تحقیق در مورد آهن و فولاد

بخشی از مقاله

وضعيت جهاني مواد اوليه براي توليد آهن و فولاد
انتخاب شيوه هاي توليد آهن و فولاد به روش كوره قوس الكتريكي و غيره مي تواند به نوع كميت ذخاير مواد اوليه در دسترس و عيار آنها بستگي داشته باشد . همچنين انتخاب فرايندهاي احياي مستقيم در كوره هاي تنوره دار ،‌كوره ها ي دوار،‌بسترهاي سيال و غيره نيز به نوع سنگ آهن و عيار آهن در دسترس بستگي دارد،‌زيرا در روشهاي احياي مستقيم سنگ آهن و نيز نوع و كيفيت مواد اوليه مي تواند در كيفيت آهن اسفنجي، چدن و فولاد توليدي و در نتيجه مصرف انرژي، مواد ،‌استهلاك كوره ها و بازده آنها در فرايند توليد آهن و فولاد تأثير داشته باشد.

تركيب گاز خروجي نيز خود متأثر از نوع سنگ آهن و بازده گاز احياكننده بوده و مي تواند در فرايند توليد گاز در برخي از روشها در طول كاتاليزورهاي مصرفي مؤثر باشد.
ماده اوليه براي ساخت و توليد گندله
براي گندله سازي سنگهاي آهن خرد و آسيا شده با دانه بندي بين صفر و صد ميكرون در سطح جهان به عنوان خوراك گندله عرضه مي گردد. اين ماده اوليه در صورت آسياكردن تكميلي در مدتي كوتاه براي واحدهاي احياي مستقيم مانند مجتمع هاي فولاد اهواز و مباركه كه مجهز به تجهيزات گندله سازي هستند، باري مناسب بشمار مي آيند. در برخي از فرايندهاي احياي مستقيم از گندله خام و خام سخت شده نيز استفاده مي شود.

ماده اوليه براي ساخت و توليد كلوخه
سنگهاي آهن تجاري با دانه بندي زير 10 ميليمتر (معمولا 6 ميليمتر) براي كاربرد در كوره بلند و واحدهاي احياي مستقيم در سطح جهاني به عنوان خوراك كلوخه عرضه مي گردد. اين مواد براي استفاده در كوره بلند مستقيماً به بار اوليه دستگاه كلوخه سازي اضافه مي شود و براي استفاده در روشهاي احياي مستقيم مي‌تواند بعد از آسيا شدن مجدد به مواد بار اوليه گندله نيز اضافه گردد.

در مجتمع هاي احياي مستقيم مجهز به واحدهاي گندله سازي خوراك كلوخه براي گندله سازي نيز مناسب است بخصوص كه حمل و نقل اين ماده نسبت به خوراك گندله سهلتر و تلفات نسبي آن در حمل و نقل كمتر است،‌مضافاً به اينكه تجهيزات ويژه اي براي حمل و نقل لازم ندارد.

گندله طبيعي
سنگهاي آهن با ابعادي حدود 6 تا 7 ميليمتر نيز در بازارهاي بين المللي عرضه مي گردد . اگر دانه بندي سنگهاي 15 ميليمتر باشد به عنوان گندله طبيعي عرضه مي شود. اين ماده پيش از مصرف سرند شده و پس از حذف نرمة آنها مي تواند در كوره هاي احياي مستقيم مورد استفاده قرار گيرد.

به علت سطوح خاص اين سنگها بويژه گوشه هاي تيز دانه هاي آن ونيز سختي پايينتر آن نسبت به گندله هاي پخته ، در كوره نرمه بيشتري توليد مي كند. گندله هاي طبيعي را نيز مي توان پس از خرد و آسيا كردن به بار اوليه كلوخه سازي اضافه كرد.

4ـ1ـ مرغوبيت جهاني سنگ آهن براي احياي مستقيم
همانطور كه پيش از اين اشاره شد ،‌در انتخاب سنگهاي آهن براي فرايندهاي احياي مستقيم توجه به آناليز شيميايي در اولويت قرار دارد. كيفيت سنگهاي آهن از نظر ناخالصي ها در طيف وسيعي قرار دارند. سنگهاي آهن با عيار بالا و با تركيبات بازي در اولويت قرار دارند.

4ـ2ـ وضعيت جهاني آهن قراضه
در اغلب روشهاي احياي مستقيم مانند روشهاي ميدركس، پوروفر، اج ـ واي ـ ال و قائم به علت ويژگي آهن اسفنجي توليدي، ذوب آن جهت پالايش به تنهايي مقدور نيست، لذا بايد يا دربار كوره بلند و يا در كنورتور و يا در حوضچه مذابي از آهن قراضه در كوره قوس و يا به بار مذاب كوره القايي اضافه شود.

با توجه به افزايش ريخته گريهاي مداوم و كاهش ضايعات آنها نسبت به ريخته گريهاي غير مداوم و افزايش توليد فولاد در كوره هاي قوس الكتريكي و افزايش نسبي مصرف آهن قراضه در آنها، ميزان قراضه برگشتي بمرور كاهش مي يابد.

مضافاً به اينكه وجود ناخالصيهاي غير مجاز و تنوع قراضه ها شرايط كار با آنها را بمرور مشكلتر مي سازد . كمبود آهن قراضه براي كنورتور مي تواند بوسيله آهن اسفنجي جبران گردد زيرا هم تركيب آهن اسفنجي يكنواختر و هم درجه فلزي آهن بالاتر است و لذا آهن اسفنجي براي كاربرد به جاي آهن قراضه ، مجاز و مطلوب مي باشد.

با توجه به اينكه توليد يك تن فولاد خام در روش سنتي حدود 58/2 تن سنگ آهن ، سنگ آهك و كك لازم دارد،‌حال آنكه همين مقدار فولاد خام را با حدود يك تن قراضه با مقدار محدودي مواد آلياژي مي توان توليد كرد، ارجهيت توليد فولاد از آهن قراضه نسبت به توليد آن از مواد اوليه معدني مشخص مي شود.

ميانگين مصرف آهن قراضه براي توليد 723 ميليون تن فولاد خام طي دهه 1990 ميلادي بالغ بر 9/327 ميليون تن بوده است (‌رديف 2 جدول 5ـ1) ،‌يعني حدود 50 درصد فولاد خام توليدي، از طريق مصارف آهن قراضه توليد شده است، لذا هرچه مواد اوليه كمتري براي توليد فولاد مورد نياز باشد، متناسباً استخراج حمل و نقل، فرآوري مواد كمتر و در نتيجه مواد آلوده كننده كمتري به محيط زيست وارد خواهد شد.

علاوه بر صرفه جوييهاي فوق،‌تأمين انرژي براي كلوخه سازي ،‌گندله سازي ،‌كك سازي و غيره را نبايد از نظر دور داشت. مجموع صادرات و واردات آهن قراضه 10 كشور در دهة 1990 ميلادي در جدول 6 آمده است. از داده هاي اين جدول و مقايسه آن با ارقام جدول 1ـ5 مي توان دريافت كه در دهه 1990 ميلادي :
ـ مجموع صادرات و واردات آهن قراضه اين كشورها ( ستون 12 ، جدول 1ـ6) ،‌از صادرات و واردات جهاني آهن قراضه (‌رديف 3 و 1ـ5) كمتر است. اختلاف اين دو صادرات و واردات آهن قراضه ساير كشورها مي‌باشد.

ـ آمريكا بين كشورهاي صادر كننده آهن قراضه، بيشترين سهم را دارد و پس از آن كشورهاي اروپايي و بالاخره شوروي سابق عمده ترين صادر كننده در بلوك شرق بوده اند.
ـ در بين كشورهاي وارد كننده آهن قراضه ،‌ايتاليا و اسپانيا عمده ترين واردكنندگان آهن قراضه بوده اند و كشورهاي تركيه،‌كره جنوبي ،‌هندوستان و تايوان در مقامهاي بعدي قرار دارند و ميزان واردات آنها بمرور افزايش يافته است.

ـ‌با توجه به روند صعودي توليد فولاد خام در كشورهاي رو به رشد (رديفهاي 1 و 2 جدول 1ـ5) و برخورداري از ريخته گريهاي مداوم و توليد نسبي قراضه كمتر، كمبود آهن قراضه اين كشورها آنها همه ساله افزايش يافته است به طوري كه ميزان واردات آهن قراضه اين گروه كشورها از 647/4 ميليون تن در سال 1981 ميلادي به 372/10 ميليون تن در سال 1990 افزايش يافته است (رديفهاي 2 تا 4 جدول 1ـ5) . در اين گروه كشورها در سال 1990 ميلادي 254/14 ميليون تن آهن اسفنجي توليد و بجاي آهن قراضه مصرف شده است.

سنگ آهن و مشخصات آن
سنگ آهن مهمترين ماده اوليه براي توليد آهن و فولاد مي باشد. به طور كلي قسمت عمده سنگ آهن در روش سنتي توليد آهن و فولاد (كوره بلند / كنورتور) و فقط قسمت جزئي از آن در ساير روشها بخصوص احياي مستقيم مصرف مي شود ،‌به طوري كه از كل مقدار سنگ آهن كه در جهان مورد استخراج قرار مي‌گيرد، كمتر از 10 درصد آن به منظور كاربرد در روش احياي مستقيم و بيش از 90 درصد آن در كوره بلند مصرف مي گردد.

مشخصات لازم براي سنگ آهن با توجه به نوع مصرف و منطقه توليد و تهيه، متفاوت مي باشد. مثلاً سنگ آهني كه بخوبي در روش سنتي قابليت كاربرد دارد ممكن است به هيچ وجه قابل مصرف در روش هاي احياي مستقيم نباشد و يا مشخصات لازم براي مصرف خاك سرخ در رنگ سازي كاملاً متفاوت از مصارف متارلوژي آن است.

بدين ترتيب ملاحظه مي شود كه نه تنها مشخصات لازم براي سنگ آهن در مصارف مختلف و همچنين نقاط مختلف يكسان نيست حتي در مورد هر كوره بلند و يا روش احياي مستقيم بايد مشخصات سنگ آهن با نوع كوره ، ظرفيت ، ارتفاع آن و غيره مطابقت داشته باشد. در جدول 2ـ1 مواد اصلي لازم براي توليد يك تن فولاد را نشان مي دهد.

جدول 2ـ1 مواد اوليه اصلي لازم هر تن فولاد
ماده اوليه مقدار به ازاي هر تن فولاد ملاحظات و محل مصرف
سنگ آهن 1500 تا 2000 كيلوگرم
كك 400 تا 500 كيلوگرم در كوره بلند و روش سنتي

سنگ آهن 100تا200 كيلوگرم در كوره بلند و توليد گندله خودگداز
هوا 1900 تا 2000 كيلوگرم در كوره بلند
مواد افزودني مانند ينتونيت 10 تا 50 كيلوگرم در گندله سازي
اكسيژن 40 تا 50 متر مكعب در فولاد سازي از چدن (كنورتور)
گاز طبيعي 100 تا 120 متر مكعب در كوره بلند

گاز طبيعي 300 تا 700 متر مكعب در احياي مسقيم بر حسب نوع روش
انرژي الكتريكي 500 تا 600 كيلووات در فولادسازي از آهن اسفنجي
در كوره قوس الكتريكي
انرژي 5/1 تا 3 ميليون كيلووات توليد گندله و پخت آن
انرژي 3/0 تا 5/0 ميليون كيلو كالري پخت كلوخه
آب 70 تا 80 مترمكعب

نسوز 30 تا 50 كيلوگرم بر حسب نوع روش

مشخصات هريك از مواد اوليه جدول 2ـ1 به نوع روش و عوامل بستگي دارد كه در اين بخش فقط مشخصات مربوط به سنگ آهن مورد بررسي قرار خواهد گرفت.
كاربرد سنگ آهن براي توليد آهن و فولاد به طور معمول به يكي از اشكال زير صورت مي گيرد:
سنگ آهن دانه بندي شده
سنگ آهن دانه بندي شده امروزه كمتر مورد مصرف مي باشد. علت اين امر را در خاصيت احياپذيري كم آن، مي توان توجيه كرد. در هر حال براي مصرف سنگ آهن به صورت مستقيم در تهيه آهن بايد ابعاد آن كاملاً مشخص باشد.

سنگ آهن بصورت كلوخه
كلوخه متداولترين روش كاربرد سنگ آهن مي باشد. همه ساله حدود 700 ميليون تن كلوخه توليد و در صنايع توليد آهن و فولاد مصرف مي شود.
سنگ آهن به صورت گندله
توليد گندله در حال حاضر حدود 300 ميليون تن در سال مي باشد كه بيش از 80 درصد آن در كوره بلند و بقيه در احياي مستقيم مصرف مي شود. بديهي است مشخصات گندله براي مصرف در هريك از روشها متفاوت مي باشد.

طرز تشكيل سنگهاي معندي آهن در طبيعت
به طور كلي مي توان گفت كه چگونگي تشكيل سنگهاي معدني آهن و خواص كاني هاي متشكله آن از نظر فيزيكي و شيميايي (‌پرعيار كردن ،‌كلوخه كردن و غيره) بستگي به تشكيل و تغييرات آنها در دورانهاي زمين شناسي دارد. لذا چگونگي تشكيل سنگ آهن در طبيعت بسيار مهم مي باشد. تشكيل كانسارهاي آهن به صورتهاي مختلف انجام گرفته و از نظر زمين شناسي به چهاردسته تقسيم شده اند كه عبارتند از :

ـ كانسارهاي رسوبي
ـ كانسارهاي آتشفشاني يا هيدروترمال،
ـ كانسارهايي كه از پرعيار شدن آهن محتواي آنها ناشي از حلاليت و خروج ناخالصي هاي موجود در سنگ بوجود آمده اند.

ـ كانسارهايي كه منشاء سولفوري داشته و در اثر تغييرات فيزيكي و شيميايي آنها، تبديل به كانسارهاي آهني شده اند . كه به طور مختصر به شرح هريك از آنها پرداخته .
الف ـ كانسارهاي رسوبي
اين كانسارها منشاء رسوبي دارند و معمولا به صورت لايه اي هستند. عيار آهن آنها بستگي به رسوب هم زمان كاني آهن دار با ساير ناخالصي ها دارد و معمولا همراه با كاني هاي رسي و سيليسي مي باشد. مشخصه عمومي سنگهاي رسوبي ، تراكم و سختي نسبتا زياد آنهاست.

مهمترين اين كانسارها عبارتند از :
1ـ تاكونيت و نيمه تاكونيت

لغت تاكونيت به سنگهاي آهني اطلاق مي شود كه كاملا متراكم و معمولا بسيار سخت مي باشند. اكثرا سنگ به همان شكل اوليه باقيمانده و اثر عوامل طبيعي در تخريب و هوازدگي آنها ناچيز مي باشند. نيمه تاكونيت ها سنگهايي هستند كه كم و بيش مورد عمل هوازدگي قرار گرفته اند.
به طور كلي تاكونيت هاي داراي قابليت پرعيار شدن بالا مي باشند. كاني آهن دار در اين سنگها مي تواند مختلف و شامل كاني هاي اكسيدي، اكسيدهاي آبدار،‌سيدريت و غيره باشد و معمولا بر حسب نوع كاني اصلي آن دسته بندي مي شوند، مانند تاكونيت هاي مگنتيتي ،‌تاكونيت سيدريتي ،‌تاكونيت گوتيتي و غيره.

كانسارهاي تاكونيت در كشورهايي مانند ونزوئلا ـ آمريكاي شمالي ( معادن آهن مزابي در ايالت مينسوتا) ديده مي شود.
2ـ ژاسپيلت ها
اين سنگها كه از رسوب هم زمان اكسيد آهن و كاني ژاسپر (‌كاني هاي سيليسي) تشكيل شده اند معمولابه صورت لايه هاي منظم كاني ژاسپر و اكسيد آهن در طبيعيت يافت مي شود. اين سنگها مانند تاكونيت ها مي‌باشند، با اين تفاوت كه حاوي سيليس بيشتر بوده و نوع كاني آهن دار آن معمولا هماتيت است.
3ـ ايتابريت ها

در اين سنگها كاني آهن دار اغلب هماتيت بوده و گاهي نيز سيدريت در آنها ديده مي شود. معمولاً اين كانسارها فاقد كاني هاي رسي مي باشد. مشخصه اصلي اين سنگها توزيع بسيار دانه ريز سيليس در آنها مي‌باشد اين كانسارها در برزيل به وفور يافت مي شود و قسمت عمده معادن سنگ آهن برزيل در ايالت Minas – gerais از اين نوع بوده كه اغلب به صورت شيست مي باشند.
4ـ لاتريت ها

لاتريت ها نيز معمولا متراكم و سخت بوده و كاني آهن دار در اين سنگها معمولاً اكسيدهاي آهني آب دار مانند ليمونيت مي باشد. اين سنگها معمولا همراه با ساير كاني هاي منگنز دار، كرم و نيكل دار مانند معادن سنگ آهن ونزوئلا ،‌فيليپين ، و غيره ديده مي شوند.
5ـ اووليتيك
در اين كانسارها به طور كلي كاني آهن دار ،‌ليمونيت بوده و قسمت عمده معادن سنگ آهن لرن (فرانسه) از اين نوع مي باشد.
6ـ معادن سيدريتي
در اين كانسارها كاني آهن دار به طور عمده از سيدريت تشكيل شده و معادن آهن پنسيلوانيا در آمريكا از اين نوع است.
7ـ معادن شني
در اين نوع كانسارها سنگ آهن خرد شده و به صورت دانه هاي نسبتاً ريز در آمده اند و اكثر معادن كانادا، زلاندنو و هندوستان از اين نوع مي باشند.

