سنگ آهن چیست؟
سنگ آهن (Iron ore) یک نوع سنگ معدنی است که در ترکیبات آن آهن (Fe) و دیگر عناصر وجود دارد. سنگ آهن به همین شکل قابلیت استفاده نداشته و باید ناخالصی های آن با استفاده از عملیات های ذوب و احیا، از بین بروند. سنگ آهن یکی از فراوان ترین سنگ های فلزات در زمین به شمار می آید. در واقع حدود 5 درصد از کل پوسته زمین از اکسید آهن تشکیل شده است.
سنگ های پوسته زمین دارای کانی های مختلفی
در ترکیبات خود هستند. دو کانی مهم و رایج در سنگ آهن با نام های هماتیت و مگنتیت شناخته
می شوند. در این بین هماتیت نوعی کانی با فرمول Fe2O4 می
باشد که با نام های حدید و شادنه نیز عنوان می شود. این کانی با استفاده از اسید
کلریک و آب تمیز شده و عناصر اصلی درون ترکیبات آن شامل 70 درصد آهن و 30 درصد
اکسیژن است و بیشترین کاربرد آن در رنگ سازی و تولید ضد زنگ ها می باشد. این کانی
دانه دانه بوده و قابلیت تغییر رنگ از نقره استیل تا قهوه ای مایل به قرمز را
دارد.
نام کانی مگنتیت نیز برگرفته از یک واژه
یونانی و به معنای آهن ربا می باشد. فرمول شیمیایی مگنتیت Fe3O4 است و
در ترکیبات آن حدود 72 درصد آهن به همراه سایر عناصر وجود دارد. مگنتیت رنگی مایل
به سیاه داشته و خاصیت مغناطیسی دارد. لازم به ذکر است سنگ آهن تنها با کانی های
نام برده شده یافت نمی شود و این سنگ در پوسته زمین انواع مختلفی را همراه با کانی
های متنوع دارد؛ در نتیجه با نام آن کانی ها نیز شناخته می شود.
برخی از این سنگ آهن ها شامل زئولیت، لیمونیت، سیدریت، گرینالیت، مارکالیت
و ... هستند. مهم ترین نکته برای به دست آوردن سنگ آهن، پیدا کردن معادن غنی این
سنگ است که توسط کارشناسان حرفه ای معادن انجام می گیرد. پس از شناسایی، سنگ آهن
را استخراج کرده و ناخالصی های آن را جدا می کنند تا آهن خالص به دست آید.
آهن به دست آمده از سنگ آهن به صورت پودری
بوده و رنگی تیره دارد. این ماده در برابر اکسایش و ضربه بسیار آسیب پذیر است و
باید همراه با عناصر دیگر ترکیب شود. به ترکیبات آهن با سایر عناصر شیمیایی مانند
نیکل، کربن و کروم، آلیاژ گفته می شود. دو نوع از مهم ترین آلیاژهای آهن، فولاد و
چدن هستند که حاصل آن ها مقاطع و ورق های فولادی با خواص متفاوت و کاربری های
متنوع هستند.
انواع سنگ آهن
سنگ آهن از نظر شکل ظاهری و کانی به انواع
مختلفی تقسیم بندی می شود:
شکل ظاهری: دانه بندی شده، گندله، کلوخه و
کنسانتره
نوع کانی: شامل هماتیت، مگنتیت، زئولیت،
لیمونیت، سیدریت که رایج ترین آن ها یعنی هماتیت و مگنتیت شرح داده شد.
سنگ آهن دانه بندی شده
روش تولید سنگ آهن دانه بندی شده به صورت
بدون آب و خشک می باشد و این کانی دارای عیار پایینی است؛ از این رو برای استفاده
در کوره احیا مناسب نیست و خاصیت احیا پذیری پایین سبب شده تا از آن کمتر استفاده
شود.
کنسانتره
بر خلاف سنگ آهن دانه بندی شده، کنسانتره به
وسیله آب تولید شده و فرآوری آن شامل مراحلی مانند خرد کردن، آسیاب کردن، پرعیار
سازی و آبگیری است. عیار مناسب کنسانتره سبب استفاده از آن در مصارف مختلف و قابل
بهره برداری شده است.
کلوخه
یکی از رایج ترین انواع سنگ آهن از نظر شکل
ظاهری، کلوخه نامیده می شود و به صورت سالانه صدها میلیون تن از آن تولید شده و به
کار برده می شود.
گندله
گندله از نرمه سنگ آهن و سایر مواد افزودنی
تولید شده و ظاهری شبیه به گلوله دارد. این گلوله در ابتدا خام بوده و طی مراحل
مختلف سخت و پخته می شود. برای استفاده از گندله و تولید آهن خام روش احیا مستقیم
یا کوره بلند استفاده می گردد.
