تبلیغات
گروه شیمی منطقه ۱۹تهران - آهن
شنبه دوم خردادماه سال 1394

آهن

   نوشته شده توسط: همكاران گروه شیمی منطقه 19    

آهن(Fe): آهن به عنوان یک عنصر شیمیایی،در طبیعت به ندرت به صورت خالص یافت می شود.این عنصر بعد از آلومینیم فراوانترین عنصر است وحدود 5 درصد از قشر جامد کره زمین را تشکیل می دهد.آهن اغلب به صورت اکسید در معادن وجود دارد ولی به صورت کربنات،سیلیکات وسولفید آهن نیز در طبیعت یافت می شود.آهن خالص بعلت نرم بودن ونداشتن استحکام کافی در صنایع مورد استفاده ندارد و معمولاً آن را همراه با عناصر دیگر مانند غیر فلزات (کربن،گوگرد،فسفر،سیلیسیم) و در بعضی موارد با فلزات (کرم، نیکل،وانادیم،مولبیدن و...)به صورت آلیاژ به کار می برند که به نام های اصلی فولاد و چدن  نامیده می شوند.

فولاد و چدن:

فولاد وچدن آلیاژهایی هستند از آهن وکربن که عناصر دیگری نیز به همراه دارند در این میان کربن نقش مهمی دارد ومقدار آن تعیین کننده قسمت اعظم خصوصیات آنها( قابلیت کوره کاری،آبکاری،ریخته گری،نقطه ذوب و...) است.اگر مقدار کربن از 2.06 کمتر باشد محصول فولاد نامیده می شود.واگر از 2.06 تا 6.67 در صد باشد آن را چدن میگویند.البته برخی فولاد های آلیاژی یافت می شودتا 2.2 در صد کربن دارد.

تهیه آهن با روش احیای غیر مستقیم: در این روش سنگ آهن را پس از آماده کردن،در کوره بلند به کمک کک و کلوخه و آهک احیا و تصفیه می کنند.

سنگ آهن: سنگ معدن آهن ازقسمت های اصلی سنگ( اکسید های آهن) ومواد زائدوناخالصی های مختلف تشکیل شده است. ناخالصی هایی که همراه سنگ معدن آهن وجود دارند عبارتند از (اکسید سیلیسیم،مخلوط گل رس ودر بعضی مواردکربنات کلسیم،کلسیم،گوگرد،منگنز،ترکیبات فسفر و...) تشکیل شده است.سنگ آهن هایی که در طبیعت یافت می شوند انواع مختلفی دارند که در جدول 1  نام و خوصوصیات پرمصرفترین آن رامشاهده می کنید.ارزش سنگ معدن آهن به درصد وترکیبات دیگر آن ، مقدار ذخیره وموقعیت محلی بستگی دارد. سنگ آهن مصرفی کارخانه ذوب آهن اصفهان  مخلوطی از سنگ های معدن مگنتیت و هماتیت است که از مرغوب ترین نوع سنگ های آهن به حساب می آید.  قسمت اعظم سنگ آهنی که برای تصفیه در این کارخانه مورد استفاده قرار می گیرد  از معادن چغارت واقع در 14 کیلومتری شمال شرقی بافق یزد استخراج می شود.   




آماده کردن سنگ آهن: هرگاه سنگ آهن استخراج شده از معدن را مستقیماَ وارد کوره کنیم، در کار ذوب و تصفیه ایجاد اختلات فراوانی می کند واز نظر اقتصادی نیز مقرون به صرفه نیست. مثلاََ قطعات بزرگ سنگ معدن دیرتر ذوب می شود و عمل تصفیه را به تاخیره می اندازند؛ همچنین خا که ها و پودر ها نیز مسیر گاز های گرم را در کوره مسدودمی کنند و مانع ذوب وتصفیه در سطوح بالاتر کوره می شود. از طرف دیگر مواد اضافی موجود در سنگ آهن ، علاو بر تقلیل مرغو بیت آهن خام ، با عث ایجاد صدمه به لایه نسوز کوره نیز می شود . بنابر این لازم است که سنگ معدن را قبل از ورود به کوره آماده کنند .آماده کردن سنگ معدن در چند مرحله انجام می گیرد که عبارتند از غربال کردن ، خرد کردن  تغلیظ وپر عیار کردن.

