محدودیت عناصر، مخصوصا سنگ آهن در جهان پیرامون
علی یعقوبی از مجتمع فولاد میانهتوضیحات:فولاد با توجه به ویژگی‌های منحصربه‌فرد و خواص مکانیکی گسترده‌ای که دارد، امروزه تاثیرات شگرفی بر نوع زندگی بشر گذاشته است؛ بطوری‌که تولید و مصرف سالیانه‌ی فولاد در جهان به نزدیکی دو میلیارد تن رسیده است و بیش از 3500 نوع آلیاژ فولادی مختلف در صنعت مصرف می‌شود. فولاد، آلیاژی از آهن و کربن است ( مقدار کربن، کمتر از 2% وزنی) که با توجه به انواع نیازمندی‌ها، می‌تواند با عناصر دیگر نیز ترکیب شود. آهن مورد نیاز برای تولید فولاد از سنگ‌آهن موجود در معادن، فرآوری و تولید می‌شود. آهن با نماد شیمیایی Fe، از عناصر مطرح جدول مندلیف می‌باشد. اطلاع از فراوانی عناصر (مخصوصا عنصر آهن) در جهان پیرامون، موضوع مهمی است که سعی شده در این نوشتار به آن پرداخته شود.
دانشمندان سرآغاز تشکیل جهان را مه‌بانگ یا انفجار بزرگ (بیگ‌بنگ) می‌دانند و بر این اساس عمر جهان حدود 13.8 میلیارد سال تخمین زده شده است. انرژی یا ماده تشکیل‌دهنده جهان هستی یکی از موضوعات مهم و مورد بحث دانشمندان است و با توجه به اینکه مجهولات زیادی در این زمینه مطرح می‌باشد، نتایج جالبی ارایه شده است. شکل زیر درصد فراوانی انرژی یا ماده تشکیل دهنده جهان هستی را نشان می‌دهد(شکل1).
عناصر تنها بخش کوچکی از اجزای تشکیل دهنده‌ی جهان می‌باشد. مطالعات کیهانی نشان می‌دهند که عناصر شیمیایی، تنها ۴٫۶٪ از جرم جهان هستی را به خود اختصاص داده اند در حالی‌که بقیه جهان هستی از انرژی تاریک و ماده تاریک به ترتیب با فراوانی ۷۲٪ و ۲۳٪ تشکیل یافته است. موارد بیان‌شده برای کهکشان راه‌شیری نیز به عنوان بخشی از جهان هستی صدق می‌کند. امروزه اطلاعات دقیق‌تری در مورد منظومه‌ی شمسی در دسترس است.
سیارات موجود در منظومه‌ی شمسی به دو صورت سنگی و گازی می‌باشد. بخش عمده‌ی سیاره‌های گازی را هیدروژن و هلیوم به عنوان فراوان‌ترین عناصر در جهان، شکل داده‌اند. کره‌ی زمین به عنوان نمونه‌ای از سیارات سنگی از عناصر مختلفی تشکیل شده که این عناصر در جدول مندلیف جمع‌آوری شده است.
شکل2، فراوانی عناصر در منظومه شمسی را نشان می‌دهد. هیدروژن و هلیم که بیشترین فراوانی را دارند، محصول مه‌بانگ هستند. سه عنصر بعدی (یعنی لیتیم، بریلیم و بور) فراوانی بسیار کمی دارند؛ زیرا زمان کمی برای تشکیل در مه‌بانگ داشته‌اند و در ستاره‌ها نیز ساخته نمی‌شوند(البته مقادیر اندکی از این عناصر از واپاشی عناصر سنگین‌تر بر اثر تابش‌های کیهانی تشکیل می‌شوند). فرآیند آلفای سه‌گانه باعث گذر از این سه عنصر و تشکیل اتم کربن می‌شود. عناصر بعدی (عنصرهای سنگین‌تر از کربن) نیز از هم‌جوشی ذرات آلفا در ستاره‌ها ساخته می‌شوند و به همین دلیل فراوانی عنصرهای با عدد اتمی زوج، بسیار بیشتر از عنصرهای فرد است.
