جایگاه فناوری های نوین برای فرآوری سنگ آهن و تولید فولاد در کشور

آهن یکی از فراوان­ترین عناصر در پوسته زمین بوده و به طور متوسط حدود 2 تا 3 درصد سنگ­های رسوبی و حدود 8 تا 9 درصد سنگ­های بازالت و گابرو از عنصر آهن تشکیل شده است. به طور کلی بیش از 300 کانی حاوی عنصر آهن هستند؛ ولی معمولاً پنج کانی هماتیت (Fe₂O₃)، مگنتیت (Fe₃O₄)، گوتیت (FeOOH)، سیدریت (FeCO₃) و پیریت (FeS₂) به عنوان کانی­های اصلی سنگ آهن شناخته می­شوند. در بین کانسارهای جهان در بیشتر موارد سه کانی اول به ویژه هماتیت از نظر اقتصادی در اولویت استخراج می­باشند.

البته کانی­های دیگری همچون لیمونیت (FeOOH.nH₂O)، ایتابیریت، تاکونیت و غیره نیز ممکن است در برخی کشورها دارای عیار بالایی باشند. حداقل عیار (عیار حد) اقتصادی برای کانسارهای سنگ آهن 25 درصد می­باشد. این در حالی است که با توجه به شرایط اقتصادی کنونی جهان کنسانتره سنگ آهن باید دارای عیاری بیش از 60 درصد است.

به طوری کلی برای فرآوری دو کانی اصلی سنگ آهن به نام­های مگنتیت و هماتیت روش­های متداول زیر استفاده می­شود: (1) برای کانسنگ­های مگنتیتی مراحلی شامل جدایش مغناطیسی با شدت کم و فلوتاسیون برای حذف ترکیبات سولفور و سیلیکات استفاده می­شود؛ (2) برای کانسنگ­های هماتیتی مراحلی شامل سایش به منظور تمیز کردن، نرمه­گری، جدایش ثقلی، جدایش مغناطیسی با شدت بالا و فلوتاسیون برای حذف ترکیبات سیلیکات و رس مورد استفاده قرار می­گیرد.

نمودار مراحل مختلف فرآوری سنگ آهن هماتیتی

در سال 2006 منابع سنگ آهن جهان بیش از 800 میلیارد تن و ذخایر سنگ آهن جهان حدود 180 میلیارد تن تخمین زده شده است. در همین سال حدود 1690 میلیون تن و در سال 2007 حدود 1820 میلیون تن سنگ آهن از معادن سراسر جهان استخراج شده است. ایران با داشتن بیش از 4 میلیارد تن سنگ آهن، از نظر میزان ذخایر سنگ آهن جزء ده کشور اول جهان می­باشد.

در سال 2013 سنگ آهن استخراج شده از معادن سراسر جهان حدود 2950 میلیون تن بوده است که 1320 میلیون تن آن فقط توسط چین تولید شده است. در همین سال حدود 1170 میلیون تن آهن خام تولید شده است.

بیشترین ذخایر هماتیتی سنگ آهن در کشورهای استرالیا، برزیل، هند، آفریقای جنوبی، روسیه، اوکراین، آمریکا و سوئد قرار دارد. البته کشور چین در چند سال اخیر بزرگترین تولیدکننده و مصرف­کننده سنگ آهن در جهان بوده است. به طوری که بیش از 45 درصد سنگ آهن تولید شده در جهان توسط کارخانه­های فولاسازی این کشور مصرف شده است. در سال­های اخیر پس از چین کشورهای ژاپن، کره جنوبی، آلمان و هلند بیشترین حجم واردات سنگ آهن را داشته­اند. در میان کشورهای منطقه نیز عربستان، ترکیه و قطر بیشترین حجم واردات سنگ آهن را به خود اختصاص داده­ اند.

