مراحل استخلاص الحديد من خاماته، يمثل الحديد حوالي 5٪ من قشرة الأرض ويحتل المرتبة الرابعة بعد الأكسجين والسيليكون والألمنيوم من حيث كميته الجلسة الرابعة والمجموعة الثامنة ومن أهم خصائصها إنه مرن ومرن، سهل التشكيل، موصل جيد للحرارة والكهرباء، يذوب عند 1535 درجة مئوية وبكثافة محددة تبلغ 6.86 جم / سم 3، وخصائص أخرى للحديد سنتعرف عليها من خلال هذا المقال.
استخدامات الحديد
- صناعة العملات المعدنية.
- صناعة السيارات والمعدات الثقيلة.
- صناعة الرافعات.
- صناعة أعمدة الإنارة.
- صناعة المعدات والآلات الزراعية.
- يدخل في بناء الجسور والأبراج والسدود.
أنواع خامات الحديد وخصائصها
هناك أربعة أنواع من الحديد وهي كالتالي:
- الحديد الزهر الأبيض: يحتوي على نسبة منخفضة من السيليكون ونسبة عالية من المنجنيز.
- الحديد الزهر الرمادي: يتكون من سوائل منخفضة الكربون وسوائل أخرى.
- الحديد الصلب: يحتوي على 8: 1.5٪ كربون.
- سبائك الصلب: تتكون من الكربون وواحد أو أكثر من المعادن مثل النيكل أو الكروم أو الفاناديوم.
خامات الحديد الطبيعي
لا يوجد الحديد بمعزل عن طبقات الأرض ، ولكنه يوجد مع عناصر أخرى. أهم خامات الحديد هي:
- الهيماتيت: رمزه الكيميائي هو (Fe2O3). يتميز بلونه الأحمر ويحتوي على نسبة 70٪.
- ماغناتيت: رمزه (Fe3O4) ويوجد باللون الأسود ويحتوي على نسبة 72٪
- الليمونيت: رمزه هو Fe2O3.3H2O. يتميز بلونه البني ويحتوي على 60٪
- البيريت: يرمز له بـ (فاس) ، لونه أصفر باهت لاحتوائه على نسبة كبيرة من الكبريت.
- Siderite: لونه بني فاتح ويحتوي على نسبة 48٪.
أنواع الشوائب
يوجد الحديد مع مجموعة من العناصر الأخرى ، لذلك لا بد من تنقية الحديد من هذه الشوائب ، وهي كالتالي:
- السيليكا والألمنيوم والكبريت ، والتي توجد على شكل FeS ، FeSO4 ، ويتم تنقية الحديد منها باستخدام الحجر الجيري ، من خلال تفاعل الحجر الجيري مع هذه الشوائب لإنتاج مركب من سيليكات الكالسيوم والمغنيسيوم والألمنيوم ، والذي يعرف باسم الخبث.
- تستخدم كميات صغيرة من المنجنيز لتنقية الحديد من الشوائب لإنتاج ما يعرف باسم كبريتات المنغنيز.
مراحل استخلاص الحديد من خاماته
عملية استخلاص الحديد من طبقات الأرض عن طريق التفجير ، حيث يتم تكسير الصخور الكبيرة إلى صخور صغيرة يسهل نقلها بواسطة الشاحنات الكبيرة ، ثم طحن ونقل خام الحديد المستخرج إلى فرن عالي الحرارة ، حيث يتم حرق فحم الكوك لصهره. خام الحديد ولإنتاج أول أكسيد الكربون. يتفاعل مع أكسيد الحديد لاستخراج عنصر الحديد ، ويضاف الحجر الجيري لتنقيته من الشوائب.
من بين التفاعلات الكيميائية التي تحدث للحديد داخل فرن الصهر ما يلي:
اختزال خام الحديد: حيث يتفاعل أول أكسيد الكربون مع أكسيد الحديد لإنتاج الحديد من خلال التفاعل التالي:
- Fe2O3 + CO —–> CO2 + 2Fe3O4
- Fe3O4 + CO —–> 3FeO + CO2
- 3FeO + 3 CO —-> 3Fe + 3CO2.
