लोहा और इस्पात का निष्कर्षण (स्मेल्टिंग)

लोहे का स्मेल्टिंग क्यों करते हैं?

लोहा चट्टानों में शुद्ध नहीं मिलता। वह ऑक्सीजन से जुड़ा लौह अयस्क में होता है, जैसे हेमेटाइट (Fe₂O₃) और मैग्नेटाइट (Fe₃O₄)। स्मेल्टिंग (प्रगलन) का मतलब है अयस्क को ऐसे पदार्थ के साथ गरम करना जो ऑक्सीजन खींच ले, ताकि धातु बचे। यौगिक से ऑक्सीजन हटाने को अपचयन (reduction) कहते हैं।

काम दो बड़े भागों में होता है। पहले लोहा बनाओ (ब्लास्ट फर्नेस)। फिर उसे साफ़ करो और फ़ालतू कार्बन हटाओ (इस्पात निर्माण)।

ब्लास्ट फर्नेस: पिग आयरन बनाना

ब्लास्ट फर्नेस ऊँची इस्पात की मीनार है जिसके अंदर आग-रोधी ईंटें लगी होती हैं। इसमें डाली जाने वाली चार्ज में तीन चीज़ें होती हैं:

• लौह अयस्क: लोहे का स्रोत।
• कोक: पकाया हुआ कोयला। यह ईंधन भी है और ऑक्सीजन हटाने वाली गैस भी बनाता है।
• चूना-पत्थर (CaCO₃): यह अयस्क की रेत जैसी गंदगी से मिलकर स्लैग बनाता है।

नीचे के पास लगभग 1000 °C या अधिक की गरम हवा फूँकी जाती है। अभिक्रियाएँ:

1. कोक जलता है: C + O₂ → CO₂ (गर्मी देता है)।
2. CO₂ और गरम कोक से: CO₂ + C → 2CO।
3. CO अयस्क से ऑक्सीजन लेती है: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂।

लोहा पिघलकर नीचे टपकता है। भट्टी सालों तक दिन-रात चलती है। भारी पिघले लोहे में लगभग 4% कार्बन होता है, इसे पिग आयरन कहते हैं।

स्लैग: काम की गंदगी

अयस्क में पथरीली गंदगी होती है, मुख्यतः सिलिका (SiO₂)। चूना-पत्थर गर्मी से टूटता है: CaCO₃ → CaO + CO₂। फिर CaO + SiO₂ → CaSiO₃। यही स्लैग है। यह लोहे से हल्का है, इसलिए ऊपर तैरता है और अलग से निकाल लिया जाता है। स्लैग फेंका नहीं जाता: उससे सीमेंट और सड़क की सामग्री बनती है।

इस्पात निर्माण: कार्बन घटाना

4% कार्बन वाला पिग आयरन कठोर तो है पर भंगुर है: चोट से चटक जाता है। इस्पात (स्टील) में कार्बन बहुत कम होता है (अधिकतम लगभग 2%, आम इस्पात में 0.3% से कम), इसलिए वह मज़बूत और दृढ़ होता है। बेसिक ऑक्सीजन कन्वर्टर में पानी से ठंडी नली (लांस) पिघले लोहे में शुद्ध ऑक्सीजन फूँकती है:

• C + O₂ → CO / CO₂ (कार्बन गैस बनकर निकलता है)
• सिलिकॉन, फ़ॉस्फ़ोरस और सल्फ़र भी ऑक्साइड बनकर चूने से मिलते हैं और स्लैग में चले जाते हैं।

जलने से गर्मी मिलती है, इसलिए अलग ईंधन नहीं चाहिए। लगभग 20 मिनट में कार्बन सही हो जाता है। रीसाइकल के लिए कबाड़ इस्पात भी डाला जा सकता है। कबाड़ को इलेक्ट्रिक आर्क फर्नेस में पिघलाकर भी इस्पात बनता है। फिर क्रोमियम या मैंगनीज़ जैसी धातुएँ मिलाकर मिश्र-इस्पात बनाते हैं।

इंगट बनाना और सतत ढलाई

पिघले इस्पात को ठोस आकार देना होता है। दो तरीके हैं।

इंगट ढलाई (पुराना तरीका): इस्पात को बड़े साँचों में डालो, जमने दो, इंगट निकालो, फिर गरम करके बेलो। इसमें समय और धातु ज़्यादा लगती है।

सतत ढलाई (नया तरीका): लैडल से इस्पात छोटे टैंक टन्डिश में जाता है, फिर पानी से ठंडे ताँबे के साँचे में। बाहरी परत पहले जमती है। रोलर पट्टी को नीचे खींचते हैं और पानी की फुहार अंदर का भाग ठंडा करती है। टॉर्च उसे स्लैब, ब्लूम या बिलेट में काट देती है। दुनिया का 95% से अधिक इस्पात इसी तरह ढलता है, क्योंकि ऊर्जा बचती है और उत्पाद एक-सा बनता है।

आज़माओ

3D में: आख़िरी चरण में कार्बन स्लाइडर को 4% से 0.2% तक खींचो। काले कार्बन के बिंदु गायब होते देखो और इस्पात का नाम पढ़ो।

घर पर (बड़े के साथ): इस्पात की कील और ढलवाँ लोहे का पतला टुकड़ा अलग होते हैं। पतला इस्पात का तार मोड़ो: मुड़ता है। ढलवाँ लोहा मुड़ता नहीं, टूटता है। लोहा वही, कार्बन अलग।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

• Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ (अयस्क का अपचयन)
• C + O₂ → CO₂; CO₂ + C → 2CO
• CaCO₃ → CaO + CO₂; CaO + SiO₂ → CaSiO₃ (स्लैग)
• पिग आयरन: लगभग 4% C. इस्पात: 2% से कम C
• सतत ढलाई: लैडल → टन्डिश → साँचा → कटी स्लैब

हल किए गए उदाहरण

आम गलतियाँ

• यह कहना कि भट्टी सिर्फ़ अयस्क पिघलाती है। रासायनिक अभिक्रिया (अपचयन) से ऑक्सीजन हटती है।
• कोक को केवल ईंधन मानना। वह CO भी बनाता है, जो असल में ऑक्सीजन हटाती है।
• इस्पात को लोहे से अलग धातु मानना। इस्पात लोहा है जिसमें थोड़ा, नियंत्रित कार्बन होता है।
• दोनों चरण गड़बड़ाना: ब्लास्ट फर्नेस पिग आयरन (ज़्यादा कार्बन) बनाती है; कन्वर्टर इस्पात (कम कार्बन) बनाता है।