استخراج الحديد من الهيماتيت: في هذا المقال، سنتناول موضوعاً بالغ الأهمية في حياتنا اليومية، ألا وهو “استخراج الحديد من الهيماتيت”. يعتبر هذا الموضوع حيوياً نظراً لأن خام الحديد يعد من أكثر الخامات استعمالاً في المنازل وفي مختلف جوانب حياتنا، ويشكل أساساً لكثير من الصناعات التي تساهم في دعم الاقتصاد الوطني.
خام الحديد
- يعد الحديد من أكثر الفلزات شيوعاً في العالم، حيث يتميز بتكلفة إنتاج منخفضة نسبياً مقارنة بالمعادن الأخرى.
- توجد الرواسب التي تحتوي على كميات كبيرة من خام الحديد في جميع أنحاء العالم، مما يجعل وجودها شائعاً في دول متعددة، حيث تحتوي الطبيعة على العديد من مركبات الحديد التي يمكن العثور عليها في حالة منفردة أو مرتبطة بعناصر أخرى.
- سنستعرض في هذا المقال المركب الأكثر شيوعاً في استخلاص الحديد، وهو الهيماتيت.
- الهيماتيت هو الشكل الطبيعي لأكسيد الحديد الثلاثي (Fe2O3)، حيث يحتوي على نسبة حديد تقارب 70% من كتلته.
- هذا يشير إلى كفاءة الاستخلاص، حيث إذا كان لدينا كيلو جرام واحد من الهيماتيت، ينبغي أن نحصل على 700 جرام من الحديد النقي. لكن الأمور أكثر تعقيداً، لذا دعونا نستعرض تفاصيل استخلاص الحديد من الهيماتيت.
للمزيد من المعلومات، يمكنك الاطلاع على:
استخراج الحديد من الهيماتيت
- يمكن الحصول على الحديد من خامه باستخدام عنصر الكربون، والذي يتميز بتكلفته المنخفضة وتوفره. بالتالي، فإن استخراج الحديد من الهيماتيت يعد اقتصادية.
- عادة ما يكون الكربون المستخدم في الاستخلاص مأخوذ من الفحم، الذي يحتوي على هيدروكربونات ومواد متطايرة أخرى.
- نقوم بتسخين الفحم إلى أكثر من 1000 درجة مئوية للتخلص من بعض الشوائب الموجودة فيه.
- هذا ينتج عنه تحويل الفحم إلى فحم الكوك، وهو صورة أنقى من الكربون، مما يعني إدخال شوائب أقل في الحديد المستخرج.
- تتم عملية الاستخلاص عندما يتفاعل الهيماتيت مع الكربون، مما يؤدي إلى تفاعل أكسدة واختزال.
- في هذا التفاعل، يتم اختزال الهيماتيت (Fe2O3) إلى الحديد، بينما يتأكسد الكربون إلى خليط من أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون. وتعتمد العمليات الكيميائية على الظروف المساعدة لهذا التفاعل.
- إذا نظرنا إلى النشاط الكيميائي، نلاحظ أن الكربون أكثر نشاطاً من الحديد، لذا عند تسخين أكاسيد الحديد مع الكربون، ينتقل الأكسجين من الحديد إلى الكربون.
الخطوات التمهيدية لاستخراج الحديد
- حتى الآن، تتم جميع العمليات بسهولة، كل ما يتطلبه الأمر هو تسخين الهيماتيت مع فحم الكوك للحصول على الحديد.
- ينصهر الهيماتيت النقي عند درجة حرارة تبلغ 1565 درجة مئوية، بينما ينصهر الحديد عند درجة حرارة قريبة جداً تحت 1538 درجة مئوية. على الجانب الآخر، لا ينصهر الكربون بل يتسامى عند درجة حرارة عالية تصل إلى 4827 درجة مئوية، مما يعني ضرورة الوصول إلى درجة حرارة تصل إلى حوالي 1500 درجة مئوية كحد أدنى.
- حتى لو تم تسخين الهيماتيت بدرجات كافية، فإن ذلك لن يؤثر بالضرورة في تحسين التفاعل، حيث تبقى عملية خلط الكربون ذات الكثافة الأقل صعبة.
- عندما يتفاعل الكربون مع كمية محدودة من الأكسجين، ينتج أول أكسيد الكربون في تفاعل طارد للحرارة، واستخدام المزيد من الأكسجين يمكن أن يؤدي إلى تفاعل أول أكسيد الكربون لإنتاج ثاني أكسيد الكربون، أيضاً في تفاعل طارد للحرارة.
- في ظروف مماثلة، إن استخدام أول أكسيد الكربون كعامل مختزل بدلاً من الكربون نفسه يؤدي إلى تفاعل أكثر فعالية بفضل سهولة خلط الغاز.
- داخل الفرن العالي، قد يبقى الهيماتيت صلباً، لكن الحديد الذي نستخرجه في النهاية يكون سائلًا بالتأكيد.
