लोह (Fe) धातू विज्ञान आणि औद्योगिक निष्कर्षण

नैसर्गिक उपलब्धता आणि प्रमुख धातुक

लोह हा पृथ्वीच्या कवचातील दुसरा सर्वात मुबलक धातू आणि वस्तुमानानुसार चौथा सर्वात मुबलक घटक आहे. ऑक्सिजन आणि पाण्याशी असलेल्या त्याच्या अभिक्रियाशीलतेमुळे, तो पृथ्वीवर त्याच्या मूळ धातूच्या स्वरूपात क्वचितच आढळतो.

लोहाची प्रमुख धातुक:

• हेमेटाइट (लाल लोह धातुक): Fe₂O₃ (निष्कर्षणसाठी सर्वात महत्वाचे धातुक)
• मॅग्नेटाइट (काळे लोह धातुक): Fe₃O₄ (चुंबकीय, लोहाने अत्यंत समृद्ध)
• लिमोनाइट (तपकिरी लोह धातुक): Fe₂O₃·nH₂O (जलयुक्त लोह ऑक्साईड)
• सिडेराइट (लोह कार्बोनेट): FeCO₃
• आयर्न पायराइट्स (फूल्स गोल्ड): FeS₂ (सल्फाइड धातुक, सल्फरच्या अशुद्धतेमुळे सामान्यतः लोह निष्कर्षणसाठी वापरले जात नाही)

धातुकाचे सांद्रण

निवडलेली पद्धत धातुकाचे स्वरूप आणि अशुद्धी (गँग) यावर अवलंबून असते. लोह धातुकांचे सांद्रण प्रामुख्याने भौतिक पद्धती वापरून केले जाते.

1. कुस्करणे आणि दळणे

• खाणकाम केलेले धातुक प्रथम जबड्याच्या क्रशरने लहान तुकड्यांमध्ये कुस्करले जाते आणि नंतर बॉल मिलमध्ये बारीक दळले जाते.

2. गुरुत्वाकर्षण विलगीकरण (जल शुद्धीकरण)

• तत्त्व: धातुक कणांचे आणि गँग कणांचे विशिष्ट गुरुत्वाकर्षण (specific gravities) यांच्यातील फरकावर आधारित.
• प्रक्रिया: बारीक दळलेले धातुक पाण्याच्या प्रवाहाने धुतले जाते. हलके गँग कण वाहून जातात, तर जड धातुक कण मागे राहतात.
• उपयोग: हेमेटाइटसारख्या जड ऑक्साईड धातुकांसाठी योग्य.

3. चुंबकीय विलगीकरण

• तत्त्व: धातुक किंवा गँगपैकी कोणताही एक चुंबकीय असल्यास लागू.
• प्रक्रिया: बारीक दळलेले धातुक चुंबकीय रोलरवरून (magnetic roller) पास केले जाते. चुंबकीय कण रोलरकडे आकर्षित होतात आणि एका ढिगात पडतात, तर अचुंबकीय कण स्वतंत्रपणे पडतात.
• उपयोग: मॅग्नेटाइट (Fe₃O₄) साठी अत्यंत प्रभावी, जे चुंबकीय आहे, आणि हेमेटाइट (Fe₂O₃) ला अंशतः मॅग्नेटाइटमध्ये रूपांतरित करण्यासाठी भाजल्यानंतर (roasting) देखील वापरले जाऊ शकते.

कच्चे धातूमध्ये क्षपण (ब्लास्ट फर्नेसमध्ये निष्कर्षण)

लोहाचे औद्योगिक निष्कर्षण प्रामुख्याने ब्लास्ट फर्नेसमध्ये (Blast Furnace) लोह ऑक्साईडच्या क्षपणामध्ये (reduction) समाविष्ट आहे. ब्लास्ट फर्नेसमध्ये भरले जाणारे कच्चे माल हे आहेत:

1. सांद्रित लोह धातुक (हेमेटाइट, मॅग्नेटाइट)
2. कोक (C) - क्षपणकारक (reducing agent) आणि इंधन म्हणून कार्य करतो.
3. चुना दगड (CaCO₃) - आम्लधर्मी अशुद्धी (सिलिका, SiO₂) काढून टाकण्यासाठी फ्लक्स (flux) म्हणून कार्य करतो.

ब्लास्ट फर्नेस प्रक्रिया:

ब्लास्ट फर्नेस हे एक उंच, दंडगोलाकार स्टीलचे पात्र असते, जे अग्निरोधक विटांनी (refractory bricks) अस्तरित असते आणि सतत कार्यरत राहण्यासाठी डिझाइन केलेले असते. गरम हवा भट्टीच्या तळाशी फुंकली जाते.

