[us_page_title description=”1″ font_size=”1.8rem” inline=”1″]
مانند دیگر عناصر گروه ۸؛ روتنیم و اوسمیوم، آهن نیز در طیف گسترده‌ای از حالت‌های اکسیداسیون یافت میشود؛ از ۲- تا ۶، هرچند که اکسایش ۲ و ۳ متداول‌ترین هستند. سرچشمهٔ عنصری آهن در شهاب‌سنگ‌ها و سایر محیط‌های کم اکسیژن است، اما نسبت به اکسیژن و آب دارای واکنش‌است. سطح آهن تازه سطحی نقره‌ای-خاکستری درخشان به نظر میرسد، اما در هوای عادی اکسیده میشود تا به صورت اکسید آهن هیدرات شده درآید، که معمولاً به عنوان زنگ شناخته میشود. بر خلاف دیگر فلزات که لایه‌های اکسید سطح، درون قطعه‌فلز را (در برابر زنگ‌زدگی) رویینه می‌سازند، لایهٔ اکسید آهن، با ادامهٔ نفوذ و اشغال حجم بیشتری از فلز، و در نتیجه پوسته پوسته شدن و سوا شدن، سطح تازه‌ای را در معرض خوردگی قرار می‌دهد.
سومریان و مصریان اولین نشانه ها برای استفاده ازآهن می باشند که تقریبا ” ۴۰۰۰ سال” قبل از میلاد باآهن کشف شده و از شهاب سنگها اقلام کوچکی مثل سر نیزه و زیور آلات تولید می کردند. از ۲۰۰۰ تا ۳۰۰۰ سال قبل از میلاد ، تعداد فراینده ای از اشیاء ساخته شد که باآهن مذاب ، این محصولات را ازآهن شهاب سنگی متمایز میکند. که در بین‌النهرین ، آسیای صغیر و مصر به چشم می‌خورد؛ اما ازآهن تنها در تشریفات استفاده میشود وآهن فلزی گرانبها حتی باارزش‌تر از طلا به‌حساب می‌آید.
از منابع اهن ، به عنوان یک محصول جانبی از تصفیه مس تولید میشود- مثل آهن اسفنجی که بوسیله متالوژی آن زمان قابل تولید مجدد نبوده است. از ۱۲۰۰تا ۱۶۰۰ قبل از میلاد در خاورمیانه بطور روز افزون از این فلز استفاده می‌شد، اما جایگزین کابرد برنز در آن زمان نشده است.
درعصرآهن سوئد در گاتلند تبراهنی متعلق به سوئد یافت شده است که از قرن ۱۰ تا ۱۲ در خاورمیانه یک جابجایی سریع در تبدیل ابزار و سلاحهای برنزی به آهنی صورت گرفت. عامل مهم در این جابجایی ، آغاز ناگهانی تکنولوژیهای پیشرفته کار باآهن نبود، بلکه عامل اصلی ، مختل شدن تامین قلع بود. این دوره جابجایی که در زمانهای مختلف و در نقاط مختلفی از جهان رخ داد، دوره ای از تمدن به نام عصرآهن را بوجود آورد.
اولین تبرآهنی متعلق به ۳۰۰۰ سال پیش از میلاد است که درداخل یکی از قبرهای سومریان واقع در شهر اور که در جنوب بین‌النهرین قرار داشت،که نشان می‌دهد استفاده ازآهن توسط انسان از حدود ۳۰۰۰ سال پیش از میلاد مسیح آغاز و عمدتاً در کشورهای مصر ،آشور ، چین و هندوستان رواج داشته است.
در آغاز انسان ازآهن طبیعی که به صورت سنگ معدن آهن با درجات خلوص متفاوت بدست می‌آمد، استفاده می‌کرد.با این حال ، نظر دیگری وجود دارد که انسانهای آنروزگاران از شهاب سنگها به‌عنوان اهن خالص‌تر استفاده می‌کردند. استفاده از آهن خالص درحدود ۱۳۰۰ سال پیش از میلاد امکان‌پذیر شد که به ظن قوی بطور تصادفی بر اثرگرما دادن شدید صخره‌های کانی ، آهن خالص توسط ذغال صورت گرفت با حرارت دادن گلاخری و ذغال نیز آهن استخراج می‌کردند.
همزمان با جایگزینی آهن به جای برنز ، فرآیند کربوریزاسیون کشف شد که بوسیله آن به اهن موجود در آن زمان ، کربن اضافه می‌کردند. اهن را بصورت اسفنجی که مخلوطی از آهن و سرباره به همراه مقداری کربن یا کاربید است، بازیافت کردند. سپس سرباره آنرا با چکش‌کاری جدا نموده ومحتوی کربن را اکسیده می‌کردند تا بدین طریق آهن نرم تولید کنند.
مردم خاور میانه دریافتند که با حرارت دادن طولانی مدت آهن نرم در لایه ای از ذغال و آب دادن آن در آب یا روغن میتوان محصولی بسیار محکمتر بدست آورد. محصول حاصله که دارای سطح فولادی است، از برنزی که قبلا کاربرد داشت محکمتر و مقاوم‌تر بود. در چین اولین بار از آهن شهاب سنگی استفاده شد و اولین شواهد باستان شناسی برای اقلام ساخته شده باآهن نرم در شمال شرقی نزدیک Xinjiang مربوط به قرن ۸ قبل از میلاد بدست آمده است. این وسایل ازآهن نرم و با همان روش خاورمیانه و اروپا ساخته شده بودند که برای مردم غیر چینی هم ارسال می‌کردند.
