سنگ آهن یکی از مهمترین مواد معدنی موجود در کره زمین می‌باشد که به عنوان ماده اولیه ساخت فولاد شناخته میشود. آیا درباره خواص و ترکیبات سنگ آهن اطلاعاتی دارید؟ آیا نحوه استخراج این ماده معدنی را می‌دانید؟ آیا با کاربردهای این ماده معدنی آشنایی دارید؟ برای اینکه با سنگ معدن آهن، خواص و کاربردهای آن بیشتر آشنا شوید در ادامه با آرتان پرس همراه باشید.
در صنایع امروزی از فلزات مختلفی برای تولید محصولات استفاده میشود. بدون شک یکی از مهمترین این فلزات فولاد می‌باشد که توسط استخراج سنگ آهن و انجام عملیات فرآوری و خالص سازی بر روی آن تولید میشود. صنایع و تمدن‌های پیشرفته امروزی تا حد زیادی به سازه‌های فولادی و چدن حاصل از این سنگ معدن نیازمند هستند. در این مقاله سعی شده است تا به خوبی تعریفی از مشخصات سنگ آهن شرح داده شود و نحوه استخراج، خواص و کاربردهای آن بیان شود. در ادامه با ما همراه باشید.
سنگ آهن چیست؟
آهن (Fe) یک عنصر فلزی است که حدود ۵ درصد از پوسته زمین را تشکیل می‌دهد و چهارمین عنصر فراوان در پوسته است. مهمترین ذخایر سنگ آهن زمین در سنگهای رسوبی یافت می‌شوند. سنگ معدن‌آهن سنگی است که میتوان آهن فلزی را از آن به طور اقتصادی استخراج کرد. این سنگ معدن از واکنش‌های شیمیایی که ترکیب آهن و اکسیژن موجود در آبهای دریایی و تازه است، شکل گرفته‌اند. دو ماده معدنی مهم در این ذخایر، اکسیدهای آهن هستند: هماتیت (Fe2O3)و مگنتیت (Fe3O4).
سنگ آهن برای تولید تقریباً هر شیء آهنی و فولادی که امروزه ما استفاده می‌کنیم – از گیره های کاغذی گرفته تا اتومبیل و تیرهای فولادی در آسمان خراش ها – استخراج شده‌اند.
تقریباً تمامی سنگ آهن در کوره‌های بلند برای ساخت آهن خام استفاده میشود که ماده اصلی ساخت فولاد است. مقادیر کم این سنگ معدن در کاربردهای دیگری مانند کارخانه‌های شستشوی ذغال سنگ و تولید سیمان استفاده میشود. آهن پرکاربردترین فلزی است که حدود ۹۵ درصد از کل تناژهای فلزی تولید شده در سراسر جهان را تشکیل می‌دهد. قیمت هر کیلو آهن امروز به هزینه های حاصل از مواد اولیه و مصرف انرژی وابسته است.
مشخصات سنگ آهن هماتیت
هماتیت یک ماده معدنی اکسید آهن است. این کانی دارای فرمول شیمیایی Fe2O3 می‌باشد. مشخصات سنگ آهن هماتیت میتوان گفت این کانی غیرمغناطیسی است و دارای تغییرات رنگی از نقره استیل تا قهوه‌ای مایل به قرمز است. هماتیت معدنی خالص حاوی ۶۹٫۹ درصد آهن است. از این کانی در رنگ سازی و تولید ضد زنگ‌ها استفاده می‌کنند. این ماده از اوایل دهه ۱۹۶۰ میلادی سنگ آهن غالب استخراج شده در استرالیا بوده و تقریباً ۹۶ درصد صادرات سنگ معدن‌آهنی استرالیا هماتیت درجه بالایی است که بیشتر آن از ذخایر ایالت همرسلی در غرب استرالیا استخراج شده است.
مشخصات سنگ آهن مگنتیت
کانی دیگری با نام مگنتیت وجود دارد که از واژه‌ای یونانی به معنای آهنربا گرفته شده است. فرمول شیمیای این کانی سنگ‌آهن بصورت Fe3O4 است و حداکثر خلوص آن شامل ۷۰ درصد آهن Fe می‌باشد. البته انواع دیگری از سنگ معدن آهن وجود دارند که با نام کانی‌های سازنده‌ی آنها، زئولیت، لیمونیت، سیدریت، گرینالیت و مارکالیت مشخص می‌شوند.
