۵ درصد از پوسته زمین را سنگ آهن تشکیل داده است که به آن Iron ore نیز گفته می شود. سنگ آهن یک ماده معدنی است که از طریق خردایش، حرارت دهی، خالص‌سازی و استفاده از یک احیاکننده قابلیت تبدیل به آهن فلزی را دارد. کارشناسان سنگ ها را به دو دسته تقسیم کرده اند: 1. انواع سنگ آهن از لحاظ ظاهری: دانه بندی شده، گندله، کنسانتره، کلوخه ،2. انواع سنگ آهن از لحاظ کانی: مگنتیت، هماتیت، سیدریت، لیمونیت، زئولیت، درکل، چهار نوع آن ها اصلی است و در ذخایر سنگ آهن موجود می باشد. از بین انواع سنگ آهن های معرفی شده، سنگ آهن هماتیت و مگنتیت بهترین گزینه ها برای فرآوری هستند. هماتیت غلظت بالایی از آهن را در خود دارد و این موضوع برای سنگ آهن مگنتیت نیز صدق می کند. اما موضوع مهم در مورد مگنتیت جداسازی راحت اجزای سنگ آهن به دلیل داشتن ویژگی مغناطیسی آن است. موضوع مهم دیگر داشتن سطح پایینی از آلاینده های معدنی و مواد اضافه است. استفاده از این نوع سنگ های آهن باعث صرفه جویی در زمان و هزینه های تولید آهن می شود.