به سبب پیشرفت زیاد تکنولوژی کوره که در سالهای آخر پادشاهی سلسله ژو ( حدود ۵۵۰ قبل از میلاد) ، قابلیت تولید آهن جدیدی بوجود آمد. ساخت کوره‌های بلندی که توانایی حرارتهای بالای ۱۳۰۰k را داشت، و باعث تولیدآهن خام یا چدن توسط چینِی‌ها شد. اگر سنگ معدن اهن را با کربن ۱۴۷۰-۱۴۲۰ k حرارت دهیم، مایع مذابی بدست می‌آید که آلیاژی با ۵/۹۶% آهن و ۵/۵۳% کربن است. این محصول محکم را میتوان به شکلهای ریز و ظریفی در آورد. اما برای استفاده ، بسیار شکننده میباشند، در صورتی که بیشتر کربن آن از بین رفته شود.
پس از سلسله ژو به بعد اکثر تولیدات اهن در چین به شکل چدن است. اما با این حال اهن بعنوان یک محصول عادی مورد استفاده کشاورزان قرار گرفته است، باقی ماند و تا زمان سلسله شین ( حدود ۲۲۱ قبل از میلاد ( عظمت چین را واقعا تحت تاثیر قرار نداد.
دانشمندان معتقدند شاید این روش بعد از این دو مکان تا مغولستان آن سوی روسیه ادامه یافته باشد، اما دلیل محکمی برای اثبات این فرضیه وجود ندارد. تا اواخر قرن نوزدهم در هر رویدادی یک بازار برای کالاهای چدنی بوجود آمد، مانند درخواست برای گلوله‌های توپ چدنی.در ابتدا برای ذوب آهن از زغال چوب بعنوان منبع حرارتی و عامل کاهنده مورد استفاده قرار می گرفت. در قرن ۱۸ در انگلستان تامین کنندگان چوب کاهش یافت و از زغال سنگ که یک سوخت فسیلی است، بعنوان منبع جانشین استفاده شد. این نوآوری بوسیلـــه Abraham Darby که همین امر انرژی لازم برای انقلاب صنعتی را تامین نمود.
آهن دارای سطوح صاف و نقره‌ای براق مایل به رنگ خاکستری‌ست اما وقتی در هوا با اکسیژن ترکیب میشود به رنگ قرمز یا قهوه‌ای در می‌آید که به آنها اکسید دارای ترکیبات آهن یا زنگ گفته میشود. کریستال‌های خالص آهن نرمه (نرم‌تر از آلومینیوم) و با اضافه کردن مقدار کمی ناخالصی مانند کربن مقدار قابل توجهی تقویت میشود. مقادیر مناسب و کمی (تا چند درصد) از فلزات دیگر و کربن، تولید فولاد میکند که می‌تواند ۱۰۰۰ بار سخت‌تر از آهن خالص باشد.
Fe۵۶ سنگین‌ترین ایزوتوپ پایدار (تولید شده توسط فرایند آلفا در نکلئوسنتز استلار) است که با عناصر سنگین‌تر از آهن و نیکل برای تشکیلشان به سوپر نوا احتیاج دارند. آهن فراوان‌ترین عنصر در غول‌های قرمز است، و فراوان‌ترین فلز در شهاب‌سنگ‌ها و در هستهٔ فلزی متراکم در سیاراتی مثل زمین است.
آهن خالص فلز است، اما به ندرت در این شکل روی سطح زمین یافت میشود زیرا در حضور اکسیژن و رطوبت یه آسانی اکسیده میشود. به منظور به دست آوردن فلز آهن، اکسیژن باید از سنگ معدن‌های طبیعی توسط کاهش شیمیایی حذف شود – به طور عمده از سنگ آهن از سنگ Fe2O۳ توسط کربن در درجه حرارت بالاست.
خواص آهن را میتوان با تولید آلیاژهایی از آن با استفاده از فلزات متنوع گوناگون (و بعضی غیر فلزها به ویژه کربن و سیلیکون) اصلاح نمود و فولادها را ایجاد کرد. هستهٔ اتمهای آهن تقریباً دارای بالاترین انرژی‌های اتصال در هر نکلئون است و تنها ایزوتوپ Ni۶۲ دارای انرژی بیشتر از آن می‌باشد.
هرچند فراوان‌ترین نوکلید پایدار همان Fe۵۶ می‌باشد، این آهن از طریق همجوشی هسته‌ای در ستاره‌های شکل گرفته‌است و اگرچه اندکی انرژی کمتر نیز از طریق سنتز کردن نیکل ۶۲ نیز استخراج میگردد. شرایط در ستارگان برای ایجاد این فرایند مناسب نیست. توزیع عنصر آهن بر روی زمین بسیار بیشتر از نیکل است و احتمالاً در تولید عنصر از طریق سوپر نوا نیز همین‌طور است. آهن (آهن Fe+۲، یون فروس) عنصر ردیابی لازمی‌ست که تقریباً تمام موجودات زنده از آن استفاده می‌کنند.