نحوه تشکیل سنگ آهن چگونه است؟
تقریباً تمام ذخایر عمده سنگ‌آهن کره زمین در سنگهایی است که بیش از ۱٫۸ میلیارد سال پیش تشکیل شده اند. در آن زمان اقیانوس‌های زمین حاوی آهن محلول فراوان و تقریبا بدون اکسیژن محلول بوده‌اند. رسوبات سنگ معدن‌آهن از زمانی شروع به تشکیل می‌کنند که اولین ارگانیسم‌هایی که قادر به فتوسنتز هستند، اکسیژن را در آب آزاد کنند. این اکسیژن بلافاصله با آهن محلول فراوان ترکیب شده و هماتیت یا مگنتیت تولید می‌کند.
مواد معدنی به وفور در کف دریا رسوب می‌کنند و آنچه را که اکنون به عنوان “تشکیل دهنده‌های باند آهن” شناخته میشود، تشکیل می‌دهند. سنگها بصورت باند می‌شوند، زیرا مواد معدنی آهن در نوارهای متناوب با سیلیس و گاهی سنگهای نفت زا رسوب می‌کنند. این باندها ممکن است در اثر تغییرات فصلی در فعالیت ارگانیسم ها ایجاد شده باشد.
در کشور ما نیز معادن سنگ آهن بسیاری وجود دارد که باعث شده است تا ایران نیز از بزرگترین تولیدکنندگان فولاد در منطقه باشد. از جمله معادن معروف و بزرگ سنگ معدن آهن ایران میتوان به معدن جلال آباد زرند کرمان، معدن گلگهر سیرجان، معدن سنگ معدن آهن بافق یزد، خواف و معدن چادرملو اشاره کرد.
مراحل و نحوه استخراج سنگ معدن آهن
نخستین قدم برای استخراج مشخصات سنگ‌آهن، شناسایی معادن غنی از این سنگ معدن می‌باشد که توسط مهندسان و کارشناسان حرفه‌ای انجام می‌گیرد. بعد از شناسایی معادن بالقوه توسط کارشناسان، استخراج سنگ‌آهن آغاز و برای خلوص سازی و بدست آوردن فلز خالص آماده میشود.
آهن خالص بدست آمده از سنگ معدن رنگی تیره دارد که در مقابل اکسایش و ضربه بسیار آسیب پذیر می‌باشد. برای استفاده از آهن در کاربردهایی مانند سازه‌ها فلزی و صنایع مختلف فولادی بایستی با عناصری مانند کربن، نیکل و کروم ترکیب شده و آلیاژی از آهن بدست آید تا ضعف آن برطرف شده و استحکام آن افزایش یابد.
استرالیا و برزیل بزرگترین تولیدکنندگان سنگ‌آهن در دنیا هستند. کشور چین نیز بزرگترین واردکننده و مصرف‌کننده این سنگ معدنی در جهان به حساب می‌آید.
آماده سازی سنگ آهن
آماده سازی سنگ‌آهن اولین مرحله از فرآیند استخراج آهن می‌باشد که در چند مرحله صورت می‌گیرد.
غربال کردن سنگ معدن
با توجه به اینکه در مرحله استخراج، سنگهای معدنی با ابعاد و اندازه‌های متفاوتی به دست میایند بنابراین در اولین مرحله لازم است سنگهای درشت جهت خرد شدن جدا شوند که به این جداسازی فیزیکی برحسب ابعاد سنگ، غربال کردن گفته میشود.
خرد کردن
سنگ آهن باید جهت اجرای عملیات تغلیظ و افزایش عیار، خرد شده و به صورت پودر درآیند. این کار برحسب جنس سنگ و درجه سختی آنها طی چندین مرحله توسط سنگ شکن‌ها و سپس آسیاب کردن صورت می‌گیرد. سنگ شکن‌ها دارای انواع مختلفی می‌باشند.
بعد از طی مراحل ذکر شده و انجام عملیات پرعیار کردن سنگ‌آهن، برای تولید فولاد از دو روش احیای غیرمستقیم (کوره بلند) و احیای مستقیم استفاده میشود.
