गौरवशाली विरासत

आरंभ — जब भारत की धातुकर्म यात्रा ने आकार लेना शुरू किया

राष्ट्रीय धातुकर्म प्रयोगशाला (एनएमएल) उन प्रारंभिक पाँच प्रयोगशालाओं में से एक थी (राष्ट्रीय रासायनिक प्रयोगशाला, राष्ट्रीय भौतिक प्रयोगशाला, ईंधन अनुसंधान स्टेशन तथा काँच एवं सिरेमिक अनुसंधान संस्थान के साथ), जिनकी स्थापना भारत के औद्योगिक विकास को गति देने हेतु वैज्ञानिक एवं औद्योगिक अनुसंधान परिषद (सीएसआईआर) के अधीन परिकल्पित की गई थी। सीएसआईआर की स्थापना 26 सितम्बर, 1942 को हुई तथा वर्ष 1943 में सीएसआईआर के शासी निकाय ने देशभर में रणनीतिक रूप से उपयुक्त स्थानों पर इन पाँच प्रयोगशालाओं की स्थापना के प्रस्ताव को स्वीकृति प्रदान की। एनएमएल की आधारशिला वर्ष 1946 में, अंतरिम राष्ट्रीय सरकार के शिक्षा एवं कला मंत्री माननीय श्री चक्रवर्ती राजगोपालाचारी द्वारा 21 नवम्बर, 1946 को रखी गई, जिसने देश के धातुकर्म इतिहास एवं विरासत में एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर स्थापित किया। वर्ष 1950 में इस प्रयोगशाला का उद्घाटन भारत गणराज्य के तत्कालीन प्रधानमंत्री पंडित जवाहरलाल नेहरू द्वारा किया गया, जो देश के भविष्य के प्रति आशा का प्रतीक था। राष्ट्रीय धातुकर्म प्रयोगशाला, श्री शांति स्वरूप भटनागर की उस दूरदर्शी परिकल्पना का एक भाग थी, जिसके अंतर्गत विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी के क्षेत्र में भारत की उन्नति हेतु अनुसंधान संस्थानों का एक सुदृढ़ शृंखला स्थापित करने की कल्पना की गई थी।

26 नवम्बर, 1950 को भारत की स्वतंत्रता के तुरंत पश्चात स्थापित एनएमएल ने वैज्ञानिक अनुसंधान, प्रौद्योगिकी विकास, औद्योगिक सेवाओं तथा मानव संसाधन विकास के माध्यम से खनिज, धातु एवं पदार्थ के क्षेत्रों में देश की क्षमताओं के विकास में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई है। स्थापना के पश्चात से ही एनएमएल ने अपने अनुसंधान कार्यों का विस्तार करते हुए निष्कर्षण धातुकर्म, मिश्रधातु विकास, धातुकर्मीय प्रक्रिया मॉडल निर्माण, खनिज अनुसंधान, उन्नत पदार्थ, अखंडता मूल्यांकन, सतह अभियांत्रिकी तथा सतत धातु उत्पादन जैसे क्षेत्रों को सम्मिलित किया है। खनिज, धातु एवं पदार्थ से संबंधित विभिन्न क्षेत्रों में इसकी गौरवशाली विरासत का विवरण नीचे प्रस्तुत किया गया है।

फेरोएलॉय — मजबूत इस्पात के निर्माण की एक महत्वपूर्ण मौन आधारशक्ति

फेरोएलॉय के विकास ने भारत के लौह एवं इस्पात उद्योग की प्रगति में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई। आयुध प्रतिष्ठानों को समर्थन प्रदान करने हेतु एनएमएल ने एल्युमिनोथर्मिक विधि द्वारा निम्न-कार्बन तथा कार्बन-रहित फेरोक्रोम का उत्पादन प्रारंभ किया। एनएमएल की तृतीय पंचवर्षीय योजना के दौरान फेरोएलॉय पर विशेष ध्यान केंद्रित किया गया। एनएमएल की 500 केवीए सबमर्ज्ड आर्क भट्टी (SAF), जो भारत की पहली थी, ने वर्ष 1962 में देश में फेरोएलॉय के संगठित उत्पादन की शुरुआत का मार्ग प्रशस्त किया। यह भट्टी फेरोएलॉय उत्पादकों के लिए एक प्रमुख सुविधा सिद्ध हुई तथा सामान्य अयस्क गलन के लिए भी प्रयुक्त की गई। 1960 के दशक से एनएमएल ने फेरोएलॉय उद्योग में महत्वपूर्ण योगदान दिया। वर्ष 1975–76 में एनएमएल ने पहली बार भारत में कैल्शियम-सिलिसाइड का उत्पादन किया, जो आईएसआई मानकों के अनुरूप था तथा इसे हिंदुस्तान मशीन टूल्स (एचएमटी) और हेवी इंजीनियरिंग कॉर्पोरेशन (एचईसी) को प्रेषित किया गया। वैनाडियम-समृद्ध स्लैग के लिए औद्योगिक स्तर के परीक्षण भी संपन्न किए गए। फेरोएलॉय कॉर्पोरेशन (FACOR) के साथ एनएमएल के दीर्घकालिक सहयोग के परिणामस्वरूप वर्ष 1967 में उच्च-कार्बन फेरोक्रोम हेतु 12 एमवीए भट्टी तथा निम्न-कार्बन फेरोक्रोम हेतु 8 एमवीए भट्टी की स्थापना की गई। FACOR ने अनेक अनुसंधानों को सहयोग प्रदान किया, जिनमें फाउंड्री में फेरोक्रोम स्लैग का उपयोग तथा इनोकुलेंट्स हेतु मैग्नीशियम धातु अपशिष्ट के उपयोग संबंधी अध्ययन शामिल हैं। 1960 के दशक के उत्तरार्ध में एनएमएल ने मिश्रधातु इस्पात में उपयोग हेतु 0.05–0.2% तक कार्बन युक्त निम्न-कार्बन फेरोक्रोम तथा कार्बन-रहित फेरोक्रोम के उत्पादन की भारत की प्रथम प्रौद्योगिकी भी विकसित की। 

