سنگ آهن چیست و فرآیند تولید سنگ آهن چگونه است؟

آهن یکی از فلزات مهم و حیاتی در تمدن و زندگی می باشد. فولاد و تمام اقلام فلزی با استخراج سنگ آهن خام و عملیات فراوری شده تولید می شوند. بیشترین مقدار سنگ آهنی که در جهان از معادن مختلف استخراج می شود، برای ساختن آهن خام مورد استفاده قرار می گیرد در این مبحث بررسی خواهیم داشت به معرفی سنگ آهن، انواع سنگ آهن و فرآیند تولید سنگ آهن.

سنگ آهن چیست؟

سنگ آهن (Iron ores) سنگ ها و کانی هایی هستند که از معادن استخراج می شوند. سنگهای معدنی آهن که حاوی آهن می باشند جهت تولید  مقاطع فولادی و آهنی مورد استفاده قرار می گیرند. تقریباً 50 درصد پوسته زمین از آهن تشکیل شده است. سنگ آهن خام به دلیل دارا بودن اکسیدهای آهن ناپایدار هستند و به راحتی اکسید می شوند؛ در نتیجه، جهت استخراج مقاطع فولادی و آهن فرآوری و خالص سازی می شوند.

انواع سنگ آهن

در ابتدای این مقاله مطرح شد که سنگ آهن برای تولید فولاد و مقاطع فولادی، از معادن استخراج می‌شود. اما چون در سنگ‌های استخراج شده آهن خالص وجود ندارد و همچنین دارای ناخالصی می باشد، ابتدا باید آن را آماده سازی کرد. آهن فرآوری شده در کارخانه‌های فولاد سازی به شمش فولادی تبدیل می‌شود تا در ادامه از آن مقاطع مختلف تولید گردد. سنگ آهن از دو دیدگاه طبقه بندی می شود:

 

انواع سنگ آهن براساس نوع کانی

سنگ آهن مگنتیت (Magnetite): مگنتیت یکی از انواع  سنگ آهن که سیاه رنگ بوده و دارای خاصیت الکترومغناطیسی است و به همین دلیل در ساخت آهن ربا از آن استفاده می شود. بهره گیری از این نوع سنگ آهن، در اکتشافات و فرآوری، مقرون به صرفه است است. مگنتیت را  در کشورهایی همچون  آلمان، سوئد، فنلاند، رومانی، اتریش، ایتالیا، برزیل، سوئیس، استرالیا، آمریکا، هند و مصر میتوان جستجو کرد. فرمول شیمیایی مگنتیت Fe3O4 است که با داشتن درصد آهن بیشترین مقدار آهن رادر انواع سنگها دارد.

هماتیتHematite)): یک نوع ماده معدنی اکسید آهن است. فرمول شیمیایی این کانی Fe₃O₃ می‌باشد. سنگ آهن هماتیت غیرمغناطیسی بوده دارای ظاهری بصورت دانه دانه و فلس دار می باشد. همچنین در رنگهای نقره استیل تا قهوه‌ای مایل به قرمز به چشم می خورد. این نوع کانی در رنگ سازی و تولید ضد زنگ‌ها کاربرد زیادی دارد. آهن بکار رفته در ساختار سنگ هماتیت کمتر از سنگ مگنتیت است اما غلظت هماتیت در سنگ آهن بیشتر است. هماتیت معدنی خالص حاوی 9/69 درصد آهن است.

با ارزش ‌ترین سنگ آهن‌های موجود که میزان آهن آنها حدود 70 درصد است، از نوع مگنتیت و هماتیت می باشند.

گوتیت (Goethite): نام گروه دیگری از کانی‌های آهن‌دار است و از اکسیداسیون و هیدراتاسیون سولفید آهن تشکیل شده است. فرمول شیمیایی این نوع از سنگ آهن FeO(OH) دارای 9/62 درصد عنصر آهن می‌باشد. این کانی که اولین بار در معدنی در آلمان کشف شد به نام گوته نام گذاری شده است.

لیمونیت :(Limonite) از دیگر کانی های آهنی یافت شده در زمین است که  فرمول شیمیایی آن به صورت FeO(OH)·n(H₂O) بوده و دارای ۵۵ درصد عنصر آهن است.

سیدریت :(siderite) از کانی های آهن داری است که فرمول شیمیایی آن به صورت FeCO₃ بوده و دارای 2/48 درصد آهن است. کمترین مقدار آهن در این نوع کانی‌ها دیده می شود. به همین دلیل  در کشورهایی که  کمبود منابع سنگ ‌آهن وجود دارد؛ در شرایط خاص برای استخراج آهن استفاده می ‌شود.

