واکاوی استخراج آهن از سنگ آهن
سیاره ما دارای مقدار زیادی مواد معدنی به شکل سنگ است که از جمله آن می‌توان به سنگ آهن اشاره کرد. سنگ آهن (منشا استخراج آهن)، یک عنصر معدنی و طبیعی است که سرشار از آهن و همچنین ترکیبات آن است. این سنگ در مقیاس صنعتی استخراج می‌شود و در مرحله بعدی تبدیل به آهن اسفنجی یا گندله آهن یا کنستانتره برای ساخت آهن، فولاد و همچنین در فرآیند احیای آهن استفاده می‌شود. لازم به ذکر است که این ماده از نظر ترکیب، وجود ناخالصی‌ها و غلظت آهن متفاوت است و از این نظر به سنگ معدن غنی، معمولی و فقیر تقسیم می‌شود.
ماهیت ماده
این ماده، مواد معدنی موجود در زمین است که حاوی مقدار مناسبی آهن برای استخراج آهن و توسعه صنعتی است. فلزی که از این سنگ‌ها تولید می‌شود، اساس متالورژیکی تمدن مدرن بوده و در همه جا و در هر جهتی از فعالیت‌های انسانی (از اکتشاف فضا تا ساخت اقلام معمولی روزمره) استفاده می‌شود. به عبارتی، سنگ آهن، یک سازند معدنی طبیعی حاوی آهن و ترکیبات مختلف آن در حجم‌های مختلف بوده و استخراج صنعتی آهن از این سازندها نیز از نظر اقتصادی امکان‌پذیر است.
آهن از چه نوع سنگی قابل استخراج است؟
به طور کلی، آهن از سنگ آهن در کوره بزرگی به نام کوره بلند (برای آشنایی با انواع کوره آهن کلیک کنید.) استخراج می‌شود. در فرایند استخراج آهن از این سنگ، اکسیژن باید از اکسید آهن حذف شود تا به تولید آهن منجر شود. واکنش‌هایی که در آن اکسیژن حذف می‌شود، واکنش‌های کاهش نامیده می‌شود. در واقع، این ماده، سنگی است که شامل انباشتگی طبیعی مواد معدنی مختلف است و جهت استخراج آهن از آن، می‌توان از عملیات حرارتی و فرایند ذوب استفاده کرد. لازم به ذکر است که اجزای تشکیل‌دهنده این ماده می‌توانند بسیار متنوع باشند. این سنگ اغلب حاوی مواد معدنی هماتیت، مارتیت، سیدریت، مگنتیت و… است. در نظر داشته باشید که میزان و محتوای کمی(مقدار) آهن موجود در سنگ معدن یکسان نبوده و به طور متوسط از 16 تا 70 درصد متغیر است. بسته به میزان آهن موجود در سنگ آهن، این سنگ‌ها به چند نوع تقسیم می‌شوند. شایان ذکر است که این ماده را بر اساس تعدادی معیار می‌توان طبقه‌بندی نمود:
نخستین معیار، میزان عنصر آهن موجود در سنگ معدن است و بر اساس این پارامتر سنگ آهن به سه نوع زیر تقسیم می‌شود:
- سنگ آهن غنی که محتوای بیش از 50٪ آهن می‌باشد.
- سنگ آهن معمولی که حاوی 25 تا 50 درصد آهن است.
- سنگ آهن فقیر که حاوی مقدار قابل توجهی آهن نبوده و در آن بیش از 25 درصد عنصر آهن مشاهده نمی‌شود! به همین دلیل است که به این گونه سنگ‌ها، سنگ آهن فقیر گفته می‌شود.
- حداقل مقدار خاکستر و گوگرد
- استحکام بالا و ماشینکاری مناسب
در مورد ترکیب شیمیایی سنگ آهن نیز، این سنگ‌ها عمدتا ترکیبات مختلف آهن با اکسیژن، آب و کربن هستند و در طبیعت به شکل زیر وجود دارند:
- سنگ آهن قهوه ای - لیمونیت ها،
- سنگ آهن مغناطیسی - مگنتیت ها،
- سنگ آهن قرمز - هماتیت ها،
- سنگ آهن اسپار - سیدریت ها.
