آنالیز کامل سنگ آهن - دقیق شیمی آزما

 آنالیز کامل سنگ آهن

سنگ آهن چیست؟

سنگ آهن (Iron ore) در سنگ های آذرین و رسوبی در محیط های مختلف زمین وجود دارد. بیشتر آن ها رسوبی هستند، ولی بسیاری از آن ها در اثر هوازدگی تغییر کرده اند، تعیین منشا دقیق آن ها دشوار است.

سنگ های رسوبی از واکنش های شیمیایی که ترکیب آهن و اکسیژن موجود که در آب های دریایی و شیرین است، شکل گرفتند. 

دو ماده معدنی مهم در این ذخایر، اکسیدهای آهن هستند: هماتیت (Fe2O3) و مگنتیت  (Fe3O4)

این سنگ معدن های آهن برای تولید تقریبا هر شی iron آهن و فولادی که امروزه ما استفاده می کنیم از گیره های لباسی گرفته تا اتومبیل و تیرهای فولادی در آسمان خراش ها استخراج شده اند.

بیشتر بخوانید: آنالیز شیمیایی ژرمانیوم

ترکیبات موجود در سنگ آهن و انواع آن 

مگنتیت

مگنتیت یا سنگ مگنت، آنالیز سنگ مگنتیت: فرمول شیمیایی Fe3O4 دارد و در حالت خالص ۷۲.۳۶% آهن و 27.64% اکسیژن دارد. رنگ آن از خاکستری تیره تا سیاه تغییر می کند و وزن مخصوص آن بین ۵.۱۶ تا ۵.۱۸ است.

خاصیت مغناطیسی قوی این کانه باعث می شود که بتوان آن را به روش جدا کننده مغناطیسی از مواد باطله جدا کرد ولی با این کار دیگر مینرال ها یا کانه های آهن که خاصیت مغناطیسی ندارند(از جمله هماتیت) همراه مواد باطله خارج می شوند.

مگنتیت دارای شبکه کریستالی مکعبی و به صورت اسپینل معکوس با آهن دو و سه ظرفیتی است.

هماتیت

فرمول شیمیایی  Fe2O3 دارد و در حالت خالص ۶۹.۹۴ درصد آهن و ۳۰.۰۶ درصد اکسیژن دارد و رنگ آن ممکن است از خاکستری به قرمز تیره یا قرمز روشن تغییر کند. و به صورت کلوخه ای و خاکی یا کمپاکت و کریستالی موجود باشد.

نوع بسیار خالص این کانه که به صورت خاکی و قرمز رنگ است و گل اخرا نام دارد در جزیره هرمز ایران وجود دارد. سنگ معدن هماتیت معمولا دارای درجه خلوص بالا (۵۰ تا ۶۸ درصد آهن) بوده و همراه با مواد باطله سیلیسی است.

احیا پذیری این سنگ معدن بر خلاف مگنتیت بسیار خوب است. این کانه حاوی مقدار کمی فسفر است.

هماتیت در دمای ۱۴۵۷ درجه سانتی گراد و فشار اکسیژن یک اتمسفر به مگنتیت و آهن تجزیه می شود. چون فشار تجزیه اکسیژن برای هماتیت زیاد است و به آسانی در دماهای بالا، حتی در محیط های احیایی ضعیف، به مگنتیت تبدیل می شود.

زئولیت

ساختار کلی زئولیت ها چهار ضلعی است و سطح آن ها سرشار از بار بوده و به همین خاطر تبادل یونی در آن ها با سرعت بالا صورت می گیرد.

خاصیت کاتالیزوری و جذب سطحی و تبادل یونی آن موجب می شود تا کاربردهای زیادی داشته باشد. به طور مثال، این کانی در بسیاری از واکنش های شیمیایی به عنوان کاتالیزور و شتاب دهنده عمل می کند.

متخلخل بودن سطح آن موجب می شود تا قدرت جذب بالایی داشته و به همین خاطر مواد آلی فرار در هوا را به آسانی جذب می کنند.

بیشتر بخوانید: آنالیز شیمیایی بیسموت

کاربردهای زئولیت‌ها:

• مصالح ساختمانی

• ساخت سیمان ‌های پوزولانی و بتن

• پرکننده کاغذ

• پرورش آبزیان

• جاذب رطوبت

• کاهش ‌دهنده شوری آب و خاک در کشاورزی

• شوینده ‌ها

• تصفیه و پالایش آب

لیمونیت

فرمول آن ها را می توان به صورت Fe2O3.nH2O نوشت. مقدار آب تبلور در لیمونیت ها بیشتر از گوتیت بوده و به صورت معمول کانی حاوی ۱۲ تا ۱۵ درصد آب تبلور می باشد.

رنگ لیمونیت ها نسبت به گوتیت روشن تر بوده و به رنگ زرد تا قوه ای روشن در طبیعت دیده می شوند. وزن مخصوص لیمونیت ۲.۷ تا ۴.۳ گرم بر سانتی متر مکعب است. سختی این کانی ها کاملا متغیر بوده و از ۱ تا ۴ در مقیاس موس تغییر می کند.

لیمونیت ها انواع مختلفی دارند و اختلاف آن ها در مقدار آب تبلور و سختی آن ها است و به نام های مختلفی در نقاط مختلف نامگذاری شده اند.

در فرانسه این کانی ها مینت نامیده می شوند. لیمونیت ها در اثر حرارت بی آب شده و ذرات کاملا متخلخل با خاصیت احیا پذیری بسیار عالی را تشکیل می دهند و به همین خاطر سنگ های معدنی با عیار نسبتا کم اما لیمونیتی در صنعت متالورژی آهن مورد مصرف فراوان دارند.

بیشتر معادن اروپای غربی لیمونیتی بوده و سنگ های معدنی آن با عیار حدود ۴۰ درصد می باشند. در بعضی نقاط دنیا منابع بزرگی از این کانه وجود دارد که از اهمیت زیادی برخودار است مثل لورن فرانسه که در آن لیمونیت با مقدار زیادی فسفر همراه است.

سیدریت

سیدریت با فرمول شیمیایی FeCO3 از مجموعه کانی ها ست و از کلمه یونانی Sideros یعنی آهن اخذ شده‌است. و به صورت کربنات آهن است و گاهی اوقات در صنعت برای کاربرد آن باید قبلا آن را تکلیس کرد.

اشکال مختلف سنگ آهن

سنگ آهن (Iron ore) به اشکال مختلفی در بازار عرضه می‌ شود تا تمام صنایع بتوانند مطابق با نیاز خود این ماده معدنی را تهیه کرده و مورد استفاده قرار دهند.

سنگ ‌آهن دانه‌ بندی شده یکی از انواع سنگ آهن است که به خاطر خاصیت احیا پذیری کم در سال‌ های اخیر استفاده از آن کاهش یافته است.

متداول ‌ترین روش استفاده از سنگ آهن، به حالت کلوخه است. به صورت کلی در هر سال معادل ۷۰۰ میلیون تن کلوخه تولید می‌ شود و از آن در صنایع تولید آهن و فولاد استفاده می شود.

بیشتر بخوانید: انواع و روش های آنالیز مواد معدنی

فرآیند فرآوری و استخراج سنگ آهن

اولین مرحله استخراج سنگ آهن (Iron ore) خردایش آن است. خردایش به صورت مکانیکی و در چند مرحله انجام می شود تا سنگ آهن ریز شود.

پس از خردایش نوبت تغلیظ است. این مرحله به کمک فرایند فلوتاسیون در محفظه های مخصوصی انجام می شود، سنگ آهن خرد شده و آب به صورت پیوسته وارد محفظه می شود. در این محفظه ها مهم ترین ناخالصی سنگ آهن یعنی سیلیکا گرفته می شود.

تولید پودر سنگ آهن تخلیص شده که ذرات بسیار ریزی دارد. بعد از فرآوری به اشکال مختلفی از جمله دانه بندی شده، گندله و کنسانتره تبدیل می شود و مصرف کنندگان با توجه به نیاز خود، این محصول را تهیه می کنند.

بزرگترین تولید کننده های سنگ آهن در جهان 

بزرگترین تولید کننده های سنگ آهن در جهان در سال ۲۰۲۰ به ترتیب استرالیا، برزیل، چین، هند، روسیه، اوکراین، آفریقای جنوبی، کانادا، ایران و آمریکا هستند.

استرالیا بزرگترین تامین کننده سنگ آهن در جهان است که ۳۹٪ از عرضه جهانی آن در سال ۲۰۲۰ و بعد از آن برزیل (۱۷٪) است.

چین (۱۲٪) ، هند (۸٪) و فدراسیون روسیه (۵٪) عمده ترین تامین کنندگان سنگ آهن جهانی هستند، ولی بیشتر سنگ آهن خود را برای تولید فولاد داخلی حفظ می کنند.

کاربردها

1)98درصد استفاده اولیه از سنگ آهن درساخت فولاد است و ۲ درصد باقیمانده در دیگر موارد

2) ماده اولیه صنایع فولادی است که به صورت سنگ آهن دانه بندی شده و کنسانتره و گندله است

3)آهن پودری برای انواع خاصی از فولادها ، آهن ربا ، قطعات خودرو و کاتالیزورها

4)آهن رادیواکتیو (آهن ۵۹) برای دارو و به عنوان یک عنصر ردیاب در تحقیقات بیوشیمیایی و متالورژی

5)رنگدانه های اکسید آهن در رنگ ها، جوهر چاپ، پلاستیک، مواد آرایشی (به طور مثال سایه چشم)، رنگ های هنرمند، آبی لباسشویی، رنگرزی کاغذ، کود، مینای دندان پخته شده در وسایل نقلیه و لوازم خانگی و اتمام های صنعتی

6)اکسید آهن سیاه به عنوان یک رنگدانه در ترکیبات پرداخت، متالورژی، دارو، جوهرهای مغناطیسی و فریت ها برای صنعت الکترونیک

7)مصرف سنگ آهن در بتن

8)استفاده در تولید سیمان

9)استفاده در گل حفاری

بیشتر بخوانید: بررسی آنالیز ICPOES و کاربردهای آن

کانه آهن و ارتباط آن با فلز آهن

با توجه به نیاز مردم صنایع مصرف کننده آهن به کنسانتره ای با کیفیت مطلوب و کاهش ذخایر پرعیار معدنی با ترکیب های کانه شناختی پیچیده، ارزیابی و بررسی علمی و دقیق شیوه های پرعیارسازی آهن در کشور ضروری به نظر می رسد. فرآوری ذخایر پلاسری آهن علیرغم عیار پایین آن ها از فعالیت های حائز اهمیت در تولید کنسانتره های آهن می باشد.

در این ذخائر عموما، عیار پایین (کمتر از 20% آهن)، دانه بندی محدود (ریزتر ازmm200 ) و ناخالصی ها جز تیتانیوم، در حد مجاز است. جهت دستیابی به بالاترین بازیابی و عیار هدف (بیش از 60%  آهن) برای تولید کنسانتره قابل باردهی به گندله سازی، رفتارسنجی نمونه در پرعیارسازی ثقلی و مغناطیسی مورد بررسی قرار گرفت. آنالیز کامل کمی و کیفی نشان داد که کانی غالب آهن دار، مگنتیت و به میزان کمتر هماتیت و گوتیت می باشند و عیار آهن کل نمونه 4/8 درصد است.

درصد عناصر مضر مثل فسفر و گوگرد ناچیز بوده و از این جهت دارای مزیت کیفی است ولی درصد عنصر تیتانیوم بالاتر از حد مجاز (حدود 1 درصد در بار اولیه) می باشد که با توجه به مطالعات کانی شناسی و درگیر بودن آن در کانی مگنتیت، بعد از پرعیار سازی آهن، بررسی روش جداسازی فیزیکی اکسید تیتانیوم مورد نیاز خواهد بود.

بیشتر بخوانید: آنالیز شیمیایی به روش F-AAS

کانه های آهن

از مهم ترین کانی های آهن، اکسیدهای آهن هستند، دیگر کانی های آهن قبل از احیا باید به صورت اکسید درآیند، شناخت مختصری از ساختمان اکسیدهای آهن ضروری است. سه نوع اکسید آهن به نام های هماتیت،مگنتیت و وستیت، شناسایی شده است. 

آهن

آهن در طبیعت به شکل های ترکیبی مثل اکسید، سولفور یا سولفید، کربنات، سیلیکات و ... یافت می شود و عملا تمامی سنگ های پوسته زمین به استثنای بعضی سنگ های آهکی حاوی مقداری آهن در ترکیب خود می باشند. مقدار کمی آهن در آب دریاها وجود دارد. کانی های آهن دار در طبیعت فراوان بوده و تعداد آن ها بالغ بر 300 می باشد که بیشتر آن ها از نظر استخراج متالورژی آهن به علت عیار کم آهن در آن ها یا همراه بودن با کانی های عناصر نامطلوب که تصفیه و جداسازی آن ها مشکل یا غیر ممکن است، غیر قابل کاربرد بوده و تنها تعداد معدودی از آن ها که به طور کلی اکسیدهای آهن هستند، برای این منظور اهمیت عملی دارند.

کانی شناسی

کانی شناسی در کاربرد سنگ های معدن آهن اهمیت فراوانی دارد. بسیاری از کانی ها که ممکن است عیار بالایی از آهن داشته باشند اما به خاطر نوع ترکیب کانی به عنوان ماده اولیه آهن و فولاد قابل استفاده نیستند. مثلا فایالیت (SiO2.2FeO) با وجود آنکه از آهن نسبتا غنی می باشد (عیار حدود 55 درصد) اما به خاطر ترکیب سیلیکاته آن که عملا در روش های تولید آهن و فولاد غیر قابل احیا می باشند، در متالورژی آهن قابل کاربرد نیست. در بین انواع کانی های آهن دار تعداد محدودی از آن ها از نظر متالورژی آهن مهم و قابل مصرف می باشند.

