6 روش اصلی در پرعیارسازی سنگ‌آهن

 

بیش از 300 ماده معدنی حاوی آهن هستند، اما تنها 5 ماده معدنی منابع اصلی سنگ‌آهن مورداستفاده در صنایع‌اند:

 

1. مگنتیت

2. هماتیت

3. گوتیت

4. سیدریت

5. پیریت

استخراج و فرآوری سنگ‌آهن شامل مراحلی چون شناسایی، کشف، حفاری، برداشت، آسیاب و غربالگری و درنهایت پرعیارسازی است. از میان این مراحل، پرعیارسازی تجاری‌ترین مرحله و در ارتباط مستقیم باکیفیت محصولاتی است که از سنگ‌آهن نتیجه می‌شوند.

پرعیارسازی (Benefication) فرایندی است که در آن، مواد معدنی فلز دار از باطله معدنی یا گنگ جدا می‌شوند. ازآنجاکه هر سنگ‌آهن، ویژگی‌های کانی‌شناسی خاص خود را دارد، روش‌های پرعیارسازی نیز وابستگی زیادی به نوع سنگ‌آهن دارند. به‌طور دقیق‌تر، روش‌های پرعیارسازی بر مبنای خصوصیات فیزیکی، الکتریکی و مغناطیسی سنگ‌های معدنی و مراحل قبل از خود طراحی شده‌اند.

تا قبل از ورود به مرحله ذوب، سنگ‌آهن باید از چرخه فرآوری خاصی بگذرد تا خلوص آهن آن بالا رود و توده سنگ‌آهن خروجی با درصد تثبیت‌شده‌ای از آهن در سرتاسر قسمت‌ها آماده ارسال به کارخانه‌های تولید فولاد شود.

فرایند پرعیارسازی سنگ‌آهن دو هدف مکمل را تحقق می‌بخشد و تمام روش‌ها برای رسیدن به این دو هدف، از مسیرهای مختلف، طراحی می‌شوند. اول اینکه، میزان فلز آهنِ موجود در محصول نهایی مرحله فرآوری (پیش از مرحله ذوب) باید تا حد امکان افزایش یابد. دوم، مواد زائد همراه سنگ‌آهن باید تا آنجا که امکان دارد، از آن جدا شوند. بر این اساس، انواع تکنیک‌های پرعیارسازی سنگ‌آهن عبارت‌اند از:

1. 1. اسکراب کردن

   2. خرد کردن

   3. جداسازی ثقلی

   4. جداسازی مغناطیسی

   5. لخته سازی انتخابی

   6. شناورسازی

 

 

1. اسکراب کردن

اسکراب کردن فرایندی است که در آن رس، لجن و هرگونه امکان اکسیداسیون احتمالی موجود در یا روی سنگ معدن از آن جدا می‌شوند. در این روش، آب اصلی‌ترین عنصر در فرایند پرعیارسازی است. در واقعیت، این روش به‌عنوان یک پیش‌ فرآوری برای روش‌های دیگر چون خرد و آسیا کردن به کار گرفته می‌شود.

 

اسکرابر هوای مرطوب

بهترین انتخاب برای تمیز کردن گردوغبار سنگین (و غیرقابل اشتعال) از سنگ‌آهن، شستشوی آن با هوای مرطوب است. در این روش، هوای مرطوب با سرعت متوسط 4 متر بر ثانیه بر سنگ معدن استخراجی وزیده می‌شود تا باطله‌هایی چون خاک رس از آن جدا شوند.

باید سعی شود که آب مورداستفاده در داخل سیستم‌های اسکرابر، حاوی ذرات معلق جامد مانند سنگ‌های کوچک و ماسه نباشد تا از گرفتگی مجاری دستگاه جلوگیری شود. بااین‌حال، دسترسی به آب تمیز، در حجم‌های صنعتی مورداستفاده در معادن، در تأسیسات فرآوری سنگ‌آهن همیشه امکان‌پذیر نیست و استفاده از آب آلوده در اسکرابر‌های سنتی هوای مرطوب، منجر به کاهش کیفیت تصفیه هوا و بالا رفتن هزینه‌های نگهداری معدن می‌شود.

