فرآوری سنگ آهن

آهن

آهن (Fe) فلزی نسبتاً متراکم با ظاهر سفید نقره‌ای و خاصیت مغناطیسی متمایز است. 5 درصد وزن پوسته زمین را تشکیل می‌دهد و بعد از اکسیژن، سیلیکون و آلومینیوم چهارمین عنصر فراوان است. در دمای 1538 درجه سانتی‌گراد (2800 درجه فارنهایت) ذوب می‌شود.

آهن آلوتروپیک است – یعنی به اشکال مختلف وجود دارد. ساختار بلوری آن بسته به درجه حرارت، مکعب بدن محور (مسیل) یا مکعب صورت محور (fcc) است. در هر دو اصلاحات کریستالوگرافی، پیکربندی اصلی مکعبی با اتم‌های آهن است که در گوشه‌ها قرار دارد.

در اصلاح ccc و در مرکز هر صورت در fcc یک هسته اضافی در مرکز هر مکعب وجود دارد. در دمای اتاق، آهن خالص دارای ساختار bcc است که به آن آلفا فریت گفته می‌شود. این حالت تا زمانی که درجه حرارت به 912 درجه سانتیگراد (1 674 درجه فارنهایت) برسد، هنگامی که به یک آرایش fcc معروف به آستنیت تبدیل شود، ادامه می‌یابد.

با گرم شدن بیشتر، آستنیت باقی می‌ماند تا درجه حرارت به 1394 درجه سانتیگراد (2541 درجه فارنهایت) برسد، در آن زمان ساختار BCC دوباره ظاهر می‌شود. این فرم آهن که دلتا فریت نامیده می‌شود تا رسیدن به نقطه ذوب باقی می‌ماند.

این فلز خالص قابل انعطاف است و با چکش زدن به راحتی می‌توان آن را شکل داد، اما جدا از کاربردهای الکتریکی خاص، به ندرت و بدون افزودن عناصر دیگر برای بهبود خواص آن استفاده نمی‌شود.غالباً در آلیاژهای آهن و کربن مانند فولادها، که بین 0.003 تا حدود 2 درصد کربن (اکثر آن‌ها در دامنه 0.01 تا 1.2 درصد) قرار دارند، ظاهر می‌شود و آهن‌ها را با 2 تا 4 درصد کربن تشکیل می‌دهد.

در محتوای کربن معمول در فولادها، کاربید آهن (Fe₃C)، که به آن سمنتیت نیز گفته می‌شود، تشکیل می‌شود. سیمانیت سخت‌تر و قوی‌تر از فریت است اما بسیار کمتر قابل انعطاف است، به طوری که خصوصیات مکانیکی بسیار متفاوتی با تغییر مقدار کربن بدست می‌آید.

در محتوای بالاتر کربن که معمولاً در چدن‌ها وجود دارد، بسته به شرایط تولید، کربن ممکن است بصورت سمنتیت یا گرافیت جدا شود. باز هم، طیف گسترده‌ای از خواص به دست می‌آید. این تطبیق‌پذیری آلیاژهای آهن و کربن منجر به استفاده گسترده آن‌ها در مهندسی می‌شود و توضیح می‌دهد که چرا آهن مهم‌ترین فلزصنعتی است.

سنگ معدن

سنگ معدن آهن در سنگ‌های آذرین، دگرگونی (تبدیل شده) یا رسوبی در انواع محیط‌های زمین شناسی وجود دارد. بیشتر آن‌ها رسوبی هستند، اما بسیاری از آن‌ها در اثر هوازدگی تغییر کرده‌اند، بنابراین تعیین منشا دقیق آن‌ها دشوار است.

بیشترین توزیع مواد معدنی حاوی آهن اکسیدها است و سنگ معدن آهن عمدتاً از هماتیت (Fe₂O₃) تشکیل شده است که قرمز است. مگنتیت (Fe₃O₄)، که سیاه است. سنگ لیمونیت یا سنگ آهن (₂Fe₂O₃ · 3H₂O) که قهوه‌ای است. و سیدیریت (FeCO₃) که قهوه‌ای کم رنگ است. هماتیت و مگنتیت تا حد زیادی متداول‌ترین نوع سنگ معدن هستند.

