مواد خام خردشده کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلفی مانند مواد غذایی، آرایشی و بهداشتی، الکترونیک، داروسازی، سیمان، بازیافت و فرآوری مواد معدنی دارند. از طرفی، دانه‌بندی این مواد خام به اندازه‌های مطلوب و آماده برای فرایندهای تولیدی بعدی، یکی از پرهزینه‌ترین مراحل است که در حدود ۴ درصد از مصرف برق جهان را به خود اختصاص می‌دهد. این دانه‌بندی به‌اندازه مطلوب را می‌توان از فرآوری خشک یا تر نتیجه گرفت.

خرد کردن، به‌ویژه، به دو دلیل زیر بر مواد معدنی استخراج‌شده اعمال می‌شود:

1. مرحله نهایی از آماده‌سازی محصول متناسب با اندازه خواسته‌شده (دانه‌بندی)
2. جداسازی مواد ارزشمند هدف از ماتریس‌های (مجموعه باطله‌های (گانگ) همراه) آن‌ها

در بازیافت و فرآوری مواد معدنی، دلیل دوم فرایندهایی را تعریف می‌کند که در آن مواد معدنی هدف قبل از ورود به مراحل بعدی پردازش مانند پرعیارسازی، از بافت گانگ جدا می‌شوند. آسیاب تر معمول‌ترین شیوه برای کاهش اندازه سنگ معدن و جداسازی مواد معدنی باارزش از باطله‌هاست که در کارخانه‌های فرآوری و پرعیارسازی سنگ معدن به کار گرفته می‌شود.

بااین‌حال، بحران آب و سیاست‌های جهانی برای کاهش بهره‌برداری صنایع از منابع آبی باعث شده که فرآوری خشک و رویکردهای متناظر با آن در سال‌های اخیر گسترش یابد. بخصوص در کشورهایی چون ایران که با خشکسالی‌های بلندمدت و کاهش دسترسی به منابع آبی دست‌وپنجه نرم می‌کنند، فرآوری خشک می‌تواند راهکاری مطلوب در کاهش صدمات زیست‌محیطی با کانون فعالیت‌های معدنی باشد.

چرا باید صنعت معدن به دنبال روش‌های خشک باشد؟

بنا بر پیش‌بینی‌ها، تا سال ۲۰۵۰ در حدود ۴.۸ میلیارد نفر (۵۲ درصد کل جمعیت زمین) با چالش کمبود آب مواجهه خواهند شد. برای صنایع و بخصوص صنعت معدن، وضعیت به‌مراتب بدتر خواهد بود. بنا بر تحقیق Moody’s، ساختار سایت‌ها و فعالیت‌های معدنی در چند سال اخیر و متأثر از چالش‌های آبی، به شکل قابل‌توجهی دگرگون‌شده است. در میان چالش‌های موجود در صنایع معدنی که محصول کاهش منابع آبی هستند، موارد زیر شاخص‌اند:

• افزایش تصاعدی در هزینه‌های عملیاتی
• بروز اعتراضات شدید و حتی خشونت‌آمیز در میان جوامع روستایی و تحت تأثیر فعالیت‌های معدنکاری
• فرایندهای طولانی تصویب مجوزها و به تأخیر افتادن پروژه‌های معدنی

علاوه بر این، کاهش ذخایر معدنی با گرید بالا مشکل دیگری است که نیاز به استخراج بیشتر، فرآوری بالاتر و استفاده بیشتر از منابع آبی را نتیجه می‌دهد. مدیریت شیوه‌های بهره‌برداری از منابع آبی و استفاده از رویکردهای خشک تنها شیوه‌های ممکن کنونی در کاهش صدمات و توسعه پایدار در بخش معدن هستند.

