محکم مثل آهن!
امروزه یکی از اساسیترین پایههای اقتصادی و اجتماعی کشورهای جهان را صنایع آهن و فولاد تشکیل میدهد و این ، به سبب نیاز مبرمی است که انسان جهت پیشبرد مقاصد خود در زندگی دارد. با نگاه اجمالی به کارآیی این عنصر حیاتی ، میتوان به نقش سازنده آن پیبرد؛ زیرا علاوه بر کاربرد آن در امر ساختمان سازی ، پل سازی و غیره یکی از کالاهای اساسی در صنایع اتومبیل سازی ، کشتی سازی و لوکوموتیو سازی است و بهصورت آلیاژهای مختلف ، اساس تکنولوژی ماشینآلات را تشکیل میدهد.
امروزه یکی از اساسیترین پایههای اقتصادی و اجتماعی کشورهای جهان را صنایع آهن و فولاد تشکیل میدهد و این ، به سبب نیاز مبرمی است که انسان جهت پیشبرد مقاصد خود در زندگی دارد. با نگاه اجمالی به کارآیی این عنصر حیاتی ، میتوان به نقش سازنده آن پیبرد؛ زیرا علاوه بر کاربرد آن در امر ساختمان سازی ، پل سازی و غیره یکی از کالاهای اساسی در صنایع اتومبیل سازی ، کشتی سازی و لوکوموتیو سازی است و بهصورت آلیاژهای مختلف ، اساس تکنولوژی ماشینآلات را تشکیل میدهد.تاریخچه
با توجه به کشف یک تبر آهنی متعلق به ۳۰۰۰ سال پیش از میلاد در داخل یکی از قبرهای سومریان واقع در شهر اور که در جنوب بینالنهرین قرار داشت، نشان میدهد که استفاده از آهن توسط انسان از حدود ۳۰۰۰ سال پیش از میلاد مسیح آغاز و عمدتاً در کشورهای مصر ، آشور ، چین و هندوستان رواج داشت. در آغاز انسان از آهن طبیعی که بهصورت سنگ معدن آهن با درجات خلوص متفاوت بدست میآمد، استفاده میکرد.
با این حال ، نظر دیگری وجود دارد که انسانهای آن روزگاران از شهاب سنگها بهعنوان آهن خالصتر استفاده میکردند. استفاده از آهن خالص درحدود ۱۳۰۰ سال پیش از میلاد امکانپذیر شد که به ظن قوی بطور تصادفی بر اثر گرما دادن شدید صخرههای کانی ، آهن خالص توسط ذغال صورت گرفت با حرارت دادن گل اخری و ذغال نیز آهن استخراج میکردند.
سیر تحولی و رشد
روند استخراج آهن از ترکیبهای طبیعی آهن به مرور زمان ، راه تکامل میپیمود تا اینکه نخستین کوره استخراج آهن به سبک امروزی که به کوره کانالانی معروف بود، نوآوری شد. این کوره دارای آتشدانی به ابعاد ۷۵×۶۰×۶۰ سانتیمتر بود. سیر تکاملی این روند به آنجایی رسید که امروزه ، کارخانههای عظیم استخراج و ذوب آهن و فولاد با ظرفیت چندین میلیون تن به وجود آمده است.
سنگ معدنهای آهن
سنگ معدنهایی که آهن از آن استخراج میشود، بیشتر بهصورت اکسیدهای آهن ، مانند مگنتیت یا هماتیت است که با ۲ تا ۲۰ درصد ناخالصی (نظیر سیلیکاتها و آلومیناتها) همراه است. این ناخالصیها در کوره از آهن جدا شده بهصورت تفاله خارج میشوند. سنگ معدن تصفیه شده و تغلیظ شده بهصورت پودر یا دانههای ریز در کوره وارد میشود. مناسبترین اندازه ذرات آن بین ۶ تا ۲۵ میلیمتر است. یادآوری میشود که امروزه از سولفید طبیعی آهن (پیریت) در استخراج آهن استفاده نمیشود، بلکه مصرف عمده آن در اسید سولفوریک سازی است.
فرآیندهای اولیه استخراج آهن
استخراج آهن از سنگ معدنهای آن طی فرایندهای فیزیکی و مکانیکی و شیمیایی تحت شرایط ویژه ای صورت میگیرد.
در مرحله آغازی ، سنگ معدن باید طی چندین مرحله از عملیات از جمله : خرد کردن ، آسیاب کردن ، سرند کردن ، شستشو ، استفاده از جدا کننده مغناطیسی و یا به روش فلوتاسیون تغلیظ شود. محلول غلیظ شده معمولاً دارای ۶۰ تا ۶۵ درصد آهن ، ۸ تا ۱۲ درصد سیلیس میباشد. پس از تلغیظ سنگ معدن آن را باید به اندازههایی به ابعاد ۶ تا ۲۵ میلیمتر که مناسب برای تغذیه کورههای وزشی است، تبدیل کرد که این عمل را اصطلاحاً آگلومریزه شدن مینامند.