ب ) كانسارهاي آتشفشاني يا هيدروترمال
اين كانسارها اكثراً حاوي كاني هاي ساير عناصر مانند تيتان مي باشند. اگر منشاء آتشفشاني داشته باشند به صورت عدسي يا توده هاي بزرگ در طبيعت يافت شده و اگر منشاء آنها هيدروترمال باشد معمولا به صورت رگه اي ديده مي شوند. كاني آهن دار معمولا منگنيت مي باشد كه گاهي در سطح اكسيد شده و قسمتي از مگنتيت به هماتيت تبديل شده است. اين نوع كانسارها را مي توان در ايالت ميسوري آمريكا ،‌آلاسكا ،‌كانادا و سوئد مشاهده نمود.

ج)كانسارهاي پر عيار شده در اثر حلاليت ناخالصي ها و خروجي آنها از سنگ
اين نوع كانسارها مي توانند منشاء رسوبي يا آتشفشاني داشته باشند. قسمتي از ناخالصي هاي آنها در دورانهاي زمين شناسي توسط آبهاي سطحي بتدريج حل شده و از سنگ خارج شده اند و بدين ترتيب عيار آهن بتدريج افزايش يافته و كانسارهاي بزرگ آهن نسبتاً‌غني را تشكيل داده اند. از اين نوع كانسارها در برزيل، استراليا ،‌بيهار هنديوتان و كانادا (لابرادور) ديده مي شود.
د) كانسار با منشاء سولفور

در اين كانسارها كاني اصلي و اوليه به صورت سولفور بوده و در شرايط اكسيد كننده اين سولفورها كه بطور عمده از پيريت و پيروتيت تشكيل مي شده اند تجزيه و اكسيد شده اند. مشخصه اصلي اين نوع معادن وجود گوگرد باقيمانده در آنها مي باشد. از اين نوع كانسار در كشورهاي اروپايي مانند اسپانيا و معادن آنتاريو كانادا يافت مي شود.

ه ) كانسارهاي كنگلومرا
اين كانسارها به صورت كنگلومرا بوده و دانه هاي اكسيد آهن كه بيشتر هماتيت است توسط سيمان ليمونيتي به يكديگر اتصال مي يابند. قسمتي از معادن برزيل از اين نوع مي باشد.
كاني شناسي سنگهاي آهن

كاني شناسي در كاربرد سنگهاي معدن آهن اهميت فراواني دارد. بسياري از كاني ها كه ممكن است عيار بالايي نيز از آهن داشته باشند به علت نوع تركيب كاني به عنوان ماده اوليه آهن و فولاد قابل مصرف نيستند. مثلا فاياليتFeO)2 (SiO2. با وجود آنكه از آهن نسبتا غني مي باشد (عيار آهن حدود 55 درصد) ولي به علت تركيب سيليكاته آن كه عملاً در روشهاي توليد آهن و فولاد غير قابل احيا مي باشد، در متالورژي آهن قابل كاربرد نيست. در بين انواع كاني هاي آهن دار تعداد محدودي از آنها از نظر متالورژي آهن مهم و قابل مصرف مي باشند.

مهمترين آنها كاني هاي اكسيدي و سيدريت است. در بين كاني ها اكسيدي بعضي از آنها به علت خاصيت احياپذيري كم (مگنتيت) به صورت مستقيم كاربرد ندارند و بايد مورد عمليات كلوخه سازي يا گندله سازي قرار گيرند تا شكل كاني شناسي آن در جريان اين عمليات تغيير يابد و سپس بكار برده شوند. سرانجام در بعضي از كاني ها وجود عناصري كه مي توانند نقش مهمي در آلودگي محيط زيست داشته باشند، مانند كاني ها ارسنيك دار مانع از كاربرد آنها مي باشد.
در جدول 2ـ2 كاني هاي مهم آهن دار و بعضي از مشخصات آنها نشان داده شده است.

ارزشيابي سنگ معدن آ‌هن
عوامل بسياري در ارزشيابي سنگ معدن مؤثر مي باشند كه به طور خلاصه عبارتند از :‌
1ـ رطوبت و آب تبلور
مقدار رطوبت سنگ معدن بين 0 تا 20 درصد تغيير مي كند،‌آب موجود در سنگهاي معدن ممكن است رطوبت يا آب تبلور باشد. در بعضي از كاني هاي ليمونيتي مقدار آب تبلور مي تواند به 15 الي 16 درصد نيز برسد. هرقدر آب موجود در سنگ معدن بيشتر باشد ارزش آنرا بيشتر كاهش مي دهد. وجود آب در سنگ معدن باعث گران شدن حمل و نقل و همچنين افزايش مصرف انرژي براي بي آب كردن آن مي گردد.

بخصوص در مورد آب تبلور بايد در نظر داشت كه حذف آن در درجه حرارت بالاتري نسبت به رطوبت انجام گرفته و هزينه انرژي مصرفي براي حذف آن بالاتر خواهد بود.

2ـ عيار آهن
عيار سنگ آهن عامل اصلي در ارزش آن مي باشد. معمولا عيار پايه اي براي سنگ آهن در نظر گرفته مي شود و سنگهاي پرعيار مشمول اضافه قيمت تصاعدي شده و سنگ با عيار كمتر مشمول جريمه مي شود . عيار پايه براي سنگهاي مصرفي در كوره بلند 5/51 درصد و در مورد كنستانتره هاي احياي مستقيم حدود 67 درصد است.
3ـ انديس بازي

انديس بازي سنگ يعني در حقيقت نسبت نير در ارزشيابي سنگ معدن موثر بوده و با افزايش عددي اين نسبت ارزش سنگ نيز بالا خواهد بود. همچنين نسبت نيز در ارزشيابي موثر بوده و با افزايش آن ، قيمت سنگ نيز بالا مي رود.