 

انواع سنگ آهن بر اساس شکل ظاهری

سنگ‌آهن به اشکال مختلفی در بازار عرضه می‌شود تا تمام صنایع بتوانند مطابق با نیاز خود این ماده معدنی را تهیه کرده و مورد استفاده قرار دهند.

سنگ آهن دانه بندی شده:

سنگ آهن دانه بندی شده با روش خشک و بدون آب ، ‏به دو صورت دانه ریز(Fines) و دانه درشت (Lumps) تولید می‌شود.

‏به این صورت که  سنگ آهن طی چند مرحله خرد می‌شود. دانه‌های سنگ آهن تا ۱۰ میلیمتر دانه ریز و ۱۰ تا ۳۰ میلیمتر دانه درشت یا کلوخه هستند. عیار آهن دانه‌بندی شده در محدوده ۵۷ تا ۶۳ درصد می‌باشد. (البته عیار ۴۲ درصد هم برای آن ها مشاهده شده است) که بسیار پایین است به همین دلیل بیشتر در کوره بلند کاربرد دارد. از سنگ آهن به شکل دانه بندی شده برای تغذیه کوره بلند استفاده می‌کنند.

به دلیل خاصیت احیا پذیری کم در سال‌های اخیر استفاده از این نوع کانی کاهش یافته است.

 

کنسانتره:

شکل دیگری از آهن که در فولادسازی کاربرد دارد، کنسانتره است. کنسانتره به ماده متراکم می‌گویند و ابعاد آن در حد میکرون می‌باشد. برای تولید کنسانتره، سنگ آهن مراحل مختلفی را طی می‌کند. این مراحل به ترتیب شامل خرد کردن ، خالص سازی و پرعیارسازی و تفکیک و آبگیری می‌شود. در حقیقت سنگ آهن کم عیار را کنسانتره می‌کنند تا بتوانند از آن در تولید گندله استفاده کنند.

گندله:

به گلوله‌ های تولید شده از پودر سنگ آهن و دیگر مواد افزودنی، که ابتدا خام بوده و سپس پخته و سخت می‌ شود گندله گفته می شود به این صورت که پس از آماده کردن کنسانتره، آن را با مواد مختلفی مثل بنتونیت، آهک، آب و سیمان مخلوط می‌کنند. در نهایت گلوله‌های آماده شده خام را می‌پزند. پس از پخت گندله‌ها باید به صورت کنترل شده خنک شوند تا ترک ایجاد نشود. ابعاد این گلوله‌های آهنی حدود ۹ تا ۱۶ میلیمتر می‌باشد.

کلوخه:

رایج ترین شیوه استفاده از سنگ آهن است که سالانه صدها میلیون تن از آن تولید می شود و در صنایع تولید آهن و فولاد مورد استفاده است.

 

فرآیند فرآوری سنگ آهن

به طوركلی هر كارخانه فرآوری شامل سه مرحله است كه عبارتند از:

• سنگ شكنی و خرد کردن  سنگ آهن

• مرحله آسیاب‌کنی 

• خالص سازی و پر عیار کردن سنگ آهن

• فیلتر و خشک کردن

 

سنگ شکنی و خرد کردن سنگ آهن

روش تولید سنگ آهن به این ترتیب است که سنگ آهن با عیار 50 درصد در کارخانه خرد و جداسازی می‌شود. البته عمل خرد کردن در چندین مرحله اتفاق می‌افتد تا به ابعاد لازم برسد. این عمل توسط سنگ شکن‌ها انجام می‌شود. بعد از خرد شدن سنگ‌ها، نوبت به کانه‌آرایی می‌رسد. کانه شامل هر ماده‌ای است که قابلیت بهره‌برداری داشته باشد.

هر کانه از کانی‌های مختلفی تشکیل شده و ممکن است یک یا چند کانی در هر کانه، قابل بهره‌برداری و استفاده باشد. کانی‌های غیر قابل استفاده را در اصطلاح، گانگ می‌نامند. کانه‌آرایی نوعی فراروری مواد معدنی می باشد. با کمک این فرآیند کانی‌ها از گانگ‌ها جدا می‌شوند و محصولی با قابلیت و ارزش تجاری باقی می‌ماند. عملیات کانه‌‌آرایی بخش اعظم تولید سنگ آهن را به خود اختصاص می‌دهد. محصول نهایی آسیای سنگ شکن در اندازه یک میلی‌متر است. خردایش سنگ در آسیا به دو روش خشک یا تر می‌تواند صورت گیرد.

