تركيبات سنگ آهن

آهن عنصري است با عدد اتمي 26 و وزن اتمي 55.85 نقطه ذوب آن 1535 و نقطه جوش آن 3000 درجه سانتي گراد است. از نظر فراواني ، آهن چهارمين عنصر تشکيل دهنده پوسته جامد زمين بوده و 4.2 درصد پوسته از اين عنصر تشکيل شده است.

معروفترين کاني هاي سنگ آهن، ترکيبات اکسيدي بويژه مگنتيت ( Fe 3o 4 )و هماتيت ( Fe 2 o 3) مي باشند که در رنگ خاکستري تا زرد و قرمز متغير مي باشد. کاني هاي عمومي ديگر مانند گوتيت و ليمونيت و کربناته مانند Feco 3 مي باشند.مهمترين ذخاير سنگ آهن جهان تحت عنوان ( Banded Iron Formation ) شناخته شده اند. ذخاير ماگمايي نيز همچنين مي توانند منبعي براي ذخاير بزرگ مگنتيتي باشند.

سنگ‌هاي آهن از نقطه ‌نظر ساختار و ترکيب شيميايي متفاوت و متنوع هستند. نظر به اينکه کوره‌هاي توليد آهن و فولاد، حداکثر بازده را با ترکيب ثابت مواد اوليه مي‌توانند داشته باشند لذا ضروري است که انواع مختلف سنگ‌هاي آهن تامين شده و نيز مواد جنبي به‌گونه‌اي وارد کوره شوند که خوراک از خواص فيزيکي ـ شيميايي و مکانيکي ثابت برخوردار باشد.

توليد و دانه بندي سنگ آهن يکي از فرآيند‌هاي آماده‌سازي است که طي آن ذرات نرمه کاني آهن با عيار بالا تبديل مي‌شوند. به‌طور کلي هدف از دانه بندي سنگ آهن در صنعت آهن و فولاد در کوره هاي بلند عبارتند از:

ـ استفاده بهينه از سنگ آهن با عيار بالا براي مصرف در کوره‌هاي بلند احيا

ـ تهيه خوراکي مناسب براي ‏کوره‌هاي بلند احيا با خواص فيزيکي، شيميايي، مکانيکي و متالورژيکي مطلوب.

ـ کاهش سرباره‌سازي، افزايش راندمان توليد.

ـ کاهش هزينه‌هاي تصفيه در مراحل بعدي توليد آهن و فولاد (ذوب و تصفيه).

سنگ آهن به دليل گسترش فراوان بايد داراي درصد نسبتا بالايي از فلز باشد تا به عنوان منبع آهن در نظر گرفته شود. به عنوان مثال امروزه ذخايري با عيارکمتر از 25% به عنوان منبع آهن در نظر گرفته نمي شود مگر اينکه گسترش ذخيره در حجم وسيعي بوده و يا از فرآوري ارزان قيمتي برخوردار باشد. بنابراين ارزش سنگ آهن به چهار عامل زير وابسته است :

1- عيار
2- سهولت فرآوري
3- هزينه استخراج
4- حمل سنگ به بازار

سنگ آهني که در مجتمع هاي فولاد سازي و ذوب آهن براي توليد آهن خام و فولاد به کار برده مي شود بايد داراي مشخصات معيني از نظر درصد آهن و ساير عناصر موجود در آن باشد تا بتوان آن را در کوره هاي ذوب مصرف نمود. از اينرو در اکثر موارد براي دستيابي به مشخصات سنگ آهن مورد نياز صنايع فولاد سازي بايد سنگ آهن استخراج شده از معادن را فرآوري نمود. هدف از فرآوري سنگ آهن، افزايش عيار آهن و کاهش عيار عناصر مضر و مزاحم در آن است. علاوه بر عناصر مضر تعدادي از عناصر نيز وجود دارند که اگر مقدار آنها از حد معيني فراتر نرود سبب بهبود کيفيت فولاد و يا بهبود وضعيت توليد آن مي شوند. مهمترين مواد مفيد و مضر موجود در سنگ آهن عبارتند از :

