الفرن العالي Blast furnace – استخلاص الحديد من خاماته

استخلاص الحديد من خاماته

– يستخدم الفرن العالي Blast furnace لاستخلاص الحديد من خاماتـه

– وتعتمد هذه الطريقة على اختزال أكاسيد الحديد بواسطة فحم الكوك.

وصف الفرن العالي

– يجب أن يحقق تصميم الفرن العالي بأجزائه المختلفة، القيـام بـأداء وظيفته الأساسية والتي تتلخص في استغلال مكونات شحن الفرن من الخام، والحجر الجيري أو الدولوميت، وفحم الكوك، والإضافات الحديدية، علاوة على الهواء اللافح الداخل من قرب نهايته السفلي في إنتاج الحديـد الزهـر والخبث اللذين يسحبان من فتحات خاصة من الجزء الأسفل للفرن، بالإضافة إلى غاز الأفران وأتربة الغازات التي تتصاعد من أعلاه.

– وتتعرض المشحونات خلال هبوطها بالفرن إلى العديد من التغيـرات الكيميائية والفيزيائية، فترتفع درجة حرارتها ويزداد حجمها في الجزء العلوي من الفرن، لتعود مرة أخرى في قرب رحلتها داخله إلى الانكمـاش نتيجـة انصهارها.

– يتكون الفرن في شكله العام، مخروطين ناقصين يتلاقيـان بقاعدتيهما الكبيرتان يسميان (المخروط العلوي) و(المخروط السـفلي) تبعـاً لوصفهما بالفرن.

– وينتهي المخروط السفلي بقاعدته الصغيرة في المكان الذي يتجمع فيه انصهار المشحونات بأسفل الفرن والـذي يسمـى (بودقـة الصهر)

– تعتبر الأفران العالية الوحدات الإنتاجية المستمرة التـي لا يجوز إرباكها أو إعاقتها ويعني استمرار شحن الخامـات وخـروج الغازات وما تحمله من أتربة أعلى الفرن وسحب الخبث والحديد علـى فترات منتظمة من أسفله ومما يزيد من صعوبة التشغيل وبالتـالي مما يحتم ضرورة التحكم الدقيق فيه.

– أن العملية مغلقة حيث لا يمكـن أن يشاهد بالعين ما يتم في مراحلها المتوسطة وعليه يجب أن يجهز الفرن العالي بالعديد من أجهزة القياس والتحكم والتي يمكن عن طريقها تتبـع الخطـوات المختلفة في التشغيل.

سعة الفرن العالي

– بالإضافة إلى ما سبق، فإن طبيعة العمل تقتضي أن يتعامل الفرن مع كميات ضخمة من المشحونات ومن المنتجات ويكفـى أن نعلـم أن الطحـن الواحد من الحديد الزهر المنتج يحتاج في المتوسط العادي إلى كميـات مـن المواد الخام كما يلي:

• 2 طن من الخام
• 0.7 طن من الحجر الجيري والذي يستخدم كمادة مخفضة لدرجة حـرارة انصهار الحديد (Fluxing Material).
• 1 طن من الفحم
• 4 أطنان من الهواء اللافح.

وينتج عن ذلك حوالي:

• 6 أطنان من الغازات
• 0.7 طن من الخبث
• 80 كجم من تراب الغازات

وعليه نجد أن الفرن سعة 2000 طن يوميـاً (متوسط سعة الأفران حالياً) يتعامل مع:

• 4000 طن من الخام
• 1400 طن من الحجر الجيري
• 2000 طن من الفحم
•  6 ملايين متر مكعب من الهـواء

وينتج عن ذلك:

• 9 ملايين متر مكعب من الغازات
• 2000 طن من المعدن
• 1400 طن من الخبث
• 160 طناً من تراب الغازات

وبجانب كل ذلك فإن بقية الوحدات المساعدة للفرن وهي كما يلي:

•  أحواش تشوين الخامات
• عنابر معالجة الخبث
• مسخنات الهـواء
• صـالات الصـب الإضافية
• وحدات نفخ الهـواء
• الـورش الميكانيكيـة والكهربائيـة
• المخازن اللازمة

تشكل احتياجات كبيرة في المكان، وتحتاج إلى مساحات شاسعة، مع حتمية توافر الترابط الداخلي فيما بينها.

التفاعلات الكيميائية في الفرن العالي

– تتعرض المشحونات بالفرن العالي إلى العديد من التغيرات الكيميائية خلال رحلتها من أعلى الفرن وحتى الحصول عليها في هيئة معدن أو خبث منهصر في أسفله. وكذا الحال لعامود غازات الأفـران الصاعد.

– هـذه التغيرات تتولد نتيجة العديد من التفاعلات التي تتم وفقاً لأسس ونظريـات علمية ثابتة.

– ولفهم ما يحدث بالفرن من تفاعلات نجد لزاماً التعرض لشرح الأسـس النظرية التي تتحكم في أهمها.