پس از چین کشورهای ژاپن، آمریکا و روسیه در رتبه­های بعدی تولیدکنندگان فولاد می­باشند. بر اساس برنامه­ریزی­های بلند مدت در هند، قرار است تا سال 2020 ظرفیت سالانه تولید فولاد در این کشور به میزان 180 میلیون تن افزایش یابد. در میان کشورهای منطقه نیز ایران پس از ترکیه در جایگاه دوم تولید فولاد قرار دارد و کشورهای عربستان و قطر در رتبه­های بعدی هستند.

علی­رغم کمبود ذخایر سنگ آهن در کشور ترکیه، میزان فولاد تولید شده در این کشور در سال 2010 حدود 30 میلیون تن بوده است، این میزان حدود دو برابر بیشتر از فولاد تولید شده در کشور ما است. در کشور ترکیه به علت استفاده از فناوری­های نوین در بازیابی فلز آهن از آهن قراضه، ارزش افزوده بیشتری کسب می­شود؛ این در حالی است که در کشور ما به علت عدم فرآوری سنگ آهن و فروش آن به صورت خام از یک سو و عدم توازن بین بخش­های مختلف صنعت فولاد مجبور به واردات برخی از مواد اولیه صنایع فولادسازی هستیم.

به طور کلی کانسارهای اصلی سنگ آهن در ایران به چهار گروه تقسیم می­شوند: (1) ایران مرکزی به ویژه منطقه بافق؛ (2) زون سنندج-سیرجان شامل مناطق گل­گهر سیرجان، شمس­آباد اراک و محدوده همدان؛ (3) کانسارهای شرق ایران شامل سنگان، ده­زمان و غیره؛ (4) کانسارهای غرب ایران شامل آهن شهرک، ظفرآباد، آسن­آباد و غیره.

بر اساس نتایج اکتشافات انجام شده تاکنون منابع سنگ آهن کشور حدود 1/5 میلیارد تن و ذخایر قابل استخراج کشور حدود 79/2 میلیارد تن برآورد شده است و هم­اکنون بیش از 156 معدن سنگ آهن با ذخیره قطعی کمتر از 1 میلیون تن تا بیش از 50 میلیون تن  در کشور فعال می­باشد. ولی در مجموع شش معدن چغارت، چادرملو، جلال­آباد، سه­چاهون، گل­گهر سیرجان و سنگان در استان­های یزد، کرمان و خراسان بیشترین نقش را در تولید این ماده معدنی بر عهده دارند.

بر اساس آمار صادرات شش ماهه اول امسال، سنگ آهن با 23 درصد کاهش ارزش و چهار پله تنزل نسبت به دوره مشابه سال گذشته ششمین کالاهای صادراتی غیرنفتی ایران بوده است. ولی متأسفانه در کشور ما یک تعادل مناسب در فرآیند استخراج سنگ آهن تا تولید محصول نهایی وجود ندارد.

به طوری که از یک سو با صادرات مواد خام، ارزش افزوده، اشتغال­زایی و ورود فناوری به کشور کاهش می­یابد و از سوی دیگر برخی از فرآورده­های سنگ آهن از قبیل کنسانتره و گندله با قیمت چند برابر برای تأمین نیاز کارخانه­های فولادسازی وارد می­شود.

به طوری که بر اساس آمار منتشر شده توسط اتاق بازرگانی، صنایع، معادن و کشاورزی تهران در سال 1392 کل ارزش کنسانتره و گندله وارداتی حدود 44 میلیون دلار بوده است که عمدتاً از کشورهای امارات و بحرین وارد شده است. این در حالی است که بر اساس این آمار، در سال جاری کل ارزش کنسانتره و گندله وارداتی تا پایان ماه آبان حدود 185 میلیون دلار بوده است که عمدتاً از کشورهای بحرین، امارات و هند وارد کشور شده است. البته ایران و هند دو کشور مهم در تولید آهن اسفنجی در جهان می­باشند.