یکی از کاربردی‌ترین روش‌ها در جلوگیری از بروز انسدادهای مکرر، بهره‌گیری از اسکرابرهایی است که به‌گونه‌ای ساخته‌شده‌اند که امکان ورود هوا از جهات مختلف به درون محفظه تفکیک وجود دارد. در این شبکه‌ها، از فشار هوایی قدرتمند استفاده می‌شود که به‌مراتب سرعتی بیشتر از انواع سنتی دارد و امکان حرکت آزادانه ذرات سنگ و ماسه بر روی محفظه اسکرابر را نمی‌دهد.

 

2. خرد کردن

حداکثر اندازه ذرات سنگ معدن خام که از نقطه استخراج به کارخانه فرآوری ارسال می‌شوند، معمولاً بین 1000 تا 1500 میلی‌متر (در استخراج روباز) یا 400 تا 600 میلی‌متر (در استخراج زیرزمینی) قطر دارند. همچنین، اندازه مطلوب سنگ معدن برای انجام مراحل اصلی پرعیارسازی حدود 50 میلی‌متر است. خرد کردن و آسیا کردن سنگ‌آهن، درواقع فرایندهایی هستند که در آن‌ها، اندازه مطلوب برای مراحل پرعیارسازی اصلی (مانند جداسازی مغناطیسی یا شناورسازی) ایجاد می‌شود.

 

نیاز به خرد کردن سنگ معدن

مواد معدنی مفید (مواد معدنی که باید بازیافت شوند) و کانی‌های گانگ (باطله‌های معدنی که باید دور ریخته شوند) در سنگ‌آهن، شدیداً درهم‌تنیده‌ شده‌اند. جداسازی کانی‌های مفید و کانی‌های گانگ از یکدیگر وظیفه اصلی مرحله خرد کردن و پیش‌نیاز مراحل دیگر فرآوری است. اگر نتوان کانی‌های مفید و کانی‌های گانگ را به‌اندازه کافی از هم تفکیک کرد، نرخ بازیافت و پرعیارسازی، و البته تولید کنسانتره‌های با خلوص بالا، بسیار پایین خواهند بود.

برای اجرای هرکدام از روش‌های پرعیارسازی، اندازه خاصی از سنگ‌آهن ورودی نیاز است. اندازه‌های خیلی بزرگ یا خیلی کوچک برای بازیافت سنگ‌آهن مناسب نیستند. برای مثال، در روش شناورسازی، اندازه کوچک سنگ‌آهن باعث هدر رفتن بخش بزرگی از سنگ استخراجی می‌شود؛ همچنین، در روش جداسازی مغناطیسی، اندازه‌های بسیار بزرگ کانی معدنی را نمی‌توان از کانی‌های گانگ جدا کرد.

 

3. جداسازی ثقلی

جداسازی ثقلی بهترین روش اثبات‌ و پذیرفته‌شده برای پرعیارسازی سنگ‌آهن است که از دهه‌ها پیش مورد استفاده بوده است. به دلیل هزینه پایین و دقت بالای این روش، جداسازی ثقلی همیشه اولین انتخاب برای غنی کردن سنگ‌آهن استخراج‌شده است. به‌طور ویژه، در مواقعی که تفکیک خوبی (حاصل از مرحله خرد کردن) بین کانی معدنی و کانی گانگ وجود دارد، این روش بهترین انتخاب برای پرعیارسازی است.

جداسازی ثقلی یک فرایند فیزیکی است که شامل جداسازی انواع کانی‌های مختلف در سنگ معدن از یکدیگر و بر اساس تفاوت در وزن مخصوص آن‌ها با استفاده از نیروی گرانش است. همچنین، از نیروهای دیگری چون نیروی گریز از مرکز و مقاومت در برابر حرکت سیال (مانند هوا و آب) نیز در این فرایند جداسازی بهره گرفته می‌شود. بنابراین، علاوه بر گرانش، فاکتورهای دیگری چون اندازه، شکل و …، نیز بر این روش تأثیر می‌‌گذارند.

