உலோகவியல் மற்றும் இரும்பின் (Fe) தொழில்துறை பிரித்தெடுத்தல்

இயற்கையான இருப்பு மற்றும் முக்கிய தாதுக்கள்

இரும்பு புவி மேலோட்டில் இரண்டாவது மிக அதிகமான அளவில் கிடைக்கும் உலோகம் ஆகும், மேலும் நிறை அடிப்படையில் நான்காவது மிக அதிகமான தனிமம் ஆகும். ஆக்சிஜன் மற்றும் நீருடன் அதன் வினைத்திறன் காரணமாக அதன் தனிம நிலையில் (உலோகமாக) பூமியில் அரிதாகவே கிடைக்கிறது.

இரும்பின் முக்கிய தாதுக்கள்:

• ஹேமடைட் (சிவப்பு இரும்புத் தாது): Fe₂O₃ (இரும்பு பிரித்தெடுப்பதற்கான மிக முக்கியமான தாது)
• மேக்னடைட் (கருப்பு இரும்புத் தாது): Fe₃O₄ (காந்தத்தன்மை கொண்டது, இரும்பு அதிகம் உள்ளது)
• லிமோனைட் (பழுப்பு இரும்புத் தாது): Fe₂O₃·nH₂O (நீரேறிய இரும்பு ஆக்சைடு)
• சிடரைட் (இரும்பு கார்பனேட்): FeCO₃
• இரும்பு பைரைட்டுகள் (முட்டாள்களின் தங்கம்): FeS₂ (சல்பைடு தாது, சல்பர் அசுத்தங்கள் காரணமாக இரும்பு பிரித்தெடுக்க பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படுவதில்லை)

தாதுவை அடர்ப்பித்தல்

தேர்வு செய்யப்பட்ட முறை தாது மற்றும் அசுத்தங்களின் (கழிவுப் பொருட்கள்) தன்மையைப் பொறுத்தது. இரும்புத் தாதுக்கள் முதன்மையாக இயற்பியல் முறைகளைப் பயன்படுத்தி அடர்ப்பிக்கப்படுகின்றன.

1. நசுக்குதல் மற்றும் அரைத்தல்

• வெட்டி எடுக்கப்பட்ட தாது முதலில் தாடை நொறுக்கிகள் (jaw crushers) மூலம் சிறிய துண்டுகளாக நசுக்கப்பட்டு, பின்னர் பந்து ஆலைகளில் (ball mills) மிக நுண்ணியதாக அரைக்கப்படுகிறது.

2. ஈர்ப்புப் பிரிப்பு (நீரியல் கழுவுதல்)

• கொள்கை: தாதுத் துகள்கள் மற்றும் கழிவுத் துகள்களின் ஒப்படர்த்திகளில் உள்ள வேறுபாட்டை அடிப்படையாகக் கொண்டது.
• செயல்முறை: நுண்ணியதாக அரைக்கப்பட்ட தாது நீரோட்டத்தில் கழுவப்படுகிறது. இலகுவான கழிவுத் துகள்கள் அடித்துச் செல்லப்பட்டு, கனமான தாதுத் துகள்கள் பின் தங்குகின்றன.
• பயன்பாடு: ஹேமடைட் போன்ற கனமான ஆக்சைடு தாதுக்களுக்கு ஏற்றது.

3. காந்தப் பிரிப்பு

• கொள்கை: தாதுவோ அல்லது கழிவுப் பொருளோ காந்தத்தன்மை கொண்டதாக இருக்கும்போது இது பொருந்தும்.
• செயல்முறை: நுண்ணியதாக அரைக்கப்பட்ட தாது ஒரு காந்த உருளையின் மீது செலுத்தப்படுகிறது. காந்தத் துகள்கள் உருளையால் ஈர்க்கப்பட்டு ஒரு குவியலாக விழுகின்றன, அதே நேரத்தில் காந்தத்தன்மையற்ற துகள்கள் தனித்தனியாக விழுகின்றன.
• பயன்பாடு: காந்தத்தன்மை கொண்ட மேக்னடைட் (Fe₃O₄) க்கு மிகவும் பயனுள்ளது, மேலும் ஹேமடைட் (Fe₂O₃) ஐ வறுப்பதன் மூலம் பகுதியளவு மேக்னடைட்டாக மாற்றிய பிறகு அதற்கும் பயன்படுத்தலாம்.

