تولید آهن به روش احیای مستقیم که آهن اسفنجی از آن حاصل می‌شود، در مقایسه با سایر شیوه‌های تولید آهن جدیدتر است و پیدایش آن در جهان به دهه ۷۰ میلادی برمی‌گردد. در روش‌های احیای مستقیم ماده‌ احیاکننده‌ مورد استفاده، می‌تواند ذغال‌سنگ یا گاز طبیعی باشد که البته استفاده از ذغال‌سنگ سابقه‌ی طولانی‌تری دارد.

برای تولید آهن اسفنجی با استفاده از گاز طبیعی از فناوری‌های زیر استفاده می‌شود :
*  فناوری 1  :  میدرکس
* فناوری 2  :   HYL
* فناوری 3  :   Purofer
از بین این سه فناوری، میدرکس و HYL پرکاربردتر و پربازده‌تر هستند.

کاربردی‌ترین و پراستفاده‌ترین روش برای تولید آهن اسفنجی، روش میدرکس است. برای تولید آهن اسفنجی به این روش، در ابتدا گاز طبیعی به واحد شکست گاز ورود پیدا می‌کند و پس از دریافت حرارت و پروسه‌ای پیچیده به هیدروژن و کربن تبدیل می‌شود. هیدروژن و کربن به دست آمده از گاز طبیعی وارد کوره القایی یا کوره احیا می‌شوند تا با ترکیب با گندله سنگ آهن که از قبل در کوره پخته شده است، باعث احیای سنگ آهن و تولید آهن اسفنجی شود.

روش میدرکس از این جهات بسیار مورد اسقتبال قرار گرفته است که می‌تواند با کاهش حداکثری مصرف گاز، بیشترین بازدهی ممکن را برای تولیدکننده به ارمغان بیاورد. هم‌اکنون در ایران و جهان، تولید آهن اسفنجی در اکثر مواقع با تکیه بر همین روش حاصل می‌شود. سوال مهمی که ممکن است ایجاد شود، این است که تفاوت اصلی روش میدرکس و HYL برای تولید آهن اسفنجی چیست؟ پاسخ کوتاه و واضح است؛ مصرف بسیار بالای برق و محدودیت در ظرفیت تولید، 2 دلیل اصلی هستند.

یکی دیگر از روش‌های تولید آهن اسفنجی، استفاده از روش HYL است؛ در این روش با استفاده از گاز طبیعی شکسته‌شده، از عوامل دیگر مثل بخار آب هم برای تولید بیشتر هیدروژن استفاده می‌شود. با همه این اوصاف، در روش HYL مقدار هیدروژن نسبت به میزان مونو اکسید کربن تولیدشده بیشتر است و همین می‌تواند به احیا شدن مستقیم سنگ آهن منجر شود. کوره احیا عملکردی شبیه به کوره میدرکس دارد، ولی فشار محیطی در اندازه‌ای بالاتر (معادل با 7 اتمسفر) صورت خواهد گرفت

همان‌طور که گفتیم، حدود 5 درصد از بازار آهن‌آلات جهان را آهن‌های اسفنجی تشکیل می‌دهند؛ این آمار نشان‌دهنده اهمیت این محصولات آهنی در صنایع مختلف است. اما چه مزیت‌هایی در بطن آهن‌های اسفنجی نهفته شده‌اند که می‌توانند آن را به یک محصول بسیار مهم تبدیل کنند؟ در زیر، خلاصه‌ای از مزایای مهم آهن اسفنجی را در اختیار شما قرار خواهیم داد:

• آهن اسفنجی بهترین جایگزین برای ضایعات است.
  • کوره‌های القایی یا واحدهای احیای مستقیم، هزینه‌ کمتری نسبت به کوره‌های بلند دارند.
  •  آهن‌های اسفنجی از عیار و خلوص بسیار بیشتری نسبت به دیگر محصولات آهنی برخوردارند.
  •  انتقال و حمل‌ونقل آهن اسفنجی به شکل آهن گرم کلوخه‌شده (HBI) بسیار آسان و بدون دردسر است.
  •  برای تولید آهن اسفنجی به روش مستقیم می‌توان از گاز طبیعی، آن‌هم بدون جداسازی ناخالصی‌ها استفاده کرد.
  •  صرفه اقتصادی آهن‌های اسفنجی بسیار بالاست و می‌توان با تولید آن‌ها از بازدهی بالایی برخوردار شد.