آهن، با عدد اتمی ۲۶، فراوانی قابل توجهی دارد. دلیل این فراوانی را می‌توان پایداری عنصر آهن دانست که به راحتی توسط ذرات آلفا ساخته می‌شود. عناصر سنگین‌تر از آهن در فرآیندهای انرژی‌گیر در ستاره‌ها ساخته می‌شوند و عموماً فراوانی آنها در جهان با افزایش عدد اتمی، کاهش می‌یابد.
در طبیعت، مواد به سه حالت جامد، مایع و گاز وجود دارند که یا به‌صورت طبیعی شکل‌گرفته‌اند و یا ساخته دست بشر می‌باشند. تعداد محدودی از مواد موجود در جهان به‌صورت عنصر بوده و مابقی مواد جهان از ترکیب و پیوند عناصر تشکیل شده‌اند. انسان در طول حیات خود با یافتن شیوه‌های مختلف، عناصر فراوانی را از پوسته‌ی زمین استخراج کرده و برای رفع نیازهای خود از آنها بهره برده است. در شکل3، درصد فراوانی عمده عناصر تشکیل‌دهنده‌ی کره‌ی زمین و همچنین بیشترین عناصر موجود در پوسته و سطح زمین، قابل مشاهده مي باشد.
بیشترین جرم کره‌ی زمین از آهن تشکیل شده است (بیش از 32٪ از جرم کل زمین) و فراوانی عنصری آن در پوسته و سطح زمین حدود 5٪ می‌باشد. یعنی با رفتن از سطح زمین به سمت لایه‌های داخلی، مقدار و درصد وزنی آهن بیشتر می‌شود به طوری‌که حدود 80 ٪ جرم هسته‌ی کره‌ی زمین از آهن تشکیل شده است. به نظر می‌رسد بعضی از ویژگی‌های کره‌ی زمین مانند گرانش بالا و قطبیت زمین به مقدار بالای آهن موجود در زمین مربوط باشد.
امروزه حدود 95% وزنی از کل تولیدات فلزات جهان به تولید آهن و فولاد اختصاص یافته است. صنعت فولاد، فرآیندها و کارخانه‌های متعددی را شامل می‌شود که به زنجیره‌ی فولاد معروف می‌باشد. خوراک ورودی صنعت فولاد، سنگ‌آهن است که از معادن استخراج می‌شود. آهن همانند بقیه‌ی عناصر در سطح کره‌ی زمین بصورت یکنواخت پخش نشده است بنابراین معدن سنگ‌آهن محدود بوده و به مناطقی اطلاق می‌شود که علاوه بر داشتن عیار بالای آهن، از نظر ملاحظات فنی و اقتصادی نیز ویژگی‌های خاصی داشته باشد.
با در نظر گرفتن 30% پوسته زمین به عنوان خشکی، حدود 170 میلیون میلیارد تن سنگ‌آهن در پوسته‌ی 30 کیلومتری زمین موجود می‌باشد (با فرضیات شعاع زمین حدود 6378 کیلومتر، چگالی پوسته‌ی زمین حدود 3 گرم بر سانتی‌متر مکعب، درصد آهن در پوسته حدود 5% و ضریب تبدیل آهن به سنگ‌آهن حدود 2.5).
در شکل4، مقدار تخمینی تناژ سنگ‌آهن در معادن کشورهای مختلف جهان در سال 2013، قابل مشاهده است. در این سال ظرفیت معادن جهان حدود 170 میلیارد تن برآورد شده که حدود ppm 1 (یک میلیون‌ام) از سنگ‌آهن موجود در پوسته زمین را شامل می‌شود. قسمت اعظم این اختلاف به عدم امکان معدن‌کاری و استخراج سنگ‌آهن از عمق‌های زیاد و همچنین نیاز به غلظت‌های بالای آهن در سنگ‌آهن، مربوط می‌شود.
کشورهای استرالیا و برزیل، بزرگترین صادرکننده و کشورهای چین و ژاپن، بزرگترین واردکننده‌ی سنگ‌آهن به‌شمار می‌روند. همچنین چین بزرگترین تولیدکننده (استخراج کننده) سنگ‌آهن در جهان می‌باشد. در شکل5 نقشه‌ی مربوط به کشورهای تولیدکننده‌ی سنگ‌آهن و همچنین نحوه جابجایی این ماده معدنی در مناطق مختلف جهان، قابل مشاهده می‌باشد.