آهن خام (Pig Iron) چیست؟ ویژگی ها، انواع و کاربردها

آهن خام، ماده‌ ای است که به طور اصلی از اکسیدهای آهن به دست می‌ آید و ویژگی‌ های مکانیکی از جمله مقاومت به کشش، تخریب و سایش را دارا است. فرآیند تولید شامل استخراج، ذوب و فرآوری اولیه است. در صنعت فولاد، آهن خام به عنوان ماده اولیه اصلی برای تولید فولاد استفاده می‌شود و در انواع مختلف مانند آهن مگنتیتی و آهن هماتیتی یافت می‌شود که هر کدام کاربردهای خاص خود را در صنعت دارند. در ادامه بیشتر با آهن خام آشنا می شویم.

آهن خام چیست؟

آهن خام به عنوان ماده واسطه در فرآیند تولید فولاد شناخته می شود. این ماده در اثر ذوب سنگ آهن با استفاده از سوخت هایی با کربن بالا مانند کک به دست می آید. آهن خام از نظر ترکیبی دارای درصد بالایی کربن همراه با عناصر دیگری نظیر سیلیکا، منگنز، فسفر و سولفور است که باعث شکنندگی آن می شود.

ماده اولیه برای تولید آهن خام

فرآیند تولید آهن خام نیازمند استفاده از مواد اولیه ای است که در ذوب سنگ آهن نقش اساسی ایفا می کنند. این مواد شامل:

• سنگ آهن: سنگ آهن ماده اصلی است که از معادن استخراج می شود. کیفیت و ترکیب شیمیایی سنگ آهن تعیین کننده ویژگی های نهایی آهن خام است.
  
• کک: سوخت اصلی برای ایجاد دمای بالا در کوره است. کک عمدتاً شامل کربن می شود که با اکسید سنگ آهن واکنش داده و به تولید آهن فلزی منجر می شود.
  
• سنگ آهک: به عنوان عامل فلوکس به کار رفته و باعث حذف ناخالصی ها می شود. سنگ آهک با عناصر موجود در سنگ آهن واکنش داده و لجن های ذوب شونده تشکیل می کند.
  
• مواد زائد: در برخی موارد از فلزات بازی یا ضایعات آهن نیز استفاده می شود تا ترکیب نهایی بهبود یابد.

خواص مکانیکی آهن خام

آهن خام به دلیل دارا بودن درصد بالایی از کربن (معمولاً بین ۳ تا ۴.۵ درصد) ماده‌ ای بسیار شکننده محسوب می‌ شود. این مقدار زیاد کربن باعث می‌ شود ساختار آهن خام سخت ولی غیر انعطاف‌ پذیر باشد، به‌ طوری‌ که در برابر ضربه و تنش‌ های مکانیکی، به‌ جای تغییر شکل، دچار شکستگی می‌ شود. از این رو، آهن خام به‌طور مستقیم در ساخت قطعات سازه‌ ای به‌کار نمی‌ رود و برای افزایش استحکام و شکل‌ پذیری باید در فرآیندهایی مانند تبدیل به فولاد، ترکیب آن اصلاح شود.

از دیگر خواص مکانیکی مهم آهن خام، می‌ توان به دانسیته بالا و رسانایی حرارتی مناسب اشاره کرد. دانسیته بالای آن باعث می‌ شود در کاربردهایی که به جرم و استحکام نیاز دارند مفید واقع شود، اما حمل و نقل آن نیازمند تجهیزات مناسب است. همچنین، رسانایی حرارتی بالای آن در فرایندهای ذوب و ریخته‌ گری صنعتی، مزیت محسوب می‌ شود. البته این ویژگی‌ها بسته به نوع و میزان ناخالصی‌ های موجود در آهن خام می‌ توانند تا حدی تغییر کنند.

