تعدين الحديد من الهيماتيت، في مقال اليوم سنتحدث عن أحد الموضوعات المهمة في حياتنا كلها، وهو “تعدين الحديد من الهيماتيت”. يعتبر هذا الموضوع مهمًا لأن خام الحديد هو أحد الخامات الأكثر شيوعًا في منزلنا وفي حياتنا، والتي تعتمد عليها معظم صناعاتنا التي تدر الدخل القومي.
خام الحديد
- يعد الحديد من أكثر المعادن شيوعًا في العالم، حيث أن إنتاج الحديد منخفض التكلفة نسبيًا مقارنة بإنتاج المعادن الأخرى.
- توجد الصخور التي تحتوي على نسبة عالية من خام الحديد في جميع أنحاء العالم، حيث لا تقتصر على بلدان معينة، وهناك العديد من مركبات الحديد في الطبيعة التي يمكن العثور عليها بمفردها أو مع بعض العناصر الأخرى.
- المركب الأكثر شيوعًا في تعدين الحديد الذي سنسلط الضوء عليه في مقال اليوم هو الهيماتيت.
- الهيماتيت هو شكل طبيعي من Fe2O3 حيث يحتوي الهيماتيت على حوالي 70٪ من الحديد بالوزن.
- هذا يعني أنه منجم مثالي، وكأننا وضعنا كتلة مقدارها كيلوغرام واحد من الهيماتيت، يجب أن نحصل على 7/10 من الكيلوغرام، أي ما يعادل 700 جرام من خام الحديد النقي، لكن الأمر ليس بهذه البساطة، لذا دعونا نلقي نظرة على تفاصيل تعدين الحديد من الهيماتيت.
يمكنك أيضًا التعرف على: استخدامات المعادن الحديدية
استخلاص الحديد من الهيماتيت
- يمكن استخلاص الحديد من مادته الخام باستخدام عنصر الكربون، وذلك لأن الكربون رخيص ووفير للغاية، لذا فإن تكلفة استخراج الحديد من الهيماتيت لن تكون باهظة الثمن.
- عادةً ما يتم الحصول على الكربون المستخدم في تعدين الحديد من الفحم، حيث يحتوي الفحم على الهيدروكربونات وغيرها من الشوائب المتطايرة.
- نقوم بتسخين الفحم لأكثر من 1000 درجة مئوية للتخلص من بعض الشوائب الموجودة في الفحم.
- ينتج عن هذا أيضًا تكوين ما يسمى بفحم الكوك، حيث أن فحم الكوك هو شكل أنقى من الكربون مقارنة بالفحم، مما يعني أنه يتم إدخال شوائب أقل في الحديد الذي يتم استخراجه.
- يحدث تفاعل استخلاص الحديد عندما يتفاعل الهيماتيت مباشرة مع الكربون، مما يؤدي إلى تفاعل الأكسدة والاختزال.
- حيث يتم اختزال الهيماتيت Fe2O3 من الحديد وفي نفس الوقت يتأكسد الكربون إلى خليط من أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون، حيث تعتمد الحسابات الدقيقة المتكافئة على ظروف هذا التفاعل.
- لكن إذا نظرنا إلى سلسلة النشاط الكيميائي، سنتذكر أن الكربون أكثر تفاعلًا من الحديد، لذلك عندما يتم تسخين أكاسيد الحديد بالكربون، ينتقل الأكسجين من الحديد إلى الكربون.
المراحل الأولية لتعدين الحديد
- حتى الآن جميع العمليات سهلة للغاية، كل ما علينا فعله هو تسخين الهيماتيت بالكوك، ولدينا الحديد.
- يذوب الهيماتيت النقي عند 1565 درجة مئوية، بينما يذوب الحديد عند درجة حرارة قريبة جدًا تبلغ 1538 درجة مئوية. الكربون مقاوم نسبيًا للذوبان. لا يذوب، لكنه يتصاعد عند درجة حرارة عالية تصل إلى 4827 درجة مئوية، وذلك حتى نصل إلى 1500 درجة مئوية على الأقل.
- حتى لو تم تسخينه بدرجة كافية لإذابة الهيماتيت، فلن يؤدي ذلك بالضرورة إلى تحسين التفاعل، وسيظل خلط الكربون الأقل كثافة أمرًا صعبًا للغاية.
- عندما يتفاعل الكربون مع كمية محدودة من الأكسجين، يكون أول أكسيد الكربون طاردًا للحرارة، ويتم استخدام المزيد من الأكسجين، ويمكن أن يتفاعل أول أكسيد الكربون حتى ينتج التفاعل الطارد للحرارة ثاني أكسيد الكربون.
- في ظل نفس الظروف، إذا استخدمنا أول أكسيد الكربون بدلاً من الكربون الأولي كعامل اختزال، فسوف يكون لدينا تفاعل أكثر كفاءة لأن خلط الغاز سيكون أسهل بكثير.
- في فرن الصهر، يحدث هذا التفاعل، لكن قد يظل الهيماتيت صلبًا، لكن الحديد الذي ننتهي به يكون سائلًا بالتأكيد.
- ثم نزيل ثاني أكسيد السيليكون بإضافة مادة كيميائية هي كربونات الكالسيوم على شكل حجر جيري عند درجات حرارة عالية تتسبب في تحلل حراري حتى يصبح الناتج أكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد الكربون.
- يمكن أن يتفاعل أكسيد الكالسيوم مع شوائب ثاني أكسيد السيليكون مما يؤدي إلى تكوين سيليكات الكالسيوم، وهذا النوع من سيليكات الكالسيوم له نقطة انصهار تبلغ 1540 درجة مئوية، وهي قريبة جدًا من نقطة انصهار خام الحديد.
