લોખંડ (Fe) નું ધાતુકર્મ અને ઔદ્યોગિક નિષ્કર્ષણ

કુદરતી ઉપલબ્ધતા અને મુખ્ય કાચી ધાતુઓ

લોખંડ પૃથ્વીના પોપડામાં બીજું સૌથી વિપુલ પ્રમાણમાં જોવા મળતી ધાતુ છે અને દળ દ્વારા ચોથું સૌથી વિપુલ પ્રમાણમાં જોવા મળતું તત્વ છે. ઓક્સિજન અને પાણી સાથેની તેની પ્રતિક્રિયાત્મકતાને કારણે તે પૃથ્વી પર તેની મૂળ ધાતુ અવસ્થામાં ભાગ્યે જ જોવા મળે છે.

લોખંડની મુખ્ય કાચી ધાતુઓ:

• હેમેટાઈટ (લાલ લોખંડની કાચી ધાતુ): Fe₂O₃ (નિષ્કર્ષણ માટે સૌથી મહત્વપૂર્ણ કાચી ધાતુ)
• મેગ્નેટાઈટ (કાળી લોખંડની કાચી ધાતુ): Fe₃O₄ (ચુંબકીય, લોખંડથી ભરપૂર)
• લિમોનાઈટ (ભૂરા લોખંડની કાચી ધાતુ): Fe₂O₃·nH₂O (હાઈડ્રેટેડ આયર્ન ઓક્સાઇડ)
• સિડેરાઈટ (આયર્ન કાર્બોનેટ): FeCO₃
• આયર્ન પાયરાઈટ્સ (ફુલ્સ ગોલ્ડ): FeS₂ (સલ્ફાઇડ કાચી ધાતુ, સલ્ફરની અશુદ્ધિઓને કારણે સામાન્ય રીતે લોખંડના નિષ્કર્ષણ માટે ઉપયોગ થતો નથી)

કાચી ધાતુનું સંકેન્દ્રણ

પસંદ કરેલી પદ્ધતિ કાચી ધાતુના સ્વભાવ અને અશુદ્ધિઓ (ગેંગ) પર આધાર રાખે છે. લોખંડની કાચી ધાતુઓ મુખ્યત્વે ભૌતિક પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરીને સંકેન્દ્રિત થાય છે.

1. દળવું અને પીસવું

• ખનન કરેલી કાચી ધાતુને સૌપ્રથમ જૉ ક્રશરનો ઉપયોગ કરીને નાના ટુકડાઓમાં દળવામાં આવે છે અને પછી બોલ મિલમાં બારીક પીસવામાં આવે છે.

2. ગુરુત્વાકર્ષણ પૃથક્કરણ (હાઇડ્રોલિક ધોવાણ)

• સિદ્ધાંત: કાચી ધાતુના કણો અને ગેંગ કણોની વિશિષ્ટ ઘનતામાં તફાવત પર આધારિત છે.
• પ્રક્રિયા: બારીક પીસેલી કાચી ધાતુને પાણીના પ્રવાહથી ધોવામાં આવે છે. હળવા ગેંગ કણો ધોવાઈ જાય છે, અને ભારે કાચી ધાતુના કણો પાછળ રહી જાય છે.
• ઉપયોગ: હેમેટાઈટ જેવી ભારે ઓક્સાઇડ કાચી ધાતુઓ માટે યોગ્ય છે.

3. ચુંબકીય પૃથક્કરણ

• સિદ્ધાંત: જ્યારે કાચી ધાતુ અથવા ગેંગ ચુંબકીય હોય ત્યારે લાગુ પડે છે.
• પ્રક્રિયા: બારીક પીસેલી કાચી ધાતુને ચુંબકીય રોલર પરથી પસાર કરવામાં આવે છે. ચુંબકીય કણો રોલર તરફ આકર્ષાય છે અને એક ઢગલામાં પડે છે, જ્યારે બિન-ચુંબકીય કણો અલગથી પડે છે.
• ઉપયોગ: મેગ્નેટાઈટ (Fe₃O₄), જે ચુંબકીય છે, તેના માટે અત્યંત અસરકારક છે અને હેમેટાઈટ (Fe₂O₃) માટે પણ ઉપયોગ કરી શકાય છે જ્યારે તેને રોસ્ટિંગ દ્વારા આંશિક રીતે મેગ્નેટાઈટમાં રૂપાંતરિત કરવામાં આવે છે.

