خلاصه

فولاد پرکاربردترین فلز در جهان است که در صنایع مختلف استفاده می‌شود؛ به عنوان آلیاژی از آهن و عناصر دیگر، فولاد قابلیت‌های منحصربه‌فردی چون استحکام کششی بالا و هزینه کم برای تولید دارد که آن را به گزینه‌ای ایده‌آل در ساخت‌وساز و تولید انواع محصولات تبدیل کرده‌اند.

کنسانتره سنگ آهن ماده خام مورد نیاز برای پرکاربردترین فلز عصر مدرنیته و اشتهاء بالای آن برای دیجیتالی‌شدن، هوشمند بودن، خودکار شدن و آسیب‌ناپذیری در مقابل رخدادهای ناگهانی است. هم‌زمان با توسعه زیرساخت‌ها و پروژه‌های مختلف در انواع صنایع، اهمیت تولید کارآمدتر و پایدار کنسانتره سنگ آهن آشکار و آشکارتر می‌شود.

پیش‌بینی می‌شود در چند دهه آتی نیز رشدی ثابت برای افزایش تقاضای فولاد را شاهد باشیم، رشدی که بدون افزایش بهره‌وری در تولید، یا با تأخیر در دسترسی همراه می‌شود یا اینکه اصول‌ تولید پایدار را زیرپا خواهد گذاشت. در این میان، نوآوری مطمئن‌ترین و امیدوارکننده‌ترین راه‌حل برای چالش‌های پیش‌روی صنعت فولاد است و در قلب همه این نوآوری‌ها و بهینه‌سازی‌های متأثر از آن‌ها، نوآوری در تولید کنسانتره سنگ‌ آهن قرار گرفته است.

نوآوری می‌تواند استفاده از یک پتنت جدید در تولید حلالی برای ایجاد بهبود در فرایند شناورسازی، یا اینکه استفاده از بلاکچین در کنترل زنجیره تأمین معدن باشد. از هر جنسی که باشد و برای هر بخشی از معدن، هدف بهینه‌سازی عملیات، ایجاد بازدهی بیشتر با صرف انرژی کمتر، ایمن‌سازی عملیات و کاهش حداکثر تأثیرات مخرب بر محیط‌زیست است.

بازار سنگ معدن و فناوری‌های اخیر در آن

سنگ معدن یک عنصر فلزی است که تقریبا ۵ درصد از پوسته زمین را تشکیل می‌دهد و ماده خام اصلی در صنعت فولادسازی به حساب می‌اید. حدود ۹۸ درصد از سنگ آهن استخراج‌شده جهانی برای ساخت آهن خام استفاده می‌شود که محصول واسطه‌ای از فرایند تولید فولاد است. ۲ درصد باقیمانده در تولید محصولاتی چون سیمان، جوهر چاپ، پلاستیک، لوازم آرایشی (مانند سایه چشم)، رنگ‌های هنری و کود استفاده می‌گردد.

اندازه بازار جهانی سنگ آهن در سال ۲۰۲۳ نزدیک به ۲۷۹ میلیارد دلار بود و تخمین‌زده می‌شود که در پایان سال ۲۰۲۴ ارزش این بازار به ۲۹۰ میلیارد دلار برسد. با ۴ درصد رشد سالانه، انتظار داریم که بازار سنگ آهن تا سال ۲۰۳۲ از ۴۰۰ میلیارد دلار نیز عبور کند.

هم‌زمان با توسعه فعالیت‌های شهری و دیجیتالی‌شدن در صنایع مختلف، تقاضا برای فولاد بیشتر و بیشتر می‌شود. افزایش تقاضا برای سنگ معدن به معنی افزایش تقاضا برای کنسانتره سنگ آهن، برای تولید گندله‌ سنگ آهن و دیگر مواد خام مورد استفاده در کوره‌های بلند، است.

