استخراج آهن

استخراج آهن نقشی محوری در تمدن مدرن ایفا می‌کند و مواد اولیه ضروری را برای صنایع مختلف فراهم نموده است. از ساخت‌وساز ساختمان‌ها گرفته، تا تولید وسایل نقلیه و ماشین‌آلات، آهن عنصری ضروری و غیر قابل جایگزین در بسیاری از بخش‌های زندگی مدرن امروزی ما است. در این مقاله، سعی می‌کنیم به پیچیدگی‌های استخراج آهن، و بررسی مراحل مختلف، فرآیندها و اهمیت آن در اقتصاد جهانی بپردازیم.

سنگ آهن چیست؟ آشنایی با انواع سنگ آهن

سنگ آهن یک ماده معدنی طبیعی است که از آن می‌توان فلز آهن را به شکل‌های مختلفی استخراج کرد. سنگ آهن معمولا حاوی اکسیدهای آهن بوده و در اشکال مختلف زمین‌شناسی پیدا می‌شوند. انواع سنگ آهن مختلفی وجود دارند که هر کدام ویژگی‌های خاص خود را دارند:

هماتیت

هماتیت که بیشتر به دلیل داشتن درصد بالای آهن خود (حدود ۷۰ درصد) شناخته می‌شود، رایج‌ترین نوع سنگ آهن استخراج شده است. هماتیت سنگی به رنگ قرمز-قهوه‌ای است و اغلب در رسوبات رسوبی یافت می‌شود. از هماتیت عموماً برای رنگ سازی و تولید ضد زنگ و استخراج کانی‌های دیگر استفاده می‌شود.

مگنتیت

مگنتیت منبع مهم دیگری از سنگ آهن است. به رنگ سیاه یا قهوه‌ای تیره بوده و خاصیت مغناطیسی دارد که تشخیص آن را آسان می‌کند. مگنتیک درواقع مغناطیسی‌ترین ماده معدنی شناخته شده روی زمین است. ذخایر مگنتیت عمدتاً در سنگ‌های آذرین و دگرگونی یافت می‌شود. مگنتیت به دلیل مقادیر بالای آهنی که دارد، همیشه به عنوان یکی از سنگ‌های آهن اصلی شناخته می‌شده است. از سنگ مگنتیت در کوره‌های بلند برای تولید فولاد به آهن خام یا آهن اسفنجی تبدیل می‌شود.

لیمونیت

لیمونیتی یک اکسید آهن هیدراته با رنگ زرد-قهوه‌ای است. اغلب در مناطق باتلاقی یا سایر محیط‌های با رطوبت بالا تشکیل می‌شود. دلیل نام‌گذاری آن هم همین است، چراکه از واژه یونانی لیموس (limus) به‌معنای گل و لجن گرفته شده ‌است. آهن لیمونیت نسبتاً نرم است و استفاده از آن برای تولید آهن شاید دیگر صرفه اقتصادی نداشته باشد.

سیدریت

سیدریت یک ماده معدنی کربناتی است که اغلب در ارتباط با سایر سنگ‌های آهن یافت می‌شود. رنگ سنگ آهن سیدریت متمایل به زرد، قهوه ای، زرد قهوه ای، سفید و خاکستری می باشد و ظاهری شیشه ای و نیمه مات دارد که زیبایی خاصی دارد. سیدریت همچنین نسبت به هماتیت و مگنتیت کمتر مورد استخراج قرار می‌گیرد.

