استخراج الحديد من الهيماتيت هو موضوع بالغ الأهمية في حياتنا اليومية. يعد هذا الموضوع حيوياً لأن خام الحديد يُعتبر من أكثر الخامات شيوعاً في العالم، ويُعنى به العديد من الصناعات التي تُعزز الاقتصاد القومي لدينا.
خام الحديد
- الحديد يُعتبر من الفلزات الأكثر انتشاراً على مستوى العالم، حيث إن إنتاج الحديد يُعتبر أقل تكلفة نسبياً مقارنةً بإنتاج المعادن الأخرى.
- توجد الصخور التي تحتوي على نسب عالية من خام الحديد في مختلف أرجاء العالم، وليس محصوراً في دول معينة. في الطبيعة، نجد العديد من المركبات الحديدية التي قد تكون منفردة أو مرتبطة بعناصر أخرى.
- المركب الأكثر شيوعاً لاستخلص الحديد هو الهيماتيت. يُعتبر الهيماتيت الشكل الطبيعي لأكسيد الحديد الثلاثي (Fe2O3) ويحتوي على حوالي 70% من الحديد في كتلته.
- وهذا يعني أنه يمثل الاستخلاص المثالي، حيث من المتوقع أن نحصل من كيلو جرام واحد من الهيماتيت على 700 جرام من الحديد النقي، ولكن العملية ليست بهذه السهولة لذا علينا استعراض تفاصيل استخلاص الحديد من الهيماتيت.
للمزيد من التفاصيل يمكنك الاطلاع على:
استخراج الحديد من الهيماتيت
- يتم استخلاص الحديد من خامه باستخدام عنصر الكربون، الذي يُعتبر رخيصاً ومتوافراً بشكل كبير مما يجعل تكلفة استخلاص الحديد من الهيماتيت غير باهظة.
- نحصل على الكربون عادة من الفحم، الذي يحتوي على هيدروكربونات وشوائب متطايرة.
- نقوم بتسخين الفحم إلى أكثر من 1000 درجة سلزيوس للتخلص من بعض الشوائب العالقة.
- هذا يؤدي أيضاً إلى إنتاج فحم الكوك، الذي يُعتبر شكلاً أكثر نقاءً من الفحم، مما يعني إدخال شوائب أقل للحديد المُستخلص.
- عملية استخراج الحديد تشمل تفاعل الهيماتيت مع الكربون، مما يؤدي إلى تفاعلات أكسدة واختزال.
- حيث يتم اختزال الهيماتيت (Fe2O3) إلى الحديد، وفي الوقت نفسه يتأكسد الكربون إلى أول أكسيد وثاني أكسيد الكربون، وتعتمد المعادلات الكيميائية الدقيقة على ظروف هذا التفاعل.
- يجدر بالإشارة إلى أن الكربون أكثر نشاطاً من الحديد، فعند تسخين أكاسيد الحديد مع الكربون ينتقل الأكسجين من الحديد إلى الكربون.
الخطوات التمهيدية لاستخلاص الحديد
- حالياً، تتم جميع العمليات بسلاسة كبيرة، حيث كل ما يلزم هو تسخين الهيماتيت مع فحم الكوك للحصول على الحديد.
- ينصهر الهيماتيت النقي عند درجة حرارة 1565 درجة سلزيوس، بينما ينصهر الحديد عند درجة حرارة قريبة وهي 1538. ومن جهة أخرى، يكون الكربون مقاومًا نسبياً للانصهار ويتسامى عند درجة حرارة عالية تبلغ 4827 درجة سلزيوس، مما يعني ضرورة الوصول إلى حرارة 1500 درجة كحد أدنى.
- حتى مع التسخين الكافي لصهر الهيماتيت، لن يؤدي ذلك بالضرورة إلى تحسين التفاعل، وستظل عملية الخلط مع الكربون منخفض الكثافة أمراً صعباً.
- عندما يتفاعل الكربون في وجود كمية محدودة من الأكسجين، فإنه يتولد أول أكسيد الكربون في تفاعل طارد للحرارة، واستخدام المزيد من الأكسجين يمكن أن يؤدي إلى إنتاج ثاني أكسيد الكربون.
- إذا استخدمنا أول أكسيد الكربون كعامل مختزل، سيكون لدينا تفاعل أكثر فعالية بسبب سهولة خلط الغاز.
- في الفرن العالي، قد يظل الهيماتيت صلباً ولكن الحديد المُستخرج يكون سائلاً حتماً.