سوخت کوره بلند: درکوره بلند،برای ذوب و تصفیه،نیاز به سوختی است که علاوه بر تامین حرارت لازم،بتواند کربن مورد نیاز برای احیاء اکسید آهنرانیز دراختیار بگذارد. این سوخت می باید ارزش حرارتی زیادی داشته باشد و در ضمن سوختن به هم نچسبد وبرای اینکه بتواند گاز هارا از بین خود عبور دهد و عمل احتراق را تسهیل کند ، بهتر است که متخلخل نیز باشد . برای این منظور از کک استفاده می کنند که علاو بر مزایای فوق استحکام زیادی دارد و خاکستر کمی نیز (کمتر از 11درصد) از خود به جای می گذارد. کک مصرفی  کارخانه ذوب آهن ایران مرغوب چندانی نداشته و 1 درصد گوگرد ،3درصد رطوبت ،15 درصد خاکستر وفقط 81 درصد کربن دارد.زغال سنگ مصرفی برای تهیه کک از معادن سنگرود ، زیر آب ،شاهرود وکرمان استخراج و به وسیله قطار به اصفهان حمل می شود.

سیا له ها ومواد گدازآور: مواد سیاله وگدازآور، موادی هستند که در کوره به جریان ذوب کمک وجدا کردن  ناخالصی ها از فلز مذاب را آسان می کنند . برای این منظور از آهک استفاده می شود. آهک با ناخالصی های موجود در سنگ آهن(سلیسیم، منگنز،گوگرد) ترکیب شده وآن ها را به صورت سرباره به سطح مذاب می راند. سنگ آهک کارخانه اصفهان از پیر بکران اصفهان و کوارتزیت ازمنگستانه یزد تامین می گردد.

کوره بلند: معمولاَََََ برای احیاء و تصفیه سنگ آهن از کوره بلند استفاده می شود. این کوره از دو مخروط ناقص تشکیل شده است که در قاعده بزرگ با هم مشترکند. جدار خارجی کوره را از صفحات فولادی درست می کنند وقسمت داخلی آن را با لایه ای از مواد نسوز می پوشانند. برای خنک کردن، معمولاً از جریان آبی که در بین دیواره کوره وجود دارد استفاده می شود. کوره های بلند را به ارتفاع   30 تا 80   متر می سازندودر بزرگترین قسمت، قطری از   10تا 14 متر دارند.

قسمت تحتانی کوره، استوانه ای شکل وبه بوته معروف است ؛ در این محل مواد مذاب و سرباره جمع می شود. بوته معمولاً دارای دو محل خروج است که یکی در بالا، برای خروج سرباره ودیگری در قسمت پایین ، برای خروج آهن خام مذاب در نظر گرفته شده است. در پیرامون قسمت بالای بوته ،شیپورک هایی وجود دارند که از آن ها هوای گرم (حدود  800 تا 1200   درجه سانتی گراد) مورد نیاز برای احتراق کک ، به داخل کوره دمیده می شود.مخروط ناقصی که در بالی بوته قرار دارد شکم کوره نام دارد وبه منطقه ذوب نیز معروف است.

مخروط فوقانی کوره رابرای بارگیری در نظر می گیرند . در بالای این قسمت دهانه قیفی شکلی قراردارد که هنگام ریختن مواد بداخل کوره، دَرِ آن باز می شود وپس از تکمیل بار کوره، مجدداً مسدود می گردد.در کنار کوره بلند ، بالابر مایلی قرار دارد که از آن برای بالا بردن واگن های مخصوص حمل مواد کمک گرفته می شود.

هرکوره بلند معمولاً  4 واحد هوا گرم کن به ضمیمه دارد که متناوباً برای گرم کردن هوای ورودی کوره ، مورد استفاده قرار می گیرد. خود این گرم کن ها را نیز به وسیله گاز های قابل اشتعالی که از کوره بلند متصاعد می شوند و یا گاز کک سازی می توان گرم کرد. از آنجا که همرا ه گاز خروجی از کوره بلند ،گرد وغبار وذرات ریز سنگ آهن، کک ویا آهک وجود دارد،می باید ابتدا ذرات را به وسیله جدا کننده هایی از یکدیگر تفکیک شده را معمولاً برای استفاده مجدد به قسمت کلوخ سازی می برند و از گاز باقیمانده که حاوی مقدارزیادی منو اکسید کربن می باشد ،برای مصارف حرارتی استفاده می کنند.

