ترکیبات سنگ آهن | روش استخراج و تبدیل آن به فولاد

زمان مطالعه : ۸ دقیقه

ترکیبات سنگ آهن | روش استخراج و تبدیل آن به فولاد

آهن عنصری است که همیشه مشغول به حفظ حیات و زندگی در روی زمین می‌باشد. از مهم‌ترین ماده در ساخت فولاد گرفته تا کمک به حمل اکسیژن در خون و تغذیه گیاهان و جانداران از جمله تاثیرات مهم عنصر آهن در حیات است. آهن ماده‌ای سخت و شکننده می‌باشد که در گروه 4 جدول تناوبی قرار دارد و به عنوان فلز طبقه بندی شده است.

حالت خالص این ماده در طبیعت نسبت به فلزات دیگر زیاد یافت می‌شود، اما اگر در معرض هوای مرطوب و دمای بالا قرار بگیرد به سرعت تخریب می‌شود.

وقتی می‌گوییم آهن بر کل زمین تاثیرگذار است، بر این اساس است که این فلز چهارمین عنصر رایج در پوسته زمین می‌باشد و حجم زیادی از هسته زمین را در بر می‌گیرد. حتی بر طبق تحقیقات و آزمایشات غرب، این عنصر علاوه بر اینکه در زمین یافت می‌شود، در عناصر خورشید و ستارگان نیز به وفور پیدا می‌شود.

در واقع می‌توان به راحتی گفت آهن برای بقای موجودات زنده بسیار مهم است. در گیاهان در تولید کلروفیل نقش دارد، در حیوانات و انسان جزو هموگلوبین خون است و موجب می‌شود اکسیژن، خون را از ریه به بافت‌های بدن برساند.

فلز آهن

تصویر فلز آهن

بیشترین درصد تصفیه در بین فلزات متعلق به فلز آهن است که عمده آن برای ساخت فولاد و آلیاژهای آهن و کربن استفاده می‌شود و در ساخت و ساز و عرصه مهندسی عمران به عنوان مثال برای ساخت المان‌های بتن مسلح استفاده می‌گردد. فولاد ضد زنگ که حاوی حداقل 10/5 درصد کروم است بسیار در برابر خوردگی مقاوم می‌باشد.

سنگ آهن در ساختار خود اکسید فریک، مگنتیت، لیمونیت یا همان هیدروکسید فریک هیدراته، سیریت کربنات آهن دارد. تولید آهن به استفاده از فرآیند ذوب برای تبدیل سنگ آهن به محصول قابل مصرف گفته می‌شود. آهن (Fe)، فلزی نسبتا متراکم با ظاهری سفید نقره‌ای است و خاصیت مغناطیسی دارد.

بخوانید: اصلی ترین تفاوت آهن و فولاد در چیست؟

همان طور که قبلا گفته شد 5 درصد وزن پوسته زمین را آهن تشکیل می‌دهد و بعد از اکسیژن، سیلیکون و آلومینیوم چهارمین عنصر فراوان در جهان است. و در دمای 1538 درجه سانتی گراد ( 2800 درجه فارنهایت) ذوب می‌شود.

سنگ آهن قابل انعطاف است و با چکش زدن به راحتی می‌توان آن را شکل داد. به ندرت از سنگ آهن بدون افزودن عناصر دیگر استفاده می‌شود و اغلب برای بهبود خواص آن با افزودنی‌هایی همراه می‌شود. عمدتا آلیاژ آهن به همراه کربن در ساخت فولاد استفاده می‌شود و حدود 0/003 تا 8 درصد کربن می‌توان اضافه کرد که با توجه به درصد آن به فولاد کم کربن، فولاد با کربن متوسط و فولاد با کربن زیاد تقسیم می‌شود. در محتوای کربن موجود در فولاد، کاربید آهن (Fe3C)  که به آن سمینیت نیز گفته می‌شود، وجود دارد.

خصوصیات مکانیکی متفاوت در آهن با ایجاد تغییر در مقدار کربن به دست می‌آید. آهن با مقدار زیاد کربن، چدن و با میزان کم سمنتیت و فریت می‌شود. این تطبیق پذیری آلیاژهای آهن و کربن منجر به استفاده گسترده آن در مهندسی می‌شود و آن را به مهم‌ترین فلز صنعتی تبدیل می‌کند.

