آهن فلزی است که از هزاران سال پیش مورد استفاده بشر بوده است. اما این فلز ارزشمند و حیاتی به صورت خام در طبیعت یافت نمی‌شود و نیاز است مجموعه‌ای از عملیات و فرآیندها روی آن صورت گیرد تا به حالت قابل استفاده در صنعت تبدیل شود.

برای انجام این کار دو روش تولید آهن مرسوم در تمام دنیا وجود دارد که هرکدام شامل گام‌های متعدد و پیچیده‌ای هستند. سعی شده این گامها و این فرآیندها به سادگی در این مقاله تشریح شوند همچنین فولاد، آهن و چدن با یکدیگر تفاوت‌هایی دارند که مورد بررسی قرار خواهند گرفت.

آهن چیست؟

آهن و فولاد از مهمترین فلزات در صنایع مختلف هستند و بدون آنها حیات بسیاری از کارها و صنایع به پایان خواهد رسید. صنعت ساختمان، صنعت کشاورزی، خودروسازی و سایر صنایع از این دست وابسته به آهن هستند اما آهن چیست؟

استفاده از آهن قدمتی دیرینه دارد. مصریان چند هزار سال پیش برای ساخت سلاح و ادوات از آهن استفاده می‌کردند. آهن پس از آلومینیوم فراوان‌ترین عنصر پوسته زمین است. نماد آن Fe و عدد اتمی آن 26 است. این عنصر با آب و هوا واکنش می‌دهد و تشکیل اکسید می‌دهد و همین موضوع باعث شده که آهن به صورت خالص در طبیعت موجود نباشد و بیشتر به شکل سنگ آهن در طبیعت یافت شود.

مراحل تولید آهن :

سنگ آهن در انواع مختلفی در طبیعت وجود دارد که عبارت‌اند از: هماتیت، گوتیت، لیمونیت، مگنتیت و سایرین. هر کدام از این انواع، فرآیند استخراج خاصی دارند که بسیار پیچیده و تخصصی است به علاوه فرآیند تولید آهن هم بسیار پیچیده است و توسط کارخانه‌هایی با دستگاه‌های عظیم انجام می‌شود.

اکثر کشورهای برتر تولید کننده فولاد از 2 روش اصلی برای تولید استفاده می‌کنند که عبارتند از :

• کوره قوس الکتریکی یا احیای مستقیم (EAF)
• کوره بلند یا کنورتور (OBC)

چین به عنوان بزرگترین تولید‌کننده فولاد در جهان 88٪ تولید خود را با روش کوره بلند انجام می‌دهد و کشورمان ایران که دهمین تولید‌کننده برتر جهان است بیش از 90٪ تولید خود را با روش کوره قوس الکتریکی انجام می‌دهد به طور مثل در کارخانه ذوب آهن اصفهان از روش کوره بلند و در کارخانه‌های فولاد اهواز و مبارکه اصفهان از روش احیای مستقیم استفاده می‌شود.

روش تولید آهن توسط کوره قوس الکتریکی یا احیای مستقیم :

جدیدتر از روش کوره بلند است، بسیار کارآمد و همچنین مقرون به صرفه است و پایه این روش تولید آهن، استفاده از آهن اسفنجی و قراضه آهن است.

سنگ آهن و زغال در طی فرآیند احیای مستقیم به صورت آهن اسفنجی درمی‌آیند. آهن اسفنجی دارای ساختاری اسفنج مانند(متخلخل) است و بالای 92٪ آهن دارد. در روش احیای مستقیم سنگ معدن را به گندله تبدیل می‌کنند و سپس گندله‌های ریز را از آن جدا می‌کنند تا باقی‌مانده را به کوره انتقال دهند. در مرحله بعد بدون تغییر حالت جامد، اکسیژن اکسید آهن را از گندله جدا می‌کنند و بعد آهن اسفنجی را با قراضه آهن وارد کوره قوس الکتریکی می‌کنند.

به طور کل در طی این مراحل، آهن اسفنجی به همراه آهک و کک وارد کوره قوس الکتریکی می‌شود ناخالصی‌های آهن اسفنجی از فولاد مذاب جداسازی می‌شود و فولاد در کوره باقی می‌ماند. فولاد باقی مانده نیز به روش‌های گوناگون به واحد ریخته‌گری ارسال و سپس نورد می‌شود تا محصول نهایی تولید شود.

شاید فکر کنید کک چیست؟ کک ماده‌ای جامد، پرکربن و جایگزین زغال است که نقش تامین انرژی، احیا آهن و ایجاد تخلخل برای عبور گازهای احیاکننده را دارد.