4ـ ناخالصي ها
ناخالصي ها موجود در سنگ معدن روي ارزشيابي آن اثر عمده دارند. در بين اين ناخالصي ها عنصر فسفر بسيار مهم مي باشد و با افزايش مقدار فسفر در سنگ معدن ارزش سنگ كاهش مي يابد. همچنين وجود ساير ناخالصي هاي نامطلوب باعث كاهش قيمت سنگ معدن مي گردد. سرانجام وجود ناخالصي هاي مطلوب مانند كاني هاي منگنز دار و يا افزايش انديس بازي سنگ معدن باعث افزايش قيمت مي شود.

5ـ ابعاد
ابعاد سنگ معدن خود عامل مؤثري در ارزشيابي آن مي باشد. با كاهش ابعاد سنگ بر ارزش آن افزوده مي شود. كاهش ابعاد سنگ معدن باعث صرفه جويي در هزينه خردايش بعدي آن شده و همچنين به علت آنكه وزن مخصوص ظاهري سنگ را افزايش مي دهد،‌لذا سنگ حجم كمتري را اشغال كرده و هزينه حمل و نقل آن كاهش مي يابد.

خرد بودن ابعاد سنگ محدود بوده و چنانچه از حدي كمتر باشد به علت مشكلات مربوط به حمل و نقل مواد بسيار دانه ريز ، از ارزش سنگ كاسته مي گردد. ذرات بسيار دانه ريز بخصوص در حجم هاي كوچك هزينه حمل و نقل بالايي دارند، در صورتي كه در حجم هاي بزرگ مي توان آنها را توسط لوله جابجا كرد و هزينه حمل و نقل را بسيار كاهش داد.

به طور كلي از نظر ابعاد، سنگهاي اهن به چند دسته تقسيم مي شوند كه عبارتند از :
ـ سنگ درشت كه معمولا متوسط ابعاد آن از 50 ميليمتر بزرگتر است.
ـ سنگ متوسط كه داراي ابعادي بين 1 تا 50 ميليمتر مي باشد.
ـ سنگ خرد كه ابعاد آن 1 تا 10 ميليمتر مي باشد.
ـ سنگ دانه ريز با ابعاد 1/0 تا 1 ميليمتر .

ـ نرمه يا پودر كه معمولاً ابعاد آن كمتر از 74 ميكرون (200 مش ) است.
ارزش سنگ معدن از سنگ درشت تا سنگ دانه ريز افزايش يافته و در مورد نرمه مسائل بسياري از قبيل حجم، چگونگي حمل و نقل و غيره روي ارزش آن اثر مي گذارند.

چگونگي حمل و نقل نيز خود در ارزش سنگ معدن در محل معدن اثر مي گذارد. با توجه به اينكه حمل و نقل دريايي 5 الي 10 بار ارزانتر از حمل توسط كاميون و راه آهن مي باشد و حمل توسط كشتي هاي بزرگ با ظرفيت هاي بالا (بالغ بر صد هزار تن) حداقل 30 تا 40 درصد ارزانتر از حمل با كشتي هاي كوچك است، لذا معادن سنگ آهن كه در نزديكي درياها بخصوص درياهاي عميق قرار گرفته اند از ارزش بالاتري برخوردارند

. حمل نرمه سنگهاي معدني توسط لوله نيز راه حل جالبي براي جابجايي مواد بسيار ريز مي باشد ولي دامنه كاربرد آن به نواحي گرمسير( نقاطي كه امكان يخ زدن وجود ندارد ) و مسطح ( غير كوهستان) محدود مي شود. همچنين خاصيت فرسايشي ذرات، شكل آنها (گرد و يا گوشه دار بودن ) و غيره اثر روي انتقال آنها توسط لوله به منظور حمل و نقل دراد.

6ـ قابليت پر عيار شدن
بيشتر سنگهاي آهن امروزه عملا مورد عمليات كانه آرايي به منظور پر عيار شدن ويا حذف ناخالصي هاي نامطلوب آن قرار مي گيرند. لذا قابليت پرعيار شدن و هزينه آن در ارزشيابي سنگ معدن مؤثر خواهد بود . به طور كلي روشهاي فيزيكي و مغناطيسي ارزانتر از روش فلوتاسيون مي باشند،‌لذا كاني هاي آهن دار كه خاصيت مغناطيسي باشند با هزينه كمتري قابل پرعيار شدن هستند. سرانجام توزيع ناخالصي ها در سنگ معدن نيز در هزينه پرعيار كردن اثر مي گذارد.

هر قدر توزيع ناخالصي ها دانه درشت تر باشد امكان عمل پرعيار كردن در ابعاد درشت تري وجود داشته و هزينه آن كمتر خواهد بود. در هر حال قابليت پرعيار شدن سنگ و هزينه آن از عوامل مهم در ارزشيابي سنگ آهن مي باشد.

7ـ قابليت خردايش
خردايش سنگ يكي از گرانترين عمليات كانه آرايي مي باشد. عملا بيش از 50 درصد هزينه و 70 درصد انرژي مصرفي در هر كارگاه كانه ‌آرايي صرف خردايش مي گردد. لذا قابليت خردايش سنگ آهن روي ارزشيباي آن اثر بسيار مهم دارد.

در خردايش سختي سنگ يكي از عوامل اصلي بوده و هرقدر سختي سنگ بيشتر باشد هزينه خردايش آن بالاتر خواهد بود. بسياري از سنگهاي معدني به آساني تا ابعاد كوچك ( حدود 1 ميليمتر) خرد مي شوند ولي خردايش نرم آنها مواجه با اشكال و هزينه و مصرف انرژي زياد مي باشد. قابليت خردايش سنگ را مي‌توان به دو قسمت تقسيم كرد كه عبارتند از :

الف ـ قابليت خردايش درشت
قابليت خردايش درشت كه مربوط به خردكردن سنگ تا ابعاد حدود 1 ميليمتر مي باشد. در اين قابليت وجود درز، ترك ،‌شكاف ، تراكم ، تخلخل صفحات كليواژ، رگه هاي ناخالصي و سرانجام سختي از عوامل مهم هستند.

