فعل و انفعالات شیمیایی کوره بلند

در کوره بلند، عمل احیا، بین دو ستون که در دو جهت مخالف یکدیگر در حرکت‌اند، صورت می‌گیرد. ستون گازهای متصاعده و ستون بار کوره. بتدریج که مواد اولیه از بالای کوره بارگیری پایین می‌آید گرم و احیا می‌شود، بطوریکه ، موقعیکه به منطقه شکم کوره می‌رسد، سنگ‌های آهن احیا شده و یک قسمت از سرباره تشکیل شده، به حالت مذاب در می‌آید.

احیا سنگ آهن توسط اکسیدکربن ، در دمای 200 درجه سانتیگراد شروع و با افزایش درجه حرارت ، عمل احیا تسریع می‌گردد. مراحل احیا شدن Fe2O3 بترتیب زیر است:

Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe
و فعل و انفعالات مربوط بقرار زیر است:
3Fe2O3+CO↔2Fe3O4+CO2
Fe3O4+CO↔3FeO+CO2
Fe+CO↔Fe+CO2

هوا جهت احتراق کک از لوله‌های دم که در بالای بوته قرار دارد، وارد کوره می‌گردد. به محض تماس کک و هوا، احتراق صورت می‌گیرد و اکسیدکربن بدست می‌آید:

گرما+ C+O2→CO2+C→2CO

هیدروژن ، از تجزیه بخار آب موجود در هوای دم بر اثر کک طبق فرمول زیر حاصل می‌شود:

C+H2O→CO+H2

ازت موجود در گاز کوره ، عملا غیر فعال بوده و فقط به مقدار کمی با کربن داغ ترکیب و تولید گاز سیانوژن می‌کند:

C+N→CN

گاز ازت با هیدروژن ترکیب می‌شود و تولید آمونیاک می‌کند:

2N+3H2→2NH3

مواد مذاب حاصل شامل آهن خام و سرباره می‌باشند که به سمت بوته کوره که قسمت تحتانی استوانه است جاری می‌شوند و بعلت وزن مخصوص متفاوت آهن و سرباره این دو از یکدیگر جدا می‌شوند و آهن توسط شیر تخلیه تحتانی و سرباره توسط شیر تخلیه فوقانی از انتهای کوره بلند تخلیه می‌شوند.

مقداری از گوگرد ، فسفر ، منگنز و سیلیس موجود در سنگ معدنی که بصورت اکسید و ناخالصی بوده‌اند، به همراه آهن از کوره خارج می‌شوند. بدین ترتیب، فرایند تولید آهن خام و فلز کوره بلند از “ذوب آهن” اصطلاح می‌کنیم که 90% آهن‌خام تولیدشده، شامل آهن (Fe) و بقیه عناصری از قبیل C , P , Mn, Si می‌باشد.

فراورده‌های تولید شده از آهن خام

چدن

هرگاه آهن خام را گداخته و در قالب‌هایی از ماسه یا فلز ریخته و سرد کنیم، چدن بدست می‌آید. در تبدیل آهن خام به چدن ، تصفیه دقیق و مخصوصی صورت نمی‌گیرد.

چدن چکش خوار

در صورتیکه روی چدن عملیاتی از قبیل اضافه کردن منیزیم و سیلیکات آهن، بلوری شدن کربن و تبدیل به گره‌های گرافیت انجام گیرد، چدن چکش خوار بدست می‌آید که نسبت به چدن نرمتر بوده و مقاومت کششی بالا و مورد استفاده بیشتری دارد.

چدن سفید

کربن این چدن ، بصورت بلور سمانتیت (کربید آهن Fe3C) می‌باشد که از سرد شدن مذاب حاصل می‌شود. این ماده را می‌توان نرم کرد تا درجه شکنندگی آن کاهش یابد.

انواع چدن

آهن کارشده

هرگاه آهن‌خام را ذوب کرده و بگذاریم بصورت اسفنجی شکل درآید، آهن کارشده بدست می‌آید. ضمن آنکه ناخالصی‌های آن‌را از قبیل سیلیسیم، منگنز و کربن راهم بشکلی تصفیه می‌کنیم.

آهن کار شده

فولاد

آلیاژی است از آهن (چدن سفید) و کربن و سایر عناصر که از تصفیه دقیق آهن خام ضمن اختلاط با آهن قراضه بدست می‌آید.

فولاد

آهن قراضه

به قراضه‌های فولاد، آهن قراضه اطلاق می‌شود.

کارخانه ذوب آهن ایران

نخستین کارخانه ذوب آهن ایران مربوط به رضا شاه پهلوی است که اکنون در کرج، میدان استاندارد واقع شده و این اثر در تاریخ ۳ خرداد ۱۳۸۶ با شمارهٔ ثبت ۱۹۱۷۱ به‌عنوان یکی از آثار ملی ایران به ثبت رسیده‌است.

بر کاشی‌کاری سردر این کارخانه تاریخ تأسیس ۱۳۲۹ به نام لوله پولیکا به مساحت ۲۸هزار مترمربع ثبت شده‌است.

مقالات

تامین قطعات نیروگاهی

FacebookXPinterestRedditDeliciousLinkedinWhatsappTelegramEmail

دیگر مقالات سایت

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *