در این مطلب آموزشی اندیشکده پیشران، قصد داریم به توضیح راجع به روش های فرآوری سنگ آهن بپرداریم. سنگ آهن، مهم‌ترین خوراک ورودی در صنعت فولاد محسوب می‌شود. پس از استخراج سنگ آهن از معادن و خردایش آن، نوبت به تصمیم‌گیری راجع به مرحله بعدی در فرآیند تبدیل سنگ آهن به فولاد می‌رسد. این مرحله به فلز محتوای ماده (عیار آهن در سنگ معدنی) بستگی دارد. معمولا اگر عیار یا اصطلاحا غلظت آهن در سنگ معدنی از ۶۵ درصد بیشتر باشد، مرحله بعدی، استفاده از روش‌های کوره بلند یا احیای مستقیم خواهد بود. در صورت پایین‌تر بودن غلظت آهن از ۶۵ درصد، سنگ خردشده وارد فرآیند تغلیظ یا فرآوری می‌شود. فرآوری سنگ آهن معمولا به یکی از روش‌های ثقلی، مغناطیسی یا فلوتاسیون انجام می‌گیرد. در این مقاله آموزشی پیشران، قصد داریم راجع به روش های فرآوری سنگ آهن صحبت کنیم.

کنسانتره در فرآیند تغلیظ یا فرآوری سنگ آهن چیست؟

پس از خردایش سنگ آهن، نوبت به فرآیند تغلیظ یا فرآوری می‌رسد که در آن، با حذف ناخالصی‌ها (گانگ)، خلوص آهن در سنگ آهن افزایش می‌یابد. در این فرآیند، سنگ آهن با غلظت پایین (کمتر از ۶۵ درصد)، به عنوان ورودی کارخانه فرآوری مورد استفاده قرار می‌گیرد. خروجی واحد فرآوری، پودری با خلوص بالا است که به آن کنستانتره می‌گویند.

اندازه آزادی سنگ آهن چیست؟

برای فرآیند تغلیظ، سنگ آهن باید در مرحله‌ خردایش تا اندازه‌ی آزادی خرد شود. اندازه آزادی به معنای اندازه‌ای است که در آن، کانی‌های باارزش آهن (مثل مگنتیت یا هماتیت) از کانی‌های بی‌ارزش (گانگ) جدا می‌شوند. این اندازه یک عدد ثابت نیست و برای هر معدن و هر کانسنگ می‌تواند متفاوت باشد.

هدف از خردایش سنگ آهن، آزاد کردن کانی‌های باارزش از مواد باطله است تا بتوان آن‌ها را به روش‌های مختلف از هم جدا کرد. اگر خردایش بیش از اندازه انجام شود، مصرف انرژی و میزان ذرات خیلی ریز بالا می‌رود و بازیابی مواد معدنی را سخت می‌کند. اگر هم خردایش کم باشد، کانی‌ها به طور کامل آزاد نمی‌شوند و جدایش به خوبی صورت نمی‌گیرد.

انواع فرآیندهای تغلظ سنگ آهن چیست؟

به طور کلی، ۳ نوع فرآیند تغلیظ در صنعت آهن با نام‌های جدایش ثقلی، جدایش مغناطیسی و فلوتاسیون وجود دارد. در بخش‌های بعدی، راجع به هر یک از فرآیندها صحبت خواهیم کرد.

۱. فرآوری سنگ آهن به روش جدایش ثقلی

فرآوری سنگ آهن به روش جدایش ثقلی (Gravity Separation) یکی از روش‌های اصلی تغلیظ سنگ‌های معدنی است که بر اساس تفاوت وزن مخصوص کانی‌های باارزش (سنگین) و کانی‌های بی‌ارزش (سبک) انجام می‌شود. در این فرایند، ذرات خردشده سنگ آهن در یک جریان سیال (معمولا آب) قرار می‌گیرد تا کانی‌های سنگین و سبک از یکدیگر جدا شوند.

مبنای کار جدایش ثقلی

اساس کار جدایش ثقلی بر این اصل استوار است که کانی‌های با چگالی بالا (مانند هماتیت و مگنتیت با چگالی تقریبی ۵) سریع‌تر از کانی‌های با چگالی پایین (مانند کوارتز با چگالی تقریبی ۲/۶۵) در یک محیط سیال ته‌نشین می‌شوند. این تفاوت در سرعت ته‌نشینی باعث می‌شود که بتوان آن‌ها را از هم جدا کرد.

تجهیزات و مراحل جدایش ثقلی

جدایش ثقلی معمولا برای فرآوری سنگ آهن‌هایی با عیار کم و به‌ویژه کانی‌های هماتیت که خاصیت مغناطیسی ضعیفی دارند، به کار می‌رود. در این روش فرآوری سنگ آهن، ماده معدنی پس از خردایش و آسیاب، به سمت یکی از تجهیزات جداسازی زیر منتقل می‌شود:

• مارپیچ‌های جدایش (Spiral Concentrators): این دستگاه‌ها به شکل مارپیچ هستند. دوغاب (مخلوط آب و سنگ‌آهن) از بالای مارپیچ وارد می‌شود و کانی‌های سنگین به دلیل نیروی گریز از مرکز در قسمت داخلی مارپیچ حرکت کرده و در نهایت جدا می‌شوند. کانی‌های سبک‌تر نیز توسط جریان آب به قسمت بیرونی می‌روند و به عنوان باطله خارج می‌شوند.
• میز لرزان (Shaking Table): این دستگاه شامل یک سطح شیب‌دار است که با لرزش‌های متناوب، ذرات را به حرکت درمی‌آورد. دوغاب سنگ آهن از یک سمت وارد می‌شود و جریان آب از بالای میز حرکت می‌کند. با لرزش میز، ذرات سنگین در شیارهای میز گیر کرده و به سمت انتهای میز حرکت می‌کنند. در همین حال، جریان آب، ذرات سبک را با خود می‌شوید و از سمت دیگر خارج می‌کند.
• جیگ (Jig): در دستگاه‌های جیگ، جدایش بر اساس حرکت‌های عمودی و متناوب یک بستر سیال (معمولا آب) صورت می‌گیرد. این حرکت باعث می‌شود که ذرات سنگین به سمت پایین بستر بروند و ذرات سبک به سمت بالا حرکت کنند.

مزایا و معایب فرآوری سنگ آهن به روش جدایش ثقلی

از مزایای فرآوری به روش جدایش ثقلی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• هزینه سرمایه‌گذاری و عملیاتی پایین
• دوستدار محیط زیست (زیرا عمدتا از آب استفاده می‌کند و نیازی به مواد شیمیایی ندارد)
• کارایی بالا در جدایش کانی‌هایی با چگالی‌های متفاوت

معایب فرآوری به روش جدایش ثقلی عبارت هستند از:

• بازدهی کمتر برای ذرات بسیار ریز (نرمه‌ها) که باعث افزایش غلظت محیط و کاهش دقت جدایش می‌شوند.
• کاربرد محدود برای کانی‌هایی که تفاوت چگالی آن‌ها با باطله کم است.
• در اغلب موارد، محصول نهایی نیاز به فرآوری‌های تکمیلی (مانند جدایش مغناطیسی) دارد تا عیار آن به حد مطلوب برسد.

۲. فرآوری سنگ آهن به روش جدایش مغناطیسی

فرآوری سنگ آهن به روش جدایش مغناطیسی (Magnetic Separation) یکی از رایج‌ترین روش‌های تغلیظ سنگ آهن است که بر اساس تفاوت خواص مغناطیسی کانی‌های باارزش آهن و کانی‌های بی‌ارزش (گانگ) انجام می‌شود.

جدایش مغناطیسی برای سنگ آهن‌های مگنتیتی و هماتیتی قابل استفاده است؛ با این تفاوت که برای تغلیظ سنگ آهن هماتیتی، باید از میدان مغناطیسی قوی‌تری استفاده کرد. دلیل این موضوع، خاصیت مغناطیسی ضعیف‌تر هماتیت نسبت به مگنتیت است.