جدول ویژگی، مزایا و معایب انواع سنگ آهن

نوع سنگ آهن	ویژگی‌ها	مزایا	معایب
هماتیت	حاوی حدود ۷۰ درصد آهن، رنگ قرمز-قهوه‌ای، یافته در رسوبات رسوبی	منبع غنی آهن، استفاده در رنگ‌سازی و تولید ضد زنگ	نیاز به فرآیندهای پیچیده برای استخراج
مگنتیت	دارای خاصیت مغناطیسی، رنگ سیاه یا قهوه‌ای تیره، یافته در سنگ‌های آذرین و دگرگونی	آسانی تشخیص به دلیل خاصیت مغناطیسی، منبع غنی آهن	ممکن است آلودگی مغناطیسی در فرآیندهای استخراج ایجاد شود
لیمونیت	دارای رنگ زرد-قهوه‌ای، تشکیل شده در مناطق باتلاقی یا با رطوبت بالا، نسبتاً نرم	استفاده از طبیعت نرم آن برای برخی فرآیندهای معدنی	کمبود صرفه اقتصادی برای تولید آهن
سیدریت	دارای رنگ متنوع از زرد تا خاکستری، ظاهر شیشه ای و نیمه مات، یافته در ارتباط با سایر سنگ‌های آهن	زیبایی و تنوع رنگی، مورد استفاده در برخی صنایع فلزی	کمتر مورد استخراج قرار می‌گیرد، ممکن است حاوی آلودگی‌های دیگری نیز باشد

 

آشنایی با مراحل استخراج سنگ آهن

استخراج سنگ آهن شامل چندین مرحله است که هر کدام به‌نوعی ضروری بوده و بخشی از فرآیند را شامل می‌شود:

• اکتشاف: فرآیند استخراج آهن با مطالعات زمین‌شناسی برای شناسایی ذخایر احتمالی سنگ آهن آغاز می‌شود. این کار شامل تجزیه و تحلیل نمونه‌های سنگ، انجام بررسی‌ها و استفاده از فناوری‌های سنجش از راه دور برای شناسایی مکان‌های احتمالی حاوی مقادیر زیادی از سنگ‌های آهن می‌شود.
• حفر و انفجار: هنگامی که یک ذخایر مناسب پیدا شد، از دستگاه‌های حفاری برای استخراج نمونه‌هایی هسته، به‌منظور انجام تجزیه و تحلیل‌های بیشتر استفاده می‌شود. در بسیاری از مواقع، ممکن است از مواد منفجره برای شکستن سنگ و تسهیل حفاری استفاده شود.
• استخراج و حمل و نقل: از ماشین‌آلات سنگین، مانند بیل مکانیکی و کامیون‌های حمل و نقل، برای برداشتن دوباره و استخراج سنگ آهن از زمین استفاده می‌شود. سپس سنگ آهن برای فرآوری بیشتر به کارخانه‌های فرآوری منتقل می‌شود.
• سنگ‌شکنی و غربالگری: در کارخانه‌های تولید آهن و فولاد، سنگ خام تحت فرآیند سنگ‌شکنی و غربالگری قرار می‌گیرد تا ماده غنی از آهن از سنگ باطله جدا شود. این کار شامل خرد کردن سنگ آهن به قطعات کوچک‌تر و غربال کردن قطعات بزرگ‌تر می‌شود.
• بهره‌سازی: در برخی موارد، فرآیندهای بهینه‌سازی مختلفی مانند جداسازی ثقلی، جداسازی مغناطیسی یا شناورسازی نیز به کار گرفته می‌شود تا فرآیندهای غربالگری و کاربردهای پایین‌دستی بهتر انجام شود.

آشنایی با مراحل و فرآیند فرآوری سنگ آهن

فرآیند فرآوری سنگ آهن شامل مراحل مختلفی است که هر کدام با هدف تبدیل سنگ معدن به محصولات قابل استفاده انجام می‌شود:

