گندله؛ خواص، مواد اولیه تولید و روش تولید
گندله چیست؟ نوعی ماده اولیه برای تولید آهن خام است. گلولههایی کوچک تولید شده از سنگ آهن و سایر مواد افزودنی است که سخت یا پخته میشوند. گندله مورد استفاده در روش احیای مستقیم نسبت به گندله کوره بلند دارای عیار آهن بیشتر و ناخالصی کمتر میباشد. گندله استفاده شده در کوره بلند باید دارای اندازه بزرگتر و استحکام بالاتری باشد که آن هم به اندازه کوره بلند بستگی دارد. درجه احیا پذیری نیز به درجه تخلخل، سطح تماس و تماس جامد گاز بستگی دارد.
گندله ها دارای خواص زیر هستند:
- توزیع یکنواخت ابعاد به طور عمده از ۹ تا ۱۶ میلیمتر
- تخلخل زیاد و یکنواخت ۲۵ تا ۳۰ درصد
- ترکیب کانیشناختی یکنواخت به شکل هماتیت یا ترکیبات هماتیت دار احیا شونده
- استحکام مکانیکی زیاد و یکنواخت
- مقاومت به سایش
- استحکام مکانیکی کافی حتی در برابر تنش گرمایی در محیط های احیا کننده
- قابلیت چسبندگی کم داشته باشد
اجزا سیستم گندله سازی عبارتند از:
- سیستم انتقال مواد خام
- سیستم آسیاب و خردایش مواد اولیه
- واحد مخلوط سازی مواد اولیه
- تولید گندله خام
- کوره پخت
- سیستم غبار گیر
- سیستم تعمین آب خنک کننده
- سیستم انتقال محصول نهایی
- سیستم تصفیه آب
- سیستم تولید هوای فشرده
- آزمایشگاه
مواد اولیه برای تولید گندله
مواد اولیه برای گندله سازی سنگ های آهن، عبارتند از:
سنگ های آهن
سنگ های آهن مهم ترین و عمده ترین مواد اولیه را برای تولید تشکیل می دهند. این ماده اولیه اغلب به صورت کنسانتره حاصل از پر عیار کردن یا حذف مواد سنگی کانه های آهن در کارگاه های کانه آرایی است. این کنسانتره ها بر حسب نوع عملیات کانه آرایی مورد خردایش قرار گرفته و نرم می شود. در اکثر موارد خردایش انجام شده برای کانه آرایی به منظور گندله سازی کافی نیست و باید مجددا کنسانتره های نرم تر شوند، به طوری که قسمت عمده ذرات سنگ آهن به ابعاد زیر ۴۵ میکرون (معادل مش ۳۲۵) در آیند. این کنسانتره ها معمولا مرطوب بوده و حاوی حداقل ۱۰ درصد رطوبت می باشند. گاهی اوقات به منظور کاهش رطوبت کنسانتره، نرمه های سنگ آهن خشک را با آن مخلوط می کنند. در هر حال ماده اولیه آهن دار باید تمام مشخصات و کیفیت لازم را برای کاربرد در کوره بلند یا روش های احیای مستقیم داشته باشند. این مشخصات در بخش های مربوطه آورده شده است.
مواد افزودنی
مواد افزودنی به چند دسته تقسم می شوند که عبارتند از:
۱- موادی که روی خواص فیزیکی و مکانیکی گندله خام و پخته اثر می گذارند و شامل انواع موادی هستند که نقش چسبندگی و پیوند فیزیکی ذرات سنگ آهن را بهم دارند.
۲- موادی که در بهبود خواص متالورژیکی و احیا پذیری موثرند، مانند موادی که تخلخل را افزایش می دهند.
۳- موادی مانند آهک که در گندله های خود گداز با مواد سنگی کانه های آهن وارد واکنش شده و سرباره تولید می کنند.