فرآیند خالص سازی و پرعیار کردن سنگ معدن آهن
مشخصات سنگ‌آهنی که از معادن به دست می‌آید، عیار پایینی داشته و باید خالص شود. پس از استخراج سنگ معدن آهن، ابتدا طی چندین مرحله آن را آماده‌ی فرآوری و وارد سازی به کوره می‌کنند. این مراحل شامل خرد کردن، آسیاب کردن، سرند کردن و سپس شست و شو هستند. در نهایت با استفاده از روش فلوتاسیون یا بهره‌گیری از جدا کننده های مغناطیسی عیار آن را تا حدود ۶۵-۶۰ درصد بالاتر می‌برند.
سپس سنگهای حاصل را به ابعاد ۶ تا ۲۵ میلیمتری در میاورند تا برای بارگزاری در کوره مناسب شود. در کوره‌هایی با نام کوره‌های وزشی، سنگ آهن تغلیظ شده که اصطلاحا کنسانتره آهن نامیده میشود را همراه با سنگ آهک و زغال کک در معرض گرما‌ی فراوان قرار می‌دهند. در ادامه، فلز مورد نظر بر اثر حرارت و جریان گازهای حاصل از سوخت کک، ذوب میشود. آهن مذاب و تفاله‌ی حاصل از ناخالصی‌های سنگ آن، به مرور از کوره تخلیه میشود.
در این سیستم، کوره بطور مداوم از قطعات جدید سنگ فلز شارژ شده و آهن مذاب از آن به وجود می‌آید. محصول فراوری در این کوره، چدن است که در برخی صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد. اما اکثر سازه‌های فلزی و صنایع وابسته به فراوری فلزات، نیاز به فرمی بسیار مقاوم به نام فولاد دارند. به همین دلیل، چدن را مجددا فراوری کرده و از آن فولاد مورد نیاز را به دست می‌آورند. دمای کوره به ۱۹۲۵ درجه‌ی سانتیگراد نیز می‌رسد و خروجی کوره آهن مذاب همراه با گازهای مونوکسید کربن است. واکنش درون این کوره‌ها به احیای مستقیم نیز معروف است. منظور، واکنشی است که طی آن سنگ معدن‌آهن اولیه توسط مواد احیا کننده‌ی جامد یا گازی، احیا میشود. در نهایت، محصول حاصل از این واکنش، بسته به درصد کربن موجود در آن، چدن یا فولاد نامیده میشود.
مشخصات و اشکال مختلف سنگ آهن
سنگ‌آهن به اشکال مختلفی در بازار عرضه میشود تا تمام صنایع بتوانند مطابق با نیاز خود این ماده معدنی را تهیه کرده و مورد استفاده قرار دهند.
سنگ آهن دانه بندی شده
سنگ‌آهن دانه بندی شده یکی از انواع سنگ‌آهن است که به دلیل خاصیت احیا پذیری کم در سال‌های اخیر استفاده از آن کاهش یافته است.
کلوخه
متداول‌ترین روش استفاده از سنگ‌آهن، به حالت کلوخه است. به طور کلی در هر سال معادل ۷۰۰ میلیون تن کلوخه تولید میشود و از آن در صنایع تولید آهن و فولاد بهره گرفته میشود.
گندله
در حال حاضر ۳۰۰ میلیون تن گندله تولید میشود که ۸۰ درصد از آن در کوره بلند مورد استفاده قرار می‌گیرد و ۲۰ درصد باقی مانده نیز برای احیای مستقیم کاربرد دارد.
مصارف سنگ‌آهن
سنگ معدن‌آهن ماده اولیه برای تولید فولاد است. ۹۸ درصد از سنگ‌آهن که استخراج می شود در سطح جهانی به منظور تولید فولاد مورد استفاده قرار می‌گیرد. صنایع خودرو سازی و ساخت و ساز بخش های اصلی مصرف کننده فولاد می‌باشند و به سبب همین امر میزان تقاضای فولاد در این بخش‌ها بر تقاضا و قیمت سنگ‌آهن تاثیرگذار می‌باشد. کاربردهای متفرقه و پراکنده‌ای نیز از سنگ آهن گزارش شده است. ازجمله بکارگیری در تولید بتن و سیمان، گل حفاری، شست و شوی ذغال سنگ و برخی رنگدانه‌ها
