استخراج آهن: از کانی تا فلز
سنگ آهن: نقطه آغاز یک سفر طولانی
آهن به صورت خالص در طبیعت یافت نمیشود. این فلز معمولاً با عناصری مانند اکسیژن و گوگرد ترکیب شده و کانی5 یا سنگ معدن را تشکیل میدهد. استخراج آهن با یافتن و آمادهسازی این سنگها شروع میشود. مهمترین سنگهای آهن که به صرفه اقتصادی استخراج میشوند، عبارتند از:
| نام کانی | فرمول شیمیایی | میزان آهن (تقریبی) | ویژگی و اهمیت |
|---|---|---|---|
| هماتیت | $Fe_2O_3$ | 70% | رایجترین و مهمترین سنگ آهن، به رنگ قرمز یا خاکستری فلزی. |
| مگنتیت | $Fe_3O_4$ | 72% | خاصیت آهنربایی قوی دارد. گاهی به آن "سنگ آهن مغناطیسی" میگویند. |
| سیدریت | $FeCO_3$ | 48% | کانی کربناتی آهن. در گذشته اهمیت بیشتری داشت. |
سنگ آهن استخراج شده، خالص نیست و ناخالصیهایی مثل سیلیس و آلومینا دارد. قبل از ورود به کوره، آن را خرد کرده و با روشهایی مانند آسیاب کردن و پرعیار کردن6 (مثلاً با استفاده از میدان مغناطیسی برای مگنتیت)، عیار آهن آن را بالا میبرند. به این فرآیند آمادهسازی میگویند.
قلب تپنده تولید: کوره بلند چگونه کار میکند؟
مهمترین مرحله استخراج آهن، درون سازه غولپیکری به نام کوره بلند رخ میدهد. ارتفاع این کوره گاه به بیش از 30 متر میرسد. عملکرد کوره بلند بر اساس یک واکنش شیمیایی کلیدی به نام احیا4 است. در این واکنش، اکسیژن از ترکیب با آهن جدا میشود. برای این کار از یک ماده احیا کننده قوی استفاده میکنیم: کربن مونوکسید (CO) که از سوختن کک (نوعی زغال سنگ پخته شده) تولید میشود.
$Fe_2O_3 + 3CO \xrightarrow{heat} 2Fe + 3CO_2$
در این فرمول، گاز کربن مونوکسید ($CO$) با سنگ آهن هماتیت ($Fe_2O_3$) واکنش داده و آهن مذاب ($Fe$) و گاز کربن دیاکسید ($CO_2$) تولید میکند.
مواد اولیه از بالای کوره وارد میشوند. این مواد شامل: ۱) سنگ آهن پرعیار شده، ۲) کک (سوخت و عامل احیاکننده)، ۳) سنگ آهک (برای جداسازی ناخالصیها) هستند. هوای داغ (حدود 1200^\circ C) نیز از پایین کوره دمیده میشود. در طول سقوط مواد به سمت پایین، اتفاقات زیر رخ میدهد:
- کک میسوزد و گاز CO تولید میکند.
- گاز CO با اکسیدهای آهن واکنش داده و آنها را احیا میکند.
- سنگ آهک تجزیه شده و با ناخالصیهای سنگی (مثل سیلیس) ترکیب میشود و سرباره7 مذاب تولید میکند.
- آهن احیا شده ذوب شده و قطرههای آن به سمت پایین میروند.
در نهایت، در کف کوره دو لایه مایع تشکیل میشود: لایه پایینی آهن خام8 (چدن مذاب) و لایه رویی سرباره. هر کدام از دریچههای جداگانهای خارج میشوند.
از آهن خام تا فولاد و فرآوردههای ملموس
خروجی مستقیم کوره بلند، آهن خام یا چدن است. این ماده شکننده است و کاربرد مستقیم محدودی دارد زیرا حدود 4% کربن و ناخالصیهای دیگری مانند گوگرد و فسفر دارد. برای تبدیل آن به محصولات مفید، باید کربن و ناخالصیها کاهش یابد. این کار در کورههای دیگری مانند کوره اکسیژنی پایه (BOF)9 یا کوره القایی انجام میشود. در این فرآیند، با تزریق اکسیژن خالص، کربن اضافی میسوزد و خارج میشود. به این ترتیب فولاد10 به دست میآید که آلیاژی مستحکم و چکشخوار از آهن و کربن (کمتر از 2%) است.