 

پیاده‌سازی جداسازی ثقلی

جداسازی ذرات سنگ معدن از یکدیگر با روش ثقلی به دو عامل اصلی بستگی دارد:

1. 1. سرعت ته‌نشینی ذرات

   2. تفاوت در وزن مخصوص مواد در مقایسه با محیطی که در آن فرایند جداسازی پیاده می‌شود

نرخ ته‌نشینی ذرات از قانون استوک تبعیت می‌کند و برابر است با

kd2g(Ds-Df)

که در آن k یک عدد ثابت، d قطر ذره، g نیروی گرانش، Ds وزن مخصوص جامد و Df وزن مخصوص محیط سیال است. مقدار زیر، معیار غلظت خوانده می‌شود و قابلیت جداسازی اجزای تشکیل‌دهنده سنگ معدن را مشخص می‌کند:

(Dg-Df)/(Dh-Df)

که در آن، Dgوزن مخصوص جزء سنگین‌تر سنگ معدن و Dh وزن مخصوص جزء سبک‌تر است. به‌طورکلی، در مواردی که این ضریب بزرگ‌تر از 2.5 باشد (مثبت یا منفی)، جداسازی ثقلی بسیار آسان است. با کاهش مقدار ضریب، راندمان جداسازی پایین می‌آید و برای اعداد زیر 1.25، جداسازی به روش ثقلی تقریباً غیرممکن است. روش‌ پرعیارسازی ثقلی خود به روش‌های زیر تقسیم‌بندی می‌شود:

1. 1. مارپیچ

   2. میز لرزان

   3. جیگ

   4. جداکننده ذرات ریز مانند جداکننده ثقلی چندگانه

   5. هیدروسایزر و هیدروسیکلون

4. جداسازی مغناطیسی

جداسازی مغناطیسی یک تکنیک قدیمی برای پرعیارسازی سنگ‌آهن و حذف مواد زائد از سنگ معدن آن است. در این روش، از خواص مغناطیسی آهن برای جداسازی آن از مواد باطله معدنی، و سایر مواد معدنی باارزش، استفاده می‌شود. جداسازی مغناطیسی را می‌توان در محیط خشک یا مرطوب پیاده‌سازی کرد؛ بااین‌حال، سیستم‌های مرطوب محبوب‌ترند.

جداسازی مغناطیسی روشی فیزیکی مبتنی بر سه نیروی زیر است:

1. 1. نیروی مغناطیسی

   2. نیروی گرانشی، کشش هیدرودینامیک، اصطکاکی یا اینرسی

   3. نیروهای جاذبه یا دافعه بین‌ذره‌ای

در یک جداسازی مغناطیسی، ترکیبی از نیروی مغناطیسی و یک یا چند نیروی دیگر بر توده سنگ معدن اعمال می‌شوند. بسته به نوع اعمال این روش، وجود و اهمیت هرکدام از این نیروها در فرایند جداسازی متغیر است. برای جداسازی سنگ‌آهن‌هایی که در اندازه‌های بزرگ فرآوری می‌شوند، استفاده از نیروی گرانشی به‌عنوان مکمل نیروی مغناطیسی مطلوب است. نیروی کشش هیدرودینامیکی برای سنگ‌ معدن‌های کوچک‌تر کاربرد دارد.

کمی دقیق‌تر، وقتی سنگ ورودی بزرگ و خشک است، نیروی مغناطیسی باید آن‌قدر قوی باشد که سنگ‌هایی چون مگنتیت که خاصیت مغناطیسی دارند را از نیروی گرانش برباید. همچنین، وقتی ذرات مرطوب و در اندازه‌های کوچک هستند، نیروی مغناطیسی باید بزرگ‌تر از نیروی کشش هیدرودینامیکی باشد تا بر روی جریان دوغاب و ذرات به دام افتاده به‌درستی عمل کند و مواد معدنی با خاصیت مغناطیسی‌ را از مخلوط جدا کند.

یک نکته کلیدی و بسیار دقیق در روش پرعیارسازی مغناطیسی، میزان قدرت نیروی مغناطیسی در مقابل مجموع نیروهای دیگر است که در فرایند جداسازی به کار گرفته می‌شوند. باید توجه داشت که نیروی مغناطیسی باید همیشه از مجموع نیروهای رقابتی اعمالی، قوی‌تر باشد؛ اما قدرت بیش ‌از اندازه این نیرو نیز باعث حصول ماده معدنی نامرغوب می‌شود، چراکه سنگ‌ معدن‌هایی که کمترین خاصیت آهنربایی هم داشته باشند را جذب و به‌عنوان سنگ‌آهن تفکیک می‌کند.