سنگ معدن چگونه استخراج می‌شود؟
سنگ معدن از طریق معدن از زمین استخراج می‌شود و برای استخراج فلزات یا مواد معدنی ارزشمند، اغلب از طریق ذوب، تصفیه و خالص‌سازی می‌شود. لازم به ذکر است که عیار سنگ معدن به غلظت ماده مورد نظر موجود در آن اشاره دارد. در نظر داشته باشید که سنگ معدن باید برای استخراج عناصر مورد نظر از سنگ ضایعات، پردازش شود( اکتشاف معدن آهن).
نحوه استخراج فلزات از سنگ معدن
به طور کلی، سه روش اصلی استخراج فلزات از سنگ معدن عبارتند از:
- احیای سنگ معدن با کربن
- کاهش سنگ معدن مذاب با الکترولیز
- کاهش سنگ معدن با یک فلز واکنش پذیرتر
مهمترین روش استخراج آهن از این ماده، روش احیا از طریق کربن است. این روش، بسیار کارآمد است، زیرا کربن واکنش‌پذیرتر از آهن بوده و بدین ترتیب می‌تواند آهن را از ترکیبات آهن جدا کند. لازم به ذکر است که آهن از اکسید آن، با الکترولیز استخراج نمی‌شود. چراکه آهن یک عنصر فعال متوسط بوده و اکسیدهای آن را می‌توان با استفاده از کربن و نه با الکترولیز کاهش داد. بر اساس ملاحظات انرژی، آهن را نه تنها می‌توان به راحتی با استفاده از کک احیا کرد، بلکه کک، مقدار انرژی گرمایی مورد نیاز برای فرآیند را نیز فراهم می‌کند.
چگونه تولید آهن با استفاده از کربن صورت می‌گیرد؟
فرمول استخراج آهن با استفاده از کربن به صورت اکسید آهن (III) + کربن ( آهن + دی اکسید کربن ) است. لازم به ذکر است که در کوره بلند، دما و حرارت به قدری بالاست که می‌توان از مونوکسید کربن به جای کربن برای کاهش اکسید آهن (III) استفاده کرد: اکسید آهن (III) + مونوکسید کربن ( آهن + دی اکسید کربن).
فرمول استخراج آهن با استفاده از کربن به صورت اکسید آهن (III) + کربن ( آهن + دی اکسید کربن ) است. لازم به ذکر است که در کوره بلند، دما و حرارت به قدری بالا است که می‌توان از مونوکسید کربن به جای کربن برای کاهش اکسید آهن (III) استفاده کرد: اکسید آهن (III) + مونوکسید کربن ( آهن + دی اکسید کربن).
ذخایر رسوبی جهت استخراج آهن
لازم به ذکر است که ذخایر سنگ آهن جهت استخراج آهن به سه گروه اصلی زیر تقسیم می‌شوند:
رسوبات ماگماتوژن(تشکیل شده تحت تاثیر دمای بالا)
ذخایر مواد معدنی که منبع مواد معدنی آنها ماگما است. در طی جداسازی مذاب های ماگمایی، محلول های معدنی گازی و مایع در فرآیند سرد شدن و تبلور ماگما در روده‌های زمین تشکیل می شوند.
رسوبات برون زا (تشکیل شده در نتیجه رسوب و هوازدگی سنگ ها)
ذخایر معدنی مرتبط با فرآیندهای ژئوشیمیایی باستانی و مدرن زمین. این رسوبات در سطح زمین و در قسمت بالای آن، از جمله افق های آب‌های زیرزمینی، در کف باتلاق ها، دریاچه ها، رودخانه ها، دریاها و اقیانوس ها تشکیل می‌شوند.
رسوبات دگرگونی (تشکیل شده در نتیجه فعالیت رسوبی و تاثیر متعاقب آن، فشار و دمای بالا)
کانسارهای معدنی که در فرآیند دگرگونی سنگ‌ها در محیطی با فشار و دمای بالا تشکیل شده و در میان سازه‌های دگرگونی قرار دارند.
آهن معدن یکی از خوشنام ترین شرکت‌ها در حوزه تولید انواع فروآلیاژها و مشتقات آهن است. جهت خرید آهن اسفنجی، خرید گندله آهن، خرید شمش چدن، خرید الکترود گرافیتی می‌توانید با مشاوران آهن معدن تماس بگیرید.