خواص مکانیکی و آلیاژهای آن با استفاده از آزمون‌های گوناگون مانند آزمون برنیل و راکول یا آزمایش‌های مقاومت کششی ارزیابی میشود، نتایج این قسمت‌ها به گونه‌ای با یکدیگر سازگارند که قسمت‌های آهن اغلب برای مرتبط نمودن نتایج یک تست با تست دیگر به کار می‌رود. اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهد که خواص مکانیکی آهن عمدتاً بستگی به خلوص دارد به گونه‌ای که خالص‌ترین کریستال‌های تک آهن که برای مقاصد تحقیقاتی تولید شده‌اند از آلومینیوم نرم ترند، افزودن تنها ۱۰ قسمت در میلیون کربن مقاومتش را دو برابر میکند. سختی نیز به سرعت با افزایش مقدار کربن تا ۰/۲٪ و اشباع شده تقریباً در ۰/۶٪ به سرعت افزایش می‌یابد. خالص‌ترین آهن تولید شدهٔ صنعتی (تقریباً ۹۹/۹۹٪ خلوص) دارای سختی ۲۰–۳۰ برنیل است.
آهن شاید بهترین مثال شناخته شده از دگروارگی در یک فلز باشد، سه فرم چند شکلی از آهن وجود دارد که به نام‌های α، ϒ و δ شناخته میشود.همان‌طور که آهن ذوب شده سرد میشود در دمای ۱۵۳۸ درجهٔ سانتی گراد به آلوتروپ δ کریستالیزه میشود که دارای یک ساختمان کریستالی مکعبی مرکزی‌ست، همان‌طور که بیشتر سرد میشود ساختمان بلوری یا کریستالی در دمای ۱۳۹۴ درجهٔ سانتی گراد به شکل مکعبی وجه مرکزی تغییر می‌یابد که به نام آهن ϒ یا استنیت شناخته میشود، در دمای ۹۱۲ درجهٔ سانتی گراد ساختمان بلوری یا کریستالی دوباره مکعبی بدنه مرکزی یا آهن α یا فریت میشود و در ۷۷۰ درجهٔ سانتی گراد (نقطهٔ کوری، TC) آهن مغناطیسی میشود، هنگامی که آهن از دمای کوری عبور میکند تغییری در ساختمان کریستالی وجود ندارد اما در ساختمان حوزه تغییری رخ می‌دهد (هر حوزه شامل اتمهای آهن با یک اسپین الکترونیک خاص می‌باشد).
در آهن غیر مغناطیسی شده همهٔ اسپین‌های الکترونیک اتم هادر یک حوزه در یک جهت قرار دارند هرچند در حوزهٔ مجاور آنها جهات متفاوت هستند و گوناگونی دارد و لذا یکدیگر را خنثی می‌کنند، در آهن مغناطیسی اسپین‌های الکترونیک همهٔ حوزه‌ها هم جهت شده‌اند لذا اثرات مغناطیسی حوزه‌های مجاور همدیگر را تقویت می‌کنند اگر چه هر حوزه، شامل بیلیون‌ها اتم است ولی آنها خیلی کوچک و در حدود ۱۰ میکرون میباشند. آهن وقتی با بعضی فلزات خاص دیگر و کربن مخلوط میشود تا فولاد را ایجاد نماید دارای بیشترین اهمیت خواهد بود، انواع مختلفی از فولاد وجود دارد که درای خواص متفاوتی میباشند و درک خواص آلوتروپ‌های آهن کلید ساخت فولادهایی با کیفیت خوب می‌باشد.
آهن α یا همان فریت پایدارترین شکل آهن در دمای اتاق است. این آهن فلز نسبتاً نرمی‌ست که دارای مقدار کمی کرین (نه بیش از ۰/۰۲۱٪ از جرم در ۹۱۰ درجهٔ سانتی گراد) می‌باشد. در دماهای بالای ۹۱۲ درجهٔ سانتی گراد و تا ۱۴۰۰ درجهٔ سانتی گراد آهن α یک انتقال فاز از حالت مکعب بدن مرکزی به حالت مکعب وجه مرکزی یعنی آهن ϒ را که استانیت نیز نامیده میشود تجربه میکند. این آهن نیز نرم است اما می‌تواند مقدار بسیار بیشتری کربن (به میزان ۲/۴٪ جرمی در دمای ۱۱۴۶ درجهٔ سانتی گراد) داشته باشد، این شکل آهن در فولاد ضد زنگ که برای ساختن کارد و چنگال، تجهیزات بیمارستان‌ها و صنایع غذایی به کار می‌رود استفاده میشود.
معمولترین حالات اکسیداسیون آهن عبارتند از:
حالت فروس ۲+Fe
حالت فریک ۳+Fe
حالت فریل ۴+Fe که با تعدادی آنزیم ( مثلا” پیروکسیدازها ) پایدار شده است.
آهن ( VI) هم معروف است (اگرچه کمیاب می‌باشد). درصورتیکه به شکل فرات پتاسیم باشد، ( K2FeO ) یک اکسید کننده انتخابی برای الکلهای نوع اول می‌باشد. این ماده جامد فقط در شرائط خلاء و ارغوانی تیره پایدار است، هم به صورت محلول سوزآور و هم بصورت یک ماده جامد.
کاربید آهن Fe3C به نام سمنتیت معروف است.