अपनी विरासत को आगे बढ़ाते हुए, हाल के वर्षों में एनएमएल ने वैनाडियम पेंटऑक्साइड सान्द्रण से एल्युमिनोथर्मिक विधि द्वारा कार्बन-रहित फेरोवैनाडियम (Fe-V) के निर्माण की एक प्रक्रिया विकसित की है। एल्युमिनोथर्मिक अभिक्रिया को अग्निरोधी अस्तरयुक्त कक्ष में संचालित किया जाता है। फ्लक्सिंग अभिकर्मकों को वैनाडियम पेंटऑक्साइड के साथ आवश्यक मात्रा में एल्युमिनियम एवं आयरन ऑक्साइड के साथ मिश्रित किया जाता है। एनएमएल में मैंगनीज अयस्क के सिलिको-थर्मिक अपचयन की प्रक्रिया को प्रयोगशाला स्तर पर विकसित किया गया है, जिससे निम्न-कार्बन फेरोमैंगनीज का उत्पादन किया जा सके। एनएमएल ने उच्च-कार्बन फेरोमैंगनीज में कार्बन की मात्रा को कम करने हेतु CO₂ को डीकार्बराइजिंग अभिकर्ता के रूप में उपयोग करने की एक प्रक्रिया भी विकसित की है, जिसका उपयोग उच्च-शक्ति, निम्न-मिश्रधातु (HSLA) इस्पात अथवा उन्नत उच्च-शक्ति इस्पात (AHSS) आदि के उत्पादन में किया जा सकता है।

स्पंज आयरन — कोमल धातु, सशक्त उद्देश्य के साथ

स्पंज आयरन के उत्पादन में कोयले एवं निम्न-ग्रेड ईंधनों का उपयोग भारत की इस्पात अर्थव्यवस्था के विकास तथा विद्युत इस्पात निर्माण में स्क्रैप के स्थानापन्न के रूप में अत्यंत महत्वपूर्ण सिद्ध हुआ। योजना आयोग एवं इस्पात मंत्रालय की अनुसंधान प्राथमिकताओं के अनुरूप, बड़े पैमाने पर स्पंज आयरन परीक्षणों के लिए एक रोटरी भट्टी सुविधा (200–300 किग्रा/घंटा) स्थापित की गई। तत्कालीन केंद्रीय इस्पात मंत्री, श्री चरणजीत सिंह यादव ने एनएमएल के प्रयासों की सराहना करते हुए कहा, “राष्ट्रीय धातुकर्म प्रयोगशाला ने स्पंज आयरन के उत्पादन में प्रत्यक्ष अपचयन तकनीकों को बढ़ावा देने हेतु इस चुनौतीपूर्ण पहल को अपनाने में अनुकरणीय साहस का प्रदर्शन किया है। इसके परिणामस्वरूप देश में बड़ी संख्या में मिनी इस्पात संयंत्रों की स्थापना संभव हो सकेगी, जो स्थानीय रूप से उपलब्ध लौह भंडारों का उपयोग करते हुए आसपास के क्षेत्रों की इस्पात आवश्यकताओं को पूरा करेंगे। स्पंज आयरन तकनीक का उपयोग करने वाले ये मिनी इस्पात संयंत्र आने वाले वर्षों में देश की कुल इस्पात आवश्यकता का 20–25% तक पूरा करने में सक्षम होंगे।”

ओडिशा इंडस्ट्रियल डेवलपमेंट कॉरपोरेशन लिमिटेड (IDCOL), भिलाई इस्पात संयंत्र, महाराष्ट्र स्टेट इंडस्ट्रियल इन्वेस्टमेंट कॉरपोरेशन (SIICOM), आंध्र प्रदेश इंडस्ट्रियल डेवलपमेंट कॉरपोरेशन (APIDC) तथा नेशनल मिनरल डेवलपमेंट कॉरपोरेशन (NMDC) सहित विभिन्न संगठनों के लौह अयस्कों का स्पंज आयरन उत्पादन हेतु रोटरी हर्थ भट्टी में परीक्षण किया गया। यूएनआईडो (UNIDO) द्वारा प्रायोजित एक अध्ययन के अंतर्गत आसवान (मिस्र) के अयस्क पर भी अपचयन परीक्षण किए गए, जो एनएमएल की प्रथम अंतरराष्ट्रीय अनुसंधान परियोजना थी। नेपाल खान ब्यूरो द्वारा प्रायोजित एक अन्य अध्ययन में उनके कच्चे माल का परीक्षण किया गया। एनएमएल की ठोस अपचयन प्रौद्योगिकी का उपयोग करते हुए भारत का प्रथम वाणिज्यिक स्पंज आयरन संयंत्र, जिसकी क्षमता 25,000–30,000 टन प्रति वर्ष थी, वर्ष 1975–76 में विजयवाड़ा स्थित आंध्र सीमेंट कंपनी में स्थापित किया गया। आईपीआईकोल (IPICOL) के पूर्व अध्यक्ष डॉ. इन्ग. एच. पी. मिश्रा ने वर्ष 2010 में एनएमएल के योगदान को स्वीकार करते हुए कहा, “1970 से 1974 के दौरान मैंने हमारे स्पंज आयरन तथा फेरो-वैनाडियम परियोजना के लिए एनएमएल की विशेषज्ञता प्राप्त की, जिससे हमें उड़ीसा तथा टाटा स्पंज आयरन परियोजनाओं को समझने में सहायता मिली।”

