مراحل استخلاص الحديد من خاماته

الحديد

يمثل عنصر الحديد نحو 5 % من قشرة الأرض ويأتي في المرتبة الرابعة بعد الأكسجين، والسيليكون، والألومنيوم من حيثُ كميتة، ويعتبر الحديد من أهم العناصر التي قامت عليها الحضارة الحديثة على الإطلاق ويرمز للحديد بالرمز الكيميائي Fe، كما يُعدّ الحديد من العناصر الانتقالية التي توجد في الدورة الرابعة والمجموعة الثامنة ومن أهم خصائصه ما يلي: 

• قابليته للطرق والسحب. 
• يسهل تشكيله. 
• جيد التوصيل للحرارة والكهرباء. 
• يذوب هذا المعدن عند درجة حرارة 1535 مئوية ويتميز بكثافة نوعية تبلغ 6.86 جم/سم³.

ويدخل الحديد في العديد من الصناعات الثقيلة منها ما يلي: 

• صناعة العملات المعدنية. 
• صناعة السيارات والمعدات الثقيلة. 
• صناعة الرافعات. 
• صناعة أعمدة الإنارة.
• صناعة المعدات والآلات الزراعية. 
• يدخل في إنشاء الكباري والأبراج والسدود. 

أنواع خامات الحديد وخصائصها

يوجد من الحديد أربع أنواع وهي كالتالي:

• الحديد الزهر الأبيض: يتألف من كسرة صغيرة من السيليكون وكسرة عالية من المنجنيز.
• الحديد الزهر الرمادي: يحتوي على نسبة منخفضة من الكربون وسوائل أخرى.
• الحديد الصلب: حيث تحتوي على نسبة 1.5% من الكربون مقابل 8%.
• سبائك الصلب: يتكون المعدن من الكربون وعنصر واحد أو أكثر مثل النيكل أو الكروم أو الفاناديوم.

خامات الحديد الطبيعية

عنصر الحديد لا يوجد بصورة متفردة في طبقات الأرض بل يوجد مع عناصر أخرى ومن أهم خامات الحديد:

• الهيماتيت: ويعرف بالعنصر (Fe) ويتكون من مركب كيميائي يعرف بالرماد الحديدي (Fe2O3)، ويتميز بلون أحمر ونسبة 70٪.
• المجانيتيت: يمثل هذا الرمز (Fe3O4) الحديد الأسود، ويحتوي على نسبة 72٪
• ليمونيت: يميزه اللون البني ويحتوي على نسبة 60%، ورمزه هو Fe2O3.3H2O
• بيريت: يرمز إلى مدينة فاس باللون الأصفر الباهت بسبب احتوائها على نسبة كبيرة من الكبريت.
• سيدريت: يتميز بلونه البني الفاتح ويحتوي على نسبة 48٪.

أنواع الشوائب

يترافق الحديد مع عناصر أخرى، لذا يجب تنقيته من هذه الشوائب التي تشمل ما يلي: 

• السيليكا والألومنيوم والكبريت الموجود في صورة FeS وFeSO4، يتم تنقية الحديد منها باستخدام الحجر الجيري، وذلك بتفاعل الحجر الجيري مع هذه الشوائب ليتم إنتاج معقد من سيليكات الكالسيوم والمغنيسيوم والألومنيوم، والذي يعرف بالخبث.
• يستخدم كميات صغيرة من عنصر المنجنيز في تنقية الحديد من الشوائب، ويتم ذلك لإنتاج ما يُعرف بـ كبريتات المنجنيز.

مراحل استخلاص الحديد من خاماته

تتمّ عملية استخراج الحديد من طبقات الأرض عن طريق التفجيرات حيثُ يحدث تكسير للصخور الكبيرة إلي صخور بأحجام صغيرة يسهل نقلها بواسطة الشاحنات الكبيرة، ثمّ طحنها ونقل خام الحديد المستخلص إلى فرن بدرجة حرارة عالية، حيثُ يتمّ حرق فحم الكوك لصهر خام الحديد ولإنتاج أول أوكسيد الكربون حيث يتفاعل مع أوكسيد الحديد لاستخراج حديد عنصري كما يتمّ إضافة الحجر الجيري لتنقيته من الشوائب.

ومن التفاعلات الكيميائية التي تحدث للحديد داخل فرن الانصهار ما يلي:

اختزال خام الحديد: يتفاعل أول أكسيد الكربون مع أكسيد الحديد لإنتاج الحديد عن طريق التفاعل التالي:

• Fe2O3 + CO —–> CO2 + 2Fe3O4
• Fe3O4 + CO —–> 3FeO + CO2
• 3FeO + 3 CO —-> 3Fe + 3CO2.