اکسيدتيتانيوم( TIO2 )
تيتانيوم سبب بهبود خواص فولاد مي گردد. البته وجود تيتانيوم در سنگ آهن حالت چسبندگي سرباره را بالا برده و سبب غليظ شدن سرباره مي گردد. به همين دليل درجه قليايي پايين تري در سرباره در نظر گرفته مي شود که اين امر سبب تغيير رژيم کار سرباره در کوره بلند مي شود. مقدار زياد تيتان سبب کاهش خاصيت احياپذيري و در نتيجه کاهش متاليزاسيون مورد نظر مي شود. به علت اينکه اکسيد تيتانيوم مي تواند در جدار قسمت پايين کوره بلند يک طبقه محافظ تشکيل دهد، مقدار معين تقريباً بين 2/0-1/0 درصد اکسيد تيتانيوم در سنگ آهن مفيد است.

اکسيدمنگنز( Mno2 )
منگنز در بيشتر سنگ آهن ها وجود دارد که حدود 80 درصد آن وارد چدن گرديده و بقيه به صورت اکسيد وارد سرباره مي شود. منگنز استحکام، سختي و مقاومت در برابر سائيدگي فولاد را افزايش مي دهد. وجود منگنز باعث سهولت در امر گوگرد زدايي در چدن و کم کردن تأثير منفي گوگرد جهت توليد فولاد مي شود. در نتيجه بررسيهاي اخير آشکار شده است که مقدار منگنز اثر تعيين کننده اي بر فسفر زدايي در کنورتر دارد. در صورتي که مقدار منگنز چدن مذاب 2/0 و مقدار فسفر آن 1/0 درصد باشد مي توان انتظار داشت که مقدار فسفر فولاد به کمتر از 005/0 درصد کاهش يابد.

اکسيدهاي اسيدي سرباره ساز ( Al2O3 , SiO2 )

مقدار اکسيدهاي اسيدي Al2O3 و SiO2 بايد در سنگ آهن کم باشد. در صورت بالا بودن اين اکسيدهاي اسيدي، به مقدار زيادي سنگ آهک يا دولوميت براي خنثي کردن آن احتياج است که اين امر سبب افزايش سرباره، مصرف سوخت و هزينه بهره برداري شده و ظرفيت توليد کوره کاهش مي يابد. از طرف ديگر سنگ آهک و دولوميت مورد استفاده درگندله سازي بايد خيلي نرم باشند که اين هم باعث افزايش هزينه توليد مي شود. بر پايه محاسبات پژوهشگران در سال 1981 ، افزايش هر يک درصد سيليس در بار ورودي کوره بلند، با توجه به لزوم تامين حداقل سرباره با ترکيب شيميايي متعادل مورد نياز، هزينه توليد چدن خام در تن تقريباً 55/1 دلار افزايش مي دهد. اگر هزينه فرآوري براي حذف يک تن سيليس از کانه آهن 9/2 دلار باشد، هزينه حذف يک تن سيليس اضافي در کوره بلند در حدود 95 دلار است. در طي تحقيقات انجام شده مشاهده شده است که وجود سيليس بيش از حد معين در حين احياء با وستيت ترکيباتي مانند فاياليت را مي دهد که موجب تنزل اکتيويته وستيت مي شود و در نتيجه تاثير منفي بر روي قابليت احياء مي گذارد.

از اين رو به ندرت اتفاق مي افتد که سنگ آهن استخراج شده از معدن بلافاصله پس از طي مراحل خردايش و طبقه بندي در محل به سمت کوره هاي ذوب آهن جهت تهيه فولاد ارسال شود. چرا که در اغلب سنگ هاي آهن درگير کاني هاي آهن و باطله شديد بوده و جهت تامين شرايط بار ورودي صنايع فولاد علاوه بر آزاد سازي نياز به جدا سازي عناصر همراه از کاني هاي آهن دار نيز وجود دارد. سنگ آهن دانه بندي شده مهمترين مواد اوليه مورد نياز واحدهاي توليد چدن به روش کوره بلند مي باشد. در فرآيند کوره بلند براي اقتصادي بودن روش توليد سعي مي‏شود که عيار آهن سنگ آهن که براي توليد چدن بکار مي‏رود بيش از 60 درصد باشد.