مراحل استخراج آهن از سنگ معدن
همان طور که اشاره شد، برای استفاده از سنگ
آهن، ناخالصی های آن باید حذف باشد. استخراج این سنگ نیازمند انجام فرآیند های
فیزیکی و شیمیایی ویژه است. برای انجام فرآیند شیمیایی، باید سنگ های اکسیدی آهن
با استفاده از کربن احیا شده تا عنصر آهن آزاد شود. سپس جهت خالص سازی، سنگ آهن طی
مراحل خرد کردن، آسیاب کردن، سرند کردن، شستشو استفاده از جدا کننده مغناطیسی یا
به روش فلوتاسیون تغلیظ می شود. در این روش ها، عیار سنگ آهن تا حدود 60-65 درصد
بیشتر می شود.
سپس باید آن ها را در اندازه های 6 تا 25
میلی متری برای قرار دادن در کوره در آورند. این عملیات ها به خصوص برای خالص سازی
سنگ آهن تحت فرآیند های ذوب و احیا در کوره ها و به روش امروزی انجام می گیرد. روش
کوره بلند یکی از بهترین روش های جداسازی آهن از ترکیبات سنگ آهن بوده که پودر آهن
حاصل از آن تیره رنگ رو به قهوه ای می باشد.
در کوره های وزشی، سنگ آهن تغلیظ شده را به
همراه مواد افزودنی مانند سنگ آهک، زغال و کک در دمای بالا قرار داده تا فلز با
استفاده از این حرارت و جریان گازهای حاصل از سوخت مواد افزودنی، ذوب شود. در
نهایت آهن مذاب و تفاله ناخالصی های سنگ آهن نیز به تدریج از کوره تخلیه می شوند.
قیمت آهن آلات نیز بسته به این روش ها و کیفیت آن
ها در یک بازه زمانی تعیین می شود. بهتر است بدانید تولید یک تن آهن در یک کوره
بلند، نیازمند 75.1 تن سنگ آهن، 750 کیلو زغال سنگ و 250 کیلو سنگ آهک است. همچنین
دمای هوا در مرکز کوره 1600 درجه سانتی گراد است. تمامی این عوامل به همراه کیفیت
سنگ آهن استخراجی در نرخ روز آهن مورد نیاز برای تولید سایر آلیاژ ها تأثیر دارد.
در روش کوره وزشی، مخزن آن باید به صورت
مداوم از قطعات سنگ فلز شارژ شده تا آهن مذاب تولید شود. لازم به ذکر است محصول
نهایی این کوره چدن است، اما برای تولید مهم ترین آلیاژ آهن یعنی فولاد که بسیار
مقاوم تر و با خواص بهتری است، چدن مجدداً فرآوری شده و فولاد به دست می آید. دمای
کوره در این روش به 1925 درجه سانتی گراد رسیده و خروجی آهن مذاب و گازهای مونواکسید
کربن است. به این روش نیز احیا مستقیم گفته شده و درصد کربن نهایی محصول، تعیین
کننده فولاد یا چدن بودن آن است.
کاربرد سنگ آهن
امروزه اشکال متفاوتی از سنگ آهن در بازار
وجود دارد که بیشترین تفاوت آن ها در آنالیز شیمیایی و شکل ظاهری است. اصلی ترین
کاربرد سنگ آهن نیز در تولید ورق آهن و در نتیجه ورق های فولادی است. قیمت ورق آهن
نیز برگرفته از نوع استخراج و احیا سنگ آهن متغیر بوده و البته بر نرخ محصولات
نهایی فولادی اثرگذار است. در واقع می توان گفت فولاد حاصل از احیا سنگ آهن سبب
تولید ورق فولادی سیاه یا آهنی شده که طی انجام عملیات های مختلف بر روی آن، سایر
ورق های فولادی از جمله روغنی، اسیدشویی، گالوانیزه، رنگی و ... به دست می آیند.