ب ـ قابليت خردايش نرم
قابليت خردايش نرم مربوط به خردايش سنگ از ابعاد حدود 1 ميليمتر به ابعاد مورد نظر مي باشد. معمولا خردايش نرم براي توليد گندله بكار گرفته مي شود و حد خردايش نرم در حدود 44 ميكرون قرار د ارد. در اين خردايش سختي سنگ و شكل بلوري و خواص فيزيكي آن از عوامل اصلي مي باشند. لذا بسته به نوع عملياتي كه بايد روي سنگ معدن انجام شود و نوع مصرف سنگ آهن قابليت خردياش درشت و يا نرم در ارزشيابي سنگ موثر خواهد بود.

8ـ شكل و چگونگي عمليات انجام شده بر روي سنگ معدن
عمليات قبلي انجام شده بر روي سنگ معدن يكي ديگر از عوامل ارزشيابي سنگ آهن مي باشد. سنگ آهن به صورتهاي مختلفي در صنعت وجود دارد كه عبارتند از :‌
ـ سنگ آهن به صورت مستقيم
سنگ معدني آهن دار به صورت مستقيم سنگي است كه از معدن استخراج و پس از خردايش تا ميزان معيني مستقيما به بازار عرضه مي گردد.

ـ‌كنستانتره آهن
كنستانتره هاي آهن سنگهاي معدني هستند كه پس از استخراج و خردايش مورد نظر عمليات كانه آرايي قرار مي گيرند و معمولا داراي عيار آهن بالا بوده و فاقد ناخالصي ها نامطلوب مي باشند.

ـ‌كلوخه
براي توليد كلوخه سنگ آهن پس از خردايش مورد عمل كلوخه سازي قرار مي گيرد. معمولا به علت آنكه كلوخه قابليت حمل و نقل زياد را ندارد و در جريان حمل و نقل هاي طولاني خرد مي شود اين شكل سنگ آهن در بازار وجود نداشته و عمل كلوخه سازي در خود كارخانه ذوب آهن انجام مي گيرد.

ـ‌گندله
گندله يكي از متداول ترين شكل سنگ آهن موجود در بازار مي باشد. در گندله سنگ آهن پس از خردايش و عمليات كانه آرايي به صورت گندله در آمده و به بازار عرضه مي گردد. توليد آهن كه در ميان فلزات بيشترين مصرف را دارد ، 95% ذخيره فلزي توليد شده در تمام دنيا را به خود اختصاص مي دهد و بنيان تمدن امروزي را تشكيل مي دهد. دليل اين موضوع نيز فراواني ، سهولت ، قيمت كم و استحكام زياد آن است.

آهن در ساخت انواع ماشين هاي سبك و سنگين ، كشتي ها ،‌راه آهن ، پل ها ، سدها ،‌ساختمان سازي ،‌تهيه اداوات جنگي، لوازم خانگي و ساخت كارخانه ها به مصرف مي رسد. 99% از كل مصارف سنگ آهن مربوط به صنايع توليد فولاد و چدن مي شود.
مصارف ديگر سنگ آهن كه بسيار ناچيزند عبارتند از : مصرف سنگ آهن در بتن ، استفاده در توليد سيمان ، استفاده در گل حفاري ، استفاده به عنوان واسطه سنگين در شستشوي زغال سنگ و استفاده به عنوان رنگدانه.

در كارخانه هاي ذوب آهن ، كانسنگ آهن يا كك و سنگ آهك مخلوط شده و سپس ذوب مي گردد. سنگ آهك دماي ذوب كانسنگ آهن را كاهش داده و كك با اكسيژن كانسنگ تشكيل گاز كربنيك را مي دهد. آهن ذوب شده كه حاوي 3 تا 4% كربن است براي مصارف گوناگون استفاده مي شود.
99% از كل مصرف كربن و مقادير متغيري آلودگي هاي سولفور ،‌سيليس و فسفات است كه اين آلودگي ها اثر منفي در خواص چدن ايجاد مي كند . گاهي چدن حاوي 2 تا 5/3% كربن ومقادير كمي منگنز است. چدن نقطه ذوب 1470-1420 K دارد كه پائين تر از اجزاء‌اصلي سازنده آن است و زماني كه آهن و كربن به اتفاق گرم مي شوند،‌محصول اوليه ذوب مي شود. چدن ها بي نهايت مستحكم ، سخت و شكننده هستند. چدن نرم ( كارشده) چدني گرم و سفيد است كه تمايل به شكنندگي دارد.

فولاد كربني حاوي 5/0 تا 5/1 % كربن است و محصولي سخت و چكش خوار است اما مانند چدن ديرگداز (نسوز) نيست. فولاد آلياژهاي حاوي مقادير متغيري كربن است و به خوبي فلزاتي چون كروميم ،‌واناديوم ،‌موليبدن،‌نيكل ،‌تنگستن و . . . مي باشد.

آهن كربن دار به كوره تهيه فولاد منتقل مي شود تا كربن و ديگر ناخالصي هاي آن حذف شده و در ضمن عناصر بخصوصي به آن اضافه گردد تا خواص ويژه اي در آن ايجاد شود. عناصري كه در تهيه انواع فولاد استفاده مي شوند عبارتند از :‌كروم ،‌منگنز ،‌كبالت، واناديوم، نيكل ، تنگستن ، موليبدن، مس ، سرب ،‌نيوبيوم و سيليس.

نوع فولاد خصوصيت مهم
كروم دار ضد زنگ ، مقاوم در برابر حرارت بالا
منگنز دار مقاوم، مقاومت سايشي بسيار خوب ، سخت
واناديم دار مقاوم ، هادي خوب ،‌خاصيت ارتجاعي خوب
نيكل دار ضد زنگ، سخت و مقاوم

موليبدن دار مقاوم ، هادي ،‌مقاوم در برابر شوك و ضربه
تنگستن دار سخت بالاو مقاوم در برابر حرارت بالا
كبالت دار داراي خاصيت مغناطيسي دائم، مقاوم در برابر حرارت بالا
مس دار ضد زنگ و قابل استفاده در قطعات ماشين
نيوبيوم دار مقاوم در برابر حرارت بالا
سيليس دار ضد زنگ،‌مقاوم در برابر حرارت و سايش
جدول 6 ـ خصوصيات مهم انواع فولاد
اكسيدهاي فريك در توليد ذخيره مغناطيسي در كامپيوترها استفاده مي شود. آنها اغلب با مواد مركب ديگر مخلوط مي شوند و خواص مغناطيسي آنها در محلول باقي مي ماند.

