در این مطالعه، تکنولوژی جدیدی برای استفاده همه‌جانبه از سنگ‌آهن کم‌عیار ارائه شده است. برای سنگ‌آهن با ۹۱/۲۴ درصد Fe، یک مطالعه در مقیاس پایلوت پیش‌تغلیظ، تشویه مغناطیسی تعلیقی، آسیاب کردن و جداسازی مغناطیسی کم‌شدت انجام شد و کنسانتره آهن با عیار ۲۱/۶۲ درصد و بازیابی ۷۲/۸۵ درصد به‌دست آمد. محصولات با استفاده از آنالیز عناصر شیمیایی، آنالیز اندازه ذرات، پراش اشعه X، میکروسکوپ الکترونی روبشی و مغناطیس‌سنجی نمونه ارتعاشی، بررسی شدند. نتایج نشان دادند که هماتیت با مخلوط CO و H_۲ احیا می‌شود و در تشویه مغناطیسی تعلیقی به مگنتیت فری‌مغناطیسی تبدیل می‌شود که در جداسازی مغناطیسی بعدی به‌راحتی بازیابی می‌گردد. علاوه بر این، یک باطله پیش‌تغلیظ با ۵۵/۸۱ درصد SiO_۲ و یک باطله مغناطیسی سنگ معدن تشویه‌شده با ۵۷/۷۹ درصد SiO_۲ به‌دست آمد که می‌تواند به‌عنوان مصالح ساختمانی مورد استفاده قرار گیرد. این تکنولوژی نتایج قابل توجهی را برای استفاده همه‌جانبه از سنگ‌آهن کم‌عیار ارائه می‌دهد.

ماهنامه پردازش – فولاد به‌عنوان پرمصرف‌ترین مصالح اساسی ساختمانی و تخصصی، نقش بی‌مانندی در توسعه اقتصاد ملی، امنیت ملی و زندگی مردم ایفا می‌کند.

با توسعه سریع اقتصاد و جامعه چین، نیاز به آهن‌وفولاد برای مدت طولانی در آینده در سطح بالایی باقی خواهد ماند. اما، صنعت آهن‌وفولاد چین مدت‌هاست که با کمبود شدید سنگ‌آهن مواجه بوده است. به این معنا که سنگ‌آهن داخلی نمی‌تواند تقاضای صنعت آهن‌و‌فولاد در چین را برآورده سازد.

درحال‌حاضر، صنعت آهن‌وفولاد چین به‌شدت به سنگ‌آهن وارداتی از استرالیا و برزیل متکی است که بر عملکرد پایدار صنعت آهن‌وفولاد تأثیر گذاشته است.

چین دارای منابع فراوان سنگ‌آهن با ذخیره ۲۲/۸۵ میلیارد تن است اما، عمده آن سنگ‌آهن کم‌عیار با ترکیب کانه پیچیده و پراکنش ریز است. اکنون، میانگین عیار سنگ‌آهن در چین تقریباً ۳۰ درصد است و بیش از ۹۰ درصد آنها قبل از استفاده در صنعت آهن‌وفولاد نیاز به فرآوری دارند. بنابراین، استفاده از منابع سنگ‌آهن کم‌عیار موجب کاهش وابستگی به منابع سنگ‌آهن وارداتی می‌شود و برای بهره‌برداری از سنگ‌آهن کم‌عیار در سطح جهانی نیز اهمیت دارد.

