آیا انواع مختلف سنگ‌آهن را می‌شناسید؟
آهن پرکاربردترین فلز در دنیا است. سنگ‌آهن ماده‌ای معدنی است که آهن، در فرایند ذوب، از آن فرآوری می‌شود. تقریباً 98 درصد سنگ‌آهن بازیافتی به فولاد تبدیل می‌شود. از گیره کاغذ گرفته تا تجهیزات منزل، خودروها و فولاد موردنیاز در صنعت ساخت و ساز، سنگ‌آهن جزء جدایی‌ناپذیرِ دنیای مدرن است. 4 نوع اصلی از سنگ‌آهن وجود دارند که از ویژگی‌های کم و بیش متفاوتی برخوردارند؛ در این مقاله به انواع سنگ‌آهن مورد استفاده در صنعت فولادسازی و ویژگی‌هایشان می‌پردازیم. در نهایت، مراحل تولید آهن خام و سپس فولاد را به‌صورت مختصر توضیح خواهیم داد.
تقاضا برای سنگ‌آهن
هر ساله در حدود 2 میلیارد تن سنگ‌آهن خام از معادن مختلف در دنیا استخراج می‌شود. در حال حاضر 50 کشور جهان دارای معادن فعال در زمینه استخراج سنگ‌آهن هستند. در این میان، برزیل و استرالیا 72 درصد کل بازار این ماده معدنی گران‌بها را به خود اختصاص داده‌اند. از بزرگترین شرکت‌های استخراج سنگ‌آهن، Rio Tinto از برزیل و BHP استرالیا هستند.
به‌طور میانگین، سالانه 10 درصد به میزان مصرف سنگ‌آهن در دنیا افزوده می‌شود؛ چین بزرگترین مصرف‌کننده با واردات سالانه 1.1 میلیارد تن است و استرالیا با 900 میلیون تن استخراج در سال بزرگترین تولید کننده آن است. برای آگاهی از جزئیات بیشتری درباره معادن بزرگ سنگ‌آهن و سهم کشورهای فعال در این حوزه، به مقاله جامع ما درباره معادن و ذخایر بزرگ سنگ‌آهن در دنیا، رجوع کنید.
انواع سنگ‌آهن
مهمترین سنگ‌آهن‌ها در سنگ‌های رسوبی یافت می‌شوند. بالغ بر 300 ماده معدنی وجود دارند که در ترکیبات خود آهن دارند، اما تنها 20 نوع از آنها به‌عنوان سنگ‌آهن خام استفاده می‌شوند. مهمترین سنگ‌آهن‌ها، 4 نوعِ مگنتیت، هماتیت، لیمونیت و سیدریت هستند.
مگنتیت- بهترین سنگ‌آهن
مگنتیت (یا لودستون)، سنگ‌آهنی با خاصیت آهنربایی است که خواص منحصربه‌فردی دارد، از‌جمله اینکه مگنتیت بهترین نوع سنگ‌آهن است. این ماده معدنی دارای بالاترین میزان آهن (تا 72.4 درصد) و قدرتمندترین سنگ‌آهن از نظر قدرت مغناطیسی است. از مگنتیت کنسانتره‌هایی با عیار بالاتر از 70 درصد تولید می‌شود که ناخالصی بسیار کمی دارد.
- فرمول مگنتیت: Fe3 O4
- گرید مگنتیت: تا 72.4 درصد
- رنگ مگنتیت: سیاه
- سختی مگنتیت: 6.5-5.5
- درخشندگی مگنتیت: متالیک
مگنتیت رایج‌ترین سنگ‌آهنی است که در معادن دنیا استخراج می‌شوند. برخی دیگر از ویژگی‌ها و ارتباط مگنتیت با مواد معدنی دیگر:
- با اکسیده کردن مگنتیت، هماتیت مصنوعی تولید می‌شود
- مگنتیت حاوی اکسید تیتانیوم (TiO_2) است
- مگنتیت حاوی اکسید وندیوم (V_2 O_5) است
بیشترین مقادیر سنگ‌آهن مگنتیت در استرالیا، برزیل، مینیسوتا و میشیگان آمریکا، شرق کانادا و شمال سوئد استخراج می‌شوند. اصلی‌ترین کاربرد مگنتیت استفاده از آن در تولید فولاد است. از این ماده معدنی در تولید انواع رنگ‌ها و سرامیک نیز استفاده می‌شود.
هماتیت- مهمترین سنگ‌آهن
هماتیت اسم خود را از کلمه یونانی ” خون” گرفته، چراکه هماتیت رنگی قرمز دارد. هماتیت مهمترین سنگ‌آهن صنعتی از نظر حجم استفاده است؛ با این حال، میزان آهن موجود در آن از مگنتیت کمتر است. غالبا”، همزمان با حضور مگنتیت در یک معدن، لیمونیت هم در آنجا وجود دارد و استخراج آن معمولاً راحت‌تر از مگنتیت است.
