مقالات

مراحل تولید آهن به زبان ساده

آهن چیست؟

آهن با نماد Fe و با عدد اتمی ۲۶ پس از آلومینیوم، فراوانترین عنصر روی کره زمین است. این فلز در در گروه ۸ و دوره ۴ جدول تناوبی قرار گرفته و نقطه ذوبی نزدیک به ۱۵۳۸ درجه سانتیگراد دارد. آهن بسادگی در مجاورت آب و هوا اکسید می‌شود و به همین دلیل، در اکثر موارد به صورت اکسید (سنگ معدن هماتیت Fe2O3) در طبیعت یافت می‌گردد.

بشر آهن را در حدود پنج هزار سال پیش کشف کرد. مصریان و جوامع واقع در بین‌النهرین از اولین تمدن‌های قادر به استخراج سنگ آهن هستند.

کاربردهای آهن کدام هستند؟

امروزه، حدود 90 درصد از فلزات مورد استفاده توسط انسان‌ها از آهن ساخته شده‌اند. آهن و آلیاژهای آن در صنایع مختلفی نظیر الکترونیک، تولید قطعات، خودروسازی، ساخت سازه‌های تجاری و مسکونی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ساخت آهن
ساخت آهن

تاریخچه آهن

اگر بخواهیم نگاهی به تاریخچه آهن بیاندازیم، باید بگوییم که سومریان و مصریان، اولین نشانه‌ها برای استفاده از آهن هستند. به طور کلی، تاریخچه استفاده از آهن به 4000 سال قبل باز می‌گردد.

بعد از آن، از قرن 10 تا قرن 12، در خاورمیانه یک جابجایی سریع در تبدیل ابزار و سلاح‌های برنزی به آهنی صورت گرفت. عامل مهم در این جابجایی، مختل شدن تامین قلع بود. این دوره جابجایی که در زمان‌های مختلف و در نقاط مختلفی از جهان رخ داد، دوره ای از تمدن به نام عصرآهن را بوجود آورد. به طوری که می‌توان گفت که اولین تبر آهنی، مربوط به 3000 سال قبل است که در داخل یکی از قبرهای سومریان، در جنوب بین‌النهرین، پیدا شد.

 این موضوع نشان می‌دهد که استفاده از آهن، توسط انسان از حدود ۳۰۰۰ سال پیش از میلاد مسیح آغاز شد و در کشورهایی مانند آشور، مصر، چین و هندوستان رواج داشته است.

کاربردهای آهن

 آهن از المان های اصلی در تولید فولاد است. به طور کلی، آهن یک عنصر نیست، بلکه یک آلیاژ و یک محلول از فلزات مختلف و برخی از غیر فلزات است. ویژگی‌های این محصول، باعث شده است که در صنعت و حوزه‌های ساختمانی به عنوان یک محصول پرکاربرد در نظر گرفته شود. این فلز محبوب، دارای کاربردهای وسیعی است، از ساخت فولاد گرفته تا صنایع مهندسی، کشاورزی، نظامی و…

از آهن برای ساخت پل، دکل برق، ابزار برش و مواردی از این قبیل استفاده می‌شود. حوزه صنعت، به عنوان پرکاربردترین حوزه مصرف آهن است. ترکیب آلیاژ و کربن باعث شده است که اتومبیل‌های لوکس و مقاوم در سراسر  دنیا ساخته شوند. از آهن، علاوه بر صنعت اتومبیل، در صنعت کشاورزی هم استفاده می‌شود.

مراحل تولید آهن خام  به چه صورت است؟

روش‌های تولید آهن خام در حالت کلی به دو صورت است:

  • روش کوره بلند

اکثر فولاد جهان به روش کوره بلند تولید می‌شود. فرآیند این روش به این صورت است که مجموعه سنگ آهن، آهک و کک به صورت لایه لایه وارد کوره می‌شود و در دمای 300 درجه سانتی گراد، کک با دمش هوا و اکسیژن می‌سوزد. این کار باعث می‌شود که گرمای لازم، برای ذوب سنگ آهن و احیای آهن تامین شود. با افزایش درجه حرارت، منواکسید کربن آزاد شده و در نهایت فرآیند پایان می‌پذیرد.

  • روش قوس الکتریکی

روش قوس الکتریکی نسبت به روش کوره بلند، روش جدیدتری است و قدمت چندانی ندارد. این روش، بر پایه استفاده از آهن اسفنجی و قراضه فولاد است. در این فرآیند، آهن اسفنجی به روش احیای مستقیم تولید می‌شود.