1. पूर्व-तापमान आणि शुष्कीकरण क्षेत्र (200-700°C, भट्टीच्या शीर्षस्थानी)

• ओलावा काढून टाकला जातो आणि वाढत्या गरम वायूंद्वारे धातुक पूर्व-तापायला (preheated) लागते.
• CO द्वारे काही प्रमाणात क्षपण सुरू होते: 3Fe₂O₃ + CO → 2Fe₃O₄ + CO₂

2. क्षपण क्षेत्र (700-1200°C, भट्टीच्या मध्यभागी)

• अप्रत्यक्ष क्षपण: कोकच्या ज्वलनामुळे तयार झालेले कार्बन मोनोऑक्साईड (CO) प्राथमिक क्षपणकारक म्हणून कार्य करते. Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂ Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
• चुना दगडाचे अपघटन: CaCO₃ → CaO + CO₂

3. स्लग निर्मिती क्षेत्र (1200-1500°C, खालच्या मध्यभागी)

• फ्लक्सची क्रिया: चुना दगडाच्या अपघटनामुळे तयार झालेले कॅल्शियम ऑक्साईड (CaO) धातुकात असलेल्या आम्लधर्मी अशुद्धींशी (सिलिकासारखे गँग) अभिक्रिया करते. CaO (flux) + SiO₂ (gangue) → CaSiO₃ (slag)
• हे वितळलेले स्लग (slag) वितळलेल्या लोहापेक्षा हलके असते आणि त्याच्या पृष्ठभागावर तरंगते, ज्यामुळे लोहाचे पुन:ऑक्सीकरण होण्यापासून संरक्षण होते. ते स्वतंत्रपणे काढून टाकले जाते.

4. ज्वलन आणि संलयन क्षेत्र (1500-1900°C, भट्टीच्या तळाशी)

• कोकचे ज्वलन: गरम हवा (ब्लास्ट) कोकशी अभिक्रिया करून कार्बन मोनोऑक्साईड तयार करते आणि प्रचंड उष्णता निर्माण करते. 2C (coke) + O₂ (hot air) → 2CO (exothermic)
• प्रत्यक्ष क्षपण (उच्च तापमानावर): काही लोह ऑक्साईड कार्बनद्वारे थेट कमी केले जातात. Fe₂O₃ + 3C → 2Fe + 3CO
• वितळलेले लोह भट्टीच्या तळाशी जमा होते. त्यात सुमारे 4% कार्बन आणि S, P, Si, आणि Mn चे थोडे प्रमाण असते, जे त्यात विरघळलेले असतात. लोहाच्या या कच्च्या स्वरूपाला पिग आयर्न (Pig Iron) म्हणतात.

उत्पादन:

• पिग आयर्न: भट्टीच्या तळापासून काढलेले वितळलेले लोह. जास्त कार्बन सामग्रीमुळे ते ठिसूळ असते.
• स्लग: वितळलेल्या लोहाच्या वरून काढलेले वितळलेले कॅल्शियम सिलिकेट. रस्ते बांधकाम आणि सिमेंट उत्पादनात वापरले जाते.
• ब्लास्ट फर्नेस वायू: वरून बाहेर पडणारे एक्झॉस्ट वायू (CO, CO₂, N₂), जे अनेकदा येणाऱ्या एअर ब्लास्टला पूर्व-तापवण्यासाठी (preheat) वापरले जातात.

शुद्धीकरण आणि परिष्करण

ब्लास्ट फर्नेसमधून थेट तयार झालेले पिग आयर्न ठिसूळ असते आणि त्यात कार्बन (3-5%), सिलिकॉन, मॅंगनीज, फॉस्फरस आणि सल्फर यांसारख्या अशुद्धी असतात. इच्छित गुणधर्म असलेले लोहाचे विविध प्रकार तयार करण्यासाठी त्यावर पुढील प्रक्रिया केली जाते.

1. कास्ट आयर्न

• उत्पादन: पिग आयर्न स्क्रॅप लोह आणि कोकसोबत पुन्हा वितळले जाते, आणि नंतर साच्यांमध्ये ओतले जाते.
• गुणधर्म: त्यात सुमारे 2.5-4% कार्बन असतो. ते कठीण आणि ठिसूळ असते, अ malleable (न वाकणारे) असते आणि वेल्डिंग करता येत नाही.
• उपयोग: पाईप, स्टोव्हचे भाग, इंजिन ब्लॉकच्या निर्मितीमध्ये.

