مراحل استخلاص الحديد من خاماته

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.
• 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٪.

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.


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.


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