استخراج الحديد من الهيماتيت يعد من المواضيع الهامة في حياتنا اليومية. يتصدر هذا الموضوع قائمة اهتماماتنا، حيث يعتبر خام الحديد من أكثر المواد شيوعاً في منازلنا وحياتنا. يعتمد عليه العديد من الصناعات التي تسهم في تحقيق الإيرادات الوطنية.
خام الحديد
- يُصنف الحديد كأحد أكثر الفلزات انتشارًا في العالم، ويتميز بانخفاض تكلفة إنتاجه مقارنة بإنتاج المعادن الأخرى.
- تتوفر الصخور الغنية بخام الحديد في مختلف أنحاء العالم، حيث يتواجد في بلدان متعددة. في الطبيعة، نجد العديد من مركبات الحديد، إما كعناصر مستقلة أو مرتبطة بعناصر أخرى.
- المركب الأكثر شيوعًا في استخلاص الحديد والذي سنركز عليه في هذا المقال هو الهيماتيت.
- يعتبر الهيماتيت الشكل الطبيعي لأكسيد الحديد الثلاثي (Fe2O3) ويحتوي على حوالي 70% من وزنه كحديد.
- وهذا يعني أنه يعد الخيار المثالي للاستخلاص، حيث إذا استخدمنا كيلو جرام واحد من الهيماتيت، يمكننا توقع الحصول على 700 جرام من الحديد النقي. برغم ذلك، فإن عملية الاستخلاص ليست بسيطة كما تبدو، لذا دعونا نتناول تفاصيل استخلاص الحديد من الهيماتيت.
يمكنك التعرف على المزيد حول:
الاستخلاص من الهيماتيت
- يمكن استخلاص الحديد من الهيماتيت باستخدام عنصر الكربون، كونه متوفر بتكلفة منخفضة. وبالتالي، فإن تكلفة الاستخلاص ستكون معقولة.
- يتم الحصول على الكربون عادة من الفحم، الذي يحتوي على الهيدروكربونات والعديد من الشوائب الطيارة.
- نقوم بتسخين الفحم لأكثر من 1000 درجة مئوية للتخلص من بعض الشوائب.
- تؤدي هذه العملية إلى تكوين فحم الكوك، الذي يُعتبر شكلًا أنقى من الكربون، ما يساعد على تقليل الشوائب في الحديد المستخلص.
- يحدث تفاعل الاستخلاص عندما يتفاعل الهيماتيت مع الكربون، مما يؤدي إلى تفاعل أكسدة واختزال.
- حيث يتعرض الهيماتيت (Fe2O3) للاختزال، ويشترك الكربون في التأكسد ليشكل خليط من أول وثاني أكسيد الكربون، حيث تعتمد الحسابات الكيميائية الدقيقة على ظروف التفاعل.
- من المهم ملاحظة أن الكربون أكثر نشاطاً من الحديد. لذا، عند تسخين أكاسيد الحديد مع الكربون، ينتقل الأكسجين من الحديد إلى الكربون.
الخطوات الأساسية لاستخلاص الحديد
- حتى الآن، تتم العمليات بسهولة نسبياً، فكل ما علينا هو تسخين الهيماتيت مع فحم الكوك للحصول على الحديد.
- يبدأ انصهار الهيماتيت النقي عند 1565 درجة مئوية، بينما ينصهر الحديد عند حوالي 1538 درجة، الكربون بدوره يقاوم الانصهار ويبدأ بالتسامى عند درجات حرارة عالية تصل إلى 4827 درجة مئوية. وهذا يعني أننا نحتاج إلى الوصول إلى 1500 درجة مئوية على الأقل.
- حتى عند تسخين الهيماتيت بشكل كافٍ، قد لا تؤدي الحرارة إلى تعزيز التفاعل، مما يجعل عملية دمج الكربون المنخفض الكثافة صعبة.
- عندما يتفاعل الكربون مع كمية محدودة من الأكسجين يتشكل أول أكسيد الكربون في تفاعل طارد للحرارة، وعندما نضيف المزيد من الأكسجين، يمكن أن يتفاعل أول أكسيد الكربون لتكوين ثاني أكسيد الكربون، أيضاً في تفاعل طارد للحرارة.
- إذا استخدمنا أول أكسيد الكربون كعامل مختزل بدلاً من الكربون، سيكون لدينا تفاعل أكثر فعالية، حيث يسهل خلط الغاز.
- في الفرن العالي، يحدث هذا التفاعل، رغم أن الهيماتيت قد يبقى صلبًا، إلا أن الحديد المستخلص سيكون سائلًا بالتأكيد.
