الحديد
من المعروف عن الحديد أنّه أحد العناصر الكيميائية الموجودة في الطبيعية على شكل أكاسيد، والذي له أهميةٌ كبيرة في حياتنا، فهو يدخل في العديد من الصناعات، كالجسور، وأنابيب المياه والغاز، والسكك الحديدية، والسيارات، والسفن، حيث يُصنع الحديد من خام الحديد أو تراب الحديد، وذلك باستخراجه من الصخور ووضعه في فرنٍ عالي الحرارة لصهره، ثمّ يصفى المعدن من الخام، وفي هذا المقال سنذكر بشكلٍ مفصل خامات الحديد، وطريقة صنعه.
خامات الحديد
خامات الحديد (Iron ores) هي عبارةٌ عن صخورٍ ومعادن، وغالباً تكون غنيةً بأكاسيد الحديد، ولها عدّة ألوان منها: الرمادي الغامق، والأصفر الزاهي، والبنفسجي الغامق، والأحمر الصدئ، ومن أنواعه: هيماتيت (Fe2O3): يتكون من أكسيد الحديديك (Fe2O3)، كما أنّه يعتبر من أهمّ خامات الحديد ومصدره الأساسي، ومن صفاته: أنّ بلوراته معينية الشكل، وشبه شفافة، وألونها تتدرج بين الرصاصي الغامق إلى الأسود، ولها بريقٌ فلزي، أمّا صلابتها فتتراوح بين (5.5-6.5)، وذلك حسب مقياس موهس، ووزنها النوعي ما بين (4.2 - 5.25) غرام/سم³، كما أنّ الهيماتيت يستخدم في صناعة: الصبغات، والمواد الحاكة.
ماجنتيت (Fe3O4): يستخدم في صناعة المغناطيسيات الدائمة، والصلب، ومن صفاته أنّه: ينجذب للمغناطيس، ولهذا سمي بـ (أكسيد الحديد المغناطيسي)، كما أنّه يذوب بشكلٍ بطيءٍ في الأحماض المركزة، وبلوراته هرميةٍ صغيرة، وتظهر على شكل بلورتين أو أكثر، وجميعها متماثلة ومتوازنة، ويُطلق على كلٍّ منها (توأم)، ودرجة انصهاره عاليةٌ، ولونه أسود، وكثافته عاليةٌ، وله لمعانٌ، كما أنّه يتواجد في إيطاليا، والنمسا، وروسيا، والولايات المتحدة الأمريكية، وجنوب إفريقيا، والسويد.
سيدريت: يتكون من كربونات الحديد (FeCO3)، ونسبة الحديد فيه تساوي 48%، ولا يحتوي على الكبريت أو الفسفور، وتتدرج ألوانه بين الأصفر، إلى البني الداكن، أو الأسود؛ وذلك لوجود المنغنيز فيه، لذا يسمى أيضاً بـ (منجنوسيدريت )، كما أنّه يوجد في العروق المعدنية مرتبطاً مع الباريت، والفلوريت، والغالينا، أو كمعدنٍ متصلد مع الحجر الرملي، أمّا كثافته النوعية تساوي 3.8، وصلادته ما بين (3.5-4)، وله بريقٌ زجاجيّ متلألأ، أمّا بلوراته فهي ثلاثية الشكل، وغالباً ما تكون منحنية، ومخططة، وضخمة.
ليمونيت: يتكون من خليطٍ بنسبٍ متفاوتةٍ من أكسيد هيدروكسيد الحديد الثلاثي المائي (FeO(OH)•nH2O)، ومن صفاته: أنّه يتكون من خليطٍ من هيدرات أكاسيد الحديد ومنها: الجويثيت، والليبيدوكرسيت، والجاروسيت، ويميل لونه إلى البني الأصفر، كما أنّه ثقيل الوزن، ويظهر بشكلٍ ليفي، أو ميكروسكوبي، حيث إنّه لا يتبلور، وغالباً يتواجد بشكلٍ متراصٍ، وترابي، أو كروي، أو ورقي، أو متدلي، ومن أسمائه: الهيماتيت البني، أوخامة الحديد البنية، أو حجر الليمون، أمّا صلادته فتتراوح بين (4-5.5)، وكثافته ما بين (2.9-4.3).
