روش های فرآوری سنگ آهن

مقدمه :
صنعت ذوب آهن و فولاد پیوسته خواهان مواد اولیه و به خصوص سنگ آهن با کیفیت بهتر می باشد. از آنجایی که اغلب سنگ های معدنی استخراج شده شرایط مورد نیاز صنعت را برآورده نمی کنند، لذا فرآوری سنگ های آهن اهمیت فراوان داشته و به طور پیوسته مورد بررسی و تحقیق به منظور توسعه و پیشرفت تکنولوژی مربوط به آن قرار دارد که اثر بسیاری در کاهش هزینه ی ذوب و تصفیه و هزینه ی مصرف انرژی در کل تولید دارد. همچنین با انجام عملیات فرآوری، می توان بعضی از روش های حرارتی را حذف و یا شدت آلایندگی آن را کاهش داد. مجموعه ی این اهداف باعث شده است که امروزه فرآوری در صنایع معدنی و متالوژی آهن از اهمیت فراوانی برخوردار بوده و در بسیاری از موارد نیز کاربرد آن شرط اصلی برای انجام پذیری و اقتصادی بودن روش صنعتی باشد. شایان ذکر است که دامنه ی فرآوری و مراحل آن بستگی به سنگ معدن و پیچیدگی آن دارد. پیچیدگی سنگ می تواند ناشی از عوامل متعددی همچون پیچیدگی ترکیب کانی شناسی، دانه بندی کانسنگ و پیچیدگی ناشی از هوازدگی باشد.

سنگ های استخراج شده طبیعی بدون خردایش قابل مصرف برای تولید آهن و فولاد نبوده و از طرف دیگر کاربرد کلوخه و گندله در کارآیی روش های تولید آهن و فولاد عملا غیر قابل اجتناب است و تولید این دو محصول واسطه نیز مستلزم خردایش سنگ معدن می باشد. لذا اولین قدم، آزادسازی ذرات آهن دار از ذرات باطله ی سنگ آهن است که در این راستا شکستن و خرد کردن کانسنگ های آهن یکی از مهم ترین عملیات فرآوری را تشکیل می دهد. مراحل بعدی، جدایش کانی های مفید آهن از کانیهای مضر است که غالب روش های جداسازی، بر پایه ی خصوصیات فیزیکی کانی های مزبور بنا شده است.

    روش های فرآوری کانسنگ آهن: 
به طور کلی هر کارگاه فرآوری کانسنگ آهن شامل سه مرحله ی مجزا از یکدیگر زیر می باشد:
1-سنگ شکنی و خردایش
2-پرعیار کردن
3-جداسازی مایع از جامد
در هر یک از این مراحل، روش های متفاوتی را می توان به کار برد که در ادامه به طور مختصر مورد بررسی قرار می گیرد.
   سنگ شکنی و خردایش سنگ آهن: 
سنگ شکنی و خردایش با هدف رساندن ابعاد بار به حد مطلوب و مورد نیاز برای عملیات بعدی، اولین قسمت از کارگاه فرآوری و بیش از نیمی از هزینه ی فرآوری و بیش از 70 درصد انرژی مصرفی در کارگاه را به خود اختصاص می دهد، لذا بررسی و کاربرد روش هایی که بتوانند در کاهش مصرف انرژی و هزینه اثر بگذارند، می تواند در اقتصاد کارگاه نقش مهمی را ایفا نماید. یکی از مهم ترین اهداف خردایش، آزادسازی کانی های باارزش از مواد باطله ی همراه در درشت ترین ابعاد ممکن است. بنابراین با کاهش میزان خردایش، مصرف انرژی، میزان نرمه و هزینه های جدایش کمتر و فرآیند نیز ساده تر می شود. در حقیقت تولید یک محصول پرعیار ( پرعیارسازی کانسنگ های اکسیدی آهن ) ویا یک محصول آرایش ویا پیرایش یافته ( پیرایش کائولن با حذف ناخالصی های آهن ) در گروی مطالعه ی دقیق تعیین درجه ی آزادی است.

