تولید آهن از کارخانه تا زندگی روزمره

نحوه تولید آهن

آهن (Fe) با شماره اتمی 26 و قرار داشتن در گروه 8 جدول تناوبی، یک فلز پرکاربرد در جهان بوده که با رنگ نقره ‌ای و براقی و کاربردهای گسترده ای که دارد زبانزد خاص و عام است. این ماده به میزان بسیار زیادی به ‌صورت مذاب در هسته ‌ی زمین یافت می ‌شود، از نظر جرم رایج‌ ترین عنصر روی زمین بوده و بسیاری از لایه ‌های هسته خارجی و داخلی زمین را تشکیل می ‌دهد. سنگ معدن آهن نیز از فراوان ‌ترین عناصر پوسته زمین می باشد؛ اگرچه استخراج فلز قابل استفاده از آن ها به کوره یا کوره ‌هایی نیاز دارد که بتوانند به دمای 1500 درجه سانتیگراد یا بالاتر برسند، یعنی حدود 500 درجه سانتیگراد (900 درجه فارنهایت) بالاتر از آنچه برای ذوب مس کافی است.

نقش آهن در صنایع

آهن یک عنصر شیمیایی در جدول تناوبی می باشد که دارای نماد Fe و عدد اتمی 26 بوده و در گروه 6 و دوره 4 قرار دارد. آهن به عنوان عنصر نهایی تولید شده قابل توجه است و در نتیجه سنگین ‌ترین عنصر محسوب می شود که برای تشکیل آن نیازی به رویداد کاتاکلیزمی مشابه ندارد؛ از همین رو، این فلز فراوان‌ ترین فلز سنگین جهان می باشد همچنین اعتقاد بر این است که دهمین عنصر فراوان جهان است. غلظت آهن در لایه ‌های مختلف زمین از بالا در هسته داخلی تا حدود 5٪ در پوسته ‌ی خارجی می باشد و ممکن است هسته‌ ی داخلی زمین از یک کریستال آهن تشکیل شده باشد، هر چند که احتمالاً مخلوطی از آهن و نیکل است و تصور می ‌شود که وجود مقدار زیادی آهن در زمین به میدان مغناطیسی آن کمک می ‌کند.

آهن فلزی است که در میدان مغناطیسی خود و همچنین از سنگ آهن استخراج شده و به سختی در حالت آزاد یافت می ‌شود. آهن از المان های اصلی در تولید فولاد می باشد که یک عنصر نیست بلکه یک آلیاژ و یک محلول از فلزات مختلف و برخی از غیر فلزات به ویژه کربن است. همین ویژگی ‌ها باعث شده است که کاربرد آهن در صنعت مورد استقبال زیاد قرار بگیرد. کاربرد این آلیاژ کاربردی در صنعت طیف بسیار وسیعی دارد. این فلز محبوب و مهم از ساخت فولاد گرفته تا در مهندسی عمران مانند بتن مسلح، تیر، صنایع غذایی، کشاورزی، نظامی و… استفاده می‌ شود. از آهن برای ساختن فولادهای آلیاژی مانند فولادهای کربنی با مواد افزودنی مانند نیکل، کروم، وانادیوم، تنگستن و منگنز مورد استفاده قرار می گیرد.

رایج‌ ترین استفاده از آهن برای ساخت پل، دکل برق، زنجیر دوچرخه، ابزار برش و لوله ‌ی تفنگ می باشد. چدن حاوی 3-5٪ کربن است و برای ساخت لوله ‌ها، شیرآلات و پمپ‌ ها از این عنصر استفاده می ‌شود. از کاتالیزورهای آهن نیز در فرآیندهای مخصوص تولید آمونیاک مورد استفاده قرار می گیرد .

از طرفی لازم به ذکر است که آهنربا را می ‌توان از این فلز و آلیاژها و ترکیبات آن ساخت. بیشترین مقدار آهن به دست آمده برای تولید فولاد، در مهندسی عمران (بتن آرمه ، تیر و غیره) کاربرد دارد. ترکیبات شیمیایی آهن تولید شده در بزرگترین مقیاس در صنعت عبارتند از: سولفات آهن (II) (FeSO4 · 7H2O) و کلرید آهن (III) (FeCl3).  مورد اول یکی از منابع در دسترس آهن (II) است و نسبت به اکسیداسیون هوایی پایدارتر می باشد. باید این مورد را در نظر داشت که ترکیبات آهن (II) به اکسیدهای آهن (III) در هوا تبدیل می ‌شوند.