کانه‌آرایی مؤثر و اقتصادی سنگ هماتیتی کم‌عیار یک مشکل فنی ناشی از کم‌عیاری آهن، ترکیب کانی پیچیده و پراکنش ریز است. تحقیقات زیادی برای فرآوری سنگ معدن هماتیت کم‌عیار در سال‌های اخیر انجام شده است. روش‌های فرآوری معمولی شامل تغلیظ گرانشی، جداسازی مغناطیسی، فلوتاسیون کف، و موارد ترکیبی آنها مانند جداسازی مغناطیسی کم‌شدت، جداسازی مغناطیسی پرشدت، فلوتاسیون معکوس، جداسازی مغناطیسی، جداسازی گرانشی، فلوتاسیون معکوس، و آسیاب‌کردن مرحله‌ای، طبقه‌بندی (classification)، جداسازی گرانشی، فلوتاسیون معکوس آنیونی می‌باشند. گرچه شاخص تولید بر اساس این فرآیندها بهبود یافته است، اما هم‌چنان با مشکلات مسیرهای فرآوری پیچیده و سازگاری ضعیف با تغییرات سنگ خام مواجه است. علاوه بر این، مقادیر زیادی باطله در فرآیند کانه‌آرایی سنگ‌آهن کم‌عیار تولید شده که باعث ایجاد مشکلات زیست‌محیطی شدید، مانند اشغال اراضی، احیای اراضی، و آلودگی آب شده است. بنابراین، توسعه تکنولوژی‌های جدید برای دستیابی به استفاده همه‌جانبه از منابع سنگ‌آهن کم‌عیار ضروری است.

تشویه مغناطیسی روش موثری برای فرآوری سنگ معدن هماتیتی استکه در آن هماتیت به مگنتیت احیا گردیده و با جداسازی مغناطیسی کم‌شدت به‌راحتی بازیابی می‌شود. درحال‌حاضر، با توسعه تکنولوژی تشویه مغناطیسی و تجهیزات صنعتی مربوطه، تکنولوژی تشویه مغناطیسی تعلیقی به روشی نویدبخش برای فرآوری سنگ هماتیت کم‌عیار تبدیل شده است. از مزایای دمای تشویه پایین، ظرفیت تولید زیاد و مسیر فرآیند ساده است. علاوه بر این، به‌دلیل تخریباکولوژیکی محیط‌زیست مرتبط با استخراج شن و ماسه، بهره‌برداری از شن ‌و ماسه رودخانه توسط دولت محدود شده است که باعث نوسانات بازار در صنعت ساختمان گردیده است. نیاز بهمصالح ساختمانی جایگزین فرصت خوبی برای توسعه و استفاده همه‌جانبه از منابع باطله‌های معدنی را به ارمغان آورده است.

 به بیان Yellishetty و همکاران، ضایعات معدنی سنگ‌آهن را می‌توان در بتن، ساخت‌وساز و آجر به‌دلیل اندازه ذرات استفاده کرد. Xu و همکاران ماسه باطله کائولن (KTS) را به‌عنوان یک جایگزین سازگار با محیط‌زیست برای شن و ماسه رودخانه طبیعی به‌عنوان یک سنگدانه ریز در تولید ملات سیمان و بتن بازیافت کردند و دریافتند که عملکرد مکانیکی با جایگزینی ۶۰ درصد وزنی KTS بهترین بود.

 Vargas و همکاران اثرات زیست‌محیطی استفاده از باطله‌های فرآوری مس (TT) را به‌عنوان مواد مکمل سیمانی محاسبه کردند، که نشان می‌دهند مخلوط‌های TT شاخص‌های زیست‌محیطی بهتری را در عملکرد مکانیکی بالاتر ارائه می‌نمایند. Loginova و همکاران نیز دریافتند که خاکستر بستر زباله‌سوز پسماند جامد شهری یک ماده اضافی جزئی بالقوه برای سیمان است.

جدول (۱): آنالیز عناصر شیمیایی سنگ معدن خام.
S	P	CaO	Al۲O۳	MgO	SiO۲	FeO	Fe	ترکیب
۰۷۲/۰	۰۴۷/۰	۱۳/۲	۰۲/۲	۹۵/۰	۹۰/۴۶	۷۵/۲	۹۱/۲۴	درصد وزنی

 در این مطالعه، تکنولوژی جدیدی برای استفاده همه‌جانبه از سنگ‌آهن کم‌عیار ارائه شده است. در این فرآیند، نمونه‌ها با استفاده از آنالیز عناصر شیمیایی، پراش اشعه ایکس (XRD)، مغناطیس‌سنجی نمونه ارتعاشی (VSM) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) مورد آنالیز قرار گرفتند. تغییر فاز، تغییرات مغناطیسی و میکرومورفولوژی در تشویه مغناطیسی تعلیقی (SMR) مشخص شدند. علاوه بر این، آنالیز ترکیب عناصر و آنالیز اندازه ذرات باطله‌ها برای کاربردهای آنها در مصالح ساختمانی نیز انجام شد.