- بعد ذلك، نحتاج إلى إزالة ثاني أكسيد السيليكون عن طريق إضافة كربونات الكالسيوم (الحجر الجيري) عند درجات حرارة مرتفعة، مما يؤدي إلى تكوين أكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد الكربون.
- يتفاعل أكسيد الكالسيوم مع ثاني أكسيد السيليكون لتكوين سيليكات الكالسيوم، التي تتميز بدرجة انصهار تبلغ 1540 درجة سلزيوس، وهي قريبة من سيلان خام الحديد.
- تتفكك سيليكات الكالسيوم المنصهرة عن الحديد بسبب كتلته الأقل، مما يسمح بفصلها بسهولة عبر فتح الصنبور، وتُعرف هذه الطبقة باسم الخبث.
للمزيد من المعلومات، يمكنك الاطلاع على:
استخدام الفرن العالي في استخلاص الحديد
- ثم يأتي دور الفرن العالي، الذي يمتد عرضه إلى 15 متراً وطوله إلى 35 متراً، مما يجعله بحجم حمامين سباحيين أولمبيين تقريباً. يمكن أن ينتج كل فرن حوالي عشرة آلاف طن من الحديد المنصهر يومياً، ويتسم تصميمه بالتعقيد.
- في الخطوة الأولية، نضيف فحم الكوك، وخام الحديد، والحجر الجيري إلى الفرن من الأعلى، ثم نضخ هواءً ساخناً تتراوح حرارته بين 900 و1300 درجة سلزيوس من الأسفل.
- يتفاعل الأكسجين في الهواء بسرعة مع الكربون في فحم الكوك، مُنتجاً غاز ثاني أكسيد الكربون الذي يتصاعد من الفرن.
- يؤدي ذلك إلى زيادة الحرارة في الجزء السفلي من الفرن، لتصل بين 1500 و2000 درجة سلزيوس.
- عندما يتصاعد ثاني أكسيد الكربون ويختلط بمزيد من الكربون، يتفاعل وينتج أول أكسيد الكربون الذي يرتفع نحو الأعلى لينفذ مهمته في اختزال أكسيد الحديد.
- تتفاعل الأكاسيد في الجزء العلوي حيث يتفاعل أكسيد الحديد الثلاثي مع أول أكسيد الكربون، مما ينتج الحديد وثاني أكسيد الكربون وتحصل عملية تصلب الحديد المُستخرج في القمة.
- تتحرك بعد ذلك كميات خام الحديد، حيث تزداد كمية الحديد كلما اقتربنا من قاع الفرن، مما يُقلل من وجود خام الحديد وكربونات الكالسيوم.
- عند حدود 800 درجة، تتفكك كربونات الكالسيوم، مُنتجةً أكسيد الكالسيوم، ويتفاعل ثاني أكسيد الكربون الناتج مع الكربون لإنتاج المزيد من أول أكسيد الكربون.
- يتفاعل أكسيد الكالسيوم مع ثاني أكسيد السيليكون لتقليل مستوى الشوائب في الحديد.
- أيضاً، يتفاعل أول أكسيد الكربون مع الهيماتيت لاختزال الأكسجين لإنتاج الحديد.
- أثناء تفكك الهيماتيت، تتكون السيليكا، ثم نضيف الحجر الجيري ليتفاعل أكسيد الكالسيوم الناتج مع السيليكا فينتج سيليكات الكالسيوم التي تُعتبر مادة متعادلة للتخلص منها كشوائب صلبة.
- تدخل المادة الخام إلى مرحلة الانصهار، حيث تتفاعل مكونات الحديد مع بعضها، ليخرج مصهور الحديد المطلوب وكذلك بعض الشوائب من المخرج الثالث.
- تتم هذه العمليات وفقاً لمعادلات كيميائية دقيقة وتوازن المعادلات للوصول إلى الحديد المُستخلص، مما يجعل هذه العملية معقدة ولكن ليست صعبة.
الخطوات النهائية في عملية استخلاص الحديد من الهيماتيت
- بعد ذلك، يُؤخذ مصهور الحديد، ويتم إجراء عمليات لتنقيته من الشوائب التي قد تكون موجودة.
- يمكن أن تحتوي هذه الشوائب على عناصر لا تنصهر أو تلك التي تحتاج إلى درجات حرارة أعلى من انصهار الحديد.
- تُعد هذه الشوائب تحدياً كبيراً لنقاء الحديد، حيث يمكن أن تؤثر على عمليات التصنيع وإضافته إلى المواد الأخرى في الصناعات المختلفة، لذا يجب أن يكون الحديد نقياً لضمان جودة المنتجات.