سنگ آهن، منبع آهن اولیه مورد نیاز برای صنایع آهن و فولادسازی جهان است. بنابراین، برای تولید فولاد، که به نوبه خود برای حفظ یک پایگاه قوی صنعتی ضروری است، سنگ معدن بسیار ضروری می باشد. تقریباً 98 درصد از سنگ آهن در فولادسازی استفاده می شود. سنگ آهن در حدود 50 کشور جهان استخراج می شود. هفت کشور بزرگتر از این کشورهای تولید کننده، حدود سه چهارم کل تولید جهان را به خود اختصاص داده اند. استرالیا و برزیل با هم بر صادرات سنگ آهن جهان تسلط دارند و هریک حدود یک سوم کل صادرات را در اختیار دارند. چین نیز بزرگترین وارد کننده و مصرف کننده سنگ آهن می باشد.
سنگ آهن چیست ؟
سنگ آهن نوعی سنگ معدنی بوده که منبع اصلی و ماده اولیه در صنایع آهن سازی و فولاد سازی می باشد. 6/5 درصد از پوسته زمین را آهن تشکیل داده است و بنابراین سنگ آهن یکی از فراوان ترین مواد معدنی می باشد. اما سنگ آهن به همان شکل ابتدایی قابل استفاده نبوده و نیاز به خالص سازی دارد.
ترکیبات موجود در سنگ آهن
کانی های مختلفی در سنگ آهن وجود داشته که هر یک دارای خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوتی می باشند. این تفاوت در خواص باعث گستردگی کاربرد آنها می شود و بنابراین شناخت ترکیبات موجود در سنگ آهن اهمیت بالایی دارد. هماتیت و مگنتیت مهم ترین کانی های موجود در سنگ آهن می باشند و لیمونیت، سیدریت، زئولیت، گرینالیت و مارکاریت از دیگر کانی های موجود در سنگ آهن هستند.
هماتیت
هماتیت با فرمول شیمیایی (Fe2O3)، یک ماده معدنی اکسید آهن است. این کانی غیر مغناطیسی بوده و دارای تنوع رنگی از نقره ای تا قهوه ای مایل به قرمز می باشد. هماتیت خالص از نظر وزن مولکولی، حاوی 9/69 درصد آهن است. این نوع، سنگ معدن غالب در استرالیا از اوایل دهه 1960 بوده است.
مگنتیت
مگنتیت با فرمول شیمیایی (Fe3O4)، یک ماده معدنی اکسید آهن است که به طور کلی سیاه بوده و بسیار مغناطیسی است. ویژگی دوم به بهره مندی از سنگ معدن مگنتیت کمک می کند. مگنتیت از نظر وزن مولکولی، حاوی 4/72 درصد آهن است که بیشتر از هماتیت است، اما سنگ معدن مگنتیت به دلیل وجود ناخالصی ها دارای عیار معدنی پایین تر (به طور کلی 20-30 درصد آهن) است. این امر منجر به هزینه های بیشتری برای تولید کنسانتره برای ذوب فولاد می شود.
لیمونیت
لیمونیت با فرمول شیمیایی (FeO (OH) .nH2O)، یکی از مواد معدنی اصلی آهن بوده که اکسید آهن هیدراته نیز نامیده می شود. نام لیمونیت به درستی باید محدود به اکسید آهن هیدراته ناخالص (با محتوای متغیر آب) باشد که دارای ویژگی کلوئیدی یا بی شکل است. اغلب قهوه ای و خاکی است، با تغییر سایر مواد معدنی آهن مانند هیدراتاسیون هماتیت یا اکسیداسیون و هیدراتاسیون سیدریت یا پیریت ایجاد می شود.
سیدریت
سیدریت، همچنین chalybite نامیده می شود و در واقع یک کانی کربنات آهن با فرمول (FeCO3) است. این ماده معدنی معمولاً در بسترهای نازک، رس یا در زغال سنگ (به عنوان مواد رسوبی) و در رگه های فلزی گرمابی (به عنوان گانگ یا سنگ زباله) وجود دارد.
