ধাতুবিদ্যা এবং লোহার (Fe) শিল্প উৎপাদন

প্রাকৃতিক উৎস এবং প্রধান আকরিকসমূহ

লোহা পৃথিবীর ভূত্বকের দ্বিতীয় সর্বাধিক প্রাচুর্যপূর্ণ ধাতু এবং ভর অনুসারে চতুর্থ সর্বাধিক প্রাচুর্যপূর্ণ মৌল। অক্সিজেন ও জলের সাথে এর বিক্রিয়াশীলতার কারণে এটি পৃথিবীতে তার আদিম ধাতব অবস্থায় খুব কমই পাওয়া যায়।

লোহার প্রধান আকরিকসমূহ:

• হেমাটাইট (লাল লোহার আকরিক): Fe₂O₃ (নিষ্কাশনের জন্য সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ আকরিক)
• ম্যাগনেটাইট (কালো লোহার আকরিক): Fe₃O₄ (চুম্বকীয়, লোহায় অত্যন্ত সমৃদ্ধ)
• লিমোনাইট (বাদামী লোহার আকরিক): Fe₂O₃·nH₂O (আর্দ্র আয়রন অক্সাইড)
• সিডারাইট (আয়রন কার্বনেট): FeCO₃
• আয়রন পাইরাইটস (ফুলস গোল্ড): FeS₂ (সালফাইড আকরিক, সালফারের অশুদ্ধতার কারণে সাধারণত লোহা নিষ্কাশনের জন্য ব্যবহৃত হয় না)

আকরিকের ঘনীকরণ

নির্বাচিত পদ্ধতিটি আকরিক এবং অশুদ্ধি (গ্যাং) এর প্রকৃতির উপর নির্ভর করে। লোহার আকরিক প্রাথমিকভাবে ভৌত পদ্ধতি ব্যবহার করে ঘনীভূত করা হয়।

১. চূর্ণকরণ এবং গুঁড়ো করা

• খনি থেকে তোলা আকরিক প্রথমে জ ক্রাশার ব্যবহার করে ছোট ছোট টুকরো করা হয় এবং তারপর বল মিলে সূক্ষ্মভাবে গুঁড়ো করা হয়।

২. অভিকর্ষজ পৃথকরণ (হাইড্রোলিক ওয়াশিং)

• নীতি: আকরিক কণা এবং গ্যাং কণার আপেক্ষিক ঘনত্বের পার্থক্যের উপর ভিত্তি করে।
• প্রক্রিয়া: সূক্ষ্মভাবে গুঁড়ো করা আকরিক জলের স্রোত দ্বারা ধোয়া হয়। হালকা গ্যাং কণা ধুয়ে যায়, ভারী আকরিক কণা পিছনে থেকে যায়।
• প্রয়োগ: হেমাটাইটের মতো ভারী অক্সাইড আকরিকের জন্য উপযুক্ত।

৩. চৌম্বকীয় পৃথকরণ

• নীতি: যখন আকরিক বা গ্যাং যেকোনো একটি চৌম্বকীয় হয়, তখন এটি প্রযোজ্য।
• প্রক্রিয়া: সূক্ষ্মভাবে গুঁড়ো করা আকরিক একটি চৌম্বকীয় রোলারের উপর দিয়ে প্রবাহিত করা হয়। চৌম্বকীয় কণাগুলি রোলারের দিকে আকৃষ্ট হয় এবং এক স্তূপে পড়ে, যখন অচৌম্বকীয় কণাগুলি আলাদাভাবে পড়ে।
• প্রয়োগ: ম্যাগনেটাইট (Fe₃O₄) এর জন্য অত্যন্ত কার্যকর, যা চৌম্বকীয়, এবং হেমাটাইট (Fe₂O₃) এর জন্য রোস্টিং এর পর এটি আংশিকভাবে ম্যাগনেটাইটে রূপান্তরিত হলে ব্যবহার করা যেতে পারে।

অপরিশোধিত ধাতুতে বিজারণ (ব্লাস্ট ফার্নেসে নিষ্কাশন)

লোহার শিল্প নিষ্কাশন প্রধানত একটি ব্লাস্ট ফার্নেসে আয়রন অক্সাইডগুলির বিজারণের মাধ্যমে ঘটে। ব্লাস্ট ফার্নেসে ব্যবহৃত কাঁচামালগুলি হল: ১. ঘনীভূত লোহার আকরিক (হেমাটাইট, ম্যাগনেটাইট) ২. কোক (C) - একটি বিজারক এবং জ্বালানী হিসাবে কাজ করে। ৩. চুনাপাথর (CaCO₃) - অম্লীয় অশুদ্ধি (সিলিকা, SiO₂) অপসারণের জন্য একটি ফ্লাক্স হিসাবে কাজ করে।

ব্লাস্ট ফার্নেস প্রক্রিয়া:

একটি ব্লাস্ট ফার্নেস হল একটি লম্বা, নলাকার ইস্পাতের পাত্র যা অবাধ্য ইট দিয়ে রেখাযুক্ত, এবং এটি অবিচ্ছিন্নভাবে কাজ করার জন্য তৈরি করা হয়েছে। ফার্নেসের নিচে গরম বাতাস ফুঁকে দেওয়া হয়।

১. প্রাক-উত্তাপন এবং শুষ্ককরণ অঞ্চল (২০০-৭০০°C, ফার্নেসের উপরের অংশ)

• আর্দ্রতা অপসারিত হয় এবং আকরিক উপরে ওঠা গরম গ্যাস দ্বারা প্রাক-উত্তপ্ত হতে শুরু করে।
• কিছু CO দ্বারা বিজারণ শুরু হয়: 3Fe₂O₃ + CO → 2Fe₃O₄ + CO₂

২. বিজারণ অঞ্চল (৭০০-১২০০°C, ফার্নেসের মধ্যভাগ)

• পরোক্ষ বিজারণ: কোকের দহন থেকে উৎপন্ন কার্বন মনোক্সাইড (CO) প্রাথমিক বিজারক হিসাবে কাজ করে। Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂ Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
• চুনাপাথরের বিয়োজন: CaCO₃ → CaO + CO₂

৩. স্ল্যাগ গঠন অঞ্চল (১২০০-১৫০০°C, নিচের মধ্যভাগ)

• ফ্লাক্সের ক্রিয়া: চুনাপাথরের বিয়োজন থেকে উৎপন্ন ক্যালসিয়াম অক্সাইড (CaO) আকরিকের মধ্যে উপস্থিত অম্লীয় অশুদ্ধি (সিলিকার মতো গ্যাং) এর সাথে বিক্রিয়া করে। CaO (flux) + SiO₂ (gangue) → CaSiO₃ (slag)
• এই গলিত স্ল্যাগ গলিত লোহার চেয়ে হালকা এবং এর পৃষ্ঠে ভেসে থাকে, লোহাকে পুনরায় জারণ থেকে রক্ষা করে। এটি আলাদাভাবে বের করে নেওয়া হয়।

৪. দহন এবং গলন অঞ্চল (১৫০০-১৯০০°C, ফার্নেসের নিচের অংশ)

• কোকের দহন: গরম বাতাস (ব্লাস্ট) কোকের সাথে বিক্রিয়া করে কার্বন মনোক্সাইড উৎপন্ন করে এবং প্রচুর তাপ সৃষ্টি করে। 2C (coke) + O₂ (hot air) → 2CO (exothermic)
• প্রত্যক্ষ বিজারণ (উচ্চ তাপমাত্রায়): কিছু আয়রন অক্সাইড কার্বন দ্বারা সরাসরি বিজারিত হয়। Fe₂O₃ + 3C → 2Fe + 3CO
• গলিত লোহা ফার্নেসের নিচে জমা হয়। এতে প্রায় ৪% কার্বন এবং অল্প পরিমাণে S, P, Si, এবং Mn থাকে, যা এতে দ্রবীভূত হয়। লোহার এই অপরিশোধিত রূপকে পিগ আয়রন বলা হয়।

উৎপাদন:

• পিগ আয়রন: ফার্নেসের নিচ থেকে নিষ্কাশিত গলিত লোহা। উচ্চ কার্বন উপাদানের কারণে এটি ভঙ্গুর।
• স্ল্যাগ: গলিত ক্যালসিয়াম সিলিকেট, যা গলিত লোহার উপর থেকে নিষ্কাশিত হয়। রাস্তা নির্মাণ এবং সিমেন্ট উৎপাদনে ব্যবহৃত হয়।
• ব্লাস্ট ফার্নেস গ্যাস: ফার্নেসের উপর থেকে নির্গত নিষ্কাশিত গ্যাস (CO, CO₂, N₂), যা প্রায়শই আগত বায়ুপ্রবাহকে প্রাক-উত্তপ্ত করতে ব্যবহৃত হয়।

পরিশোধন এবং বিশুদ্ধকরণ

ব্লাস্ট ফার্নেস থেকে সরাসরি উৎপন্ন পিগ আয়রন ভঙ্গুর হয় এবং এতে কার্বন (৩-৫%), সিলিকন, ম্যাঙ্গানিজ, ফসফরাস এবং সালফারের মতো অশুদ্ধি থাকে। এটিকে কাঙ্ক্ষিত বৈশিষ্ট্যযুক্ত লোহার বিভিন্ন রূপ তৈরি করতে আরও প্রক্রিয়াজাত করা হয়।

১. ঢালাই লোহা

• উৎপাদন: পিগ আয়রনকে স্ক্র্যাপ লোহা এবং কোকের সাথে পুনরায় গলিয়ে ছাঁচে ঢালা হয়।
• বৈশিষ্ট্য: এতে প্রায় ২.৫-৪% কার্বন থাকে। এটি শক্ত ও ভঙ্গুর, অ-নমনীয় এবং ঢালাই করা যায় না।
• ব্যবহার: পাইপ, স্টোভের যন্ত্রাংশ, ইঞ্জিন ব্লক তৈরিতে।