• خرد کردن و آسیاب کردن: سنگ آهن استخراج شده ابتدا به قطعات کوچکتر خرد شده و سپس به پودر ریز آسیاب می‌شود. این کار باعث افزایش سطح تماس سنگ آهن می‌شود و امکان انجام واکنش‌های شیمیایی کارآمدتر را در مراحل بعدی فرآوری فراهم می‌کند.
• جداسازی مغناطیسی: از ابزارهای جداکننده‌های مغناطیسی برای جدا کردن مگنتیت و سایر مواد معدنی مغناطیسی از سایر سنگ‌های غیرآهنی و مغناطیسی استفاده می‌شود. این فرآیند به غنی سازی سنگ آهن و حذف ناخالصی ها کمک می‌کند و اهمیت زیادی دارد.
• جداسازی ثقلی: برای جداسازی هماتیت و سایر مواد معدنی متراکم از مواد باطله سبک‌تر ممکن است از روش‌های جداسازی ثقلی استفاده ‌شود. این کار اغلب با استفاده از ریل‌ها، مارپیچ‌ها یا میزهای لرزاننده انجام می‌شود.
• شناورسازی: شناورسازی یکی از متداول‌ترین روش‌ها برای غنی‌سازی ذرات سنگ آهن آسیاب شده ریز است. در این فرآیند، حباب‌های هوا به مخلوطی از سنگ آهن و آب وارد می‌شوند و به صورت انتخابی به مواد معدنی مورد نظر می‌چسبند و امکان جداسازی آنها از باطله ناخواسته را فراهم می‌کنند.
• آبگیری: مرحله نهایی فرآوری، شامل آبگیری از کنسانتره سنگ آهن با هدف کاهش رطوبت می‌شود. این کار معمولاً با استفاده از تغلیظ کننده‌ها یا فیلترها انجام می‌شود تا به کنسانتره خشک و مناسب برای ذخیره سازی و حمل و نقل دست پیدا کنیم.

جدول مرحله‌بندی شده فرآیند فرآوری سنگ آهن

مرحله بندی	مرحله فرآوری	توضیحات
مرحله اول	خرد کردن و آسیاب کردن	تبدیل سنگ آهن به قطعات کوچکتر، تولید پودر ریز آهن برای افزایش سطح تماس
مرحله دوم	جداسازی مغناطیسی	استفاده از ابزارهای جداکننده مغناطیسی، جداسازی مگنتیت از مواد غیرآهنی و مغناطیسی دیگر
مرحله سوم	جداسازی ثقلی	استفاده از روش‌های جداسازی ثقلی، جداسازی هماتیت از مواد معدنی متراکم باطله
مرحله چهارم	شناورسازی	استفاده از حباب‌های هوا برای جداسازی ذرات سنگ آهن آسیاب شده ریز، انتخابی اتصال حباب‌ها به مواد معدنی مورد نظر
مرحله پنجم	آبگیری	کاهش رطوبت در کنسانتره سنگ آهن، تولید کنسانتره خشک و مناسب برای ذخیره سازی و حمل و نقل

 

آشنایی با مراحل تولید آهن خام

آهن خام محصول میانی حاصل از ذوب سنگ آهن است و به‌طور معمول در کوره‌های بلند ساخته می‌شوند. این فرآیند شامل مراحل زیر است:

• شارژ کوره: کوره بلند با مقادیر زیاد و چندین لایه از سنگ آهن، کک (نوعی کربن استخراج شده از زغال سنگ) و سنگ آهک (شار دهنده) پر می‌شود.
• گرمایش و احیا: کوره تا دمای بیش از ۱۶۰۰ درجه سانتیگراد (۲۹۰۰ درجه فارنهایت) گرم می‌شود و باعث می‌شود کک با اکسیژن موجود در سنگ آهن واکنش داده و آن را به آهن فلزی تبدیل کند.
• تشکیل آهن خام: آهن مذاب، به همراه ناخالصی‌هایی که به عنوان سرباره شناخته می‌شوند، در کف کوره جمع می‌شوند. این مخلوط مذاب به طور دوره‌ای خارج شده و در قالب ریخته می‌شود تا از این طریق شمش‌های آهن خام تشکیل می‌شوند.
• تصفیه: آهن خام ممکن است تحت فرآیندهای تصفیه بیشتری قرار گیرد تا ناخالصی‌های بیشتری از آن حذف شده و ترکیب مورد نیاز برای دستیابی به نیازهای کیفی خاص تنظیم شود.

فولاد چطور از آهن خام تولید می شود؟

تولید فولاد معمولاً شامل دو روش اصلی است: فرآیند اکسیژن پایه (BOP) و فرآیند کوره قوس الکتریکی (EAF). قیمت آهن تولید شده توسط هرکدام از این روش‌ها ممکن است تا حدی متفاوت باشد.

