धातु कर्म और लोहे (Fe) का औद्योगिक निष्कर्षण

प्राकृतिक उपलब्धता और प्रमुख अयस्क

पृथ्वी की परत में लोहा दूसरा सबसे प्रचुर धातु है और द्रव्यमान के अनुसार चौथा सबसे प्रचुर तत्व है। ऑक्सीजन और जल के साथ इसकी अभिक्रियाशीलता के कारण यह पृथ्वी पर अपनी मूल धात्विक अवस्था में शायद ही कभी पाया जाता है।

लोहे के प्रमुख अयस्क:

• हेमेटाइट (लाल लौह अयस्क): Fe₂O₃ (निष्कर्षण के लिए सबसे महत्वपूर्ण अयस्क)
• मैग्नेटाइट (काला लौह अयस्क): Fe₃O₄ (चुंबकीय, लोहे से बहुत समृद्ध)
• लिमोनाइट (भूरा लौह अयस्क): Fe₂O₃·nH₂O (जलयोजित लौह ऑक्साइड)
• सिडेराइट (आयरन कार्बोनेट): FeCO₃
• आयरन पाइराइट्स (मूर्खों का सोना): FeS₂ (सल्फाइड अयस्क, सल्फर अशुद्धियों के कारण आमतौर पर लौह निष्कर्षण के लिए उपयोग नहीं किया जाता है)

अयस्क का सांद्रण

चुनी गई विधि अयस्क और अशुद्धियों (गैंग) की प्रकृति पर निर्भर करती है। लौह अयस्कों को मुख्य रूप से भौतिक विधियों का उपयोग करके सांद्रित किया जाता है।

1. पेषण और पिसाई

• खनन किए गए अयस्क को पहले जॉ क्रशर का उपयोग करके छोटे-छोटे टुकड़ों में कुचला जाता है और फिर बॉल मिलों में बारीक पीसा जाता है।

2. गुरुत्वीय पृथक्करण (द्रवचालित धुलाई)

• सिद्धांत: अयस्क कणों और गैंग कणों के विशिष्ट गुरुत्व में अंतर पर आधारित।
• प्रक्रिया: बारीक पिसे हुए अयस्क को जल की धारा से धोया जाता है। हल्के गैंग कण बह जाते हैं, जबकि भारी अयस्क कण पीछे रह जाते हैं।
• अनुप्रयोग: हेमेटाइट जैसे भारी ऑक्साइड अयस्कों के लिए उपयुक्त।

3. चुंबकीय पृथक्करण

• सिद्धांत: तब लागू होता है जब या तो अयस्क या गैंग चुंबकीय हो।
• प्रक्रिया: बारीक पिसे हुए अयस्क को एक चुंबकीय रोलर के ऊपर से गुजारा जाता है। चुंबकीय कण रोलर की ओर आकर्षित होते हैं और एक ढेर में गिरते हैं, जबकि अचुंबकीय कण अलग गिरते हैं।
• अनुप्रयोग: मैग्नेटाइट (Fe₃O₄) के लिए अत्यधिक प्रभावी, जो चुंबकीय होता है, और हेमेटाइट (Fe₂O₃) के लिए भी उपयोग किया जा सकता है, भर्जन के बाद यह आंशिक रूप से मैग्नेटाइट में परिवर्तित हो जाता है।

कच्चे धातु में अपचयन (वात्या भट्टी में निष्कर्षण)

लोहे का औद्योगिक निष्कर्षण मुख्य रूप से वात्या भट्टी में लौह ऑक्साइड के अपचयन को शामिल करता है। वात्या भट्टी में आवेशित किए गए कच्चे माल हैं:

1. सांद्रित लौह अयस्क (हेमेटाइट, मैग्नेटाइट)
2. कोक (C) - अपचायक और ईंधन के रूप में कार्य करता है।
3. चूना पत्थर (CaCO₃) - अम्लीय अशुद्धियों (सिलिका, SiO₂) को हटाने के लिए गालक के रूप में कार्य करता है।

वात्या भट्टी प्रक्रिया:

एक वात्या भट्टी दुर्दम्य ईंटों से बनी एक लंबी, बेलनाकार इस्पात की टंकी होती है, जिसे लगातार संचालित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। भट्टी के निचले हिस्से में गर्म हवा प्रवाहित की जाती है।