آهن به طور طبیعی متشکل از ۴ ایزوتوپ: ۵/۸۴۸٪ رادیواکتیو Fe۵۴ (نیمه عمر بزرگتر از ۳/۱ × ۲۲ ۱۰سال)، ۹۱/۷۵۴٪ Fe۵۶ پایدار، ۲/۱۱۹٪ از Fe۵۷پایدار و ۰/۲۸۲٪ از Fe۵۸ پایدار می‌باشد. Fe۶۰ یک رادیونیوکلاید منقرض شده با نیمه عمر طولانی (۱/۵ میلیون سال) می‌باشد. بیشتر کارهای قبلی در اندازه‌گیری ترکیب ایزوتوپیک Fe بر تعیین انواع Fe۶۰ تولید شده از فرایندهای همراه با نکلئو سنتز (یعنی مطالعات شهاب سنگ) و تشکیل سنگ معدن متمرکز شده‌است.
هرچند در دههٔ اخیر پیشرفت تکنولوژی طیف‌سنجی جرمی اجازهٔ تشخیص و ارزیابی تغییرات طبیعی در نسبت‌های ایزوتوپ‌های پایدار آهن را داده‌است. بیشتر این کار به وسیلهٔ انجمن‌های علوم زمین و سیاره‌ای انجام شده‌است، هرچند کاربردهای آن در سیستم‌های بیولوژیک و صنعتی در حال آغاز شدن می‌باشد.
فراوان‌ترین ایزوتوپ آهن Fe۵۶ مورد توجه ویژهٔ دانشمندان هسته‌ای می‌باشد. تصور غلط رایج این است که این ایزوتوپ پایدارترین هسته ممکن است و لذا انجام شکافت یا همجوشی در Fe۵۶ و آزاد سازی انرژی از آن غیرممکن است این مطلب درست نیست، چرا که هم Ni۶۲ و هم Fe۵۸ پایدار ترند و پایدارترین هسته میباشند. هرچند چون نیکل Ni۵۶ در واکنشهای هسته‌ای سوپر نوا در فرایند α از هسته‌های سبکتر به گونه‌ای بسیار آسانتر تولید میشود، نیکل ۵۶ (ذرات آلفای ۱۴)آخرین نقطهٔ زنجیرهٔ همجوشی در ستاره‌های بسیار عظیم می‌باشد، و از آنجا که افزودن یک آلفای دیگر روی-۶۰ را تولید میکند که نیاز به مقدار بسیار بیشتری انرژی دارد.
این نیکل ۵۶، که دارای نیمه عمر حدود ۶ سال است به مقدار زیاد در این ستاره‌ها ساخته میشود اما به زودی توسط دو انتشار پزیترون پی در پی در درون محصولات تأخیری سوپر نوا در ابر گاز باقی‌مانده از سوپر نوا به اولین رادیو اکتیو کبالت ۵۶، و سپس آهن ۵۶ پایدار متلاشی میشود. این هستهٔ اخیر بنابر این در همه جای دنیا در مقایسه با دیگر فلزات پایدار با وزن اتمی تقریباً مشابه دارای فراوانی بیشتریست. در فازهای شهاب سنگ‌های سمارکونا و چرونیکات ارتباطی بین غلظت Na۶۰، محصول دختر Fe۶۰، و فراوانی ایزوتوپ‌های آهن پایدار قابل مشاهده بود که نشان از وجود Fe۶۰ در زمان تشکیل منظومهٔ شمسی دارد.
احتمالاً انرژی رها شده از فروپاشی آهن ۶۰ همراه با انرژی رها شده از فروپاشی رادیونیکلاید Al۲۶ در ذوب دوباره و افتراق سیارات بعد از تشکیل آنها در ۴/۶ بیلیون سال پیش مشارکت داشته‌است. فراوانی Na۶۰ موجود در مواد فرا زمینی نیز ممکن است اطلاعات بیشتری نسبت به منشأ منظومهٔ شمسی و تاریخ ابتدایی آن ارائه دهد. از میان ایزوتوپ‌های پایدار، تنها Fe۵۷ یک اسپین هسته‌ای (-۱/۲) دارد.
جرم یک اتم معمولی آهن ۵۶ برابر جرم یک اتم معمولی هیدروژن می‌باشد. عقیده بر این است که آهن ، دهمین عنصر فراوان در جهان است. Fe مخفف واژه لاتین ferrum برای آهن می‌باشد. این فلز ، از سنگ معدن آهن استخراج میشود و به‌ندرت به حالت آزاد (عنصری) یافت میگردد.
برای تهیه آهن عنصری ، باید ناخالصیهای آن با روش کاهش شیمیایی از بین برود. آهن برای تولید فولاد بکار می‌رود که عنصر نیست، بلکه یک آلیاژ و مخلوطی است از فلزات متفاوت ( و تعدادی غیر فلز بخصوص کربن ). هسته اتمهای آهن دارای بیشترین نیروی همگیر در هر نوکلئون هستند بنابراین آهن با روش همجوشی ، سنگین‌ترین و با روش شکافت اتمی ، سبکترین عنصری است که بصورت گرمازایی تولید میشود.
وقتی یک ستاره که دارای جرم کافی می‌باشد چنین کاری انجام دهد، دیگر قادر به تولید انرژی در هسته‌اش نبوده و یک ابر اختر پدید می‌آید. آهن رایج‌ترین فلز در جهان به حساب می‌آید. الگوهای جهان شناختی با یک جهان باز پیش‌بینی زمانی را میکند که در نتیجه واکنشهای همجوشی و شکافت هسته ، همه چیز به آهن تبدیل خواهد شد!