مبنای کار جدایش مغناطیسی

در فرآوری به روش جدایش مغناطیسی، سنگ آهن خردشده از یک میدان مغناطیسی عبور می‌کنند. کانی‌های دارای خاصیت مغناطیسی قوی (مانند مگنتیت) جذب میدان مغناطیسی شده و از کانی‌های فاقد این خاصیت (مانند کوارتز) جدا می‌شوند. این فرایند برای سنگ‌هایی با کانی‌های مگنتیت و برخی از هماتیت‌ها که خاصیت مغناطیسی دارند، بسیار موثر است.

تجهیزات و انواع جدایش مغناطیسی

تجهیزات فرآوری به روش جدایش مغناطیسی بر اساس شدت میدان مغناطیسی به دو دسته زیر تقسیم می‌شوند:

• جدایش مغناطیسی با شدت پایین (Low-Intensity Magnetic Separation – LIMS): این روش برای کانی‌هایی با خاصیت مغناطیسی قوی، مانند مگنتیت، مناسب است. دوغاب سنگ آهن از میان یک درام چرخان با آهنرباهای ثابت عبور می‌کند. کانی‌های مگنتیت به سطح درام چسبیده و از جریان باطله جدا می‌شوند.
• جدایش مغناطیسی با شدت بالا (High-Intensity Magnetic Separation – HIMS): این روش برای کانی‌هایی با خاصیت مغناطیسی ضعیف، مانند هماتیت و لیمونیت، کاربرد دارد. در این سیستم از آهنرباهای قوی‌تر استفاده می‌شود تا حتی کانی‌هایی با خاصیت مغناطیسی ضعیف نیز جذب شوند. این روش می‌تواند به صورت تر (با استفاده از دوغاب) یا خشک انجام شود.

مزایا و معایب فرآوری سنگ آهن به روش جدایش مغناطیسی

از مزایای اصلی فرآوری به روش جدایش مغناطیسی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• بازدهی بالا: این روش در فرآوری سنگ‌های مگنتیتی بسیار کارآمد است و می‌تواند به عیارهای بالایی دست یابد.
• هزینه عملیاتی مناسب: نسبت به روش‌های دیگر مانند فلوتاسیون، هزینه کمتری دارد.
• استفاده از آب کمتر: در نوع خشک، مصرف آب به حداقل می‌رسد.

برخی از مهم‌ترین معایب فرآوری به روش جدایش مغناطیسی عبارت هستند از:

• محدودیت کاربرد: برای سنگ‌هایی که کانی‌های آهن آن‌ها خاصیت مغناطیسی ندارند (مانانند گوتیت)، مناسب نیست.
• تجهیزات گران‌تر: تجهیزات جدایش با شدت بالا، گران‌قیمت هستند.

۳. فرآوری سنگ آهن به روش فلوتاسیون

فرآوری سنگ آهن به روش فلوتاسیون (Flotation)، یک فرایند فیزیکی-شیمیایی است که بر اساس تفاوت خواص سطحی کانی‌ها (آب‌دوستی و آب‌گریزی) انجام می‌شود. در این روش، با استفاده از مواد شیمیایی خاص، برخی از کانی‌ها به حباب‌های هوا می‌چسبند و به سطح شناور می‌شوند، در حالی که بقیه ته‌نشین می‌گردند.

مبنای کار فلوتاسیون

دو روش اصلی برای فلوتاسیون سنگ آهن وجود دارد:

• فلوتاسیون مستقیم (Direct Flotation): در این روش، کانی‌های آهن (مانند هماتیت) به کمک مواد شیمیایی، آب‌گریز (hydrophobic) شده و پس از چسبیدن به حباب‌های هوا، در قسمت بالایی مخزن به صورت کف جمع می‌شوند. کانی‌های باطله (مانند کوارتز) در آب باقی می‌مانند و ته‌نشین می‌شوند.
• فلوتاسیون معکوس (Reverse Flotation): در این روش متداول، ابتدا کانی‌های آهن توسط مواد شیمیایی آب‌دوست (hydrophilic) نگهداری می‌شوند تا ته‌نشینی آن‌ها به صورت طبیعی رخ دهد. سپس کانی‌های باطله (مانند سیلیس) با افزودن مواد شیمیایی خاص، آب‌گریز شده و پس از چسبیدن به حباب‌ها، به صورت کف از سیستم خارج می‌شوند.