1. पूर्वतापन और शुष्कन क्षेत्र (200-700°C, भट्टी का ऊपरी भाग)

• नमी हटाई जाती है, और अयस्क ऊपर उठती गर्म गैसों से पहले से गरम होना शुरू हो जाता है।
• CO द्वारा कुछ अपचयन शुरू होता है: 3Fe₂O₃ + CO → 2Fe₃O₄ + CO₂

2. अपचयन क्षेत्र (700-1200°C, भट्टी का मध्य भाग)

• अप्रत्यक्ष अपचयन: कोक के दहन से उत्पन्न कार्बन मोनोऑक्साइड (CO), प्राथमिक अपचायक के रूप में कार्य करता है। Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂ Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
• चूना पत्थर का अपघटन: CaCO₃ → CaO + CO₂

3. धातुमल निर्माण क्षेत्र (1200-1500°C, निचला मध्य भाग)

• गालक क्रिया: चूना पत्थर के अपघटन से निर्मित कैल्शियम ऑक्साइड (CaO), अयस्क में मौजूद अम्लीय अशुद्धियों (सिलिका जैसी गैंग) के साथ अभिक्रिया करता है। CaO (गालक) + SiO₂ (गैंग) → CaSiO₃ (धातुमल)
• यह पिघला हुआ धातुमल पिघले हुए लोहे से हल्का होता है और इसकी सतह पर तैरता है, लोहे को पुन: ऑक्सीकरण से बचाता है। इसे अलग से निकाला जाता है।

4. दहन और संगलन क्षेत्र (1500-1900°C, भट्टी का निचला भाग)

• कोक का दहन: गर्म हवा (झोंका) कोक के साथ अभिक्रिया करके कार्बन मोनोऑक्साइड उत्पन्न करती है और अत्यधिक गर्मी पैदा करती है। 2C (कोक) + O₂ (गर्म हवा) → 2CO (ऊष्माक्षेपी)
• प्रत्यक्ष अपचयन (उच्च तापमान पर): कुछ लौह ऑक्साइड कार्बन द्वारा सीधे अपचयित होते हैं। Fe₂O₃ + 3C → 2Fe + 3CO
• पिघला हुआ लोहा भट्टी के तल में जमा हो जाता है। इसमें लगभग 4% कार्बन और थोड़ी मात्रा में S, P, Si और Mn होते हैं, जो इसमें घुल जाते हैं। लोहे के इस कच्चे रूप को कच्चा लोहा (पिग आयरन) कहते हैं।

उत्पाद:

• कच्चा लोहा (पिग आयरन): भट्टी के तल से निकाला गया पिघला हुआ लोहा। इसमें उच्च कार्बन सामग्री के कारण यह भंगुर होता है।
• धातुमल: पिघला हुआ कैल्शियम सिलिकेट, पिघले हुए लोहे के ऊपर से निकाला जाता है। सड़क निर्माण और सीमेंट उत्पादन में उपयोग किया जाता है।
• वात्या भट्टी गैस: ऊपर से निकलने वाली निकास गैसें (CO, CO₂, N₂), जिनका उपयोग अक्सर आने वाली हवा के झोंके को पहले से गरम करने के लिए किया जाता है।

शोधन और शुद्धिकरण

वात्या भट्टी से सीधे प्राप्त कच्चा लोहा भंगुर होता है और इसमें कार्बन (3-5%), सिलिकॉन, मैंगनीज, फास्फोरस और सल्फर जैसी अशुद्धियाँ होती हैं। इसे वांछनीय गुणधर्मों वाले लोहे के विभिन्न रूप बनाने के लिए आगे संसाधित किया जाता है।

1. ढलवां लोहा

• उत्पादन: कच्चे लोहे को स्क्रैप लोहे और कोक के साथ फिर से पिघलाया जाता है, फिर सांचों में ढाला जाता है।
• गुणधर्म: इसमें लगभग 2.5-4% कार्बन होता है। यह कठोर और भंगुर, अधात्वर्धनीय होता है, और इसे वेल्ड नहीं किया जा सकता।
• उपयोग: पाइप, स्टोव के पुर्जे, इंजन ब्लॉक के निर्माण में।

2. पिटवां लोहा

• उत्पादन: वाणिज्यिक लोहे का सबसे शुद्ध रूप। इसे हेमेटाइट (Fe₂O₃) से ढकी हुई परावर्तनी भट्टी में अधिकांश अशुद्धियों को ऑक्सीकृत करके ढलवां लोहे से तैयार किया जाता है। हेमेटाइट कार्बन को CO में ऑक्सीकृत करता है, और अन्य अशुद्धियाँ (Si, Mn, P) अस्तर और गालक के साथ अभिक्रिया करके धातुमल बनाती हैं। Fe₂O₃ (अस्तर) + 3C → 2Fe + 3CO Si + O₂ → SiO₂ Mn + O₂ → MnO 2P + 5O → P₂O₅
• गुणधर्म: इसमें 0.25% से कम कार्बन होता है। यह नरम, आघातवर्धनीय, तन्य, कठोर होता है और इसे वेल्ड किया जा सकता है।
• उपयोग: लंगर की जंजीरें, कील, कृषि उपकरण।

3. इस्पात

• इस्पात 0.02% से 2% कार्बन और अन्य मिश्रधातु तत्वों के साथ लोहे का एक मिश्रधातु है। यह अपनी मजबूती और बहुमुखी प्रतिभा के कारण लोहे का सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला रूप है।

• आधुनिक इस्पात निर्माण प्रक्रियाएँ:

  a) बेसिक ऑक्सीजन भट्टी (BOF) प्रक्रिया

  • सिद्धांत: कच्चे लोहे को स्क्रैप इस्पात के साथ, क्षारीय दुर्दम्य (जैसे, मैग्नेशिया या डोलोमाइट) से ढकी हुई एक बड़ी, नाशपाती के आकार की भट्टी में आवेशित किया जाता है। जल-शीतित लांस के माध्यम से पिघली हुई धातु की सतह पर शुद्ध ऑक्सीजन को उच्च वेग पर प्रवाहित किया जाता है।
  • अभिक्रियाएँ: ऑक्सीजन अशुद्धियों को तेजी से ऑक्सीकृत करता है:
    • कार्बन को CO या CO₂ में (C + O₂ → CO₂)
    • सिलिकॉन को SiO₂ में (Si + O₂ → SiO₂)
    • मैंगनीज को MnO में (Mn + O₂ → MnO)
    • फास्फोरस को P₂O₅ में (2P + 5O₂ → P₂O₅)
    • सल्फर को SO₂ में (S + O₂ → SO₂)
  • अम्लीय ऑक्साइड (SiO₂, P₂O₅) को धातुमल के रूप में हटाने के लिए गालक (चूना पत्थर या डोलोमाइट) मिलाए जाते हैं।
  • लाभ: तेज़ (20-30 मिनट), किफायती।
  • उत्पाद: पिघला हुआ इस्पात, जिसे फिर विभिन्न रूपों में ढाला जाता है या आगे मिश्रधातु बनाने के लिए उपयोग किया जाता है।

  b) इलेक्ट्रिक आर्क फर्नेस (EAF) प्रक्रिया

  • सिद्धांत: स्क्रैप धातु (इस्पात, ढलवां लोहा) को बड़े ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड और धातु आवेश के बीच से गुजरने वाले इलेक्ट्रिक आर्क से उत्पन्न गर्मी द्वारा पिघलाया जाता है। अशुद्धियों को हटाने के लिए ऑक्सीजन प्रवाहित की जाती है।
  • लाभ: 100% स्क्रैप का उपयोग कर सकता है, तापमान और मिश्रधातु तत्वों पर सटीक नियंत्रण, उच्च गुणवत्ता वाले विशेष इस्पात का उत्पादन करता है।
  • उत्पाद: उच्च गुणवत्ता वाला इस्पात।

इस्पात बनाने के बाद, पिघले हुए इस्पात को आमतौर पर अर्ध-तैयार उत्पादों (स्लैब, ब्लूम, बिलेट) में ढाला जाता है और फिर रोलिंग, फोर्जिंग या अन्य विधियों द्वारा अंतिम उत्पादों में संसाधित किया जाता है।