روش تولید آهن توسط کوره بلند :

روش تولید آهن در اکثر کشورهای مختلف تولید کننده فولاد به این صورت است که سنگ آهن، آهک و کک وارد کوره می‌شوند. کک با دمش هوا و اکسیژن می‌سوزد و این کار گرمای لازم برای ذوب سنگ آهن را تامین می‌کند حین افزایش درجه حرارت منواکسید کربن آزاد شده و درنهایت فرآیند پایان می‌یابد. گام‌به‌گام این روش تولید آهن به شرح زیر است:

مرحله اول خردکردن است و قطعات بزرگ سنگ معدن به اندازه‌های کوچکتر شکسته می‌شوند. در مرحله بعد ناخالصی‌ها حذف می‌شوند. این کار با دو روش مغناطیسی و الکتریکی انجام می‌شود که منجر به افزایش غلطت آهن می‌شود. ناخالصی‌های شیمیایی هم طی فرآیندی که به آن کلسینه می‌گویند حذف می‌شوند معمولا بهترین مقاطع فولادی آنهایی هستند که فاقد ناخالصی هستند.

پس از حذف ناخالصی‌ها، سنگ آهن، آهک و کک در واحدهایی به نام زینترینگ فشرده‌سازی و جامد می‌شوند.

و در مرحله بعد این مواد به کوره منتقل می‌شوند. کوره‌های مورد استفاده بسیار بلند هستند و گاهی 60 متر ارتفاع دارند که با سنگ‌های مقاوم دربرابر حرارت پوشیده شده‌اند. چندین واکنش شیمیایی مختلف به طور همزمان در کوره انجام می‌شود. از قسمت بالای کوره، سنگ آهن، آهک و کک را که گدازآور یا بار کوره است وارد می‌کنند. مواد گدازآور با توجه به ترکیب مواد بار کوره به دو صورت اسیدی و بازی هستند. اگر سنگ آهن بازی باشد ماده کداز آور اسیدی است و اگر سنگ آهن اسیدی باشد ماده کدازآور بازی است. دو کار توسط این مواد انجام می‌شود:

• ذوب کردن ناخالصی‌های موجود در سنگ آهن که نقطه ذوبشان از درجه حرارت کوره بالاتر است.

• هنگام احیای سنگ آهن برخی عناصر دیگر هم احیا می‌شوند که یا با آهن ترکیب یا در آن حل می‌شوند و نمی‌توان آنها را جدا کرد. موارد گداز آور قبل از اینکه این مواد با آهن ترکیب شوند با آنها ترکیب می‌شوند.

در مرحله بعد، از پایین کوره هوای گرم(که گاهی با اکسیژن تقویت می‌شود)، با شدت بالا دمیده می‌شود. برای به دست آوردن یک تن آهن خام، حدود 6تن هوا لازم است! این هوای گرم وقتی با کک ترکیب می‌شود مقدار قابل ملاحظه‌ای گرما تولید می‌کند.

دی‌اکسید کربن افزایش پیدا می‌کند با کک واکنش می‌دهد و حاصل این واکنش مونواکسید کربن است. مونواکسید کربن، اکسیژن را از اکسید آهن می‌گیرد و تشکیل آهن و دی‌اکسید کربن می‌دهد. درنهایت آهن به سمت انتهای پایینی کوره می‌رود و از آنجا خارج می‌شود به این آهن، چدن می‌گویند چون شکننده است و حاوی 2 تا 5 درصد کربن و سایر ناخالصی‌ها است. این چدن در قالب ریخته می‌شود که از آن بیشتر برای ساخت فولاد استفاده می‌کنند چون فولاد قوی‌تر و مفیدتر از آهن است.

سنگ آهک که به زدودن ناخالصی‌ها کمک می‌کند با آنها واکنش داده و حاصلش خاکستر و سرباره می‌شود. در واقع  سرباره، ماده مذابی است که بر اثر واکنش با مواد گدازآور، سنگ آهن، سوخت و ناخالصی‌های فلز به‌وجود می‌آید. سرباره فلز را از اکسید شدن به وسیله هوای ورودی محافظت می‌کند. سرباره هم به سمت انتهای پایینی کوره می‌رود اما چون وزن مخصوص آن با آهن متفاوت است و همچنین با آهن ترکیب نمی‌شود در لایه‌ای بالاتر از آن قرار می‌گیرد و به مرور از کوره تخلیه می‌شود. از سرباره می‌توان در ساخت جاده‌ها استفاده کرد. گازهای دی‌اکسید کربن و نیتروژن هم از بالای برج به عنوان گازهای خروجی خارج می‌شوند و خود کوره هم روزی 10 تا 20 بار تمیز می‌شود تا آهن و سرباره آن کاملا خارج شوند.

فرآیند تولید آهن آلات :

آهن و فولاد که حیات ما به شکل امروزی، وابسته به آنهاست از دیرباز مورد استفاده بشر بوده‌اند. کشورهای مختلفی تولیدکنندگان فولاد در جهان هستند که اکثر آنها از دو روش تولید آهن 1- کوره قوس الکتریکی یا احیا مستقیم و 2- کوره بلند یا کنورتور برای تولید آهن استفاده می‌کنند. فرآیند تولید آهن آلات پیچیده است اما مراحل هر دو روش به سادگی بیان شد تا بیشتر با این صنعت بزرگ آشنا شوید.