تقابل روش‌های خشک و تر در فرآوری سنگ‌های معدنی

در حضور مزایا و معایب روش‌های خشک و تر، فشار جوامع برای کاهش استفاده بخش معدن از منابع آبی، هزینه‌ها و مصرف انرژی بالا در استفاده از روش‌های خشک، شرکت‌های معدنی بزرگ سیاست‌های عملیاتی متفاوتی را پیش گرفته‌اند که در ادامه به برخی از آن‌ها اشاره می‌کنیم.

خردایش

روند فعلی در بخش فرآوری سنگ معدن و پرعیارسازی آن، به سمت استفاده بیشتر از روش‌ خردایش با استفاده از رولپرس‌ها (HPGR) و آسیاب‌های گلوله‌ای همزن افقی (IsaMill) است. درحالی‌که HPGR یک رویکرد آسیاب خشک است، IsaMill یک فرایند آسیاب تر و نیازمند استفاده از حجم بالایی از آب است.

به‌ویژه، روش‌هایی چون HPGR تنها برای سنگ‌هایی با اندازه نسبتاً بزرگ به کار گرفته می‌شوند و IsaMills و بسیاری روش‌های تر دیگر، مطلوب اندازه‌های کوچک و بسیار ریز هستند. همچنین، ترکیبی از HPGR و IsaMill به نظر نتیجه مطلوبی را برای خرد کردن سنگ‌های معدن در اندازه‌های مختلف حاصل می‌کند.

فرایندهای جداسازی

اصلی‌ترین روش‌های جداسازی فیزیکی در فرآوری خشک و پرعیارسازی سنگ معدن بر اساس اندازه ذرات، چگالی، خواص مغناطیسی و الکترواستاتیکی انتخاب می‌شوند. مشخصاً، روش‌های جداسازی موجود در فرآوری تر به‌مراتب بیشتر از انواع قابل‌استفاده در فرآوری خشک هستند (مانند رسوب‌گذاری و شناورسازی).

پرکاربردترین فرایندهای جداسازی خشک کنونی عبارت‌اند از:

• استفاده از صفحه‌های ارتعاشی با حرکت خطی یا دایره‌ای
• جداکننده‌ها با راندمان بالا
• جداکننده‌ها با خاصیت نیروی گریز از مرکز و سیکلون‌های خشک
• جداکننده‌های مغناطیسی برای سنگ‌های معدنی با خاصیت آهنربایی مانند سنگ‌آهن

علاوه بر این، روش‌های الکترواستاتیک برای مواد معدنی چون آهن با اندازه‌های کوچک استفاده می‌شوند.

دسته‌بندی (Sorting) سنگ معدن

در صنعت معدن، فرایندهای دسته‌بندی یا سورتینگ برای جداسازی سنگ معدن باارزش از باطله‌های معدنی در مراحل اولیه فرآوری کاربرد دارند. بخصوص، هدف از این مرحله، تسهیل فرآوری سنگ‌آهن در مراحل دیگر است.

اهمیت مرحله‌ دسته‌بندی مؤثر با کاهش گرید سنگ معدن حتی بیشتر هم می‌شود، زیرا کاهش مواد زائد همراه توده معدنی کمک زیادی به صرفه‌جویی در هزینه‌های حمل‌ونقل، فرایند خرد کردن و مراحل بعدی فرآوری می‌کند. بخصوص، استفاده از حسگرهای هوشمند یک رویکرد بهینه در تشخیص باطله از مواد باارزش و حذف آن‌ها از جریان فرآوری مواد معدنی است.

حسگرهای نوری و الکترومغناطیسی جزء اصلی‌ترین حسگرها برای دسته‌بندی سنگ‌های معدن در اولین گام‌های فرایند فرآوری هستند. بخصوص روش‌هایی چون XRT و XRF محبوبیت بالایی در بین معدن کاران دارند. در فرآوری خشک از جریان هوا برای جداسازی فیزیکی قطعات باارزش از انواع گنگ استفاده می‌شود.