2. रॉट आयर्न (Wrought Iron)

• उत्पादन: व्यावसायिक लोहाचे सर्वात शुद्ध स्वरूप. हेमेटाइट (Fe₂O₃) अस्तरित रिव्हर्बरेटरी फर्नेसमध्ये (reverberatory furnace) बहुतेक अशुद्धींचे ऑक्सिडीकरण करून कास्ट आयर्नपासून तयार केले जाते. हेमेटाइट कार्बनचे CO मध्ये ऑक्सिडीकरण करते, आणि इतर अशुद्धी (Si, Mn, P) अस्तराशी आणि फ्लक्सशी अभिक्रिया करून स्लग तयार करतात. Fe₂O₃ (lining) + 3C → 2Fe + 3CO Si + O₂ → SiO₂ Mn + O₂ → MnO 2P + 5O → P₂O₅
• गुणधर्म: त्यात 0.25% पेक्षा कमी कार्बन असतो. ते मऊ, मऊळ (malleable), तन्य (ductile), कठीण आणि वेल्डिंग करता येण्याजोगे असते.
• उपयोग: अँकर चेन, रिव्हेट्स, शेतीची अवजारे.

3. स्टील

स्टील हे 0.02% ते 2% कार्बन आणि इतर मिश्रधातू घटकांसह लोहाचे मिश्रधातू आहे. त्याच्या सामर्थ्यामुळे आणि बहुपयोगीतेमुळे (versatility) ते लोहाचे सर्वात जास्त वापरले जाणारे स्वरूप आहे.

आधुनिक स्टील उत्पादन प्रक्रिया:

a) बेसिक ऑक्सिजन फर्नेस (BOF) प्रक्रिया

• तत्त्व: पिग आयर्न, स्क्रॅप स्टीलसह, मूळ अग्निरोधक (उदा. मॅग्नेशिया किंवा डोलोमाइट) असलेल्या मोठ्या, नाशपातीच्या आकाराच्या फर्नेसमध्ये भरले जाते. शुद्ध ऑक्सिजन पाण्याच्या थंड केलेल्या लान्सद्वारे वितळलेल्या धातूच्या पृष्ठभागावर उच्च वेगाने फुंकला जातो.
• अभिक्रिया: ऑक्सिजन अशुद्धींचे वेगाने ऑक्सिडीकरण करते:
  • कार्बनचे CO किंवा CO₂ मध्ये (C + O₂ → CO₂)
  • सिलिकॉनचे SiO₂ मध्ये (Si + O₂ → SiO₂)
  • मॅंगनीजचे MnO मध्ये (Mn + O₂ → MnO)
  • फॉस्फरसचे P₂O₅ मध्ये (2P + 5O₂ → P₂O₅)
  • सल्फरचे SO₂ मध्ये (S + O₂ → SO₂)
• आम्लधर्मी ऑक्साईड (SiO₂, P₂O₅) स्लग म्हणून काढून टाकण्यासाठी फ्लक्स (चुना दगड किंवा डोलोमाइट) घातले जातात.
• फायदे: जलद (20-30 मिनिटे), किफायतशीर.
• उत्पादन: वितळलेले स्टील, जे नंतर विविध स्वरूपात ओतले जाते किंवा पुढील मिश्रणांसाठी (alloying) वापरले जाते.

b) इलेक्ट्रिक आर्क फर्नेस (EAF) प्रक्रिया

• तत्त्व: स्क्रॅप धातू (स्टील, कास्ट आयर्न) मोठ्या ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड्स आणि धातूच्या भारातून (metal charge) जाणाऱ्या इलेक्ट्रिक आर्कमुळे निर्माण झालेल्या उष्णतेने वितळवले जाते. अशुद्धी काढून टाकण्यासाठी ऑक्सिजन फुंकला जातो.
• फायदे: 100% स्क्रॅप वापरू शकते, तापमान आणि मिश्रधातू घटकांवर अचूक नियंत्रण, उच्च-गुणवत्तेचे विशेष स्टील तयार करते.
• उत्पादन: उच्च-गुणवत्तेचे स्टील.

स्टील तयार झाल्यानंतर, वितळलेले स्टील सामान्यतः अर्ध-तयार उत्पादनांमध्ये (स्लॅब, ब्लूम, बिलेट्स) ओतले जाते आणि नंतर रोलिंग, फोर्जिंग किंवा इतर पद्धतींद्वारे अंतिम उत्पादनांमध्ये प्रक्रिया केली जाते.