کنسانتره سنگ آهن چگونه تولید می‌شود؟
تقاضا برای مشتقات سنگ‌آهن مثل فولاد، هر روز در حال افزایش است و رکوردهای جهانی در تولید و مصرف این کالای حیاتی هر لحظه شکسته می‌شود. از طرفی، تلاش گسترده‌ای برای توسعه راه‌های فرآوری و پرعیارسازی سنگ‌آهن، متناسب با توسعه دانش و تکنولوژی روز، صورت می‌گیرد. کنسانتره سنگ آهن یک محصول منتج‌شده از مراحل مختلف فرآوری، بخصوص پرعیارسازی سنگ آهن است. هدف اصلی این مقاله ارائه‌ای روشن از روشهای تولید کنسانتره سنگ آهن بوده که در ابتدا آماری از وضعیت منابع فلزی طبیعی ارائه می‌شود.
مقدمه
پوسته زمین و کف اقیانوس‌ها، بسترهای کاوش مواد معدنی هستند که رگه‌های مختلف از این مواد را در شکل‌های مختلف دربردارند. فلزاتی چون طلا و پلاتین عمدتاً در قالب فلزی خود یافت می‌شوند. برعکس، فلزات واکنش‌پذیر مثل اکسیدها، سولفید‌های آهن و سیلیکات‌های آلومینیوم، همیشه به‌صورت ترکیبی در طبیعت وجود دارند. به مجموع این ترکیبات طبیعی، مواد معدنی می‌گویند.
معدن صنعتی است که در آن هدف اصلی، استخراج حجم‌های وسیعی از مواد از دل طبیعت و فرآوری بخش با ارزش، مثل فلزات، از این حجم اولیه است. متناسب با نوع مواد هدف، روشهای فرآوری مختلفی پیشنهاد شده است، روش‌هایی که ناخالصی‌ها را از ماده معدنی پایه جدا و در شکل‌های مختلف آماده عرضه می‌کنند.
سنگ آهن، و محصولات مشتق شده از آن مثل فولاد، از نظر تاریخی مهمترین کالای اجتماعی و اقتصادی سه هزاره اخیر بوده‌اند.
سنگ آهن در 50 کشور دنیا استخراج می‌شود؛ از این بین، 7 کشور 75 درصد کل تولید سنگ آهن را به خود اختصاص داده‌اند. استرالیا و برزیل در صدر جدول کشورهای استخراج‌کننده سنگ آهن هستند، منشاء بیشتر از 30 درصد صادرات سنگ آهن یکی از این دو کشور است. ایران نیز منابع سنگ آهن قابل توجهی در اختیار دارد و از نظر میزان استخراج و حجم در دسترس آن، جزء 10 کشور اول است.
فراوانی مواد معدنی در جهان
قیمت فلزات بر اساس سطح تقاضا و عرضه مشخص می‌شود. عرضه به مفهوم هر دو دسته، مواد تازه استخراج شده و نوع بازیافتی آن است. در حال حاضر، 60 درصد از تقاضا، توسط زنجیره بازیافت تأمین می‌شود. در چند دهه اخیر، پیشرفت‌های عمده در ارتقاء بهره‌وری و فناوری‌های نوین، باعث کشف معادن جدید و افزایش توان استخراج معادن شده است.
بدیهی است که میزان مواد معدنی قابل استخراج عددی متناهی است. با وجود این، اگر تقاضا افزایش یابد یا اینکه تولید کاهش یابد، قیمت‌ها صعودی می‌شوند. همین امر انگیزه‌ای در جستجو برای کشف معادن بیشتر، و بهینه‌سازی فرایندهای فرآوری سنگ‌های معدنی است. در این بین، تکنولوژی مؤثرترین ابزار انسانی در کشف، استخراج، فرآوری، انتقال و بازیافت مواد معدنی است.