مهم ترین آن ها کانی های اکسیدی و سیدریت است. بعضی از  کانی های اکسیدی به خاطر خاصیت احیا پذیری کم (مگنتیت) به صورت مستقیم کاربرد ندارند و باید مورد عملیات کلوخه سازی یا گندله سازی قرار گیرند تا شکل کانی شناسی آن در جریان این عملیات تغییر یابد و به کاربرده شوند. در بعضی از کانی ها مثل کانی های آرسنیک دار وجود عناصری که می توانند نقش مهمی در آلودگی محیط زیست داشته باشند، مانع از کاربرد آن ها می شود.

کانه های آبدار آهن

اکسیدهای آبدار یا هماتیت قهوه ای با فرمول Fe2O3.nH2O، منابع قابل توجهی از آهن را در دنیا تشکیل می دهند. اکسیدهای آبدار آهن رنگ زرد تا قهوه ای دارند و ممکن است خاکی شکل یا فشرده باشند. این کانه ها از دسته مینرال های ثانویه آهن می باشند که عمدتا بر اثر هوازدگی تشکیل شده و همراه با سایر اکسیدهای آهن در سنگ های رسوبی وجود دارند. از این گروه گوتیت و لیمونیت را می توان نام برد (گاهی لیمونیت به کلیه اکسیدهای آبدار آهن اتلاق می شود.)

کانه های کربناتی آهن

کربنات آهن سیدریت دارای 48.2 درصد آهن، 37.99 درصد دی اکسید کربن و 14.81 درصد اکسیژن است. وزن مخصوص آن حدود 3.88 – 3.83 گرم بر سانتی متر مکعب و رنگ آن سفید، سبز، خاکستری و یا قهوه ای است. سنگ معدن سیدریت مقادیر متنوعی ترکیبات کلسیم، منیزیم و منگنز دارد که این مواد بر ارزش آن می افزاید.

منابع مهمی از این سنگ معدن در اتریش، فرانسه و اسپانیا وجود دارد. کانه های کربناتی آهن را معمولا قبل از مصرف در کوره بلند، در معدن تکلیس می کنند تا گاز دی اکسید کربن آن حذف شود و ضمن کاهش وزن و کم شدن مخارج حمل و نقل، احیا پذیری آن به خاطر ایجاد تخلخل افزایش یابد. این کانه معمولا به اندازه کافی با خود آهک و ترکیبات منیزیم و در نتیجه یک محصول خودگداز را پس از تکلیس به وجود می آورد.

کانه های سیلیکاتی آهن

گرچه تعداد زیادی از کانی های سیلیکاتی حاوی آهن می باشند ولی تعداد بسیار کمی از آن ها به عنوان کانه آهن شناخته می شوند. سیلیکات های آهن دار دارای وزن مخصوص بیش از 2.8 گرم بر سانتی متر مکعب هستند و رنگ آن ها از خاکستری تا سیاه متغیر است. مهم ترین کانی های سیلیکات آهن عبارتند از: شاموزیت، گینالیت و کلریت که ترکیب پیچیده ای از منیزیم، آلومینیوم، سیلیس و آهن می باشند و به رنگ سبز مایل به زرد مشاهده شده اند که عمدتا بر اثر هوازدگی تشکیل شده و همراه با سایر اکسیدهای آهن در سنگ های رسوبی وجود دارند.

بیشتر بخوانید: آنالیز نقره و آنالیز اسپکتروسکوپی جذب اتمی

عوامل موثر بر قیمت سنگ آهن 

قیمت جهانی سنگ آهن بر اساس میزان عرضه و تقاضای آن تعیین می شود.

پارامترهای متعددی همچون قیمت فولاد، شاخص تولید ناخالص داخلی، قیمت نفت خام، قیمت آلومینیوم، قیمت طلا، نرخ بهره، نرخ تورم، ارزش دلار، ارزش سهام و میزان تولید آهن و فولاد بر قیمت جهانی سنگ آهن موثر هستند.

پارامترهای تولید ناخالص داخلی چین، قیمت طلا و قیمت نفت به ترتیب بیشترین تاثیر و پارامترهای نرخ بهره، نرخ تورم و ارزش دلار به ترتیب کمترین تاثیر را در بین پارامترهای ورودی بر قیمت جهانی سنگ آهن دارند.

قیمت سنگ آهن در ایران به سه عامل اصلی یعنی قیمت جهانی سنگ آهن، مجموع هزینه های سالیانه واحد تولیدی و ظرفیت تولید، و وضعیت عرضه و تقاضا بستگی دارد.