شارح الدرس: استخلاص الحديد الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف استخلاص الحديد من مواده الخام في الفرن العالي.

يُعَد استخراج الحديد من أهم العمليات الصناعية على الأرض. يُستخدم الحديد في صنع الصلب، الذي يُعَد مهمًّا للغاية في صناعة مركَّبات النقل وتشييد المباني الضخمة. لم يكُن من الممكن للمجتمع الحديث أن يتطوَّر إذا لم نتمكَّن من استخلاص فلز الحديد من خامات الحديد.

عادةً ما تحتوي مصانع الصلب على فرن عالٍ واحد على الأقل يُنتَج من خلاله حديد منصهر من مواد حديد خام لم يتم تكريرها، مثل الهيماتيت. تُنتِج هذه المصانع الحديد المنصهر، ثم تحوِّل فلز الحديد هذا إلى منتجات سبائك الصلب من خلال عملية صناعة الصلب القاعدية باستخدام الأكسجين. توضِّح الصورة الآتية كيف يمكن لمصنع الصلب إنتاج سبيكة الصلب من مواد خام مثل مواد الحديد الخام وصخور الفحم.

عادةً ما يكون لمصانع الصلب خطوط نقل ممتازة؛ لأنها تحتاج باستمرار إلى كميات كبيرة من الوقود والمواد الخام. وتقع هذه المصانع عادةً بالقرب من السواحل والطرق وخطوط القطارات. وعادةً ما تقع أيضًا في أماكن بعيدة عن المدن العمرانية؛ لأنها قد تُحدِث الكثير من الضجيج والتلوث.

إن مصانع الحديد والصلب أنظمة معقَّدة للغاية تتكوَّن من أنواع مختلفة ومتعدِّدة من الآلات والمباني الضخمة. يوضِّح الشكل الآتي بعض الأجزاء الأكثر أهميةً في معظم مصانع إنتاج الفلزات.

توضِّح الصورة الموجودة في أقصى اليسار المبنى الذي يحتوي على أفران فحم الكوك. يُنتَج فحم الكوك في أفران فحم الكوك، ويُستخدم بعد ذلك مع الحجر الجيري لاستخراج فلز الحديد من خامات الحديد في الفرن العالي.

فحم الكوك صورة من الكربون النقي إلى حدٍّ كبير، الذي يُنتَج من صخور الفحم. ويُنتَج عن طريق تسخين صخور الفحم إلى درجة حرارة مرتفعة في فرن فحم الكوك. وعادةً ما تُسخَّن صخور الفحم إلى درجة حرارة 1000C1100C، وأحيانًا يمكن تسخينها إلى درجات حرارة تصل إلى 2000C. تؤدِّي هذه العملية إلى تبخُّر أو تفكُّك المواد العضوية غير المرغوب وجودها في الفحم، والتخلُّص من المركَّبات المتطايرة، مثل الماء. أما المتبقي (غير المتطاير) من عملية التفكُّك هذه، فيتكوَّن معظمه من ذرات الكربون.

مثال ١: تحديد تركيب فحم كوك الفرن العالي

أيُّ المواد الآتية تُمثِّل فحم الكوك الذي يُساهِم في التفاعلات الأساسية داخل الفرن العالي؟

  1. غاز العادم
  2. الحجر الجيري
  3. الخَبَث
  4. الكربون
  5. خام الحديد

الحل

يتضمَّن هذا السؤال قائمة بالعديد من المواد المختلفة المتضمَّنة في استخلاص الحديد. تحدُث عملية استخلاص الحديد داخل الفرن العالي، وهو برج كبير من الصلب يبلغ طوله 40 m. غازات العادم الناتجة عن هذه العملية هي غاز ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين، ولا يُعرف أيٌّ منهما بفحم الكوك.

الحجر الجيري جزء من الشحنة المستخدَمة عند استخلاص الحديد من خام الحديد. يتكوَّن الحجر الجيري بشكلٍ أساسي من مركَّب كربونات الكالسيوم، ولا يُشار إليه باعتباره فحم الكوك. عندما تتفكَّك كربونات الكالسيوم بسبب ارتفاع درجة الحرارة داخل الفرن، تتفاعل مع الشوائب الرملية لتُكوِّن ما يُعرَف بالخَبَث.

يُنقل الكربون في صورة فحم إلى مصانع الصلب، وقبل خلطه بالحجر الجيري وخام الحديد، الذي يُعرَف باسم الهيماتيت، لتكوين الشحنة، يجب تسخينه إلى درجة حرارة مرتفعة في الفرن. يؤدِّي هذا إلى إزالة بعض الشوائب من الفحم، وتكوين مادة تُعرَف باسم فحم الكوك. ومن ثَمَّ، تكون الإجابة الصحيحة هي (د).