- فرمول هماتیت: Fe2 O2
- گرید هماتیت: در حدود 69.9 درصد
- رنگ هماتیت: قرمز، خاکستری روشن و سیاه
- کریستال هماتیت: سیستم سه‌ضلعی
- سختی هماتیت: 6.5-5.5
بیشترین مقادیر هماتیت در کشورهای استرالیا، برزیل و هند قرار دارند. فرایند پرعیارسازی هماتیت معمولاً شامل جداکردن مگنتیت، شناورسازی، جداسازی مغناطیسی و … است. با این حال در گونه‌هایی خاص از هماتیت، خردکردن و مانیتورینگ برای جداسازی هماتیت از مواد باطله معدنی کافی است.
علاوه بر تولید فولاد، هماتیت را برای تولید رنگدانه‌ها، جواهرات، سنگ‌های شفابخش و بسیاری دیگر از مصارف صنعتی به‌کار می‌برند.
لیمونیت
لیمونیت در زبان یونانی به معنی چمنزار است، چراکه این ماده معدنی بیشتر در باتلاق‌ها یافت می‌شود. جالب اینکه، لیمونیت یک کانی واقعی نیست، یعنی خصوصیات یک کانی معدنی را ندارد، بلکه ترکیبی از مواد معدنی اکسید آهن هیدراته است که با مقدار زیادی از گوتیت مخلوط شده است.
لیمونیت یک ماده معدنی ثانویه است که از هوازدگی سایر سنگ‌آهن‌ها به‌وجود می‌آید، و در بستر باتلاق، دریاچه یا نواحی کم عمق دریایی رسوب می‌کند.
- فرمول لیمونیت: FeO(OH).n(H2 O)
- گرید لیمونیت: تا 59.8 درصد
- رنگ: مایل به زرد، قهوه‌ای سیاه، خاکستری
- درخشش لیمونیت: خاکی
- سختی لیمونیت: 5.5-4
- ویژگی‌های اصلی: اکسید آهن آمورف و متغیر، حاوی مقدار زیادی از آب
بیشترین حجم سنگ‌آهن لیمونیت در طبیعت به فرم 2Fe2 O3.3H2 O است. با توجه به انواع مختلف کریستال آب موجود در این ماده معدنی، لیمونیت را می‌توان به انواع هماتیت آبی، هماتیت سوزنی و لیمونیت تقسیم‌بندی کرد.
از لیمونیت به عنوان سنگ‌آهنی با کیفیت پایین، هزاران سال است که استفاده می‌شود. لیمونیت در حجم‌های بسیار بزرگ و با میزان آب زیاد همراه آن یافت می‌شود. بنابراین، قبل از ذوب باید لیمونیت را بریکت کرد. مهمترین رنگدانه‌های تولیدی از این سنگ‌آهن، اخرایی و عنبر هستند.
سیدریت- کربنات آهن بدون خاصیت آهنربایی
سیدریت در زبان یونانی به معنی آهن است. سیدریت یک کربنات سخت و متراکم از آهن است که عناصر گوگرد و فسفر را ندارد و با کربنات‌هایی مثل منیزیم، منگنز و کلسیم مخلوط شده است. سیدریت همان کلسیت است، با این تفاوت که آهن جایگزین کلسیم شده است.
- فرمول سیدریت: FeCO3
- گرید سیدریت: تا 48.2 درصد
- رنگ سیدریت: خاکستری، زرد-قهوه‌ای
- سختی سیدریت: 4.25-3.75
- درخشش سیدریت: ابریشمی، مرواریدی
- مهمترین ویژگی‌ها: خاصیت آهنربایی ندارد، به آسانی تبدیل به لیمونیت می‌شود
سیدریت بیشتر در محیط‌های رسوبی و گرمابی در پگماتیت‌های آذرین (انواع گرانیت که در رگه‌های سنگی وجود دارند) یافت می‌شود. سایر کانی‌های مرتبط با سیدریت عبارتند از: باریت، فلوریت، گالن، کوارتز، دولومیت، اسفالریت و پیریت.
اگرچه سیدریت میزان آهن بالایی ندارد، اما میزان آهن آن پس از کلسینه‌شدن، به دلیل آزادسازی آهن از عناصر دیگر، به شکل قابل‌توجهی افزایش می‌یابد و با یک احیای خوب خالص‌تر هم می‌شود. علاوه‌بر استفاده از آن برای تولید فولاد، سیدریت قدیمی‌ترین و ماندگارترین ماده در تولید رنگدانه‌ها است.
فرایند تولید آهن خام از سنگ‌آهن
در این بخش به فرایند تولید آهن خام از سنگ‌آهن در کوره‌های بلند ذوب آهن می‌پردازیم. در حالت کلی، آهن خام 92 تا 94 درصد آهن دارد که با کربن و مواد معدنی دیگر ترکیب شده است. آهن خام به خودی خود مصارف چندانی ندارد؛ قابلیت‌های کاربردی آن زمانی بروز می‌کند که به آلیاژ فولاد تبدیل شود. مراحل زیر فرایند تولید آهن خام را شرح می‌دهند.
تأمین مواد خام
مواد خام مورد استفاده در کوره بلند برای تولید آهن خام عبارتند از: سنگ‌آهن، کک، سنگ‌آهک و زینتر. تمام سنگ‌آهن‌ها در واقع اکسید‌های آهن هستند که با مواد اضافی استخراج شده‌اند.
