استخراج آهن در کوره‌بلند؛ نقش کک، سنگ‌آهک و تشکیل سرباره

سنگ معدن چرا باید کاهش یابد؟

سنگ معدن آهن مخلوطی از کانی‌های آهن‌دار و مواد ناخواسته است. هماتیت با فرمول Fe₂O₃ یکی از اکسیدهای مهم آهن است. در Fe₂O₃ عدد اکسایش آهن ۳+ است، اما در آهن فلزی عدد اکسایش صفر دارد؛ پس تبدیل سنگ معدن به فلز مستلزم کاهش یون‌های آهن و گرفتن اکسیژن از اکسید است.

معادله کلی و ساده‌شده کاهش هماتیت با کربن مونوکسید چنین است: Fe₂O₃(s) + 3CO(g) → 2Fe(l) + 3CO₂(g). عدد اکسایش آهن از ۳+ به صفر کاهش می‌یابد و کربن موجود در CO از ۲+ به ۴+ در CO₂ می‌رسد؛ بنابراین CO عامل کاهنده است و خود اکسایش می‌یابد.

• هماتیت یک سنگ معدن مهم با جزء آهن‌دار Fe₂O₃ است
• تبدیل Fe³⁺ به Fe، فرایند کاهش است
• CO عامل کاهنده و Fe₂O₃ اکسنده است
• معادله باید هم از نظر اتم و هم از نظر تغییر عدد اکسایش سازگار باشد

کوره‌بلند چگونه مواد را در تماس قرار می‌دهد؟

از بالای کوره‌بلند، سنگ معدن، کک و سنگ‌آهک وارد می‌شوند و هوای گرم از بخش پایین به درون کوره دمیده می‌شود. جامدها به‌تدریج پایین می‌آیند و گازهای داغ به سمت بالا حرکت می‌کنند. این حرکت خلاف‌جهت، تماس و انتقال گرما میان مواد را افزایش می‌دهد و در ناحیه‌های مختلف کوره واکنش‌های متفاوتی رخ می‌دهد.

دمیدن هوای گرم باعث سوختن بخشی از کک و آزادشدن گرما می‌شود: C(s) + O₂(g) → CO₂(g). در دمای زیاد، کربن دی‌اکسید با کک بیشتری واکنش می‌دهد و کربن مونوکسید می‌سازد: CO₂(g) + C(s) → 2CO(g). در نتیجه کک فقط منبع گرما نیست؛ به تولید CO لازم برای کاهش اکسید آهن نیز کمک می‌کند.

• خوراک جامد از بالا و هوای گرم از پایین وارد می‌شود
• سوختن کک انرژی مورد نیاز کوره را فراهم می‌کند
• واکنش CO₂ با کربن، گاز CO تولید می‌کند
• CO در بخش‌های بالاتر کوره با اکسید آهن تماس می‌یابد

کربن مونوکسید چگونه آهن را آزاد می‌کند؟

کاهش اکسیدهای آهن در کوره می‌تواند در چند مرحله انجام شود، اما در مدل دبیرستانی می‌توان نتیجه کلی را با واکنش Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ نمایش داد. اکسیژن اکسید آهن در نهایت به CO منتقل می‌شود و CO₂ تشکیل می‌گردد. آهن تولیدشده در بخش داغ کوره ذوب می‌شود و به سوی پایین روانه می‌گردد.

نباید نقش عامل کاهنده را با سوخت اشتباه گرفت. کربن جامد در ایجاد دمای بالا و تولید CO نقش دارد، ولی در معادله کلی بالا این CO است که مستقیماً اکسیژن Fe₂O₃ را می‌گیرد. همچنین آهن خروجی کوره‌بلند خالص نیست و مقداری کربن و ناخالصی‌های دیگر دارد؛ برای تولید انواع فولاد باید ترکیب آن در مراحل بعدی تنظیم شود.

سنگ‌آهک و سرباره چه نقشی دارند؟

سنگ معدن معمولاً ناخالصی‌هایی مانند سیلیس SiO₂ دارد. سنگ‌آهک CaCO₃ در گرمای کوره تجزیه می‌شود: CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g). کلسیم اکسید حاصل با سیلیس واکنش می‌دهد و کلسیم سیلیکات می‌سازد: CaO(s) + SiO₂(s) → CaSiO₃(l). این ماده بخشی از سرباره است.