فرآیند و روش های تولید آهن خام

تولید آهن خام به کمک کوره های صنعتی انجام می شود که در آن مواد اولیه در دماهای بسیار بالا تحت واکنش های شیمیایی قرار می گیرند. در این بخش به بررسی دو روش اصلی تولید آهن خام پرداخته می شود: روش کوره بلند و روش کوره قوس الکتریکی:

روش کوره بلند

در روش کوره بلند، سنگ آهن به همراه کک و سنگ آهک وارد کوره‌ ای عظیم با دمای بسیار بالا می‌ شود. در این کوره، کک به‌عنوان عامل احیا کننده باعث کاهش اکسید آهن و تولید آهن مذاب می‌ گردد. این فرآیند پیوسته و صنعتی است و بیشتر در کارخانه‌ های بزرگ فولادسازی به‌کار می‌ رود. آهن حاصل از این روش معمولا به چدن خام تبدیل شده و پس از آن در کنورتورها به فولاد تبدیل می‌ شود. قیمت آهن آلات در هرکدام از این روش ها می تواند متفاوت باشد.

روش کوره قوس الکتریکی

در مقابل، روش کوره قوس الکتریکی بیشتر بر بازیافت آهن قراضه یا آهن اسفنجی تکیه دارد. در این فرآیند، قراضه فلزی درون کوره‌ ای قرار می‌ گیرد و با استفاده از قوس الکتریکی با ولتاژ بالا ذوب می‌ شود. این روش سریع‌ تر، قابل کنترل‌ تر و از نظر زیست‌ محیطی کم‌خطرتر است، چرا که گازهای آلاینده کمتری تولید می‌ کند و امکان استفاده از انرژی تجدیدپذیر در آن وجود دارد. روش قوس الکتریکی برای تولید فولادهای خاص و با خلوص بالا در واحدهای صنعتی کوچک‌ تر و انعطاف‌پذیرتر بسیار مناسب است.

کاربرد آهن خام

• تولید فولاد: اصلی ترین کاربرد آهن خام تبدیل آن به فولاد از طریق فرایندهای ذوب و پالایش است.
  
• قالب گیری و ریخته گری: در صنایع ریخته گری، آهن خام به عنوان ماده اولیه در تولید قالب های آهنی استفاده می شود.
  
• ساخت قطعات خودرویی: برخی از آهن های خام در ساخت قطعات خودرویی و ماشین آلات صنعتی کاربرد دارند.
  
• تولید آلیاژها: آهن خام به عنوان پایه ای برای تهیه آلیاژهای مختلف در صنایع فلزی استفاده می شود.
  
• بازیافت و بهینه سازی: در برخی از فرایندها، آهن خام به عنوان ماده بازیافتی مورد استفاده قرار گرفته و به کاهش هزینه های تولید کمک می کند.

تفاوت کوره بلند و کوره قوس الکتریکی

در جدول زیر به طور کامل با تفاوت های تولید آهن خام به روش کوره بلند و روش کوره قوس الکتریکی آشنا خواهیم شد: 

ویژگی‌ ها	کوره بلند (Blast Furnace)	کوره قوس الکتریکی (Electric Arc Furnace)
منبع انرژی	کک (سوخت فسیلی)	برق (قوس الکتریکی با ولتاژ بالا)
مواد اولیه اصلی	سنگ آهن، کک، سنگ آهک	آهن قراضه، آهن اسفنجی، فروآلیاژ
نوع فرآیند	پیوسته (Continuous)	ناپیوسته (Batch)
کنترل ترکیب شیمیایی	دشوارتر	دقیق و قابل تنظیم
دمای عملیات	حدود ۱۵۰۰ درجه سانتی‌ گراد	تا ۳۰۰۰ درجه سانتی‌ گراد
زمان ذوب	زمان‌بر‌تر، ولی مداوم	سریع‌ تر، ولی ناپیوسته
مصرف انرژی	بالا، مبتنی بر سوخت فسیلی	پایین‌ تر در صورت استفاده از انرژی تجدیدپذیر
سرمایه‌ گذاری اولیه	بسیار بالا (ساخت و نگهداری کوره بلند گران است)	نسبتاً پایین‌ تر
هزینه عملیاتی	بالا (به‌دلیل مصرف سوخت زیاد)	قابل کنترل (بسته به قیمت برق و قراضه)
میزان آلودگی زیست‌محیطی	بالا (انتشار CO₂ و گازهای آلاینده)	کمتر (در صورت استفاده از برق پاک)
کیفیت آهن تولیدی	آهن خام با خلوص متوسط	فولاد با خلوص بالا، قابل تنظیم
انعطاف‌پذیری در تولید	کم، مناسب برای تولید انبوه	بالا، مناسب برای تولیدات متنوع و در مقیاس‌های مختلف
نیاز به منابع طبیعی	بالا (سنگ معدن و کک)	پایین‌تر (امکان بازیافت قراضه فلزی)
کاربرد اصلی	تولید چدن، فولاد پایه و محصولات پایه‌ای	تولید فولاد خاص، قطعات صنعتی، بازیافت آهن
پسماند و سرباره	زیاد، نیازمند مدیریت دقیق	کمتر، قابل استفاده مجدد در برخی صنایع
دوام تجهیزات	بالا، ولی نیازمند نگهداری مداوم	پایین‌تر نسبت به کوره بلند، ولی نگهداری آسان‌تر
مقیاس کارخانه	بزرگ و صنعتی	می‌ تواند کوچک‌ تر یا متوسط باشد

