مراحل استخلاص الحديد من خاماته

كتابة: Hanan Ghonemy آخر تحديث: 15 سبتمبر 2021 , 10:11

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. 
  • ينصهر عند درجة حرارة 1535 مئوية ويتميز بكثافة نوعية 6.86 جم/سم٣.

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: يتكون من نسبة قليلة من السيليكون ونسبة عالية من المنجنيز.
  • الحديد الزهر الرمادي: يتكون من نسبة منخفضة من الكربون وسوائل أخرى.
  • الحديد الصلب: حيث يحتوي على نسبة 8. : 1.5٪ كربون.
  • سبائك الصلب: تتكون من الكربون و معدن واحد أو أكثر مثل النيكل أو الكروم أو الفانديوم.

خامات الحديد الطبيعية

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

  • الهيماتيت: ورمزه الكيميائي هو (Fe2O3) يتميز بلونه الأحمر ويحتوي على نسبة 70٪.
  • المجانيتيت: ورمزه هو (Fe3O4) ويوجد باللّون الأسود ويحتوي على نسبة 72٪
  • ليمونيت: ورمزه هو Fe2O3.3H2O) مميز بلونه البني ويحتوي على نسبة 60٪
  • بيريت: يرمز إليه ب (Fes) لونه أصفر باهت لأنّه يحتوي على نسبة كبيرة  من الكبريت.
  • سيدريت: ويتميز بلونه البني الفاتح ويحتوي على نسبة 48٪.[1]

أنواع الشوائب

يوجد مع عنصر الحديد مجموعة من العناصر الأخرى لذلك لا بد من تنقية الحديد من هذه الشوائب التي تتمثل فيما يلي: 

  • السيليكا والألومنيوم والكبريت الذي يوجد في صورة  FeS، FeSO4، ويتمّ تنقية الحديد منه باستخدام الحجر الجيري، وذلك من خلال تفاعل الحجر الجيري مع هذه الشوائب لينتج معقد من سيليكات كلا من كالسيوم وماغنسيوم والومنيوم التي تٌعرف  بالخبث.
  • يتمّ استخدام كميّات قليلة من عنصر المنجنيز تنقية الحديد من الشوائب لينتج ذلك ما يٌعرف 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.[2]

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

اختزال خام الحديد: حيث يتفاعل أول أوكسيد الكربون مع أوكسيد الحديد لإنتاج الحديد من خلال التفاعل الاتي:

  • 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:

حيث تؤدي الحرارة العالية داخل الفرن إلى تفكك الحجر الجيري إلى أوكسيد الكالسيوم وثاني أوكسيد الكربون من خلال التفاعل الأتي:

  • 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.
  • ويطلق على الحديد الذي تمّ إنتاجه من خلال هذه الطريقة باسم الحديد الإسفنجي، وقد وصل إنتاج الحديد بالاختزال إلى نحو 50 مليون طن/ سنة وذلك في أواخر الثمانينيات من القرن العشرين، ومن أهم العوامل التي ساعدت في إنتاج الحديد بهذه الطريقة ترجع إلى مميزات هذه الطريقة.

مميزات الاختزال المباشر

تتميز هذه الطريقة في إنتاج الحديد بالعديد من المزايا مما يجعلها من أهم وأفضل طرق إنتاج الحديد وخاصة في الدول النامية وذلك لأنّ هذه الطريقة لا تتطلب استخدام الكوك وهذا يعتبر من أكثر مما يميز هذه الطريقة بالإضافة إلى الكثير من المميزات الأخرى ومنها ما يلي: 

  • عدم الاعتماد على استخدام مادة خام غالية الثمن وغير متوافرة بصورة كبيرة. 
  • لا يوجد فحم الكوك في الدول العربية، بالإضافة إلى الملوثات البيئة الناتجة عن استخدام الكوك في إنتاج الحديد. 
  • كما يمكن بناء وحدات بتكلفة صغيرة لإنتاج الحديد أقل تكلفة من الأفران العالية. 
  • تعتبر هذه التقنية من التقنيات الحديثة لإنتاج الحديد التي تستخدم في الدول النامية. 
  • يتمّ استخدام مصادر الطاقة المتوافرة في الدول النامية لإنتاج الحديد بهذه الطريقة مثل الغاز الطبيعي. 
  • الحديد الذي يتمّ إنتاجه من خلال هذه الطريقة خالي من الكربون بينما الحديد الناتج عن الفرن العالية يحتوي على نسبة 4 % من الكربون.