கச்சா உலோகமாக ஒடுக்குதல் (ஊது உலையில் பிரித்தெடுத்தல்)

இரும்பின் தொழில்துறை பிரித்தெடுத்தல் முதன்மையாக இரும்பு ஆக்சைடுகளை ஒரு ஊது உலையில் ஒடுக்குவதை உள்ளடக்கியது. ஊது உலையில் உள்ளீடு செய்யப்படும் மூலப்பொருட்கள்:

1. அடர்ப்பிக்கப்பட்ட இரும்புத் தாது (ஹேமடைட், மேக்னடைட்)
2. கோக் (C) - ஒடுக்கும் காரணி மற்றும் எரிபொருளாக செயல்படுகிறது.
3. சுண்ணாம்புக்கல் (CaCO₃) - அமிலத்தன்மை கொண்ட அசுத்தங்களை (சிலிக்கா, SiO₂) அகற்ற கசட்டுருவாக்கியாக (flux) செயல்படுகிறது.

ஊது உலை செயல்முறை:

ஒரு ஊது உலை என்பது வெப்பம் தாங்கும் செங்கற்களால் பூசப்பட்ட ஒரு உயரமான, உருளை வடிவ எஃகு கலன் ஆகும், இது தொடர்ச்சியாக இயங்க வடிவமைக்கப்பட்டுள்ளது. சூடான காற்று உலையின் அடிப்பகுதிக்குள் செலுத்தப்படுகிறது.

1. முன் சூடாக்குதல் மற்றும் உலர்த்தும் மண்டலம் (200-700°C, உலையின் மேற்பகுதி)

• ஈரம் நீக்கப்பட்டு, உயரும் சூடான வாயுக்களால் தாது சூடாகத் தொடங்குகிறது.
• CO ஆல் சில ஒடுக்கம் தொடங்குகிறது: 3Fe₂O₃ + CO → 2Fe₃O₄ + CO₂

2. ஒடுக்கும் மண்டலம் (700-1200°C, உலையின் நடுப்பகுதி)

• மறைமுக ஒடுக்கம்: கோக்கின் எரிதலால் உருவாகும் கார்பன் மோனாக்சைடு (CO) முதன்மை ஒடுக்கும் காரணியாக செயல்படுகிறது. Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂ Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
• சுண்ணாம்புக்கல்லின் சிதைவு: CaCO₃ → CaO + CO₂

3. கசடு உருவாக்கும் மண்டலம் (1200-1500°C, கீழ் நடுப்பகுதி)

• கசட்டுருவாக்கி செயல்பாடு: சுண்ணாம்புக்கல் சிதைவினால் உருவாகும் கால்சியம் ஆக்சைடு (CaO), தாதுவில் உள்ள அமிலத்தன்மை கொண்ட அசுத்தங்களுடன் (சிலிக்கா போன்ற கழிவுப் பொருட்கள்) வினைபுரிகிறது. CaO (flux) + SiO₂ (gangue) → CaSiO₃ (slag)
• இந்த உருகிய கசடு உருகிய இரும்பை விட இலகுவானது மற்றும் அதன் மேற்பரப்பில் மிதந்து, இரும்பை மீண்டும் ஆக்சிஜனேற்றம் அடைவதிலிருந்து பாதுகாக்கிறது. இது தனியாக வெளியேற்றப்படுகிறது.