در ادامه به ترتیب 10 کشور برتر تولید کننده آهن در سال 2022 با استفاده از آخرین داده های ارائه شده توسط سازمان زمین شناسی ایالات متحده آورده شده است.
۱) استرالیا: سنگ معدن قابل استفاده: 880 میلیون تن. میزان آهن: 540 میلیون تن استرالیا بزرگترین کشور برای استخراج سنگ آهن است و خروجی سنگ آهن قابل استفاده آن 880 میلیون تن در سال 2022 بوده است. تولید کننده سنگ آهن پیشرو استرالیا BHP است، اما Rio Tinto و Fortescue Metals Group نیز تولیدکنندگان بزرگی هستند. منطقه Pilbara، برجسته ترین حوزه قضایی سنگ آهن در استرالیا است.
2) برزیل: سنگ معدن قابل استفاده: 410 میلیون تن. میزان آهن: 260 میلیون تن تولیدکننده بزرگ برزیل، مجموع تولید سنگ آهن قابل استفاده خود را 410 میلیون تن در سال 2022 ذکر کرده است. بزرگترین مناطق سنگ آهن در این کشور ایالت های Pará و Minas Gerais هستند که مجموعا 98 درصد از تولید سالانه سنگ آهن برزیل را تشکیل می دهند. در Pará بزرگترین معدن سنگ آهن در جهان، معدن Vale’s Carajas است. Vale که دفتر مرکزی آن در Rio de Janeiro قرار دارد، بزرگترین تولیدکننده گندله سنگ آهن در جهان نیز می باشد.
3) چین: سنگ معدن قابل استفاده: 380 میلیون تن. میزان آهن: 240 میلیون تن چین بزرگترین مصرف کننده سنگ آهن در جهان است، علیرغم اینکه تنها سومین کشور بزرگ تولید کننده آهن است. تولید سنگ معدن قابل استفاده این کشور در سال 2022 نسبت به سال قبل 14 میلیون تن کاهش با توجه به اینکه چین بزرگترین تولید کننده فولاد ضد زنگ در جهان است، عرضه داخلی آن برای پاسخگویی به تقاضا کافی نیست. این کشور بیش از 70 درصد سنگ آهن جهان را از طریق دریا وارد می کند.
۴) هند: سنگ معدن قابل استفاده: 290 میلیون تن. میزان آهن: 180 میلیون تن تولید سنگ آهن قابل استفاده هند از سال 2021 تا 2022 افزایش یافت و از 273 میلیون تن در سال گذشته به 290 میلیون تن رسید. تولید محتوای آهن آن از 168 میلیون تن به 180 میلیون تن افزایش یافت. بزرگترین معدن سنگ آهن هند، NMDC، در سال 2021 به تولید 40 میلیون تن در سال رسید و اولین شرکتی بود که این کار را در این کشور انجام داد. NMDC نرخ تولید سالانه 50 میلیون تن در سال 2023 و 100 میلیون تن تا سال 2030 را هدف قرار داده است.
5) روسیه: سنگ معدن قابل استفاده: 90 میلیون تن. میزان آهن: 63 میلیون تن روسیه به عنوان پنجمین کشور بزرگ تولید کننده آهن در جهان است. تولید سنگ آهن قابل استفاده در سال 2022 نسبت به سال قبل 6 میلیون تن کاهش یافت، در حالی که میزان آهن از 66.7 میلیون تن به 63 میلیون تن کاهش یافت.
6) اوکراین: سنگ معدن قابل استفاده: 76 میلیون تن. میزان آهن: 47 میلیون تن رتبه ششم از نظر تولید سنگ آهن قابل استفاده بین اوکراین و آفریقای جنوبی مشترک است. صنعت سنگ آهن و فولاد اوکراین 10 درصد از تولید ناخالص داخلی این کشور را تشکیل می دهد. تولید اوکراین در سال 2022 بیش از 9 درصد نسبت به سال قبل کاهش یافت.
7) آفریقای جنوبی: سنگ معدن قابل استفاده: 76 میلیون تن. میزان آهن: 48 میلیون تن تولید سنگ آهن قابل استفاده آفریقای جنوبی از 73.1 میلیون تن به 76 میلیون تن در سال 2022 افزایش یافت. محتوای سنگ آهن این کشور نیز از 46.5 میلیون تن به 48 میلیون تن افزایش یافت. سنگ آهن Kumba بزرگترین تولیدکننده سنگ آهن آفریقا است.
8) ایران: سنگ معدن قابل استفاده: 75 میلیون تن. میزان آهن: 49 میلیون تن هفتمین کشور بزرگ تولید کننده آهن ایران است که در سال گذشته از رتبه دهم به این رتبه صعود کرد. در سال 2022، 75 میلیون تن سنگ آهن قابل استفاده و 49 میلیون تن آهن تولید کرد که به ترتیب از 72.9 میلیون تن و 47.9 میلیون تن افزایش یافت. یکی از مهمترین معادن سنگ آهن کشور، گل گهر در استان کرمان است. دولت ایران تولید سالانه 55 میلیون تن فولاد را تا سال 2025 تا 2026 هدف گذاری کرده است. برای رسیدن به این هدف، صنعت سنگ آهن کشور نیاز به تولید 160 میلیون تن آهن دارد.
۹) قزاقستان: سنگ معدن قابل استفاده: 66 میلیون تن. میزان آهن: 14 میلیون تن قزاقستان نهمین کشور بزرگ تولید کننده آهن در جهان است. تولید سنگ آهن قابل استفاده اندکی از 64.1 میلیون تن در سال گذشته به رکورد 66 میلیون تن در سال 2022 رسید، در حالی که میزان آهن از 13.1 میلیون تن به 14 میلیون تن افزایش یافت.
10) کانادا: سنگ معدن قابل استفاده: 58 میلیون تن. میزان آهن: 35 میلیون تن کانادا که به عنوان دهمین کشور بزرگ تولید کننده آهن قرار دارد، در سال 2022 در مجموع 58 میلیون تن سنگ آهن قابل استفاده و 35 میلیون تن آهن تولید کرد که به ترتیب نسبت به 57.5 میلیون تن و 34.5 میلیون تن در سال 2021 افزایش بسیار ناچیزی داشت. Champion Iron یکی از شرکت های تولید کننده سنگ آهن در کشور است. در جدول زیر میزان تولیدات سنگ آهن در پنج کشور اول در جهان به علاوه ی ایران از سال ۲۰۱۷ تا ۲۰۲۲ آورده شده است.

برای تولید فولاد لازم است اکسید سایر عناصر مزاحم كه بعنوان باطله شناخته مي شوند از سنگ آهن جدا نمود و اکسیژن موجود در اکسید آهن نیز حذف شود. آنگاه آهن خام حاصله را با تنظیم میزان عناصر همراه و انجام فرآیند ذوب تبدیل به فولاد نمود. در ادامه مراحل تولید کنسانتره آهن اورده شده است.