हाल ही में, सीएसआईआर-एनएमएल ने आयरन अयस्क स्लाइम, मिल स्केल तथा नॉन-कोकिंग कोयले का उपयोग करते हुए टनल भट्टी में डीआरआई (DRI) के उत्पादन की प्रक्रिया विकसित की है, जिसे वाणिज्यिक उत्पादन हेतु एम/एस एसएमआरडब्ल्यू, रांची को हस्तांतरित किया गया है। उत्पादित डीआरआई में उच्च धातुकरण (> 88%) पाया गया है तथा यह इस्पात निर्माण हेतु बीओएफ, आईएफ एवं ईएएफ भट्टियों के लिए उपयुक्त है। इस्पात उद्योग को देश का सबसे महत्वपूर्ण उद्योग माना जाता है तथा यह आर्थिक समृद्धि के लिए अत्यंत आवश्यक है। एनएमएल हाइड्रोजन-आधारित प्रत्यक्ष अपचयित लौह (H-DRI) से हरित इस्पात निर्माण पर प्रयोगशाला स्तर पर कार्य कर रहा है। हाइड्रोजन के अतिरिक्त, अमोनिया का भी अपचायक अभिकर्ता के रूप में लौह अयस्क पेलेट्स के अपचयन में उपयोग किया जा रहा है, जिसमें H-DRI का उपयोग इंडक्शन भट्टियों/इलेक्ट्रिक आर्क भट्टियों में हरित इस्पात निर्माण हेतु किया गया है।

मैग्नीशियम का महत्व — भारत में इसकी स्थापना में एनएमएल की अग्रणी भूमिका

सत्तर के दशक के प्रारंभ में एक महत्वपूर्ण उपलब्धि मैग्नीशियम संयंत्र की स्थापना तथा उसके सफल परीक्षण संचालन की रही। 1960 के दशक के उत्तरार्ध में प्रयोगशाला में प्रथम स्पंज मैग्नीशियम का उत्पादन किया गया, जिसमें श्री एम. पी. मेनन के नेतृत्व में टीम ने देश का पहला मैग्नीशियम इंगट तैयार किया। मैग्नीशियम पायलट संयंत्र का उद्घाटन फरवरी 1972 में किया गया तथा इसका औपचारिक उद्घाटन नवम्बर 1972 में तत्कालीन केंद्रीय इस्पात एवं खान मंत्री श्री मोहन कुमारमंगलम द्वारा किया गया। उच्च-शुद्धता (99.9%) मैग्नीशियम का उत्पादन टन स्तर पर किया गया तथा स्पंज मैग्नीशियम को पायलट स्तर पर सफलतापूर्वक पिघलाकर मिश्रधातु तैयार की गई। विकास अवधि के दौरान आवश्यक शुद्धता मानकों के अनुरूप उत्पादित मैग्नीशियम को आयुध निर्माणी, हिंदुस्तान एयरोनॉटिक्स लिमिटेड, गवर्नमेंट मिंट, भारत एल्युमिनियम, हेवी इंजीनियरिंग कॉर्पोरेशन, विक्रम साराभाई अंतरिक्ष केंद्र, रक्षा अनुसंधान प्रयोगशालाएँ तथा न्यूक्लियर फ्यूल कॉम्प्लेक्स सहित विभिन्न सामरिक एवं वाणिज्यिक संगठनों को आपूर्ति की गई। इन उपयोगकर्ताओं ने पुष्टि की कि मैग्नीशियम आवश्यक शुद्धता मानकों के अनुरूप है, जिससे आयातित मैग्नीशियम का स्थानापन्न संभव हुआ। बाद में, अगस्त–सितम्बर 1987 में इस संयंत्र को सदर्न मैग्नीशियम (एसएमसीएल, राजमुंदरी) को हस्तांतरित कर दिया गया, जिससे यह एक दशक से अधिक समय तक देश का एकमात्र मैग्नीशियम उत्पादक बना रहा। इसके परिणामस्वरूप देश की सामरिक आवश्यकताओं के लिए मैग्नीशियम मिश्रधातुओं के विकास को भी बढ़ावा मिला।