به‌طور دقیق‌تر، ترکیبی از حسگرهای دقیق، تشخیص هوشمند و استفاده از یادگیری ماشین در تحلیل آنی شرایط و فشار هوا، کلید طراحی فرایندهای دسته‌بندی ذرات معدنی است.

انرژی مصرفی در فرآوری خشک و راه‌کارهایی برای کاهش آن

عملیات خرد سازی، پرهزینه‌ترین فرایند در بین مراحل مختلف فرآوری سنگ معدن هستند. در برخی از انواع کانی‌ها، تقریباً نیمی از انرژی و هزینه صرف خرد کردن و آسیاب سنگ می‌شود. بنابراین، آگاهی از میزان انرژی مصرفی در این مرحله و راه‌کارهای صرفه‌جویی در آن می‌تواند به اتخاذ رویکردهای بهینه‌تر و ارزان‌تر کمک کند.

بر اساس تحقیقات و متناظر با اندازه‌های مشخص از سنگ معدن، انرژی موردنیاز برای خرد سازی به روش خشک بین ۱۵ تا ۵۰ درصد بیشتر از مقدار مصرفی در روش‌های تر است. همچنین، متناظر با میزان انرژی مصرفی یکسان، کاهش اندازه توده معدنی در روش تر بیشتر از خرد سازی خشک است.

بااین‌حال، در روش‌هایی چون شناورسازی که در جداسازی ذرات ۲۵ تا ۱۰۰ میکرومتر بسیار کاربردی هستند، خرد سازی خشک مکمل بهتری است و باعث کاهش مصرف انرژی در مرحله شناورسازی می‌شود.

HPGR

به‌عنوان یک روش خشک و انرژی-کارا، HPGR در سال ۱۹۸۵ به صنعت معدن معرفی شد. این فناوری پاسخی به چالش مصرف بالای انرژی در روش‌های خشک بود که ظرفیت عملیات فرآوری خشک را ارتقاء داد.

HPGR به یک مکانیسم شکست بین‌ذره‌ای مجهز است که در آن مواد طی یک عملیات فشرده‌سازی شکسته، خرد و آسیاب می‌شوند. ازجمله قابلیت‌های این فناوری، شکست سنگ‌های بزرگ به اندازه‌های بسیار کوچک‌تر با اندازه‌های نسبتاً یکدست است. با استفاده از صفحه نمایش و فشار هوا برای طبقه‌بندی و HPGR در یک فرایند خرد سازی می‌توان میزان انرژی مصرفی در مرحله خرد سازی خشک را ۱۰ تا ۵۰ درصد کاهش داد و به همان میزان کارایی روش را بالا برد.

افزودنی‌های کمکی در خرد سازی

چنانکه اشاره شد، خرد سازی یک روش بایست در آینده صنعت معدن است؛ باوجوداین، مصرف انرژی متناظر با روش‌های خشک بالاتر از انواع تر است. جدا از روش‌های بهینه‌تری چون HPGR می‌توان از افزودنی‌های کمکی در انواع فرایندهای فرآوری خشک به‌عنوان یک کاتالیزگر برای فرایند و راهکاری برای کاهش‌ زمان انجام فرایند و انرژی مصرفی آن استفاده کرد.

مطالعات نشان می‌دهد که استفاده از افزودنی‌های خرد سازی به اندازه‌های حدودی ۰.۰۱ تا ۰.۲۵ درصد وزنی (نسبت به کل توده ورودی به فرایند خرد سازی) بهبودهای شایانی را در کاهش انرژی حاصل کرده است. افزودنی می‌تواند آلی یا غیر آلی باشد، هرچند دومی بسیار رایج‌تر است. وظیفه‌ اصلی این مواد، کاهش تماس بین ذرات پایه (آماده برای آسیاب) و افزایش جریان پذیری و پراکندگی محصول نهایی است (دانه‌بندی بهتر).

