प्रत्यक्ष अपचित लोह

गरम-ब्रिकेट किया हुआ लोहा

प्रत्यक्ष अपचित लोह या डायरेक्ट रिड्यूस्ड आयरन (डीआरआई), जिसे स्पंज आयरन भी कहा जाता है, प्राकृतिक गैस या कोयला से उत्पन्न कम करने वाले वातावरण या मौलिक कार्बन द्वारा लोहे में लौह अयस्क (गांठ, छर्रों या सूक्ष्म रूप में) की प्रत्यक्ष कमी (रसायन शास्त्र) से उत्पादित होता है। कई अयस्क प्रत्यक्ष अपचयन के लिए उपयुक्त होते हैं।

प्रत्यक्ष कमी से तात्पर्य ठोस-अवस्था प्रक्रियाओं से है जो लोहे के पिघलने बिंदु से नीचे के तापमान पर लोहे के ऑक्साइड को धात्विक लोहे में परिवर्तित हो जाती है । अपचयित लौह का नाम इन प्रक्रियाओं से लिया गया है, इसका उदाहरण लौह अयस्क को भट्टी में 800 to 1,200 °C (1,470 to 2,190 °F) उच्च तापमान पर कम करने वाली गैस सिनगैस, हाइड्रोजन और कार्बन मोनोआक्साइड के मिश्रण की उपस्थिति में गर्म किया जाता है।

प्रत्यक्ष रूप से कम किए गए लोहे का उत्पादन और प्रक्रिया द्वारा टूटना

प्रक्रिया

प्रत्यक्ष कमी प्रक्रियाओं को सामान्यतः दो श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है: गैस-आधारित, और कोयला-आधारित। दोनों ही स्थितियों में, प्रक्रिया का उद्देश्य लौह अयस्क के विभिन्न रूपों (आकार के अयस्क, सांद्र, छर्रों, मिल स्केल, भट्टी की धूल, आदि) में निहित ऑक्सीजन को हटाना है, जिससे अयस्क को बिना पिघलाए (1,200 °C (2,190 °F) से नीचे) धातु के लोहे में परिवर्तित किया जा सकता है।

प्रत्यक्ष कमी की प्रक्रिया तुलनात्मक रूप से ऊर्जा कुशल है। डीआरआई का उपयोग करके बनाए गए स्टील को अधिक कम ईंधन की आवश्यकता होती है, इसमें पारंपरिक ब्लास्ट भट्टी की आवश्यकता नहीं होती है। डीआरआई उत्पाद द्वारा उत्पादित गर्मी का लाभ उठाने के लिए डीआरआई को सामान्यतः विद्युत आर्क भट्टियों का उपयोग करके स्टील में बनाया जाता है।

लाभ

पारंपरिक ब्लास्ट भट्टियों की कठिनाइयों को दूर करने के लिए प्रत्यक्ष कमी की प्रक्रियाएं विकसित की गईं है। डीआरआई संयंत्रों को एकीकृत स्टील संयंत्र का भाग होने की आवश्यकता नहीं है, जैसा कि वात भट्टी की विशेषता है। प्रत्यक्ष कमी के संयंत्रों की प्रारंभिक पूंजी निवेश और परिचालन लागत एकीकृत स्टील संयंत्रों की तुलना में कम है और विकासशील देशों के लिए अधिक उपयुक्त हैं जहां उच्च ग्रेड कोकिंग कोयले की आपूर्ति सीमित है, किंतु जहां स्टील स्क्रैप सामान्यतः रीसाइक्लिंग के लिए उपलब्ध है। कई अन्य देश इस प्रक्रिया के विभिन्न प्रकारों का उपयोग करते हैं।

डीआरआई को आर्थिक बनाने में सहायता करने वाले कारक:

