استخلاص الحديد من الهيماتيت، سنتحدث في مقال اليوم عن أحد أهم المواضيع في حياتنا وهو “استخلاص الحديد من الهيماتيت”. منازلنا وفي حياتنا والتي تعتمد عليها معظم صناعاتنا التي تدر الدخل القومي.
جدول المحتويات
خام الحديد
- الحديد هو أحد أكثر المعادن وفرة في العالم لأن إنتاج الحديد غير مكلف نسبيًا مقارنة بالمعادن الأخرى.
- يمكن العثور على الصخور التي تحتوي على نسبة عالية من خام الحديد في جميع أنحاء العالم لأنها لا تقتصر على بلدان معينة، وهناك العديد من مركبات الحديد في الطبيعة، إما بمفردها أو مع عنصر آخر.
- المركب الأكثر شيوعًا في استخراج الحديد الذي سنسلط الضوء عليه في مقال اليوم هو الهيماتيت.
- الهيماتيت هو شكل طبيعي من Fe2O3، مع الهيماتيت يحتوي على حوالي 70٪ من الحديد بالكتلة.
- هذا يعني أنه الاستخراج المثالي، وكأننا وضعنا في كتلة كيلوغرام واحد من الهيماتيت يجب أن نحصل على 7/10 كيلوغرام، وهو ما يعادل 700 جرام من خام الحديد النقي، لكن الأمر ليس بهذه البساطة، فلنلق نظرة على تفاصيل استخراج الحديد من الهيماتيت.
يمكنك أيضًا معرفة: استخدامات المعادن الحديدية
استخراج الحديد من الهيماتيت
- يمكن استخلاص الحديد من مادته الخام باستخدام عنصر الكربون وذلك لأن الكربون رخيص جدا ووفير لذا فإن تكلفة استخراج الحديد من الهيماتيت لن تكون عالية.
- عادة ما يتم اشتقاق الكربون لإنتاج الحديد من الفحم لأن الفحم يحتوي على الهيدروكربونات والشوائب المتطايرة الأخرى.
- حيث نقوم بتسخين الفحم لأكثر من 1000 درجة مئوية لإزالة بعض الشوائب الموجودة في الفحم.
- يؤدي هذا أيضًا إلى تكوين ما يعرف باسم فحم الكوك، نظرًا لأن فحم الكوك هو شكل أنقى من الكربون مقارنة بالفحم، مما يعني إدخال كمية أقل من الشوائب في الحديد المنتج.
- يحدث تفاعل استخلاص الحديد عندما يتفاعل الهيماتيت مباشرة مع الكربون ليؤدي إلى تفاعل الأكسدة والاختزال.
- حيث يتم تقليل الهيماتيت Fe2O3 بالحديد وفي نفس الوقت يتأكسد الكربون إلى خليط من أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون، مع حسابات دقيقة متكافئة تعتمد على ظروف هذا التفاعل.
- ولكن إذا نظرنا إلى سلسلة النشاط الكيميائي، فسنذكر أن الكربون أكثر تفاعلًا من الحديد، لذلك عندما يتم تسخين أكاسيد الحديد بالكربون، ينتقل الأكسجين من الحديد إلى الكربون.
خطوات تحضيرية لاستخراج الحديد
- حتى الآن، من السهل جدًا القيام بجميع العمليات، لأننا نحتاج فقط إلى تسخين الهيماتيت بفحم الكوك ونحصل على الحديد.
- يذوب الهيماتيت النقي عند درجة حرارة 1565 درجة مئوية، بينما يذوب الحديد عند درجة حرارة قريبة جدًا تبلغ 1538 درجة مئوية. الكربون مقاوم نسبيًا للذوبان. إنه لا يذوب ولكنه يتصاعد عند درجة حرارة عالية تصل إلى 4827 درجة مئوية، وهذا يعني أنه حتى نصل إلى 1500 درجة مئوية على الأقل.
- حتى تسخينه بدرجة كافية لإذابة الهيماتيت لن يؤدي بالضرورة إلى تحسين التفاعل، وسيظل خلط الكربون الأقل كثافة صعبًا للغاية.
- عندما يتفاعل الكربون مع كمية محدودة من الأكسجين، يكون أول أكسيد الكربون طاردًا للحرارة ويستخدم المزيد من الأكسجين، ويمكن أن يتفاعل أول أكسيد الكربون حتى يتشكل ثاني أكسيد الكربون في تفاعل طارد للحرارة.
- إذا استخدمنا أول أكسيد الكربون بدلاً من الكربون الأولي كعامل اختزال في ظل نفس الظروف، يكون لدينا تفاعل أكثر فاعلية لأن خلط الغاز أسهل بكثير.
- يحدث هذا التفاعل في الفرن العالي، ولكن قد يظل الهيماتيت صلبًا، لكن الحديد الذي نستخرجه في النهاية يكون سائلًا بالتأكيد.
- ثم نتعامل مع إزالة ثاني أكسيد السيليكون بإضافة مادة كيميائية وهي كربونات الكالسيوم على شكل حجر جيري، عند درجات حرارة عالية تؤدي إلى التحلل الحراري حتى يتشكل منتج من أكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد الكربون.
