کاربرد های سنگ آهن

در صنایع مختلف امروزی از انواع فلزات استفاده می‌شود. اما بدون شک یکی از مهم‌ترین اقسام فلزات مورد استفاده، آهن است. سنگ آهن را از معادن شناسایی شده استخراج کرده و پس از فرآوری و خالص سازی، برای تولید انواع سازه‌های فلزی مورد استفاده قرار می‌گیرد. صنایع و تمدن‌های پیشرفته‌ی امروزی تا حدود زیادی به سازه‌های فولادی و چدن حاصل از این سنگ نیازمندند. در این مقاله ما برایتان شرح می‌دهیم که سنگ آهن اساسا چیست و بشر چگونه از آن بهره‌مند می‌شوند. هم چنین در نهایت متوجه خواهید شد که چرا استفاده از ضایعات آهن برای تولید فولاد، بر بکارگیری سنگ های معدنی اولویت دارد.

سنگ آهن ، منبع آهن اولیه صنایع آهن و فولاد جهان است. بنابراین برای تولید فولاد و همچنین حفظ یک پایگاه صنعتی قوی ضروری است. تقریباً تمام (98٪) سنگ آهن در فولادسازی استفاده می شود. سنگ آهن در حدود 50 کشور استخراج می شود. هفت کشور بزرگ تولیدکننده ، حدود سه چهارم کل تولید جهانی را تشکیل می دهند. استرالیا و برزیل با هم بر صادرات سنگ آهن جهان مسلط هستند و هر کدام حدود یک سوم کل صادرات را دارند.

کاربرد سنگ آهن در صنعت چیست؟

یکی از مهمترین کاربرد های سنگ آهن، تولید فولاد است که عمده ی سنگ آهن فرآوری شده سالانه را به خود اختصاص می دهد. سنگ معدن غنی از آهن، کاربرد های دیگر نیز دارد که برخی از آنها به معنای واقعی کلمه پرکاربرد هستند. به عنوان مثال سنگ آهن در لوازم آرایشی و بهداشتی و در تولید برخی رنگ ها و جوهرها استفاده می شود. تولیدکنندگان ، سنگ‌ های با عیار بالا و پایین را که حاوی ناخالصی‌ های مختلف مخلوط با آهن هستند، تشخیص می‌ دهند و مصارف نهایی سنگ آهن را تعیین می‌ کنند.

هنگامی که معادن سنگ آهن شناسایی می‌ شوند، مهندسان و زمین‌ شناسان سنگ را مطالعه و بررسی می‌ کنند تا درباره نوع آن اطلاعات بیشتری کسب کنند و بازده بالقوه معدن را تعیین کنند. اگر ذخایر کوچک باشند، برداشت سنگ معدن ممکن است از نظر مالی عملی نباشد، زیرا درصد کمی وجود دارد که هزینه ای برای توسعه و مدیریت معدن ندارد.

در تولید فولاد بیشتر سنگ آهن تولید شده در سراسر جهان مصرف می شود.برای تولید فولاد شرکت ها قبل از ذوب ، سنگ آهن را خرد کرده و پیش فرآوری می کنند تا فلز محبوس شده را با یک واکنش حرارتی و شیمیایی آزاد کنند. این روش را می توان برای ساختن به اصطلاح “آهن خوک”، بلوک های جامد آهن که می توانند بیشتر پردازش شوند، استفاده کرد. آهن خام را می توان در آلیاژها استفاده کرد و به روش های مختلفی برای ساخت محصولات فولادی مختلف و همچنین سایر مواد حاوی آهن فرآوری کرد.

دیگر کاربرد های سنگ آهن در صنایع

دیگر کاربرد های سنگ آهن در صنایع ، استفاده به عنوان کاتالیزور برای واکنش های شیمیایی است و همچنین در فرآیند هایی مانند توسعه عکاسی استفاده می شود. ممکن است به عنوان یک جزء در ساینده ها و رنگ های خاص، مانند مواردی که در سازه های بیرونی استفاده می شود که باید بسیار مقاوم در برابر آب و هوا باشند، گنجانده شود. آهنرباها، پودرهای مغناطیسی و محصولات مرتبط با استفاده از سنگ آهن و همچنین برخی از قطعات صنعتی و قطعات خودرو، برخی از کاربردها را به خود اختصاص می دهند.