• डायरेक्ट-रिड्यूस्ड आयरन में कच्चा लोहा के समान ही आयरन की मात्रा होती है, सामान्यतः कुल आयरन 90-94% होता है (कच्चे अयस्क की गुणवत्ता के आधार पर) इसलिए यह स्टील मिल या मिनिमिल्स द्वारा उपयोग की जाने वाली विद्युत भट्टियों के लिए उत्कृष्ट फीडस्टॉक है, जिससे अनुमति मिलती है वे शेष चार्ज के लिए निम्न ग्रेड के स्क्रैप का उपयोग कर सकते हैं या उच्च ग्रेड के स्टील का उत्पादन कर सकते हैं।
• हॉट-ब्रिकेटिड आयरन (एचबीआई) डीआरआई का कॉम्पैक्ट रूप है जिसे शिपिंग, हैंडलिंग और संग्रहण में सरलता के लिए डिज़ाइन किया गया है।
• हॉट डायरेक्ट रिड्यूस्ड आयरन (एचडीआरआई) डीआरआई है जिसे सीधे रिडक्शन भट्टी से गर्म करके विद्युत आर्क भट्टी में ले जाया जाता है, जिससे ऊर्जा की बचत होती है।
• प्रत्यक्ष कमी की प्रक्रिया में गोलीकृत लौह अयस्क या प्राकृतिक सुजन अयस्क का उपयोग किया जाता है। अपवाद द्रवीकृत तल प्रक्रिया है जिसके लिए आकार के लौह अयस्क कणों की आवश्यकता होती है।
• प्रत्यक्ष कमी की प्रक्रिया में अक्रिय गैसों से दूषित प्राकृतिक गैस का उपयोग किया जा सकता है, जिससे इन गैसों को अन्य उपयोग के लिए हटाने की आवश्यकता से बचा जा सकता है। चूँकि, कम करने वाली गैस का कोई भी अक्रिय गैस संदूषण उस गैस धारा के प्रभाव (गुणवत्ता) और प्रक्रिया की थर्मल दक्षता को कम कर देता है।
• पाउडर अयस्क और कच्ची प्राकृतिक गैस दोनों की आपूर्ति उत्तरी ऑस्ट्रेलिया जैसे क्षेत्रों में उपलब्ध है, जिससे गैस के लिए परिवहन लागत से बचा जा सकता है। अधिकतर स्थितियों में डीआरआई संयंत्र प्राकृतिक गैस स्रोत के पास स्थित होता है क्योंकि गैस के अतिरिक्त अयस्क को भेजना अधिक लागत प्रभावी होता है।
• लौह और स्टील निर्माण में जीवाश्म ईंधन को चरणबद्ध विधियों से समाप्त करने के लिए, डीआरआई का उत्पादन करने के लिए सिनगैस के स्थान पर नवीकरणीय हाइड्रोजन गैस का उपयोग किया जा सकता है।

समस्याएँ

यदि प्रत्यक्ष रूप से कम किया गया लोहा असुरक्षित छोड़ दिया जाए तो ऑक्सीकरण और जंग लगने के प्रति अत्यधिक संवेदनशील होता है, और सामान्यतः शीघ्र ही स्टील में परिवर्तित हो जाता है। थोक लोहा आग भी पकड़ सकता है क्योंकि यह पायरोफोरिक है। ब्लास्ट फर्नेस पिग आयरन के विपरीत, जो लगभग शुद्ध धातु है, डीआरआई में कुछ सिलिकॉन डाइऑक्साइड गैंग (यदि स्क्रैप से बनाया गया है, प्राकृतिक गैस के साथ सीधे कम किए गए लोहे से नए लोहे से नहीं) होता है, जिसे स्टील बनाने की प्रक्रिया में हटाने की आवश्यकता होती है।

इतिहास

Main article: ब्लूमरी

स्पंज आयरन का उत्पादन करना और फिर उस पर काम करना मध्य पूर्व, मिस्र और यूरोप में लोहा प्राप्त करने के लिए उपयोग की जाने वाली सबसे प्रारंभिक विधि थी, जहां यह कम से कम 16 वीं शताब्दी तक उपयोग में थी।