موارد كاربرد اكسيد آهن طبيعي:
رنگ سازي، جوهر چاپ،‌مداد شمعي پلاستيك، لاستيك، كاغذ ،‌بتون و مواد ساختماني ،‌ساروج، آجر و كاشي ،‌جلاي سراميك،‌غذاي دام، داروسازي، لوازم آرايشي ،‌تهيه شيشه هاي رنگي ، رنگين كردن مواد ساختماني ،‌ضد زنگ ، كاتاليزور.

موارد كاربرد اكسيد آهن مصنوعي :
رنگ ،‌لاستيك‌، پلاستيك، لوازم آرايشي ، داروسازي ،‌رنگ چوب
موارد كاربرد منيتيت:
آهنرباهاي سراميكي صلب و انعطاف پذير، بهبود دهنده هاي اصطكاك در دماي بالا مانند لنت ترمز، جوهر چاپ مغناطيسي، خمير شيشه و چيني و مواد مغذي ريز براي خاك ،‌الكترونيك ( موتورهاي DC ،‌تجهيزات مورد استفاده در بستن درب مانند درب يخچال، تصوير سازي تشديد مغناطيسي ، ضبط با سرعت پايين و كيفيت بالا (hi-fi) .

كليات مربوط به توليد آهن و
مواد اوليه مورد نياز آنها
صنايع توليد آهن و فولاد در نيم قرن اخير تحولات چشمگيري را پشت سر گذاشته است. از طرفي صدها روش احياي مستقيم سنگهاي آهن بر اساس استفاده از گاز طبيعي به جاي استفاده از كك متالورژي مورد بهره برداي قرار گرفته اند و از طرف ديگر روشهايي بر اساس مصرف زغالهاي غير كك شو براي احياء‌ذوب ،‌و روشهاي نوين احياء ذوب و پالايش مستقيم حتي تا مرحله فولاد سازي بكار گرفته شده اند كه اساسا با ديگ روشها فرق دارند.

در عين حال روش سنتي با قدمت 500 ساله توليد آهن خام در كوره بلند و توليد فولاد در انواع كنورتورها و نيز پالايش فولاد خام در كوره هاي پاتيلي ، سير تكاملي خود را هنوز حفظ كرده اند به طوريكه هم اكنون :‌
ـ تلاشهايي براي كاربرد مستقيم زغال ،‌مازوت و گاز طبيعي جهت كاهش مصرف كك در كوره بلند،
ـ افزايش ظرفيت آهن خام ،‌

ـ كاهش آلودگي محيط زيست از طريق حذف فرايندهاي كك سازي و كلوخه سازي ،‌
ـ كامپيوتري كردن روند توليد و غيره
صورت گرفته است و هنوز نيز اولويت توليد آهن به روش سنتي ادامه دارد، به طوري كه نسبت توليد آهن خام به ديگر روشها نسبت به آهن خام توليدي در كوره بلند از پنج درصد تجاوز نمي كند. تحقيقات زيادي براي ابداع و توسعه روشهاي متعددي براي استفاده از زغالهاي غير كك شو به طور مستقيم در آلمان ، ژاپن ،‌آمريكا ،‌استراليا و كانادا با اهداف ذيل در حال تكوين مي باشد:
ـ‌كاهش مصرف زغالهاي كك شو به علت كمبود عرضه و در نتيجه گراني آنها ،

ـ كاربرد زغال هاي غير كك شو به علت وفور جهاني آنها ،
ـ حذف واحدهاي كك سازي به علت آلوده كردن محيط و نياز به سرمايه گذاري بالا ،‌
ـ حدف واحدهاي گندله سازي به علت آلوده كردن محيط و نياز به سرمايه گذاري بالا ،‌
ـ افزايش سرعت ،
ـ‌حذف معايب روشهاي احياي مستقيم با گاز طبيعي به علت گراني كاتاليزور و نيز لوله هاي راكتور توليد گاز احيا كننده ، كاهش مصرفي انرژي الكتريكي ،‌فرايند و جلو گيري از اكسايش مجدد آهن اسفنجي ،
ـ احداس واحدهاي اقتصادي كوچكتر به جاي كوره بلند / كنورتور با ظرفيت بالا
ـ كاهش هزينه هاي جاري .

در اين فصل روش سنتي توليد آهن خام در كوره بلند و توليد فولاد در كنورتور و نيز روشهاي مختلف احياي مستقيم براي توليد آهن اسفنجي و فولاد در كوره هاي قوس الكتريكي بويژه روشهاي تجاري احياي مستقيم به اختصار مورد تجزيه وتحليل قرار گرفته است. همچنين مواد اوليه مورد نياز اين روشها نيز به اختصار بررسي شده است.

1ـ توليد آهن و فولاد به روش سنتي كوره بلند / كنورتور
نظر به اينكه كميت و كيفيت مواد اوليه براي توليد آهن خام و فولاد به روش توليد بستگي دراد، لذا در اين بخش به اختصار شيوه توليد آهن و فولاد به روشهاي مهم بويژه روشهايي كه در ايران كاربرد دارند از جمله روش سنتي كوره بلند / كنورتور، توليد آهن اسفنجي به روشهاي احياي مستقيم ميدركس، اچ ـ ال ،‌پوروفر، قائم و نيز نمونه اي از روشهاي احياي مستقيم كه موفقيتهايي براي آينده آنها پيش بيني شده است مانند كوركس به اختصار تشريح مي شود.