২. পেটা লোহা

• উৎপাদন: বাণিজ্যিক লোহার সবচেয়ে বিশুদ্ধ রূপ। এটি হেমাটাইট (Fe₂O₃) দিয়ে রেখাযুক্ত একটি রিভার্বেরেটরি ফার্নেসে বেশিরভাগ অশুদ্ধিকে জারিত করে ঢালাই লোহা থেকে প্রস্তুত করা হয়। হেমাটাইট কার্বনকে CO তে জারিত করে এবং অন্যান্য অশুদ্ধি (Si, Mn, P) লাইনিং এবং ফ্লাক্সের সাথে বিক্রিয়া করে স্ল্যাগ তৈরি করে। Fe₂O₃ (lining) + 3C → 2Fe + 3CO Si + O₂ → SiO₂ Mn + O₂ → MnO 2P + 5O → P₂O₅
• বৈশিষ্ট্য: এতে ০.২৫% এর কম কার্বন থাকে। এটি নরম, নমনীয়, প্রসার্য, দৃঢ় এবং ঢালাই করা যায়।
• ব্যবহার: অ্যাঙ্কর চেইন, রিভেট, কৃষি সরঞ্জাম।

৩. ইস্পাত

• ইস্পাত হল লোহা, ০.০২% থেকে ২% কার্বন এবং অন্যান্য সংকর উপাদানের একটি সংকর ধাতু। এর শক্তি এবং বহুমুখীতার কারণে এটি লোহার সবচেয়ে বেশি ব্যবহৃত রূপ।

• আধুনিক ইস্পাত উৎপাদন প্রক্রিয়া:

  ক) বেসিক অক্সিজেন ফার্নেস (BOF) প্রক্রিয়া

  • নীতি: পিগ আয়রন, স্ক্র্যাপ ইস্পাত সহ, মৌলিক অবাধ্য পদার্থ (যেমন ম্যাগনেসিয়া বা ডলোমাইট) দিয়ে রেখাযুক্ত একটি বড়, নাশপাতি-আকৃতির ফার্নেসে চার্জ করা হয়। একটি জল-শীতলকৃত ল্যান্সের মাধ্যমে উচ্চ বেগে বিশুদ্ধ অক্সিজেন গলিত ধাতুর পৃষ্ঠে ফুঁকে দেওয়া হয়।
  • বিক্রিয়া: অক্সিজেন দ্রুত অশুদ্ধিগুলিকে জারিত করে:
    • কার্বনকে CO বা CO₂ তে (C + O₂ → CO₂)
    • সিলিকনকে SiO₂ তে (Si + O₂ → SiO₂)
    • ম্যাঙ্গানিজকে MnO তে (Mn + O₂ → MnO)
    • ফসফরাসকে P₂O₅ তে (2P + 5O₂ → P₂O₅)
    • সালফারকে SO₂ তে (S + O₂ → SO₂)
  • অম্লীয় অক্সাইড (SiO₂, P₂O₅) স্ল্যাগ হিসাবে অপসারণের জন্য ফ্লাক্স (চুনাপাথর বা ডলোমাইট) যোগ করা হয়।
  • সুবিধা: দ্রুত (২০-৩০ মিনিট), অর্থনৈতিক।
  • উৎপাদন: গলিত ইস্পাত, যা পরবর্তীতে বিভিন্ন আকারে ঢালা হয় বা আরও সংকরীকরণের জন্য ব্যবহৃত হয়।

  খ) ইলেকট্রিক আর্ক ফার্নেস (EAF) প্রক্রিয়া

  • নীতি: স্ক্র্যাপ ধাতু (ইস্পাত, ঢালাই লোহা) গলানো হয় বড় গ্রাফাইট ইলেক্ট্রোড এবং ধাতব চার্জের মধ্যে দিয়ে প্রবাহিত একটি বৈদ্যুতিক আর্ক থেকে উৎপন্ন তাপ দ্বারা। অশুদ্ধি অপসারণের জন্য অক্সিজেন ফুঁকে দেওয়া হয়।
  • সুবিধা: ১০০% স্ক্র্যাপ ব্যবহার করা যায়, তাপমাত্রা এবং সংকর উপাদানের উপর সুনির্দিষ্ট নিয়ন্ত্রণ, উচ্চ-মানের বিশেষ ইস্পাত উৎপাদন করে।
  • উৎপাদন: উচ্চ-মানের ইস্পাত।

ইস্পাত তৈরির পর, গলিত ইস্পাত সাধারণত আধা-সমাপ্ত পণ্য (স্ল্যাব, ব্লুম, বিলেট) হিসাবে ঢালা হয় এবং তারপর চূড়ান্ত পণ্যগুলিতে রোলিং, ফোর্জিং বা অন্যান্য পদ্ধতি দ্বারা আরও প্রক্রিয়াজাত করা হয়।