سنگ آهن رادیواکتیو ، کاربرد هایی به عنوان یک ماده ردیاب دارد، به طوری که این عنصر می تواند به عنوان برچسب با ردیابی انتشارات رادیواکتیو مورد استفاده قرار گیرد و همچنین در برخی از قارچ کش ها نیز به کار می رود. همانطور که این موارد استفاده از سنگ آهن نشان می دهد، سنگ های حاوی درصدی از آهن ، کاربرد های صنعتی گسترده ای دارند. استخراج سنگ آهن در سرتاسر جهان یک صنعت بسیار بزرگ است و به دلیل کاربرد های بی شمار و تقاضای زیاد برای محصولاتی مانند فولاد سازه، یکی از با ارزش ترین کالا های است.

خلاصه کاربرد های سنگ آهن

1. تولید فولاد
2. تولید بلوک های جامد آهن
3. استفاده در آلیاژها
4. استفاده به عنوان کاتالیزور
5. استفاده در تولید لوازم آرایشی و بهداشتی ، برخی رنگ ها و جوهر ها
6. ردیابی (توسط رادیو اکتیو)
7. تولید قارچ کش ها

و….

سنگ آهن چیست؟

سنگ آهن (Iron ore) نوعی سنگ معدنی حاوی رگه‌هایی از آهن (Fe) است که برای مورد استفاده قرار گرفتن، باید خالص سازی شود. برای خالص کردن این سنگ، باید فرایند ذوب و احیا در کوره‌ها به شکل متداول امروزی، انجام شود. این سنگ از فراوان‌ترین سنگ‌های فلزات در زمین است، بصورتی که می‌توان گفت حدود 5 درصد از کل پوسته‌ی زمین را اکسید آهن تشکیل داده است.

ترکیبات موجود در سنگ آهن

دو کانی رایج در ترکیب سنگ آهن با نام‌های هماتیت و مگنتیت مشخص می‌شوند. هماتیت، نوعی کانی با فرمول شیمیایی Fe₂O₃ و نام‌های معادل حدید و شادنه است. این کانی حاوی حدود 70 درصد (Fe) و 30 درصد اکسیژن است. از این کانی در رنگ سازی و تولید ضد زنگ‌ها استفاده می‌کنند.

کانی دیگر با نام مگنتیت، برگرفته از واژه‌ی یونانی به معنای آهنربا است. فرمول شیمیایی کانی مگنتیت به صورت Fe₃O₄ بوده و حاوی 72 درصد Fe است. البته انواع دیگری از سنگ آهن وجود دارند که با نام کانی‌های سازنده‌ی آن‌ها، زئولیت، لیمونیت، سیدریت، گرینالیت، مارکالیت و… مشخص می‌شوند. قدم اول در بدست آوردن منابع خام سنگ آهن، شناسایی معادن غنی از این سنگ است که توسط مهندسان و کارشناسان حرفه‌ای معدن صورت می‌گیرد.

پس از شناسایی معادن بالقوه، سنگ آهن را استخراج و برای جدا کردن ناخالصی‌ها و بدست آوردن فلز خالص آماده می‌کنند. آهنی که خالص شده به صورت پودری تیره رنگ حاصل می‌شود که در برابر اکسایش و ضربه بسیار آسیب پذیر است. در حقیقت برای اینکه جهت استفاده در سازه‌های فلزی مستحکم در صنایع مختلف مانند ساختمان سازی مناسب شود، ابتدا می‌بایست با عناصر دیگر ترکیب شود. به ترکیب آهن با عناصر دیگر که عموما کربن، نیکل و کروم هستند، آلیاژ می‌گویند.