کاربرد آهن از تمامی فلزات بیشتر است و ۹۵ درصد فلزات تولید شده در سراسر جهان را تشکیل می‌دهد. قیمت ارزان و مقاومت بالای ترکیب آن استفاده از آنرا بخصوص در اتومبیلها ، بدنه کشتی‌های بزرگ و ساختمانها اجتناب ناپذیر میکند. فولاد معروف‌ترین آلیاژ آهن است و تعدادی از گونه‌های آهن به شرح زیر می‌باشد:
آهن خام که دارای ۵%-۴% کربن و مقادیر متفاوتی ناخالصی از قبیل گوگرد ، سیلیکون و فسفر است و اهمیت آن فقط به این علت است که در مرحله میانی مسیر سنگ آهن تا چدن و فولاد قرار دارد.
چدن ، شامل ۵/۳%-۲% کربن و مقدار کمی منگنز می‌باشد. ناخالصیهای موجود در آهن خام مثل گوگرد و فسفر که خصوصیات آنرا تحت تاثیر منفی قرار می‌دهد، در چدن تا حد قابل قبولی کاهش می‌یابند. نقطه ذوب چدن بین k 1470-1420 می‌باشد که از هر دو ترکیب اصلی آن کمتر است و آنرا به اولین محصول ذوب شده پس از گرم شدن همزمان کربن و آهن تبدیل میکند. چدن بسیار محکم ، سخت و شکننده می‌باشد. چدن مورد استفاده حتی چدن گرمای سفید موجب شکستن اجسام میشود.
فولاد کربن شامل ۵/۱% – ۵/۰% کربن و مقادیر کم منگنز ، گوگرد ، فسفر و سیلیکون است.
آهن ورزیده ( آهن نرم) دارای کمتر از ۵/۰% کربن می‌باشد و محصولی محکم و چکش‌خوار است، اما به اندازه آهن خام گدازپذیر نیست. حاوی مقادیر بسیار کمی کربن است ( چند دهم درصد). اگر یک لبه آن تیز شود، به‌سرعت تیزی خود را از دست می‌دهد.
فولادهای آلیاژ حاوی مقادیر متفاوتی کربن بعلاوه فلزات دیگر مانند کروم ، وانادیم ، مولیبدن ، نیکل ، تنگستن و … می‌باشد.
اکسیدهای آهن برای ساخت ذخیره مغناطیسی در کامپیوتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. آنها اغلب با ترکیبات دیگری مخلوط شده و خصوصیات مغناطیسی خود را بصورت محلول هم حفظ می‌کنند.
هماتیت چیست؟
به فرمول شيميايي Fe2SO3 و در سيستم هگزاگونال متبلور مي‌شود. و ممكن است ورقه‌اي و جهت‌يافته باشد كه اسپيكولار …
– فرمول شیمیایی: Fe2So4
– سيستم تبلور : هگزاگونال
– رنگ: قهوه‌اي مايل به قرمز تا سياه
– خاصيت مغناطيسي : گرد آن اين خاصيت را دارد.
– واكنش با اسيد : در اسيدكلريدريك حل مي‌شود.
به فرمول شيميايي Fe2SO3 و در سيستم هگزاگونال متبلور مي‌شود. و ممكن است ورقه‌اي و جهت‌يافته باشد كه اسپيكولار ناميده مي‌شود. معمولاً خاكي است. در حاليكه به صورت پزودومرف بجاي مگنتيت ايجاد مي‌شود. به نام مارتيت خوانده مي‌شود. به رنگ سياه تا خاكستري فولادي تغيير مي‌كند. انواع خاك مانند آن سرخ رنگ است كه خاك اخرا ناميده مي‌شود. جلاي نيمه فلزي دارد. سختي آن 5/5 تا 6 است براي همين شكننده است. معمولاً به صورت خالص ديده مي‌شود.
در دماي بالاي 90 درجه يك سري كامل محلول جامد بين ايلمنيت و هماتيت وجود دارد و ساختمان آن شبيه به ساختمان كرندوم است.
– ويژگي شاخص:
اين كاني را از رنگ خاكه آن و از عدم گدازش آن تشخيص مي‌دهد. پودر آن خاصيت مغناطيسي داشته و در اسيد كلريدريك حل مي‌شود.
پيدايش: هماتيت به مقدار زياد گسترش دارد. فراوان ترين سنگ معدن آهن است و ممكن است در اثر پديده تصعيد از فرايند آتشفشاني حاصل شود. در نهشته‌هاي دگرگوني مجاورتي ديده مي‌شود. نهشته‌هاي بزرگ آن غالباً منشاء رسوبي دارند در اثر فرو نشست توده‌هاي سيليسي مجاورتشان توسط آبهاي جوي از هماتيت غني‌تر مي‌شود وعيارشان بيش از 50% آهن مي‌رسد.
– كاربرد :
مصرف عمده هماتيت براي استخراج آهن مورد استفاده قرار مي‌‌گيرد. همچنين خاك سرخ آن به صورت رنگدانه قرمز مصرف مي‌شود. به عنوان پودر ساينده نيز مصرف مي‌شود. بلورهاي سياه آن به صورت جواهر برش داده مي شوند.