1. خردايش:

در کارخانجات فرآوری کانی های آهنی، سنگ آهن به دست آمده از منابع مختلف، طی سه مرحله اصلی شامل سنگ شکنی و خردایش، پر عیار کردن و جداسازی به کنسانتره سنگ آهن با عیار بالای ۶۰ درصد آهن تبدیل می شود. کنسانتره آهن را قبل از استفاده، در واحدهای آگلومراسیون به موادی با هندسه، ابعاد، تخلخل، استحکام و ویژگی های حرارتی یکنواخت تبدیل می کنند تا در کوره بلند و کوره های احیاي مستقيم دارای ویژگی های مکانیکی، شیمیایی و حرارتی مطلوبی بوده و عملکرد فنی و اقتصادی فرآيند را دچار مشکل نسازند. حذف اکسیژن ( احیا سنگ آهن ) از کنستانتره که به شكل پودر تهيه شده تقريبا نا ممکن است لذا لازم است این پودر بصورت قطعات بزرگتری( گندله) در آید تا عبور گازهاي احيا كننده و خروج گازهاي اضافي از بين ذرات به سهولت انجام گيرد و اکسیژن آن حذف گردد. اندازه گندله ها معمولاً ۸ تا ۱۶ میلی متر است. در گندله سازی پس از آماده کردن کنسانتره، آن را با مواد مختلفی مثل بنتونیت، آهک، آب و سیمان مخلوط می‌کنند تا ذرات پودری شکل به یکدیگر بچسبند. در نهایت گلوله‌های آماده شده خام را می‌پزند. پس از پخت گندله‌ها باید به صورت کنترل شده خنک شوند تا ترک ایجاد نشود.

پس از گذراندن مراحل تبدیل سنگ آهن به کنسانتره و گندله سازی، دو روش اصلی جهت تولید فولاد از از گندله های تولید شده وجود دارد:
1) استفاده از کوره بلند و کنورتورها جهت تبدیل فرآورده کوره بلند به فولاد
2) احیای مستقیم و استفاده از کوره قوس الکتریکی

کوره بلند

در کوره بلند سنگ آهن کلوخه شده و به همراه آهک (در نقش فلاکس) و کک (به عنوان عامل احیا) از بالای کوره وارد شده و کک با دمش هوا و اکسیژن سوخته و گرمای لازم جهت ذوب کردن آهن و احیای آن تامین می‌شود. پس از آن آهن احیا شده که اصطلاحا چدن خام (Pig Iron) نامیده می شود، با کربن بسیار بالا و خلوص آهن حدود ۹۵% به صورت مذاب از پایین و گاز CO₂ و CO از بالای کوره خارج می‌شود. محصول کوره بلند را آهن خام می‌نامند. اهن خام دارای ۳ تا ۴درصد کربن و نقطه ذوب آن در حدود ۱۳۰۰درجه سانتی‌گراد است. این محصول را به دلیل شکنندگی زیاد و ناخالصی‌های فراوان نمی‌توان در صنعت مورد استفاده قرار داد. با تنظیم درجه حرارت کوره بلند و کنترل مقدار سیلسیم و منگنز موجود در آن می‌توان دو نوع آهن خام به دست آورد که به نام‌های آهن خام سفید و آهن خام خاکستری معروف هستند.

محصولات کوره بلند / متالورژی ثانویه

آهن خام سفید

در این محصول منگنز نقش عمده‌ای را بازی می‌کند و باعث می‌شود که آهن با کربن، به صورت کاربید آهن در آن باقی بماند.

آهن خام خاکستری

وجود سیلسیم زیاد در آهن خام خاکستری باعث می‌شود که در هنگام سرد شدن، کربن از کاربید آهن جدا و به صورت گرافیت در محصول ظاهر ‌شود.

کنورتور و متالورژی ثانویه

مواد ورودی به یک کنورتور شامل فلز داغ تولید شده توسط کوره بلند و همچنین آهن قراضه می باشد. اکسیژن از طریق یک نازل بر روی فلز مذاب دمیده شده که باعث سوزانده شدن محصولات جانبی ناخواسته در فلز داغ مانند کربن، فسفر و گوگرد می شود. این فرآیند احتراق به عنوان پالایش شناخته می شود. پس از پالایش، فولاد برای پرداخت بعدی تحت متالورژی ثانویه قرار می گیرد. متالورژی ثانویه به پرداخت فولاد مایع در کنورتور یا کوره قوس الکتریکی اشاره دارد. در فرایند متالورژی ثانویه، عناصر آلیاژی مانند نیکل،کبالت، کروم یا مولیبدن به فولاد خام اضافه می شوند و میزان کربن آن تنظیم شده و محصولات جانبی مانند گوگرد و فسفر حذف می شوند تا عیارهای مختلف فولاد تولید شوند.