حرق فحم الكوك لإنتاج أول أوكسيد الكربون من خلال التفاعل الآتي:

• C + O2 —–> CO2
• CO2 + C —> 2CO

تفاعل الحجر الجيري مع الشوائب:

تؤدي درجات الحرارة العالية داخل الفرن إلى تفكك الحجر الجيري إلى أكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد الكربون من خلال التفاعل التالي

• CaCO3 + heat —-> CaO + CO2
• CaO + SiO2 ——–> CaSiO3
• 2Mn + SiO2 ——–> MnO + Si
• MnO2 + 2C ———> Mn + 2CO
• FeS + Mn ————> Fe + Mn
• FeS + CaO + C —-> CaS + Fe + CO

طرق إنتاج الحديد 

طريقة الفرن العالي

• يتمّ ضخ كميّة من الهواء الساخن من خلال أنابيب النفخ الموجودة أسفل الفرن، ليحدث تفاعل مع الفحم الحجري (الكوك)، وينتج هذا التفاعل أول أكسيد الكربون CO.
• ينتج ذلك صعود غاز ساخن من خلال فتحات الكوك في هذه الحالة يتم اختزال أكاسيد الحديد، ينتج أول أكسيد الكربون، بعدها يخرج الغاز الساخن من فتحات الفرن ويبقى الحديد المنصهر والخبث.

نواتج الفرن العالي 

• الخبث: يتكون من نسبة صغيرة من أكاسيد الحديد، ورماد الفحم لذلك يتمّ استخدامه في رصف الطرق وفي صناعة الأسمنت.
• الغازات: تنتج هاته الغازات بمعدل 4000 م/طن.
• حديد التمساح: يحتوي على 5 % من الكربون وعلى 93 % من الحديد، ولكنه يكون أكثر هشاشة لذا يتمّ إعادة صهره وينتج منه حديد الظهر. 

إنتاج الحديد بالاختزال المباشر 

• تتمّ عملية إنتاج الحديد بالاختزال عن طريق اختزال أكاسيد الحديد لاستخراج الحديد منها من خلال استخدام  الغازات المختلفة كوسط مختزل، وتحتاج هذه الطريقة إلى درجة حرارة أقل من درجة حرارة الانصهار، حيث تكون درجة الحرارة بين  c°800 الى c°900.
• الحديد الإسفنجي هو الاسم المطلق على الحديد الذي يتم إنتاجه باستخدام طريقة الاختزال، وقد وصل إنتاج الحديد باستخدام هذه الطريقة إلى حوالي 50 مليون طن في السنة في أواخر الثمانينيات من القرن العشرين، وتعود العوامل التي ساعدت في إنتاج الحديد بهذه الطريقة إلى مزاياها الكثيرة.

مميزات الاختزال المباشر

تتميز هذه الطريقة في إنتاج الحديد بالعديد من المزايا مما يجعلها واحدة من أهم وأفضل طرق إنتاج الحديد، خاصة في الدول النامية. يعتبر عدم استخدام الكوك في هذه الطريقة أحد أبرز مميزاتها، بالإضافة إلى العديد من المزايا الأخرى التي تشتمل عليها، ومنها ما يلي: 

• يمكن تجنب الاعتماد على استخدام مواد خام غالية الثمن وغير متوفرة بكميات كبيرة 
• فحم الكوك غير متوفر في الدول العربية، ويتسبب استخدامه في إنتاج الحديد في تلويث البيئة 
• يمكن إنشاء وحدات لإنتاج الحديد بتكلفة أقل من الأفران العالية 
• تعتبر هذه التقنية من التقنيات الحديثة المستخدمة في الدول النامية لإنتاج الحديد 
• يتم استخدام مصادر الطاقة المتوفرة في الدول النامية مثل الغاز الطبيعي لإنتاج الحديد باستخدام هذه الطريقة 
• الحديد الناتج من هذه الطريقة لا يحتوي على الكربون، بينما الحديد الناتج من الفرن العالي يحتوي على نسبة 4% من الكربون

إنتاج الحديد بالصهر

ظهرت طرق جديدة لإنتاج الحديد والفولاذ مباشرة وبخطوة واحدة بدلا من عملية إنتاج حديد الزهر التي تتطلب مرحلة التنقية لاستخراج الفولاذ. ومن بين هذه الطرق طريقة الصهر، والاختلاف بين إنتاج الحديد بالصهر والإنتاج بالاختزال هو أن الحديد ينتج في حالة سائلة في عملية الاختزال، أما في عملية الصهر فيتم إنتاج الحديد بشكل صلب. تتم هذه العملية في فرن الصهر أو عن طريق الصهر والاختزال باستخدام البلازما. 

تم تصنيف الدول حسب إنتاجها لخام الحديد استنادا إلى بيانات المسح الجيولوجي الأمريكي

قائمة بالدول حسب إنتاج الحديد الخام

قائمة بمنتجي تراب الحديد وفقا لخدمة الجيولوجيا الأمريكية US Geologic Survey