مزایای اصلی کنسانتره سنگ آهن:

• افزایش محتوای آهن: در مقایسه با سنگ آهن خام، کنسانتره سنگ آهن حاوی درصد بالاتری از آهن است و نقشی کلیدی در بهینه‌سازی فرایند تولید فولاد دارد.
• پایداری زیست‌محیطی: با به حداقل رساندن ضایعات و کاهش مصرف انرژی در طول فرایند تولید فولاد، ردپای منفی زیست‌محیطی سنگ آهن به شدت کاهش می‌آید. کنسانتره سنگ آهن حاوی۶۰ تا ۷۰ درصد آهن است، در مقایسه با سنگ آهن خام که ۲۵ تا ۴۰ درصد آهن در خود دارد. درصد بالاتر آهن باعث افزایش کارایی در فرایندهای تولید فولاد می‌شود. به‌طور تقریبی، کنسانتره سنگ آهن مرغوب تقریبا ۱۵ تا ۳۰ درصد بر کارایی عملیات فولادسازی می‌افزاید.
• تقاضای جهانی برای فولاد باکیفیت: نه تنها تقاضا برای فولاد افزایشی است، بلکه تولید فولاد باکیفیت ضرورت بیشتری پیدا کرده است. هم‌زمان، تقاضا برای فولاد با نرخ بسیار دقیق از کربن و ویژگی‌های سختی و الاستیسیته دقیق بالا رفته است. در سال ۲۰۲۳ فروش فولاد ۲.۲ درصد رشد کرده و به ۱.۸۸ میلیارد تن رسیده است، این رقم تا سال ۲۰۲۵ از ۲ میلیارد تن عبور می‌کند. از این تقاضا، درصد بالایی برای فولاد با کیفیت بسیار بالا (درصد فسفر کمتر از ۰.۰۴۵ درصد و سلیس کمتر از ۰.۰۵۰ درصد) بوده است.

تمام این واقعیات و نیازهای پیرامون آن‌ها به شدت وابسته به مواد خامی هستند که برای تولید فولاد استفاده می‌شوند. درواقع درصد بالایی از پیش‌فرض‌های مرتبط با خلوص فولاد، میزان انرژی مورد نیاز، روش تولید فولاد و … در مرحله تولید کنسانتره سنگ آهن برآورده می‌شوند. به همین دلیل، نوآوری در تولید کنسانتره سنگ آهن بالاترین اهمیت را در تأمین تقاضا برای فولاد مرغوب دارد، نوآوری‌های این بخش حتی بر نوآوری در روش‌های تولید فولاد ارجعیت دارند.

چالش‌های مرتبط با روش‌های تولید سنتی کنسانتره سنگ آهن

تولید کنسانتره سنگ آهن با چالش‌های مختلفی در روش‌های تولید سنتی، ازجمله مصرف بالای انرژی، تأثیرات منفی زیست‌محیطی و مسائل کنترل کیفیت، مواجه است. فرایندهای سنتی معمولا به ورودی‌های قابل‌توجهی از انرژی برای خردسازی، آسیاب کردن و جداسازی نیاز دارند، که غالبا هزینه‌های عملیاتی بالایی دارند و با اثرات مخرب زیست‌محیطی همراه‌اند.

علاوه بر این، دفع پسماند و مواد زائد با نگرانی‌های شدیدی در مورد آلودگی آب و خاک در مناطق معدنی همراه است. هم‌زمان با کاهش دسترسی به سنگ آهن با گرید بالا، میزان باطله‌های معدنی در این بخش افزایش یافته و خط تولید کنسانتره سنگ آهن به نوآوری بیشتر در کنترل باطله و استفاده مجدد از آن در فرایند تولید کنسانتره نیاز دارد.

نوآوری‌های اخیر در تولید کنسانتره سنگ آهن

در سال‌های اخیر شاهد نوآوری و پیشرفت‌های فناوری قابل‌توجهی در تولید کنسانتره سنگ آهن بوده‌ایم که هدف غالب آن‌ها بهره‌گیری از رویکردها و تکنولوژی‌های مرتبط با افزایش بهره‌وری، کاهش ضایعات و استفاده مجدد از باطله معدنی، افزایش کارایی عملیات و یکپارچه‌سازی آن‌ها، و تعریف روش‌های دقیق در اندازه‌گیری میزان‌های مختلف از عناصر در بطن کنسانتره بوده‌اند.

