ملخص كامل حول خامات الحديد
دراسة خامات الحديد ( تراب الحديد الخام ) :
خامات الحديد Iron ores هي صخور ومعادن يمكن أن يـُستخلص منها بطريقة اقتصادية فلز الحديد. الخامات عادة ما تكون غنية بأكاسيد الحديد وتتنوع ألوانها من الرمادي الغامق, الأصفر الزاهي, البنفسجي العميق, إلى الأحمر الصدئ. والحديد نفسه غالباً ما يتواجد في صيغة مغنتيت (Fe3O4), هماتيت (Fe2O3), گوتيت, ليمونيت أو سيدريت.
خام الحديد أو تراب الحديد هو ما يصنع منه الحديد، يستخرج من الصخور ويضع في فرن ذو درجة حرارة عالية كي يصهر، فيصفى المعدن من التراب . والحديد هو رابع عنصر متوافر في القشرة الأرضية بعد الأكسجين والسيليكون والالومنيوم ، وهو ثاني أكثر العناصر الفلزية انتشارا في القشرة الأرضية بعد الالومنيوم ، وخامات الحديد التجارية هي الأكثر انتشارا من اى عنصر آخر .
ووجود الحديد في صورة فلزية منفردة أمر نادر الحدوث ، وتتكون معظم الخامات في صورة أكاسيد أو كربونات أو سيليكات أو كبريتيدات . وتعد أكاسيد الحديد هي أهم صور خامات الحديد .
واهم مصدر لاستخلاص الحديد والحصول عليه ، ثم يأتي بعد ذلك الكربونات و الكبريتيدات ، أما السيليكات فلا تمثل مصدرا لإنتاج الحديد . وبرغم توافر الكثير من خامات الحديد في أرجاء المعمورة ، فأن عددا قليلا منها هو الذي يشكل قيمة اقتصاديه.
أنواع خامات الحديد :
1. الهيماتيت (hématite ) :
وهو عبارة عن اكسيديك الحديديك Fe2O3 الذي يحتوي على نسبة 70% من الحديد ويوجد في الوان متعددة تتراوح ما بين الأحمر إلى اللون الرمادي أو الأسود ويوجد في احجام مختلفة ما بين كتل ضخمة إلى مسحوق.
2. الماجينيت ( magénite ) :
رمزه الكيميائي (Fe3o4) و يحتوي على نسبة ( 72,4%)من الحديد ولونه اسود ذو بريق ولمعان كما يعد من أنقى خامات الحديد وهو ذو مغناطيسية عالية.
3. الليمونيت :
رمزه الكيميائي (2Fe3O3H2O) حيث يحتوي على نسبة تتراوح بين (40%) إلى (50%) من الحديد ونسبة (10%) من الماء يميل لونه إلى الأصفر البني أو يكون مخططا باللون الأحمر.
4. سيدريت (FeCO3) .
5. جوثيت (Fe2O3.H2O) .
6. إلمينيت (FeO.TiO2) .
7. بيريت (FeS2) .
كيف يصنع الحديد ( كيفية إنتاج الحديد ) ؟
يجب تحويل خام الحديد إلى فلز الحديد، لابد من إزالة الأكسجين من الخام. وتتطلب هذه العملية حرارة وعوامل اختزال. وعامل الاختزال مادة يمكنها الاتحاد مع الأكسجين الذي ينطلق من أكسيد الحديد أثناء عملية التصنيع.
ويصنع الحديد إما بطريقة الفرن العالي أو بطريقة الاختزال المباشر. وفي طريقة الفرن العالي يتفاعل خام الحديد مع عامل الاختزال عند درجات الحرارة العالية، حيث ينتج الحديد عندئذ في صورة منصهرة. وفي طريقة الاختزال المباشر يكون الحديد المنتج في صورة جامدة لأن درجة الحرارة أثناء الاختزال تظل أقل من درجة حرارة انصهار الحديد.