افزودنی‌های خرد سازی به‌ویژه، باید متناظر با روش خرد سازی، نوع سنگ معدن و ویژگی‌های کانی‌شناسی آن، و هدف نهایی از فرآوری انتخاب شوند. درواقع، وظیفه این افزودنی‌ها شبیه‌سازی حضور آب در فرآوری، شکل‌دهی به محصول خردشده، مطلوبیت محصول فرآوری برای مراحل گندله و کنسانتره سازی است.

شکل زیر نمایشی دقیق از عملکرد مواد افزودنی در فرایند خرد سازی و چگونگی مداخله آن‌ها در فرایند برای کاهش تماس بین ذرات پایه و افزایش کارایی دستگاه خردکننده است. به زبانی ساده، افزودنی‌های یک رویکرد برای افزودن خصوصیات فرایندهای تر به‌صورت کنترل‌شده و کاراتر هستند.

شکل ۱ فرایند خرد سازی خشک معمولی

شکل ۲ فرایند خرد سازی خشک در حضور افزودنی‌های کمکی برای تسهیل فرایند

مزایای استفاده از افزودنی‌های خرد سازی

• کاهش مصرف انرژی: افزودنی‌ها باعث می‌شوند ذرات به‌راحتی در توده حرکت کنند و تماس و اصطکاک کمتری با ذرات دیگر داشته باشند. این امر باعث کاهش زمان خرد سازی، دریافت محصولی یکدست‌تر و کاهش مصرف انرژی می‌شود.
• کاهش تراکم: با کاهش ارتباط ذرات با یکدیگر، افزودنی کمک زیادی به چسبیدن ذرات به یکدیگر و متراکم شدن بخش‌های مختلف توده می‌شود.
• محدودسازی اندازه‌های مختلف در بین ذرات: افزودنی‌ها به‌ویژه باعث می‌شوند که ذرات در دسته‌های محدودتری، ازنظر اندازه، قرار بگیرند و همین امر کمک قابل‌توجهی به مراحل دسته‌بندی و شناورسازی می‌کند.

پرعیارسازی خشک سنگ‌آهن

بر اساس گزارش انجمن جهانی فولاد Worldsteel، از سال ۱۹۷۰ تا ۲۰۲۱ میزان تولید فولاد ۳ برابر شده و از ۵۹۵ میلیون تن به ۱۹۵۲ تن رسیده است. پیش‌بینی‌ها برای مبدأهای زمانی ۲۰۳۰ و ۲۰۴۰ صعودی و مبتنی بر دو پارامتر زیر هستند:

1. سیاست‌های توسعه‌ای چین درزمینهٔ ساخت‌وساز و توسعه کارخانه‌های فولادسازی در این کشور
2. دیجیتالی کردن صنایع مختلف و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای

ذخایر موجود از سنگ‌آهن و افزایش هزینه پرعیارسازی آن

بر اساس گزارش سازمان زمین‌شناسی آمریکا (USGS)، در سال ۲۰۱۹ میزان ذخایر سنگ‌آهن دنیا در حدود ۱۷۹ میلیارد تن با میانگین خلوص ۴۷.۶ درصد بوده است (۸۱ میلیارد تن آهن). این میانگین پایین از خلوص سنگ‌آهن نیاز به استخراج و تولید باطله‌های بیشتر را توجیه می‌کند.

همچنین، هزینه‌های پرعیارسازی، به‌عنوان یک اولویت در تولید مواد اولیه موردنیاز برای کوره‌های فولادسازی، و چالش‌های زیست‌محیطی و بخصوص دسترسی کمتر معادن به آب، نیاز به طراحی روش‌های کم‌هزینه‌تر و خشک را نمایان می‌کنند.

رویکردهای خشک

در کنار رده بالایی از روش‌های فرآوری تر، می‌توان برخی از روش‌ها را به‌گونه‌ای طراحی کرد که در رده فرآوری‌های خشک قرار گیرند. به‌عنوان‌مثال می‎توان از نقاله‌های خشک، جداکننده‌ بسترسیال و فرایندهای جداسازی مغناطیسی خشک در قالب فرآوری خشک و برای جداسازی سنگ‌آهن مگنتیت با مطلوبیت بالایی استفاده کرد.