           

در مورد خردایش کانسنگ های آهن، فرآیند های متفاوتی وجود دارد که که می توان به سیستم فکی و یا ژیراتوری برای تولید موادی با ابعاد درشت، ژیراتوری ثانویه و مخروطی برای تولید موادی با ابعاد متوسط و آسیاهای میله ای و گلوله ای – قلوه سنگی برای موادی با ابعاد بسیار ریز اشاره کرد. فرآیند خردایش بیشتر در کارگاه های فرآوری سنگ آهن و در آسیاهای خودشکن و نیمه خودشکن به جای آسیاهای کلاسیک ( میله ای – گلوله ای ) انجام می شود که این عمل ضمن صرفه جویی در فضا، نیروی کار، هزینه و تجهیزات اضافی، ساییدگی آهن را نیز به دنبال ندارد. شایان ذکر است که در معدن آهن چادرملو، کانسنگ استخراج شده قبل از ورود به کارخانه ی کانه آرایی مربوطه وارد یک سنگ شکن از نوع ژیراتوری می شود. سنگ های استخراجی پس از سنگ شکنی مرحله ی اول مستقیما وارد آسیای خردشکن شده و دانه های درشت ضمن آنکه خود خرد می شوند بقیه ی ذرات را نیز خرد می کنند. این آسیاها دارای ضریب خردایش بسیار بالا بوده و با پذیرش سنگ های بزرگ ( حدود 300 تا 500 میلی متر ) محصولی با ابعاد حدود 1 میلی متر تولید می کنند. آمار موجود نشان دهنده ی این مطلب است که یک آسیای خودشکن کار یک تا دو مرحله سنگ شکنی ( سنگ شکن های مرحله ی دوم وسوم ) و حداقل یک آسیای میله ای و حتی قسمتی از کار یک آسیای گلوله ای را تماما انجام می دهد و از این طریق می توان حداقل حدود 20 درصد از هزینه ی سرمایه گذاری کاهش داد. بدین ترتیب، وجود آسیای خودشکن باعث صرفه جویی 15 تا 20 درصدی در هزینه ی جاری خردایش می شود.

در آسیاهای نیمه خودشکن، قسمتی از بار مورد خردایش را گلوله های فولادی تشکیل می دهند. مقدار گلوله ی اضافه شده به آسیای نیمه خود شکن تا حدود 10 درصد حجم آسیا می باشد ( این مقدار در آسیای گلوله ای حدود 20 تا 25 درصد حجم آسیا می باشد ). در این آسیاها نسبت قطر به طول آسیا در حدود 2 تا 5 بوده و بزرگ ترین آسیای موجود از این نوع دارای قطری حدود 16 متر و قدرتی معادل با 11250 کیلووات می باشد. شایان ذکر است که این نسبت در مواردی که عملیات آسیا کنی به صورت خشک است، در جهت کاهش مشکلات مربوط به خروج مواد، معمولا بیشتر بوده و حتی به 5 نیز می رسد. سرعت دورانی این آسیاها تا 85 درصد سرعت بحرانی بوده و بدین ترتیب با توجه به اینکه ماکزیمم ضربه توسط بار خرد کننده به بار در سرعت دورانی حدود 84 درصد سرعت بحرانی وارد می شود، ملاحظه می گردد که عامل اصلی خردایش در این آسیاها ضربه می باشد. از طرف دیگر توسط ضربه ذرات نسبتا درشت را می توان خرد کرد و اثر ضربه خردایش نرم ناچیز خواهد بود، لذا از این آسیاها نمی توان انتظار خردایش نرم را داشت. لازم به ذکر است که نسبت طول به قطر در آسیای نیمه خود شکن خطوط تولید کارخانه ی کانه آرایی چادرملو در حدود 425/2 می باشد.