مگنتیت خالص حاوی 72.4 درصد آهن، هماتیت 69.9 درصد، لیمونیت 59.8 درصد و سیدرایت 48.2 درصد است، اما از آنجا که این مواد معدنی هرگز به تنهایی رخ نمی‌دهند، محتوای فلز سنگ معدن واقعی کمتر است. رسوباتی که کمتر از 30 درصد آهن دارند از نظر تجاری جذاب نیستند و اگرچه برخی از سنگ معدن‌ها 66 درصد آهن دارند، اما در محدوده 50 تا 60 درصد وجود دارد.

کیفیت سنگ معدن نیز تحت تأثیر سایر مواد تشکیل دهنده آن است که در مجموع به عنوان گانگ شناخته می‌شوند. سیلیس (SiO₂) و ترکیبات حاوی فسفر (که معمولاً به عنوان P₂O₅ گزارش می‌شوند) از اهمیت ویژه‌ای برخوردار هستند زیرا بر ترکیب فلز تأثیر می‌گذارند و مشکلات بیشتری در ساخت فولاد ایجاد می‌کنند.

چین، برزیل، استرالیا، روسیه و اوکراین پنج تولید کننده سنگ آهن هستند، اما مقادیر قابل توجهی نیز در هند، ایالات متحده، کانادا و قزاقستان استخراج می‌شود. این نه کشور با هم 80 درصد سنگ آهن جهان را تولید می‌کنند.

برزیل، استرالیا، کانادا و هند بیشترین صادرات را انجام می‌دهند، اگرچه سوئد، لیبریا، ونزوئلا، موریتانی و آفریقای جنوبی نیز مقادیر زیادی را به فروش می‌رسانند. ژاپن، اتحادیه اروپا و ایالات متحده عمده‌ترین واردکنندگان هستند.

استخراج و خالص‌سازی

بیشتر سنگ‌های معدنی آهن با استخراج سطحی استخراج می‌شوند. برخی از معادن زیرزمینی وجود دارند، اما، هرجا که امکان دارد، استخراج سطحی ترجیح داده می‌شود زیرا ارزان‌تر است.

توده‌ها

• خرد کردن

سنگ آهن استخراج شده شامل توده‌هایی با اندازه‌های مختلف است که بزرگ‌ترین آنها بیش از 1 متر (40 اینچ) عرض و کوچک‌ترین آنها حدود 1 میلی‌متر (0.04 اینچ) است. اما کوره بلند به توده‌هایی بین 7 تا 25 میلی متر نیاز دارد، بنابراین سنگ معدن باید خرد شود تا حداکثر اندازه ذرات کاهش یابد.

سنگ معدن خرد شده با عبور از سطح غربالی که مواد کم حجم در آن می‌ریزد، به بخش‌های مختلفی تقسیم می‌شود. به این ترتیب سنگ معدن توده یا قلوه سنگ (اندازه 7 تا 25 میلی‌متر) از ریزه‌کاری‌ها (کمتر از 7 میلی‌متر) جدا می‌شود. اگر سنگ معدن توده از کیفیت مناسبی برخوردار باشد، می‌توان آن را بدون هیچ گونه فرآوری بیشتر به کوره بلند هدایت کرد.

با این وجود ابتدا باید خرده‌ها جمع شوند، این بدان معناست که با فرآیندی به نام پخت و پز، آن‌ها را به توده‌هایی با اندازه مناسب تبدیل می‌کنند.

• پختن

پخت سنگ آهن شامل حرارت دادن یک لایه ریزه کاری‌ها تا زمانی که ذوب جزئی اتفاق می‌افتد و ذرات منفرد سنگ با هم ترکیب می‌شوند. برای این منظور، از دستگاه مخصوصی استفاده می‌شود و سوزاندن کک ریز (معروف به نسیم کک) در داخل سنگ معدن گرمای لازم را ایجاد می‌کند.

قبل از تحویل به دستگاه پخت، مخلوط سنگ معدن مرطوب شده و باعث می‌شود ذرات ریز به ذرات بزرگتر بچسبند و سپس مقدار مناسب کک اضافه می‌شود.