वर्ष 2000–2017 के दौरान, सीएसआईआर-एनएमएल ने द्रव अवस्था सिलिकोथर्मिक अपचयन प्रौद्योगिकी के साथ इलेक्ट्रोथर्मल पायलट संयंत्र के विकास का कार्य प्रारंभ किया। वर्ष 2020 से, सीएसआईआर-एनएमएल ने अपने पिजियन/रेटॉर्ट प्रक्रिया का पुनः अवलोकन किया तथा 14–15 किग्रा फीड/चार्ज और 2.5–3.0 किग्रा मैग्नीशियम धातु के लिए एकल रेटॉर्ट प्रोटोटाइप को सफलतापूर्वक स्थापित किया जा रहा है। मैग्नीशियम के परिष्करण तथा स्क्रैप पुनर्चक्रण के लिए वैक्यूम आसवन-आधारित प्रौद्योगिकियाँ स्वदेशी उपकरण अभिकल्पनों के साथ विकसित की गईं।

मई 2024 से, सीएसआईआर-एनएमएल ने सीएसआईआर विशेष परियोजना योजना–पायलट संयंत्र (CSPS-PP) के अंतर्गत भारतीय डोलोमाइट संसाधनों/स्क्रैप से वाणिज्यिक श्रेणी तथा उच्च-शुद्धता मैग्नीशियम धातु के उत्पादन हेतु एक पायलट संयंत्र स्थापित करने के उद्देश्य से पायलटिंग गतिविधि प्रारंभ की है। प्रस्तावित पायलट संयंत्र की क्षमता 120–150 किग्रा मैग्नीशियम धातु/दिन (600 किग्रा फीड / लगभग 2 टीपीडी डोलोमाइट आधारित फीड) निर्धारित की गई है। इसमें एनएमएल की उन्नत रेटॉर्ट/पिजियन प्रौद्योगिकी तथा सतत वैक्यूम आसवन परिष्करण प्रौद्योगिकी के एकीकरण की परिकल्पना की गई है, जिसका उद्देश्य कार्बन पदचिह्न में कमी लाना, स्लैग वैलोराइजेशन के माध्यम से परिपत्र अर्थव्यवस्था को बढ़ावा देना तथा उच्च-शुद्धता मैग्नीशियम के लिए अंतर्निहित स्क्रैप पुनर्चक्रण क्षमताएँ विकसित करना है।

उच्च-तापीय पदार्थों में अग्रणी: क्रीप उत्कृष्टता के दशकों का अनुभव

एनएमएल में क्रीप परीक्षण की शुरुआत 1960 के दशक के प्रारंभ में केवल 12 मशीनों के साथ सीमित स्तर पर हुई थी, जिसका उद्देश्य प्रारंभ में स्वदेशी उच्च-तापीय मिश्रधातुओं के विकास हेतु प्रयोगशाला अनुसंधान का समर्थन करना था। तथापि, 1960 के दशक के उत्तरार्ध तक एक केंद्रीकृत, बड़े पैमाने की क्रीप परीक्षण सुविधा की आवश्यकता स्पष्ट रूप से महसूस की जाने लगी। उस समय, क्रीप-प्रतिरोधी इस्पात के लिए भारत आयात पर अत्यधिक निर्भर था, क्योंकि स्वदेशी क्रीप डेटा के अभाव में उपयोगकर्ता देश में निर्मित सामग्रियों को अपनाने में संकोच कर रहे थे। इस अंतर को ध्यान में रखते हुए, 1960 के दशक के मध्य में विभिन्न हितधारकों—जिनमें इस्पात उत्पादक (जैसे SAIL एवं महिंद्रा-उजीन), उपयोगकर्ता (जैसे BHEL), अनुसंधान एवं विकास संगठन (एनएमएल एवं आरआरसी-कल्पक्कम) तथा वैधानिक निकाय (तत्कालीन ISI, DGTD)—ने मिलकर राष्ट्रीय स्तर की क्रीप परीक्षण अवसंरचना की स्थापना की अनुशंसा की।