آسیاب کردن سنگ آهن

مواد معدنی که اکنون بسیار ریز شده اند، باید به قطعات ریزتری تبدیل شوند و به همین جهت وارد این مرحله می شوند. در این مرحله، آسیاب کنی به صورت تر با استفاده از آسیاب خود شکن، نیمه خود شکن و یا آسیای غلتکی فشاری، انجام می شود و به اندازه حدود نیم میلی متری می رسند. پس از آن با کمک آسیاهای گلوله ای بیشتر آسیا می شوند و در آب قرار می گیرند و دوغابی را به وسیله پمپ ها ایجاد می کنند.

خالص سازی و پرعیار کردن سنگ آهن

مرحله بعد، حذف ناخالصی‌های موجود و بالا بردن عیار سنگ آهن می‌باشد. پرعيارسازی با هدف افزايش عيار سنگ آهن در حد مطلوب و قابل كاربرد در صنعت متالورژی آهن و فولاد (كوره بلند-احياء مستقيم) و حذف ناخالصی‌های نامطلوب در آن می‌باشد. اين عمليات با توجه به نوع كانی آهن‌دار و ناخالصی‌ها نامطلوب آن به روش‌های  فيزيكی يا فيزيكی و شيميایی انجام می‌گیرد.

مهم‌ترين روش‌های عمليات پرعيار سازی سنگ آهن عبارتند از:

• روش‌های فيزيكی كه براساس اختلاف وزن مخصوص كانه‌ آهن‌دار با  کانسنگ‌های همراه قرار دارد.
•  روش‌های مغناطيسی كه براساس خاصيت مغناطيسی سنگ معدنی آهن‌دار انجام می‌گيرد.
•  فلوتاسيون آنيونيك و كاتيونيك (فلوتاسيون مستقيم و غير مستقيم)
• روش‌های الكترواستاتيكی كه براساس هدايت الكتريكی متفاوت تركيبات تشكيل دهنده سنگ معدن قرار دارد.

 

فیلتر و خشک کردن

بعد از انجام مراحل ذکر شده، سنگ  باید آبگیری شود. زیرا به طور معمول روش‌های بالا بردن عیار به صورت تر می‌باشد و در نهایت رطوبت سنگ آهن باید به 9یا 10 درصد برسد. برای این عمل از فیلتر استفاده می‌کنند. محصول آبگیری شده پس از طی این مرحله به انبار برده می‌شود. حتی مواد باطله هم باید آبگیری شوند. آبگیری باطله‌ها توسط دستگاهی به نام تیکنر انجام می‌شود. به این صورت که باطله‌ها در تیکنر به وسیله آبی که از آن سرازیر می‌شود، ته‌نشین می‌گردد. مواد ته‌نشین شده توسط بازوهای تیکنر جمع شده و به وسط هدایت می‌شوند. سپس با کمک یک پمپ به جایگاه خود رانده می‌شوند.

 

بطور کلی بی‌آب كردن و كاهش رطوبت به سه مرحله تقسيم می‌شود كه عبارتند از:

• مرحله اول: ته نشين كردن (توسط تيكنر)
• مرحله دوم: فيلتر كردن
• مرحله سوم: خشك كردن 

در این روش باطله‌های فرایند طی دو مرحله مورد عمل ته نشين كردن قرار می‌گيرند. در مرحله اول در تيكنر‌ها مقداری از آب بازيابی شده و سپس باطله به سد باطله حمل و در آنجا پس از ته نشين شدن نهائی مقداری دیگر از آب بازيابی می‌شود.

نکته : خردایش چند مرحله ای بدین منظور انجام می شود که دانه بندی ها به خوبی کنترل شده و از خرد شدن بیش از حد مواد معدنی جلوگیری گردد. در واقع با مرحله مرحله انجام دادن عملیات خردایش، طوری عمل می شود که عملیات به صورت کنترل شده صورت گیرد و به یکباره و به صورت غیر کنترل شده، مواد معدنی بیش از اندازه خرد نشوند.

برای تولید سنگ آهن به منظور استفاده در روش احیای مستقیم و کوره های قوس می بایست فرآوری سنگ آهن از روش کنسانتره صورت گیرد و محصول به گندله سنگ آهن تبدیل شود و در نهایت به آهن اسفنجی مبدل گردد.

جمع بندی

سنگ آهن که محل استخراج آنها از معادن می باشد، در راستای تولید مقاطع فولادی و آهنی مورد فرآوری قرار می گیرند. سنگ آهن دارای ناخالصی بوده به همین دلیل طی فرایندی مورد پردازش و خالص سازی قرار می گیرد. سنگ آهن بر اساس نوع کانی و ظاهر به انواع مختلف تقسیم می شود. فرآوری سنگ آهن از مراحل خرد کردن، خالص سازی و فیلتراسیون و آبگیری عبور می کند تا در نهایت به آهن اسنفجی تبدیل شود.