پوسته زمین متشکل از مواد معدنی بسیار متفاوتی است. به‌طور تقریبی 74.6 درصد از مواد تشکیل دهنده این پوسته، سیلیکون و اکسیژن است. از میان فلزات مهم در صنعت، تنها آهن، آلومینیوم و منیزیم دارای اشتراکی بیشتر از 2 درصد در پوسته زمین هستند. از این 3 مورد، سنگ آهن برکاربردترین ماده معدنی طول تاریخ است.
| عنصر | درصد موجود در پوسته زمین | مقدار ( به تن) در 3.5 کیلومتر بالایی سطح زمین | عنصر | درصد موجود در پوسته زمین | مقدار ( به تن) در 3.5 کیلومتر بالایی سطح زمین |
| اکسیژن | 46.4 | واندیوم | 0.014 | ||
| سیلیکون | 28.2 | کرومیوم | 0.010 | ||
| آلومینیوم | 8.2 | نیکل | 0.0075 | ||
| آهن | 5.6 | زینک | 0.0070 | ||
| کلسیم | 4.1 | مس | 0.0055 | ||
| سدیم | 2.4 | کبالت | 0.0025 | ||
| منیزیم | 2.3 | سرب | 0.0013 | ||
| پتاسیم | 2.1 | اورانیوم | 0.00027 | ||
| تیتانیوم | 0.57 | قلع | 0.00020 | ||
| منگنز | 0.095 | تنگستن | 0.00015 | ||
| باریوم | 0.043 | جیوه | |||
| استرانتیوم | 0.038 | نقره | |||
| خاک‌های کمیاب | 0.023 | طلا | |||
| زیکرونیوم | 0.017 | فلز پلاتینیوم |
فراوانی فلزات در پوسته زمین
سنگ‌های معدن
برخی از سنگ‌های معدنی ممکن است به دلایل مختلفی استخراج شوند، بعضی‌ها نیز تنها یک کاربرد دارند. در یک نوع از طبقه‌بندی، مواد معدنی را می‌توان به سنگ معدن فلزی، همان‌هایی که برای تولید فلز استفاده می‌شوند، و انواع غیرفلزی دسته‌بندی کرد. به عنوان مثال، از ماده معدنی هیدرواکسید آلومینیوم (Bauxite) برای تولید فلز آلومینیوم استفاده می‌شود.
سنگ آهن
در پوسته زمین، آهن عمدتاً در بطن مواد معدنیِ اکسید آهن مثل هماتیت، مگنتیت، گوتیت و لیمونیت کشف می‌شود. تقریباً 98 درصد از سنگ آهن استخراج شده به فولاد تبدیل می‌شود.
در بین تمام فلزاتی که زندگی مدرن را ممکن کرده‌اند، فولاد پرکاربردترین فلز و سنگ آهن اصلی‌ترین ماده در تولید آن است. از سنگ آهن برای ساخت ریل‌های قطار و انواع دیگر زیرساخت‌ها استفاده می‌شود، محصولی که تقاضای شاخص کشورهای پر مصرفی چون برزیل و چین است. از سنگ آهن در پزشکی، ساخت وسایل آرایشی، مهندسی، ساخت و ساز، رنگ و طیف وسیعی از محصولاتی که در زندگی روزمره به آنها نیاز داریم، بهره برده می‌شود.
نیاز به فرآوری مواد معدنی
وقتی عمل استخراج معدن صورت می‌گیرد، ترکیبی از مواد معدنی و کلوخه‌های کم یا بی‌مصرف در دسترس قرار می‌گیرند. فرآوری مواد معدنی، مثل آسیا یا پرعیارسازی، به فرایند‌هایی اطلاق می‌شود که در آنها سنگ معدن را برای استخراج فلزهای با ارزش، یا تولید کالاهای با ارزش اقتصادی، آماده می‌کنند.
فرآوری مواد معدنی دو بخش اصلی را شامل می‌شود:
کاهش اندازه برای تفکیک مواد معدنی با ارزش از کانی‌های گانگ (مواد استخراج شده اضافی)
جداسازی فیزیکی مواد معدنی با ارزش از کانی‌های گانگ و تولید محصولات ثانویه مثل کنسانتره و گندله
مهمترین اهداف یک فرآوری مطلوب سنگ معدن، کاهش حداکثریِ تولید باطله و ارتقاء کیفیت محصول نهایی، مثل کنسانتره سنگ آهن با خلوص 60 درصد به بالا است.
تفکیک مواد
تفکیک مرحله‌ای از فرآوری مواد معدنی است که در آن، با استفاده از تجهیزات خردکننده، مواد معدنی از کانی‌های اضافی تفکیک می‌شوند. در این مرحله، سنگ معدن به قطعات بسیار کوچکی از مواد معدنی و کانی‌های گانگ، خرد می‌شوند.