۴- مواد چسبنده ای که برای افزایش استحکام مکانیکی گندله خام اضافه می شوند و باعث ایجاد پیوند شیمیایی بین ذرات ریز سنگ آهن شده و استحکام آن را بهبود می بخشند. به طور کلی اثر این مواد به شرح زیر خلاصه می شود:
– افزایش استحکام نوع خام
– تسهیل در تبدیل پیوند شیمیایی به پیوند سرامیکی
– تسهیل در عملیات گندله سازی
– برطرف کردن مشکلات ناشی از خشک شدن آن
بنتونیت
بنتونیت مناسب ترین عامل پیوند دهنده ذرات گندله است. بنتونیت یک کانی خالص نبوده و از تعدادی کانی های رسی تشکیل می شود که خاصیت پلاستیسیته بالایی دارند. در بین این کانی ها از مونت موریلونیت، آلوفان و غیره می توان نام برد. دراین کانی ها یک لایه اکسید آلومینیم هشت وجهی بین دو قشر سیلیس چهار وجهی قرار دارد و بدین ترتیب پیوند دو لایه سیلیسی که در آن ها سیلیسیم، چهار ظرفیتی است توسط یک لایه آلومینیم سه ظرفیتی برقرار می شود. بدین ترتیب در این لایه یک ظرفیت کمتر از دو لایه دو طرف وجود دارد. این امر باعث جذب کاتیون هایی مانند سدیم، پتاسیم و کلسیم در این لایه واسطه می شود. اضافه کردن آب به کانی باعث می شود که مولکول های آب دور این کاتیون را احاطه کنند و فاصله دو لایه سیلیسی را از یکدیگر افزایش دهند و باعث ازدیاد حجم شوند.
ذرات بنتونیت بسیار ریز هستند و سطح ویژه بنتونیت ۶۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ سانتی متر مربع به ازای گرم است. این دانه بندی ریز و توزیع عالی آن در بین ذرات سنگ آهن باعث توزیع یکنواخت آب در گندله می شود که در صوت خشک شدن گندله خام مانع از ترک برداشتن آن می شود. در جریان پخت در دمایی حدود ۱۲۰۰ تا ۱۴۰۰ درجه سانتی گراد بنتونیت با اکسیدهای آهن وارد واکنش شده و تولید ترکیبات سرباره ای می کند. این ترکیبات ذوب شده و به صورت فیلمی دور دانه ها را می پوشاند. پیوند سرامیکی برقرار شده باعث افزایش استحکام مکانیکی آن می شود. مقدار بنتونیت در آن در حدود ۰٫۵ تا ۱ درصد است.
مواد آلی
مواد آلی نیز بین ذرات پیوند شیمیایی برقرار می کنند. خاصیت چسبندگی و پیوند مواد آلی معمولا کمتر از بنتونیت است و به خصوص مانند بنتونیت قادر به توزیع یکنواخت و یکسان رطوبت در حجم نیستند ولی از آنجایی که در جریان پخت، تجزیه شده و به صورت گاز از گندله خارج می شوند و مواد باقی مانده ای را در گندله باقی نمی گذارند بسیار جالب توجه می باشند. از طرف دیگر تجزیه این مواد گاز تولید می کند و خروج گاز از آن باعث افزایش تخلخل می شود که روی کیفیت احیا شوندگی گندله تاثیر مطلوب دارد. در هر حال مواد آلی تاثیری بر ترکیب شیمیایی آن نداشته و عیار ترکیبات تشکیل دهنده گندله را تغییر نمی دهند. مواد آلی به کار برده شده شامل انواع مواد آلی مانند نشاسته، ملاس و غیره می باشد.
شیر آهک
شیر آهک یا هیدروکسید کلسیم از تکلیس سنگ آهک و مخلوط آهک تولیدی با آب تولید می شود. شیر آهک خاصیت چسبندگی داشته و می تواند ذرات آهن دار را به یکدیگر متصل کند. کاربرد شیر آهک به عنوان مواد چسبنده گندله های خود گداز، معمول است ولی برای گندله های اسیدی مصرف آهک متداول نیست. تجربه نشان می دهد که افزایش آهک تا حدود ۵ درصد به گندله باعث افزایش استحکام مکانیکی آن پخته می گردد ولی اگر آهک گندله از این حد تجاوز کند در این صورت اثر معکوس روی خواص مکانیکی آن ایجاد خواهد نمود و مقاومت مکانیکی را کاهش خواهد داد. علت این امر تشکیل فازهای شیشه ای در فرآیند پخت می باشد.
آهک
گندله هایی که در کوره بلند مصرف می شوند اغلب حاوی آهک هستند که در حقیقت اندیس بازی گندله را بالا می برند. آهک ممکن است به صورت سنگ آهک با ابعادی حدود ۰٫۱ تا ۳ میلی متر به آن اضافه شود که باعث کاهش استحکام گندله خواهد شد بنابراین از آهک تکلیس شده با ابعاد زیر ۰٫۵ میلی متر برای این منظور استفاده می شود.
