فرآیند استخراج آهن

استخراج آهن فرآیندی که باعث می شود این فلز پرکاربرد از سنگ معدن آن جداسازی شود. سنگ معدن به سنگ ها و مینرال هایی گفته می شود که می توان فلزات را از آنها استخراج کرد.

در رابطه با آهن باید بدانید که سنگ معدن ها غنی از اکسید آهن هستند و رنگ آنها از خاکستری تیره، زرد روشن یا بنفش پر رنگ تا قرمز زنگ زده متفاوت است. آهن معمولاً به شکل مگنتیت، هماتیت، گوتیت، لیمونیت یا سیدریت یافت می شود. تولید آهن طی فرآیند اکتشاف، استخراج، فرآوری و ذوب صورت می گیرد.

سنگ معدن های حاوی مقادیر بسیار بالایی از هماتیت یا مگنتیت (بیشتر از حدود 60٪ آهن) به عنوان "سنگ معدن طبیعی" یا "سنگ معدن مستقیم" شناخته می شوند، به این معنی که می توانند مستقیماً در کوره های بلند به آهن تبدیل شوند. 98٪ سنگ آهن استخراج شده برای ساخت فولاد استفاده می شود. در سال 2011، فایننشال تایمز نوشته بود که سنگ آهن بیش از هر کالای دیگر، به استثنای نفت با اقتصاد جهانی در ارتباط است.

حقایقی در رابطه با آهن:
آهن که با نماد شیمیایی Fe نشان داده می شود عنصری با عدد اتمی 26 است که در گروه 8 جدول تناوبی قرار دارد. این ماده از نظر جرم رایج ترین عنصر روی زمین است، درست در مقابل اکسیژن که در جو وجود دارد و بیشتر هسته خارجی و داخلی زمین را تشکیل می دهد. در واقع آهن چهارمین عنصر رایج در پوسته زمین است.

یافتن آهن به شکل فلزی در پوسته زمین نادر است و عمدتا به شهاب سنگ ها محدود می شود. در مقابل، سنگ معدن آهن از فراوانترین عناصر پوسته زمین است، اگرچه استخراج آهن قابل استفاده از آنها به کوره یا کوره هایی نیاز دارد که بتوانند به دمای 1500 درجه سانتی گراد یا بالاتر برسند که حدود 500 درجه سانتی گراد بالاتر از دمای مورد نیاز برای ذوب مس است.

بشر از حدود 2000 سال قبل از میلاد مسیح به فرآیند استخراج آهن دست یافته است و از این فلز برای تولید ابزارهای آهنی و سلاح های جنگی استفاده می کند. در دنیای مدرن، آلیاژهای آهن، مانند فولاد، اینوکس، چدن و فولادهای خاص، به دلیل خواص مکانیکی و هزینه پایین، رایج ترین فلزات صنعتی حاوی آهن هستند.

سطح آهن خالص دارای درخشش فلزی و به رنگ خاکستری نقره ای است. با این حال، آهن به راحتی با اکسیژن و آب واکنش می دهد و اکسیدهای آهن هیدراته قهوه ای رو به سیاه تولید می کند که معمولاً به عنوان زنگ شناخته می شود.

برخلاف اکسیدهای برخی دیگر از فلزات که لایه های غیرفعال ایجاد می کنند، زنگار حجم بیشتری از فلز را اشغال می کند و بنابراین پوسته پوسته می شود و باعث می شوند سطوح بیشتری در برابر خوردگی قرار گیرند.

معدن آهن چیست؟
معدن به طور کلی محلی است که حجم زیادی از ماده مورد نظر در آن قرار دارد. در معدن آهن نیز مقدار قابل توجهی سنگ آهن با عیار قابل قبول وجود دارد. به معدن آهن کانسار آهن نیز گفته می شود. به مقدار سنگ آهنی که از معدن قابل استخراج است ذخیره معدن آهن گفته می شود.