المواد الخام :
يدخل في استخلاص الحديد وإنتاجه الكثير من المواد الأولية الأخرى بجانب خام الحديد، وأهم هذه المواد هي عوامل الاختزال. والعامل المختزل المستخدم في أسلوب الاختزال المباشر هو الفحم أو الغاز الطبيعي. أما في طريقة الإنتاج بالفرن العالي فإن الكوك يكون هو عامل الاختزال. والكوك مادة صلدة تحتوي على 90% من الكربون. ويصنع الكوك في مصانع خاصة به أو في وحدات التكويك بداخل مصنع الحديد والفولاذ. ويصنع الكوك بتسخين الفحم الحجري بمعزل عن الهواء في أفران. وتطرد الحرارةُ الغازات والقار من الفحم الحجري مُخلِّفة وراءها الكوك.
الحجر الجيري :
يعد الحجر الجيري المادة الأولية الثانية في الأهمية في عملية استخلاص الحديد في الفرن العالي. وتساعد إضافة الحجر الجيري في إزالة الشوائب من خام الحديد. وفي الغالب لا تنصهر كثير من الشوائب الموجودة مع خام الحديد عند درجات حرارة منخفضة قريبة من درجة حرارة انصهار الحديد. ولكن عند خلط الحجر الجيري مع خامات الحديد فإنه يعمل صهورًا؛ أي يتحد مع الشوائب مسببًا انصهارها في درجة حرارة منخفضة. ويطلق على الشوائب المتكونة من هذا الاتحاد؛ أي التي تطفو على سطح مصهور الحديد، اسم الخبث.
طريقة الفرن العالي :
يدخل تيار من الهواء الساخن عبر انابيب النفخ الواقعة اسفله حيث يتفاعل الأكسجين مع الكوك مكونا ( CO )
صعود غاز ساخن عبر شقوق الكوك فيتم اختزال أكاسيد الحديد.
يغادر الغاز قمة الفرن من المنافذ المتواجدة أعلاه.
يسيل الحديد المصهور والخبث عبر طبقة الكوك نحو الموقد.
ويحتاج الفرن العالي أيضًا إلى كميات ضخمة من الهواء والماء. ويعمل الهواء على حرق الكوك، بينما يقوم الماء بتبريد الفرن وتنظيف فاقد الغازات الناتجة عن عملية تصنيع الحديد، والمتصاعدة من الفرن إلى الجو الخارجي.
نواتج الفرن العالي :
الخبث: يحتوي الخبث على كميات قليلة من أكاسيد الحديد، رماد الفحم حيث يستعمل في رصف الطرق وفي صناعة الاسمنت.
الغازات: تنتج هاته الغازات بمعدل 4000م/طن.
حديد التمساح: يحتوي على 5% من الكربون وعلى 93% من الحديد، ولكن بإعادة صهره حيث يتم صناعة حديد الزهر.
الاختزال المباشر :
لقد حدد تعبير "الاختزال المباشر "في الوقت الحالي بانه أسلوب احتزال اكاسيد الحديد لإنتاج الحديد منها باستعمال الغازات المختلفة كوسط مختزل وتتم هذه العملية عند درجة حرارة اقل من درجة حرارة الانصهار اي من مواد الشحنة حيث تكون درجة حرارة الاختزال فيما بين c°800الى c°900. وكان يعرف الحديد الناتج من هذه العملية باسم الحديد الاسفنجي ومع نهاية الثمانينات من القرن العشرين وصل إنتاج حديدالاختزال المباشر إلى حوالي 50مليون طن/سنة ،ويمكن القول بان العوامل المساعدة على زيادة إنتاج حديد الاختزال ترجع إلى مميزات هذا الأسلوب.
مميزات الاختزال المباشر :
تمتاز هذه الطريقة في إنتاج الحديد بمزايا عديدة ومن هذه المزايا التي ساعدت على ازدهار ونمو هذه الطريقة وخاصة في الدول النامية ما ياتي:
لا تحتاج هذه الطريقة إلى الكوك وهذا بدوره أدى إلى كثير من المزايا هي :
تقليل مخاطر اعتماد الصناعة على مادة خام غالية الثمن وغير متوافرة.
عدم توافر الفحم الحجري المناسب لصناعة الكوك في الدول العربية.
ترتبط بصناعة الكوك مشكلات عديدة وخاصة ما يتصل بتلوث البيئة.
