خلاصه‌ای از مهم‌ترین روش‌ها در فرآوری سنگآهن به‌منظور پرعیارسازی سنگآهن و تولید کنسانتره باکیفیت
انتظار می‌رود نرخ استفاده شرکت‌های معدنی از فناوری‌ها و فرایندهای جدید در استخراج و فرآوری مواد معدنی در چند سال آینده به‌شدت افزایشی باشد. اصلی‌ترین دلیل برای این پیش‌بینی، افزایش تقاضا در بازار فلزات و مواد معدنی هم‌زمان با کاهش گرید سنگ‌های معدنی است. در این میان، فولاد یکی از پر تقاضاترین محصولات صنعت معدن است که بیشترین تأثیر را از کاهش کیفیت سنگآهن گرفته است.
با کاهش منابع سنگآهن با گرید‌هایی بالاتر از 60 درصد، شرکت‌های تولیدکننده سنگآهن بر روی شیوه‌های کاراتر در پرعیارسازی و تولید کنسانتره مطلوب برای تولید فولاد و محصولات دیگر تمرکز کرده‌اند. از طرفی، سیلیس و آلومینا ازجمله ناخالصی‌هایی هستند که در توده‌های سنگآهن استخراجی از نقاط مختلف دنیا و البته ایران یافت می‌شوند. روش‌های پرعیارسازی معمولاً بر مبنای نوع مواد باطله و اندازه سنگ‌های معدنی استخراج‌شده طراحی می‌شوند.
فرایندهای انتخابی برای پرعیارسازی سنگآهن با عیار پایین به ویژگی‌های کانی‌شناسی سنگ معدن و درک کامل فرایند جداسازی بستگی دارند. روش‌های اصلی مورداستفاده در کنسانتره و پرعیارسازی کلوخه و نرمه سنگآهن با گرید پایین شامل موارد زیرند:
-
جداسازی مغناطیسی
-
جداسازی ثقلی مرطوب و خشک
-
جیگ با پالس هوا
-
شناورسازی
در کاربردهای تجاری، فرآوری محصول نهایی شامل یک یا ترکیبی از چند روش بالاست. در این مقاله به عملکرد فناوری‌های مختلف در جداسازی می‌پردازیم، با این توضیح که تأکید بر روی حذف سیلیس و آلومینا از سنگآهن با عیار پایین است. این روش‌های جداسازی، هسته اصلی فرایند پر عیار کردن سنگآهن و تولید کنسانتره‌های با درصد قابل‌قبول آهن هستند.
استخراج منابع سنگآهن با گرید پایین
از ابتدای قرن جدید تاکنون، تولید فولاد دو برابر شده است. چین با بالاترین درصد مصرف، سیاست‌های بلندمدتی در ساخت‌وساز و توسعه کارخانه‌های مختص تولید اجزای فناوری دارد (تحول دیجیتال). از طرفی، معادن سنگآهن امکان برآورده کردن نرخ صعودی تقاضا برای سنگآهن مرغوب را ندارند و استخراج از منابع با گریدهای پایین‌تر رویکردی است که در سال‌های اخیر و در کشورهای مختلف اتخاذ شده است.
به‌ویژه، انواع هماتیت – گوتیت مارا مامبا (Marra Mamba)، رسوبات آهن کانالی (CID) و رسوبات پلاسری (DID) از انواع با گرید پایین هستند که در مناطق مختلف و در حجم‌های زیادی استخراج می‌شوند.
وجود ناخالصی در سنگآهن به‌صورت مستقیم در هزینه تولید فولاد، انتشار بیشتر گازهای گلخانه‌ای، مصرف انرژی بیشتر و نقص قوانین ملی و بین‌المللی مرتبط با تغییرات اقلیمی تأثیرگذار است. به‌طور دقیق‌تر، ناخالصی‌هایی چون سیلیس (Si) و آلومینا (Al) باعث افزایش انتشار دی‌اکسید کربن با نرخ 80-12 کیلوگرم به ازای هر تن سنگآهن می‌شوند.