 

ارزیابی کارایی روش

نیروی مغناطیسی و انواع رقیب آن، گرانشی، اصطکاک، کشش هیدرودینامیکی یا اینرسی، تمایل ذاتی‌ای در جداسازی عناصر از یکدیگر دارند، اما نیروهایی هم هستند که به ثبات موجود پایبندند و مانع این فرایند می‌شوند. این امر و استفاده نامناسب از ترکیب و میزان نیروها باعث می‌شود که در سنگ‌آهن حاصل ناخالصی ایجاد شده و متناظر با آن در باطله حاصل مقادیری از سنگ‌آهن موجود باشند.

میزان کارایی روش پرعیارسازی مغناطیسی با استفاده از دو شاخص اساسی راندمان (نسبتِ مواد مغناطیسی در کنسانتره حاصل به مواد معدنی ورودی به مرحله فرایند پرعیارسازی) و عیار (درصد مواد مغناطیسی موجود در کنسانتره سنگ‌آهن) تعیین می‌گردد. این دو شاخص به‌صورت مستقل اندازه‌گیری می‌شوند.

 

روش‌های پرعیارسازی مغناطیسی

انواع مختلفی از جداکننده‌های مغناطیسی وجود دارند که متناظر با نوع سنگ‌آهن (اندازه و میزان تقریبی آهن موجود در سنگ معدن)، میدان مغناطیسی متفاوتی برای آن‌ها طراحی‌شده است. به‌طورکلی دو گروه از جداکننده‌های مغناطیسی موجودند:

1. 1. جداکننده مغناطیسی با شدت کم (Low Intensity)

   2. جداکننده مغناطیسی با شدت بالا (High Intensity)

در هر دو گروه، جداسازی سنگ معدن خشک یا مرطوب قابل‌اجرا است. انواع روش‌های جداسازی مغناطیسی زیر، زیرمجموعه‌هایی از این دو گروه اصلی و متناظر با ویژگی‌های دیگری هستند که در فرایند پرعیارسازی تأثیرگذارند:

1. 1. جداسازی مغناطیسی مرطوب و خشک، با شدت کم (LIMS)

   2. جداسازی مغناطیسی با گرادیان بالا (HGMS)

   3. جداسازی مغناطیسی با شدت بالا مرطوب (WHIMS)

   4. جداکننده‌های مغناطیسی غلتکی (رول) برای سنگ‌ معدن‌های با خاصیت مغناطیسی پایین

   5. جداسازی مغناطیسی غلتکی القایی (IRMS) برای پرعیارسازی سنگ‌های خشک

همچنین، میدان مغناطیسی موردنیاز در این روش‌ها با یکی از راه‌های زیر ایجاد می‌شود:

• • آهنربای دائمی

  • آهنربای الکتریکی با یوغ آهنی

  • الکترومغناطیسی

  • آهنربای ابررسانا

5. لخته سازی انتخابی

برای سنگ‌آهن‌هایی که همراه با آن‌ها مقادیر بسیار زیادی از گل‌ولای استخراج می‌شوند، روش لخته سازی انتخابی بسیار مناسب است. این روش، نه‌تنها مطلوب چنین شرایطی است، بلکه درنهایت سطح بسیار کمی از باطله معدنی را تولید می‌کند.

عیار این نوع سنگ‌آهن‌های کثیف را نمی‌توان به شکل مطلوبی با استفاده از روش‌های پرعیارسازی ثقلی یا مغناطیسی بالا برد. درواقع، این نوع از سنگ‌آهن در مناطقی یافت می‌شوند که خاک رس منطقه نیز بسیار چگال است و اندازه سنگ‌های معدنی نیز بسیار کوچک هستند.