براي توليد آهن و فولاد به روش سنتي كوره بلند / كنورتور ،‌واحدهاي آماده سازي مواد اوليه و مواد واسطه توليدي ،‌لازم مي باشد. كه به برخي از آنها اشاره مي شود :
ـ سلول كك سازي براي توليد كك متالورژي از انواع زغال سنگها به منظور بهبود بخشيدن به ويژگي انواع مواد اوليه مصرفي و حذف مواد نامطلوب زغال سنگ از طريق فرآوري آنها ؛
ـ تجهيزات واحد كلوخه سازي و گندله سازي به منظور يكنواخت نمودن خواص فيزيكي ـ‌شيميايي و مكانيكي انواع سنگهاي آهن و بهبود كيفيت مواد اوليه ؛
ـ‌كوره بلند براي توليد آهن خام (چدن ) ،‌از كلوخه (آگلومره )‌و يا گندله (پلت ) و يا سنگ آهن از طريق احيا و ذوب ؛
ـ كنورتور به منظور تبديل آهن خام (چدن ) توليدي در كوره بلند به فولاد ؛
ـ‌كوره پاتيلي به منظور پالايش فولاد خام توليدي در كنورتور.

سنگهاي آهن از نقطه نظر ساختار و نيز تركيب شيميايي متفاوت و متنوع هستند. نظر به اينكه كوره هاي توليد آهن و فولاد با تركيب ثابت مواد اوليه ، حداكثر بازده را مي توانند داشته باشند،‌لذا ضروري است كه انواع مختلف سنگهاي آهن در دسترس و نيز مواد جنبي با خواص فيزيكي ـ شيميايي و مكانيكي ثابت توليد گردد. اين عمل از طريق كلوخه سازي و گندله سازي ميسر مي گردد كه در فصلهاي ششم و هفتم به تفصيل مورد بررسي قرار خواهد گرفت. روش سنتي كوره بلند / كنورتور به انضمام كلوخه سازي و گندله سازي در شكل 1ـ1 و طرح تجهيزات مورد نياز اين فرايند در شكل 1ـ2 نشان داده شده است.

براي تنظيم تركيب بار كلوخه و گندله بر حسب ضرورت علاوه بر مصرف انواع سنگهاي آهن ،‌عبار كوره بلند و كنورتور ،‌آهك ، دولوميت ،‌منيزيت ، بنتونيت ،‌فلورين،‌زغال سنگ و . . . . نيز به كار برده مي شود كه آن مواد نيز در فصلهاي مربوط كتاب مورد بررسي قرار گرفته اند.
بديهي است پيش از كلوخه سازي سنگهاي آهن ،‌مواد اوليه آنها بايد خرد و نرم شوند تا كانه آرايي آنها ممكن گردد. در اغلب روشهاي متداول ، كاربرد اين نوع نرمه ها مقدور نيست و بار بايد ابعاد معيني داشته باشد. هدف از كلوخه سازي و يا آگلومراسيون توليد دانه هاي درشت از نرمه و مواد ريز اوليه فوق الذكر به طرق مختلف باشد.
در اين فرايند، تخلخل ،‌مقاومت مكانيكي و قابليت واكنش مواد تغيير مي كند و به اين ترتيب ويژگي مواد نقش بسزايي در افزايش بازده توليد در كوره بلند دارد زيرا:‌

ـ موادي مانند غبار كوره بلند / كنورتور را كه نمي توان مستقيما در كوره بارگيري نمود ، زيرا باعث كاهش بازدهي مي شوند، در حالي كه مي توان در فرايند كلوخه سازي و گندله سازي مصرف كرد ؛
ـ‌كاربرد مستقيم موادي مانند سنگ آهن و سنگ منگنز كه براي بهبود عمليات كوره ضروري هستند باعث افزايش مصرف انرژي گران قيمت كوره بلند (كك) مي شوند در حالي كه مي توانند در اين فرايندها با مصرف سوختهايي با ارزش كمتر ، آماده شوند.
ـ سرانجام ابعاد مواد در تخلخل بار ،‌جريان مواد ، جريان گازهاي درون كوره و در نتيجه تغيير و تحولات احيا و ذوب مؤثر است.
1ـ2ـ توليد كك در سلولهاي كك سازي
در كوره بلند از كك به همراه گاز طبيعي، مازوت و زغال سنگ استفاده مي شود. اما كك نقش اصلي را در تأمين انرژي مورد نيازي براي احياي اكسيد آهن و حرارت بعهده دارد . كك در اثر حرارت دادن ذغال سنگ هاي خاصي در سلول هايي مخصوص به طور غير مستقيم و در جوي خالي از هوا توليد مي شود . روند كلي و چرخه مواد و نيز طرح تجهيزات كوره بلند و ساير تجهيزات جنبي آن به ترتيب در شكل هاي 1-1 و 1-3- نشان داده شده است .

سلولهاي كك سازي به شكل مكعب مسطيل بوده و در عرض به اتاقك هاي كوچكي تقسيم شده است در اين اتاقك ها گاز تصفيه شده با هوا سوخته و حرارت لازم براي تبديل ذغال سنگ به كك تامين مي گردد . در اين فرآيند مواد فرار ذغال سنگ و نيز قير و قطران آن جدا مي گردد كك توليدي حاوي كربن ، گوگرد و مواد سنگي همراه ذغال سنگ اوليه مي باشد

. علي رقم تخلخل زياد كك ، مقاومت مكانيكي آن بسيار زياد است چون دماي كك گداخته توليدي در سلولهابالا مي باشد لذا نگهداري از آن پس از خروج از سلولها در اتمسفر محيط ممكن نيست زيرا با اكسيژن هوا مي سوزد . براي جلوگيري از اين عملكرد خود به خودي ، كك گداخته با پاشيدن آب روي آن ،‌سرد و سپس انبار مي شود و مورد استفاده قرار مي گيرد. موقعيت سلولهاي كك سازي و نقش آن در فرايند كوره بلند / كنورتور را مي توان در شكل 1ـ1 مشاهده نمود.