- ثم نقوم بإزالة ثاني أكسيد السيليكون عن طريق إضافة كربونات الكالسيوم بشكل الحجر الجيري عند درجات حرارة مرتفعة، مما يؤدي إلى التحلل الحراري لتكوين أكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد الكربون.
- يتفاعل أكسيد الكالسيوم مع شوائب ثاني أكسيد السيليكون ليشكل سيليكات الكالسيوم، التي تنصهر عند حوالي 1540 درجة مئوية، وهو قريب جدًا من درجة انصهار خام الحديد.
- تستطيع سيليكات الكالسيوم المنصهرة الانفصال عن الحديد المنصهر نظرًا للاختلاف في الكثافة، مما يسهل إضافة كربونات الكالسيوم، لتكوين طبقة شوائب يمكن فصلها بسهولة تُعرف بالخبث.
لمزيد من المعلومات، يمكنك الاطلاع على:
الفرن العالي في عملية استخلاص الحديد
- يتم الآن استخدام فرن عالي حديث، يُعادل حجمه حجم حمام سباحة أولمبي (15 متراً عرضاً و35 متراً طولاً) حيث يمكن استخلاص حوالي عشرة آلاف طن من الحديد المنصهر يوميًا، وهي عملية معقدة للغاية.
- في الخطوة الأولى، نضيف فحم الكوك وخام الحديد والحجر الجيري من الجزء العلوي للفرن، ثم نقوم بضخ هواء ساخن تتراوح درجة حرارته بين 900 و1300 درجة مئوية من أسفل الفرن.
- يتفاعل الأكسجين في الهواء بسرعة مع الكربون الصلب في فحم الكوك، مكونًا غاز ثاني أكسيد الكربون الذي يخرج من الفرن.
- تعزز هذه التفاعلات الطاردة للحرارة وصول درجة حرارة قاع الفرن إلى ما بين 1500 و2000 درجة مئوية.
- عندما يتصاعد ثاني أكسيد الكربون ويختلط بمزيد من الكربون، يتفاعل ليولد أول أكسيد الكربون الذي يتصاعد بعد ذلك للجزء العلوي من الفرن، حيث يتفاعل مع أكسيد الحديد.
- خلال هذه العملية، يتفاعل الهيماتيت مع أول أكسيد الكربون ليُنتج الحديد وثاني أكسيد الكربون، بينما يتحول الحديد في الجزء العلوي إلى صلب.
- بعد ذلك، يتقدم خام الحديد نحو الأسفل، حيث نجد كميات أكبر من الحديد وأقل من خام الحديد وكميّة من كربونات الكالسيوم في الأسفل.
- عند حوالي 800 درجة مئوية، تتفكك كربونات الكالسيوم إلى أكسيد الكالسيوم، الذي يتفاعل مع ثاني أكسيد الكربون الزائد لإنتاج المزيد من أول أكسيد الكربون.
- يتفاعل أكسيد الكالسيوم مع الشوائب من ثاني أكسيد السيليكون لتقليل مستويات الشوائب في الحديد.
- يتفاعل أول أكسيد الكربون أيضًا مع الهيماتيت لاختزال الأكسجين لإنتاج الحديد.
- أثناء تفكك الهيماتيت في الفرن، ينتج السيليكا، ثم نضيف الحجر الجيري الذي يتفاعل ليشكل سيليكات الكالسيوم، هذا التفاعل يقضي على الشوائب حيث يتم التخلص منها كمواد صلبة خارج الفرن.
- في الأخير، تُنصهر المواد الخام المُضافة وتتفاعل مع بعضها لتنتج مصهور الحديد، جنبًا إلى جنب مع بعض الشوائب التي تخرج عبر مخرج منفصل.
- تتبع هذه العمليات مجموعة من الحسابات الدقيقة والمعادلات الكيميائية الموزونة، حتى نحصل أخيرًا على الحديد من الهيماتيت. فرغم تعقيد العملية، إلا أنها ليست بالصعبة.
الخطوات النهائية لاستخلاص الحديد من الهيماتيت
- بعد ذلك، يتم معالجة مصهور الحديد للحصول على المزيد من النقاء، مما يساعد على التخلص من أي شوائب قد تكون تراكمت فيه.
- قد يحتوي المصهور على شوائب لا تنصهر أو يكون لها درجات انصهار أعلى من الحديد.
- يمكن أن تشكل هذه الشوائب عقبة في نقاوة الحديد، حيث يمكن أن تؤثر سلبًا على عمليات التصنيع وعلى جودة المواد المستخدمة في الصناعات المختلفة. لذا، يصبح من الضروري أن يكون الحديد خالصًا لضمان جودة المنتج النهائي.