علاوه بر تکنیک‌های پردازش پیشرفته مانند رول‌های آسیاب فشار بالا (HPHR) و آسیاب‌های غلتکی عمودی (VRM)، که جایگزین‌های کارآمد برای کاهش مصرف انرژی در فعالیت‌های مهم خردسازی و سنگ‌زنی سنتی هستند، رویکردهای دیگری نیز برای سایر مراحل ارائه شده‌اند.

برای مثال، در زمینه فناوری‌های جداسازی مغناطیسی، ازجمله جداکننده‌های درام مغناطیسی و فیلترهای مغناطیسی، تحول زیادی صورت گرفته و تجهیزات با دقت بالاتر معرفی شده‌اند. در این مراحل پرعیارسازی، فرایندهای چرخه‌ای برای بازگشت باطله‌ها به روند تولید تعریف شده‌اند تا تأثیرات زیست‌محیطی فرایند تولید را کاهش دهند، حجم باطله نهایی برای دفن به شدت کاهش یابد و خلوص کنسانتره از منبع ضایعات افزایش یابد.

از دیگر نوآوری‌ها، معرفی روش‌های شناورسازی جدید و تجهیزات شناورسازی است که کارایی فرایند فلوتاسیون را بالا می‌برند و امکان بازیابی انتخابی مواد معدنی باارزش از ذخایر معدنی با سطح آلایش بالا را فراهم می‌سازند. با بهینه‌سازی خواص شیمیایی و هدف‌گیری دقیق و استفاده از کاتالیزگرها، میزان سیلیس، فسفر و مواد دیگر، اندازه‌گیری و کنسانتره سنگ آهن لازم برای تولید فولاد باکیفیت بهتری تولید می‌شود.

در فرآیندهای هیدرومتالورژیکی، مانند لیچینگ و استخراج با حلال‌های شیمیایی، رویکردهای جایگزین برای استخراج از ذخایر و باطله‌های معدنی با عیار پایین ارائه شده‌اند. این فرایندها از واکنشگرهای بی‌خطر برای محیط‌زیست استفاده می‌کنند و نقشی کلیدی در توسعه پایدار معدن و حرکت در چهارچوب اقتصاد چرخه‌ای دارند.

درنهایت، الگوریتم‌های تجزیه و تحلیل پیشرفته و هوش مصنوعی برای نظارت و کنترل فرایندها، بهینه‌سازی زمان انجام اعمال لازم در تولید کنسانتره سنگ آهن و رصد هوشمند معرفی شده‌اند. با تجزیه و تحلیل حجم زیادی از داده تولید شده توسط حسگرها و تجهیزات فعال در چرخه تولید، امکان برداشت به‌موقع بینش از هر مرحله و بازنگری عملیات به وجود آمده تا نیاز به مداخله سریع‌تر تشخیص داده شود و آسیب کمتری به بهره‌وری معدن، سلامت کارکنان، تجهیزات و محیط‌زیست وارد شود.

چند نمونه از نوآوری در فرایندهای تولید کنسانتره سنگ آهن

در این بخش چند نمونه موردی از نوآوری در صنعت تولید کنسانتره سنگ آهن را ارائه می‌کنیم.

بهینه‌سازی استراتژی‌های مرتبط با شناورسازی و بهبود در واکنشگر

نرخ بازیابی، بخصوص در ذخایر با گرید پایین سنگ آهن، برای بسیاری از شرکت‌های تولید کننده سنگ آهن پایین است. بنابراین، شرکت‌ها بر روی فرایندهای مختلف استخراج و فرآوری تمرکز می‌کنند تا با بهبود در آن‌ها کلیت فرایند تولید را بهبود بخشند.

در یک مورد مطالعاتی، شرکت معدنی از بخش R&D خود خواسته که در همکاری با شخصیت‌های آکادمیک، امکان استفاده از فناوری‌های پیشرفته، که هنوز در مرحله توسعه تئوری هستند، در شناورسازی را تحقیق کنند. تمرکز این تحقیق بر روی کنترل کف، معرفی دوز دقیق از واکنشگر و افزایش فعل و انفعالات حباب – ذره بود.