استخراج آهن
برای استخراج سنگ آهن، دو روش اساسی وجود دارد. وقتی سنگ معدن آهن به سطح زمین نزدیک باشد و دارای شکل توده ای نیز باشد، از روش رو باز یا سطحی برای استخراج آن استفاده می شود. اما اگر کانه آهن در عمق زیادی نسبت به سطح زمین قرار داشته باشد، به روش زیرزمینی اقدام به استخراج آن می شود. بدین منظور نیاز به حفر چاه و رسیدن به سنگ آهن وجود دارد.
بیشتر سنگ آهن با استخراج سطحی، مورد بهره برداری قرار می گیرد. همچنین برخی از معادن زیرزمینی وجود دارند، اما در صورت امکان، استخراج سطحی ترجیح داده می شود زیرا ارزان تر است.
فرآیند خالص سازی سنگ آهن
سنگ آهن دارای ناخالصی هایی بوده که امکان استفاده از آن را به طور مستقیم از بین می برد. مواد باطله باید حتی الامکان در مراحل اولیه تولید آهن حذف شوند. اما قبل از حذف این مواد باطله، نیاز به خردایش سنگ معدن در اندازه های بسیار کوچکتر از اندازه های بعد از استخراج می باشد.
خردایش سنگ آهن
قبل از فرآوری سنگ آهن، باید خردایش بر روی آنها انجام شود که این عمل توسط انواع سنگ شکن ها و یا آسیاکاری انجام می شود. سنگ آهن استخراج شده دارای توده هایی با اندازه های مختلف است. بزرگ ترین آنها دارای عرض بیش از 1 متر (40 اینچ) و کوچک ترین آنها نیز عرضی حدود 1 میلی متر (0.04 اینچ) دارند. با این حال، کوره بلند نیاز به توده هایی بین 7 تا 25 میلی متر دارد. بنابراین، سنگ معدن باید "خرد" شود تا حداکثر اندازه ذرات کاهش یابد.
تغلیظ سنگ آهن
تغلیظ عبارتست از جداسازی فیزیکی، مکانیکی و یا فیزیوشیمیایی دانه های مینرال فلزی از مواد باطله که اصطلاحا مواد گانگ نامیده می شوند. در نتیجه فرآیند تغلیظ، کنسانتره آهن که همان آهن پرعیار است و نیز مواد باطله به دست خواهند آمد.
فرآوری سنگ آهن
جداسازی مواد پرعیار از مواد باطله در فرآیند تغلیظ به روش های زیر انجام می شود:
1- جداسازی بر مبنای خواص مغناطیسی: در این روش با توجه به رفتار سنگ آهن در میدان مغناطیسی، ترکیبات فرومغناطیس، پارامغناطیس و نیز دیامغناطیس مشخص شده و به راحتی از هم جدا می شوند.
2- جداسازی ثقلی: این روش به دو صورت انجام شده که شامل روش های میز لرزان و استفاده از واسطه سنگین است.
الف) روش میز لرزان: در این روش اجزای سبک تر به پایین محفظه منتقل می شوند و اجزای سنگین تر توسط جریان آب بین فک های دستگاه گیر افتاده و خردایش انجام می شود.
ب) واسطه سنگین: استفاده از یک سری واسطه های سنگین و ترکیب این مواد با آب، باعث می شود آنهایی که چگالی بیشتری نسبت به آب دارند ته نشین شده و آنهایی که سبک تر هستند معلق بمانند و یک سری از ترکیبات نیز در میانه آنها قرار می گیرند.
3- فلوتاسیون (شناورسازی) یا جداسازی بر مبنای خواص سطحی مینرال ها: در این روش، ذرات به درون آب ریخته شده و آنهایی که آب دوست هستند خیس شده و ته نشین می شوند و آنهایی که آب گریز هستند، شناور می مانند. ذرات آب دوست و آب گریز هر دو می توانند ذرات مطلوب باشند و با توجه به هدف و اینکه ماده معدنی را میخواهیم و یا مواد باطله را، هر کدام را که بخواهیم میتوانیم ته نشین یا شناور کنیم. این روش با وارد کردن حباب به منظور کمک به شناوسازی ذرات انجام می شود.