به‌طور خلاصه، در روش لخته سازی انتخابی، از مایعی مبنا برای جذب باطله‌ها و تفکیک سنگ‌آهن‌ها در قالب توده‌های به‌هم‌پیوسته (لخته) استفاده می‌شود. مایع مبنا معمولاً ترکیبی از آب و ترکیب شیمیایی است که به‌ تحرکات فیزیکی موردنیاز در فرایند، سرعت می‌بخشد.

به‌طور ویژه، از تکنیک لخته سازی برای جداسازی رسوبات و مواد مرئی و تصفیه کلوئیدها استفاده می‌شود. به‌عنوان نمونه، کلوئید محلولی است که ظاهری یکنواخت دارد، اما درواقع از یک یا چند جزء تشکیل‌شده که در قالب یک مجموعه به هم چسبیده‌اند. در لخته سازی انتخابی از پلی آکریل آمیدهای نیمه کربوکسیله به‌عنوان عامل لخته ساز استفاده می‌شود. عناصر هدف، با استفاده از لخته ساز از مجموعه استخراجی جدا می‌شوند و در پایین محیط فرایند جمع‌آوری می‌شوند.

 

6. شناورسازی(فلوتاسیون)

روش فلوتاسيون بر مبناي خواص شيمي فيزيكي سطوح جامد در يك محيط سيال و با ايجاد جريان هوا براي توليد حباب مناسب بنا شده است.

دراین روش ابتدا کانی طی مرحله ی خردایش به اندازه مشخصی آسیا می شود و سپس مواد حاصله(پالپ) در مخزن های آماده سازی با مواد شیمیایی آماده سازی می شوند در این مرحله کانی مورد نظر ما آب گریز شده و سپس وارد دستگاه هایی به نام سلول فلوتاسیون میشود و در آنجا طی مراحلی با هوا ترکیب شده که در فلوتاسیون مستقیم ماده با ارزش و در فلوتاسیون معکوس ماده باطله به صورت کف شناور می شوند و با تکرار مراحلی کانی تغلیظ می‌شود.

عواملی که نتیجه حاصل از شناورسازی را بهبود می‌بخشند عبارت‌اند از:

1. 1. یکنواختی موجود در اندازه سنگ ‌معدن‌ها

   2. استفاده از واکنشگرهای سازگار با ماده معدنی هدف و شرایط آبی که در آن عمل اتصال صورت می‌گیرد.

چهار عنصر معروف شیمیایی که در روش‌ شناورسازی به‌عنوان واکنشگر استفاده می‌شوند.

 

1. 1. جمع‌کننده‌ها/ آمین‌ها – مواد شیمیایی هستند که برای آبران کردن سطح کانی آهن استفاده می‌شوند. جمع‌کننده‌ها باعث می‌شوند مواد معدنی چون آهن به حباب‌های هوا بچسبند و شناور شوند.

   2. کف کننده‌ها – موادی هستند که برای ایجاد حباب یا کف پایدار به محلول پایه اضافه می‌شوند. هدف از استفاده از آن‌ها، تثبیت حباب‌های هوا با کاهش کشش سطحی است.

   3. بازداشت کننده‌ها – این مواد با سطوح ذرات در پالپ واکنش می‌دهند تا سطح ذرات کانی را آب پذیر کند. و برای جلو گیری از اثر کردن کلکتور بر روی این کانی ای که نمی خواهیم بصورت کف از سلول خارج شود استفاده می کنیم.

   4. ترکیبات دیگر – ترکیبات شیمیایی مختلفی برای اهدافی چون تنظیم PH، متفرق کننده ها برای ایجاد پراکندگی بهتر دانه های ریز ماده معدنی، فعال کننده ها برای سرعت بخشیدن به اثر جمع‌کننده‌ها بر روی کانی و …، استفاده می شوند.

عواملی که برای آماده‌سازی سنگ معدن برای ورود به مرحله شناورسازی مهم هستند:

• • اختلاط کامل و پراکندگی واکنشگرها در سرتاسر بستر مورداستفاده در روش شناورسازی

  • ایجاد تماس مکرر بین واکنشگرها و تمام ذرات موجود در بستر شناورسازی

  • زمان موردنیاز برای ایجاد تماس و جداسازی مواد معدنی از مواد زائد

واکنشگرها را می‌توان به‌ اشکال مختلفی ازجمله جامد، مایع غیرقابل اختلاط، امولسیون و محلول در آب اضافه کرد. باید در تمام زمان شناورسازی، از غلظت واکنشگرها آگاهی داشت و در صورت نیاز، میزان آن را کم یا زیاد کرد؛ توجه کنید که افزودن مقادیر بیش‌ازحد واکنشگر به ماده معدنی باعث افزایش زمان پرعیارسازی می‌شود و از این طریق کارایی را کاهش می‌دهد.

