استخراج الحديد من الهيماتيت يعد من المواضيع الحيوية في حياتنا اليومية، حيث يُعتبر خام الحديد من أكثر الخامات وفرة واستخدامًا في حياتنا، مما يؤدي إلى دور كبير في تحفيز الصناعات التي تساهم في التنمية الاقتصادية للدول.

خام الحديد

• الحديد هو أحد أكثر الفلزات شيوعاً في العالم، حيث يُعتبر إنتاجه أقل تكلفة نسبياً مقارنة ببعض المعادن الأخرى.
• تتواجد الخامات التي تحتوي على نسب عالية من الحديد في جميع أنحاء المعمورة، حيث لا يقتصر وجودها على دول بعينها. كما يمكن العثور على العديد من المركبات الحديدية في الطبيعة، سواء كانت منفردة أو مرتبطة بعناصر أخرى.
• المركب الذي سنستعرضه بشكل مفصل في مقالنا هو الهيماتيت.
• يُعرف الهيماتيت بأنه الشكل الطبيعي لأكسيد الحديد الثلاثي (Fe2O3)، حيث تحتوي تركيبته على حوالي 70% من نسبة الحديد.
• هذا يعني أنه يمثل المصدر المثالي للاستخلاص، حيث يتوقع أن نحصل على 700 جرام من الحديد النقي من كيلو جرام واحد من الهيماتيت. ورغم ذلك، فإن العملية ليست بهذه السهولة، لذا دعونا نستعرض تفاصيل استخراج الحديد من الهيماتيت.

لمزيد من المعلومات، يمكنك الاطلاع على:

استخراج الحديد من الهيماتيت

• يمكن الحصول على الحديد من الهيماتيت باستخدام عنصر الكربون، نظراً لانخفاض تكلفته وتوافره بكثرة، مما يجعل عملية الاستخلاص أقل تكلفة.
• عادةً ما يتم الحصول على الكربون المستخدم من الفحم، الذي يحتوي على هيدروكربونات وبعض الشوائب المتطايرة الأخرى.
• يتم تسخين الفحم لأكثر من 1000 درجة مئوية للتخلص من بعض هذه الشوائب.
• تسفر هذه المعالجة أيضًا عن تكوين فحم الكوك، الذي يُعتبر شكلاً أكثر نقاءً من الكربون، مما يساهم في تقليل الشوائب في الحديد المستخلصة.
• تحدث العملية الخاصة باستخلاص الحديد عندما يتفاعل الهيماتيت مع الكربون، مما يؤدي إلى تفاعلات الأكسدة والاختزال.
• حيث يتم اختزال الهيماتيت (Fe2O3) إلى الحديد، بينما يتأكسد الكربون إلى خليط من أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون، وتعتمد المعادلات الكيميائية الدقيقة على ظروف هذا التفاعل.
• من المهم الإشارة إلى أن الكربون أكثر نشاطًا من الحديد، لذا عند تسخين أكاسيد الحديد مع الكربون، ينتقل الأكسجين من الحديد إلى الكربون.

الخطوات الأولية لاستخلاص الحديد

• حتى الآن، تُعتبر العمليات بسيطة للغاية، حيث يتعين علينا فقط تسخين الهيماتيت مع فحم الكوك ليتم الحصول على الحديد.
• يبدأ انصهار الهيماتيت النقي عند درجة حرارة 1565 درجة مئوية، بينما ينصهر الحديد عند درجة حرارة 1538 درجة مئوية، أما الكربون فإنه يقاوم الانصهار وبدلاً من ذلك يتسامي عند 4827 درجة مئوية، مما يستلزم رفع الحرارة إلى حوالي 1500 درجة مئوية على الأقل.
• ومع أن التسخين بدرجات حرارة كافية قد يساعد في ذوبان الهيماتيت، إلا أن المسألة لن تسهل التفاعل، حيث تبقى مهمة خلط الكربون الأقل كثافة صعبة للغاية.
• عندما يتفاعل الكربون مع كميات محدودة من الأكسجين، يتكون أول أكسيد الكربون في تفاعل طارد للحرارة. واستخدام كميات أكبر من الأكسجين يمكنه التفاعل لإنتاج ثاني أكسيد الكربون في تفاعل مشابه.
• في مثل هذه الظروف، سيكون استخدام أول أكسيد الكربون بدلاً من الكربون كعامل اختزال أكثر فعالية، لأنه يسهل خلط الغاز.
• هذا التفاعل يحدث في الفرن العالي، وربما يبقى الهيماتيت صلبًا إلا أن الحديد المستخلص يُصبح سائلاً بالتأكيد.
• بعد ذلك نقوم بإزالة ثاني أكسيد السيليكون عن طريق إضافة كربونات الكالسيوم في شكل الحجر الجيري عند درجات حرارة مرتفعة تؤدي إلى التحلل الحراري، مما ينتج أكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد الكربون.
• يمكن لأكسيد الكالسيوم التفاعل مع شوائب ثاني أكسيد السيليكون لتكوين سيليكات الكالسيوم، التي تتمتع بدرجة انصهار تبلغ 1540 درجة مئوية، وهي قريبة جداً من درجة انصهار خام الحديد.
• بعد ذلك، تنفصل سيليكات الكالسيوم المنصهرة من الحديد بسبب فرق الكثافة، مما يسمح بجمع شوائب الخبث عن طريق فتح الصنبور.