इसके परिणामस्वरूप वर्ष 1972 में एनएमएल में एशिया की सबसे बड़ी क्रीप प्रयोगशाला की स्थापना हुई, जिसमें यूएनआईडो द्वारा प्रदत्त उपकरणों के सहयोग से 150 परीक्षण बिंदु स्थापित किए गए। यह सुविधा एनएमएल के इतिहास में एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर सिद्ध हुई तथा क्रीप-प्रतिरोधी इस्पात के स्वदेशीकरण हेतु देशव्यापी प्रयासों को प्रोत्साहन मिला। इंडियन क्रीप पैनल—एक स्वैच्छिक निकाय, जिसका सचिवालय एनएमएल में था—के मार्गदर्शन में एक स्वदेशी विकास कार्यक्रम प्रारंभ किया गया। इस पहल के अंतर्गत इस्पात विनिर्देशों का युक्तिकरण किया गया, योग्यता निर्धारण हेतु सुदृढ़ परीक्षण कार्यक्रमों की रूपरेखा तैयार की गई तथा स्वदेशी रूप से विकसित मिश्रधातुओं के वाणिज्यिक उत्पादन के साथ दीर्घकालिक क्रीप मूल्यांकन को संभव बनाया गया। स्वदेशीकरण किए गए प्रमुख इस्पात ग्रेडों में उच्च-तापीय बोल्टिंग इस्पात (CrMoV, Ti एवं B सहित तथा बिना, EN20), सुपरहीटर ट्यूबिंग इस्पात (1CrMo, 2¼Cr1Mo, 2CrMoV) तथा फोर्जिंग ग्रेड इस्पात (CrMo, CrMoV) शामिल थे। एनएमएल ने इन इस्पातों पर 30,000 घंटे तक का क्रीप डेटा तैयार किया तथा उन्हें अंतरराष्ट्रीय मानकों के साथ तुलनात्मक रूप से आंका। इन मूल्यांकनों के आधार पर सेंट्रल बॉयलर बोर्ड ने भारतीय तापीय विद्युत संयंत्रों में इन स्वदेशी इस्पातों के उपयोग को स्वीकृति प्रदान की। वर्ष 1980 तक एनएमएल क्रीप परीक्षण, सामग्री योग्यता निर्धारण तथा विफलता विश्लेषण के लिए एक राष्ट्रीय केंद्र के रूप में स्थापित हो चुका था। बीएचईएल के लिए दीर्घकालिक परीक्षण कार्य जारी रहे, जबकि एनएमएल ने रिएक्टर रिसर्च सेंटर (वर्तमान इंदिरा गांधी परमाणु अनुसंधान केंद्र, आईजीसीएआर) के फास्ट ब्रीडर रिएक्टर कार्यक्रम हेतु सामग्रियों के प्रमाणीकरण में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई। एनएमएल को आईजीसीएआर, कल्पक्कम के फास्ट ब्रीडर रिएक्टर के लिए स्टेनलेस स्टील पर 1,40,000 घंटे तक चलने वाले भारत के सबसे दीर्घकालिक क्रीप परीक्षण के संचालन का विशिष्ट गौरव प्राप्त है।

NML's extensive expertise also enabled it to lead the remaining life assessment (RLA) of high-temperature components from thermal power plants, petrochemical units, and fertilizer industries. These investigations helped extend the operational life of critical equipment. Through decades of microstructural analysis, failure case studies, and long-term testing of both service-exposed and lab-tested samples, NML has built a substantial repository of data valuable for life prediction and extension of industrial components. Even today, NML continues to serve major national materials development programs. It remains a recognized authority in creep testing, RLA of high-temperature components, and IBR certifications, contributing significantly to the strategic needs of the country’s infrastructure and energy sectors.

COLUMN FLOTATION - Purifying Resources, Powering Industry

CSIR - National Metallurgical Laboratory (CSIR-NML) has been at the forefront of indigenizing the ‘Column Flotation Technology’ for processing lean grade and fine-grained ores for over three decades. Laboratory-scale (74 mm diameter) and Pilot plant-scale (500 mm diameter) flotation columns were designed, fabricated, and field-tested at various private and public sector mineral processing industries nationwide. Development of column flotation technology achieved Technology Readiness Level - 9, implying that it is ready for successful deployment at a commercial scale. The USP of CSIR - NML is that it provides a one-stop solution for the installation and commissioning of commercial-scale flotation columns by collaborating and partnering with an EPC company, M/s Tega McNally Minerals Limited, Bengaluru, and reagents manufacturers and suppliers, M/s Sudarshan Chemical Industries Limited, Pune. So far, five laboratory-scale, two pilot plant-scale, and eight commercial-scale flotation columns have been commissioned to beneficiate limestone, barite, and fine coal recovery.

LOW SHAFT - High Ambitions

A 15-tonne/day pilot low-shaft furnace, one of the largest pilot plants established anywhere in the world, was operational at NML since 1959. The plant, costing close to 3 million (in mid-1950s) and supplied by the Demag-Humboldt Niederschachtofen, Duisburg, West Germany took nearly two years for construction. It required 100 tonnes of materials handling per day! The objective of having the plant was to assess the possibilities of making commercial grades of pig iron with raw materials like soft iron ores, iron ore fines, beneficiated magnetite iron ore, with various non-coking high ash coals or carbonized lignite, plentiful supplies of which exist in India but unsuitable for exploitation in conventional blast furnaces. This plant yielded the first pig iron in India from iron ore fines and coal with over a thousand tons of foundry grade pig iron was produced in 1959 itself. There were five phases of trials: 1) Use of low grade ores and coal; 2) Charge of self-fluxing briquettes from iron ore fines, limestone and non-coking coals; 3) Utilization of carbonized lignite from Neyveli & Palamu & utilisation of Salem magnetite; 4) Improving fuel economy through top gas injection, sintered burden and oxygen enrichment of blast and 5) Production of ferro-alloys such as Fe-Mn and Fe-Cr. More than seventy campaigns were conducted over two decades on round the clock basis to establish technical and economic feasibility of producing pig iron using raw materials from all across the country. The results of these studies, which were carried out under a large number of sponsored studies, notably from the state governments of East Punjab, Andhra Pradesh, Rajasthan, Maharashtra, Tamil Nadu and Bihar were used for the establishment of small units for iron and steel production in different parts of India. Government of Nepal sponsored a study to establish a small-scale iron production facility using their raw materials. Pilot scale tests in the low shaft furnace were also conducted on smelting of manganese ores to produce ferromanganese, titaniferous ores for TiO₂ slag and phosphate ore for ferro-phosphorous.

