درباره کوره آهن خالص بیشتر بدانید

کوره آهن خالص که نام دیگر آن بلومری است از انواع کوره‌های صنعتی می‌باشد که در گذشته برای ذوب آهن از اکسیدهای آهنی کاربرد داشته است. در واقع نخستین روش برای استخراج آهن آلات بوده است.

این کوره‌ها خودگداز هستند و نیازی به افزودن سنگ آهک که سنگی رسوبی شیمیایی یا زیست شیمیایی متشکل از کربنات کلسیم است ندارند و محصولی به نام آهن اسفنجی تولید می‌کنند. آهن اسفنجی در واقع یک توده شامل آهن و سرباره می‌باشد که ساختاری متخلخل دارد به همین دلیل اصطلاح اسفنجی را برای آن به کار می‌برند. امروزه با پیشرفت تکنولوژی از کوره‌های بلند برای تولید آهن خام استفاده می‌شود.

بخش های کوره آهن خالص

کوره آهن خالص شامل بخش‌های زیر است:

• یک یا چند لوله در قسمت پایین برای ورود هوا.(هوا می‌تواند به صورت دمشی یا به صورت جریان طبیعی وارد شود.)
• دودکش از جنس خاک رس یا سنگ که مقاوم به حرارت است.
• حفره انتهایی برای خروج سرباره‌ها و آهن. البته گفتنی است که گاهی برای خروج آهن باید کوره را از بین برد.

ساخت کوره

برای ساخت کوره، زغال سنگ و سنگ آهن به نسبت برابر مورد نیاز است. زغال سنگ که کربن خالص است مونوکسید کربن مورد نیاز برای ساخت فلز را فراهم می‌کند. از طرفی زغال سنگ در هنگام سوختن دمای بالایی تولید می‌کند که مناسب فرایند ذوب فلزات است. برای ساخت کوره آهن از سنگ معدن هم استفاده می‌شود. برای این کار معمولاً این سنگ را به قطعات کوچکتر تبدیل کرده تا ناخالصی‌هایی نظیر سیلیس حذف شوند. اندازه با توجه به شکل و نوع کوره و نوع سنگ معدنی و روش مورد استفاده، متفاوت است.

در مرحله بعد این قطعات کوچک را در آتش قرار می‌دهند تا رطوبت و ناخالصی خود را از دست داده و راحت تجزیه شوند. سنگ معدنی که برای این کار استفاده می‌شود Fe2O3 و Fe3O4 و FeO(OH) است که هر کدام آهن با خلوص متفاوتی را به ما می‌دهند. گاهی نیز می‌توان سرباره‌ها را با سنگ معدنی مخلوط و از آن در ساخت کوره‌ها استفاده کرد.

استفاده از کوره

بعد از ساخت کوره ابتدا آن را با سوزاندن چوب گرم می‌کنند سپس زغال سنگ و سنگ معدن را در کوره می‌ریزند. برای احتراق بهتر ابتدا قطعات کوچکتر سنگ معدن و سپس قطعات بزرگتر را اضافه می‌کنند. درون کوره، اکسیدهای آهن و سنگ معدن بدون ذوب شدن توسط مونوکسید کربن که از سوختن ناقص کربن حاصل شده به آهن فلزی تبدیل می‌شوند. به همین علت است که این کوره‌ها در دمایی پایین‌تر از دمای ذوب سنگ معدن کار می‌کنند. محصول این کوره‌ها در نهایت آهن است و در نتیجه مقدار کمی کربن مورد نیاز است. در این کوره‌ها درجه حرارت و مقدار نسبت زغال سنگ به سنگ آهن حائز اهمیت است. در واقع درجه حرارت و نسبت زغال سنگ به سنگ آهن از این نظر حائز اهمیت است که اگر کربن بیش از حد مجاز، جذب آهن شود دیگر آهن به دست آمده مناسب مصارف آهنگری نمی‌باشد. زیرا در اهنگری نیاز به خواص مناسب برای فرم دهی فلزات است.

در انتهای فرایند، ذرات با ابعاد کوچکتر پایین کوره ریخته شده و با بقیه مواد مذاب که شامل سیلیکون، فایالیت (فایالیت ها کریسولیت آهن نیز نامیده میشوند که تبلوری به صورت اورومبیک دارند)، اکسیژن، آهن و رناخالصی‌های سنگ معدن هستند، مخلوط می‌شوند. این مواد در طی حرکت به سمت پایین خنک می‌شوند و تشکیل دیواره‌ای به فرم کاسه می‌دهند که حاوی مایع سرباره است. با ذوب شدن آهن این مواد در این فرم کاسه‌ای قرار می‌گیرند و به علت سنگینی وزن خود با هم sintering یا تفت جوشی می‌شوند که از جمله روش‌های شکل‌دهی مواد فلزی است. در واقع تفت جوشی فرایند چسبیدن یک یا چند ماده در اثر حرارت و با فشار (و گاهی بدون فشار) به یکدیگر و تشکیل یک توده جامد است. در تف جوشی انرژی آزاد سطحی کاهش می‌یابد و نهایتاً یک توده اسفنجی که همان آهن اسفنجی می‌باشد تشکیل می‌شود.

حفره‌های باز داخل این توده اسفنجی معمولا از سرباره پر می‌شوند و برای خارج شدن این سرباره گاهی نیاز است توده اسفنجی با چکش همراه با یک یا چند مرحله گرما کوبیده شود. کوبیده شدن با چکش دو مزیت دارد اول اینکه سرباره خارج می‌شود و دوم اینکه توده فشرده می‌شود.

