تجهيز خام الحديد للصناعة – صناعة الحديد والصلب

في هذا الموضوع ستتم مناقشة تجهيز خام الحديد للصناعة حيث تمر عملية استخلاص الحديد من خامته بثلاث مراحل هي كما يلي:

(1) تجهيز الخام

(2) اختزال الخام

(3) انتاج الخام

خواص الحديد

– من خواص الحديد النقي أنه قابل للطرق والسحب، كما من خواصه المهمة أنه قابل لاكتساب المغناطيسية في الدرجات العاديـة. ولكـن يصـعب مغنطته عندما يكون ساخناً، وعند درجة حرارة 790 مئوية يفقد مغناطيسيته.

– ينصهر الحديد النقي عند درجة حرارة 1535 مئوية ويغلي عند درجة حرارة 2750 مئوية.

– الكثافة النوعية الحديد النقي 7.86 جم/سم³.

– الوزن الذري للحديد 55.847 .

– يوجد فلز الحديد في ثلاث أشكال مختلفة وهي كما يلي: ألفا – حديد، جاما – حدید، دلتا – حدید

– كيميائياً يعتبر الحديد نشطاً جداً حيث يتحد مع الهالوجينات مثل الكلور والفلور والبروم واليود كما أنه يتحد مع الكبريت والفوسفور والكربـون والسيليكون.

– كما يحل الحديد محل هيدروجين معظم الأحماض المختلفة. كما يحترق الحديد في الأكسجين مكوناً Fe₃O₄ .

العوامل التي تحدد صلاحية خام الحديد

من العوامل التي تحدد صلاحية خام الحديد لاستخلاص الحديد منه كما يلي:

(1) نسبة الحديد في الخام

(2) تركيب الشوائب المصاحبة للخام

(3) وجود بعض العناصر الضارة المختلطة بالخام مثل: الكبريت، الفوسفور والزرنيخ وغيرها.

أنواع خامات الحديد

ولأن الحديد مثله مثل باقي العناصر الفلزية فإنه لا يوجد فـي حالتـه العنصرية. ومن أهم الخامات الطبيعية للحديد هي:

(1) الهيماتيت Haematite

أو أكسيد الحديد الأحمر  Fe₂O₃ ويحتوي على نسبة 30%-60% من الحديد كما يحتوي خام الهيماتيت على نسبة عالية من السيليكا التي تعمل على خفض جودة الخام.

(2) الماجنتيت Magnetite  

أو أكسيد الحديد المغناطيسي Fe₃O₄ وهو ما يطلق عليه أكسيد الحديد الأسود ويحتوي على نسبة من 45% إلى 70% من الحديد وله خاصية جذب برادة الحديد.

(3) الليمونيت Limonite

أو أكسيد الحديد المائي Fe₂O₃.3H₂O ولونه أصفر بني ويحتـوى على نسبة 18% – 50% من الحديد وغالباً ما يوجد مختلطاً بالمنجنيز.

(4) السيدربت Sidrite

أو كربونات الحديدوز ويحتوى على 20%-40% من الحديد.

(5) بيربت الحديد Pyrite

أو كبريتيد الحديد FeS₂ ولونه أصفر باهت لاحتوائه على نسبة كبيرة من الكبريت.

– ومن أهم الخامات المستخدمة في صناعة الحديـد هـي الهيماتيـت والماجنتيت على الرغم من وجود بعض الشوائب في هـذه الخامـات مـثـل السيليكا (SiO₂) والفوسفور والكربون والمنجنيز والكبريت.

– وفيما يلي أهم خامات الحديد في مصر التي تستخدم في صناعة الحديد

تجهیز خامات الحديد للصناعة

(1) إعداد خام الحديد لتحسين خواصه الفيزيائية والميكانيكية

(أ)عمليات التجنيس Homogenization

– والمقصود هنا بعمليات التجانس، كل عمليات مزج وخلط الخامـات المختلفة بغرض الإقلال من التفاوت في خواصها.

– وبهذا المفهـوم البسـيط، نلاحظ أن هذه العملية تتكرر مع تعدد مراحل معالجة الخامـات، فتـتـم فـي أحواض خامات التصدير بالمناجم. وفي خلال عمليات نقل الخامـات مـن المناجم إلى الكسارات ثم إلى المصانع، وكما تجرى خلال عمليات التكسير والتشوين بالمناجم أو المصانع،

– وتتم عملية التجنيس، التي تتم في أحـواض تشوين الخامات بالمصانع أهم هذه جميعاً، حيث تؤدي طبقاً لنظـام مـحـدد ودقيق.