 آهن اسفنجی با 7.1 درصد کربن و عیار بالای 92 درصد آهن، ساختاری متخلخل دارد. در مراحل این روش تولید، آهن اسفنجی  به همراه آهک و کک وارد کوره قوس شده و پس از حذف ناخالصی‌ها، به عنوان ماده اولیه برای تولید شمش فولاد به واحد ریخته‌گری ارسال می‌شود.

نکته: کک، در واقع یک ماده جامد متخلخل است که در روش ساخت کوره بلند از آن استفاده می‌شود. کک می‌تواند کربن مورد نیاز برای احیای اکسید آهن را فراهم کند و در هنگام سوخت بهم نمی‌چسبد.

سوخت کوره

مرحله سوخت کوره به دو روش طبیعی و مصنوعی انجام می‌شود. سوخت‌های مصنوعی کک، اهمیت زیادی نسبت به زغال چوب دارد و در اکثر کارخانه‌ها استفاده می‌شود. بعضی از سوخت‌های طبیعی مانند زغال سنگ آنتراسیت و زغال سنگ قیری، بیشتر جنبه تاریخی دارند تا جنبه اقتصادی.

شستشوی زغال

شستشوی زغال هم یکی از مراحل فرآیند تولید آهن است. این کار باید به دقت انجام شود تا بهترین نتیجه حاصل شود. یکی از مهمترین اهداف شستشوی زغال در این فرآیند، بهبود کیفیت زغال در تهیه کک به منظور تولید فولاد است.

خرد کردن زغال

مرحله بعد از شستشوی زغال، خرد کردن زغال است. برای این کار، زغال سنگ، ابتدا وارد قسمت سنگ‌شکن می‌شود و بر اساس عملکرد، دستگاه مخصوصی که زغال در آن قرار گرفته، شاهد خرد شدن زغال‌ها خواهید بود.

دانه بندی

زغال سنگ خرد شده، در مرحله بعدی، دانه بندی می‌شود. این مرحله، یکی از مهمترین مراحل تولید آهن است که باعث می‌شود مواد ریز و اضافی از زغال خارج شوند. این کار، از ورود ذرات بسیار ریز موجود در بار اولیه زغال جلوگیری می‌کند.

به طور کلی آهن خام به سه دسته، سفید، خاکستری و نیمه خاکستری تبدیل می‌شود:

  • آهن خام سفید دارای سیلیسیم کمتری است و جنس آن سخت و ترد است.
  • آهن خام خاکستری دارای سیلیسیم بیشتری است و همین موضوع باعث تردی این نوع آهن می‌شود.
  • از آهن نیمه خاکستری که تلفیقی از دو روش خاکستری و سفید است، در تولید فولاد و چدن استفاده می‌شود.
ساخت آهن
ساخت آهن

روش‌های استخراج آهن

روش‌ استخراج آهن بر اساس دو روش اصلی است. استخراج روباز (سطحی) و استخراج زیرزمینی، دو روش اصلی استخراج آهن هستند.

 انتخاب هر یک از این روش‌ها، به فاکتورهای مختلفی مانند عمق سنگ آهن، شکل آن و مسائل اقتصادی بستگی دارد؛ اما به طور کلی می‌توان گفت که اکثر معادن آهن دنیا با استفاده از روش‌های روباز استخراج می‌شوند.

1) زغال سنگ را در یک کوره بسته تا دمای 1300 درجه سانتیگراد حرارت می دهند که باعث خارج شدن گاز های موجود در آن و تبدیل آن به کک می شود. از کک به دلیل تامین انرژی درون کوره به هنگام سوختن و ترکیب با اکسیژن جهت ساخت کربن مونوکسید استفاده می شود.
نکته: مونوکسید کربن، با سنگ معدن آهن واکنش میدهد تا اکسیژن موجود در سنگ آهن، آزاد و آهن به صورت خالص تولید شود.
2) کک به همراه سنگ معدن آهن و سنگ آهک که جهت واکنش با دیگر ناخالصی های سنگ آهن وارد یک کوره هوای داغ میشود.
نکته: آهک با دیگر ناخالصی های درون سنگ آهک واکنش داده و به دلیل چگالی گمتر روی مواد مذاب آهن جای میگیرد.
3) مخلوط به بالای کوره بلند فرستاده میشود و آرام آرام به داخل کوره بلند میریزد.
کوره بلند:کورهٔ بُلَند کوره‌ای عمودی است که در کارخانه‌های ذوب فلز برای استخراج فلز به ویژه آهن، از سنگ معدنی استفاده می‌شود. کوره بلند به عنوان اصیل‌ترین روش جداسازی از سنگ آهن شمرده می‌شود.
4) آهن مذاب همراه با کمی کربن از کوره بلند استخراج میشود. آهن استخراج شده از کوره بلند در واقع چدن است و برای تبدیل آن به فولاد یا آهن خالص نیاز به واکنش های شیمیایی دیگری برای خالص سازی آن است.
5) ناخالصی هایی که با آهک واکنش داده شده است از کوره خارج می شود.