إمكانية إنشاء وحدات ذات طاقة إنتاجية صغيرة تكون تكلفة انشائها اقل بكثير من الافران العالية.
هذه التقنية بسيطة وحديثة الدول النامية يسهل استيعابها واستخدامها.
تتوافر في كثير من الدول مصادر الطاقة المطلوبة وعلى وجه التحديد الغاز الطبيعي.
لا تحتاج إلى فترة طويلة لإنشاء الفرن العالي.
الحديد المنتج من هذه العملية خال من الكربون بينما حديد التمساح الناتج من الفرن العالي يحيوي تقريبا4% كربون.
إنتاج الحديد بالصهر :
لقد ظهرت طرق بديلة لإنتاج الحديد، وبعض هاته العمليات تنتج الفولاذ مباشرة في خطوة واحدة بدلا من إنتاج الحديد ثم تنقيته لإنتاج الفولاذ. واهم هذه الطرق ما يعرف باسم الصهر، والاختلاف الأساسي بين الاختزال المباشر والصهر ان الناتج في الحالة الثانية يكون سائلا، بينما في الأوللى ينتج الحديد في صورة جامدة وتتم هاته العملية في فرن الصهر أو قد يكون الصهر والاختزال باستخدام البلازما.
الاختزال وصهر البلازما :
يتضح من خلال الاسم ان هاته العملية تستخدم البلازما الناتجة عن تاين الغازات عند درجة حرارة حوالي 3000 °C ويحدث الصهر والاختزال البلازمي على مرحلتين:
يتم في الخطوة الأولى اختزال خام الحديد جزئيا بنسبة ما بين 50%إلى 60%في غرفتين مكونتين مهدا مميعا، قبل أن يتم خلطها مع الفحم والحجر الجيري ويتحقق ذلك من خلال مولد البلازما في صورة فرن اسطواني مملوء بالكوك.
ويتم في الخطوة الثانية الاختزال النهائي والصهر وهي وحدة الفرن الاسطواني وهو يشبه إلى حد كبير الاختزال في الفرن العالي والفرق الأساسي هو وجود مولد البلازما الذي يعمل بتاين الغازات بالقرب من القصبات.
طريقة ارند (Irned) :
وتعتبر الطريقة الثانية الحديثة لإنتاج الحديد ثم الفولاذ في المفاعل نفسه بدون الحاجة إلى نقل الحديد المنتج إلى مفاعل واحد والوقود الأولي فيه هو الفحم وإنتاج الفولاذ من خام الحديد تتم في عمليتين متتاليتين مختلفتين:حيث يجري العمل بحقن حبيبات خام الحديد الناعم عن قمة الفرن بالإضافة إلى نشارة الفحم، والحجرالجيري والأكسجين ويؤدي ذلك إلى الصهر الومضي مع اختزال جزئي لخام الحديد الذي يكون في صورة معلقة مع بقية الشحنة ثم يلي ذلك صهر واختزال كلي للخام في الجزء الأسفل من المفاعل. والاضافات الجديدة في هذه الطريقة لإنتاج الفولاذهي:
استخدام فرن واحد بدلا من فرنين وانجاز العمل بدون الحاجة إلى نقل منتجات المرحلة الأولى المفاعلات المرحة التالية.
استخدام الطاقة بطريقة مثالية حيث ان الحرارة الزائدة المنطلقة من احتراق الفحم في القطاع العلوي يستفاد بها في توليد الطاقة الكهربائية يستخدم لإنتاج الفولاذ في الجزء الأسفل.
الدول النتجة لمادة تراب الحديد بالعالم ( الإنتاج بملايين الأطنان المترية) :
الصين (520) , أستراليا (270) , البرازيل ( 250) , الهند ( 150)
روسيا (105) , أكرانيا ( 73) , الولايات المتحدة ( 54)
جنوب أفريقيا (40) , إيران ( 35) , كندا ( 33) و السودان ( 24)
فينيزويلا (20 ) , كازاخستان (15) , موريتانيا ( 11)
ودول أخرى (43)
مجموع انتاج مادة تراب الحديد بالعالم ( 000 000 1690 طن متري ) .