بر اساس برآوردها در ایران حدود 3 میلیارد تن ذخیره قطعی آهن وجود دارد و کشور ما در جزء 10 کشور برتر جهان از نظر ذخایر آهن است.

سنگ آهن در معادن می توانند در نزدیک سطح زمین به عنوان مثال تا عمق حدود 1000 متر باشد یا در اعماق زمین و تاعمق حدود 2000 متر قرار داشته باشد که استخراج آن را دشوار می کند. لازم به ذکر است که عمق قرارگیری سنگ های آهن بر عیار و تجهیزات مورد نیاز برای استخراج آهن تأثیرگذار است.

عیار آهن چیست؟
این معیار برای بیان درصد آهن خالص موجود در سنگ آهن مورد استفاده قرار می گیرد. در واقع عیار معیاری برای نشان دادن ارزشمندی سنگ آهن است به عنوان مثال عیار آهن موجود در هماتیت و مگنتیت حدود 70 درصد است یعنی به ازای هر 1000 کیلوگرم هماتیت و مگنتیت استخراج شده حدود 700 کیلوگرم آهن خالص به دست می آید.

در صنعت استخراج آهن عیار 70 درصد معمولا به عنوان یک عیار خوب و اقتصادی در نظر گرفته می شود و استخراج سنگ معدن هایی با عیار کمتر از 60 اقتصادی نخواهد بود.

روش اکتشاف آهن:
کشف مکان هایی که سنگ معدن آهن با عیار خوب در آنها وجود دارد اولین مرحله از استخراج این فلز ارزشمند است. روش های اکتشاف متفاوت هستند و در مرحله اول با برداشت زمین شناسی توسط زمین شناسان، مکان های مستعد از نظر وجود کانسار آهن مورد بررسی قرار می گیرند و در صورت تائید ادامه مراحل شامل عکس برداری هوایی، ژئوشیمی، بیوژئوشیمی، برداشت الکتریکی و ژئوفیزیک و حفر گمانه صورت می گیرد.

روش اکتشاف با در نظر گرفتن خواص آهن و سنگ های موجود در محل انتخاب می شود مثلا چون مگنتیت خاصیت مغناطیسی بالایی دارد می توان از روش های ژئوفیزیکی مانند مغناطیس سنجی برای کشف آن استفاده کرد و در نهایت برای تعیین عیار آهن و تخمین میزان ذخایر آهن نمونه برداری از محل و آزمایشات گوناگون مورد نیاز است.

مراحل استخراج آهن:
روش استخراج آهن از معدن معمولا روباز است و برای تهیه خوراک مناسب برای کارخانه های ذوب آهن صورت می گیرد. روش روباز هنگامی مورد استفاده قرار می گیرد که کانسار آهن نزدیک سطح زمین و به شکل توده ای باشد. روش دیگر استخراج به شکل زیرزمینی است که با حفر تونل صورت می گیرد. به طورکلی چهار مرحله اصلی در استخراج آهن وجود دارد که شامل مراحل زیر است:

حفاری:
اولین مرحله از استخراج آهن حفاری سنگ های بکر آهن از دل معدن با دریل واگن های به قطر تقریبی 10تا 25 سانتی متر و عمق 6 تا 20 متر است.

انفجار:
پس از مرحله حفاری، جهت خردایش سنگ های معدنی به ابعاد مناسب و قابل حمل جهت بارگیری بارگیری باید سنگ ها را منفجر کرد. به طور معمول از مواد ناریه آنفو (Anfo) و امولایت (Emulite)با توجه به خشک و آبدار بودن گودال های حفاری استفاده می شود.

بارگیری:
در این مرحله با ماشین آلات معدنی مانند شاول یا بیل مکانیکی با ظرفیت باکت بارگیری بین 2 تا 10 مترمکعب سنگ های خرد شده به بیرون از معدن حمل می شوند.

باربری:
در این مرحله از کامیون های معدنی با ظرفیت 100 تن برای حمل سنگ های خرد شده برای سنگ شکن استفاده می شود.