استراتژی‌های موجود در پرعیارسازی سنگآهن
تقاضای فزاینده برای بهینه‌سازی فرایندهای استخراج و فرآوری سنگآهن مستلزم بهبود در طراحی کارخانه‌های پرعیارسازی و تهیه فلوشیت‌های جدید با بهره‌برداری از دانش روز در علم معدن است. مواد خام اولیه در تولید آهن و فولاد کلوخه سنگآهن (6.3 تا 31.5 میلی‌متر) و سنگ آهن دانه ریز (کمتر از 6.3 میلی‌متر) هستند. همچنین، مواد با اندازه کمتر از 0.21 میلی‌متر باطله حساب می‌شوند و کاربرد چندانی ندارند.
علاوه براین، برخی از انواع سنگ‌آهن‌های با درصد بالای آب محتوی، همراه با درصد بالایی از عناصری چون گوتیت و لیمونیت یا کربنات (سیدریت)، اغلب قبل از شارژ شدن در کوره بلند، کلسینه (یک مرحله گرما‌دهی برای حذف درصد قابل‌توجهی از آب همراه توده معدنی) می‌شوند. همین امر باعث شده که در سال‌های اخیر روش‌های فرآوری خشک توسعه یابند.
پرعیارسازی مرطوب در اکثر فرایندهای فرآوری سنگآهن با عیار پایین استفاده می‌شود اما در کشورهایی چون استرالیا، هند و ایران که دسترسی به منابع آبی محدود است، استفاده از روش‌های خشک رو به افزایش است.
جدول زیر خلاصه‌ای از شیوه‌ها و ابزارهای رایج در پرعیارسازی سنگآهن با گرید پایین است. در این جدول، منظور از محصول، توده‌های تفکیک‌شده سنگ معدن استخراج‌شده هستند که در اندازه‌های مختلف آسیا و به کارخانه‌های فرآوری انتقال یافته‌اند. در ستون فناوری به اصلی‌ترین مرحله فرآوری اشاره کرده‌ایم و در بخش تجهیزات، ابزارهای سنگین معدنی مورداستفاده برای پیاده‌سازی آن عملیات موردنظر است. درنهایت، شاخصه‌های اصلی روش و عملکرد خاص آن ارائه می‌شود.
| محصول (ازنظر اندازه) | فناوری | تجهیزات مورداستفاده | شاخصه‌های اصلی |
| کلوخه سنگآهن (6.3 تا 31.5 میلی‌متر) | اسکراب یا شستشو | دستگاه ماسه شور، کلوخه شور، اسکرابر استوانه‌ای | · این فناوری پتانسیل بسیار بالایی برای حذف لجن و گِل از توده‌های استخراجی در سنگ‌های معدنی چون لیومنیت/ گوتیت و هماتیت – گوتیت است. |
| جداسازی گرانشی | جداکننده‌های ثقلی واسطه سنگین (HMS)، جداکننده‌های Tri-Flo | · در این روش، فرآوری برخی از سنگ‌ها ممکن است منجر به تجمع لجن در منافذ دستگاه‌های جداسازی شود و بر نتیجه نهایی تأثیر نامطلوبی بگذارد. · در فرایند جداسازی ممکن است بخش‌های اصلی دستگاه از بین بروند. به‌ویژه، به‌کارگیری این روش در تصفیه سنگآهن در برخی مناطق پرهزینه و دشوار است. | |
| جیگ (Jigging) | · جیگ یک فناوری قابل‌اتکا برای پر عیار کردن سنگ‌های هماتیت BIF با عیار پایین و سنگ‌های معدنی با ویژگی‌های مشابه است. انتخاب روش باید با انجام آزمایش‌های کانی‌شناسی مستمر همراه باشد. | ||