الف:  فرآوری سنگ آهن از منظر فناوری

هر کدام از کانی­های سنگ آهن دارای جرم اتمی مشخصی از آهن بوده و میزان درصد وزنی آهن در هر کدام از کانی­ها از میزان مشخصی بیشتر نخواهد شد. به طور کلی برای افزایش بهره­وری باید عیار آهن موجود در سنگ آهن با استفاده از روش­های فرآوری تا حد امکان افزایش یابد. در مورد کانسارهای کم­عیار باید در کارخانه فرآوری میزان آهن محتوی تا حد امکان افزایش و میزان مواد غیرمفید نیز کاهش یابد.

به این عملیات در اصطلاح پرعیارسازی سنگ آهن گفته می­شود. به این ترتیب محصول خروجی کارخانه فرآوری که کنسانتره نامیده می­شود به عنوان محصول ورودی کارخانه ذوب آهن و صنایع فولادسازی ارسال می­شود. با توجه به افزایش میزان تقاضا و به تبع آن قیمت جهانی فولاد از یک سو و کاهش ذخایر پرعیار از سوی دیگر، تحقیقات زیادی در کشورهای مختلف بر روی فناوری­های پیشرفته برای پرعیارسازی ذخایر کم­عیار صورت گرفته است.

پس از استخراج سنگ آهن به منظور افزایش عیار آن و حذف ناخالصی­های موجود، آن را فرآوری می­کنند. به این ترتیب بر اساس نوع ماده معدنی و شرایط زمین­شناسی کانسار، عملیات مختلفی همچون شستشو، جدایش با جیگ، جدایش مغناطیسی، جدایش ثقلی و فلوتاسیون مورد استفاده قرار می­گیرد. از طریق جدایش مغناطیسی و به ویژه جدایش مغناطیسی تر (خیس) تقریباً همه ناخالصی­ها فسفاتی و گوگردی (به غیر از پیروتیت) جدا و حذف می­شوند.

در تحقیقات اخیر در کشورهای آفریقای جنوبی، استرالیا، برزیل و هند با استفاده از روش جدایش با جیگ موفق به پرعیارسازی سنگ آهن کم­عیار شده­اند. بر اساس نتایج این تحقیقات، در هند سنگ آهن حاوی 5/56 درصد آهن با درصد افت یا LOI 1/7 درصد، به میزان 7/63 درصد و با بازدهی 73 درصد پرعیارسازی شده است. در مورد جایش مغناطیسی هم، فناوری جدایش مغناطیسی با شدت بالای مرطوب (WHIMS)، تحت عنوان Gaustec در آلمان، برزیل و هند مورد استفاده قرار گرفته است.

ظرفیت مجاز خوراک ورودی این دستگاه بسته به مدل آن از 3/0 تا 200 تن در ساعت متغیر است. بومی­سازی فناوری ساخت این دستگاه کمک زیادی برای جدایش سیلیکا و آلومینای موجود در سنگ آهن خواهد کرد.

فناوری جدایش مغناطیسی به صورت شماتیک

گندله و کلوخه دو فرآورده اصلی سنگ آهن هستند. گندله ماده اولیه برای تولید آهن اسفنجی به روش­های مختلف همچون احیای مستقیم و کوره بلند است که در واحدهای گندله­سازی تولید می­شود. ماده اولیه برای گندله­سازی باید کاملاً پودر شود و 70 درصد آن از سرند 45 میکرون عبور کند و سطح ویژه آن نیز حدود 2470 متر مربع در هر گرم باشد. گندله تولیدی باید پخته شود تا مقاومت کافی را برای حمل و نقل داشته باشد.

در اثر پخته شدن گندله از مگنتیت به هماتیت تبدیل می­شود. یکی از مباحث تحقیقاتی در این زمینه کنترل ابعاد گندله­ها، یکنواختی خواص فیزیکی-شیمیایی آنها، تخلخل مناسب گندله­ها و افزایش سطح ویژه آنها است که بر سرعت عملیات احیای مستقیم تأثیر مستقیم دارد. گندله مورد نیاز در روش احیای مستقیم بر خلاف روش کوره بلند از نظر درجه قلیایی باید اسیدی باشد.