مراحل إنتاج الحديد
تتمّ عملية إنتاج الحديد أو الصلب بطريقتين أساسيتين هما: الفرن اللافح (العالي)، أو الاختزال المباشر.
طريقة الفرن اللافح
تتمّ عن طريق اختزال خامات الحديد وخصوصاً الهيماتيت، والماجنتيت، بواسطة الكربون على حرارة 2000 درجةٍ مئويةٍ، كالآتي:
- تُوضع خامات الحديد في أعلى الفرن اللافح مع الكربون والذي يكون على هئية فحم الكوك، والحجر الجيري الذي يعمل كمخبث ويزيل شوائب ثاني أكسيد السيليكون التي من الممكن ان تسبب انسداد الفرن.
- يُدفع من أسفل الفرن مايقارب أربعة أطنان من الهواء الساخن لكلّ طنٍ من خامات الحديد، بحيث يُدخل تيارٌ هوائيٌ ساخنٌ في أنابيب النفخ الموجودة أسفل الفرن، ثمّ يتفاعل الأكسجين من الكوك منتجاً أول اكسيد الكربون، حسب المعادلة الكيمائية الآتية:
- 2C+O2→2CO
- يُنتج حديداً منصهراً وثاني أكسيد الكربون، بعد أن يُختزل خام الهيماتيت بواسطة أول أكسيد الكربون:
- 2O3+3CO→ 2Fe+3CO2
- يُختزل بعض خام الهيماتيت مباشرةً بواسطة فحم الكوك، وذلك بالقرب من قاعدة الفرن اللافح، بسبب الحرارة العالية في تلك المنطقة:
- 2Fe2O3+3C → 2Fe+3CO2
- يُزيل الخبث (الحجر الجيري) الشوائب التي تكوّنت كالرمل والسيليكات الأخرى، وتُحلل حرارة الفرن المرتفعة الحجر الجيري إلى أكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد الكربون،: CaCO3 → CaO+CO2، ثم يتحد أكسيد الكالسيوم والرمل لإنتاج الخبث: CaO+SiO2→ CaSiO3، ولأن كثافته أقل من كثافة الحديد المنصهر فإنه يطفوا فوقه.
- يزال الحديد والخبث من خلال فتحاتٍ جانبيةٍ في الفرن.
- يطلق على الحديد الناتج من هذه الطريقة (الحديد الغفل)، والذي يستخدم كخامٍ للحديد في المرحلة الثانية من تصنيع الحديد، أمّا الخبث الناتج فيستخدم في رصف الطرق، أو كمادةٍ مخصبةٍ للأتربة التي لا تحتوي على المعادن، وأيضاً في صناعة الإسمنت، كما ينتج عن هذه الطريقة غازات كثيفة بمقدار 4000م³/طن.
الاختزال المباشر
تمّ التوجه إلى هذه الطريقة من أجل الحفاظ على البيئة، بسبب الأضرار التي قد تنتج من استخدام فحم الكوك، والتي تتلخص باختزال الحديد بشكلٍ مباشرٍ من الغاز الطبيعي، بحيث يُختزل إلى مادة تشبه المسحوق وتسمى (الحديد الإسفنجي)، والتي تستخدم في صناعة الصلب، وتتكون هذه الطريقة من تفاعلين، هما:
- يُستخدم عاملٍ محفزٍ وحرارة في أكسدة الغاز الطبيعي:
- 2CH4 + O2 → 2CO+4H2
- تُدفع الغازات إلى فرنٍ به خام الحديد، على درجة حرارة تتراوح بين 800-900 درجةٍ مئوية، ثمّ ينتج الحديد الإسفنجي:
- Fe2O3+CO+2H2 → 2Fe+CO2+2 H2O
- تزال السيليكا الناتجة بواسطة المخبث كالحجر الجيري.