- بعد ذلك، نقوم بإزالة ثاني أكسيد السيليكون عبر إضافة كربونات الكالسيوم في صورة الحجر الجيري تحت درجات حرارة مرتفعة تؤدي إلى التحلل الحراري لإنتاج أكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد الكربون.
- حيث يتفاعل أكسيد الكالسيوم مع شوائب ثاني أكسيد السيليكون لتكوين سيليكات الكالسيوم، والتي تتمتع بدرجة انصهار تقارب 1540 درجة مئوية، وهي قريبة من درجة انصهار خام الحديد.
- بالتالي، يمكن فصل سيليكات الكالسيوم المنصهرة عن الحديد المنصهر بسبب اختلاف كثافة كل منهما، مما يسمح بتكوين طبقة من الخبث يمكن فصلها بسهولة عن طريق فتح الصنبور.
للمزيد من المعلومات، يمكنك الاطلاع على:
استخدام الفرن العالي في استخراج الحديد
- ندخل الآن في تفاصيل الفرن العالي الحديث، الذي يصل عرضه إلى 15 متراً وطوله إلى 35 متراً، مما يعادل حجم حمامين سباحيين أولمبيين. يمكن الحصول من كل فرن من هذه الأفران على حوالي عشرة آلاف طن من الحديد المنصهر يومياً، ويعد تصميم هذا الفرن معقداً للغاية.
- في الخطوة الأولى، نضيف فحم الكوك وخام الحديد والحجر الجيري إلى الفرن العالي من الجزء العلوي، ثم يتم ضخ هواء ساخن تتراوح درجته من 900 إلى 1300 درجة مئوية من أسفل الفرن.
- يتفاعل الأكسجين الموجود في الهواء مع الكربون الصلب في فحم الكوك بسرعة، مسبباً إنتاج غاز ثاني أكسيد الكربون الذي يرتفع من الفرن.
- وتعزز هذه التفاعلات الطاردة للحرارة من ارتفاع درجة حرارة الجزء السفلي من الفرن إلى ما بين 1500 و2000 درجة مئوية.
- بينما يتصاعد ثاني أكسيد الكربون ويساهم في تفاعل مع مزيد من الكربون، تتكون أول أكسيد الكربون، الذي يرتفع نحو الأعلى ليقوم باختزال أكسيد الحديد في الجزء العلوي من الفرن العالي.
- وعند دخول الخام إلى الفرن، يتفاعل أكسيد الحديد الثلاثي مع أول أكسيد الكربون لينتج الحديد وثاني أكسيد الكربون، ويكون الحديد المستخرج في الأعلى في حالة صلبة.
- مع تقدم العملية، يتحرك خام الحديد نحو الأسفل، ويزداد إنتاج الحديد كلما اقترابنا من الجزء السفلي حيث تكون كمية الحديد أكبر وقليل من الخام، مع وجود كربونات الكالسيوم في الأسفل.
- عند درجة حرارة حوالى 800 درجة مئوية، تتفكك كربونات الكالسيوم لإنتاج أكسيد الكالسيوم، ثم يتفاعل ثاني أكسيد الكربون الزائد الناتج من الكربون لإنتاج المزيد من أول أكسيد الكربون.
- يتفاعل أكسيد الكالسيوم مع شوائب ثاني أكسيد السيليكون لتحسين جودة الحديد من خلال تقليل نسب الشوائب.
- كما يتفاعل أول أكسيد الكربون مع الهيماتيت لاختزال الأكسجين للحصول على الحديد.
- أثناء تفكك الهيماتيت داخل الفرن العالي، يتم إنتاج السيليكا، وهي مادة رملية، ثم تُضاف كربونات الكالسيوم التي تتفكك حرارياً، حيث يتفاعل أكسيد الكالسيوم الناتج مع السيليكا ليتم إنتاج سيليكات الكالسيوم، والتي تُعد مادة متعادلة يتم التخلص منها كشوائب صلبة خارج الفرن.
- بعدها تحدث عملية الانصهار حيث تتفاعل المواد الخام، مما يؤدي إلى إنتاج الحديد المنصهر كمنتج نهائي مع بعض الشوائب من مخرج ثالث مخصص لسيليكات الكالسيوم المنصهرة.
- تتم كل هذه العمليات طبقاً لمجموعة من الحسابات الدقيقة والمعادلات الكيميائية المحددة، مما يضمن إنتاج الحديد. وعلى الرغم من تعقيد العملية، إلا أنها ليست بالصعوبة المطلوبة.
الخطوات النهائية في عملية استخراج الحديد من الهيماتيت
- في الجانب الأخير، يتم معالجة مصهور الحديد لتقليل الشوائب المحتملة التي قد تكون موجودة.
- إذ يحتمل أن يحتوي المصهور على شوائب لا تنصهر أو ذات درجات حرارة انصهار أعلى من الحديد.
- تعتبر هذه الشوائب عائقًا كبيرًا أمام نقاء الحديد، حيث قد تؤثر على عمليات التصنيع وتطبيقه في مختلف الصناعات، لذا يجب أن يكون الحديد نقياً لضمان جودة الأداء.