4- جداسازی بر مبنای خواص اپتیکی، رادیواکتیو و... مینرال ها
5- جداسازی بر مبنای هدایت الکتریکی مینرال ها
پخت یا زینترینگ سنگ آهن
پختن بخش مهمی از فرایند کلی است زیرا ضایعات را کاهش می دهد و یک ماده اولیه کارآمد برای تولید آهن فراهم می کند.
بدین منظور، با اعمال حرارت، سطح بیرونی ذرات به هم چسبیده و به اصطلاح گلویی شدن در زینتر اتفاق می افتد. با ادامه زینتر کردن، تخلخل های درونی کاهش یافته و ذرات بیشتر به هم می چسبند. این عمل باعث بهبود در یکنواختی خواص، تنظیم تخلخل و نیز افزایش چگالی و استحکام می شود.
ذوب سنگ آهن در کوره بلند
به منظور تولید آهن از سنگ آهن و پس از مراحل یاد شده در بالا، از کوره بلند برای ذوب مواد استفاده می شود.
کک، سنگ آهن خرد شده، کنسانتره آهن و نیز هوای داغ ورودی های کوره بلند هستند. کک در اینجا به عنوان سوخت در تامین انرژی حرارتی و نیز به عنوان احیا کننده و تامین انرژی شیمیایی نقش بسزایی دارد.
مواد یاد شده از بالا به کوره بلند شارژ می شوند و هوای گرم نیز از پایین کوره وارد می شود. این هوای گرم در برخورد با کک، باعث سوختن آن شده و دما را تا 2000 درجه سانتی گراد بالا می رود. سپس سنگ آهن ذوب شده و آهن خام، سرباره مذاب و گازهای واکنش، خروجی های کوره بلند هستند. این فرایند در طول عمر کوره، که ممکن است 10 سال یا بیشتر باشد، ادامه می یابد. یعنی قبل از اینکه روکش آجر مقاوم در برابر حرارت شروع به خراب شدن کند. سپس کوره مجدداً متصل می شود.
آهن خام خارج شده از کوره بلند در واقع چدن می باشد که حاوی مقدار زیادی کربن است. سپس این آهن خام به منظور کاهش میزان کربن برای فولاد سازی استفاده می شود. تفاوت آهن ، چدن و فولاد را در اینجا بخوانید.
کاربرد و موارد مصرف سنگ آهن
استفاده از سنگ آهن در اکثر موارد شامل استفاده از آهن خام تولیدی از کوره بلند به منظور فولادسازی می باشد. سایر استفاده های سنگ آهن به قرار زیر است. همچنین کاربرد فولاد در صنعت در مقاله ای جداگانه بررسی شده است.
پودر آهن
برای انواع خاصی از فولادها، آهنرباها، قطعات خودرو و کاتالیزورها مورد استفاده قرار می گیرد.
آهن رادیواکتیو (آهن 59)
به عنوان دارو و عنصر ردیابی در تحقیقات بیوشیمیایی و متالورژی به کار می رود.
آهن آبی
استفاده در رنگ ها، جوهر چاپ، پلاستیک، لوازم آرایشی، رنگ های هنری، رنگ لباس، رنگ آمیزی کاغذ.
اکسید آهن سیاه
به عنوان رنگدانه در ترکیبات پرداخت، متالورژی، دارو ، جوهر مغناطیسی و فریت برای صنایع الکترونیک استفاده می شود.
قابلیت بازیافت سنگ آهن
آهن و فولاد 100 درصد قابل بازیافت هستند. به این معنی که می توان آن را بارها و بارها به مواد با همان کیفیت پردازش کرد. بازیافت موجب صرفه جویی قابل توجهی در انرژی و مواد اولیه می شود. هر تن بازیافت فولاد و آهن قراضه بیش از 1400 کیلوگرم سنگ آهن، 740 کیلوگرم زغال سنگ کک و 120 کیلوگرم سنگ آهک ذخیره می کند.