رویکرد آن‌ها کلی‌نگر، اما با تمرکز تیم‌های مختلف بر روی جزئیات فرایند بود. هر تیم بر جنبه‌ای از فرایند شناورسازی می‌پرداخت و پیشرفت‌ها در تیم‌های کوچک‌ به صورت دوره‌ای انسجام می‌گرفتند. پس از دست‌یابی به فرمولی بهتر برای کنشگر، تنظیم دقیق کلکتور و حجم مواد شیمیایی اختلال‌زا در فرایند انحلال، آن‌ها به یک فرایند شناورسازی گزینشی با امکان تنظیم در مراحل مختلف دست یافتند.

هدف به حداکثر رساندن بازیابی آهن از توده‌های معدنی یا باطله‌های سنگ آهن، در عین حال به حداقل رساندن ناخالصی‌ها با جداسازی در فرایند فلوتوماسیون بود. نتیجه یک کنسانتره سنگ آهن با درصد بالاتر از آهن، در حدود ۱.۵ تا ۳ درصد، و ایجاد شرایط مطلوب در بازیافت آهن از باطله‌ها و تولید کنسانتره از توده‌ها با گرید پایین آهن بود. به ویژه، نرخ بازیابی از باطله‌ها از ۸۰ درصد به ۸۵ درصد افزایش یافته بود.

مزایایی این نوآوری در کنسانتره سنگ آهن

• ارائه کنسانتره مرغوب‌تر به شرکت‌های تولید کننده فولاد
• امکان همکاری با شرکت‌هایی که حساسیت بالاتری در میزان انتشار دی‌اکسید کربن از جانب تأمین کنندگان خود دارند؛ چراکه با افزایش نرخ بازیافت، بسیاری از محدودیت‌های زیست‌محیطی از جانب کشورهای اروپایی و آمریکای برطرف می‌شوند.
• صرفه‌جویی در هزینه حمل‌ونقل؛ زیرا باطله‌های بسیار کمتری برای دفن منتقل می‌شوند و نیاز به پردازش مجدد بسیار پایین است.
• ایجاد فرصت‌های بیشتر برای اندازه‌گیری عملیات و تغییر فرایندها در زمان ضرورت.
• ایجاد مزیت رقابتی با انتشار نتایج نهایی فرایند در مجلات علمی حوزه معدن یا گزارش ESG شرکت.

نمونه‌ای از نوآوری در زمینه جداسازی مغناطیسی

یکی از اصلی‌ترین مشکلاتی که معادن سنگ آهن با آن دست و پنجه نرم می‌کنند، توده‌های چند میلیون تنی از باطله‌های سنگ آهن است که حجم قابل‌توجهی از فلز آهن را همچنان در خود دارند. تحلیل‌ها نشان داده که اکثر تکنیک‌های مرسوم برا بهره‌برداری از کوارتزیت آهنی اکسیدشده ناکارآمد است. حتی در بسیاری از معادن هیچ اقدامی برای بازیافت این باطله‌ها نمی‌شود و میلیاردها تن باطله با قابلیت بازیافت و تولید کنسانتره‌های مطلوب دفع می‌شوند.

به دلیل همین عدم بازیافت، مناطق وسیعی در اطراف معدن با هیدروکسیدها و اکسیدهای ریز آهن آلوده می‌شوند. هم‌زمان، معادن نیز کنسانتره سنگ آهن با خلوص پایین‌تری را تولید می‌کنند، چراکه بخشی از آهن در فرایندهای فرآوری سنگ معدن هدر می‌رود.

درواقع، اکسید شدن سنگ معدن و ادغام شدنش با ناخالصی‌ها در مرحله خردسازی و آسیاب دلیل اصلی در بروز این مشکل است. با پرعیارسازی می‌توان این میزان آهن موجود در کنسانتره سنگ آهن را به ۶۱ درصد ‌رساند که البته با استانداردهای کنونی در صنعت فولادسازی همچنان فاصله دارد.

روش‌هایی مانند جداکننده‌های چرخشی می‌توانند تا ۸۰ درصد آهن از این اکسیدهای آهنی بازیافت کنند و از همین مقدار برای تولید کنسانتره بهره بگیرند. بخصوص، مراحل اضافی شناورسازی، مانند آنچه در بخش قبل توضیح دادیم، در ادامه امکان تولید کنسانتره‌ها با خلوص ۶۶ درصد را فراهم می‌کنند.