استخراج آهن از سنگ معدنهای آن عمدتاً با استفاده از کورههای وزشی صورت میگیرد که در حقیقت یک رآکتور بزرگ شیمیایی است که در آن مخلوطی از سنگ آهک ، سنگ معدن آهن و زغال کک گرما داده میشود.
مواد اولیه مورد نیاز استخراج آهن
سنگ معدن آهن
در مجاورت ذغال بر اثر گرما در کوره احیا میشود و سپس بر اثر جریانی از گازهای احیا کننده داغ که از سوختن کک در هوای گرم پایین کوره تولید میشود و در جهت عکس مسیر آهن حرکت میکند، ذوب میشود. آهن مذاب و تفاله حاصل از سنگ معدن به ازای هر دو تا چهار ساعت از آتشدان کوره تخلیه میشود. اگر مواد اولیه بطور پیوسته از بالای کوره وارد شود، در این صورت ، کوره میتواند بطور پیوسته کار کند. محصول کوره وزشی همان چدن است که برای تبدیل آن به دیگر مشتقات آهن ، بویژه فولاد ، باید در آن تغییراتی داد.
زغال کک
مشخصات ساختاری آن عبارت است از : کربن ثابت ۸۵ تا ۹۰ درصد ، خاکستر ۵ تا ۱۳ درصد ، رطوبت تا ۸ درصد ، مواد فرّار ۱.۶ تا ۱۱ درصد ، و گوگرد ۰.۵ تا ۱.۲ درصد. نقش کک در فرآیند کورههای وزشی تولید گازهای احیا کننده است و در اثر سوختن در پایین کوره انجام میپذیرد و مقاومت مکانیکی آن نیز در عمل مهم است. اندازه کک مورد مصرف ، باید بین ۱.۵ تا ۷۵ میلیمتر باشد.
سنگ آهک
به منظور کمک کردن ذوب و پایین آوردن دمای ذوب ناخالصیها به سنگ معدن افزوده میشود. نسبت تشکیل دهندههای بازی در مخلوط یعنی (CaO) و (MgO) به تشکیل دهندههای اسیدی یعنی (SiO2) باید در حد ثابتی حفظ شود تا تفالههای کف مانند و سبک (سیلیکاتهای کاسیم و منیزیم ) بطور کامل تشکیل شود و سایر ناخالصیهای همراه با خود را از آهن جدا کند. برای این منظور ، سنگ آهک و دولومیت بکار گرفته میشود.
گاهی برای کنترل ترکیب تفالههای جاری ، مقداری سیلیکات نیز بدان اضافه میشود. مناسبترین اندازه این دسته از مواد برای کورههای وزشی بین ۷۰ تا ۷۵ میلیمتر است.
واکنشهای کوره استخراج آهن
پس از اینکه کک در قسمت پایین کوره بارگیری شده ، آن را تا حدود گرم میکنند تا بر اثر وزش هوای گرم شروع به سوختن کرده ، دما را در دهانه قسمت سوخت کوره تا افزایش دهد. دیاکسید کربن حاصل در این دما ناپایدار بوده ، بوسیله کک موجود در محیط به منوکسید کربن تبدیل میشود. بخار آب همراه با هوای داغ در واکنش با کک نیز خود تولید منوکسید کربن میکند.
واکنشهای انجام شده در دهانه سوخت که در حد بین مخزن سوخت و سنگ معدن آهن قرار دارد، در قسمت بالاتر کوره که دما زیر است، اکسیدهای آهن بوسیله منوکسید کربن و هیدروژن حاصل احیا میشوند. در قسمت بالاتر کوره وقتی که دما به تا رسید، سنگ آهک نیز تجزیه میشود. در قسمت پایین کوره دربالاتر از اکسیدهای آهن بوسیله کربن احیا شده ، دیاکسید کربن حاصل بطور همزمان با کک واکنش داده و به منوکسید کربن تبدیل میشود.
این احیا به احیای مستقیم معروف است که نیازی به انرژی زیاد دارد. بیشتر گوگرد که همراه کک وارد کوره میشود، در داخل آن به تبدیل میشود. حاصل با ترکیب شده آنها را به تبدیل می کند. حاصل ضمن واکنش ، آهن آزاد میکند. میزان و چگونگی حذف گوگرد به دمای تفاله و نسبت بستگی دارد.
احیای مستقیم
احیایی است که در آن ، سنگ معدن آهن ، بوسیله عوامل احیا کننده جامد یا گازی احیا میشود. با توجه به مقدار کربن موجود در آهن ، این عنصر بهصورت دو نوع محصول آهن یعنی چدن و فولاد عرضه میشود.