کوره های قوس الکتریکی به فولاد و آهن اجازه می دهد از 100درصد مواد اولیه ضایعات فلزی ساخته شود. این امر در مقایسه با فولادسازی اولیه از سنگ معدن، انرژی مورد نیاز برای تولید فولاد را تا حد زیادی کاهش می دهد. تغییر فزاینده به سمت استفاده از کوره های قوس الکتریکی در تولید فولاد، بازار جهانی ضایعات فولادی را پشتیبانی می کند، که پیش بینی می شود تا سال 2024 به 755 میلیون تن برسد.
سنگ آهن و عوامل موثر بر قیمت آن
عوامل مختلفی بر میزان قیمت سنگ آهن و نیز تغییرات آن دخیل بوده که از مهم ترین انها می توان به موارد زیر اشاره کرد. دانستن این موارد در پیش بینی قیمت فولاد به شما کمک میکند.
1- بالا و پایین رفتن میزان عرضه و تقاضا 2- هزینه های مربوط به حمل و نقل که وابسته به هزینه مواد نفتی است. 3- کاهش یا افزایش قیمت آهن و فولاد 4- موجودی انبارهای تولیدکنندگان و فولاد سازان و نیز موجودی انبارهای بنادر 5- نوسانات قیمت ارز و دلار
معادن استخراج آهن در ایران و جهان
ایران همواره به عنوان یکی از غنی ترین کشورها از نظر منابع معدنی شناخته می شود.
معادن مهم سنگ آهن در ایران
1- معدن سنگ آهن چغارت: اولین معدن سنگ آهن ایران بوده که در محدوده چغارت از بافت یزد واقع شده است و معدن تغذیه شرکت ذوب آهن اصفهان در هنگام تاسیس آن بوده است. این معدن بیش از یک سوم ذخیره سنگ آهن کشور را داراست.
2- معدن سنگ آهن چادرملو: عنوان بزرگترین تولیدکننده کنسانتره سنگ آهن در ایران متعلق به این معدن می باشد که در شمال شرقی شهر یزد واقع شده است. میزان ذخیره این معدن 320 میلیون تن است.
3- معدن سنگ آهن گل گهر: معدن سنگ آهن گل گهر سیرجان بزرگترین معدن سنگ آهن خاورمیانه با ذخیره 219 میلیون تن می باشد. گندله سنگ آهن، کنسانتره سنگ آهن و نیز سنگ دانه بندی از تولیدات حاصل از سنگ آهن این معدن می باشد.
مهم ترین و بزرگ ترین منابع سنگ آهن جهان
1- معدن هامسرلی: این معدن حاوی سنگ آهن با خلوش 62 درصد بوده و یکی از بهترین سنگ آهن های جهان را دارا می باشد که در اختیار شرکت ریو تینتو است. این معدن در کشور استرالیا واقع شده است. این معدن در سال 2018 حاوی 220 میلیون تن ذخیره بوده است.
2- معدن سنگ آهن کاراجاس: این معدن که در کشور برزیل واقع شده است، متعلق به شرکت واله می باشد و به طور تقریبی حاوی 2/7 میلیارد تن دخیره با مقدار خلوص 66 درصد است.
3- معدن سنگ اهن چیچستر هاب: این معدن نیز در کشور استرالیا قرار داشته و ذخایری حدود 100 میلیون تن با خلوص 58 درصد را داراست.
4- معدن سنگ آهن یاندی: این معدن هم در کشور استرالیا قرار داشته و در سال 2020 حاوی 80 میلیوم تن ذخیره بوده است.
5- معدن سنگ آهن مونت ویل بک: از دیگر معادن کشور استرالیا بوده که یکی از بزرگترین معادن سنگ آهن روباز در جهان است و دارای ابعادی به بزرگی 5/1 در 5 کیلومتر است. خلوص این معدن نیز 69 درصد می باشد و در سال 2020 حاوی 77 میلیون تن ذخیره بوده است.
6- معدن سیشن: این معدن واقع در آفریقای جنوبی حاوی 919 میلیون تن ذخیره می باشد که خلوصی به اندازه 59 درصد دارد.