The production of pig iron from iron ore and coal unsuitable for iron production by conventional blast furnace symbolised great foresight. Oxygen enrichment and direct injection of liquid naphtha were introduced in the original design to improve energy economy. The environmental sustainability of the process was further improved by the development of processes for the utilisation of slag for ballast, production of light weight aggregate for insulation concrete and blended cement as a replacement for the ordinary Portland cement. The plant which was the workhorse of NML until the sixties was sold to M/s Polybond Co. in Durg, Raipur which is operational even today.

In STEEL We Trust

Since its inception, CSIR-NML has significantly contributed to the development of indigenous steel making technologies and new product development, thus reducing the country’s dependency on imports and foreign know-hows. Around thirty per cent of steel in India was produced by secondary producers using induction furnaces, often resulting in high phosphorus content. In its early years, CSIR-NML, with AIIFA and the Ministry of Steel, developed a flux to reduce phosphorus levels to meet BIS standards, with promising industrial test results. Efforts are still ongoing to refine the flux for various other refinement purposes.

Oxygen lancing for efficient and clean steelmaking was first introduced in Indian steelmaking industries during the 1950s to early 1960s. In a noteworthy contribution in the year 1957-58, NML set up first pilot plant facility of oxygen lancing in the scale of 0.1 ton for R&D activities in the quest to generate data which were envisaged to be helpful in the country’s steel expansion programme.

The continuous casting plant on pilot scale was first designed and fabricated at NML in 1961. A double- walled, water-cooled copper die with the exit water falling directly on the cast rod in the form of a spray was used for casting aluminium and its alloys. The size of the copper die was 31.75 mm inner diameter and 50.8 mm long. The speed of casting was around 457.2 mm/min with a circulating water rate of 3500 cc/min. This was probably the first continuous die casting unit in India. Although the continuous casting process was conceived by Bessemer in 1858, the continuous casting of steel did not gain widespread widespread use until the 1960s.

NML’s work in the area of developing nickel-free stainless steel, named THACKERON, after the Director General of CSIR at that stage, was a major breakthrough. This invention can be considered way ahead of its time due to Nickel’s strategic nature and present volatile market. The first foreign patents were granted to NML on the methods of producing these new steels (French Patent 1208393: September, 1959; UK Patent 833308, August, 1960).

The development of Ni-free substitute steels was not restricted to only the austenitic stainless steel. Another achievement in the development of Ni-free steels was the development of technology for substitute Ni and Co free electrical resistance heating elements which was transferred to M/s New Horizon, Pondicherry. Ni-free creep resistant austenitic steels were developed for exhaust valves for TATA D1 engine as well as Diesel Locomotives and the know-how was transferred to M/s Star Wire (India) Ltd. New Delhi in 1993.

Current research focuses on advanced automotive steels and the reuse of iron and steel plant wastes for value-added products. Over the past decade, a team of Scientists at CSIR-NML has made substantial contributions in indigenous development of steels through an innovative and energy-efficient Quenching and Partitioning (Q&P) heat-treatment technology. They have designed novel cost-effective steel compositions for various applications with an aim to reduce the import of high-end, value-added steel products. A pioneering scientific approach, coupled with strategic lab-scale implementation, has paved the way for pilot trial and industrial-scale steel production. These achievements were acknowledged by Tata Steel, which stated “This kind of high strength steel may be the first attempt through hot strip mill in India. The project is a true example of translatory research from Lab scale to Commercial scale.” These efforts have resulted in 2 technology development and over 5 patents. The ongoing efforts are focused on further utilizing the potential of this advanced technology (Q&P) to develop high-performance steels for armour, automotive, pipeline, etc. applications.

Recent activities in steel develop at NML also include development of high-performance rail steels for upcoming high-speed rails for the country. With the help of novel in-house developed thermodynamic models, new alloys were designed for formation of nano-pearlitic microstructure (with interlamellar spacing in the range of 80-95 nm). Importantly, the concept of non-partitioned nano-pearlite has been reported for the first time ever, wherein substitutional elements are retained within the soft ferrite phase leading to solid solution strengthening aiding enhancement in yield strength. These steels were observed to possess much higher strength, hardness and wear resistance as compared to conventional rail grades used in India. The optimized product has been patented as ‘Ultra High Strength Hypereutectoid Nano-Pearlitic Steels (Granted Indian Patent# 515907)’.

In another recent contribution, scientists at NML developed novel super-martensitic stainless steel compositions and their processing technology for space application. This development focused on improving the cryogenic impact properties of cast alloys for components such as the turbo fuel pump, which must endure high impact and cavitation at extremely low temperatures (around -196 °C). Given that investment cast alloys offer no scope for property modification through thermo-mechanical treatment, the challenge was to enhance performance solely through alloy and process design. A tailored approach was adopted involving alloy design and optimization, followed by meticulous process design. An alloy with both high yield strength and excellent impact resistance at cryogenic temperatures was successfully developed. The final composition and corresponding heat treatment cycle developed have been adopted and implemented by VSSC-ISRO at component-level, marking a significant advancement in indigenous material capability for strategic applications in the Indian space program.