تاریخچه ذوب سنگ آهن در کوره

تصویر ذوب سنگ آهن

بر اساس شواهد موجود، شهاب سنگ‌ها 3 هزار سال قبل از میلاد به عنوان منبع آهن شناخته می‌شدند، اما استخراج سنگ آهن از معادن سنگ به 2000 سال پیش از میلاد برمی‌گردد و مناطق آناتولی و ایران آغاز کننده این استخراج به شمار می‌آیند. در گذشته برای ساخت آهن دو نوع کوره در نظر گرفته شده بود، کوره‌های کاسه‌ای با حفر یک سوراخ کوچک در زمین و انتقال هوا از طریق لوله و کوره‌های ساخته شده از سنگ، که هر دو مورد مصرف بودند. هر دو کوره‌ی ذوب شامل بستری از زغال داغ می‌بود که سنگ آهن در آن ذوب می‌شد. اما از آنجا که کوره‌های اولیه قادر به رسیدن به دمای بالاتر از 1150 درجه سانتی گراد نبودند با گسترش علم و فناوری کوره‌های مدرن‌تر با قابلیت های زیاد ساخته شد.

بعد از ذوب سنگ آهن در کوره، نوبت شکل دهی و ساخت لوازم مورد نیاز آهن بود که شامل چکش زدن فلز داغ برای تولید اشیا مورد نظر میشد. آهن ساخته شده از طریق این روش فرورژه نام دارد. در این روش امکان داشت از زغال سنگ زیاد استفاده شود و آلیاژهای آهن و کربن که دارای نقطه ذوب کمتری هستند نیز حدالامکان به نقطه ذوب برسند.

کاربردهای این نوع آهن به دلیل شکنندگی آن محدود بوده و در اوایل دوره عصرآهن فقط چینی‌ها از آن بهره برداری می‌کردند. تا قرون وسطی تغیر کمی در روش‌های ساخت آهن اتفاق افتاد. اما در قرن پانزدهم، روش کوره بلند در اروپا پدید آمد؛ کوره‌ای عمودی که در کارخانه ذوب به کار برده میشد. محصول به دست آمده از کوره بلند به آهن خام تبدیل می‌شود و در قالب شمش عرضه می‌گردد. با گذشت زمان برای گسترش کوره، از موتور بخار برای حرکت سیلندرهای دمنده استفاده شد و این کار برای تامین هوای بیشتر انجام گرفت.

مشخصات سنگ آهن

سنگ آهن در سنگ‌های آذرین یا رسوبی در طبیعت یافت می‌شود. بیشتر این سنگ‌ها رسوبی هستند اما بسیاری نیز در اثر هوازدگی تغییر کرده‌اند بنابراین تعیین منشا دقیق سنگ آهن دشوار است. سنگ معدن آهن عمدتا از هماتیت (Fe2O3) که به رنگ قرمز است، مگنتیت (Fe3o4) به رنگ سیاه، سنگ لیمونیت یا همان سنگ آهن (2Fe2o3.3H2o) به رنگ قهوه‌ای و سیدیریت (Fe Co3) که قهوه‌ای کم رنگ است، تشکیل شده است.

مگنتیت خالص حاوی 72 درصد، هماتیت 70 درصد، لیمونیت 60 درصد و سیدریت 48 درصد آهن می‌باشد. اما وجود این درصد از مواد معدنی در محتوای سنگ آهن یکجا ممکن نیست؛ در کل رسوباتی که کمتر از 30 درصد آهن دارند، پر طرفدار نیستند و سنگ‌های قابل برداشت حاوی 50 الی 60 درصد آهن است. وجود ترکیباتی مثل فسفر P2O5 در محتوای سنگ حتما باید بررسی شود زیرا این ماده در ترکیب فلز تاثیر می‌گذارد و مشکلات بیشتری در ساخت فولاد ایجاد می‌کند.

چین، برزیل، استرالیا، روسیه و اوکراین پنج تولیدکننده سنگ آهن هستند اما مقادیر قابل توجهی نیز در هند، ایالات متحده، کانادا و قزاقستان استخراج می‌شود. این 9 کشور باهم، 80 درصد سنگ آهن جهان را تولید می‌کنند. برزیل، استرالیا، کانادا و هند بیشترین صادرات در این زمینه دارند و ژاپن، اروپا و آمریکا جزو بیشترین واردات کنندگان هستند.

بخوانید: فلزات آهنی و غیرآهنی | تفاوت و جنبه‌های کاربری هر یک از آن

نحوه استخراج سنگ آهن

تصویر استخراج سطحی سنگ آهن

بیشتر کانسنگ‌های آهن با استفاده از استخراج سطحی، استخراج می‌شوند. با اینکه معادن زیرزمینی برای استخراج وجود دارد اما هرجا که ممکن باشد، استخراج سطحی ترجیح داده می‌شود زیرا این روش مقرون به صرفه‌تر می‌باشد.