مواد مورد استفاده در فرآوری سنگ آهن به روش فلوتاسیون عبارت هستند از:

• جمع‌کننده (Collector): این مواد، سطح کانی‌ها را آب‌گریز می‌کنند. برای فلوتاسیون معکوس سیلیس، از آمین‌ها به عنوان جمع‌کننده استفاده می‌شود.
• کف‌ساز (Frother): برای ایجاد حباب‌های پایدار در سیستم به کار می‌روند تا کانی‌ها به آن‌ها بچسبند.
• تنظیم‌کننده (Modifier): این مواد شامل فعال‌کننده‌ها، بازدارنده‌ها و تنظیم‌کننده‌های pH هستند که به کنترل فرایند جداسازی کمک می‌کنند. مثلاً برای بازداری کانی‌های آهن در فلوتاسیون معکوس، از نشاسته استفاده می‌شود.

مزایا و معایب فرآوری سنگ آهن به روش فلوتاسیون

از مزایای فرآوری سنگ آهن به روش فلوتاسیون می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• کارایی بالا: این روش در کانی‌های دارای دانه‌بندی ریز، به‌ویژه سنگ‌های نامناسب برای جدایش مغناطیسی یا ثقلی، بسیار موثر است.
• تولید کنسانتره با عیار بالا: با این روش می‌توان به عیارهای بسیار بالای سنگ آهن دست یافت.

برخی از معایب فرآوری سنگ آهن به روش فلوتاسیون عبارت هستند از:

• هزینه بالا: استفاده از مواد شیمیایی مختلف و پیچیدگی فرایند، هزینه عملیاتی آن را افزایش می‌دهد.
• اثرات زیست‌محیطی: مصرف مواد شیمیایی می‌تواند چالش‌های زیست‌محیطی ایجاد کند.
• کنترل دقیق: فرایند فلوتاسیون به دقت بالایی در کنترل پارامترهایی مانند pH، دما و مقدار مواد شیمیایی نیاز دارد.

در ایران از کدام روش های فرآوری سنگ آهن استفاده می شود؟

به دلیل اینکه اکثر معادن سنگ آهن موجود در ایران، مگنتیتی هستند، عمدتا از جدایش مغناطیسی برای تغلیظ استفاده می‌شود. در جدول زیر، روش مورد استفاده برای تغلیظ سنگ آهن توسط برخی شرکت‌های داخل ایران آورده شده است.

روش‌های تغلیظ در برخی از شرکت‌های ایرانی

نام شرکت	روش تغلیظ	ظرفیت (میلیون تن در سال)
شرکت معدنی و صنعتی گل‌گهر (خط ۴)	جدایش مغناطیسی در حالت تر	۲
شرکت معدنی و صنعتی گل‌گهر (خط ۵، ۶ و ۷)	جدایش مغناطیسی و فلوتاسیون	۶
شرکت اپال پارسیات سنگان	جدایش مغناطیسی و فلوتاسیون	۲/۶
شرکت فولاد زرند ایرانیان	جدایش مغناطیسی و فلوتاسیون	۴
شرکت معدنی و صنعتی چادرملو	جدایش مغناطیسی و فلوتاسیون	۷/۵

در این مطلب، راجع به انواع روش های فرآوری سنگ آهن صحبت کردیم. این روش‌ها به همراه توضیحات جامع‌تر و تخصصی‌تر راجع به روش‌های اصلی تولید فولاد در یکی از سیاست‌نامه پیشران آورده شده‌اند که پیشنهاد می‌کنیم در صورت علاقه، این سیاست‌نامه را به طور رایگان دانلود و مطالعه کنید.