(1) عمليـة الانحلال الحراري

– عند درجة حرارة بين 500°م – 1000°م تحدث عمليـة الانحلال (Dissociation) الحراري لمركبات الكربونـات مـثـل كربونـات الحديدوز التي تتحول إلى أكسيد الحديدوز وثاني أكسيد الكربون كما يلي:

 

– يتحول بعد ذلك أكسيد الحديدوز إلى أكسيد الحديديك بفعل الأكسدة كما بالمعادلة:

 

– أيضاً في نفس نطاق درجة الحرارة 500°م – 1000°م تتحول كربونات الكالسيوم (الحجر الجيري) إلى أكسيد كالسيوم وثاني أكسيد الكربون كما يلي:

 

(2) تحضير العامل المختزل: أول أكسيد الكربون

– باندفاع الهواء الساخن من الفتحات الهوائية الموجودة بأسفل الفـرن يتكون غاز ثاني أكسيد الكربون نتيجة اتحاد كربون فحم الكوك مـع أكسجين الهواء الجوي.

– ثم يختزل ثاني أكسيد الكربـون بواسطة الكربون المسخن لدرجة الاحمرار إلى أول أكسيد الكربون كلما ارتفع إلى أعلى الفرن طبقاً للمعادلة كما يلي:

 

(3) اختزال أكاسيد الحديد

– تختزل أكاسيد الحديد حسب قدرتها على الاستغناء عـن الأكسجين المتحد بها وفي درجات الحرارة أعلى مـن 570°م، علـى النحـو التالي:

أكسيد حديديك – أكسيد الحديد المغناطيسي – أكسيد الحديدوز

 – بمعنى أنه بتعريض هذه الأكاسيد للاختزال في درجات الحرارة أعلـى مـن °570م (بغاز أول أكسيد الكربون) فإنها تختزل كما يلي:

(أ) يتحول أكسيد الحديديك إلى أكسيد الحديد المغناطيسي كما بالمعادلة التالية:

 

(ب) يختزل أكسد الحديد المغناطيسي إلى أكسيد حديدوز كما بالمعادلة التالية:

 

(جـ) يتم اختزال أكسيد الحديدوز إلى حديد كما بالمعادلة التالية:

 

(4) تكون مصهور الحديد

– ينخفض الحديد الصلب المجزأ تجزيئياً (المختزل) إلى الجزء السفلي من الفرن تحت تأثير وزنه نظراً لزيادة كثافته النوعية.

– حيـث تبلـغ درجة الحرارة في هذه المنطقة من الفرن حوالي 1200° م والتي هي كافية لانصهار الحديد والذي يبدأ بدوره في امتصاص كميـات مـن الكربون مكوناً مصهور الحديد الطفل (Pig Iron) الذي يتجمع فـي بئر الفرن لأسفل.

(5) تكون خبث الحديد

– عند درجة حرارة حوالي 1000°م يتفاعل أكسيد الكالسيوم الناتج من تفكك الحجر الجيري مع الطفل والرمل (SiO₂) المختلط مـع خـام الحديد مكوناً خبث الحديد (Slag)

 

– يطفو الخبث المنصهر فوق سطح الحديد المنصهر لأنه أخف منه ويكون الخبث طبقة على سطح الحديد المنصهر تحميه من التأكسد ويتصاعد غاز ثاني أكسيد الكربون الناتج من عملية اختزال أكاسيد الحديد إلى أعلى الفرن العالي حيث يتم اختزاله جزئياً بواسطة الكربـون المسـخن لدرجة الاحمرار إلى غاز أول أكسيد الكربون الذي يكون حوالي 25% مـن كمية الغازات المتصاعدة في أعلى الفرن وعلى ذلك فيمكن حرق هذه الغازات في أبراج معينة واستخدامها في تسخين الهواء قبل دفعة مـن أسـفـل الفـرن العالي.

تحسين كفاءة وزيادة إنتاج الفرن العالي من الحديد الخام

– هذا ويمكن تحسين كفاءة وزيادة إنتاج الفرن العالي من الحديد الخام وذلك بخلط الهواء المدفوع من الفتحات الهوائية أسفل الفرن بغاز الأكسجين.

– وفـي هذه الحالة لا يحتاج الهواء إلى تسخين شديد قبل دفعه للفرن.

– ولقد وجـد أن الأفران العالية التي تستخدم غاز الأكسجين يزيد مرة ونصـف عـن عائـد الأفران التي تستخدم الهواء المسخن.

– كما أن استخدام الأكسجين يقلـل مـن استهلاك فحم الكوك بنسبة 25%

مميزات الحديد الناتج من الفرن العالي

– يتميز الحديد الناتج من الفرن العالي باحتوائه على حوالي 93% حديـد ، %5 تقريباً كربون ونسبة قليلة من السليكون والمنجنيز والفوسفور والكبريت.

– ويحول هذا النوع من الحديد الخام إلى حديد زهري بصهره في أفران تشبه الأفران العالية بعد خلطه بكميات من الحديد الخردة ، فحم الكـوك والحجـر الجيري ويسخن الفرن بدفع تيار من الهواء المسخن لدرجات حرارة عالية من فتحات هوائية أسفل الفرن.

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
• أنتاج الحديد والفولاذ – كتاب الصف العاشر – كيمياء – سلطنة عمان – طبعة 2022