(ب) عمليات التكسير Crushing

وهذه العملية تجرى على الخام بعد استخراجه بصفة عامة، ذلـك أن أحجام الخام الناتج، تكون في العادة كبيرة لا تناسـب عمليـات الصـهر، وعليه تجرى عملية التكسير هذه بهدف الوصول إلى الحجم الملائم، هذا إذا كانت الخامات المتعامل معها متناسقة التركيب، أو غنية بالمعدن.

(جـ) عمليات الطحن Grinding

لقد أوضحت الأبحاث العلمية أن هناك حجماً أمثل لحبيبـات الخـام، يؤثر تأثيراً مباشراً على جودة الخليط الصناعي المنتج وخواصه، ولذلك فمن اللازم أن تجرى عمليات طحن لهذه الخامات، بهدف الحصول منها على هذه الأحجام.

– وبالإضافة إلى ذلك، فإن غالبية عمليات تركيز الخام التي تعتمد أساساً على فصل الشوائب فيه مثل الفصل المغناطيسي.

– وعمليات التعويم وغيرها، تتطلب في بعض الأحيان أحجاماً غاية في الدقة، حتى يمكن الاستفادة من التفاوت في الخواص الفيزيقيـة كـالوزن، والمغنطة، والذوبان، إلخ في عمليات الفصل بين المعدن والشـوائب ممـا يستلزم طحنها طحناً دقيقاً.

(د) عمليات تجميع النواعم

تنتج عن عمليات طحن الخام أو عمليات التركيز، كذلك تتولد عـن عمليات تنظيف غازات الأفران العالية، كميات هائلة من الخام الناعم، الذي لا يمكن استخدامه في الأفران العالية مباشـرة، ولكـن لا يمكـن إهمالهـا اقتصادياً، ولذلك تخضع هذه الأحجام للمعالجة، بغـرض ربـط وتجميـع حبيباتها في أحجام أكبر تكون متماسكة ومتجانسة، ولها الخـواص اللازمـة للخامات المشحونة بالأفران العالية.

وتجميع هذه الخامات الناعمة وربطها بعضها ببعض، أما أن يكـون نتيجة إضافة مواد رابطة، دون أن تتعرض الخامات الناعمة ذاتها للانصهار. وإما أن تنصهر هذه جزئياً بالحرارة، فتترابط معاً نتيجة ذلك، دون إضافة لمواد رابطة. ومن النوع الأول طرق التطويب، والتكـوير، والتحبيـب. ومن طرق النوع الثاني عمليات التلبيد.

 (2) إعداد خام الحديد لتحسين خواصه الكيميائية

(أ) تصنيف خام الحديد

– وتعتمد هذه الطريقة على اختلاف الكثافة، والحجم، والشكل لحبيبات المواد المطلوب تركيزها، بمعنى استغلال كل المؤثرات التي تؤثر في مسار هذه الحبيبات في وسط سائل.

– وتجرى هذه العمليات بضغط السـائل خـلال طبقة من الخام، ثم يسحب السائل بعد ذلك لتعود مكونات الطبقة إلى السكون مرة أخرى، وهكذا فعند اندفاع السائل تسبح مكونات طبقة الخام في حمـام مغلق، بحيث ترتفع المكونات الثقيلة بقدر محدود، أما الشـوائب الخفيفـة فترتفع مسافة أكبر، ثم يسحب السائل ، فيحدث تدرج للحبيبات المكونة للطبقة حسب أوزانها، أما الشوائب الخفيفة، وخاصة المواد الطينية، فيتم التخلص منها مع ارتفاع السائل فجأة في الحمام، وحيث أن كمية السائل المدفوعـة أكبر من حجم الحمام، فإن الزيادة تتسرب إلى توصيلات جانبية، حاملـة معها هذه المواد الخفيفة.

– وبتكرار هذه العملية، تتكون في الحمام طبقات من المكونات الثقيلة، تنتقل بعدئذ إلى أماكن التخزين. وهي إما حبيبات صغيرة ذات كثافة عالية، وإما حبيبات ذات وزن ثقيل.

– ولذا تجرى عليها بعد ذلـك عملیات فصل بالمناخل أو الغرابيل الآلية أو باستخدام طاولات التركيز ليـتم فصلها عن بعضها البعض، وبالتالي يتم الحصول على الخام المركز.

