صنع الحديد
الحديد
يتواجدُ الحديد في الطبيعة بصورة غير نقيّة، على شكل أكاسيدَ تحتوي على شوائب، مثل: الألومنيا، والسيليكا، وأكسيد المغنيسيوم، وأكسيد الكالسيوم، وعلى كميّات قليلة جداً من الفسفور، والزرنيخ، والكبريت. يُصنع الحديد من خام الحديد الذي يُستخرج من الصخور، ثمّ يُصهر في الفرن على درجات حرارة عالية، ليصفّى المعدن من التراب والشوائب.
أنواع خامات الحديد
- الهيماتيت: رمزه الكيميائيّ Fe2O3، يحتوي على حوالي 70% من الحديد، متعدّد الألوان بناءً على محتواه من الشوائب، حيث تتراوح ألوانه ما بين الألوان الأحمر، أو الأسود، أو الرماديّ، كما يتواجد على شكل كتل ضخمة، أو مسحوق.
- الماجينيت: رمزه الكيميائي Fe3O4، يحتوي على حوالي 72.4% من الحديد، يعتبر من أنقى خامات الحديد، لونه أسودُ لامع، ويتميّز بأنّه ذو مغناطيسيّة عالية.
- الليمونيت: رمزه الكيميائيّ 2Fe2O3H2O، يحتوي على حوالي 40% إلى 50% من الحديد، و10% من الماء، لونه أصفر يميل إلى البنيّ، أو أصفر مخطّطٌ بالّلون الأحمر.
صناعة الحديد
تتمّ صناعة الحديد بعد استخراج الخام من الصخور بعدّة طرق، وهي:
طريقة الفرن العالي
- يُعرّض خام الحديد إلى تيّار من الهواء الساخن، حيث يدخل الهواء الساخن عبر أنابيب النفخ المتواجدة أسفل الفرن، ويتفاعلُ الأكسجين الموجود في التيّار مع الفحم الحجري (الكوك)، وينتج غاز أول أكسيد الكربون.
- يصعد غاز أول أكسيد الكربون الساخن، عبرَ الشقوق الموجودة في الكوك، ممّا يؤدي إلى اختزال أكاسيد الحديد، وتحوّل أول أكسيد الكربون إلى غاز ثاني أكسيد الكربون، الذي يخرج من المنافذ المتواجدة في أعلى الفرن، وتسيلُ النواتج عبر شقوق الكوك نحو الموقد، وهي:
- أكاسيد الحديد بكميّات قليلة، ورماد الفحم، وتُستخدم في صناعة الأسمنت، ورصف الطرق.
- غازات .
- حديد مصهور (حديد التمساح)، حديد هشّ لا يتحمل الطرق، يحتوي على 93% من الحديد، و5% من الكربون، يُعاد صهره مرةً أخرى لصناعة حديد الزهر، ثمّ تنقيته لإنتاجِ الفولاذ.
طريقة الاختزال المباشر
وهي إنتاج الحديد، عن طريق اختزال أكاسيد الحديد، باستعمال أنواع مختلفة من الغازات كوسطٍ مختزل، وعلى درجة حرارة منخفضة أقلّ من درجة الانصهار، تتراوحُ ما بين 800 إلى 900 درجة سلسيوس، ويُطلق على الحديد الناتج من عمليّة الاختزال المباشر باسم الحديد الأسفنجي، وينتج على شكل صلب، وتتميّز هذه الطريقة عن طريقة الفرن العالي بأنّ تكلفة إنشائها قليلة، ولا تحتاج إلى كوك، ممّا قلل اعتماد صناعة الحديد على وجود مادّة خام مرتفعة الثمن، ومن الصعب الحصول عليها، وقلل التلوّث البيئي الناتج عن خروج غاز ثاني أكسيد الكربون إلى الجو، كما أنّ الحديد الناتج من هذه الطريقة يخلو من الكربون، بعكسِ حديد التمساح.
طريقة الصهر باستخدام البلازما
وهي طريقة بديلة للطرق السابقة، تتميّز بإنتاج الفولاذ بشكلٍ مباشر، وبخطوة واحدة، كما أنّ الحديد الناتج من هذه الطريقة يكون على شكل سائل، وتتمّ العملية على مرحلتيْن: داخلَ فرن للصهر، والاختزال باستعمال البلازما، التي تنتج عن تأيّن الغازات عند حرارة 3000 درجة سلسيوس، ويحدث الصهر كالآتي:
- في المرحلة الأولى:
- في المرحلة الثانية:
- يوضع خام الحديد في فرن أسطواني مملوء بالكوك، مع وجود مولد بلازما.
- يُختزل خام الحديد بشكل جزئيّ.
- يُخلط الخام المختزل مع الفحم والحجر الجيريّ.
- يُختزل الخام بشكلٍ نهائيّ.
- يُصهر الخام المختزل.
طريقة ارند
من أحدثِ الطرق المستخدمة لإنتاج الحديد، وتتميّز هذه الطريقة بإنجاز عمليّة الإنتاج في فرن واحد، كما تُستخدم الحرارة الناتجة من احتراق الفحم، في توليد الطاقة الكهربائيّة لإنتاج الفولاذ، وبالتالي تقلل التلوث البيئيّ، وتتم عملية إنتاج الحديد من الخام باستخدام عمليّتين مختلفتين كالآتي:
- تُحقن حبيبات الخام الناعمة، ونشارة الفحم، والحجر الجيريّ، والأكسجين في قمّة الفرن، ممّا يؤدي إلى حدوث صهر ومضيّ واختزال جزئيّ لخام الحديد.
- يُنقل الخام إلى الجزء السفليّ من الفرن، ليتم صهره واختزاله بشكل كليّ.
عملية إنتاج الحديد
- الصهر، يوضَع الحديد في فرن على درجات حرارة عالية، حتّى يُصهَرُ بالكامل، ثمّ يُصبّ داخلَ أحواض.
- يُمرّر الحديد المصهور على ماكينة استعدال، للحصول على حديد بشكل متوازي مستطيلات.
- يقطع الحديد باستخدام مقص أوتوماتيكيّ بأبعاد معيّنة.
- تُبرّد قطع الحديد، ثمّ تمرر على عدّة مراحلَ من الدرفلة الآليّة، للحصول على القطر المناسب.
- توضع الأسياخ الناتجة على حصيرة تبريد.
- تُجمع الأسياخ بعد تبريدها، وبهذا الشكل تكون جاهزةً للبيع.