با توجه به کمبود آهن قراضه که جهت تولید شمش و سایر محصولات فولادی به کار می‌رود، یافتن جایگزین مناسبی برای آن دارای اهمیت است. آهن اسفنجی محصولی است که می‌تواند برای تولید این محصولات، در کوره‌های القایی جایگزین آهن ضایعاتی شود. امروز در کوره‌های القایی می توان تا ۵۰ درصد آهن اسفنجی را جایگزین ضایعات کرد. از این رو میتوان گفت آهن اسفنجی تحول عظیمی را در صنعت ایجاد کرده است.

نوع فشرده ‌شده‌‌ آهن اسفنجی که به آن بریکت (Briquette) گفته می‌شود مشکلات حمل و نقل کمتری داشته و ذخیره‌سازی آن نیز آسان‌تر است. درواقع بریکت همان آهن اسفنجی فشرده است. فشرده‌سازی آهن اسفنجی در زمان تولید باعث می‌شود که برخی از معایب آن رفع شود و تولید فولاد با استفاده از آن، کیفیت بالاتری داشته باشد. تا جایی که امروزه استفاده از بریکت آهن اسفنجی به عنوان ماده اولیه، جایگزین ضایعات آهن در بسیاری از کارخانه‌ها شده است. علاوه بر این بریکت مقاومت بالاتری در برابر ساییدگی و زنگ‌زدگی هم دارد و احتمال ایجاد تخلخل (جدایی سطح) در آن کم‌تر است. بریکت، در سه نوع سرد، گرم و نرمه تولید می‌شود که هر کدام خواص خاص خود را دارند.

بریکت سرد یا  CBI

اگر در فرایند بریکت سازی، مواد اولیه در دمای محیط وارد ماشین بریکت زنی شوند، به محصول نهایی، بریکت سرد می‌گویند. همچنین بریکت سرد با استفاده از کوره تونلی ساخته می‌شود و در فرایند تولید آن از زغال‌سنگ استفاده می‌کنند. زغال‌سنگ نقش گاز احیاکننده مونواکسید کربن را بازی می‌کند و آهن اسفنجی پس از احیا توسط این گاز، با آب و چسب مخلوط شده و در دستگاه بریکت زنی تحت‌فشار بالا قرار می‌گیرد تا تبدیل به بریکت شود. بریکت سرد کروی شکل و تو پر است و از نظر ابعاد و شکل با بریکت گرم تفاوت دارد.

بریکت گرم یا  HBI

فرایند ساخت بریکت گرم، ادامه فرایند تولید آهن اسفنجی است و برای ساخت آن، از کوره‌های احیای مستقیم استفاده می‌کنند. در این کوره‌ها، دمای آهن اسفنجی تا 650 درجه سانتی‌گراد بالا می‌رود و پس از انجام شدن فرایندهای احیا توسط گاز، آن را وارد دستگاه بریکت سازی می‌کنند. دمای بالای سنگ‌آهن باعث می‌شود که بریکت تولیدشده از آن، فشرده‌تر از بریکت سرد باشد. همچنین بریکت گرم، شکلی شبیه به مستطیل دارد. بریکت گرم پرکاربردترین نوع بریکت آهن اسفنجی است و بیشتر در آن دسته از کارخانه‌های نورد که مجهز به کوره قوس الکتریکی هستند، مورد استفاده قرار می‌گیرد. این محصول تخلخل کمتری در مقایسه با آهن اسفنجی دارد و ایمن‌ترین نوع بریکت در جهان است.