| جداسازی مغناطیسی | RED (Rare Earth Drum) به‌عنوان یک جداکننده مغناطیسی قدرتمند | · از جداکننده مغناطیسی RED می‌توان به‌عنوان یک مرحله قبل از کنسانتره و تولید قطعات با اندازه‌های تا 75 میلی‌متر استفاده کرد. از این روش بخصوص در فرآوری سنگآهن هماتیت و ماریتیت استفاده می‌شود. · استفاده از این روش همراه با مرحله اولیه تشویه تشویه سنگآهن یک رویکرد جدید و قابل‌بررسی برای توسعه روش‌های ترکیبی این‌چنین است. | |
| نرمه سنگآهن با اندازه‌های 1 یا 0.5 میلی‌متر تا 6.3 میلی‌متر | اسکراب یا شستشو | اسکرابر‌های سایشی | · سایش باقدرت بالا در محیط اسلاری می‌تواند مواد معدنی را از پوشش‌های لجنی آزاد کند، آگلومراهای رسی را تجزیه کند و دانه‌های معدنی را تمیز و جلا دهد. · بسته به ماهیت کانی‌های رسی، ساییدگی سایشی معمولاً برای ذرات با اندازه کمتر از 10 میلی‌متر مطلوب است. میزان فشار لازم به توده معدنی و جنس حلال‌ها بستگی دارد ولی معمولاً در تراکم 70 تا 80 درصد مواد جامد قابل‌اعمال است. |
| جداسازی گرانشی | HMS و جیگ | · مشابه وضعیت بالا در فرآوری کلوخه‌ها | |
| جداسازی مغناطیسی | جداکننده‌های مغناطیسی RED | · مشابه وضعیت بالا در فرآوری کلوخه‌ها | |
| نرمه سنگآهن با اندازه‌های 75 یا 45 میکرومتر تا 1 میلی‌متر، توده‌های لجن با اندازه ذرات تشکیل‌دهنده کمتر از 75 یا 45 میکرومتر | دسته‌بندی/ اندازه کردن/ جداسازی گرانشی | هیدروسیکلون‌ها، صفحات فیلترینگ ذرات | · فرایندهای تکمیلی مانند استفاده از اسکرابرها، فیلترهای ذرات، سیکلون‌ها (دانه‌‌بندی ذرات) به فرایندهای اصلی در پرعیارسازی سنگآهن اضافه می‌شوند. · جداسازی مخلوطی از ذرات به دسته‌هایی مشخص و متناسب با اندازه‌های از پیش تعیین‌شده به‌منظور افزایش بهره‌وری فرایندهای جداسازی (مانند جداسازی گرانشی یا مغناطیسی) در مراحل بعد. |
| مارپیچ‌ها، TBS (جداکننده تیتربد) | · مارپیچ‌ها و تیتربد به شکل گسترده‌ای در روندهای فرآوری سنگآهن استفاده می‌شوند. ازجمله مزایای آن‌ها کاهش فضای موردنیاز و نیروی کار فعال در محل، و سادگی پیاده‌سازی عملیات است. | ||
| جداسازی مغناطیسی | آهنرباهای ماتریسی، WHIMS، HGMS | · این فناوری نسبتاً جدید برای توده‌های معدنی مفید است که اجزای آن به‌طور قابل‌توجهی از هم جداشده باشند، اما برای ذرات کوچک و لجن‌هایی با اندازه کمتر از 1 میلی‌متر چندان مطلوب نیستند. | |
| شناورسازی | شناورسازی آنیونی مستقیم و معکوس، شناورسازی کاتیونی معکوس، شناورسازی ستونی | · جداسازی کائولینیت و گیبسیت موجود در سنگآهن با این روش‌ها بسیار چالش‌برانگیز است. | |
| گزینه‌های پرعیارسازی خشک (رویکردی کارا برای پرعیارسازی سنگ معدن هیدروکسید آهن با گرید پایین) | اندازه کردن/ دسته‌بندی | روش‌های طبقه‌بندی با استفاده از جریان هوای پرفشار، سایکلون‌های گردوغبار | · با استفاده از این روش‌ها می‌توان اندازه‌های 20 تا 38 میکرومتر را از توده‌های متشکل از ذرات سنگآهن با اندازه حداکثر 10 میلی‌متر جدا کرد. این روش‌ها همچنین، رویکردی برای آماده کردن سنگآهن قبل از ورود به کوره‌های ذوب است. |