4. எரிதல் மற்றும் உருகுதல் மண்டலம் (1500-1900°C, உலையின் அடிப்பகுதி)

• கோக்கின் எரிதல்: சூடான காற்று (ஊதுதல்) கோக்குடன் வினைபுரிந்து கார்பன் மோனாக்சைடை உருவாக்கி பெரும் வெப்பத்தை உருவாக்குகிறது. 2C (coke) + O₂ (hot air) → 2CO (exothermic)
• நேரடி ஒடுக்கம் (அதிக வெப்பநிலைகளில்): சில இரும்பு ஆக்சைடுகள் கார்பனால் நேரடியாக ஒடுக்கப்படுகின்றன. Fe₂O₃ + 3C → 2Fe + 3CO
• உருகிய இரும்பு உலையின் அடிப்பகுதியில் சேகரமாகிறது. இது சுமார் 4% கார்பன் மற்றும் S, P, Si, Mn போன்ற சிறிய அளவிலான அசுத்தங்களைக் கொண்டுள்ளது, அவை அதில் கரைந்துள்ளன. இந்த கச்சா இரும்பு வடிவம் பிக்கிரும்பு என்று அழைக்கப்படுகிறது.

வெளியீடு:

• பிக்கிரும்பு: உலையின் அடிப்பகுதியிலிருந்து எடுக்கப்படும் உருகிய இரும்பு. அதிக கார்பன் உள்ளடக்கம் காரணமாக இது உடையக்கூடியது.
• கசடு: உருகிய இரும்பின் மேலிருந்து எடுக்கப்படும் உருகிய கால்சியம் சிலிக்கேட். சாலை கட்டுமானம் மற்றும் சிமெண்ட் உற்பத்தியில் பயன்படுத்தப்படுகிறது.
• ஊது உலை வாயு: மேலிருந்து வெளியேறும் வெளியேற்ற வாயுக்கள் (CO, CO₂, N₂), இவை பெரும்பாலும் உள்ளீடு செய்யப்படும் காற்றை முன் சூடாக்கப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.

சுத்திகரிப்பு மற்றும் தூய்மையாக்கல்

ஊது உலையிலிருந்து நேரடியாக உற்பத்தி செய்யப்படும் பிக்கிரும்பு உடையக்கூடியது மற்றும் கார்பன் (3-5%), சிலிக்கான், மாங்கனீசு, பாஸ்பரஸ் மற்றும் சல்பர் போன்ற அசுத்தங்களைக் கொண்டுள்ளது. விரும்பத்தக்க பண்புகளைக் கொண்ட பல்வேறு இரும்பு வடிவங்களை உற்பத்தி செய்ய இது மேலும் பதப்படுத்தப்படுகிறது.

1. வார்ப்பிரும்பு

• உற்பத்தி: பிக்கிரும்பு, துருப்பிடித்த இரும்பு மற்றும் கோக்குடன் மீண்டும் உருக்கப்பட்டு, பின்னர் அச்சுகளில் வார்ப்பெடுக்கப்படுகிறது.
• பண்புகள்: சுமார் 2.5-4% கார்பன் கொண்டது. இது கடினமானது மற்றும் உடையக்கூடியது, தகடாக்க முடியாதது மற்றும் பற்றவைக்க முடியாது.
• பயன்கள்: குழாய்கள், அடுப்பு பாகங்கள், என்ஜின் தொகுதிகள் உற்பத்தி.

2. தேனிரும்பு

• உற்பத்தி: வணிக இரும்பின் தூய்மையான வடிவம். இது வார்ப்பிரும்பிலிருந்து, ஹேமடைட் (Fe₂O₃) பூசப்பட்ட ஒரு எதிரொளிப்பு உலையில் பெரும்பாலான அசுத்தங்களை ஆக்சிஜனேற்றம் செய்வதன் மூலம் தயாரிக்கப்படுகிறது.
• ஹேமடைட் கார்பனை CO ஆக ஆக்சிஜனேற்றம் செய்கிறது, மற்றும் பிற அசுத்தங்கள் (Si, Mn, P) உலைப்பூச்சு மற்றும் கசட்டுருவாக்கியுடன் வினைபுரிந்து கசடை உருவாக்குகின்றன. Fe₂O₃ (lining) + 3C → 2Fe + 3CO Si + O₂ → SiO₂ Mn + O₂ → MnO 2P + 5O → P₂O₅
• பண்புகள்: 0.25% க்கும் குறைவான கார்பன் கொண்டது. இது மென்மையானது, தகடாக்கக்கூடியது, கம்பியாக நீட்டக்கூடியது, கடினமானது மற்றும் பற்றவைக்க முடியும்.
• பயன்கள்: நங்கூர சங்கிலிகள், ஆணிகள், விவசாய கருவிகள்.