إنتاج الحديد بالصهر

لقد ظهرت طرق أخرى لإنتاج الحديد والفولاذ بطريقة مباشرة وبخطوة واحدة بدلاً من عملية إنتاج حديد الزهر الذي يمر بمرحلة التنقية ليتمّ استخراج الفولاذ ومن أبرز هذه الطرق طريقة الصهر، والاختلاف بين طريقة إنتاج الحديد بالصهر عن طريقة إنتاجية بالاختزال لأنّ الحديد ينتج في الحالة السائلة من عملية الاختزال أمّا عملية الصهر يتمّ إنتاج الحديد في صورة صلبة وتحدث هذه العملية في فرن الصهر أو عن طريق الصهر والاختزال باستخدام البلازما.[3] 

قائمة الدول حسب إنتاج خام الحديد استنادًا إلى بيانات المسح الجيولوجي الأمريكية

مرتبة

بلد

إنتاج خام الحديد القابل للاستخدام

(ألف طن)

عام

العالمية

2500000

2019

1

أستراليا

930,000

2019

2

البرازيل

480,000

2019

3

الصين

350.000

2019

4

الهند

210,000

2019

5

روسيا

99000

2019

6

جنوب أفريقيا

77000

2019

7

أوكرانيا

62000

2019

8

كندا

54000

2019

9

الولايات المتحدة الأمريكية

48000

2019

10

كازاخستان

43000

2019

11

إيران

38000

2019

12

السويد

37000

2019

13

المكسيك

23000

2019

14

بيرو

15000

2019

15

تشيلي

14000

2019

16

موريتانيا

13300

2017

17

فنزويلا

12000

2017

18

فيتنام

9570

2017

19

منغوليا

7695

2017

20

ديك رومي

6700

2017

21

كوريا الشمالية

5,250

2017

22

سيرا ليون

4,720

2017

23

ماليزيا

3920

2017

24

نيوزيلندا

3,490

2017

25

النمسا

2800

2017

26

اليونان

2,284

2017

27

ليبيريا

1,930

2017

28

البوسنة والهرسك

1,622

2017

29

كولومبيا

715

2017

30

الجزائر

600

2017

31

باكستان

547

2017

32

مصر

500

2017

33

كوريا الجنوبية

310

2017

34

تونس

200

2017

35

لاوس

110

2017

36

توجو

60

2017

37

بوتان

28

2017

38

المغرب

15

2017

قائمة بالدول حسب إنتاج الحديد الخام

مرتبة

بلد

1980

2013

2015

العالمية

506

1168

1,180

1

الصين

38

709

710

2

اليابان

87

84

84

3

الهند

85

50

54

4

روسيا

50

51

5

كوريا الجنوبية

5.6

41

47

6

البرازيل

13

26

30

7

ألمانيا

36

27

28

8

الولايات المتحدة الأمريكية

62

30

26

9

أوكرانيا

29

25

10

المملكة المتحدة

6.2

9.4

9

بلدان اخرى

246

91

101

قائمة لمنتجي تراب الحديد (حَسَبَ خدمة الجيولوجيا الأمريكية US Geologic Survey)

الدولة

الإنتاج بملايين الأطنان المترية (سنة 2006)

الصين

520

أستراليا

270

البرازيل

250

الهند

150

روسيا

105

أكرانيا

73

الولايات المتحدة

54

جنوب أفريقيا

40

إيران

35

كندا

33

السودان

24

فنزويلا

20

كازاخستان

15

موريتانيا

11

دول أخرى

43

المجموع

1690

الوسوم

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى
إغلاق