లోహశాస్త్రం మరియు ఇనుము (Fe) యొక్క పారిశ్రామిక వెలికితీత

సహజ లభ్యత & ప్రధాన ఖనిజాలు

ఇనుము భూమి పొరలో రెండవ అత్యంత సమృద్ధిగా లభించే లోహం మరియు ద్రవ్యరాశి ప్రకారం నాల్గవ అత్యంత సమృద్ధిగా లభించే మూలకం. ఆక్సిజన్ మరియు నీటితో దాని క్రియాశీలత కారణంగా ఇది భూమిపై దాని సహజ లోహ స్థితిలో అరుదుగా లభిస్తుంది.

ఇనుము యొక్క ప్రధాన ఖనిజాలు:

• హెమటైట్ (ఎరుపు ఇనుప ఖనిజం): Fe₂O₃ (వెలికితీతకు అత్యంత ముఖ్యమైన ఖనిజం)
• మాగ్నెటైట్ (నలుపు ఇనుప ఖనిజం): Fe₃O₄ (అయస్కాంత, ఇనుముతో చాలా సమృద్ధిగా ఉంటుంది)
• లిమోనైట్ (గోధుమ ఇనుప ఖనిజం): Fe₂O₃·nH₂O (జలయుత ఇనుప ఆక్సైడ్)
• సిడెరైట్ (ఐరన్ కార్బోనేట్): FeCO₃
• ఐరన్ పైరైట్స్ (ఫూల్స్ గోల్డ్): FeS₂ (సల్ఫైడ్ ఖనిజం, సల్ఫర్ మలినాల కారణంగా సాధారణంగా ఇనుము వెలికితీతకు ఉపయోగించబడదు)

ఖనిజ సాంద్రీకరణ

ఎంచుకున్న పద్ధతి ఖనిజం యొక్క స్వభావం మరియు మలినాలు (గాంగ్)పై ఆధారపడి ఉంటుంది. ఇనుప ఖనిజాలు ప్రధానంగా భౌతిక పద్ధతులను ఉపయోగించి సాంద్రీకరించబడతాయి.

1. చూర్ణం మరియు పొడి చేయుట

• తవ్విన ఖనిజం మొదట జా క్రషర్లను ఉపయోగించి చిన్న ముక్కలుగా చేయబడుతుంది, ఆపై బాల్ మిల్లులలో సన్నగా పొడి చేయబడుతుంది.

2. గురుత్వాకర్షణ పృథక్కరణ (హైడ్రాలిక్ వాషింగ్)

• సూత్రం: ఖనిజ కణాలు మరియు గాంగ్ కణాల నిర్దిష్ట సాంద్రతలలోని వ్యత్యాసం ఆధారంగా.
• ప్రక్రియ: సన్నగా పొడి చేసిన ఖనిజాన్ని నీటి ప్రవాహంతో కడుగుతారు. తేలికైన గాంగ్ కణాలు కొట్టుకుపోతాయి, బరువైన ఖనిజ కణాలు వెనుకకు మిగిలిపోతాయి.
• అనువర్తనం: హెమటైట్ వంటి భారీ ఆక్సైడ్ ఖనిజాలకు అనుకూలం.

3. అయస్కాంత పృథక్కరణ

• సూత్రం: ఖనిజం లేదా గాంగ్ ఏదైనా అయస్కాంతంగా ఉన్నప్పుడు వర్తిస్తుంది.
• ప్రక్రియ: సన్నగా పొడి చేసిన ఖనిజాన్ని అయస్కాంత రోలర్ మీదుగా పంపుతారు. అయస్కాంత కణాలు రోలర్‌కు ఆకర్షించబడి ఒక కుప్పగా పడతాయి, అయితే అయస్కాంతం కాని కణాలు విడిగా పడతాయి.
• అనువర్తనం: అయస్కాంతమైన మాగ్నెటైట్ (Fe₃O₄)కు చాలా ప్రభావవంతంగా ఉంటుంది, మరియు కాల్చడం ద్వారా పాక్షికంగా మాగ్నెటైట్‌గా మారిన తర్వాత హెమటైట్ (Fe₂O₃) కోసం కూడా ఉపయోగించవచ్చు.