3. எஃகு

• எஃகு என்பது 0.02% முதல் 2% கார்பன் கொண்ட இரும்பின் ஒரு கலப்பு உலோகம் ஆகும், மேலும் இதில் பிற கலப்பு தனிமங்களும் உள்ளன. அதன் வலிமை மற்றும் பன்முகத்தன்மை காரணமாக இது மிகவும் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படும் இரும்பு வடிவமாகும்.

• நவீன எஃகு உற்பத்தி செயல்முறைகள்:

  அ) கார ஆக்சிஜன் உலை (BOF) செயல்முறை

  • கொள்கை: பிக்கிரும்பு, துருப்பிடித்த எஃகுடன் சேர்ந்து, கார வெப்பம் தாங்கும் பொருட்களால் (எ.கா., மக்னீசியா அல்லது டோலமைட்) பூசப்பட்ட ஒரு பெரிய, பேரிக்காய் வடிவ உலையில் உள்ளீடு செய்யப்படுகிறது.
  • தூய ஆக்சிஜன், நீர்-குளிர்விக்கப்பட்ட ஈட்டி (lance) மூலம், உருகிய உலோகத்தின் மேற்பரப்பில் அதிக வேகத்தில் செலுத்தப்படுகிறது.
  • வினைகள்: ஆக்சிஜன் அசுத்தங்களை வேகமாக ஆக்சிஜனேற்றம் செய்கிறது:
    • கார்பன் CO அல்லது CO₂ ஆக (C + O₂ → CO₂)
    • சிலிக்கான் SiO₂ ஆக (Si + O₂ → SiO₂)
    • மாங்கனீசு MnO ஆக (Mn + O₂ → MnO)
    • பாஸ்பரஸ் P₂O₅ ஆக (2P + 5O₂ → P₂O₅)
    • சல்பர் SO₂ ஆக (S + O₂ → SO₂)
  • அமில ஆக்சைடுகளை (SiO₂, P₂O₅) கசடாக அகற்ற கசட்டுருவாக்கிகள் (சுண்ணாம்புக்கல் அல்லது டோலமைட்) சேர்க்கப்படுகின்றன.
  • நன்மைகள்: வேகமானது (20-30 நிமிடங்கள்), சிக்கனமானது.
  • வெளியீடு: உருகிய எஃகு, பின்னர் பல்வேறு வடிவங்களாக வார்க்கப்படுகிறது அல்லது மேலும் கலப்பு உலோகமாக்கப் பயன்படுத்தப்படுகிறது.

  ஆ) மின்வில் உலை (EAF) செயல்முறை

  • கொள்கை: துருப்பிடித்த உலோகம் (எஃகு, வார்ப்பிரும்பு) பெரிய கிராஃபைட் மின்முனைகள் மற்றும் உலோக உள்ளீட்டிற்கு இடையில் செல்லும் மின்வில்லில் இருந்து உருவாகும் வெப்பத்தால் உருக்கப்படுகிறது. ஆக்சிஜன் அசுத்தங்களை நீக்க செலுத்தப்படுகிறது.
  • நன்மைகள்: 100% துருப்பிடித்த உலோகத்தைப் பயன்படுத்தலாம், வெப்பநிலை மற்றும் கலப்பு தனிமங்கள் மீது துல்லியமான கட்டுப்பாடு, உயர்தர சிறப்பு எஃகு உற்பத்திக்கிறது.
  • வெளியீடு: உயர்தர எஃகு.

எஃகு உற்பத்திக்குப் பிறகு, உருகிய எஃகு பொதுவாக அரை முடிக்கப்பட்ட பொருட்களாக (தட்டுகள், பூக்கள், பில்லெட்டுகள்) வார்க்கப்படுகிறது, பின்னர் உருட்டுதல், கொல்லுதல் அல்லது பிற முறைகள் மூலம் இறுதிப் பொருட்களாக மேலும் பதப்படுத்தப்படுகிறது.