કાચી ધાતુનું અશુદ્ધ ધાતુમાં રિડક્શન (બ્લાસ્ટ ફર્નેસમાં નિષ્કર્ષણ)

લોખંડના ઔદ્યોગિક નિષ્કર્ષણમાં મુખ્યત્વે બ્લાસ્ટ ફર્નેસ માં આયર્ન ઓક્સાઇડનું રિડક્શન શામેલ છે. બ્લાસ્ટ ફર્નેસમાં ભરવામાં આવતી કાચી સામગ્રીઓ આ પ્રમાણે છે:

1. સંકેન્દ્રિત લોખંડની કાચી ધાતુ (હેમેટાઈટ, મેગ્નેટાઈટ)
2. કોક (C) - રિડ્યુસિંગ એજન્ટ અને બળતણ તરીકે કાર્ય કરે છે.
3. ચૂનાનો પત્થર (CaCO₃) - એસિડિક અશુદ્ધિઓ (સિલિકા, SiO₂) દૂર કરવા માટે ફ્લક્સ તરીકે કાર્ય કરે છે.

બ્લાસ્ટ ફર્નેસ પ્રક્રિયા:

બ્લાસ્ટ ફર્નેસ એ રિફ્રેક્ટરી ઈંટોથી રેખાંકિત એક ઊંચું, નળાકાર સ્ટીલનું વાસણ છે, જે સતત કાર્ય કરવા માટે ડિઝાઇન કરવામાં આવ્યું છે. ભઠ્ઠીના તળિયે ગરમ હવા ફૂંકવામાં આવે છે.

1. પૂર્વ-ગરમી અને સૂકવણી ઝોન (200-700°C, ભઠ્ઠીનો ઉપરનો ભાગ)

• ભેજ દૂર થાય છે, અને ઉપર આવતી ગરમ વાયુઓ દ્વારા કાચી ધાતુ પૂર્વ-ગરમ થવા માંડે છે.
• CO દ્વારા અમુક રિડક્શન શરૂ થાય છે: 3Fe₂O₃ + CO → 2Fe₃O₄ + CO₂

2. રિડક્શન ઝોન (700-1200°C, ભઠ્ઠીનો મધ્ય ભાગ)

• પરોક્ષ રિડક્શન: કોકના દહનથી બનતો કાર્બન મોનોક્સાઇડ (CO) મુખ્ય રિડ્યુસિંગ એજન્ટ તરીકે કાર્ય કરે છે. Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂ Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
• ચૂનાના પત્થરનું વિઘટન: CaCO₃ → CaO + CO₂

3. સ્લેગ નિર્માણ ઝોન (1200-1500°C, નીચેનો મધ્ય ભાગ)

• ફ્લક્સની ક્રિયા: ચૂનાના પત્થરના વિઘટનથી બનતું કેલ્શિયમ ઓક્સાઇડ (CaO) કાચી ધાતુમાં હાજર એસિડિક અશુદ્ધિઓ (સિલિકા જેવી ગેંગ) સાથે પ્રતિક્રિયા આપે છે. CaO (flux) + SiO₂ (gangue) → CaSiO₃ (slag)
• આ પીગળેલો સ્લેગ પીગળેલા લોખંડ કરતાં હળવો હોય છે અને તેની સપાટી પર તરે છે, જે લોખંડને ફરીથી ઓક્સિડેશન થવાથી રક્ષણ આપે છે. તેને અલગથી કાઢી લેવામાં આવે છે.

4. દહન અને ફ્યુઝન ઝોન (1500-1900°C, ભઠ્ઠીનો નીચેનો ભાગ)

• કોકનું દહન: ગરમ હવા (બ્લાસ્ટ) કોક સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને કાર્બન મોનોક્સાઇડ ઉત્પન્ન કરે છે અને પુષ્કળ ગરમી ઉત્પન્ન કરે છે. 2C (coke) + O₂ (hot air) → 2CO (exothermic)
• સીધું રિડક્શન (ઊંચા તાપમાને): કેટલાક આયર્ન ઓક્સાઇડ સીધા કાર્બન દ્વારા રિડ્યુસ થાય છે. Fe₂O₃ + 3C → 2Fe + 3CO
• પીગળેલું લોખંડ ભઠ્ઠીના તળિયે એકત્ર થાય છે. તેમાં લગભગ 4% કાર્બન અને S, P, Si અને Mn ની ઓછી માત્રા હોય છે, જે તેમાં ઓગળી જાય છે. લોખંડના આ અશુદ્ધ સ્વરૂપને પિગ આયર્ન કહેવામાં આવે છે.