ब्लूमरी विधि का लाभ यह है कि लोहा कम भट्ठी के तापमान पर केवल 1,100 डिग्री सेल्सियस या इसके निकट प्राप्त किया जा सकता है। ब्लास्ट भट्ठी के संबंध में हानि यह है कि एक समय में केवल छोटी मात्रा में ही भट्टी बनाई जा सकती है।

रसायन विज्ञान

निम्नलिखित प्रतिक्रियाएं क्रमिक रूप से हेमेटाइट (लौह अयस्क से) को मैग्नेटाइट में, मैग्नेटाइट को लौह ऑक्साइड में, और फेरस ऑक्साइड को कार्बन मोनोऑक्साइड या हाइड्रोजन के साथ अपचयन द्वारा लोहे में परिवर्तित करती हैं।

${\ce {3 Fe2O3 + CO/H2 -> 2 Fe3O4 + CO2/H2O}}$

${\ce {Fe3O4 + CO/H2 -> 3 FeO + CO2/H2O}}$

${\ce {FeO + CO/H2 -> Fe + CO2/H2O}}$

कार्बराइजिंग से सीमेंटाइट (Fe₃C) बनता है:

${\ce {3 Fe + CH4 -> Fe3C + 2H2}}$

${\ce {3 Fe + 2CO -> Fe3C + CO2}}$

${\ce {3 Fe + CO +H2 -> Fe3C + H2O}}$

अर्थव्यवस्था

भारत विश्व में प्रत्यक्ष रूप से कम किये गये लोहे का सबसे बड़ा उत्पादक है।

उपयोग

स्पंज आयरन अपने आप में उपयोगी नहीं है, किंतु इसे गढ़ा लोहा या स्टील बनाने के लिए संसाधित किया जा सकता है। इस प्रकार स्पंज को भट्ठी से हटा दिया जाता है, जिसे ब्लूमरी कहा जाता है, और निरंतर भारी हथौड़ों से पीटा जाता है और धातु – मल को हटाने के लिए मोड़ दिया जाता है, किसी भी कार्बन या कार्बाइड को रिडॉक्स किया जाता है, और लोहे को एक साथ वेल्डिंग किया जाता है। यह उपचार सामान्यतः लगभग तीन प्रतिशत धातु – मल और अन्य अशुद्धियों के प्रतिशत के अंश के साथ गढ़ा लोहा बनाता है। इस प्रकार आगे के उपचार में कार्बन की नियंत्रित मात्रा सम्मिलित हो सकती है, जिससे विभिन्न प्रकार के ताप उपचार (जैसे स्टील) की अनुमति मिल सकती है।

आज, लौह अयस्क को पिघलाए बिना कम करके स्पंज आयरन बनाया जाता है। यह विशेष स्टील निर्माताओं के लिए ऊर्जा-कुशल फीडस्टॉक बनाता है जो स्क्रैप धातु पर निर्भर रहते थे।

भोजन

हाइड्रोजन-कम लौह का उपयोग खाद्य-ग्रेड लौह पाउडर के स्रोत के रूप में, खाद्य सुदृढ़ीकरण के लिए और ऑक्सीजन के स्तर को कम करने के लिए किया जाता है। यह तात्विक रूप लौह रूपों की तरह अवशोषित नहीं होता है, किंतु ऑक्सीजन-स्कैवेंजिंग फ़ंक्शन इसे आकर्षक बनाए रखता है। इस उपयोग के लिए शुद्धता मानक 1977 में स्थापित किए गए हैं।

यह भी देखें

• वात भट्टी
• कच्चा लोहा
• स्टील मिल

संदर्भ

टिप्पणियाँ

ग्रन्थसूची

• Valipour MS, and Saboohi, Y, "Numerical investigation of nonisothermal reduction of hematite using Syngas: the shaft scale study", Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 15(5), p. 487, 2007.
• Grobler, F. and Minnitt, R.C.A "The increasing role of direct reduced iron in global steelmaking", The Australasian Institute of Mining and Metallurgy.