۲٫ مواد و آزمایش

۱-۲٫ مواد

سنگ معدن خام مورداستفاده در آزمایشاز معدن روباز در Shanxi، چین بدست آمد. با استفاده از سنگ‌شکن فکی و آسیاب غلتکی پرفشار خرد شد و اندازه ذرات نهایی زیر mm5/1 بود. آنالیز عناصر شیمیایی سنگ خام در جدول (۱) نشان داده شده است. میزان Fe محتوی ۹۱/۲۴ درصد و FeO محتوی ۷۵/۲ درصد بود که به وجود مقادیر کمی مگنتیت و سیدریت نسبت داده شد. کانی اصلی گانگ کوارتز و SiO_۲ محتوی ۹/۴۶ درصد بود. سایر ناخالصی‌ها عبارت بودند از: MgO (95/0 درصد)، Al_۲O_۳ (۰۲/۲ درصد)، وCaO  (۱۳/۲ درصد). محتوای عناصر مضر P و S به ترتیب ۰۴۷/۰ درصد و ۰۷۲/۰ درصد بود. بر اساس نتایج XRD (شکل۱)،کانی‌های اصلی آهن سنگ خام را هماتیت، مگنتیت و سیدریت تشکیل می‌دادند. کانی‌های تشکیل‌دهنده گانگ نیز کوارتز، کربنات‌ها و… بودند.

۲-۲٫ تجهیزات و روش‌های آزمایش

یک نمودار طرحواره استفاده همه‌جانبه از سنگ‌آهن کم‌عیار در شکل(۲) نشان داده شده و عمدتاً از پیش‌تغلیظ، تشویه مغناطیسی تعلیقی و جداسازی مغناطیسی تشکیل شده است. سنگ معدن خام با استفاده از آسیاب گلوله‌ای آسیاب شد و اندازه ذرات ۶۰ درصد وزنی عبور از mm075/0 بود. سپس محصول آسیاب‌شده با استفاده از جداسازی مغناطیسی سه مرحله‌ای به‌ترتیب با شدت مغناطیسی ۳۱/۱۴۳، ۰۹/۳۹۸ و kA/m80/875 فرآوری شد و کنسانتره آهن و باطله پیش‌تغلیظ بدست آمد. کنسانتره آهن پیش‌تغلیظ به‌عنوان خوراک تشویه مغناطیسی تعلیقی استفاده شد. سیستم تشویه مغناطیسی تعلیقی شامل پیش‌گرمایش، احیا و خنک‌سازی بود که در آن هماتیت ضد فرومغناطیسی به مگنتیت فری‌مغناطیسی تبدیل شد. عامل احیاکننده متشکل از CO و H_۲ با نسبت حجمی ۲:۱ بود. سنگ معدن تشویه‌شده با استفاده از یک آسیاب همزن عمودی آسیاب شد و اندازه ذرات۸۰ درصد وزنی عبور از mm038/0 بود. محصول آسیاب‌شده با استفاده از جداسازی مغناطیسی کم‌شدت با شدت مغناطیسی kA/m43/119 فرآوری شد. در نهایت کنسانتره آهن و باطله مغناطیسی سنگ تشویه‌شده بدست آمد.