નિર્ગમ (ઉત્પાદન):

• પિગ આયર્ન: ભઠ્ઠીના તળિયેથી કાઢવામાં આવેલું પીગળેલું લોખંડ. તેમાં કાર્બનનું પ્રમાણ વધુ હોવાને કારણે તે બરડ હોય છે.
• સ્લેગ: પીગળેલા કેલ્શિયમ સિલિકેટ, જે પીગળેલા લોખંડની ઉપરથી કાઢવામાં આવે છે. તેનો ઉપયોગ રસ્તાના બાંધકામ અને સિમેન્ટના ઉત્પાદનમાં થાય છે.
• બ્લાસ્ટ ફર્નેસ ગેસ: ટોચ પરથી બહાર નીકળતા એક્ઝોસ્ટ વાયુઓ (CO, CO₂, N₂), જેનો ઉપયોગ ઘણીવાર આવતા હવાના બ્લાસ્ટને પૂર્વ-ગરમ કરવા માટે થાય છે.

શુદ્ધિકરણ અને પરિષ્કરણ

બ્લાસ્ટ ફર્નેસમાંથી સીધું ઉત્પન્ન થતું પિગ આયર્ન બરડ હોય છે અને તેમાં કાર્બન (3-5%), સિલિકોન, મેંગેનીઝ, ફોસ્ફરસ અને સલ્ફર જેવી અશુદ્ધિઓ હોય છે. તેને ઇચ્છિત ગુણધર્મોવાળા લોખંડના વિવિધ સ્વરૂપો ઉત્પન્ન કરવા માટે આગળ પ્રક્રિયા કરવામાં આવે છે.

1. કાસ્ટ આયર્ન

• ઉત્પાદન: પિગ આયર્નને સ્ક્રેપ આયર્ન અને કોક સાથે ફરીથી પીગાળવામાં આવે છે, પછી તેને મોલ્ડમાં ઢાળવામાં આવે છે.
• ગુણધર્મો: તેમાં લગભગ 2.5-4% કાર્બન હોય છે. તે સખત અને બરડ હોય છે, બિન-નમ્ય હોય છે અને તેને વેલ્ડ કરી શકાતું નથી.
• ઉપયોગો: પાઈપો, સ્ટોવના ભાગો, એન્જિન બ્લોકના ઉત્પાદનમાં.

2. ઘડતર લોખંડ (Wrought Iron)

• ઉત્પાદન: વ્યાપારી લોખંડનું સૌથી શુદ્ધ સ્વરૂપ. તે કાસ્ટ આયર્નમાંથી હેમેટાઈટ (Fe₂O₃) થી રેખાંકિત રિફ્લેક્ટરી ભઠ્ઠીમાં મોટાભાગની અશુદ્ધિઓને ઓક્સિડાઈઝ કરીને તૈયાર કરવામાં આવે છે. હેમેટાઈટ કાર્બનને CO માં ઓક્સિડાઈઝ કરે છે, અને અન્ય અશુદ્ધિઓ (Si, Mn, P) લાઇનિંગ અને ફ્લક્સ સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને સ્લેગ બનાવે છે. Fe₂O₃ (lining) + 3C → 2Fe + 3CO Si + O₂ → SiO₂ Mn + O₂ → MnO 2P + 5O → P₂O₅
• ગુણધર્મો: તેમાં 0.25% કરતા ઓછો કાર્બન હોય છે. તે નરમ, ટીપી શકાય તેવું (malleable), ખેંચી શકાય તેવું (ductile), મજબૂત (tough) હોય છે અને તેને વેલ્ડ કરી શકાય છે.
• ઉપયોગો: એન્કર ચેઇન્સ, રિવેટ્સ, ખેતીના સાધનો.