امروزه تحقیقات گسترده­ای بر روی فناوری­های نوین از جمله بیوتکنولوژی، نانوتکنولوژی و… در مقیاس آزمایشگاهی و نیمه­صنعتی در حال انجام می­باشد. بیوتکنولوژی استفاده از دانش زیست­شناسی در زمینه­های مختلف صنایع و پزشکی می­باشد. نانوتکنولوژی هم جایگزینی یا دستکاری اتم­ها در مقیاس یک میلیاردیم متر (^9-10) می­باشد.

به طور کلی محیط زیست­شناسی از گیاهان و جانوران و ارتباط آنها با پیرامون خود تشکیل شده است. کاربرد بیوتکنولوژی در فرآوری سنگ آهن کم­عیار به گونه­ای مطرح می­شود که از میکروب­های خاص در شرایط معین برای حذف ناخالصی­های موجود در کانی­های آهن­دار استفاده می­شود و به این ترتیب عیار آهن افزایش خواهد یافت.

میکرو-اورگانیسم­های طبیعی ضمن داشتن بار الکتریکی منفی، آب­گریز نیز هستند. به همین علت ابزار مناسبی برای تغلیظ مواد معدنی مشخصی هستند. بیوتکنولوژی کاربرد گسترده­ای در فرآوری مواد معدنی دارد. اولین کاربرد این فناوری در سال 1950 با معرفی روش بیولیچینگ بوده است که در صنعت مس روش مرقون به صرفه­ای می­باشد. پس از آن این فناوری در زمینه­های مختلف فرآوری و متالورژی توسعه یافته است؛ به طوری که امروزه بیوهیدرومتالورژی خود دامنه گسترده­ای دارد.

ناخالصی­های موجود در سنگ آهن عمدتاً شامل آلومینا، سیلیکا، گوگرد و فسفر می­باشد. در حالت ایده­آل عیار آهن در کنسانتره سنگ آهن به حدود 70 درصد خواهد رسید. معمولاً کنسانتره مناسب برای کوره بلند دارای عیار 5/63 درصد و کنسانتره مناسب برای احیای مستقیم دارای عیار 5/66 درصد است. حد مجاز سیلیکا و آلومینا در روش کوره بلند به ترتیب 3 و 2 درصد و در روش احیای مستقیم به ترتیب 5/1 و 1 درصد تعیین شده است. همچنین حد مجاز گوگرد و فسفر حداکثر 5/0 و 08/0 درصد تعیین شده و تجاوز از آن منجر به اعمال جریمه می­شود.

به عنوان نمونه می­توان به حذف عنصر فسفر در سنگ‌آهن اشاره نمود. یکی از فناوری­های نوین در این خصوص حذف فسفر یا سایر عناصر غیرمفید موجود در سنگ آهن و یا حتی فرآوری مجدد سرباره­های کوره بلند است که به کمک بیوتکنولوژی در حال توسعه می­باشد. در این زمینه استفاده از روش­های سوخت­وساز قارچی و باکتری­های انرژی ­زا در مقیاس آزمایشگاهی مورد مطالعه قرار گرفته است.

از آنجا که فسفر موجود در سنگ‌آهن اثرات مخربی بر روی تجهیزات کارخانه فرآوری دارد، بسته به نوع کانسنگ از سه روش (1) هیدرومتالورژی مثل تشویه، (2) روش فیزیکی مثل آزادسازی مکانیکی و فلوتاسیون و (3) روش شیمیایی مثل اسید-شویی و فروشویی قلیایی برای حذف این عنصر استفاده می­شود.

منبع اصلی مقاله: دفتر آموزش، پژوهش و فناوری ایمیدرو