حالا این فولاد مذاب را میتوان به اشکال مختلف درآورد: شمش، تیرآهن، ورق، مفتول. این محصولات پایه، مواد اولیه کارخانههای دیگر میشوند. برای مثال، ورق فولادی در کارخانه خودروسازی به بدنه مبدل میشود یا تیرآهن در کارگاه ساختوساز، اسکلت ساختمان مدرسه شما را میسازد. سرباره نیز که قبلاً یک ضایعات محسوب میشد، امروزه در ساخت سیمان یا بالاست راهآهن استفاده میشود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. خروجی اصلی کوره بلند آهن خام یا چدن است که کربن و ناخالصی بالایی دارد و شکننده است. برای استفاده در ساختوساز، این آهن خام باید در کورههای دیگر پالایش و به فولاد تبدیل شود. فولاد استحکام و انعطاف مناسب برای ساخت اسکلت را دارد.
پاسخ: سنگ آهک اصلاً یک سنگ معدن آهن نیست. فرمول اصلی آن کربنات کلسیم ($CaCO_3$) است. وظیفه آن در کوره بلند، یک کارکرد شیمیایی حیاتی است: سنگ آهک در حرارت بالا تجزیه شده و با ناخالصیهای اسیدی موجود در سنگ آهن (مثل سیلیس $SiO_2$) ترکیب میشود و سرباره مذاب تولید میکند. سرباره روی آهن مذاب شناور میشود و مانند یک عایق، از اکسید شدن مجدد آهن جلوگیری کرده و ناخالصیها را جذب میکند.
پاسخ: کربن جامد (کک) نیز در دماهای بسیار بالا میتواند مستقیماً آهن را احیا کند، اما این واکنش کند است. گاز کربن مونوکسید ($CO$) که از سوختن ناقص کک تولید میشود، میتواند به راحتی در تمام حجم کوره پخش شود و با سطح بیشتری از سنگ آهن تماس پیدا کند. این موضوع باعث میشود واکنش احیا به صورت پیوسته، یکنواخت و با سرعت بالا در سرتاسر کوره انجام شود. پس کک ابتدا به $CO$ تبدیل میشود و سپس $CO$ عامل اصلی احیا است.
پاورقی
1 استخراج آهن (Iron Extraction): فرآیند جداسازی فلز آهن از سنگ معدن آن.
2 سنگ آهن (Iron Ore): سنگ یا کانی که از آن میتوان آهن را به صرفه اقتصادی استخراج کرد.
3 کوره بلند (Blast Furnace): کورهای عمودی و بلند که سنگ آهن در آن ذوب و احیا شده و آهن خام تولید میکند.
4 احیا (Reduction): در شیمی، واکنشی که در آن یک اتم یا مولکول، الکترون بهدست میآورد. در این متن، جداشدن اکسیژن از ترکیب آن با آهن.
5 کانی (Mineral): مادهای جامد، طبیعی و غیرآلی با ترکیب شیمیایی نسبتاً معین.
6 پرعیار کردن (Beneficiation): مجموعه عملیاتهای فیزیکی و شیمیایی برای افزایش درصد آهن در سنگ معدن قبل از ذوب.
7 سرباره (Slag): ماده مذاب و سبکی که از ترکیب سنگ آهک با ناخالصیهای سنگ آهن در کوره تشکیل میشود.
8 آهن خام (Pig Iron): محصول خروجی کوره بلند که حاوی مقادیر زیاد کربن و دیگر ناخالصیهاست.
9 کوره اکسیژنی پایه (Basic Oxygen Furnace - BOF): کورهای برای تبدیل آهن خام به فولاد با دمیدن اکسیژن خالص.
10 فولاد (Steel): آلیاژی از آهن و کربن (معمولاً کمتر از ۲٪) که ممکن است عناصر دیگری نیز داشته باشد.