3. સ્ટીલ

• સ્ટીલ એ લોખંડની એક મિશ્રધાતુ છે જેમાં 0.02% થી 2% કાર્બન હોય છે, અને અન્ય મિશ્રધાતુ તત્વો પણ હોય છે. તેની મજબૂતાઈ અને બહુમુખીતાને કારણે તે લોખંડનું સૌથી વધુ ઉપયોગમાં લેવાતું સ્વરૂપ છે.

• આધુનિક સ્ટીલ ઉત્પાદન પ્રક્રિયાઓ:

  a) બેઝિક ઓક્સિજન ભઠ્ઠી (BOF) પ્રક્રિયા

  • સિદ્ધાંત: પિગ આયર્ન, સ્ક્રેપ સ્ટીલ સાથે, બેઝિક રિફ્રેક્ટરીઝ (દા.ત., મેગ્નેસિયા અથવા ડોલોમાઇટ) થી રેખાંકિત એક મોટી, નાશપતી આકારની ભઠ્ઠીમાં ભરવામાં આવે છે. શુદ્ધ ઓક્સિજનને પાણીથી ઠંડા કરાયેલા લેન્સ દ્વારા પીગળેલી ધાતુની સપાટી પર ઊંચી ઝડપે ફૂંકવામાં આવે છે.
  • પ્રતિક્રિયાઓ: ઓક્સિજન અશુદ્ધિઓને ઝડપથી ઓક્સિડાઈઝ કરે છે:
    • કાર્બનનું CO અથવા CO₂ માં (C + O₂ → CO₂)
    • સિલિકોનનું SiO₂ માં (Si + O₂ → SiO₂)
    • મેંગેનીઝનું MnO માં (Mn + O₂ → MnO)
    • ફોસ્ફરસનું P₂O₅ માં (2P + 5O₂ → P₂O₅)
    • સલ્ફરનું SO₂ માં (S + O₂ → SO₂)
  • એસિડિક ઓક્સાઇડ્સ (SiO₂, P₂O₅) ને સ્લેગ તરીકે દૂર કરવા માટે ફ્લક્સ (ચૂનાનો પત્થર અથવા ડોલોમાઇટ) ઉમેરવામાં આવે છે.
  • ફાયદા: ઝડપી (20-30 મિનિટ), આર્થિક.
  • નિર્ગમ: પીગળેલું સ્ટીલ, જેને પછી વિવિધ સ્વરૂપોમાં ઢાળવામાં આવે છે અથવા આગળ મિશ્રધાતુ બનાવવા માટે ઉપયોગમાં લેવાય છે.

  b) ઇલેક્ટ્રિક આર્ક ભઠ્ઠી (EAF) પ્રક્રિયા

  • સિદ્ધાંત: સ્ક્રેપ ધાતુ (સ્ટીલ, કાસ્ટ આયર્ન) મોટા ગ્રેફાઇટ ઇલેક્ટ્રોડ્સ અને ધાતુના ચાર્જ વચ્ચે પસાર થતી ઇલેક્ટ્રિક આર્ક દ્વારા ઉત્પન્ન થતી ગરમીથી પીગળવામાં આવે છે. અશુદ્ધિઓ દૂર કરવા માટે ઓક્સિજન અંદર ફૂંકવામાં આવે છે.
  • ફાયદા: 100% સ્ક્રેપનો ઉપયોગ કરી શકાય છે, તાપમાન અને મિશ્રધાતુ તત્વો પર ચોક્કસ નિયંત્રણ, ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળા વિશિષ્ટ સ્ટીલનું ઉત્પાદન કરે છે.
  • નિર્ગમ: ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળું સ્ટીલ.

સ્ટીલ બનાવ્યા પછી, પીગળેલા સ્ટીલને સામાન્ય રીતે અર્ધ-તૈયાર ઉત્પાદનો (સ્લેબ્સ, બ્લૂમ્સ, બિલ્લેટ્સ) માં ઢાળવામાં આવે છે અને પછી રોલિંગ, ફોર્જિંગ અથવા અન્ય પદ્ધતિઓ દ્વારા અંતિમ ઉત્પાદનોમાં વધુ પ્રક્રિયા કરવામાં આવે છે.