بریکت نرمه

بریکت نرمه همان غبار یا نرمه‌ای است که هنگام تولید آهن اسفنجی به روش احیای مستقیم ایجاد می‌شود. این غبار، جمع‌آوری‌شده و با روشی مشابه با روش تولید بریکت سرد، تبدیل به بریکت آهن اسفنجی می‌شود. به دلیل وجود ناخالصی زیاد و ترکیب شیمیایی متفاوت، کیفیت بریکت نرمه از سایر انواع بریکت کمتر است، اما با این حال به عنوان ماده اولیه در بسیاری از کارخانه‌های فولادسازی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مزایای بریکت چیست؟

مزایای بریکت به ما ثابت می‌کند که چرا قیمت آهن تولیدشده از آن، از قیمت آهنی که با استفاده از آهن اسفنجی تولید می‌شود، بیشتر است. لیست زیر، تنها بخشی از مزایای بریکت آهن اسفنجی است :

• حجم کمتر در مقایسه با آهن اسفنجی
• سهولت بیشتر در انبار کردن و حمل‌ونقل آسان‌تر در مقایسه با آهن اسفنجی
• سرعت اکسیداسیون پایین
• امکان آلیاژسازی هنگام تولید
• سهولت صادرات از طریق زمین و دریا
• قابلیت تنظیم درصد کربن موجود در ساختار آن از 0.02 تا یک درصد
• یکنواخت بودن کیفیت به علت عدم افت درجه فلزی
• دارا بودن درجه فلزی بیشتر از 96 درصد
• مقاومت بالا در برابر اشتعال به دلیل ساختار فشرده و نامتخلخل
• راندمان بالای تولید فولاد با استفاده از آن به دلیل درصد پایین اکسیژن

استحکام مکانیکی بالا و عدم تولید غبار به دلیل خرد شدن سریع در کوره

همانطور که اشاره شد تولید و استفاده از آهن اسفنجی در ایران از سال ۸۹ شروع شده و سابقه‌ کوتاهی دارد ولی جالب است بدانید که هم‌اکنون کشور ما در کنار هندوستان از بزرگ‌ترین تولیدکنندگان آهن اسفنجی در جهان به شمار می‌رود. بدون شک این امر حاصل تلاش بی‌وقفه‌ واحدهای صنعتی کوچک و بزرگ در سراسر کشور بوده است. فولاد مبارکه اصفهان و زیرمجموعه‌های آن مانند فولاد هرمزگان جنوب، صنایع معدنی فولاد سنگان و فولاد امیرکبیر کاشان و...... از جمله‌ این شرکت‌ها هستند که سهم بزرگی از تولید آن در کشور را به خود اختصاص داده‌اند. یکی دیگر از برندهای مطرح کشور در این حوزه، شرکت توسعه و آهن فولاد گل‌گهر است که گام بزرگی در بومی سازی تولید کنستانتره، گندله، احیا و تولید فولاد برداشته و توانسته تا ۸۰ درصد ابزارهای مورد نیاز در این بخش را در داخل کشور تامین کند. این کارخانه در سال گذشته بیش از ۳ میلیون تن آهن اسفنجی به بازار عرضه کرده که از این مقدار بیش از ۹۰ درصد آن به مصرف داخلی رسیده است.در بیشتر کشورها از جمله ایران واحدهای تولید آهن اسفنجی و فولاد در کنار هم ساخته می‌شوند و به نوعی خود تولیدکنندگان مصرف‌کننده‌ آن هستند، بنابراین تجارت این محصول برآیندی از عدم توازن بین تولید و مصرف در این واحدها است. آهن اسفنجی همواره به عنوان جایگزینی برای قیمت ضایعات آهن و البته ماده اصلی تولید مقاطع و محصولات فولادی محسوب می‌شود و می‌توان نفوذ و اهمیت آن در بازارهای جهانی را به وضوح مشاهده کرد.

کنسانتره‌ سنگ‌آهن ماده‌ی اصلی اولیه در تولید گندله است که به دلیل ریز بودن ذراتش، امکان استفاده‌ مستقیم از آن در فرآیند احیا وجود ندارد. گلوله‌هایی که از ترکیب کنستانتره‌ سنگ‌آهن و چند نوع مواد افزودنی دیگر تولید می‌شوند را گندله می‌گویند. این گلوله‌ها در ابتدا خام هستند و سپس پخته و سخت می‌شوند و در فرآیند احیا با روش‌های گفته شده به آهن اسفنجی تبدیل می‌گردند. بنابراین گندله ماده‌ اولیه برای تولید آهن اسفنجی است. به آهن اسفنجی گندله‌ متخلخل نیز می‌گویند که باید ویژگی‌های مکانیکی و شیمیایی خاصی را برای استفاده در کوره‌های احیا داشته باشد.