يمكنك الاطلاع على:

استخدام الفرن العالي في استخلاص الحديد

• بعد ذلك، يأتي دور الفرن العالي الحديث، الذي يبلغ طوله 35 مترًا وعرضه 15 مترًا، مما يعادل حجم حمامين سباحة أولمبيين. ويمكن لهذا الفرن إنتاج حوالي 10,000 طن من الحديد المنصهر يوميًا. تصميم الفرن معقد للغاية.
• في الخطوة الأولى، نضيف فحم الكوك وخام الحديد والحجر الجيري إلى الفرن من الأعلى، ثم يتم ضخ هواء ساخن تتراوح حرارته بين 900 و1300 درجة مئوية من الأسفل.
• يتفاعل الأكسجين الموجود في الهواء بسرعة مع الكربون الصلب في فحم الكوك، مشكلاً غاز ثاني أكسيد الكربون الذي يرتفع من الفرن.
  • تساهم هذه التفاعلات الطاردة للحرارة في رفع درجة حرارة الجزء السفلي من الفرن إلى ما بين 1500 و2000 درجة مئوية.
• عندما يتصاعد ثاني أكسيد الكربون ويختلط بمزيد من الكربون، يتفاعل وينتج أول أكسيد الكربون، الذي يرتفع أيضاً إلى أعلى الفرن لتنفيذ تفاعلات اختزال أكسيد الحديد.
• يحدث هذا بينما تسقط الخامات، حيث يتفاعل أكسيد الحديد الثلاثي مع أول أكسيد الكربون، مكونًا الحديد وثاني أكسيد الكربون، ويصبح الحديد المستخرج في الأعلى صلبًا.
• بعد ذلك، يتحرك خام الحديد نحو الأسفل، وتزداد كمية الحديد كلما اقتربنا من الجزء السفلي، في حين تنخفض كمية الخام وكربونات الكالسيوم.
• عند درجة حرارة تقريباً 800 درجة مئوية، تتفكك كربونات الكالسيوم إلى أكسيد الكالسيوم، حيث يتفاعل ثاني أكسيد الكربون الزائد، الناتج من الكربون، لإنتاج المزيد من أول أكسيد الكربون.
• كما يتفاعل أكسيد الكالسيوم مع شوائب ثاني أكسيد السيليكون في الخام للحفاظ على مستويات الشوائب منخفضة.
• يتفاعل أول أكسيد الكربون أيضًا مع الهيماتيت لاختزال الأكسجين للحصول على الحديد.
• خلال تفكك الهيماتيت في الفرن، تتكون السيليكا (المادة الرملية)، ثم نضيف الحجر الجيري المتفكك حرارياً، حيث يتفاعل أكسيد الكالسيوم الناتج مع السيليكا لتكوين سيليكات الكالسيوم التي تُعتبر مادة متعادلة وتُنتَزَع كشوائب صلبة خارج الفرن.
• بعد هذه العمليات، يحدث انصهار الحديد، وهو المنتج المطلوب، بينما تُفصل بعض الشوائب من مخرج ثالث.
• تتم هذه العمليات وفق مجموعة من الحسابات الدقيقة والمعادلات الكيميائية حتى نحصل على الحديد، مما يُظهر أن استخراج الحديد من الهيماتيت هو عملية معقدة، ولكن ليست صعبة.

الخطوات النهائية في استخلاص الحديد من الهيماتيت

• بعد ذلك، يجب معالجة مصهور الحديد بعمليات متعددة لإزالة أي شوائب قد تكون موجودة في المصهور.
• حيث يحتمل أن يحتوي المصهور على شوائب لا تنصهر أو ذات درجة انصهار أعلى من الحديد.
• تُعتبر هذه الشوائب تحديًا كبيرًا لتنقية الحديد، حيث قد تعيق عملياته الإنتاجية وتؤثر على جودة الحديد المستخدم في الصناعات المختلفة.