کاربرد سنگ آهن نیز به سبب تولید فلز آهن، فولاد، چدن و مقاطع فولادی در صنایع زیر
می باشد:
- خودروسازی : تجهیزات و ابزارها
- ساخت ابزار و ادوات جنگی
- تولید فولاد و ساخت سازه های فولادی
- تولید بتن و سیمان
- شستشوی ذغال سنگ و برخی رنگدانه ها
- گل حفاری
- آهن پودرشده: برای ساخت برخی از فولاد ها، قطعات خودروسازی و کاتالیست ها
- آهن رادیواکتیو ( آهن ۵۹) : به کارگیری در صنعت داروسازی برای یک عنصر ردیاب در تحقیقات فلزکاری
- اکسید آهن سیاه: به کارگیری آن برای رنگدانه در ترکیبات پولیش، فلزکاری،
داروسازی، ساخت جوهرهای مغناطیسی و فریت ها ( هیدرواکسید آهن) در صنعت الکترونیک
- آهن قرمز: ساخت جوهر پرینت، نقاشی ها، لوازم آرایشی مانند سایه، رنگ های هنری،
کود، پلاستیک ها و موارد صنعتی
مزیت های سنگ آهن
با این وجود می توان گفت از سنگ آهن، در
تولید فلز آهن، فولاد، مقاطع و ورق های فولادی استفاده می شود. بر اساس اطلاعات و
آمار ها نیز حدود 98 درصد از سنگ آهن استخراج شده از معدن، برای ساخت فولاد و
مقاطع آن به کار برده می شود و موارد ذکر شده در فوق زیر مجموعه این فلزات یا 2
درصد از کاربردهای دیگر سنگ آهن به شمار می آیند.
با یک مثال ساده می توان گفت بسیاری از
تجهیزات زندگی روزمره ما از ورق گالوانیزه فولادی است که ماده اولیه آن سنگ آهن به
شمار می آید. پوشش دهی سقف های داخلی و خارجی، بدنه، لوله بخاری و تجهیزات گرمایشی
و سرمایشی، بدنه لوازم خانگی، بدنه و شاسی خودرو و ... از موارد کاربرد این محصول
هستند.
در واقع فولاد گالوانیزه از طریق اسیدشویی
ورق آهن یا سیاه و روش غوطه ور شدن آن در حوضچه های مذاب حاوی فلز روی تولید می
شود. این محصول به سبب داشتن یک پوشش حفاظت کننده، دارای مقاومت بالایی در برابر
آب، خوردگی، رطوبت و اکسیداسیون می باشد، اما جالب است بدانید خرید ورق گالوانیزه با وجود داشتن این ویژگی ها مقرون به صرفه بوده و از این رو میزان تقاضا برای آن
زیاد است.
از سایر مزیت های سنگ آهن که سبب کاربرد
گسترده آن در صنایع شده است، می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- استحکام قابل توجه
- فراوانی منابع و معادن اولیه
- سهولت در فرآوری و حذف ناخالصی ها
- آسان بودن مراحل ذوب
- قیمت مناسب
- تولید آهن خام و به سبب آن محصولات فولادی
البته بهتر است بدانید سنگ آهنی که برای هر
کدام از کاربری های ذکر شده مورد استفاده قرار می گیرد، باید ترکیبات شیمیایی
مناسبی داشته باشد. میزان آهن در این سنگ های خام مورد استفاده در تولید سایر
فلزات 25 تا 30 درصد است.
بازیافت سنگ آهن
یکی از مهم ترین مزیت های سنگ آهن، قابلیت
بازیافت محصولات نهایی حاصل از آن است. فولاد تولیدی از سنگ آهن قابلیت بازیافت صد
درصد داشته و به همین دلیل است که نرخ ورق های فولادی از جمله قیمت روز ورق رنگی مقرون
به صرفه بوده و تقاضای بسیار زیادی برای آن ها وجود دارد. فرآیند بازیافت قادر به
صرفه جویی تا حد زیادی در مصرف مواد خام و انرژی می باشد. محصولات حاصل از آن
مانند شیت های رنگی که حاصل از ورق گالوانیزه هستند نیز به همین سبب کاربردهای
بسیاری را به خصوص در صنعت ساخت و ساز به خود اختصاص می دهند. از جمله سایر این
کاربردها نیز می توان به صنعت خودروسازی و تولید لوازم خانگی در جهت بدنه و شاسی
خودرو و بدنه یخچال، فریزر و ... اشاره کرد. همچنین اکثریت ورق های شیروانی که
برای پوشش دهی انواع سقف های داخلی و خارجی به کار برده می شوند، از ورق های رنگی تولید
می گردند.
جمع بندی
در این مطلب به مصارف گسترده سنگ آهن، انواع
و نوع فرآوری آن پرداخته شد. با این وجود می توان گفت سنگ آهن کاربرد بسیار گسترده
را در صنایع و زندگی روزمره هر یک از ما دارد، اما با وجود فراوانی منابع سنگ آهن،
باید در مصرف آن دقت کرد. پیشنهاد می شود تا حد امکان برای ساخت فولاد از قراضه
های آهنی به جای سنگ آهن استفاده کرد. کشورهای چین، استرالیا و برزیل بزرگ ترین
تولید کنندگان سنگ آهن در جهان به شمار می آیند.