اگر مقدار آهک در گندله بیشتر از ۵ درصد باشد، باعث کاهش مقاومت مکانیکی می شود، لذا مقدار آهک در گندله ها از این حد تجاوز نمی کند. با توجه به اینکه گندله ها معمولا حاوی درصد آهن بالایی می باشند و عیار آهن برای تولید آن مصرفی در کوره بلند حدود ۶۴ درصد است که این مقدار آهن معادل ۹۲ درصد هماتیت در گندله است. لذا کمیت مواد سنگی کانه های آهن در گندله کمتر از ۸ درصد است. بنابراین افزودن این مقدار آهک در گندله می تواند اندیس بازی را به مقدار قابل توجهی تامین کند.
سیمان
در گندله هایی که به گندله سرد معروفند و نیازی به پخت ندارند می توان برای سخت کردن آن ها از سیمان استفاده نمود.
-
آب
یکی از مهمترین مواد افزودنی به بار گندله، آب است. کمیت و کیفیت آب می تواند تاثیر اساسی روی کیفیت آن داشته باشد. مقدار آب لازم برای گندله سازی بستگی به نوع سنگ آهن، مواد اولیه افزودنی، ابعاد ذرات، وجود تخلخل و خاصیت جذب آب توسط سطوح کانی و مواد سنگی کانه دارد.
میزان دقیق درصد آب لازم برای تولید تجربی بوده و با آزمایش باید تعیین شود. اگر درصد آب گندله از حدی کمتر و یا بیشتر باشد در هر دو حالت مقاومت مکانیکی گندله خام کاهش می یابد. زیرا در حالت اول فیلم آب تشکیل شده بر سطح ذرات، ناقص بوده و برای پیوند ذرات به یکدیگر کافی نیست. در حالت دوم اگر مقدار آب از حد معینی بیشتر باشد ذرات بار در آب شناور شده و باز هم پیوند لازم را با دیگر ذرات نخواهند داشت.
مقدار آب به کار برده شده در گندله سازی و ابعاد ذرات، دو عامل اصلی گندله سازی را تشکیل می دهند.
از آنجایی که آب اضافه شده به آن در روند خشک شدن و پخت گندله، تبخیر می شود و این عمل مستلزم تامین هزینه هایی از بابت آب لازم و مصرف انرژی برای تبخیر آن است، لذا در صنعت گندله سازی کوشش می شود که از حداقل آب ممکن برای این منظور استفاده شود. به این جهت آب لازم برای هر نوع سنگ آهن باید با توجه به ابعاد ذرات به طور تجربی برآورده شود. باید توجه داشت که تشکیل فیلم آب بر روی ذرات سنگ های آهن و مواد افزودنی تابع نوع، شکل، کیفیت سطحی و ابعاد ذرات است.
روش تولید
ابتدا مواد اولیه با نسبتی معین درون دستگاه گندله سازی ریخته میشود. علت افزودن هر کدام از مواد افزودنی از دو عامل بهبود خواص میکانیکی و خواص متالوژیکی خارج نیست. عمده خاصیت مکانیکی قابل توجه در استحکام مکانیکی آنهاست. خواص متالوژیکی قابل بهبود در این مرحله شامل چسبندگی مواد خام به یکدیگر و تسهیل احیا سازی در کوره بلند میباشد.
باید تلاش شود تا عیار سنگ آهن مورد استفاده در مواد خام به مرز ۶۹ درصد هماتیت یا ۷۲ درصد مگنتیت نزدیکتر باشد. مصرف کانسنگ با عیار بالا موجب صرفه جویی در حاملهای انرژی خواهد بود.
بطور کلی روشهای تولید به دو روش مخروط و روش دیسک تقسیم میشود. تا ابتدای دهه ۵۰ میلادی تنها روش همان مخروط بود که با پیشرفت تکنولوژی، به تدریج روش دیسکی عمده روش تولید ،در مقیاس صنعتی شد.
مطالب مرتبط
پنج شرکت بزرگ تولیدکننده مس در جهان
۵ خرداد ۱۴۰۳آینده عرصه مس در جهان
۳۱ اردیبهشت ۱۴۰۳آینده مس در انرژی های تجدید پذیر
۲۹ اردیبهشت ۱۴۰۳کاتد مس؛ کاربرد، فرآیند تولید و انواع
۵ خرداد ۱۴۰۰پوکه معدنی و صنعتی
۵ خرداد ۱۴۰۰پلی یورتان؛ کاربردها و خواص
۴ اسفند ۱۳۹۹