ముడి లోహానికి క్షయీకరణ (బ్లాస్ట్ ఫర్నేస్‌లో వెలికితీత)

ఇనుము యొక్క పారిశ్రామిక వెలికితీత ప్రధానంగా బ్లాస్ట్ ఫర్నేస్లో ఇనుప ఆక్సైడ్‌ల క్షయీకరణను కలిగి ఉంటుంది. బ్లాస్ట్ ఫర్నేస్‌లోకి లోడ్ చేయబడిన ముడి పదార్థాలు:

1. సాంద్రీకరించిన ఇనుప ఖనిజం (హెమటైట్, మాగ్నెటైట్)
2. కోక్ (C) - క్షయకరణ కారకంగా మరియు ఇంధనంగా పనిచేస్తుంది.
3. సున్నపురాయి (CaCO₃) - ఆమ్ల మలినాలను (సిలికా, SiO₂) తొలగించడానికి ఫ్లక్స్‌గా పనిచేస్తుంది.

బ్లాస్ట్ ఫర్నేస్ ప్రక్రియ:

బ్లాస్ట్ ఫర్నేస్ అనేది పొడవైన, స్థూపాకారపు ఉక్కు పాత్ర, ఇది రిఫ్రాక్టరీ ఇటుకలతో కప్పబడి ఉంటుంది మరియు నిరంతరం పనిచేసేలా రూపొందించబడింది. వేడి గాలిని ఫర్నేస్ అడుగు భాగంలోకి పంపుతారు.

1. ముందుగా వేడిచేయు మరియు ఎండబెట్టు మండలం (200-700°C, ఫర్నేస్ పైభాగం)

• తేమ తొలగించబడుతుంది మరియు ఖనిజం పైకి లేచే వేడి వాయువుల ద్వారా ముందుగా వేడి చేయబడటం ప్రారంభమవుతుంది.
• CO ద్వారా కొంత క్షయీకరణ ప్రారంభమవుతుంది: 3Fe₂O₃ + CO → 2Fe₃O₄ + CO₂

2. క్షయీకరణ మండలం (700-1200°C, ఫర్నేస్ మధ్యభాగం)

• పరోక్ష క్షయీకరణ: కోక్ దహనం నుండి ఏర్పడిన కార్బన్ మోనాక్సైడ్ (CO) ప్రాథమిక క్షయకరణ కారకంగా పనిచేస్తుంది. Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂ Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
• సున్నపురాయి విఘటనం: CaCO₃ → CaO + CO₂

3. స్లాగ్ ఏర్పడే మండలం (1200-1500°C, దిగువ మధ్యభాగం)

• ఫ్లక్స్ చర్య: సున్నపురాయి విఘటనం నుండి ఏర్పడిన కాల్షియం ఆక్సైడ్ (CaO), ఖనిజంలో ఉన్న ఆమ్ల మలినాలతో (సిలికా వంటి గాంగ్) చర్య జరుపుతుంది. CaO (flux) + SiO₂ (gangue) → CaSiO₃ (slag)
• ఈ ద్రవ స్లాగ్ ద్రవ ఇనుము కంటే తేలికగా ఉంటుంది మరియు దాని ఉపరితలంపై తేలుతూ, ఇనుమును తిరిగి ఆక్సీకరణం చెందకుండా కాపాడుతుంది. దీనిని విడిగా తీసివేస్తారు.

4. దహనం మరియు ద్రవీకరణ మండలం (1500-1900°C, ఫర్నేస్ అడుగుభాగం)

• కోక్ దహనం: వేడి గాలి (బ్లాస్ట్) కోక్‌తో చర్య జరిపి కార్బన్ మోనాక్సైడ్‌ను ఉత్పత్తి చేస్తుంది మరియు అపారమైన వేడిని విడుదల చేస్తుంది. 2C (coke) + O₂ (hot air) → 2CO (exothermic)
• ప్రత్యక్ష క్షయీకరణ (అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద): కొన్ని ఇనుప ఆక్సైడ్‌లు కార్బన్ ద్వారా నేరుగా క్షయీకరణ చెందుతాయి. Fe₂O₃ + 3C → 2Fe + 3CO
• ద్రవ ఇనుము ఫర్నేస్ అడుగు భాగంలో సేకరించబడుతుంది. ఇందులో సుమారు 4% కార్బన్ మరియు తక్కువ మొత్తంలో S, P, Si, మరియు Mn కరిగి ఉంటాయి. ఈ ముడి ఇనుము రూపాన్ని పిగ్ ఐరన్ అంటారు.