| تشویه و به دنبال آن جداسازی مغناطیسی | تشویه معمولی یا ماکروویو و جداسازی مغناطیسی خشک | · سنگ‌آهن‌های حاوی گوتیت در مقایسه با سنگ معدن هماتیت حساسیت مغناطیسی کمتری دارند. استفاده از مغناطیسی سازی حرارتی و ماکروویو یا تشویه هوای خنثی همراه با جداسازی مغناطیسی RED، گزینه‌های ممکن برای بهبود روش جداسازی و پرعیارسازی هستند. · بسته به ویژگی‌های سنگآهن، دفع گانگ و ارتقاء 4 تا 6 درصدی گرید آهن در دسترس است. |
مقایسه روش‌های مختلف در پرعیارسازی سنگآهن
فناوری‌های زیادی در پرعیارسازی و تولید کنسانتره سنگآهن معرفی شده‌اند که به‌ویژه در فرآوری سنگآهن با گرید پایین و حذف ناخالصی‌های آن کاربرد دارند. بیشتر روش‌هایی که در جدول بالا به آن‌ها اشاره کردیم برای پرعیارسازی سنگآهن با درصد قابل‌توجه سیلیس و آلومینا مطلوب هستند. این روش‌ها مرحله پیشین و اساسی در آماده‌سازی سنگآهن موردنیاز در ساخت فولاد و تغذیه کوره‌های ذوب سنگآهن می‌باشند.
نسبت به میزان بودجه موردنیاز
به‌طورکلی، سرمایه اولیه موردنیاز و هزینه عملیاتی فناوری‌های دسته‌بندی و جداسازی گرانشی پایین هستند. شناورسازی نیز در اکثر موارد (درصورتی‌که محلول‌های زیاد و کمیابی به کار گرفته نشوند) کم‌هزینه است. در مقابل، هزینه اجرای روش جداسازی مغناطیسی می‌تواند بسیار بالا باشد. هرچند، برای انواع مختلف سنگآهن با اندازه‌های متفاوت، نوع جداکننده متفاوت و درنتیجه هزینه خرید و عملیاتی آن نیز متفاوت خواهد بود.
وقتی ترکیبی از روش‌های نیاز باشد، هزینه‌ها نیز به نسبت بالا می‌روند. در مواقعی که مواد معدنی حاوی آهن درون کلوخه‌های سنگ معدن محصورشده باشند، ترکیبی از جداسازی مغناطیسی RED با روش‌های گرانشی شامل HMS مرطوب بسیار کاربردی است. چنین ترکیب‌هایی چندان افزایش هزینه‌های عملیاتی را به همراه ندارند. برای سنگآهن با اندازه‌های کوچک‌تر از 1 میلی‌متر، نیاز به روش‌های دقیق‌تر و حساس‌تری است که نسبت به انواع بالا هزینه بیشتری را بر شرکت معدنی اعمال می‌کنند.
نسبت به ویژگی‌های فنی
در اکثر فلوشیت‌های (نمودارهای پیاده‌سازی روش فرآوری) پرعیارسازی، ابتدا یک مرحله برای جدا کردن لجن از توده سنگآهن اجرا می‌شود تا درصد بالایی از سیلیس و آلومینای موجود را دفع کند. بدین منظور، هیدوسیکلون‌ها معمولاً رویکرد مناسبی هستند، اما استفاده از فشار هوا و دسته‌بندی از این طریق در سال‌های اخیر و بخصوص در رویکردهای فرآوری خشک باب شده‌اند.
ازآنجاکه وزن مخصوص مواد معدنی حاوی آهن بالاتر از وزن مخصوص مواد گنگ همراه آن است، استفاده از فرایندهای گرانشی HMS و مارپیچ‌ها در تولید کنسانتره سنگآهن بسیار کاربردی است.
علاوه‌براین، خاصیت مغناطیسی آهن باعث می‌شود که روش‌های جداسازی مغناطیسی بخش قابل‌توجهی از مواد اضافی را دفع کند که این خاصیت را ندارند. با توسعه روش‌های جداسازی مغناطیسی (برای مثال روش‌های جدید WHIMS و HGMS)، ارتقاء گرید سنگ‌آهن‌های هماتیت نیز ممکن شده است.