فرآوری سنگ آهن:
پس از استخراج آهن برای تولید آهن سنگ معدن باید فرآوری شود تا مواد با ارزش (ماده معدنی) از مواد بی ارزش جدا شوند. فرآوری با روش های مختلفی انجام می شود ولی متداول ترین روش شامل سرند کردن، خردایش، آسیاب کردن، جدایش ثقلی و جدایش مغناطیسی است که در ادامه شرح داده می شود.

سرند کردن سنگ آهن:
اولین مرحله فرآوری سنگ آهن قبل از ریختن مواد در سنگ شکن جدا کردن قطعات کوچک با سرند است. با این کار وزن خوراک سنگ شکن کاهش یافته و فرآیند تسریع می شود. از طرفی جداسازی قطعات ریز انرژی مصرفی را کاهش می دهند. پرکابردترین تجهیزات در فرآوری سنگ آهن سرند های ارتعاشی هستند.

خردایش سنگ آهن:
پس از سرند مواد ریز، سنگ های بزرگ به داخل سنگ شکن ریخته می شوند که انواع مختلفی دارند که معمول ترین آنها برای خردایش سنگ آهن شامل سنگ شکن فکی، ژیراتوری و مخروطی است. با استفاده از این تجهیزات سنگ آهن تا ابعاد 342 میکرون خرد شده و انبار می شود.

آسیاب کردن سنگ آهن:
در این مراحل سنگ آهن خرد شده وارد آسیاب می شود که پیش از انتقال ماده به مرحله جدایش ثقلی صورت می گیرد. در صورتی که آسیاب به خوبی صورت بگیرد نیازی به انتقال مجدد به مرحله سرند و خردایش نیست که منجر به کاهش مصرف انرژی خواهد شد.

بدین منظور سنگ آهن به مدت مشخصی درون آسیاب ریخته شده و پس از خروج ذرات بزرگ و کوچک توسط سیکلون یا صفحه لرزان تقسیم بندی می شوند و ذرات بزرگ به مراحل قبلی و ذرات کوچک به مرحله بعدی منتقل می شوند.

جدایش ثقلی سنگ آهن:
در این روش ذرات سنگین سنگ آهن با نیروی گریز از مرکز از ذرات سبک جداسازی می شوند. جدایش ثقلی سنگ آهن با استفاده از مارپیچ های مخصوص و آب صورت می گیرد و در نهایت مواد در مخزنی که مواد معدنی سنگین را در خود جمع کرده تجمع می یابند که به آنها کنستانتره می گویند. این مرحله بر حسب نیاز دو تا سه بار تکرار می شود.

جدایش مغناطیسی سنگ آهن:
کنستانتره به دست آمده از مراحل قبل به منظور افزایش عیار سنگ آهن در معرض طبلک های مغناطیسی قرار می گیرند. مواد دارای خاصیت مغناطیسی جذب این طبلک ها می شوند. مواد سبک جدا شده در مرحله قبلی نیز درون کوره پخته می شوند تا آهن موجود در آنها استخراج شود.

در نهایت آهن فرآوری شده یا اصطلاحا گندله سنگ آهن به منظور تولید آهن خالص به کارخانه ذوب انتقال داده می شود. در کارخانه ذوب، فلز آهن طی فرآیندی به نام گدازگری یا ذوب کاری که شامل سه مرحله اصلی تشویه، کاهش و سرباره گیری است به آهن خالص تبدیل می شود.

بدین ترتیب که در تشویه مواد زائد گندله آهن جدا شده و اکسید آهن تولید می شود. سپس با فرآیند کاهش، اکسیژن در دمای بسیار بالا از درون ترکیب خارج شده و عنصر آهن خالص تولید می شود. در فرایند سرباره گیری با اضافه کردن مواد مخصوص با عنوان فلاکس دمای ذوب و گازهای سمی کاهش یافته و آهن خالص از کوره خارج می شود.