– علت نامگذاري آن :
در لغت يوناني به علت قرمزي رنگ نمونه خاكي آن از معني خون گرفته شده است
مگنتیت چیست ؟
مگنتیت (Magnetite) یکی از کانه های آهنی فرمول شیمیایی Fe3O4 دارد و در حالت خالص 72.36% آهن و 27.64% اکسیژن دارد. رنگ آن از خاکستری تیره تا سیاه تغییر می کند و وزن مخصوص آن بین 5.16 تا 5.18 می باشد. خاصیت مغناطیسی قوی این کانه باعث می شود که بتوان آن را به روش جدا کننده مغناطیسی از مواد باطله جدا کرد اما با این کار سایر مینرال ها یا کانه های آهن که خاصیت مغناطیسی ندارند (از جمله هماتیت ) همراه مواد باطله خارج می شوند. مگنتیت دارای شبکه کریستالیمکعبی و به صورت اسپینل معکوس با آهن دو و سه ظرفیتی است.
جزئیات ساختار مگنتیت در سال 1915 مطرح شد. مگنتیت یکی از نخستین کانی هایی بود که باروش تفریق پرتو ایکس (XRD) مورد بررسی قرار گرفت (براگ و نیشی کاوا در سال 1915). ساختار مگنتیت اسپینل معکوس و از یک شبکه FCC با سلول واحد حاوی 32 یون اکسیژن تشکیل شده که جهت کریستالی فشره آن، جهت [111] است. طول پارامتر شبکه سلول واحد a=0.839 است. مگنتیت از بسیاری از اکسیدهای آهن متمایز است زیرا هم دارای یون های دو ظرفیتی و هم دارای یون های سه ظرفیتی است. فرمول مگنتیت به شکل Y[XY]O4 که X=FeII و Y=FeIII و براکت های فرمول نشان دهنده مواضع اکتاهدرال هستند.
مگنتیت دارای خاصیت فرومگنتیک(خاصیت مغناطیسی قوی) است و این امر موجب شده تا فرآوری آن در مقایسه با هماتیت که یک کانی پارامگنتیک(خاصیت مغناطیس ضعیف)است آسان تر باشد.به طوری که تغلیظ مگنتیت بصورت کاملا فیزیکی در دو حالت تر و خشک وبدون انجام فرآیند های شیمیایی با استفاده از میدان مغناطیسی میسر می گردد.عامل اصلی در تعیین میزان تاثیر پذیری مغناطیسی کانسنگ مگنتیت میزان Feo آن می باشد بطوری که عموما کانسنگی که میزان FeOآن بیشتر از یازده درصد باشد کانسنگ مگنتیتی شناخته شده و اگر کمتر از این میزان باشد کانسنگ هماتیتی شناخته میشود.درصد FeO در فرآوری کانسنگ مگنتیتی وتعیین شدت میدان مغناطیسی جداکننده ای مغناطیسی از همیت بالایی برخوردار می باشد.
وقتی کلوخه سنگ آهن مگنتیت از سینه کار استخراج می گردد هم حاوی مقداری باطله است و هم ابعاد آن بزرگ است و از نظر اقتصادی حمل این باطله ها تا واحدتولید فولاد مستلزم صرف هزینه می باشد و ازطرفی حمل کلوخه های درشت از لحاظ فنی مشکل ساز است.
برای افزایش عیار کلوخه سنگ آهن باید آنها را که در حقیقت ترکیبی از کانی مگنتیت و باطله هستند را به قدری ریز کنیم که هرکدام از ذرات کانی ها از هم منفک گردیده و به اصطلاح به درجه آزادی مطلوب برسند تا بتوان آنها را باتوجه به اختلاف خاصیت مغناطیسی از هم جدا نمود.
به لحاظ عملی دست یابی به نقطه ای که تمام کانی های مگنتیت از باطله ها جدا کردند (یعنی درجه آزادی 100%)کاری بسیار دشوار ، هزینه بر و غیر اقتصادی است و در هرمرحله از فرآوری باید به درصدی از از درجه آزادی دست یابیم.
هرچه به دنبال درجه آزادی بیشتری باشیم بازیابی ما افزایش خواهد یافت اما در قبال آن باید متحمل هزینه های تصاعدی گردیم و باید با بررسی های فنی و اقتصادی به دنبال حدی بهینه باشیم که در آن حد به بازیابی و هزینه های تولید مناسب و اپتیموم دست بیابیم.
از کلیه مباحث فوق میتوان نتیجه گرفت که کل عملیات فرآوری سنگ آهن مگنتیت از دو دسته عملیات افزایش درجه آزادی(باخردایش و آسیا کنی) و جدایش کانی مگنتیت(با استفاده از جدا کننده های مغناطیسی) از باطله تشکیل شده است.
فرآوری تا ابعاد حدودا 3میلی متر در فرآیند خشک صورت گرفته و برای دست یابی به عیار های بالاتر باید به طریقه تر عمل کرد زیرا که اغلب سنگ شکن هاتا ابعاد حدودا2میلی متر امکان خردایش دارند(ریزترین ابعاد محصول ماسه ساز هاست) و خردکردن بیشتر فقط توسط آسیاها و در محیط سیال ممکن میگردد .ازطرفی انتقال مواد سیال بسیار آسانتر از مواد خشک است.گذشته از مسائل مربوط به خرد کردن جدایش مغناطیسی خشک نیز در ابعاد زیر 1میلی متر عملا غیر ممکن میگردد و فقط جداکننده مغناطیسی تر کارساز می گردند.