آهن خام از احیا و ذوب سنگ معدن تغلیظ شده در کارخانه های تولید کننده فولاد، تولید می‌شود. دومین فلز فراوان در پوسته زمین پس از آلومینیوم، آهن است. میل ترکیب شدن آهن با اکسیژن بسیار بالا است و به همین دلیل عنصر آهن خالص در طبیعت یافت نمی‌شود. کشف اولین سازه آهنی در مصر و بین‌النهرین، مردم آن سرزمین را به عنوان اولین کاشفان آهن معرفی کرد. آهن در ابتدا فلزی ارزشمند بود و حتی قیمتی بیشتر از طلا داشت.

برخلاف طلا و مس، به دلیل شرایط جغرافیایی مختلف، تمام ساکنان کره زمین هم‌زمان موفق به کشف آهن نشدند و قاره آمریکا با مهاجرت اروپاییان به آن منطقه آخرین نقطه‌ای از جهان بود که با کشف آهن مواجه شد. البته باید به این نکته هم توجه کرد که وجود منابع غنی مس در آمریکا، ساکنان آن منطقه را بی نیاز از کشف فلز جدید می‌کرد. با افزایش تولید آهن خام، قیمت آن کاهش یافت. این مسئله باعث خروج آهن از گروه فلزات با ارزش شد. با افت قیمت تولید آهن و مشکل تامین قلع، برای تولید ابزارآلات و سلاح های جنگی از آهن خام استفاده شد.

سنگ معدن آهن

آهن از فلزات مهم برای کشورهای توسعه یافته محسوب می‌شود. تشکیل سنگ آهن سال‌های طولانی زمان می‌برد. شکل سنگ آهن‌های استخراج شده از معادن مختلف با هم متفاوت است. انواع کانی‌های آهن اکسیدی، کربناتی، سولفیدی و سیلیکاتی در طبیعت یافت می‌شود. عمده سنگ معدن‌هایی که آهن خام از آن استخراج می‌شود شامل اکسیدهای آهن مثل مگنتیت و هماتیت با ۲تا ۲۰ درصد ناخالصی شامل سیلیکات و آلومینات است. ناخالصی‌های همراه سنگ آهن به صورت سرباره در کوره از آهن خام جدا می‌شود. سنگ آهن استخراج شده پس از تصفیه و تغلیظ، به صورت پودر یا دانه‌های ریز در اندازه ۶تا ۲۵ میلیمتر برای تهیه مذاب آهن خام وارد کوره می‌شود.

مهم‌ترین کانی‌های مورد استفاده در تولید آهن خام مگنتیت و هماتیت است. مگنتیت با فرمول  و هماتیت با فرمول ، به ترتیب از ۷۲ و ۷۰ درصد آهن تشکیل شده‌اند. اندازه مناسب دانه بندی سنگ آهن برای استفاده در کوره بلند حداقل ۱۰میلی‌متر است.

استخراج سنگ معدن آهن

استخراج سنگ آهن از معدن شامل چهار مرحله حفاری، انفجار، بارگیری و باربری است. دریل‌واگن‌های با قطر ۱۰تا۲۵ سانتی‌متر و عمق ۶ تا ۲۰ متر، در حفاری معادن کاربرد دارد. برای منفجر کردن معادن و خرد کردن سنگ آهن از مواد منفجره مثل امولسیون و آنفو استفاده می‌شود. به مخلوط نیترات آمونیوم و بنزین، آنفو گفته می‌شود.