అవుట్‌పుట్:

• పిగ్ ఐరన్: ఫర్నేస్ అడుగు భాగం నుండి తీసిన ద్రవ ఇనుము. అధిక కార్బన్ శాతం కారణంగా ఇది పెళుసుగా ఉంటుంది.
• స్లాగ్: ద్రవ ఇనుము పైన నుండి తీసిన ద్రవ కాల్షియం సిలికేట్. రహదారుల నిర్మాణం మరియు సిమెంట్ తయారీలో ఉపయోగిస్తారు.
• బ్లాస్ట్ ఫర్నేస్ గ్యాస్: పైభాగం నుండి బయటపడే ఉద్గార వాయువులు (CO, CO₂, N₂), ఇవి తరచుగా లోపలికి వచ్చే గాలిని ముందుగా వేడి చేయడానికి ఉపయోగించబడతాయి.

శుద్ధి మరియు శుద్ధీకరణ

బ్లాస్ట్ ఫర్నేస్ నుండి నేరుగా ఉత్పత్తి చేయబడిన పిగ్ ఐరన్ పెళుసుగా ఉంటుంది మరియు కార్బన్ (3-5%), సిలికాన్, మాంగనీస్, ఫాస్పరస్ మరియు సల్ఫర్ వంటి మలినాలను కలిగి ఉంటుంది. కావలసిన లక్షణాలతో వివిధ రకాల ఇనుమును ఉత్పత్తి చేయడానికి దీనిని మరింత ప్రాసెస్ చేస్తారు.

1. కాస్ట్ ఐరన్

• ఉత్పత్తి: పిగ్ ఐరన్‌ను స్క్రాప్ ఐరన్ మరియు కోక్‌తో తిరిగి కరిగించి, ఆపై అచ్చులలో పోస్తారు.
• గుణాలు: సుమారు 2.5-4% కార్బన్‌ను కలిగి ఉంటుంది. ఇది కఠినమైనది మరియు పెళుసుగా ఉంటుంది, సాగదీయబడదు మరియు వెల్డింగ్ చేయబడదు.
• ఉపయోగాలు: పైపులు, స్టవ్ భాగాలు, ఇంజిన్ బ్లాకుల తయారీ.

2. వ్రాట్ ఐరన్

• ఉత్పత్తి: వాణిజ్యపరమైన ఇనుము యొక్క స్వచ్ఛమైన రూపం. హెమటైట్ (Fe₂O₃) తో పూత పూసిన రివర్బరేటరీ ఫర్నేస్‌లో చాలా మలినాలను ఆక్సీకరణం చేయడం ద్వారా కాస్ట్ ఐరన్ నుండి దీనిని తయారు చేస్తారు. హెమటైట్ కార్బన్‌ను CO గా ఆక్సీకరణం చేస్తుంది, మరియు ఇతర మలినాలు (Si, Mn, P) పూత మరియు ఫ్లక్స్‌తో చర్య జరిపి స్లాగ్‌ను ఏర్పరుస్తాయి. Fe₂O₃ (lining) + 3C → 2Fe + 3CO Si + O₂ → SiO₂ Mn + O₂ → MnO 2P + 5O → P₂O₅
• గుణాలు: 0.25% కంటే తక్కువ కార్బన్‌ను కలిగి ఉంటుంది. ఇది మృదువైనది, సాగదీయదగినది, తీగలుగా మార్చదగినది, దృఢమైనది మరియు వెల్డింగ్ చేయదగినది.
• ఉపయోగాలు: యాంకర్ గొలుసులు, రివెట్‌లు, వ్యవసాయ పనిముట్లు.