انواع آهن خام

آهن خام به ماده‌ای گفته می‌شود که مستقیماً از سنگ آهن و از طریق فرایندهایی نظیر کوره بلند یا احیای مستقیم به دست می‌آید. این محصول هنوز به فولاد تبدیل نشده و دارای درصد بالایی از کربن و ناخالصی‌های دیگر است. از مهم‌ترین انواع آهن خام می‌توان به چدن خام (Pig Iron) و آهن اسفنجی (DRI) اشاره کرد. آهن خام معمولاً به عنوان ماده اولیه برای تولید فولاد در کوره‌های فولادسازی استفاده می‌شود.

انواع آهن خام از نظر ترکیب و ناخالصی

آهن خام دارای ترکیبات شیمیایی مختلفی است که بسته به روش تولید و نوع ماده اولیه، تفاوت‌هایی در آن دیده می‌شود. بر اساس میزان ناخالصی‌ها و عناصر همراه، می‌توان آن را به چند دسته تقسیم کرد:

• چدن خام پایه: دارای مقدار زیادی کربن (۳ تا ۴.۵٪) و عناصر همراهی مثل سیلیسیم، منگنز، فسفر و گوگرد است. این ترکیب پایه در کوره بلند به‌دست می‌آید.
  
• چدن با ناخالصی پایین: در این نوع، تلاش شده درصد گوگرد و فسفر کاهش یابد، زیرا این عناصر باعث شکنندگی در فولاد نهایی می‌شوند. چنین چدنی مناسب فرآیندهای فولادسازی با کیفیت بالا است.
  
• چدن اصلاح‌شده یا مهندسی‌شده: با افزودن عناصر خاص (مثل نیکل، کروم یا وانادیم)، ساختار چدن تغییر یافته تا برای کاربردهای خاص مانند ساخت قطعات صنعتی مقاوم یا ابزار دقیق استفاده شود.

انواع آهن خام از نظر رنگ و ظاهر

ظاهر آهن خام به ویژه در شکل چدن، بسته به ساختار داخلی و شرایط سرد شدن، متنوع است و این تفاوت‌ ها در رنگ و بافت آن مشاهده می‌ شود:

• چدن خاکستری (Gray Pig Iron): به دلیل حضور گرافیت در ساختار آن، دارای رنگ خاکستری مات است. این نوع چدن شکننده بوده و معمولاً در قطعات ریختگی (مانند بدنه موتور یا پمپ‌ها) استفاده می‌شود.
  
• چدن سفید (White Pig Iron): در این نوع، کربن به صورت کاربید آهن (سمنتیت) در ساختار باقی می‌ماند و باعث ظاهر سفید و براق در سطح شکستگی می‌شود. سخت‌تر و شکننده‌تر است و در تولید چدن‌های آلیاژی کاربرد دارد.
  
• چدن مالیبل یا انعطاف‌پذیر: که در مراحل بعدی از چدن سفید تولید می‌شود، رنگ آن می‌تواند خاکستری متمایل به سفید باشد و از نظر ظاهر و ساختار مناسب برای ساخت قطعاتی است که نیاز به چقرمگی و شکل‌پذیری دارند.