• اگر فشردگی این توده کم باشد و در نتیجه داخل آن مقدار کمی سرباره باقیمانده باشد، آهن نرم یا آهن ساخته یا همون فرفورژه معروف که آلیاژی از آهن با کربن کم است تولید می‌شود. در این حالت سرباره مانند الیاف عمل کرده و این آهن نرم یا ساخته مقاوم در برابر خوردگی بوده و به راحتی جوشکاری شده و شکل‌پذیری خوبی دارد.
• اگر فشردگی توده زیاد باشد این توده آهن کار شده نامیده می‌شود.

خلاصه اینکه با توجه به مراحل تولید و فرایندهای گوناگون و میزان جریان هوای ورودی، آهن‌های اسفنجی کربن متفاوتی دارند.

تاریخچه کوره آهن خالص

تاریخچه ذوب آهن به سال ۱۵۵۶ توسط گئورگیوس اگریکولا در قرون وسطی برمی‌گردد.( گئورگیوس اگریکولا یک دانشمند کانی شناس آلمانی بود.) این دوره شروع استفاده از کوره آهن خالص یا همون بلومری می‌باشد. در قبل از این دوره آهن‌های موجود یا شهاب سنگی، دارای مقدار نیکل بالایی بودند و یا به صورت اتفاقی در طی فرایند ذوب مس تولید می‌شدند.

– ذوب آهن در خاورمیانه به ۳۰۰ سال قبل میلاد برمی‌گردد اما در آن زمان مردم از کاربرد آن آگاهی نداشتند و در نتیجه تا مدت‌ها این آهن استفاده‌ای نداشت. در غرب نیز اولین استفاده‌ها از آهن به حدود ۱۲۰۰ سال قبل از میلاد برمیگردد. چین از گذشته‌های دور از کوره‌های آهن خالص استفاده می‌کرده است. در واقع آن‌ها در ابتدا از کوره‌های بلند آهنگری برای آهن نرم استفاده می‌کردند. همچنین در کوهپایه‌های مرکزی آسیا کوره‌های بادی آهن یافت شده است که توسط بادهای موسمی کار می‌کرده‌اند. این کوره‌ها قدمتی معادل ۳۰۰ سال قبل از میلاد دارند که از این کوره‌ها آهنی با درصد کربن بالا حاصل می‌شد که مناسب برای ساخت انواع شمشیر بوده است. همچنین از آهن نرم در ساخت ستون‌های دهلی در قرن سوم بعد از میلاد استفاده می‌کردند.

– در جنوب و شرق آفریقا نیز نوعی فرایند بلومری در گذشته‌ها استفاده می‌شده است.

– قدیمی‌ترین کوره بلند در اروپا مربوط به قرن ۱۲ می‌باشد که در کشور سوئد یافت شده است که مربوط به ۷۰۰ سال قبل از میلاد است. در اروپا از این کوره‌ها در ابعاد نسبتا کوچک استفاده می‌کردند، زیرا نیروی آن‌ها با چکش‌های دستی اعمال می‌شده است. در دوره رومی‌ها آهن اسفنجی در کوره‌هایی مرتفع و با جریان طبیعی هوا تولید می‌شد. بعدها همین کوره‌ها با استفاده از چرخ آب توسعه یافت و کوره‌ها بزرگتر، داغ‌تر و اهرمی شد.

به مرور زمان اندازه کوره‌ها افزایش یافت و آهن بیشتر در معرض زغال قرار گرفت و در نتیجه با کربن اشباع شد که نیاز به اکسیداسیون داشت تا به فولاد تبدیل شود. به همین علت بازدهی آن کم شد تا نهایتاً در قرن چهاردهم کوره‌های مناسب اولیه ساخته شد.

این کوره‌ها محصولات با کربنی متفاوت تولید می‌کرد و آهنگر مجبور بود قطعاتی با کربن کم را یافته، آنها را کربن‌دهی کرده و به یکدیگر جوش دهد تا ورقه فولادی ساخته شود. در این فرایند آهنگر سرباره‌ها را حذف و محصولی همگن تولید می‌کرد. البته گاهی در فرایندی مشابه می‌توانستند سطح محصول نهایی را کربن‌دهی کنند.

– ذوب آهن در آمریکا قبل کلمبیا ناشناخته بود. باستان شناسان اولین کوره آهن خالص در آن‌جا را در حدود ۱۶۰۰ تخمین زده‌اند. کارخانه آهن فالینگ کریک اولین کارخانه آهن در ایالات متحده است.

نتیجه گیری

کوره آهن خالص از جمله اولین کوره‌ها برای استخراج آهن است. در گذشته این کوره‌ها در قاره‌های اسیا و افریقا و اروپا و امریکا به صورت‌های مختلف استفاده شده است. همه این کوره‌ها شامل بخش‌های اساسی شامل دودکش، یک یا چند لوله در قسمت پایین و حفره‌ای در انتها بوده‌اند. همچنین این کوره‌ها گاهی به دفعات مورد استفاده قرار می‌گرفته و گاهی برای خروج آهن در انتها نیاز به تخریب کوره بوده است.

محصولی که از این کوره‌ها به دست می‌آید آهن اسفنجی نامیده شده که شامل آهن و سرباره‌های اضافی است. این مجموعه حالتی متخلخل و اسفنجی دارد که با توجه به کاربرد گاهی فشرده‌تر می‌شود و سرباره‌های اضافی خارج می‌شود و گاهی با تراکم کمتر استفاده می‌گردد. امروزه با پیشرفت تکنولوژی برای تولید آهن خام از کوره‌های بلند استفاده می‌شود.