• خالص‌سازی

خرد کردن و غربالگری یک عملیات ساده مکانیکی است که ترکیب سنگ معدن را تغییر نمی‌دهد، اما برخی از سنگ معدن‌ها باید قبل از ذوب به روز شوند. غلظت به روش‌های تولید بخش‌های معدنی غنی‌تر از آهن و سیلیس کمتر از ماده اصلی اشاره دارد.

بیشتر فرآیندها برای جدا کردن مواد معدنی سبک از سنگین‌تر، به اختلاف چگالی متکی هستند، بنابراین سنگ معدن خرد می‌شود و آسیاب می‌شود تا مواد معدنی از گانگ آزاد شود. از تکنیک‌های مغناطیسی نیز استفاده می‌شود.

سنگ معدنی یا کنسانتره به روز شده به شکل یک پودر بسیار ریز است که از نظر فیزیکی برای استفاده در کوره بلند مناسب نیست. اندازه ذرات آن بسیار ریزتر از ریزدانه‌های سنگ معدن است و با پخت نمی‌توان آن را جمع کرد.در عوض، باید کنسانتره‌ها با استفاده از گندله سازی تجمع یابند.

• گندله‌سازی

ابتدا، کنسانتره‌های مرطوب به یک درام چرخان یا یک دیسک شیب‌دار تغذیه می‌شوند، که عمل غلتیدن آن باعث ایجاد ترکیبات نرم و کروی می‌شود. سپس این گلوله‌های “سبز” با شلیک در هوا تا دمایی در محدوده 1250 درجه تا 1340 درجه سانتی‌گراد (2300 تا 2440 درجه فارنهایت) خشک و سخت می‌شوند. در آخر، آن‌ها به آرامی خنک می‌شوند. گلوله‌های تمام شده گرد و قطری از 10 تا 15 میل‌ متر دارند و تقریباً شکل ایده‌آل برای کوره بلند است.

• آهن‌سازی

هدف اصلی ساخت آهن آزاد سازی آهن از ترکیب شیمیایی با اکسیژن است و از آنجا که کوره بلند بسیار کارآمدترین فرآیند است، در اینجا بیشترین توجه را دارد. روش‌های جایگزین معروف به کاهش مستقیم در بسیاری از کشورها مورد استفاده قرار می‌گیرد، اما کمتر از 5 درصد آهن از این طریق ساخته می‌شود. گروه سوم تکنیک‌های ساخت آهن که به عنوان کاهش ذوب طبقه بندی شده‌اند هنوز در مراحل ابتدایی قرار دارند.

• کوره بلند

اساساً، کوره بلند یک مبدل حرارتی و اکسیژن ضد جریان است که در آن گاز احتراق در هنگام بالا رفتن بیشتر گرمای خود را از دست می‌دهد و کوره را در دمای حدود 200 درجه سانتی‌گراد (390 درجه فارنهایت) ترک می‌کند، در حالی که اکسیدهای آهن پایین‌تر به آهن فلزی تبدیل شده است.

کنترل فرآیند و بهبود بهره‌وری همه از در نظر گرفتن این ویژگی‌های اساسی حاصل می‌شود. به عنوان مثال، مهم‌ترین پیشرفت قرن 20 تغییر در استفاده از سنگ معدن به طور تصادفی به پخت و پزهای پخته و گلوله با اندازه یکنواخت بوده است.

دو محصول جانبی، سرباره و گاز نیز تشکیل می‌شود. سرباره با همان آهن سوراخ سوراخ (که روی آن شناور است) از کوره خارج می‌شود و ترکیبات آن به طور کلی در محدوده 30-40 درصد سیلیس (SiO2)، 5-15 درصد آلومینیوم (Al₂O₃)، 35-45 درصد آهک (CaO) و 5-15 درصد منیزیم اکسید (MgO) قرار دارد.

گاز موجود در بالای کوره عمدتا از مونوکسیدکربن (CO)، دی اکسیدکربن (CO₂) و ازت (N₂) تشکیل شده است. یک ترکیب معمول 23 درصد CO، 22 درصد CO2، 3 درصد آب و 49 درصد N2 خواهد بود.انرژی احتراق خالص آن تقریباً یک دهم انرژی متان است.