    

با توجه به اینکه مقدار بیشتری از محصول کانه آرایی و خردایش سنگ آهن به منظور تولید گندله به کار برده می شود و در نتیجه محصول خروجی از آسیای خودشکن یا نیمه خودشکن درشت تر از حدمطلوب برای گندله سازی ( حدود 40 تا 50 میکرون ) است. همچنین خردایش نرم در آسیاهای مذکور، به دلیل نیاز به تقویت عمل فرسایش آسیا در جهت خردایش بیشتر، مقرون به صرفه نمی باشد لذا برای خردایش بیشتر، محصول خروجی آسیای خودشکن وارد آسیای گلوله ای ( با گلوله های نسبتا کوچک ) می شود. لازم به ذکراست که در کارخانه‌ی کانه آرایی آهن معدن چادرملو، خروجی آسیای نیمه خودشکن، بعد از یک مرحله جداسازی مغناطیسی شدت پایین در مورد کانسنگ مگنتیتی و چند مرحله‌ی جداسازی مغناطیسی شدت پایین و سپس یک مرحله‌ی جداسازی مغناطیسی شدت بالا در مورد کانسنگ هماتیتی، وارد آسیای گلوله ای مدارهای مربوطه می گردد.

بیشتر کانسنگ‌های آهن ایران که مورد مصرف واحدهای تولید فولاد قرار می گیرند، مگنتیتی می‌باشند لذا کاربرد آسیاهای گلوله‌ای به منظور خردایش نرم با پوشش داخلی مغناطیسی می تواند راه حل جالبی برای خردایش پیشرفته باشد. لازم به ذکر است که معمولا بین پوشش فولادی خارجی آسیا و آسترلاستیکی، یک لایه‌ی مغناطیس دائمی وجود دارد و در حجم آسترلاستیکی نیز مغناطیس های دائمی به طور یکنواخت پخش شده اند. این امر باعث می‌شود که آسترلاستیکی به جدار چسبیده و بدین ترتیب نصب آستر نیاز به پیچ و مهره نخواهد داشت، از طرف دیگر وجود مغناطیس در پوشش داخلی آسیا باعث جذب ذرات نرم مغناطیسی ( سنگ آهن مگنتیتی ) در روی پوشش شده و آن را از خورندگی و فرسایش محافظت می کند و بدین ترتیب لایه‌ی محافظ که در روی آستر تشکیل می شود عامل مهمی در طول عمر پوشش داخلی خواهد بود. کاربرد آستر مغناطیسی باعث کاهش ضخامت آستر و وزن آسیا می شود و بدین ترتیب حجم مفید آسیا افزایش یافته و مصرف انرژی آن نیز نسبت به واحد وزن محصول تولیدی، کاهش می یابد. این نوع پوشش‌ها در آسیاهایی که برای خردایش نرم به کار گرفته می شوند و ابعاد گلوله های آنها نیز نسبتا کوچک است می تواند به خوبی جانشین سایر انواع پوشش داخلی آسیاها شود و شرط کاربرد آن، وجود خاصیت مغناطیسی در بار خرد شونده می باشد که سنگ های آهن مگنتیتی مثال خوبی می تواند برای این امر باشد.

    

پرعیار کردن در مورد سنگ های معدنی کم عیار انجام می گیرد. هدف اصلی این عملیات، کاهش مقدار باطله‌ی سنگ آهن، افزایش عیار آهن در محصول و حذف ناخالصی های نامطلوب می باشد. این عملیات شامل روش های مختلفی است که بر اساس خواص فیزیکی، فیزیکوشیمیایی و یا شیمیایی پایه گذاری شده است. مهم ترین این عملیات عبارتند از:
1-روش های فیزیکی که بر اساس اختلاف وزن مخصوص کانی با باطله ی سنگ معدن قرار دارد.
2-روش های مغناطیسی که بر اساس خاصیت مغناطیسی کانی های آهن دار به کار می روند.
3-روش های فیزیکی- شیمیایی که بر اساس خواص سطحی کانی های آهن دار قرار دارد.
4-روش های شیمیایی که بر اساس خواص شیمیایی کانی های آهن دار قرار دارد.