معادن سنگ آهن ایران

ایران دارای معادن متعددی از سنگ آهن با کیفیت های مختلف است که منجر به تولید آهن خام با ویژگی های متنوع می شود. این معادن عبارتند از

منطقه بافق (یزد)

نام معدن	ذخیره	نوع کانی	عیار آهن
معدن چادرملو	۳۸۰ میلیون تن	مگنتیت	۵۶–۵۸٪ (پرعیار)، ۳۰–۳۲٪ (کم‌عیار)
آنومالی شمالی و شرقی	۳۳۷ و ۲۰۰ میلیون تن	مگنتیت	متفاوت
معدن چغارت	۲۱۵ میلیون تن	مگنتیت	۵٪ کم‌عیار
معدن ساغند	۱۳۰ میلیون تن	مگنتیت	۵۶٪ (پرعیار)، ۲۰–۳۵٪ (کم‌عیار)
معدن سه چاهون	۱۱۷ میلیون تن	مگنتیت	ندارد
معدن چاه گز	۱۰۰ میلیون تن	مگنتیت	۵۰–۶۰٪ (پرعیار)، ۳۵–۴۰٪ (کم‌عیار)
معدن ناریگان	۱۰۰ میلیون تن	اکسید منگنز	۳۲٪ آهن، ۷٪ منگنز
معدن میش دوان	۴۰ میلیون تن	هماتیت و مگنتیت	۳۰ تا ۶۰٪
سایر معادن بافق	۲۵ آنومالی کوچک	متنوع	نامشخص

منطقه کرمان

نام معدن	ذخیره	نوع کانی	عیار آهن
معدن زرند کرمان	۲۰۰ میلیون تن	مگنتیت	۲۸ تا ۵۰٪
معدن گل گهر سیرجان	۱۱۰۰ میلیون تن	مگنتیت	نامشخص (تولید کنسانتره)

منطقه اصفهان – اراک

نام معدن	ذخیره	نوع کانی	عیار آهن
معدن شمس آباد	۴۸ میلیون تن	سنگ‌های سیلیسی، آهکی	پرعیار

منطقه اصفهان – کاشان

نام معدن	ذخیره	نوع کانی	عیار آهن
معدن نیاسر	۱ میلیون تن	نامشخص	۶۵٪
معدن نیزار	۰.۵ میلیون تن	نامشخص	۵۸ تا ۶۲٪
سنگ آهن آب پون	نامشخص	مگنتیت و هماتیت	نامشخص
سایر معادن	نامشخص	فریدن و علی آباد	در حال اکتشاف

منطقه خراسان

نام معدن	ذخیره	نوع کانی	عیار آهن
سنگان خواف	چند صد میلیون تن	مگنتیت	نامشخص

منطقه همدان، کردستان و کرمانشاه

نام معدن	ذخیره	نوع کانی	عیار آهن
معدن همه کسی	۶۶ میلیون تن	سنگ آهن	عیار بالا
معدن گلالی	۶۱ میلیون تن	سنگ آهن	نامشخص
معدن شهرک	۴۳ میلیون تن	سنگ آهن	حدود ۶۵٪

منطقه خلیج فارس

نام معدن	ذخیره	نوع کانی	عیار آهن
معدن سمنان	۲ میلیون تن	نامشخص	نامشخص
شیخ آب شرق (سمنان)	۱.۵ میلیون تن	نامشخص	نامشخص
زنجان (خان قارداش، باشکال، سیاهرود)	۱ تا ۵ میلیون تن	هماتیت و لیمونیت	بیش از ۵۰٪

سایر مناطق (سمنان و زنجان)

نام معدن	ذخیره	نوع کانی	عیار آهن
معدن سمنان	۲ میلیون تن	نامشخص	نامشخص
شیخ آب شرق (سمنان)	۱.۵ میلیون تن	نامشخص	نامشخص
زنجان (خان قارداش، باشکال، سیاهرود)	۱ تا ۵ میلیون تن	هماتیت و لیمونیت	بیش از ۵۰٪

جمع بندی

آهن خام به عنوان ماده اولیه اصلی در صنعت فولادسازی، نقش کلیدی در تولید محصولات نهایی ایفا می کند. بررسی دقیق ماده اولیه، خواص مکانیکی، روش های تولید و انواع مختلف این ماده نشان می دهد که کنترل دقیق ترکیب شیمیایی و انتخاب روش مناسب تولید می تواند کیفیت فولاد نهایی و قیمت ورق آهن را به طور قابل توجهی تحت تاثیر قرار دهد. 

سوالات متداول