نحوه استخراج آهن به شیوه روباز

مناسب‌­ترین حالت برای استخراج به شیوه روباز زمانی است که کانسار آهن به سطح زمین نزدیک شود.

در این روش ابتدا مواد موجود در بالای کانسار را خرد می‌کنند. سپس با به وجود آمدن مواد معدنی، سنگ آهن به دست آمده را طبق 4 مرحله ذکر شده انجام می‌­دهند. و در نهایت نیز سنگ آهن را به انبار منتقل می­‌کنند.

نحوه استخراج آهن به شیوه زیرزمینی

استخراج زیرزمینی زمانی رخ می‌­دهد که یا شیوه روباز هزینه­‌های زیادی را دربرگیرد و یا کانسار در عمق زمین نفوذ کرده باشد. برای این منظور تونل‌­هایی عمیق در زمین ایجاد می­‌کنند. سپس بعد از بدست آوردن مواد معدنی، 4 مرحله استخراج آهن بر روی آنها پیاده­‌سازی می‌­شود.

نحوه بازیافت آهن

با توجه به این موضوع که آهن فلزی گران‌بها و پرکاربرد است؛ باید بعد از استفاده بتوان آن را به شیوه­ای اصولی و مناسب بازیافت کرد تا دوباره به چرخه تولید برگردد و در هزینه‌­های اقتصادی نیز صرفه­‌حویی شود.

فرایند احیای سنگ آهن و تبدیل آن به آهن خالص با فعل و انفعالات شیمیایی زیادی همراه است که به طور خلاصه برای تولید آهن واکنش زیر بایستی صورت پذیرد.

(مراحل واکنش) Fe2O3Fe3O4FeOFe

3Fe2O3+CO2Fe3O4+CO2

Fe3O4+CO3FeO+CO2

Fe+COFe+CO2

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.

آهن خارج شده از قسمت تحتانی کوره بلند خالص نبوده و مقادیری Si، Mn، P، C نیز درون آن است.

تولید آهن چگونه انجام می شود؟

سنگ آهن به صورت کانی‌های مختلفی نظیر هماتیت، مگنتیت، لیمونیت و غیره در طبیعت یافت می‌شود. تولید آهن طی چهار مرحله اصلی اکتشاف، استخراج، فرآوری و ذوب صورت ‌می‌گیرد:

  1. اکتشاف: مکان‌هایی با احتمال وجود سنگ آهن (با عیار بالا) شناسایی می‌شوند.
  2. استخراج: با به کارگیری تجهیزات مخصوص، سنگ آهن از دل زمین بیرون آورده می‌شود.
  3. فرآوری: طی مراحل مختلف فیزیکی و یا شیمیایی، مواد زائد (کم ارزش) از سنگ آهن جدا می‌شوند.
  4. ذوب: با انتقال مواد فرآوری شده به کوره‌های ذوب، آهن خالص به دست می‌آید.

در ادامه، نحوه اجرای هر یک از این مراحل را توضیح می‌دهیم.

آهن چگونه اکتشاف می شود؟

اولین مرحله در فرآیند تولید آهن، یافتن مکان‌هایی است که احتمال قرارگیری سنگ آهن با عیار بالا در آن‌ها وجود دارد. به این ترتیب، پیش از استخراج آهن ابتدا باید ذخیره ماده معدنی آن را کشف کرد. روش‌های متعددی برای اکتشاف آهن وجود دارد. برخی از این روش‌ها عبارت هستند از:

  • برداشت زمین شناسی
  • عکس برداری هوایی
  • ژئوشیمی
  • بیوژئوشیمی
  • برداشت الکتریکی
  • برداشت ژئوفیزیک
  • حفر گمانه

اکتشاف آهن مراحل مختلفی دارد. این مراحل از پی جویی مقدماتی شروع شده و تا اکتشافات نهایی ادامه می‌یابد. به عنوان مثال، برداشت زمین‌‌شناسی در مرحله پی‌جویی صورت می‌گیرد. در این مرحله، زمین‌شناسان با بررسی نواحی مستعد، آثار نشان‌دهنده وجود کانسار آهن در منطقه را مورد بررسی قرار می‌دهند. در صورت تایید زمین‌شناسان، مرحله بعدی اکتشاف انجام می‌شود.

 

نمایش بیشتر

boofche

بوفچه یک سایت جذاب و هیجان انگیز با کلی مطالب خلاقانه و بروز و البته با منبع های معتبر است

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

دکمه بازگشت به بالا