فرآیند اکسیژن پایه (BOP) 

در روش BOP، آهن خام در ظرف بزرگی به نام مبدل ذوب می‌شود و با دمیدن اکسیژن، دمای آن بسیار بالا رفته و فلز کاملاً ذوب شده و تصفیه می‌شود. این کار ناخالصی هایی مانند کربن، سیلیسیم و منگنز را از بین می‌برد و در نتیجه فولاد با کیفیت بالا به دست می‌آید. تولید فولاد از آهن خام از طریق فرآیند اکسیژن پاره را می‌توان در ۴ بخش خلاصه کرد:

1) ذوب آهن خام: ابتدا آهن خام را درون این مبدل یا همان کوره ذوب آهن بارگیری کرده و آن را تا زمانی که به مایع مذاب داغ تبدیل شود، حرارت می‌دهیم.

2) دمیدن اکسیژن: سپس، جریانی از اکسیژن را به آهن مذاب می‌دمیم. این اکسیژن با ناخالصی‌های موجود در آهن، مانند کربن، سیلیسیم و منگنز واکنش نشان می‌دهد. این ناخالصی‌ها چیزهایی هستند که در محصول نهایی فولاد خود نمی‌خواهیم، زیرا باعث تضعیف فولاد می‌شوند و ویژگی‌هایی به آن اضافه می‌کنند که مورد نیاز ما نیستند.

3) حذف ناخالصی‌ها: با مخلوط شدن اکسیژن با آهن مذاب، واکنش شیمیایی ایجاد می‌شود که این ناخالصی‌ها را حذف می‌کند. آن‌ها یا با اکسیژن واکنش نشان می‌دهند و به گازهایی تبدیل شده و خارج می‌شوند، یا لایه‌ای روی آهن مایع تشکیل می‌دهند که به راحتی می‌توانیم آن را حذف کنیم.

4) فولاد نهایی: آنچه بعد از این فرآیند باقی می‌ماند، فولاد با کیفیتی است که بسیار تمیزتر و قوی‌تر از آهن خام اولیه است. از این فولاد می‌توان برای ساخت خودرو، ساختمان و بسیاری موارد دیگر استفاده کرد.

فرآیند کوره قوس الکتریکی (EAF)

در فرآیند کوره قوس الکتریکی، آهن قراضه یا آهن احیای مستقیم (آهن اسفنجی) نیز می‌توان استفاده کرد. این روش از نظر مواد اولیه انعطاف پذیری بیشتری ارائه می‌دهد و به ویژه برای بازیافت قراضه فولاد مناسب است.

• ذوب قراضه یا DRI: در یک کوره قوس الکتریکی، ظرف بزرگی داریم که با مواد مقاوم در برابر حرارت پوشانده شده است. این ظرف را با قراضه فولاد، که فقط فولاد قدیمی بازیافت شده است، یا با آهن احیاء مستقیم، که نوع دیگری از مواد آهنی است که به روش خاصی فرآوری شده است، پر می‌کنیم.
• قوس الکتریکی: ما از یک قوس الکتریکی قدرتمند، مانند یک جرقه برقی بسیار داغ، برای گرم کردن و ذوب کردن قراضه فولاد یا DRI داخل کوره استفاده می‌کنیم. این قوس مقدار زیادی گرما تولید می‌کند، بنابراین همه چیز را به مایع مذاب داغ ذوب می‌کند.
• تنظیم ترکیب: با استفاده از فرآیند EAF، می‌توانیم مواد یا آلیاژهای دیگری را نیز به ترکیب اضافه کرده و ترکیب فولاد را تنظیم کنیم. این کار به ما انعطاف‌پذیری بیشتری می‌دهد تا انواع مختلف فولاد را با خواص خاص بسازیم.
• محصول نهایی فولاد: پس از ذوب شدن و مخلوط شدن همه چیز به درستی، فولاد مذابی بای ما باقی می‌ماند که آماده است تا در قالب‌ها ریخته شده و به محصولات مختلف شکل داده شود. این روش برای بازیافت فولاد قدیمی و برای ساخت فولاد با خواص خاص متناسب با کاربردهای مختلف عالی است.