بار کردن کوره بلند:

پس از آماده کردن سنگ آهن ، کلوخه، کک و آهک، آن ها را با نسبت های معینی، به صورت لایه لایه از بالا ی کوره به داخل آن می ریزند. وجود پخش کن مخروطی شکلی که در زیر قیف وجود دارد با عث می شود که مواد به صورت یکنواخت در داخل کوره پخش شوند ودر آن انباشته نشوند. البته  کوره های بلندی نیز یافت می شوند که در آن ها فقط از کلوخه هایی که قبلاً با کک و آهک و سایر مواد سیاله با نسبت های معینی مخلوط شده اند، به همراه کک اضافی ، استفاده می شود. نسبت هر یک از مواد ریخته شده در کوره بلند به نوع وجنس سنگ آهن ، کلوخ ومواد سیاله وگداز آور بستگی دارد. به عنوان مثال در کارخانه ذوب آهن اصفهان  برای تولید  یک تن آهن خام،599 کیلو گرم سنگ آهن، 1082 کیلو گرم کلوخ ،2/12 کیلو گرم آهک و مواد گدازآور و 459 کیلو گرم کک،به داخل کوره ریخته و در هر دقیقه  به طور متوسط 1600 متر مکعب هوا مورد نیاز است . به طوریکه ملا حظه می شود حدود نصف محصول خام ، به صورت کلوخه در کوره ریخته می شود که از مزایای کارخانه است.

 فعل و انفعا لات داخل کو ره بلند:

 عملیات ذوب و تصفیه سنگ آهن در داخل کوره بلند درچهار منطقه به شرح زیر انجام می گیرد:

1- منطقه خشک کردن : این منطقه که در قسمت بالا ی کوره قرار دارد منطقه ای است که درجه حرارت آن تقریباً 300 در جه سانتی گراد است .در این منطقه عبور گاز های گرم باعث افزایش درجه حرارت مواد ریخته شده به داخل کوره می شود و رطوبت آن ها را نیز تبخیر می کند.

2- منطقه احیاء(احیای غیر مستقیم): در این منطقه با افزایش درجه حرارت ،کک و مواد سیاله و گدازآور شروع به تأثیر می کند وگاز منواکسید کربن (co) متصاعد شده از طریق احتراق ناقص کک، بر روی اکسید آهن اثر و آن را در چند مرحله احیاء می کند.

                      

3- منطقه کربنیزه شدن: دراین  منطقه که درجه حرارت آن حدود 1000 درجه سانتی گراد است ،آهن خالصی که از احیای سنگ آهن حاصل شده  است، ضمن فرود به سمت پایین کوره ، با کک گداخته بر خورد می کند و با کربن موجود در آن ترکیب می شود .

 

باید توجه داشت که در این مرحله سیلیسیم ، گوگرد ، منگنز و فسفر نیز به همراه C 3 Fe به سمت پایین حرکت می کنند؛ که بخشی از آن با C 3Fe آلیاژ می شود.

4- منطقه ذوب (احیای مستقیم): در این مرحله ترکیبات ذوب شده به سمت پایین حرکت می کنند؛ وچون تمام اکسید آهن(FeO) در قسمت های بالا فرصت کافی برای احیاء شدن را پیدا نمی کنند؛ باقیمانده آن ها در این مرحله، به وسیله ی کربن جامد احیاء می شوند. این عمل در درجه حرارت بین 1200تا1400 درجه سانتی گراد انجام می گیرد. شکل 2 فعل و انفعالات داخل کوره بلند را نشان می دهد.

 

پس از مناطق گفته شده، بوته قرار دارد که مواد مذاب در آن جمع می شود و مضا فات آن، به علت داشتن وزن مخصوص کمتر، به صورت سرباره در بالا ی آن قرار  می گیرد.

حال می توان سرباره را از محل خروجی که در قسمت بالی بوته قرار دارد خارج کرد وسپس از سوراخ زیر بوته، مواد مذاب را که آهن خام نامیده می شود خارج نمود. عمل تخلیه آهن خام رادر هر 4تا5 ساعت یکبار انجام می دهند و به همان نسبت بار کوره را از بالا به آن اضافه می کنند به این ترتیب کار کوره بلند مداوم است ودر تمام 24 ساعت شبانه روز عملیات فوق در آن انجام می گیرد.

محصولات کوره بلند:

محصولات اصلی کوره بلند را آهن خام می نامند . آهن خام دارای 3تا4 در صد کربن و نقطه ذوب آن در حدود 1300 درجه سانتی گراد  است . این محصول را به دلیل شکنندگی زیاد وناخالصی های فراوان ،نمی توان در صنعت مورد استفاده قرار داد.با تنظیم درجه حرارت کوره بلند و کنترل مقدار سیلیسیم و منگنز موجود در آن می توان دو نوع آهن خام به دست آورد که به نام های آن خام سفید و آهن خام خاکستری معروفند.