3. స్టీల్

స్టీల్ అనేది 0.02% నుండి 2% కార్బన్‌తో పాటు ఇతర మిశ్రమ మూలకాలతో కూడిన ఇనుము యొక్క మిశ్రమం. దాని బలం మరియు బహుముఖ ప్రజ్ఞ కారణంగా ఇది ఇనుము యొక్క అత్యంత విస్తృతంగా ఉపయోగించే రూపం.

• ఆధునిక ఉక్కు తయారీ ప్రక్రియలు:

  a) బేసిక్ ఆక్సిజన్ ఫర్నేస్ (BOF) ప్రక్రియ

  • సూత్రం: పిగ్ ఐరన్, స్క్రాప్ స్టీల్‌తో పాటు, బేసిక్ రిఫ్రాక్టరీలతో (ఉదా. మెగ్నీషియా లేదా డోలమైట్) కప్పబడిన పెద్ద, పియర్ ఆకారపు ఫర్నేస్‌లోకి లోడ్ చేయబడుతుంది. స్వచ్ఛమైన ఆక్సిజన్ నీటితో చల్లబడిన లాన్స్ ద్వారా ద్రవ లోహం ఉపరితలంపై అధిక వేగంతో పంపబడుతుంది.
  • చర్యలు: ఆక్సిజన్ మలినాలను వేగంగా ఆక్సీకరణం చేస్తుంది:
    • కార్బన్‌ను CO లేదా CO₂ గా (C + O₂ → CO₂)
    • సిలికాన్‌ను SiO₂ గా (Si + O₂ → SiO₂)
    • మాంగనీస్‌ను MnO గా (Mn + O₂ → MnO)
    • ఫాస్పరస్‌ను P₂O₅ గా (2P + 5O₂ → P₂O₅)
    • సల్ఫర్‌ను SO₂ గా (S + O₂ → SO₂)
  • ఆమ్ల ఆక్సైడ్‌లను (SiO₂, P₂O₅) స్లాగ్‌గా తొలగించడానికి ఫ్లక్స్‌లు (సున్నపురాయి లేదా డోలమైట్) కలుపుతారు.
  • ప్రయోజనాలు: వేగవంతమైనది (20-30 నిమిషాలు), ఆర్థికమైనది.
  • ఉత్పత్తి: ద్రవ ఉక్కు, దీనిని వివిధ రూపాల్లో పోస్తారు లేదా తదుపరి మిశ్రమం కోసం ఉపయోగిస్తారు.

  b) ఎలక్ట్రిక్ ఆర్క్ ఫర్నేస్ (EAF) ప్రక్రియ

  • సూత్రం: స్క్రాప్ లోహం (ఉక్కు, కాస్ట్ ఐరన్) పెద్ద గ్రాఫైట్ ఎలక్ట్రోడ్‌లు మరియు లోహపు ఛార్జ్ మధ్య ప్రవహించే విద్యుత్ ఆర్క్ నుండి ఉత్పత్తి అయ్యే వేడి ద్వారా కరుగుతుంది. మలినాలను తొలగించడానికి ఆక్సిజన్‌ను పంపుతారు.
  • ప్రయోజనాలు: 100% స్క్రాప్‌ను ఉపయోగించవచ్చు, ఉష్ణోగ్రత మరియు మిశ్రమ మూలకాలపై ఖచ్చితమైన నియంత్రణ, అధిక-నాణ్యత ప్రత్యేక ఉక్కులను ఉత్పత్తి చేస్తుంది.
  • ఉత్పత్తి: అధిక-నాణ్యత ఉక్కు.

ఉక్కు తయారీ తర్వాత, ద్రవ ఉక్కు సాధారణంగా సెమీ-ఫినిష్డ్ ఉత్పత్తులు (స్లాబ్‌లు, బ్లూమ్‌లు, బిల్లెట్‌లు)గా పోస్తారు, ఆపై రోలింగ్, ఫోర్జింగ్ లేదా ఇతర పద్ధతుల ద్వారా తుది ఉత్పత్తులుగా ప్రాసెస్ చేయబడుతుంది.