معرفی معادن استخراج آهن در ایران

ایران با داشتن ذخایر قابل توجهی از سنگ آهن در استان‌هایی مانند کرمان، یزد و هرمزگان، یکی از برترین تولیدکنندگان سنگ آهن در جهان به شمار می‌رود. ذخایر سنگ آهن کشور چندین میلیارد تن برآورد می‌شود که ایران را به بازیگری مهم در بازار جهانی آهن تبدیل کرده است. بیایید چند مورد از بزرگ‌ترین معادن استخراج آهن در ایران را مرور کنیم:

معدن گل گهر کرمان

این معدن در شمال شرقی استان کرمان و در نزدیکی شهر سیرجان واقع شده است. گل گهر یکی از بزرگترین معادن سنگ آهن ایران به شمار می‌رود و ذخایر آن به صورت مگنتیت و هماتیت هستند. استخراج سنگ آهن در این معدن به دو روش سطحی و زیرزمینی انجام می‌شود و سالانه بیش از ۱۵ میلیون تن سنگ آهن تولید می‌کند.

معدن چغارت یزد

اولین معدن سنگ آهن ایران، معدن چغارت در استان یزد است. این معدن مواد اولیه ذوب آهن اصفهان را تامین می‌کند و سابقه بهره‌برداری از زمان قاجار دارد. ذخیره این معدن بیش از ۱۷۷ میلیون تن سنگ آهن است.

معدن چادرملو یزد

این معدن در نزدیکی شهر یزد قرار دارد و یکی از بزرگترین ذخایر سنگ آهن ایران و جهان است. ذخیره این معدن حدود ۴۰۰ میلیون تن برآورد شده است. فرآورده‌های این معدن به منابع داخلی و خارجی صادر می‌شود. نسبت سنگ باطله به سنگ‌ آهن در چادرملو ۲ به ۱ است؛ یعنی از هر ۲ تن سنگ استخراج شده ۱ تن سنگ‌ آهن به دست می‌آید.

معدن سنگان خراسان رضوی

این معدن بزرگترین معدن خاورمیانه است و ذخیره بیش از یک میلیارد تن سنگ آهن دارد. سالانه ۲ میلیون تن سنگ آهن از این معدن استخراج و به واحدهای صنعتی صادر می‌شود. این معدن در قرن هشتم و نهم هجری قمری شناخته شده و مورد بهره‌برداری قرار گرفته است.

معدن سه چاهون بافق

این معدن در استان یزد واقع شده و ذخیره آن حدود ۵۰۰ میلیون تن برآورد شده است. سنگ آهن این معدن از نوع رسوبی و دارای عیار بسیار بالا است. بهره‌برداری از این معدن ۱۸ سال سابقه دارد و تاکنون حدود ۱۲۰ متر از آن حفاری شده است. علاوه بر ایران، کشورهای دیگر تولید کننده عمده سنگ آهن عبارتند از: استرالیا، برزیل، چین، هند و روسیه. این کشورها دارای ذخایر وسیعی از سنگ آهن بوده و تأمین‌کنندگانی کلیدی برای صنعت فولاد جهانی هستند.

جدول اطلاعات معادن استخراج آهن در ایران

معدن	موقعیت	ظرفیت تولید (تن در سال)	نوع سنگ آهن	ذخیره (میلیون تن)
گل گهر کرمان	شمال شرقی استان کرمان	بیش از ۱۵ میلیون	مگنتیت و هماتیت	–
چغارت یزد	استان یزد	نامشخص	–	۱۷۷ میلیون
چادرملو یزد	نزدیکی شهر یزد	نامشخص	–	۴۰۰ میلیون
سنگان خراسان رضوی	–	۲ میلیون	–	بیش از ۱ میلیارد
سه چاهون بافق	استان یزد	نامشخص	رسوبی	۵۰۰ میلیون

 

جمع بندی

استخراج آهن فرآیندی پیچیده است که مراحل و تکنیک‌های مختلفی را برای تبدیل سنگ آهن خام به محصولاتی با ارزش مانند چدن و فولاد در بر می‌گیرد. با توجه به افزایش مداوم تقاضا برای فولاد، به ویژه در اقتصادهای در حال توسعه، اهمیت استخراج آهن در تداوم زیرساخت‌های مدرن و توسعه صنعتی را نمی‌توان نادیده گرفت.