کشور چین بزرگترین وارد کننده و مصرف کننده‌ی این سنگ در بین بقیه‌ی کشورهاست. کشورهای استرالیا و برزیل نیز بزرگترین تولید کنندگان آن در کل جهان به شمار می‌روند.

تصویر 1- نمونه‌ای از سنگ آهن استخراج شده از معادن آهن

سنگ آهن کجا یافت می شود؟

ذخایر سنگ آهن در سرتاسر جهان وجود دارد که استرالیا، برزیل، ایالات متحده و کانادا بزرگترین کشور های تولید کننده آن هستند.

فرایند خالص سازی

همانطور که گفتیم، سنگ آهنی که از معادن به دست می‌آید، عیار پایینی داشته و باید خالص شود. پس از استخراج سنگ آهن، ابتدا طی چندین مرحله آن را آماده‌ی فراوری و وارد سازی به کوره می‌کنند. این مراحل شامل خرد کردن، آسیاب کردن، سرند کردن و سپس شست‌وشو هستند. در نهایت با استفاده از روش فلوتاسیون یا بهره‌گیری از جدا کننده‌های مغناطیسی عیار آن را تا حدود 65-60 درصد بالاتر می‌برند.

سپس سنگ‌های حاصل را به ابعاد 6 تا 25 میلیمتری در میاورند تا برای بارگزاری در کوره مناسب شود. در کوره‌هایی با نام کوره‌های وزشی، سنگ آهن تغلیظ شده 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 1925 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 آهن 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.

تصویر 2- استفاده از سنگ آهن برای خالص سازی و ساخت فراورده‌های آهنی

مصرف سنگ آهن

سنگ آهن‌هایی که اکنون در بازار یافت می‌شوند، شکل‌های متفاوتی دارند. علاوه بر تفاوت فرمولاسیون شیمیایی در بین آنها، به شکل‌های فیزیکی مختلف از جمله دانه بندی شده، کنسانتره و گندله نیز دیده می‌شوند. از این سنگ‌ها برای ساخت سازه‌های فلزی مختلف از جنس چدن و فولاد استفاده خواهد شد. تمدن‌های امروز و پیشین همگی از این فلز بیشترین استفاده را نسبت به دیگر انواع فلزات می‌کرده‌اند.

استحکام قابل توجه، فراوانی منابع و معادن اولیه، سهولت در فراوری و ذوب و قیمت مناسب از دلایل عمده‌ی رواج استفاده از سنگ آهن است.  با این حساب، از فراوری این سنگ برای تولید هر آنچه نیازمند فلزات است، استفاده می‌شود. عمده ترین موارد مصرف، شامل ساخت پل‌ها، ماشین آلات، راه آهن، تجهیزات ساختمان سازی، لوازم خانگی ، و انواع تجهیزات مختلف صنعتی است.

هم چنین در صنعت خودرو سازی و ساخت ابزار و ادوات جنگی نیز از اشکال مختلف آهنی استفاده می‌شود. بر اساس اطلاعات حاصل از آمارها، حدود 98 درصد از سنگ آهنی که در کل جهان استخراج می‌شود، به منظور تولید فولاد و ساخت سازه‌های فولادی بهره برداری می‌شود.

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.

تصویر 3- کوره‌های مورد استفاده برای خالص سازی و ذوب منابع سنگی

کاربردهای سنگ آهن

استفاده اصلی آن، تولید فلز آهن است. بیشترین مقدار آهن تولید شده هم در ساخت فلز فولاد استفاده می شود. فلز فولاد هم ساخت ابزارها و تجهیزات زیادی مثل اتومبیل ها، لوکوموتیوها، کشتی ها، تیرچه های ساختمانی، مبلمان، گیره های کاغذی، دوچرخه و هزاران وسیله کوچک و بزرگ دیگر استفاده می شود. این فلز درواقع پرمصرف ترین فلز هم در حجم مصرفی و هم در کاربرد مصرفی است.