آهن خام سفید: آهن خام سفید دارای 3.5 تا4 درصد کربن، 1/0 تا2/0 درصد سلیسیم ،   0.1 تا 4 درصدمنگنز ،0.04 درصد گوگرد و0.3 درصدفسفر است.

در این محصول منگنز نقش عمده ای را بازی می کند و باعث می شود که آهن با کربن، به صورت کاربید آهن (C 3Fe) در آن با قی بماند . به دلیل وجود کاربید آهن ومنگنز،مقطع شکسته آن رنگ سفید ودرخشان دارد.آهن خام سفید را پس از خروج از کوره بلند به داخل مخلوط کننده هایی که وظیفه همگن کردن آهن خام را به عهده دارند می ریزند و سپس آن رابه صورت مذاب و یا سرد شده  به شکل بلوک، برای تهبه انواع فولاد وچدن های مخصوص به کارگاههای فولادسازی حمل می کنند.شکل  3 مقطع شکسته آهن خام سفید را نشان می دهد.

آهن خام خاکستری: این محصول دارای 3.5 تا 4 درصد کربن،1.5 تا 3 درصدسیلیسیم،1 درصدمنگنز ،0.3 تا 2 درصدفسفر و 0.06 درصد گوگرد است.وجود سیلیسیم زیاد در آهن خام خاکستری باعث می شود در هنگام سرد شدن کربن از کاربید آهن(C 3Fe) جدا و به صورت گرافیت مطبق در محصول ظاهر شود. آهن خام خاکستری شکننده است و مقطع شکسته آن رنگ خاکستری دارد. (شکل 4- الف) شکسته آهن خام خاکستری را نشان می دهداز آهن خام خاکستری به دلیل  قابلیت خوب ریخته گری،برای تهیه انواع چدن ها اسفاده می کنند.آهن خام خاکستری مذاب را پس از خروج از کوره ذوب آهن، به داخل حوضچه های هدایت می کنند که در کف کارگاه واز ماسه ساخته شدهان. پس از سرد شدن، آهن خام به صورت شمش هایی با مقطع ذوزنقه شکل در می آید که آن ها را اصطلاحاً «ماسل» گویند.از کوره بلند به جز آهن خام ، محصولات فرعی دیگری نیز به صورت سرباره و گاز به دست می آید.

سرباره: از ذوب اکسید ناخالصی ها ومواد گدازآور و خاکستر کک، سرباره تشکیل می شود .معمولاً حجم سرباره ای که از کوره بلند به دست می آید سه برابر حجم آهن خام تولیدی است . از سرباره برای تهیه آجرهای نسوز، سیمان، عایق حرارتی(شبیه پشم شیشه) ، کود شیمیایی وزیرسازی جاده ها استفاده می کنند.

گاز کوره بلند: این گاز مخلوطی از گاز های مخطلف مانند دی اکسید کربن ، منواسید کربن، متان، هیدوژن وازت است که در هنگام خروج از کوره بلند ، ذرات معلقی نیز به همراه دارد.

گازخروجی از کوره بلند را پس از عبور دادن از غبار گیر وبرج شستشو دهنده وفیلتر های الکترو استا تیکی برای مصارف حرارتی مانند گرم کردن هوا گرم کن های کوره بلند، کک سازی، کلوخه سازی، توربین های گازی ، دیگ بخار ومنازل به کار می برند. 

تولیدآهن خام با روش احیای مستقیم:

در سال های اخیر برای ذوب وتصفیه سنگ آهن از کوره های مخصوصی استفاده می کنند که در آن عمل احیا به صورت مستقیم انجام می شود. روش ها یی که برای این منظور مورد بهره برداری قرار می گیرند متنوع اند و در آن ها ممکن است که از سوخت های جامد (کک) و یا گازی استفاده شود استفاده از روش احیای مستقیم با گاز ،در کشور هایی که دارای منابع گازطبیعی هستند باعث می شودکه بتوان با سرعت بیشتروهزینه کمترسنگ آهن را به آهن خام تبدیل کرد.اتوماتیک کردن وکنترل تاسیسات آن به مراتب ساده تر از کوره بلند است.در این روش احیای سنگ آهن بدون ذوب ا نجام می شود وآهن خامی که از این نوع کوره ها  به دست آمده آهن اسفنجی نام دارد؛ که 92 تا 96 درصد آهن خالص داردواز آن در کوره های الکتریکی برای تهیه فولاد استفاده می کنند.تولید آهن اسفنجی هم اکنون در شرکت فولاد مبارکه اصفهان صورت می گیرد.

 منبع