سرباره مذاب از آهن مذاب چگالی کمتری دارد و روی آن قرار می‌گیرد؛ بنابراین می‌توان دو لایه را جداگانه از کوره خارج کرد. پس سنگ‌آهک آهن تولید نمی‌کند و عامل کاهنده هم نیست؛ وظیفه اصلی آن در این مدل، فراهم‌کردن CaO برای تبدیل ناخالصی اسیدی SiO₂ به ماده‌ای جداشدنی است.

• CaCO₃ در گرما به CaO و CO₂ تجزیه می‌شود
• CaO با ناخالصی SiO₂ واکنش می‌دهد
• CaSiO₃ از اجزای مهم سرباره است
• اختلاف چگالی به جداسازی سرباره از آهن مذاب کمک می‌کند

محصول کوره‌بلند را با فولاد یکی ندان

آهن مذاب خروجی کوره‌بلند که معمولاً چدن خام نامیده می‌شود، درصد قابل توجهی کربن و مقداری عنصرهای دیگر دارد. وجود کربن زیاد، رفتار مکانیکی آن را با آهن نسبتاً خالص و فولاد متفاوت می‌کند. بنابراین پایان کار کوره‌بلند به معنای تولید مستقیم هر نوع فولاد مورد نیاز نیست.

در فولادسازی، مقدار کربن و ناخالصی‌ها کنترل می‌شود و ممکن است عنصرهای دیگری برای رسیدن به خواص مطلوب افزوده شوند. رابطه ساختار و خواص در اینجا مهم است: تغییر ترکیب شیمیایی می‌تواند سختی، شکل‌پذیری و مقاومت ماده را تغییر دهد. در پاسخ‌های درسی، میان سنگ معدن، آهن مذاب کوره و فولاد نهایی مرز روشن بگذار.

مثال حل‌شده: از هماتیت چند گرم آهن به دست می‌آید؟

فرض کن 160 g هماتیت خالص Fe₂O₃ به طور کامل مطابق واکنش Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ کاهش یابد. با جرم‌های اتمی تقریبی Fe = 56 و O = 16، جرم مولی Fe₂O₃ برابر 2(56) + 3(16) = 160 g·mol⁻¹ است؛ پس 160 g هماتیت برابر 1.00 mol Fe₂O₃ خواهد بود.

از نسبت ضرایب، هر 1 mol Fe₂O₃ مقدار 2 mol Fe تولید می‌کند. بنابراین 2.00 mol آهن، یعنی 2 × 56 = 112 g آهن، به دست می‌آید. این پاسخ مقدار نظری است و فرض می‌کند هماتیت خالص، واکنش کامل و بازده ۱۰۰ درصد است؛ در یک نمونه واقعی باید درصد خلوص سنگ معدن و بازده فرایند نیز در جای درست محاسبه وارد شوند.

تمرین روشن و نکات کلیدی

تمرین: برای کاهش کامل 0.50 mol هماتیت چند مول CO مصرف و چند مول CO₂ تولید می‌شود؟ نسبت ضرایب در معادله 1:3:2:3 است. بنابراین برای 0.50 mol Fe₂O₃، مقدار 1.50 mol CO مصرف می‌شود، 1.00 mol Fe و 1.50 mol CO₂ تولید می‌گردد.

برای حل پرسش‌های این مبحث ابتدا نقش هر ورودی را بنویس، سپس معادله مربوط را انتخاب کن. اگر محاسبه خواسته شده است، جرم را به مول تبدیل کن و فقط از نسبت ضرایب معادله موازنه‌شده استفاده کن. در پایان بررسی کن که آهن از کاهش اکسید به دست آمده، CO عامل کاهنده بوده و ناخالصی سیلیس به سرباره منتقل شده است.

• کک: تأمین گرما و کمک به تولید CO
• CO: عامل کاهنده اکسید آهن
• سنگ‌آهک: منبع CaO برای جداسازی ناخالصی سیلیس
• سرباره: لایه‌ای جدا از آهن مذاب
• در محاسبه، خلوص و بازده را فقط در صورت داده‌شدن اعمال کن
• محصول مستقیم کوره‌بلند را با فولاد نهایی یکسان ندان