در جداسازی مغناطیسی خشک، فرایندهای زیادی در کشورهایی چون استرالیا، چین و هند طراحی شده‌اند. فرایند FDMS (Fine Dry Magnetic Separation) توسط Vale به دنیای فرآوری سنگ‌آهن معرفی شده است. در این فرآوری، آهنرباهای بسیار قدرتمندی برای تولید کنسانتره‌های سنگ‌آهن با گریدهای نزدیک به ۶۸ درصد و بدون استفاده قابل‌توجه از آب، به کار گرفته می‌شوند.

Vale در نظر دارد که در سال‌های آتی تمام فرایندهای پرعیارسازی سنگ‌آهن خود را به انواع خشک تغییر دهد تا سطح بهره‌برداری از منابع آبی را به پایین‌ترین حد ممکن برساند. در فرایند کنونی محصول این شرکت، انواع گنگ چون سیلیس را با غربالگری خشک و استفاده از صفحات لرزان جداسازی می‌کنند. در ادامه، یک مرحله جداسازی مغناطیسی کیفیت سنگ‌آهن را به شکل قابل‌توجهی بالا می‌برد.

شرکت‌های دیگر فعال در استخراج سنگ‌آهن مانند Rio Tinto نیز به دنبال استفاده از فناوری برای کاهش برداشت سایت‌های معدنی از منابع آبی هستند. به‌ویژه، این شرکت جدیداً و در همکاری با شرکت‌های فولادسازی چینی، یک سرمایه‌گذاری چند ده میلیون‌ دلاری روی روش‌های فرآوری خشک داشته است. هدف این غول معدنی، طراحی روش‌هایی با صرف هزینه و انرژی کمتر و مختص کنسانتره سنگ‌آهن برای مشتریان چینی خود در بخش فولادسازی است.

مزایا و معایب فرآوری خشک و تر

به‌طورکلی و بر اساس تحقیقات علمی و میدانی، فرآوری تر در بیشتر موارد بهره‌وری بالاتری را نتیجه می‌دهد. بااین‌حال، بحران آب دیر یا زود صنعت معدن را وادار به اتخاذ روش‌های خشک با بسامد بیشتر خواهد کرد.

 از طرفی، در برخی از مواد معدنی، روش‌های خشک کارایی مناسب و حتی گاهی بهتر از روش تر را دارند. همچنین، استفاده از ترکیبی از دو روش فرآوری خشک و تر می‌تواند یک تعادل منطقی بین کاهش مصرف آب در صنایع معدنی و بهینگی و حفظ بهره‌وری عملیات آن ایجاد کند. در ادامه به شاخص‌ترین مزایا و معایب روش‌های خشک می‌پردازیم.

مزایای فرآوری خشک

• صرفه‌جویی در آب: شاخص‌ترین مزیت فرآوری خشک، کاهش بهره‌برداری صنایع معدنی از منابع آبی است.
• عدم نیاز به تجهیزات خشک‌کننده در مراحل بعد: وقتی توده معدنی به اندازه‌های مطلوب رسید، آن‌قدر خشک است که هیچ نیازی به استفاده از روش‌های خشک‌کننده و حذف آب از آن نیست.
• انعطاف بیشتر در تغییر رویه: محصول حاصل از فرآوری خشک قابلیت انطباق با رده بالاتری از روش‌های جداسازی و پرعیارسازی نهایی را دارد.
• کاهش هزینه حمل‌ونقل: روش‌های خشک محصولی بدون آب و تقریباً یکدست را نتیجه می‌دهند. بنابراین نیازی به حمل توده‌های پرحجم از سنگ‌های آهن مخلوط با آب نیست (کاهش قابل‌توجه وزن).
• کمک به بخش نگهداری و تعمیرات تجهیزات معدنی: روش‌های خشک ذرات تفکیک‌شده‌ای را ایجاد می‌کنند که پتانسیل بسیار پایینی برای اتصال با یکدیگر را دارند. درنتیجه، امکان درگیری مواد با اجزای ماشین‌های فرآوری بسیار پایین‌تر و میزان خسارت‌های متناظر کمتر است.