فرآوری سنگ آهن به دو مرحله اصلی تولید سنگ آهن دانه بندی شده و تولید کنسانتره سنگ آهن تقسیم بندی میشود.زیرا این دو مرحله چه به لحاظ تجهیزات و چه به لحاظ نحوه انجام عملیات فرآوری دارای تفاوت های ساختاری زیادی می باشند.
تولید سنگ آهن دانه بندی شده
کلوخه سنگ آهن استخراج شده از سینه کار استخراجی باید مرحله به مرحله خردتر گشته و باطله ها از کانی مگنتیت جداگردند.در واحد های فرآوری کوچک مقیاس باظرفیت زیر 500تن بر ساعت فرآیند فرآوری در مراحل زیر توصیه می گردد که حاصل تجربیات و بررسی های فنی و اقتصادی متعدد بوده است.
-
خردایش اولیه
خردایش اولیه در واحد های کوچک مقیاس اغلب توسط سنگ شکن های فکی صورت می گیرد زیراکه در ظرفیت های زیر 500تن بر ساعت سنگ شکن های فکی برای خردایش توصیه می شوند ودر مرحله سنگ شکن ژیراتوری با هسته 36اینچی رایج است. سنگ شکن های فکی و ژیراتوری دارای نسبت خردایش بالایی بالغ بر 7 میباشند.در این مرحله از خردایش کلوخه هایی به ابعاد400تا600میلی متر ابتدا در سنگ شکن فکی به ابعاد حدودا100تا150میلی متر تبدیل می گردند و سپس به سنگ شکن ژیراتوری منتقل گردیده و به ابعاد حدودا 40تا60میلی متر خرد تر میگردند.
خردایش اولیه همیشه به شکل خط باز می باشند و استفاده از خط بسته و بار درگردش در این مرحله رایج نیست.
-
پیش فرآوری
باتوجه به این که همیشه کلوخه هایی از باطله در فرآیند استخراج با کلوخه های سنگ آهن مخلوط میگردند و از طرفی هزینه های خردایش مرحله ثانویه دارای ظرفیت های پایین و هزینه های بالایی می باشد،توصیه میشود در این مرحله از کار محصول تولیدی مرحله خردایش اولیه که محصول تولیدی سنگ شکن های اولیه(فکی و ژیراتوری) را توسط یک بلت درام مگنت (جداکننده مغناطیسی نواری
) جهت حذف دانه هایی که باطله صرف هستند انجام پذیرد.تجربه نشان می دهند در معادنی که عیار کلوخه پایین می باشد یا شکل ذخیره طوریست که منجر به اختلاط بالا می گردد این مرحله از فرآوری دارای اهمیت بالایی بوده باعث افزایش 40درصدی راندمان تولید می گردد.
سپراتور های خشک درام مگنت در این مرحله از کارایی مناسبی برخوردار نخواهند بود زیرا به علت درشت بودن خوراک دارای استهلاک بالایی خواهند بود استفاده از بلت درام سپراتور در این مرحله توصیه می گردد.
-
خردایش ثانویه
در این مرحله از خردایش دانه های پیش فرآوری شده، توسط سنگ شکن های ثانویه که در مقیاس های کوچک اغلب از نوع سنگ شکن های مخروطی(Cone Crasher)می باشند به ابعاد ریزتری تبدیل می گردند تا با افزایش درجه آزادی بتوان به محصول با عیار بالاتری دست یافت.
از عوامل تعیین کننده در ابعاد محصول مرحله خردایش ثانویه می توان به عیار ذاتی سنگ و نحوه درگیری کانه های مگنتیت با باطله اشاره کرد . هرچه میزان این درگیری بیشتر باشد باید برای رسیدن به عیار مطلوب آنرا به ابعاد کوچکتری خرد کنیم. عامل دیگر در این امر هزینه های حمل می باشد ،یعنی هرچه هزینه حمل محصول دانه بندی شده تا واحد تولید کنسانتره سنگ آهن بیشتر باشد و برای جلو گیری از هزینه های حمل اضافی باید عیار را باریز تر کردن مواد بالاتر برد.
خردایش ثانویه اغلب در مسیر بسته بوده و با استفاده از سرند های لرزان برای آنها بار درگردش ایجاد می کنند تا به محصولی بادانه بندی مشخص دست یافت.بسته به مقاومت مکانیکی مواد،ابعاد محصول و عیار مورد نظر در یک واحد خردایش ثانویه از سنگ شکن های مخروطی و و سرند ها با تعداد زیاد بهره می بند.
-
فرآوری نهایی
در این مرحله از فرآوری محصول خرد شده نهایی مرحله خردایش ثانویه توسط درام مگنت سپراتور های خشک در دومرحله فرآوری شده و دانه ها به سه بخش باطله،کم عیار و پرعیار تقسیم بندی میگردند.جدایش مغناطیسی در مرحله ای در این بخش از فرآوری دارای دو مزیت می باشد:
اول این که جدایش دو مرحله ای باعث تفکیک بهتر دانه های پرعیار از کم عیار می گردد که این امر در افزایش عیار و بازیابی نقش مهمی را ایفا میکند
دوم این که با تولید محصول کم عیار در کنار محصول پرعیار امکان فرآوری مجدد بخش کم عیار را در آینده درصورت رشد تکنولوژی یا افزایش ارزش فروش محصول فراهم می گردد .