 

روند اجرا

پالپ حاوی ذرات سنگ آهن آسیا شده با واکنشگر ها شامل جمع کننده، تنظیم‌‌کننده، بازداشت کننده و فعال کننده در مخازن آماده‌سازی، می شود و باید تا حد امکان، تنها سطح کانی یا کانی‌های مورد نظر آب‌گریز شده باشد. آب‌گریز یا هیدروفوب، یک پدیده فیزیکی در مولکول‌ها است که از آب دوری می‌کنند. مواد آبگریز، اجازه جذب شدن آب روی سطح را نمی‌دهند

پالپی که به ترتیب فوق آماده شد، به سلول فلوتاسیون منتقل می‌شود. سلول فلوتاسیون، ظرفی است که داخل آن یک همزن برای معلق نگه‌داشتن دانه‌های جامد و همچنین مسیری برای ورود حباب‌های هوا پیش‌بینی شده است. ابعاد این حباب‌ها توسط خود دستگاه فلوتاسیون، شدت همزنی و حضور ماده شیمیایی مرسوم به کف‌ساز در فصل مشترک مایع-گاز قابل کنترل است. این حباب‌ها به سطح دانه‌های آبگریز می‌چسبند و در اثر نیروی ارشمیدس و وزن خودشان و دانه‌های جامد، دانه‌ها را به سطح پالپ منتقل می‌کنند.

با استفاده از کف‌ساز مناسب و مقدار صحیح آن می‌توان لایه‌ای از کف با پایداری کافی در سلول ایجاد کرد که حاوی دانه‌های جامد آبگریز است. با خارج کردن این کف از سطح سلول، کانی یا کانی‌های مورد نظر از سایر کانی‌ها جدا می‌شود.

 

جمع‌بندی

آهن یکی از عناصر پوسته زمین است که نقشی حیاتی در زندگی بشر ایفا می‌کند. ازآنجاکه آهن در سرتاسر پوسته زمین پخش‌شده است، سنگ معدن متناظر با آن ناخالصی‌های زیادی دارد. از طرفی، نیاز به عیار بالا برای تولید فولاد مرغوب همیشه یک چالش بزرگ پیش‌ روی معدن کاران بوده است.

خرد کردن و غربالگری بخش‌هایی جدایی‌ناپذیر از هر معدن سنگ‌آهن هستند. پس از مرحله خرد کردن و تفکیک حداقلی سنگ‌آهن از باطله‌های معدنی، نوبت به مرحله پرعیارسازی و ارتقاء عیار سنگ‌آهن می‌رسد. روش‌های مختلفی در پرعیارسازی سنگ‌آهن وجود دارند که متناسب با نوع سنگ‌آهن، اندازه سنگ‌های استخراج‌شده و ویژگی‌های زمین‌شناسی معدنی که سنگ‌آهن از آن استخراج‌شده است (مثلاً مرطوب یا خشک بودن آن)، روش پرعیارسازی خاصی باید به کار گرفته شود.

روش‌های ثقلی و مغناطیسی پرکاربردترین و مؤثرترین روش‌های موجود در پرعیارسازی هستند. با این‌حال، و متناظر با مشکلاتی چون اندازه نامناسب سنگ معدن برای اعمال روش‌های مغناطیسی، روش‌های دیگری چون شناورسازی نیز در معادن استفاده می‌شوند.

 

منابع:

https://www.911metallurgist.com/blog/beneficiation-iron-ore
https://www.sgs.com/en/-/media/sgscorp/documents/corporate/brochures/sgs-min-wa054-beneficiation-en-11.cdn.en.pdf
file:///C:/Users/Wrya/Downloads/Chapter%2012%20-%20Concentration.pdf