مهمترین محصولات حاصل از استخراج سنگ آهن
مهمترین محصولات حاصل از استخراج آهن را می‌توان به این شرح بیان کرد:
چدن
چدن آلیاژی از کربن و آهن است که شامل منگنز، گوگرد، سیلیکون، فسفر نیز می شود و فرایند تولید آن در کوره های بلند صورت می‌پذیرد. ( شمش چدن چیست؟ و انواع آن)
فولاد
آلیاژی از آهن و کربن (و سایر عناصر) است. این محصول، حاوی حداقل 45 درصد آهن بوده و محتوای کربن موجود در آن در محدوده 02/0 تا 14/2 درصد است و اغلب در کوره های اجاق گاز یا کوره های الکتریکی در کنوکتورها تولید می‌شود.
استخراج جهانی سنگ آهن
بر اساس گزارش Fitch، رشد تولید جهانی سنگ آهن بین سال‌های 2021 تا 2025 به طور متوسط 3.6 درصد خواهد بود که نسبت به کاهش متوسط سالانه 2.3 درصدی در پنج سال گذشته، بیشتر است. فیچ انتظار دارد استخراج سالانه آهن تا سال 2025 به میزان 571 میلیون تن نسبت به سال 2020 افزایش یابد.
بزرگترین کشورهای استخراج آهن
سنگ آهن (منشا استخراج آهن) یکی از مهمترین و پر بهره برداری ترین مواد معدنی است که 98 درصد آن در تولید فولاد مصرف می‌شود. سنگ معدن در سراسر جهان استخراج و فرآوری می‌شود، اما بزرگترین تولید کنندگان آن چین، استرالیا، برزیل، هند و روسیه هستند. منابع اصلی سنگ آهن، مگنتیت (Fe3O4) و هماتیت (Fe2O3) هستند که غلظت آهن در آنها از 25% تا 65% یا بیشتر متغیر است. لازم به ذکر است که عناصر سبک همراه این سنگ در غلظت‌های کمیاب (آلومینیوم (Al)، سیلیکون (Si)، فسفر (P) و گوگرد (S)) نقش مهمی‌در غنی‌سازی (ذوب) سنگ آهن ایفا می‌کنند.
منبعی ارزشمند!
این ماده یکی از مهمترین منابع معدنی کره زمین، نقشی بنیادی در شکل‌گیری تمدن صنعتی بشر داشته و هنوز هم به عنوان رکن اصلی در تولید فولاد و چدن مطرح است. این سنگ طبیعی با دارا بودن ترکیبات متنوعی از آهن، از جمله هماتیت، مگنتیت، سیدریت و لیمونیت، در انواع غنی، معمولی و فقیر دسته‌بندی می‌شود و بسته به درصد آهن موجود، روش‌های استخراج و فرآوری متفاوتی دارد. با استفاده از کوره بلند و فرایند احیای شیمیایی با کربن یا مونوکسید کربن، آهن از سنگ معدن جدا می‌شود و به شکل محصولات کلیدی همچون آهن اسفنجی، گندله، چدن و فولاد مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد.
در این میان، فناوری‌های نوین و فرآیندهای مختلف متالورژیکی نیز به بهینه‌سازی تولید و کاهش مصرف انرژی کمشایانی کرده‌اند. همچنین، بررسی منابع جهانی سنگ آهن نشان می‌دهد که کشورهایی مانند استرالیا، برزیل، چین، هند و روسیه، سهم عمده‌ای در تولید و تأمین جهانی این ماده استراتژیک دارند و در سال‌های آینده نیز با رشد تقاضا برای فولاد، استخراج و فرآوری سنگ آهن روندی صعودی خواهد داشت.در نهایت، سنگ آهن نه تنها یک منبع معدنی است، بلکه پایه‌گذار توسعه اقتصادی، صنعتی و حتی تکنولوژیکی در عصر حاضر به شمار می‌رود. تداوم پژوهش، سرمایه‌گذاری و بهره‌برداری هوشمندانه از این منبع ارزشمند، کلید دستیابی به رشد پایدار در صنایع فولاد و متالورژی خواهد بود.