هرچقدر اندازه قطعات خردشده کوچکتر باشند، امکان استخراج یک ماده معدنی خالص‌تر بیشتر است. در فرایند فرآوری سنگ معدن، خردکردن معمولاً بیشترین انرژی را مصرف می‌کند؛ به‌عنوان مثال، در کنسانتره‌سازی از سنگ آهن، 50 درصد انرژی در مرحله خردکردن صرف می‌شود. خردکردن سنگ معدن ممکن است شامل چندین مرحله باشد؛ در هر مرحله هدف ایجاد اندازه‌های کوچکتری از سنگ و تفکیک بیشتر مواد است.
در عمل، تفکیک کامل مواد معدنی از کانی‌های گانگ غیر ممکن است، چراکه ماده معدنی در این کلوخه‌های تشکیل شده از کانی‌های کم ارزش پنهان شده است. بنابراین مرحله بعد که جداسازی و خالص‌سازی است، حتماً لازم خواهد بود. درصد تفکیک، به میزان قابل تفکیک مواد معدنی از کل سنگ معدن خرد شده گفته می‌شود؛ هرچقدر این عدد بیشتر باشد، مواد معدنی در دسترس‌تر هستند.
کنسانتره سنگ آهن
وقتی عمل خردسازی به اندازه‌های موردنظر انجام گرفت، مواد معدنی باید به‌طور قابل‌قبولی از مواد اضافی جدا شوند و به شکل‌های موردنیاز برای تولید محصول هدف، مثلاً آهن و فولاد، درآیند. این عمل، با بهره‌گیری از خواص فیزیکی مواد معدنی مختلف قابل انجام است.
کنسانتره سنگ آهن محصول خروجی از سنگ آهن فرآوری شده است که مراحلی چون خردشدن، جداسازی مغناطیسی، فلوتاسیون را طی کرده تا به محصولی با درصد خلوص بالا و آماده برای تولید فولاد و آهن تبدیل شود. این محصول به شکل پودرهای سیاه رنگی است که ماده اولیه تولید فلزات آهن و فولاد هستند.
در ادامه روشهای مختلف تولید کنسانتره سنگ آهن را در قالب ویژگی‌های سنگ آهن استخراج شده از معادن آهن عنوان می‌کنیم. توجه کنید که این ویژگی‌ها و روشهای متناظر، در تولید کنسانتره بسیاری از مواد معدنی (با کانی‌های فلزی) دیگر نیز کاربرد دارند.
مهمترین ویژگی‌های سنگ آهن و روشهای متناظر با آنها در تولید کنسانتره سنگ آهن
ویژگی بصری فرایند متناظر با آن: این روش معمولاً مرتب‌سازی نامیده می‌شود که قبلا با دست انجام می‌گرفت، ولی امروز از ماشین‌ها برای انجام آن بهره برده می‌شود. با استفاده از این ویژگی مواد اضافی که رنگ و ظاهری متفاوتی از سنگ آهن دارند از روی نقاله برداشته می‌شوند.
چگالی: کنسانتره‌سازی ثقلی، یک تکنولوژی بسیار قدیمی مبتنی بر اختلاف حرکت ذرات معدنی در آب است که مواد را، با استفاده از اختلاف در چگالی آنها و خواص هیدرولیکی، از هم جدا می‌کند. در جداسازی با تراکم متوسط، مواد در یک مایع متراکم غوطه‌ور می‌شوند و از این طریق و با بهره از چگالی مواد و خاصیت مایع، ترکیبات متفاوت از هم تفکیک می‌شوند.
استفاده از خواص سطحی: فلوتاسیون، در این روش، ذرات معدنی به حباب‌های هوا متصل می‌شوند و عمل تولید کنسانتره سنگ آهن از سنگ آهن آسیاب شده را رقم می‌زنند. در واقع، ذرات کانی آهن با مواد شیمیایی خاصی آغشته می‌کنند این مواد شیمیایی رکن اصلی این روش هستند و قابلیتی دوگانه دارند؛ باید کانی آهن را آب‌گریز کنند و در مقابل، مواد گانگ را در آب غوطه‌ور سازند.