برای سنگ‌آهن‌ها با درجه آزادی پایین، بخصوص وقتی با کانی‌های سیلیکات همراه باشند، آسیای دو مرحله‌ای ریز، آگلومراسیون و شناورسازی معکوس کاتیونی بسیار رایج و در تولید کنسانتره‌های با عیار بالا کاربردی است. بااین‌حال، برای دستیابی به یک چهارچوب و رویکرد مناسب در فرآوری این اندازه‌ها، به آزمایش‌ها و بررسی‌های مداوم نیاز است.
روش‌های خشک در مقابل روش‌های مرطوب
جداسازی خشک فناوری جدیدی است که برای دسته‌بندی و جداسازی مغناطیسی توسعه‌یافته و به‌ویژه برای مناطقی که با کمبود آب مواجه‌اند این روش بهینه‌تر است. در این روش پرعیارسازی، تولید گردوغبار معدنی اصلی‌ترین چالش است.
وقتی اندازه سنگآهن بزرگ است و اعمال روش‌های خشک (استفاده از هوا برای جداسازی) چندان مؤثر نیست، از خواص مغناطیسی و الکترواستاتیک سنگآهن برای ترکیب روش خشک با جداسازی مغناطیسی، استفاده از سیکلون‌های هوایی یا سانتریفیوژها بهره می‌برند.
روش فرآوری خشک نقش قابل‌توجهی در کاهش استفاده از آب و آلودگی آب‌های منطقه عملیاتی دارد. همچنین، این روش از روش‌های مرطوب کم‌هزینه‌تر است و فرایند سبزتری نسبت به انواع خشک دارد. حضور آب در جریان فرآوری باعث غنای شیمیایی و خطرناک باطله‌های معدنی می‌شود که در روش‌های خشک شدیداً کاهش‌یافته است.
درنهایت، ترکیبی از روش‌های خشک و مرطوب که هم‌زمان با کاهش هزینه و آلودگی محیطی، رویکردی کاربردی برای انواع سنگآهن را حاصل کند، چالشی است که صنایع معدنی با آن دست‌وپنجه نرم می‌کنند و بسیاری از مطالعات بخش مهندسی معدن به آن می‌پردازند.
جمع‌بندی
روش‌های جداسازی و فلوشیت‌های اجرای عملیات پرعیارسازی زیادی معرفی و در مرحله اجرایی هستند. نکته مهم در اتخاذ هرکدام از این روش‌ها، انجام مطالعات کانی‌شناسی و امکان‌سنجی برای روش‌های مختلف است. به‌ویژه، مسئله دسترسی به آب مرز بین انتخاب روش‌های مرطوب و خشک را تعیین می‌کند.
در ساخت کنسانتره سنگآهن، روشی مطلوب است که تطابق بیشتری با نوع سنگآهن و اندازه سنگ‌های استخراجی دارد. آنچه برای سنگآهن با اندازه‌های بیشتر از 6.3 میلی‌متر کاربردی است، معمولاً سنگ آهن دانه ریز کاربردی نیست.
یک رویکرد مناسب برای تولید کم‌هزینه و بهینه کنسانتره با عیار مناسب، در نظر گرفتن ترکیبی از روش‌هاست. جداسازی مغناطیسی (به دلیل خاصیت مغناطیسی سنگآهن) و طبقه بندی ابعادی سنگآهن قبل از ورود به مراحل فرآوری بعدی، ازجمله رویکردهایی هستند که در اکثر روش‌های ترکیبی پرعیارسازی کاربرد دارند. درنهایت، مرحله خرد کردن سنگآهن نقشی کلیدی در اتصال فرایندهای پرعیارسازی به‌کل جریان فرآوری سنگ معدن دارد. انتخاب بهترین و کاربردی‌ترین روش پرعیارسازی، در تناسب با رویکرد آسیاب سنگآهن ودانه‌بندی نهایی است.
منابع:
https://link.springer.com/article/10.1007/s12666-020-01878-z
https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/08827508.2021.2003353