کوره بلند
کوره بلند یک سازه برجی شکل از جنس فولاد است که با آجرهای نسوز اندود شده است. مواد خام، از بالای کوره وارد آن می‌شوند و هوای گرم از پایین به آنها دمیده می‌شود تا کک بسوز و اکسیژن با کربن موجود در کک ترکیب و مونوکسید کربن تولید گردد. در این مرحله، مونوکسید کربنِ ناپایدار با سنگ‌آهن واکنش داده و دی‌اکسید کربن و آهن حاصل می‌شوند.
جداسازی آهن
آهن مذاب، به‌دلیل سنگینی، در کف کوره ته‌نشین می‌شود. مذاب ته‌نشین شده، حاوی ناخالصی‌ها و سنگ‌هایی است که با سنگ‌آهک ترکیب شده‌اند تا سرباره به‌وجود آید. این سرباره، به‌دلیل اینکه از آهن سبک‌تر است، بالای لایه‌ی آهن مذاب شناور شده و به‌راحتی از آن جدا می‌شود و آهن خام به‌دست می‌آید.
گازهایی که در فرایند ذوب مورد استفاده قرار گرفتند، با استفاده از لوله‌هایی در بالای کوره بلند به تصفیه‌خانه‌ها فرستاده می‌شوند تا ناخالصی‌های آنها گرفته و برای استفاده مجدد در کوره آماده شوند.
بیشتر فراورده‌های جانبی مانند سرباره و ضایعات آهن بازیافت می‌شوند و برای اهداف مختلفی مثل تولید مواد شیمیایی مورد استفاده در عکاسی، فنل، روغن‌های برش، ضدعفونی کننده‌ها و غیره، استفاده می‌گردند.
تولید فولاد از آهن خام
آهن خام حاصل از فرایندهای ذوب و جداسازی در کوره بلند را با اکسید کردن کربن اضافی به فولاد تبدیل می‌کنند. به‌طور دقیق‌تر
- اکسیژن به رگه‌های آهن ذوب‌شده دمیده می‌شود
- اکسیژن کربن را به CO و CO2 تبدیل می‌کند که هر دو گاز هستند و از طریق هواکش‌ها تخلیه می‌شوند
- به‌طور همزمان، اضافی‌های سیلیکون و منگنز نیز اکسید می‌شوند و به‌صورت لایه‌ای شناور بر روی مواد مذاب مستقر می‌شوند
- اگر فسفر و گوگرد در مذاب آهن موجود بود، از مواد جمع‌کننده برای تجمیع این مواد در مذاب استفاده می‌شود
- فرایند اکسیداسیون سیلیکون و کربن گرمای زیادی تولید می‌کند، بنابراین ضایعاتی به مذاب اضافه می‌شود تا دمای آن کاهش یابد (شبیه اضافه کردن یخ به لیوان آب!)
توجه کنید که فرایند تزریق اکسیژن فرایند بسیار خشن و مخاطره‌آمیزی است و تنها برای چند دقیقه کوتاه انجام می‌گیرد. پس از این مرحله، قسمتی از فلز حاصل برای تعیین میزان کربن و سیلیکون به آزمایشگاه می‌رود و زمان برای گرمایش بعدی محاسبه می‌شود.
فلز مذاب به یک ملاقه بزرگ منتقل می‌شود تا برای طی‌کردن مراحل حذف گازهای اضافی آماده گردد. در نهایت، مذاب در یک دستگاه ریخته‌گیری پیوسته ریخته می‌شود تا فرایند نورد و آهنگری فولاد به‌شکل دلخواه انجام شود. نکته مهم اینکه، در فرایند ریخته‌گری و نورد، از اکسیژن استفاده می‌شود نه هوای محیط، چراکه نیتروژن موجود باعث سرد شدن مذاب می‌شود و کیفیت آن را نیز کاهش می‌دهد.
جمع‌بندی
انواع مختلفی از سنگ‌آهن وجود دارند که بر اساس فرمول شیمیایی و میزان خلوص آهن آنها طبقه‌بندی می‌شوند. برخلاف تصور ما از این مواد معدنی، برخی از آنها مثل سیدریت، خاصیت آهنربایی ندارند. فرمول شیمیایی و ترکیبات این مواد معدنی، ارتباط مستقیمی با محیطی که در آن یافت می‌شوند دارند. به‌عنوان مثال، لیمونیت را باید در محیط‌های آبی جست، چراکه در فرمول آن آب وجود دارد.
بازارهای جهانی نشان از کاهش در گریدهای آهن معامله شده دارند. به این معنی که، ذخایر با ارزش‌تر و با گرید مرغوب آهن در حال تمام شدن هستند و انواع سنگ‌آهن با کیفیت پایین‌تر جایگزین شده‌اند. این واقعیت نشان از نیاز و تمرکز حداکثری بر مسأله بازیافت و تلاش برای جایگزینی فولاد در صنایع با فلز یا ماده‌ای دیگر با قابلیت‌های مشابه است.