-
تولید کنسانتره
در ادامه فرآیند تولید باید سنگ آهن دانه بندی شده توسط آسیای مناسب به حد مطلوب نرم گردد و سپس توسط جدا کننده های مغناطیسی کانه مگنتیت آن از باطله جدا گشته و به عیار و ابعاد مطلوب دست یافت.
درحالت کلی فرآیند تولید کنسانتره سنگ آهن به بخش های زیر تقسیم بندی می گردد:
-
آسیا کنی (مرحله اول )
با توجه به ظرفیت های بالای تولید کنسانتره سنگ آهن مناسب ترین آسیا،آسیای گردان بویژه آسیای گلوله ای به صورت تر می باشد که از لحاظ توان تولید جزو آسیاها باتوان تولید بالا می باشد. حد مطلوب آسیا کنی در مگنتیت در سطح تولید کوچک مقیاس اغلب زیر 150میکرون می باشد که عموما در این رنج ابعادی کانه مگنتیت و همچنین کانه های عناصر مزاحم شامل پیریت،پیروتیت و آپاتیت به درجه آزادی مطلوبی می رسند.
از آنجایی که آسیای یک واحد تولید کنسانتره مهمترین عامل در تعیین ظرفیت تولید می باشد رسیدن به بالاترین حد راندمان آسیا امری بسیار مهم می باشد.بر همین اساس باید با استفاده از یک کلاسیفایر مناسب یک بار درگردش برای آسیا تعریف کرد تا ضمن کنترل ابعاد محصول به حد اکثر تولید دست یافت.با ایجاد بار درگردش برای آسیا میتوان به حد اکثر توان تولید یک آسیا دست یافت.
-
دانه بندی (مرحله دوم )
باتوجه به این که محصول خروجی آسیای گلوله ای ترکیبی از رنج ابعادی مختلف می باشد که عموما شامل بخشی از دانه های درشت می باشد استفاده از یک سیستم دانه بندی و بار در گردش جهت بازگشت ذرات بزرگتر از 150میکرون به آسیا در این بخش لازم و ضروری است و به توجه به این که روش فرآوری به صورت تر می باشد بهترین انتخاب برای این بخش هیدروسیکلون می باشد که علاوه بر جدایش مطلوب از سرمایه گذاری اولیه پایین،استهلاک کم و کاربری آسان برخوردار می باشد.
-
جدایش مغناطیسی (مرحله سوم )
پس از پایان بخش آسیا کنی و دانه بندی نوبت به جداکردن ذرات مگنتیت از باطله ها فرا میرسد و در این بخش نیز از سپراتورهای تر مغناطیسی از نوع جریان موافق استفاده می گردد. سپراتور های مورد استفاده در این بخش اغلب سپراتور های LIMSبه طور متوالی و در شدت های متفاوت می باشند که تعداد و شدت دقیق تر این سپراتور ها پس انجام آزمایش دیویس و درام بر روی خوراک به دست می آید.
توصیه می شود برای انجام یک مرحله پیش فرآوری یک دستگاه سپراتور LIMS با شدت میدان نسبتا بالا در بارد درگرد و در خروجی آسیا قرار داد تا ضمن یک مرحله جدایش ، از بازگشت ذرات درشت باطله از طریق هیدروسیکلون به آسیا جلوگیری کند تا ضمن امکان فرآوری خوراک باعیارکم،از صرف هزینه های تصفیه پساب جلوگیری شود.
پس از انجام پیش فرآوری و دانه بندی توسط سیکلون خروجی دانه ریز سیکلون به مجموعه سپراتور ها منتقل و پس از انجام جدایش به عیار مطلوب می رسند.
-
حذف عناصر مضر( مرحله چهارم )
عناصر مضری که درجه کیفی کنسانتره مگنتیت را کاهش می دهند شامل گوگرد درقالب کانی های پیریت و پیروتیت و فسفر درقالب کانی آپاتیت هستند .
خوشبختانه کلیه کانی های مضر دارای خاصیت مغناطیسی بسیار ضعیفی می باشند و با نرم شدن ذرات کانسنگ در بخش آسیا کنی و افزایش درجه ازادی کلیه کانی ها، کانی های مضر نیز در قسمت جدایش مغناطیسی به همراه باطله ها از سیستم دفع می شوند . تجربه حاصله در تولید کنسانتره مگنتیت نشان می دهد که خوراک دارای نیم درصد عناصر مزاحم گوگرد یا فسفر در اثر آسیا کنی و جدایش مغناطیسی به حد نرمال کاهش می یابند .
اما زمانی که میزان این عناصر مزاحم به قدری باشد که در ابعاد مورد نظر به درجه آزادی مناسب دست نیافته و غلظت آنها در محصول کنسانتره بالاتر از حد نرمال باشد استفاده از روش فلوتاسیون جهت جدایش این کانی های مزاحم اجتناب ناپذیر می باشد.
-
آبگیری (مرحله پنجم)
محصول خروجی درام مگنت سپراتور ها کنسانتره با رطوبت بالای 15 درصد می باشد و برای تسهیل حمل و نقل کنسانتره ،افزایش بازیابی آب و همچنین کاهش هزینه های حمل باید آبگیری شود. در این مرحله از فیلتر های دیسکی خلایی که دارای ظرفیت ها بالا و مناسب برای کنسانتره سنگ آهن می باشند استفاده می گردد. رطوبت بهینه برای کنسانتره حدودا 5درصد می باشد.
-
بازیافت پساب (مرحله ششم)