استفاده اصلی از این سنگ یعنی همان ۹۸ درصد برای ساخت فلز فولاد و باقیمانده آن یعنی ۲ درصد دیگر برای زمینه های دیگر که در موارد زیر بیان شده، است.

سایر کاربردهای سنگ آهن

• آهن پودرشده: استفاده در ساخت انواع خاصی از فولاد ها، مگنت ها، قطعات اتومبیل و کاتالیست ها؛
• آهن رادیواکتیو ( آهن ۵۹) : استفاده در داروسازی به عنوان یک عنصر ردیاب در تحقیقات بیوشیمی و فلزکاری.
• اکسید آهن سیاه: استفاده به عنوان رنگدانه در ترکیبات پولیش، استفاده در فلزکاری، داروسازی، ساخت جوهرهای مغناطیسی و فریت ها ( هیدرواکسید آهن) در صنعت الکترونیک؛
• آهن قرمز: برای استفاده در نقاشی ها، جوهر پرینت، لوازم آرایشی ( مثل سایه چشم)، رنگ های هنری، پلاستیک ها، کود و مراحل نهایی صنعتی.

سنگ های آهن، مواد خام طبیعی برای تولید آهن ریخته گری در کوره های ذوب است. مگنتیت در صنعت نفت به عنوان یک عنصر وزن گیری خاک رس شناور استفاده می شود.

سنگ های آهن مناسب برای فلزکاری باید علاوه بر خصوصیات ویژه فیزیکی دارای ترکیب شیمیایی و معدنی خاصی باشند. حداقل آهن موجود در سنگ های خام مناسب برای بهره گیری و استفاده در تولید، مقدار ۲۵ تا ۳۰ درصد است. سنگ های مغناطیسی تیتانیوم می تواند با یک میانگین ۱۵ تا ۱۷ درصدی از آهن موجود برای استخراج تیتانیوم و وانادیوم از آنها به کاربرده شود.

حداقل آهن موجود در سنگ های مورد استفاده در کوره های ذوب در محدوده های مختلفی مشخص می شود و این محدوده ها بستگی به نوع سنگ های معدنی دارد. برای سنگ مگنتیت و هماتیت، حداقل آهن موجود باید بین ۴۵ تا ۵۰ درصد باشد. سنگ های با سطح آهن کمتر توسط فرایندهای جداسازی الکترومغناطیسی، مغناطیسی، شست و شو و برداشت غنی سازی می شوند. ویژگی های مهم فیزیکی آن عبارتند از: چگالی، سختی، بافت و بدنه.

بازیافت

فلز فولاد تولید شده از آهن صد در صد قابل بازیافت است و می توان آن را دوباره در میان مواد اولیه تولید کالاهای مصرفی و با همان کیفیت مواد خام اولیه، بارها و بارها استفاده کرد. فرایند بازیافت می تواند تا حد زیادی در مصرف مواد خام و انرژی صرفه جویی کند. هر تن از فولاد بازیافت شده در مصرف بیش از ۱۴۰۰ کیلو گرم سنگ آهن، ۷۴۰ کیلوگرم ذغال سنگ کک و ۱۲۰ کیلوگرم سنگ آهک صرفه جویی کند.

همانطور که اشاره کردیم، این سنگ مصارف گسترده‌ای در تمامی صنایع و کشورها داشته و باید در مصرف آن به خوبی دقت کرد. از آن جا که منابع موجود سنگی از این فلز با وجود فراوانی در نهایت محدود است، بهتر است تا حد ممکن برای ساخت فولاد از قراضه‌های آهنی به جای سنگ خام استفاده نمود.

آینده سنگ آهن چیست؟

ما انتظار داریم تا زمانی که جهان به فولاد نیاز دارد، جهان به سنگ آهن نیز احتیاج داشته باشد. چالش فولادسازی تولید این کالای حیاتی برای ایجاد رشد پایدار و در عین حال کاهش انتشار گازهای گلخانه ای در خود فرآیند تولید است.