۳-۲ تعیین مشخصات

آنالیز عناصر شیمیایی سنگ خام و سنگ تشویه‌شده انجام شد. Fe و FeO با استفاده از روش تیتراسیون شیمیایی تعیین شدند. SiO_۲، Al_۲O_۳، MgO، CaO و P با استفاده از طیف‌سنجی فلورسانس اشعه ایکس (XRF) (Primus II، ژاپن) تعیین شد. S با استفاده از آنالیزکننده گوگرد LECO SC-144DR (MI، آمریکا) تعیین شد. سنگ خام و محصولات تشویه با استفاده از پراش‌سنج اشعه ایکس (X’Pert PRO، PANAlytical B.V، هلند) در زاویه اسکن °۹۰-۵ و سرعت اسکن min/°۱۲ آنالیز شدند. خواص مغناطیسی سنگ خام، کنسانتره پیش‌تغلیظ، سنگ تشویه‌شده و کنسانتره آهن با استفاده از مغناطیس‌سنجی نمونه ارتعاشی (JDAW-2000D، Yingpu، چین) آنالیز شدند. منحنی‌های مغناطیس کردن اولیه و حلقه‌های پسماند (مغناطیسی به‌ترتیب با محدوده میدان مغناطیسی ۶۳۷/۰ و kA/m 637-637 آنالیز شدند. سنگ تشویه‌شده با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی و طیف پراکنش انرژی (ULTRA plus، Zeiss، آلمان) آنالیز شد. علاوه بر این، میکرومورفولوژی و توزیع عناصر مورد مطالعه قرار گرفت.

۳٫ نتایج و بحث

۱-۳ پیش‌تغلیظ

جدول۲٫ شاخص جداسازی سنگ‌آهن کم‌عیار در پیش‌تغلیظ (درصد وزنی).
بازیابی Fe	عیار Fe	عیار SiO۲	بهره دهی	محصولات
۲۰/۹۲	۳۵/۳۲	۷۴/۳۲	۹۹/۷۰	کنسانتره پیش‌تغلیظ
۸۰/۷	۷۰/۶	۵۵/۸۱	۱/۲۹	باطله پیش‌تغلیظ

سنگ خام با جداسازی مغناطیسی سه مرحله‌ای فرآوری شد و شاخص‌های جداسازی کنسانتره پیش‌تغلیظ و باطله در جدول (۲) نشان داده شده است. براساس نتایج، باطله با بهره‌دهی ۰۱/۲۹ درصد و عیار آهن ۷۰/۶ درصد قبل از تشویه مغناطیسی تعلیقی حذف شد، که موجب کاهش هزینه تشویه گردید. علاوه بر این، باطله پیش‌تغلیظ با SiO_۲ محتوی ۵۵/۸۱ درصد و عیار آهن ۷۰/۶ درصد می‌تواند برای تولید مصالح ساختمانی استفاده شود. در نهایت کنسانتره پیش‌تغلیظ با عیار آهن ۳۵/۳۲ درصد و بازیابی ۲۰/۹۲ درصد بدست آمد. پیش‌تغلیظ سنگ‌آهن کم‌عیار می‌تواند به‌طور موثری برخی از کانه‌های لجن (slime) و گانگ را حذف کند و تأثیر آنها بر عملیات تشویه مغناطیسی تعلیقی بعدی را کم کند. در همین حال، ظرفیت و کارایی فرآوری در تشویه مغناطیسی تعلیقی بهبود یافته است.

۲-۳ تشویه مغناطیسی تعلیقی

در این آزمایش، اثرات دمای تشویه ℃۵۵۰-۳۵۰، مقدار مواد احیاکننده (CO:H_۲ = ۲:۱) به میزان ۲٫۴-۴٫۵m^۳/h، ظرفیت تغذیه ۸۰-۱۶۰ kg/h و حجم کل گاز ۱۵٫۰-۲۲٫۰ m^۳/h بر روی شاخص جداسازی مغناطیسی مورد مطالعه قرار گرفت و نتایج در شکل a-e3 نشان داده شده است.

عیار آهن و بازیابی کنسانترهآهن شاخص‌های مهم اثر تشویه مغناطیسی بودند. عیار کنسانتره آهن β با آنالیز عناصر شیمیایی بدست آمد و بازیابی φ با معادله (۱) محاسبه شد. که در آن α عیار Fe سنگ تشویه شده، β عیار Fe کنسانتره آهن و γ بهره‌دهی کنسانتره آهن است.