معایب فرآوری خشک

• تولید آلودگی صوتی بیشتر: به دلیل برخورد مستقیم و بیشتر سنگ معدن با اجزای دستگاه‌ها، به‌مراتب صدای بیشتری تولید می‌شود.

معضل گردوغبار و انتشار بیشتر ذرات سمی معدنی در اتمسفر محیط: مطمئناً وقتی میزان آب مصرفی کاهش یابد، گردوغبار بیشتری تولید می‌شود و تأثیرات زیست‌محیطی متناسب با آن چالش‌برانگیز خواهد بود.

• راندمان پایین: در فرآوری خشک خاصیت‌هایی چون چسبندگی کاهش می‌یابد و توده معدنی برای برخی از مراحل بعدی (مانند زینترینگ) به‌اندازه کافی آماده و فرآوری نشده است.
• مصرف انرژی بیشتر: یکی از اصلی‌ترین معایب روش‌های فرآوری خشک، نیاز به‌صرف انرژی بیشتر به دلیل نیاز به توان بالاتر در تجهیزاتی چون خردکن‌ها و آسیاب‌ها است.
• استفاده از فرآوری خشک برای دسته‌بندی و آماده‌سازی سنگ‌معدن‌ها با اندازه کمتر از ۱۰۰ میکرومتر بسیار سخت و هزینه‌بر است.

جمع‌بندی

در صنایع فلزی و معدنی، مدیریت منابع آبی به یکی از اصلی‌ترین دغدغه‌های مدیریتی و جریانی فراگیر بین شرکت‌های مختلف تبدیل‌شده است. برخی از شرکت‌های پیشرو موفق شده‌اند نرخ مصرف آب در سایت‌های معدنی خود را به مقدار قابل‌توجهی کاهش دهند؛ بااین‌حال، میزان کلی آب مصرفی در این صنعت نه کاهشی و پایدار، بلکه همچنان افزایشی است.

فرآوری خشک یکی از روش‌های امیدوارکننده برای کنترل این روند افزایشی و عملکردی مسئولانه‌تر از جانب معدن و در قبال محیط‌زیست است. در کنار فشارهای اجتماعی برای کاهش مصرف آب در صنایع، شرکت‌های معدنی با چالش رقابتی دسترسی به منابع آبی و نیازمند رقابت بیشتر با شرکت‌های دیگر در این صنعت و صنایع دیگرند.

در پاسخ به این چالش‌ها با مرکزیت آب، به نظر تنها راه‌حل تغییر شیوه‌های فرآوری و سرمایه‌گذاری بر روی ایجاد و توسعه روش‌ها با استفاده کمتر از آب است. به‌ویژه، انواعی از سنگ معدن وجود دارند که پاسخ بهتری به روش‌های خشک می‌دهند. درنهایت، ترکیبی بهینه از روش‌های خشک و تر، انتخاب روش بر اساس ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی سنگ معدن و میزان دسترسی به آب، می‌تواند برون‌رفتی از چالش آب در صنعت معدن باشد.

کلمات کلیدی:

فرآوری خشک –  پرعیارسازی – سنگ‌آهن – منابع آب – صنعت معدن – جداسازی – خرد کردن

منابع:

https://www.at-minerals.com/en/artikel/at_Dry_processing_3001676.html

https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-030-93750-8

http://kerone.com/blog/drying-technologies-for-mineral-raw-materials/

https://www.moodys.com/research/Moodys-Water-scarcity-could-increase-rating-pressure-on-global-mining–PR_266225