حرق فحم الكوك لإنتاج أول أكسيد الكربون من خلال التفاعل التالي:
- C + O2 —–> CO2
- CO2 + C -> 2CO
تفاعل الحجر الجيري مع الشوائب:
حيث تؤدي الحرارة العالية داخل الفرن إلى انحلال الحجر الجيري إلى أكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد الكربون من خلال التفاعل التالي:
- CaCO3 + حرارة —-> CaO + CO2
- CaO + SiO2 ——–> CaSiO3
- 2Mn + SiO2 ——–> MnO + Si
- MnO2 + 2C ———> Mn + 2CO
- FeS + Mn ————> Fe + Mn
- FeS + CaO + C —-> CaS + Fe + CO
طرق انتاج الحديد
طريقة الفرن العالي
- يتم ضخ كمية من الهواء الساخن عبر أنابيب النفخ في قاع الفرن ، للتفاعل مع الفحم (فحم الكوك) ، وهذا التفاعل ينتج أول أكسيد الكربون (CO).
- ينتج عن هذا صعود الغاز الساخن من خلال فتحات فحم الكوك. في هذه الحالة ، يتم تقليل أكاسيد الحديد ، مما ينتج عنه أول أكسيد الكربون ، وبعد ذلك يخرج الغاز الساخن من فتحات الفرن ويبقى الحديد المصهور والخبث.
مخرجات أفران الصهر
- الخبث: يتكون من نسبة قليلة من أكاسيد الحديد ورماد الفحم ، لذلك يستخدم في رصف الطرق وفي صناعة الأسمنت.
- الغازات: تنتج هذه الغازات بمعدل 4000 م / طن.
- حديد التمساح: يحتوي على 5٪ من الكربون و 93٪ من الحديد ، لكنه أكثر هشاشة ، لذلك يعاد صهره لإنتاج الحديد الخلفي.
إنتاج الحديد الاختزال المباشر
- تتم عملية إنتاج الحديد بالاختزال عن طريق اختزال أكاسيد الحديد لاستخراج الحديد منها من خلال استخدام غازات مختلفة كوسيط اختزال ، وتحتاج هذه الطريقة إلى درجة حرارة أقل من درجة حرارة الانصهار ، حيث تتراوح درجة الحرارة بين 800 درجة مئوية إلى 900 درجة مئوية. درجة مئوية.
- الحديد الذي تم إنتاجه بهذه الطريقة يسمى الحديد الإسفنجي ، وبلغ إنتاج الحديد المخفض حوالي 50 مليون طن / سنة في أواخر الثمانينيات من القرن العشرين ، ومن أهم العوامل التي ساعدت في إنتاج الحديد في هذه الطريقة ترجع إلى مزايا هذه الطريقة.
مزايا التخفيض المباشر
تتميز طريقة إنتاج الحديد هذه بالعديد من المزايا ، مما يجعلها من أهم وأفضل طرق إنتاج الحديد خاصة في الدول النامية ، لأن هذه الطريقة لا تتطلب استخدام فحم الكوك ، وهذا من الأمور التي تميز هذا بالإضافة إلى العديد من المزايا الأخرى ومنها ما يلي:
- عدم الاعتماد على استخدام مادة خام باهظة الثمن غير متوفرة على نطاق واسع.
- لا يوجد فحم الكوك في الدول العربية ، بالإضافة إلى الملوثات البيئية الناتجة عن استخدام فحم الكوك في إنتاج الحديد.
- يمكن أيضًا بناء وحدات أصغر لإنتاج حديد أقل تكلفة من الأفران العالية.
- تعتبر هذه التقنية من التقنيات الحديثة لإنتاج الحديد المستخدمة في الدول النامية.
- تستخدم موارد الطاقة المتاحة في البلدان النامية لإنتاج الحديد بهذه الطريقة ، مثل الغاز الطبيعي.
- الحديد المنتج بهذه الطريقة خالي من الكربون بينما يحتوي حديد الفرن العالي على 4٪ كربون.
إنتاج صهر الحديد
ظهرت طرق أخرى لإنتاج الحديد والصلب بشكل مباشر وفي خطوة واحدة بدلاً من عملية إنتاج الحديد الزهر التي تمر بمرحلة التنقية لاستخراج الفولاذ. أما بالنسبة لعملية الصهر ، فينتج الحديد في صورة صلبة ، وتحدث هذه العملية في فرن صهر أو بالصهر والاختزال باستخدام البلازما.
في ختام مقالنا اليوم تناولنا الحديث عن مراحل استخلاص الحديد من خاماته، استخدامات الحديد، إنتاج صهر الحديد، إنتاج الحديد الاختزال المباشر، طرق انتاج الحديد، وأخيرا أنواع خامات الحديد وخصائصها.