استفاده از قابلیت مغناطیسی: در این روش کنسانتره سنگ آهن، از خاصیت مغناطیسی قوی مواد معدنی با قابلیت تبدیل به آهن، مثل مگنتیت، استفاده می‌کنند تا این مواد معدنی را از سایر مواد جدا کنند. در این روش، از جداکننده‌های مغناطیسی با شدت پایین برای مواد معدنی با خاصیت مغناطیسی قوی و از جداکننده‌ی مغناطیسی با شدت بالا برای جداسازی مواد معدنی با خاصیت ضعیف مغناطیسی استفاده می‌شود.
استفاده از خاصیت رسانایی الکتریکی: همه می‌دانیم که آهن رسانای خوبی است. از طرفی، میزان این رسانا بودن را هم می‌دانیم. جداسازی الکترواستاتیکی می‌تواند برای جداسازی آهن، به‌عنوان یک کانی رسانا، از کانی‌های نارسانا استفاده شود. کنسانتره سنگ آهن با این روش به میزان انرژی بسیار بالاتری نیاز دارد. از نظر تئوری، تمام مواد معدنی دارای سطح رسانایی متفاوتی هستند و باید بتوان آنها را از همدیگر تفکیک کرد. با این حال، برای اعمال این روش، باید سنگ آهن خشک باشد چراکه میزان بالای رطوبت در آن باعث پایین آمدن دقت روش می‌شود.
خلاصه‌ای از روشهای تولید کنسانتره سنگ آهن
در مرحله اول منطقه‌ای که امکان وجود سنگ آهن در آن سنجیده شده است بررسی می‌شود. بعد از انجام تحقیقات امکان‌سنجی، عمل استخراج سنگ آهن صورت می‌گیرد. همراه با مواد معدنی استخراج شده، حجم بسیار زیادی از کانی‌های گانگ یا زائد نیز استخراج می‌شوند که آهن مورد نظر در قلب این مواد جای گرفته است.
پس از حمل این مواد استخراج شده به محل استقرار دستگاه‌های خردکننده، قطعات بزرگ به اندازه‌های کمتر از 10 سانتی‌متر شکسته می‌شوند. در مرحله بعد، اجزای قابل‌تفکیک و زائد از خط‌تولید جدا می‌شوند. مرحله بعد خردکردن دوباره است که در آن، سنگ آهن به اندازه‌های کمتر از 3 میلی‌متر شکسته می‌شود.
تا اینجا رگه‌های آهن نمایان شده‌اند، ولی هنوز درصد بسیار زیادی از مواد را کانی‌های زائد تشکیل داده‌اند. برای تولید کنسانتره سنگ آهن، مواد خرد شده را آسیاب می‌کنند و در سیر اجرایی یکی از روشهای 5گانه بالا قرار می‌دهند تا پودری با درصد بالای آهن، معمولاً 60 درصد به بالا، از کنسانتره سنگ آهن نتیجه شود.
کاربردهای کنسانتره سنگ آهن
کنسانتره سنگ آهن یک محصول تجاری است که از آن، به عنوان یک محصول نیمه‌تمام، برای ساخت گلوله‌های تغذیه کوره‌های بلند تولید فولاد، گندله و بریکت‌های حاوی آهن استفاده می‌شود. در فرایند تولید کنسانتره سنگ آهن می‌توان با دقت بسیار بالایی عیار آهن موجود در محصول نهایی را تعیین کرد، فرایندی که پرعیارسازی سنگ آهن خوانده می‌شود. کنسانتره سنگ آهن را می‌توان در عیارهای بالا و با درصدهای ناخالصی بسیار پایین تولید کرد تا فرایندهای بعد ذوب و تولید محصولاتی چون شمش‌های فولادی با چالش‌های کمتری همراه باشند.
از جمله مزایای استفاده کنسانتره سنگ آهن، کم کردن هزینه ذوب و انرژی مصرفی، هزینه تصفیه و کاهش آلودگی محیطی است.
جمع بندی
صرفه‌جویی و مدیریت منابع معدنی اصلی‌ترین چالش دولت‌ها و جوامع امروزی است. کنسانتره سنگ آهن از جمله روش‌هایی است که می‌تواند کمک شایانی به صرفه‌جویی در انرژی و زمان بکند. همچنین، کنسانتره سنگ آهن را می‌توان در تولید مواد پیش‌تولید دیگری چون گندله استفاده کرد. روشهای متنوعی برای تولید کنسانتره سنگ آهن وجود دارد که به قدرت مانور این محصول، در کمک به صنعت ذوب آهن کشور، می‌افزاید.