- ثم تنفصل سيليكات الكالسيوم المنصهرة بشكل طبيعي عن الحديد المصهور نظرًا لأن كثافة سيليكات الكالسيوم تبلغ حوالي نصف كثافة الحديد، مما يسمح لنا بإضافة كربونات الكالسيوم، مما ينتج عنه طبقة من الشوائب التي يمكننا فصلها تمامًا عن طريق تشغيل اضغط، ونحن نسمي هذه الطبقة من الخبث.
يمكنك أيضا أن ترى: كيف يتم استخلاص الحديد؟
استخدام الأفران العالية لتعدين الحديد
- ثم يأتي دور الفرن العالي الحديث. يبلغ عرض الفرن العالي الحديث 15 مترًا وطوله 35 مترًا. حجمها يضاهي حجم اثنين من حمامات السباحة الأولمبية. يمكن الحصول على حوالي عشرة آلاف طن من الحديد المصهور من كلٍّ منهما يوميًا، هيكل الفرن معقد للغاية.
- في الخطوة الأولى، نضيف فحم الكوك وخام الحديد والحجر الجيري إلى فرن الصهر من الأعلى، ثم يتم ضخ الهواء الساخن بدرجة حرارة 900-1300 درجة مئوية من قاع الفرن.
- ثم يتفاعل الأكسجين الموجود في الهواء بسرعة مع هذا الكربون الصلب في فحم الكوك ليشكل ثاني أكسيد الكربون الذي يرتفع من الفرن.
- تزداد هذه التفاعلات الطاردة للحرارة وغيرها حتى تصل درجة الحرارة في قاع الفرن إلى 1500 إلى 2000 درجة مئوية.
- عندما يتسامى ثاني أكسيد الكربون ويختلط مع المزيد من الكربون، فإنه يتفاعل ليشكل أول أكسيد الكربون. ثم يرتفع أول أكسيد الكربون إلى أعلى فرن الصهر للقيام بالعمل، ويتم تقليل أكسيد الحديد عندما يتفاعل أول أكسيد الكربون مع خام الحديد في الجزء العلوي من الفرن العالي.
- يحدث هذا عند سقوط الخام فيه، حيث يتفاعل أكسيد الحديد (III) مع أول أكسيد الكربون لتكوين الحديد وثاني أكسيد الكربون، ويصبح الحديد المستخرج من الأعلى صلبًا.
- بعد ذلك يتحرك خام الحديد ويبدأ في الاستخراج من القاع. كلما اقتربنا من قاع الفرن، لدينا المزيد من الحديد وخام الحديد أقل، والمزيد من كربونات الكالسيوم من الحجر الجيري في القاع.
- عند درجة حرارة حوالي 800 درجة مئوية، تتحلل كربونات الكالسيوم لتكوين أكسيد الكالسيوم. يتفاعل ثاني أكسيد الكربون الزائد، والذي يتكون أيضًا من الكربون، لإنتاج المزيد من أول أكسيد الكربون.
- يتفاعل أكسيد الكالسيوم مع شوائب السيليكا في الخام للحفاظ على شوائب السيليكون في الحديد منخفضة.
- يتفاعل أول أكسيد الكربون أيضًا مع الهيماتيت، مما يقلل الأكسجين وينتج الحديد.
- أثناء تحلل الهيماتيت في الفرن العالي، يتكون ثاني أكسيد السيليكون، وهو مادة رملية. نضيف بعد ذلك الحجر الجيري، الذي يتحلل بالحرارة حتى يتفاعل أكسيد الكالسيوم الناتج عن انحلال الحجر الجيري مع ثاني أكسيد السيليكون لتكوين سيليكات الكالسيوم، وهي مادة متعادلة يتم التخلص منها كمواد صلبة خارج الفرن.
- بعد ذلك يتم الصهر في الفرن حيث تدخل المواد الخام المراد تفاعلها مع بعضها البعض وتتفاعل مع بعضها لإنتاج الحديد المنصهر وهو المنتج المطلوب، كما تخرج بعض الشوائب من الناتج الثالث للحديد المصهور. الشوائب الصلبة الموجودة في سيليكات الكالسيوم.
- كل هذا يحدث وفق مجموعة من الحسابات الدقيقة وكذلك معادلات كيميائية متوازنة حتى يخرج الحديد المنصهر وبذلك نكون قد استخرجنا الحديد من الهيماتيت. إنها عملية معقدة، لكنها ليست صعبة.
اخر مراحل عملية استخلاص الحديد من الهيماتيت
- بعد ذلك يؤخذ الحديد المنصهر وتجرى عليه بعض العمليات حتى يتم إزالة الشوائب التي قد تكون تركت الحديد المنصهر.
- إذا أمكن، يحتوي الذوبان على بعض الشوائب التي لا تذوب أو تكون درجة حرارتها أعلى من درجة انصهار الحديد.
- تعتبر هذه الشوائب عقبة كبيرة أمام نقاء الحديد، حيث يمكن أن تتداخل مع عمليات إنتاجه، وكذلك عملية إضافته إلى بعض المواد أثناء العمليات الصناعية المختلفة. لذلك يجب أن يكون الحديد نقيًا حتى لا يؤثر على جودة الصناعة. .
اقرأ أيضًا: كيف يصنع الحديد
في نهاية المقال شرحنا لكم من خلال موقع جديد اليوم كل المعلومات عن كيفية استخلاص الحديد من الهيماتيت.
حيث شرحنا لمحة عامة بسيطة عن خام الحديد وتطرقنا أيضًا إلى الخطوات المتبعة في استخلاص الحديد من الهيماتيت.