URBAN MINING — Recycling E-WASTE for a Cleaner Tomorrow

CSIR-National Metallurgical Laboratory (NML), Jamshedpur emerged to be pioneer in the development of application-oriented e-waste recycling processes, fulfilling zero waste concepts. Since early 2000s, the group of scientists at NML has been working for development of process to recuperate non-ferrous metals from printed circuit boards (PCBs), rare earth metals from various types of magnets and precious metals from e-waste in an organized manner by recycling various e-wastes. In order to carry out scale-up and pilot scale trials, a centre dedicated for the development of feasible technologies to recover non-ferrous, precious and rare earth metals from secondary resources has been established. Dr. Shekhar C. Mande, Director General of CSIR and Secretary of the Department of Scientific and Industrial Research (DSIR), Govt. of India inaugurated this centre named as Urban Ore (E-waste) Recycling Centre (UORC) at CSIR-NML, Jamshedpur, on 20^th April 2019. Under this banner, CSIR-NML has recently transferred 14 technologies to various Indian recycling companies with high Customer Satisfactory Index. The transfer of technologies is a great step towards the "Swachhata Abhiyan" initiated by Government of India.

The developed processes are fully indigenous, economically feasible, less energy intensive and receive high value of metals and materials. E-waste recycling will generate new market for precious, non-ferrous, rare earth metals recovery by gaining high revenue due to less process cost, gain of high value recycled metals/ materials and techno-economical. The e-waste recycling sector will contribute to the country's economy and create employment. In future, the segments of technology will be available to common people as cottage industries/ manufacturers supported small scale industries in environmentally friendly manner.

In recent years CSIR-NML has contributed a lot in the area of development of feasible process for recycling of e-waste to reclaim the metals, materials and valuables which are as follows:

1. Recovery of Precious metals (Au, Ag, Pt, Pd) from scrap telecommunication devices, Medical equipment’s, Key Boards, and Printed Circuit Boards (PCBs) of various E-waste
2. Recovery of Lithium, Cobalt, Copper, Nickel, Manganese and recyclable Graphite from waste Li-ion (LIBs) and Ni-Metal Hydride (NiMH) batteries
3. Recovery of Rare earth metals (Nd, Sm) from various Magnets of Wind Turbine and E-waste
4. Recovery of Rare earth metals (Nd, Ce and La) from electric vehicle (Ev) batteries
5. Recovery of Rare earth metals (Y, Eu, La, Ce and Tb) from waste Fluorescent Lamps
6. Recovery of Strategic metal Germanium (Ge) from Telecom Optical cables and Solar Panels.

Under the banner of UORC, CSIR-NML has recently transferred e-waste recycling technologies to various industries (M/s Novasensa Pvt. Ltd., New Delhi., M/s Recyclib Pvt. Ltd., Delhi., M/s Metaore Recycler Pvt. Ltd., Kolkata., M/s NILE Li-Cycle Pvt. Ltd., Hyderabad., M/s Jai Mata Di Plastics, New Delhi., M/s Evergreen Recyclekaro Pvt. (India) Ltd., Mumbai; M/s EXIGO Recycling, New Delhi; M/s SBCON Recycling Pvt. Ltd., Ahmedabad; M/s ADV Metal Combine Pvt. Ltd., Durg; M/s UNQ IND Pvt. Ltd., Firozabad; M/s Eco Recycling Company, Mumbai) for the recovery of rare, rare-earth, precious and strategic metals. This initiative will create self-employment, entrepreneurship and promote cottage industries. In this pursuit, scientists from CSIR-NML have been conferred several awards including CSIR Technology award (2021), NM Sampat Award (2021), RECOM Award (2012), etc.

MINERAL BENEFICIATION - From Earth to Industry

The heavy integrated Mineral Beneficiation Pilot Plant, built at a cost of  ₹ 5 million (in the early 1960s) as a part of the Third Five Year Plan was inaugurated in early 1963 by Prof. Humayun Kabir, the then Union Minister for Scientific Research & Technical Education. The plant was meant for round the clock operation to develop basic data for beneficiation of raw materials. The plant had a capacity to treat up to 5 tonne of ore per hour depending upon the specific treatment and optimum upgrading cycle and was one of the best equipped integrated plants in the world for undertaking beneficiation and up-gradation of low-grade ores and minerals and for trials pertaining to agglomeration of concentrates. The equipment was procured with funds provided by the US Export-Import Bank. The entire engineering design, layout, erection and installation of this pilot plant were done by the staff of the National Metallurgical Laboratory. The plant was capable of continuously treating any type of ore by classical ore-dressing methods including reduction roast treatments and agglomeration of concentrate fines. The plant was rated to be one of the best internationally. Sir Charles Goodeve, Director, British Iron & Steel Research Association, during the inauguration of the plant stated:

“I had the opportunity of studying quite a number of pilot plants in my life but I had not yet seen any that can stand above the pilot plants in operation at the NML… the British Iron & Steel Research Association who were planning to extend their mineral beneficiation pilot plant facilities had not even gone half the pace in comparison with NML during the last five years. I am seriously thinking of sending some of our own problems which could be worked out at the NML where the facilities in many respects exceed greatly our own in Britain”