(ب) التركيز باستخدام التوتر السطحي

وتعتمد هذه الطريقة على اختلاف حساسية التوتر السطحي للمعـادن المختلفة وتطبق على الخامات المطحونة الناعمة جداً. ولا تقتصر نتائجهـا على فصل المعدن عن الخام، بل تتعداها إلى فصل المعادن بعضها البعض. ويكون ذلك كما يلي:

– بإمرار فقاعات هوائية خلال سائل يحوي حبيبات من معادن مختلفة، فإن ذرات هذه المعادن تعلق بالفقاعات، وترتفع لتعوم على سطحه، حيـث يمكن تجميعها واستخلاص المعادن منها.

– ولما كانـت الخـواص السطحية للخامات والمعادن تتفاوت فيما بينها تفاوتاً صغيراً جداً، فلهذا يجب تكبير هذا التفاوت، ويتم ذلك باستخدام مركبات عضوية تسمى (المجمعات) وهي إمـا زيوت عضوية مثل الكيروسين، أو الديزل أو زيـت الوقـود، أو قواعـد عضوية.

– ومن خواص هذه المجمعات، أن تتأين في المحلول المائية، وعليه أيونات المعدن المراد فصله، مكونه مركبات غير قابلة للذوبان في تتحد مع المحلول، تغطى سطح المعدن وتكسبه صفة التوتر السطحي للزيت المستخدم، بمعنى تملكه لزاوية التصاق كبيرة مع الماء.

(جـ) الفصل المغناطيسي

– تتميز بعض العناصر بخواصها المغناطيسية. وبالتالي يستفاد صناعياً بهذه الخواص في عمليات فصل المعادن عندما توجد بها شوائب ليست لهـا هذه الخاصية.

– وعليه فإذا تعرضت الحبيبات القابلة للمغنطة لمجال مغناطيسي، فإنها تنفصل تاركة الشوائب المختلطة بها.

– ويجرى ذلك بإمرار هذا الخليط على سير ناقل تحت مغناطيس قوي، حيث تعلق الحبيبات القابلـة للمغنطـة بالمغناطيس، وتنفصل عما دونها.

– ومن المعروف أنه كلما زادت مغناطيسية أحد المواد، كلما أمكن تأثيرها بمجال مغناطيسي أضعف وعليه، فبإضعاف قوة المغناطيس تباعاً من الشمال إلى اليمين، تزداد مغناطيسية الفصـل، وبالتالي يمكن فصل المعادن كل عن الآخر وفقاً لخاصيته المغناطيسـية.

– ويمكن أيضاً استخدام هذه الطريقة، فصل الحبيبات غير المغناطيسية حسـب أحجامها (أو أوزانها).

(د) التحميص

– تعتبر عملية تحميص كربونات الحديد (السيدريت) لتخليصها من غاز ثاني أكسيد الكربون، من عمليات تركيز الخام.

– وتتلخص هذه العملية في تسخين هذا النوع من الخام إلى درجة حرارة عالية، دون درجة حرارة بدء انصهار (ميوعته) مع السماح للكميات الكبيرة من الهـواء بـالمرور خـلال طبقات الخام، وقد يستخدم أحياناً هواء لافح.

– وعندما تصل درجة حـرارة الخام إلى درجة الحرارة التي يساوى أو يزيد فيها الضغط الجزئي لغاز ثاني أكسيد الكربون على الضغط المحيط، يتصاعد الغاز ويتخلص منه.

– وبعملية لحسابية بسيطة، نجد أنه إذا تعرض خام السيدريت الذي يحوي 35% حديـد لعملية التحميص، وتخلص من كل ما لديه من غاز ثاني أكسيد الكربون، فإن نسبة الحديد ترتفع إلى 45%

– وتستخدم عملية التحمـيص أيضـاً الخامـات بيريت الحديد، حيث يمكن التخلص من نسبة كبيرة من الكبريت الذي بها.

استخلاص الحديد من خاماته

– الطريقة المستخدمة في استخلاص الحديد من خاماتـه تعتمـد علـى اختزال اكاسيد الحديد بواسطة فحم الكوك. ويستخدم لهذا الغـرض الفـرن العالي (Blast furnace).

– وفى الموضوع التالي سوف نتناول شرح كامل لاستخلاص الحديد من خامته.

المراجع:

• كتاب أسس الكيمياء الصناعية – الطبعة الأولى 2005 – أ.د. محمد مجدي واصل أستاذ الكيمياء الفيزيائية – كلية العلوم – جامعة الأزهر – مصر 
• العناصر الانتقالية – كتاب الصف الثالث الثانوي – جمهورية مصر العربية 2021