- يمكن أن يتفاعل أكسيد الكالسيوم مع الشوائب من 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 نتيجة لكثافة سيليكات الكالسيوم، والتي تبلغ حوالي نصف كثافة الحديد، مما يسمح لنا بإضافة كربونات الكالسيوم، مما يؤدي إلى تكوين طبقة من الشوائب يمكننا فصلها تمامًا عن طريق بفتح الصنبور ونسمي تلك طبقة الرماد.
يمكنك أن ترى أيضًا: كيف يتم الحصول على الحديد؟
استخدام الأفران العالية لاستخراج الحديد
- ثم يأتي دور الفرن العالي الحديث: يبلغ عرض الفرن العالي الحديث 15 مترًا وطوله 35 مترًا، وحجمه يضاهي حجم حوضي سباحة أولمبيين، كل منهما قادر على استخراج حوالي عشرة آلاف طن من أفران الحديد السائل يوميًا. البناء الكامل للفرن معقد للغاية.
- في الخطوة الأولى، نضع فحم الكوك وخام الحديد والحجر الجيري في فرن الصهر من الأعلى، ثم يتم ضخ الهواء الساخن بدرجة حرارة 900-1300 ℃ في فرن الصهر من الأسفل.
- ثم يتفاعل الأكسجين الموجود في الهواء بسرعة مع هذا الكربون الثابت في فحم الكوك، مما ينتج عنه غاز ثاني أكسيد الكربون الذي يتصاعد من الفرن.
- يتم تكثيف هذه التفاعلات الطاردة للحرارة وغيرها حتى تصل درجة حرارة أرضية الفرن إلى ما بين 1500 و 2000 درجة مئوية.
- عندما يتصاعد ثاني أكسيد الكربون ويختلط مع المزيد من الكربون، فإنه يتفاعل وينتج أول أكسيد الكربون. ثم يرتفع أول أكسيد الكربون إلى أعلى فرن الصهر للقيام بالعمل، وينخفض أكسيد الحديد عندما يتفاعل أول أكسيد الكربون مع خام الحديد عند الجزء العلوي من الفرن العالي.
- يسقط الخام، حيث يتفاعل أكسيد الحديد (III) مع أول أكسيد الكربون لتكوين الحديد وثاني أكسيد الكربون ويتصلب الحديد المسحوب من الأعلى.
- بعد ذلك، يتحرك خام الحديد ويبدأ في السحب من القاع، وكلما اقتربنا من قاع فرن الصهر، كلما زاد الحديد وأقل خام الحديد، وكذلك زادت كربونات الكالسيوم من الحجر الجيري في القاع.
- عند حوالي 800 درجة مئوية، تتحلل كربونات الكالسيوم إلى أكسيد الكالسيوم، ثم يتفاعل ثاني أكسيد الكربون الزائد، الذي ينتج أيضًا من الفحم، ليشكل المزيد من أول أكسيد الكربون.
- يتفاعل أكسيد الكالسيوم مع شوائب السيليكا في الخام للحفاظ على مستويات شوائب السيليكون في الحديد منخفضة.
- يتفاعل أول أكسيد الكربون أيضًا مع الهيماتيت لتقليل الأكسجين للحصول على الحديد.
- ينتج عن تكسير الهيماتيت في الفرن العالي حمض السيليك وهو المادة الرملية ثم نضيف الحجر الجيري الذي يتم تكسيره بالحرارة حتى يتفاعل أكسيد الكالسيوم الذي ينتج عند إذابة الحجر الجيري مع حمض السيليك وينتج سيليكات الكالسيوم وهي مادة متعادلة، والتي يتم التخلص منها كملوثات صلبة خارج الفرن.
- بعد ذلك، يتم الصهر في الفرن، حيث تدخل المادة الخام المراد تفاعلها وتتفاعل مع بعضها البعض لإخراج الحديد المصهور، وهو المنتج المطلوب، كما تنبثق بعض الشوائب من مخرج ثالث للمادة الصلبة المنصهرة الشوائب ممثلة في سيليكات الكالسيوم.
- كل هذا يتم بعد سلسلة من الحسابات الدقيقة وكذلك معادلات كيميائية متوازنة حتى يخرج الحديد المنصهر وهكذا استخرجنا الحديد من الهيماتيت. إنها عملية معقدة، لكنها ليست صعبة.
الخطوات النهائية في عملية استخلاص الحديد من الهيماتيت
- بعد ذلك يتم إزالة الحديد المنصهر ويتم إجراء بعض العمليات على المصهور حتى يتم إزالة جميع الشوائب التي قد تكون قد تركت الذوبان.
- حيث يمكن أن يحتوي الذوبان على بعض الشوائب التي لا تذوب أو تكون درجة حرارتها أعلى من درجة حرارة انصهار الحديد.
- تشكل هذه الشوائب عقبة كبيرة أمام نقاوة الحديد، حيث يمكن أن تعيق عمليات التصنيع وكذلك عمليات الإضافة 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 جميع المعلومات حول كيفية استخراج الحديد من الهيماتيت عبر موقع تريندات.
حيث شرحنا لمحة عامة بسيطة عن خام الحديد وتطرقنا أيضًا إلى خطوات استخلاص الحديد من الهيماتيت.