The plant was extensively used for mineral beneficiation studies; especially iron ore, limestone, dolomite, manganese ores, complex sulphide ores of base metals, graphite, coal, kyanite, wolframite, magnesite, barites, apatite, phosphate and fluorspar. Almost the entire steel industry of India (TISCO, IISCO, SAIL) used the basic data generated by NML to develop the flow sheet required for iron ore beneficiation and agglomeration of iron ores. Similarly, both the major copper plants of Hindustan Copper at Ghatsila and Malanjkhand adopted the flow sheets developed by NML for the production of copper concentrates. Several of the graphite beneficiation plants and the fluorspar plants in India owe their existence to NML. The plant upgraded in 1998, has contemporary facilities. Today, Mineral Processing Division of National Metallurgical Laboratory can boast of over 800 sponsored investigations to its credit covering almost the entire spectrum of ores and minerals including coal. Major beneficiaries included Tata Iron & Steel Co. Ltd., all the steel plants under Hindustan Steel Ltd. [now Steel Authority of India Ltd. (SAIL)], Mineral Development Corporation of Gujarat, Rajasthan, Tamilnadu, Andhra, Bihar and several other states, Hindustan Copper Ltd., National Mineral Development Corporation, Indian Rare Earth Ltd. and many others. The list also includes several overseas clients from Nepal, Bhutan, Thailand, Kazakhstan, Syria, Egypt and United Kingdom.

STRATEGIC METALS EXTRACTION - Efforts Towards Resource Sovereignty

The laboratory has a specific and sustained focus on extracting and processing strategic metals from primary and secondary sources. Given India's limited primary resources for most strategic metals, research emphasises extraction from wastes, alongside some exploitation of low-grade indigenous resources. NML developed and commercialised a superior technology for tungsten recovery from scraps. Indigenous technologies for sodium and gadolinium (essential for the atomic energy programme) were successfully developed, with sodium production being scaled up by industry. High purity gadolinium was produced by fused salt electrolysis. NML is involved in lithium extraction from both primary and secondary resources (end-of-life batteries) with significant success. Substantial efforts are also made in Rare Earth element recovery from urban ores and strategic metal valorisation from industrial wastes. A dedicated urban ore recycling centre is operational, and several technology transfers for extracting lithium, cobalt, nickel, and rare earth elements from urban wastes have occurred recently.

FUNCTIONAL MATERIALS 

Several new alloys and materials have been developed based on the needs of clients and collaborators. Biomimetic products for bio-applications have been commercialised. Advanced coatings for aerospace multinationals have been developed with green protocols. Amorphous alloys have been developed and used in sensors. Current focus areas include 2D materials, MXenes, and magnetic shape memory alloys. Various ceramic and metallic bio-implant materials have been developed and commercialised. Further, NML’s contribution in graphene research is noteworthy. CSIR-NML's graphene activities began in 2012. The distinctive production methods, like pyrolysing carbon waste and incorporating collagen into graphite, drew in both domestic and foreign businesses. Scientist at NML created a transparent conducting electrode and corrosion-resistant coating material in partnership with Tata Steel as part of a sponsored project. These findings led to the 2015 Tata Innovista Award from Tata Sons and the 2016 APEX TQM RECOGNITION AWARD by Tata Steel. CSIR-NML also demonstrated that the collagen-based exfoliated graphene composite is suitable for energy devices, particularly batteries and super-capacitors under the sponsored project.

STRUCTURAL HEALTH MONITORING - from Manual to Remote Sensing

The laboratory is a leading organisation in structural health monitoring (SHM) due to its excellent facilities and expertise in materials characterisation and Non-Destructive Evaluation. CSIR-NML is a leader in SHM of critical industrial components, remaining life assessments, and failure investigations, having completed over three hundred projects with a diverse clientele. Research in the area of SHM at CSIR-NML has increasingly focused on designing and developing tailor-made sensing devices and sensors for industrial applications to reduce dependence on expensive imports. This includes an annealing simulator, MagStar, MagSys, MagRays for microstructural damage detection, FlawGuard and Zincometer for real time quality assessment of steel wires. CSIR-NML in collaboration with CSIR-CGCRI has led to applications of Fibre Bragg Grating (FBG) sensors, including temperature profiling of continuous casting moulds and successful implementations for breakout detection in billet casters. For this technology, CSIR-NML bagged the Tata Innovista Award by Tata Sons in 2022 in the Most Innovative Partner category as a partner of Tata Steel. Several technologies have been licensed and also implemented in the industry.

SCIENTIFIC SOCIAL RESPONSIBILITY - NML’s Science for Society

Assisting Artisans

While the brass-ware artisans across the country were in a crisis because of stiff competition from China, scientists from NML come up for rescue as a part of their scientific social responsibilities. Moreover, the home based traditional pit furnaces used by the artisans were fuel inefficient and polluting. As part of a National Innovation Council initiative, CSIR-NML developed a cost effective, fuel efficient and eco-friendly coke based brass melting furnace for the metal artisans utilising waste heat recuperating system and arresting suspended particulate matter (SPM) inside the pit. A few such furnaces were installed in Moradabad, Uttar Pradesh, in Pipali and Balasore, Odisha. Simultaneous efforts were on to enhance awareness and training of the artisans. CSIR-NML also developed an efficient, low cost anti-tarnishing lacquer to prevent tarnishing and to maintain the metallic cluster of brass handicrafts. The developed lacquer is both technically and cost-wise superior to the lacquers available in the market. The technology has been transferred to a private entrepreneur for its commercial production. CSIR-NML was also entrusted with the responsibility to generate detailed project reports (DPRs) for multiple brass and silver artisan clusters in West Bengal, which have been completed successfully.

CSIR-NML developed anti-tarnishing lacquer to prevent tarnishing of Brass

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