سنگ آهن استخراج شده شامل توده‌هایی با اندازه‌های مختلف است که بزرگترین آن بیش از 1 متر یعنی 40 اینچ است و کوچکترین آن 1 میلی متر می‌باشد. با توجه به اینکه کوره بلند به  توده‌هایی بین 7 الی 25 میلی متر نیاز دارد، سنگ معدن باید توسط سنگ شکن خرد شود تا حداکثر اندازه ذرات کاهش یابد. اگر سنگ آهن استخراج شده در ابعاد و کیفیت مناسبی باشد بدون ایجاد تغییرات می‌توان مستقیم به کوره انتقال داد در غیر این صورت باید به توده‌هایی با اندازه مناسب تبدیل شود. البته در این مرحله مواد زائد سنگ آهن از آن جدا می‌شود و سپس به کوره انتقال می‌یابد.

در استخراج سطحی سنگ آهن، در محدوده مورد نظر با استفاده از مواد منفجره، کانسار را خرد می‌کنند سپس به کارخانه ذوب آهن و یا محل دپو انتقال می‌دهند. اما در استخراج زیرزمینی، کانسار آهن در عمق زیادی از زمین قرار دارد بنابراین برای رسیدن به سنگ آهن، چاه حفر می‌شود و سپس از طریق حفاری، انفجار و بارگیری بقیه مراحل استخراج آهن صورت می‌گیرد.

پخت سنگ آهن

فرآیند پخت سنگ آهن

پخت سنگ آهن شامل حرارت دادن به مواد درون کوره است تا زمانی که ذوب جزئی اتفاق بیافتد و ذرات سنگ به هم متصل شوند. این مرحله قبل از انتقال به فرآیند پخت انجام می‌گیرد که سنگ معدن آهن مرطوب شده و باعث می‌شود ذرات ریز به ذرات بزرگتر بچسبد. در این مرحله کُک زغال سنگ که یک ماده پر از کربن است به مواد مذاب اضافه می‌شود و سپس به کوره پخت انتقال می‌گردد.

خرد کردن و غربال گری

غربال‌گری و خرد کردن یک عملیات ساده مکانیکی است که ترکیبات سنگ معدن را تغییر نمی‌دهد. قبل از اینکه سنگ آهن در دستگاه سنگ شکن ریخته شود، تکه‌های کوچک از تکه‌های بزرگ سوا می‌شوند که این عمل باعث افزایش بهره وری در نتیجه کار می‌گردد. همچنین این کار وزن انتقالی به سنگ شکن را کاهش می‌دهد. بعد از انتقال سنگ به سنگ شکن و خرد کردن محتوای درون آن در ابعاد دلخواه مواد معدنی دپو می‌شوند.

مرحله بعدی، غربال گری مواد خرد شده است که توسط آب و دستگاه مخصوص انجام می‌گیرد. این مرحله ممکن است 2 تا 3 بار صورت گیرد. بعد از این مرحله از روش‌های مغناطیسی کمک گرفته می‌شود تا مواد سبک و مواد دارای خاصیت مغناطیسی جدا شده و عیار آهن استفاده شده با کیفیت باشد.

گندله سازی

تصویر گندله آهن

در مرحله آخر این مواد و ترکیبات تولید شده به گندله‌های نرم و کروی تبدیل می‌شوند. این گندله‌ها رنگ سبز و قهوه‌ی دارند و در هوا و دمای 1250 تا 1340 درجه سانتی گراد خشک و سخت می‌شوند. این گلوله‌ها قطری بین 10 تا 15 میلی متر دارند و در شکلی ایده‌آل و مناسب برای کوره بلند هستند.

جمع بندی

فلز آهن ماده‌ا‌ی است که در صنایع بسیاری نظیر ساخت و ساز، ماشین سازی، کشتی سازی و... کاربرد دارد. برای تبدیل سنگ آهن به ماده‌ای قابل مصرف و ایده‌آل فرآیندهای بسیاری باید انجام گیرد که در مرحله نخست، استخراج سنگ آهن خام از معادن مربوطه قرار دارد. پس از استخراج به ترتیب انتقال، خرد کردن، غربال‌گری، تصفیه و شکل دهی بر روی ماده اولیه صورت می‌گیرد تا به محصول مورد نظر تبدیل شود. در این قسمت از دانشنامه سعی شد به جزئیات این فرآیند بپردازیم.

برای دسترسی سریع به آهن آلات موجود در بازار و قیمت روز آهن و فولاد می‌توانید با واحد مشاوره عصرآهن با شماره ۰۴۱۳۳۲۵۰۲۸۰ در تماس باشید، کارشناسان ما راهنمای شما خواهند بود. سایت عصر آهن تمام اطلاعاتی را که در مورد محصولات آهن و فولاد، قیمت، کاربرد و فروشندگان این محصولات نیاز دارید، برای شما فراهم کرده است.

۰۹

ارسال دیدگاه