مراحل تولید آهن به زبان ساده

امروزه تولید صنعتی آهن یا فولاد از دو مرحله اصلی تشکیل شده است؛ در مرحله اول، سنگ آهن با کک در کوره کاهش یافته و فلز مذاب از ناخالصی ‌هایی مانند مواد معدنی سیلیکات جدا می‌ شود . در همین مرحله آلیاژی تولید می گردد که حاوی مقادیر نسبتاً زیادی کربن است. سپس در مرحله دوم، مقدار کربن موجود در آهن تولید شده با اکسیداسیون کاهش یافته تا فولاد یا چدن تولید شود. در چنین مرحله ‌ای اجازه ‌ی افزودن فلزات دیگر برای تشکیل فولادهای آلیاژی وجود دارد و محصولات فولادی به دست آمده اغلب بعد از شکل‌ گیری تحت عملیات حرارتی و یا گرمایشی قرار می ‌گیرند. گرم کردن آن‌ ها در دمای 700-800 درجه سانتی‌ گراد برای چندین ساعت و سپس خنک شدن تدریجی باعث می ‌شود که فولاد نرم و قابل استفاده باشد.

کک که از آن نام برده شد در واقع یک ماده جامد متخلخل است که کربن را برای واکنش فراهم می ‌آورد و همچنین سوخت اصلی مورد استفاده در کوره به حساب می آید. با حرارت دادن ذغال تا 1200 K در غیاب هوا به مدت بیست ساعت کک ساخته می ‌شود و همچنین گاز زغال سنگ (عمدتاً مونوکسید کربن و هیدروژن) و یک قیر سیاه که می‌ توان از آن ترکیبات مفیدی مانند بنزن بدست آورد، نیز تولید می ‌شود. از گاز ذغال سنگ به عنوان سوخت در محل مورد استفاده قرار می گیرد.

بررسی ساختمان کوره بلند و چگونگی تولید آهن در آن

کوره ‌های بلند، سازه ‌های اصلی مهندسی در صنعت هستند که بخشی از آن ‌ها استوانه ‌ای و فولادی به ارتفاع 30 متر هستند که با آجرهای مخصوص قابل تحمل در دمای بسیار بالا ساخته شده است. عریض‌ ترین نقطه کوره به طور معمول 9 متر قطر دارد، اگرچه می‌ تواند بزرگ ‌تر نیز باشد. کوره‌ ها بیش از 15 سال در فشارهای بیش از 5 اتمسفر و دمای داخلی بیش از 2000 K به طور مداوم کار می ‌کنند و توان تولید 10 هزار تن آهن مذاب را در روز دارند. در این پروسه، اکسیژن برای سوزاندن سوخت مورد نیاز است (برای ایجاد درجه حرارت بالا) و همچنین در واکنش‌ های کوره نقش دارد.

به منظور کمک به حفظ دمای کوره، هوا از طریق لوله‌ ای عبور می ‌کند و سپس از طریق نازل‌ ها به کوره وارد می ‌شود. بسیاری از کوره‌ ها اکنون از اکسیژن استفاده می ‌کنند و هوای غنی شده‌ ی میزان گازهای عبوری از کوره را کاهش می ‌دهند و همچنین از کامل شدن فرایند اطمینان حاصل می ‌کنند.

به بعضی از کوره ‌ها روغن یا گاز طبیعی با هوای گرم شده تزریق می‌ شود و تا 40٪ کک جایگزین می‌گردد. این امر هم وابستگی به زغال سنگ و هم نیاز به فرآوری محصولات جانبی از کوره‌ های کک سازی را کاهش می ‌دهد که فروش آن ممکن است دشوار باشد. متناوباً، ذغال پودر شده ممکن است مستقیماً به صورت مایع به داخل کوره تزریق شود و دیگر نیازی به اجاق‌ های کک سازی نیست . از طرفی برخی از تولیدکنندگان در حال آزمایش استفاده از ضایعات چوب یا پلاستیک به عنوان سوخت هستند. دما در کوره متفاوت است بنابراین واکنش‌ های مختلف در سطوح مختلف کوره اتفاق می افتد. نزدیک بالای کوره در حدود 750 K (زیر نقطه ذوب آهن)، ترکیبات آهن (III) توسط مونوکسیدکربن و هیدروژن به آهن (II) (به عنوان مثال Fe2O3 به FeO) تبدیل می گردد.