احیا مستقیم

ورودی کارخانه احیا مستقیم، گندله سنگ آهن است که با حذف اکسیژن به آهن اسفنجی و سپس با تنظیم آلیاژ به فولاد تبدیل می‌شود. آهن اسفنجی از احیای مستقیم سنگ آهن به دست آمده و طی عملیات احیای بی واسطه، بدون نیاز به ذوب سنگ آهن، اکسیژن آن حذف می‌شود. در این روش، گندله سنگ آهن با عیار ۶۷%، احیا شده و گندله متخلخل تشکیل می‌شود. شکل ظاهری این محصول به صورت قطعات کروی شکل (گندله) است که به دلیل متخلخل بودن ساختار آن، ظاهر اسفنجی دارد؛ به همین دلیل به آن آهن اسفنجی می‌گویند. این محصول دارای عیار بالای آهن بوده که امروزه با توجه به کمبود ضایعات اهن، افزایش قیمت آن و مشکلات زیست محیطی مورد توجه قرار می‌گیرد.

روش های تولید آهن اسفنجی با استفاده از منابع گازی و زغال سنگ

تولیدگندله متخلخل از سنگ‌ آهن، عموماً به دو روش گازی (Gas Based) یا استفاده از زغال‌ سنگ (Coal Based) انجام می‌شود. معمولاً در کشورهایی که دارای ذخایر گاز هستند، از روش گازی بیشتر استفاده می‌شود. در ایران نیز به‌ طور مثال، فولاد خوزستان فولاد مبارکه از گاز به عنوان ماده احیا کننده استفاده می‌کند.

برای تولید آهن اسفنجی با استفاده از گاز طبیعی از فناوری‌ های زیر استفاده می‌شود:

• میدرکس
• HYL
• Purofer

شناخته‌ شده‌ ترین روش‌ احیای مستقیم گازی، روش‌ های میدرکس می‌باشد و این تکنولوژی اصالتاً آمریکایی است.

تولید آهن اسفنجی به روش میدرکس

این روش به‌ عنوان پر استفاده‌ ترین روش‌ های تولید آهن اسفنجی در ایران و جهان شناخته شده است. در این روش، گاز طبیعی وارد واحد شکست گاز می‌شود، سپس بر اثر حرارت وارد شده و کاتالیست‌ های مخصوص، به هیدروژن و کربن تبدیل می‌شود. سپس این هیدروژن و کربن، در کوره‌ ای که کوره احیا نام دارد، وارد شده و با اکسیژن گندله سنگ آهن ترکیب می‌شود و باعث احیای سنگ آهن خواهد شد. حدود 80 درصد از آهن اسفنجی ایران، به این روش تولید شده است. در شکل زیر فرآیند تولید آهن اسفنجی به روش میدرکس آورده شده است.

کوره قوس الکتریکی

دو ماده اصلی مورد استفاده در این کوره ها، قراضه و آهن اسفنجی می باشد. ابتدا در کوره مقداری آهن قراضه شارژ می شود و به وسیله ایجاد قوس الکتریکی ذوب می شود و سپس آهن اسفنجی در کوره شارژ می شود. خواص فیزیکی قراضه در ذوب تاثیر بسزایی دارد، به طوریکه اگر به درستی انتخاب نشوند می تواند باعث شکست شدن الکترودها یا سرریز شدن مذاب و یا حتی انفجار گردد. ناخالصی‌های موجود در آهن اثرات زیان باری بر خواص شیمیایی و فیزیکی فولاد می‌گذارد و این موضوع سبب گردیده در بیشتر تولید کنندگان فولاد جهان برای اینکه محصول خالص‌تری به‌دست آورند در کوره قوس فقط از آهن اسفنجی استفاده می‌کنند. آهن اسفنجی ناخالصی‌های موجود در قراضه‌های آهن را ندارد و موجب تولید محصول خالص تر می گردد.