با استفاده از رویکردی جدید در تبدیل مرحله پرعیارسازی مغناطیسی به پرعیارسازی ۳ فازی مغناطیسی – شناورسازی، که شامل یک مرحله اضافی خردسازیِ محصول مغناطیسی و شناورسازی کاتونیک معکوس است، می‌توان کنسانتره سنگ آهن را تا ۶۶.۵ درصد خالص سازی کرد.

در سال‌های اخیر محققان شیوه‌های چرخشی زیادی را معرفی کرده‌اند که در آن‌ها فرایندهای تک فازی به انواع ۲ تا چند فازی تبدیل می‌شوند. فازهای اضافی یک چرخه به وجود می‌آورند که در آن امکان استفاده مجدد از باطله‌های فاز قبلی ممکن می‌شود و تولید و دور ریز هر فاز می‌تواند ورودی فاز قبلی و بعدی خود باشد.

جمع‌بندی

فولاد همچنان باارزش‌ترین ماده در صنایع و بنیاد تمام پیشرفت‌های مرتبط با مدرنیته، دیجیتالی‌سازی و تمام فعالیت‌ها در انقلاب صنعتی ۴.۰ است. بنابراین، هیچ افق نزدیکی در جایگزینی فولاد قابل پیش‌بینی نیست. بخصوص دیگر جایگزین‌ها مثل چوب، برای مثال در کاربردهای ساختمان‌سازی، با چالش‌های زیست‌محیطی بسیار شدیدتری همراه هستند و نمی‌توانند جایگزین مطلوبی یا حتی ممکنی برای فولاد باشند.

با این حال، چالش‌های زیست‌محیطی و فعالیت‌های بین‌المللی در کاهش آن‌ها، به همان اندازه که بر صنعت انرژی و شرکت‌های نفت و گاز فشار وارد می‌کنند، معادن را نیز در تنگنا قرار خواهند داد. به همین دلیل، تنها عاملی که می‌تواند چهره سبزتری از معدن نمایش دهد نوآوری در بخش‌های مختلف عملیات معدنی است.

علاوه بر این، این نوآوری‌ها تنها برای حذف یا کم‌رنگ کردن ردپای کربن شرکت‌های معدنی نیستند. برعکس، بیشترین سود را از این نوآوری‌ها خود معدن می‌برد؛ چراکه هدف غایی در اکثر این نوآوری‌ها بهبود در کارایی، استفاده بیشتر و بهتر از منابع و کاهش میزان هدر رفت زمان، انرژی و سرمایه است.

سوالات متداول

جداسازی مغناطیسی چیست؟

منظور از جداسازی مغناطیسی یک مرحله از فرآوری سنگ آهن است که در آن از میدان مغناطیسی، آهنربا، برای جدا کردن توده‌های حاوی آهن از گنگ معدنی استفاده می‌شود. این مرحله پس از مراحل دیگری چون خردسازی و آسیاب انجام می‌گیرد.

بزرگترین وارد کننده سنگ آهن چه کشوری است؟

در حال حاضر ۷۰ درصد از سنگ آهن استخراج شده از معادن مختلف در جهان، در چین مصرف می‌شوند. این کشور همچنین بزرگترین کارخانه‌های تولید فولاد را در اختیار دارد. اصلی‌ترین بخش مصرف‌ کننده فولاد در چین نیز بخش ساخت‌وساز آن است.

بزرگترین صادرکننده سنگ آهن چه کشوری است؟

استرالیا بزرگترین صادرکننده سنگ آهن است. استرالیا در حدود ۵۶ درصد از سنگ آهن صادراتی جهان را استخراج می‌کند. در رتبه‌های بعدی برزیل، کانادا، آفریقای جنوبی و سوئد قرار دارند. ایران نیز در رتبه ۱۳ام قرار گرفته است.

میزان صادرات سنگ آهن ایران چقدر است؟

ایران در سال بیشتر از ۳۰۰ میلیون دلار سنگ آهن صادر می‌کند که تقریبا ۹۸ درصد آن به مقصد چین است.