يُستخرج فلز الحديد عادةً من خام الهيماتيت، الذي يحتوي على مركب أكسيد الحديد الثلاثي FeO23. يجب أن يُعالَج الخام قبل وضعه في الفرن العالي؛ وذلك لأن الأفران العالية مصمَّمة لحرق الأجزاء الصغيرة من الخام المضغوطة معًا. ويُعالَج الهيماتيت من خلال معالجة معدنية أو عمليات تجهيز للخام.

الخطوة الأولى هي التكسير؛ حيث تُكسَّر القطع الكبيرة من الخام إلى حجم أصغر. يوضِّح الرسم التوضيحي الآتي كيف يمكن استخدام كسارة فكِّية لتكسير الصخور الكبيرة إلى صخور أصغر.

تُستخدم بعد ذلك عمليات مختلفة لإنتاج شكل أكثر تركيزًا من فلز الحديد من الأجزاء الصغيرة من خام الحديد. عادةً ما يزيد تركيز فلز الحديد مع إزالة الشوائب من خلال مجموعة متنوعة من طرق الفصل المغناطيسي والكهربي.

تُزال الشوائب الكيميائية خلال تجهيز مواد الحديد الخام بواسطة عملية تُعرَف باسم التحميص. التحميص هو العملية التي تُسخَّن فيها خامات الفلز إلى درجة حرارة مرتفعة في غرفة أو فرن في وجود الهواء. ويمكن أن تؤدِّي هذه العملية إلى التخلُّص من جزيئات الماء من معقَّد أكسيد مائي، ويمكن تحويل المواد الكيميائية غير المرغوبة إلى نواتج كيميائية مرغوبة أكثر. توضِّح المعادلة الآتية كيف يمكن لعملية التحميص أن تحوِّل مركب كربونات الحديد FeCO3 غير المرغوبة إلى أكسيد الحديد الثنائي FeO: FeCO()FeO()+CO()32ssg

توضِّح المعادلة الكيميائية الآتية كيف يمكن لعملية التحميص أن تحوِّل جزيئات أكسيد الحديد المفيدة إلى مركَّبات أكسيد حديد ثلاثية مرغوبة أكثر: 2FeO()+O()FeO()sgs12223

توضِّح المعادلة الكيميائية الآتية كيف يمكن استخدام عملية التحميص للتخلُّص من جزيئات الماء من معقَّد أكسيد الحديد الثلاثي المائي: 2FeO3HO()2FeO()+3HO()232232ssg

تتأكسد الشوائب الأخرى، مثل عناصر الكبريت والفوسفور، خلال عملية التحميص. توضِّح المعادلة الآتية كيف يمكن أن يتأكسد الكبريت إلى ثاني أكسيد الكبريت أثناء التحميص: S()+O()SO()sgg22

توضِّح المعادلة الآتية كيف يمكن أن يتأكسد الفوسفور إلى مركَّب خامس أكسيد الفوسفور عند تحميصه: 4P()+5O()2PO()sgs225

وفَوْر إزالة الشوائب من الخام، يُخلَط خام الحديد المعالَج مع الحجر الجيري وفحم الكوك في وحدة تلبيد. تُستخدم وحدات التلبيد لضغط خام الحديد والحجر الجيري وفحم الكوك وتحويلها إلى كتلة صلبة. وعادةً ما تنضغط المواد السائبة وتتحوَّل إلى كتلة مصمتة عند تسخينها بالمواقد.

تضمن عملية التلبيد خلط خام الحديد والحجر الجيري وفحم الكوك خلطًا متجانسًا. وتضمن أيضًا أن تكون المواد الملبَّدة بالحجم والشكل المناسبين للفرن العالي. مساحة سطح وحدات التلبيد كبيرة، وتحدث عملية التلبيد بسرعة. توضِّح الصور الآتية كيف يُمكن استخدام وحدات التلبيد لتغيير خواص مساحيق وصخور خليط التلبيد.

ويُعرَف خليط خام الحديد وفحم الكوك والحجر الجيري باسم الشحنة. تنتقل هذه الشحنة على سيور نقل إلى أعلى الفرن العالي. يوضِّح الشكل الآتي كيفية استخدام سيور النقل لنقل خليط الشحنة إلى أعلى الفرن العالي. تعمل سيور النقل هذه طوال النهار والليل، وتنقُل الشحنة باستمرار إلى الفرن العالي.

مثال ٢: التعرُّف على المواد الخام اللازمة لإنتاج الحديد

عند تصنيع الحديد في الفرن العالي، ما المادتان الخام اللازمتان للعملية الأساسية؟

  1. الهيماتيت والحجر الجيري
  2. البوكسيت والحجر الجيري
  3. الهيماتيت والجير
  4. البوكسيت وفحم الكوك
  5. الهيماتيت والماء

الحل

يطلب منا السؤال اختيار مادتين من المواد الخام ضروريتين للعملية الرئيسية لاستخراج الحديد في الفرن العالي.

لدينا ستة مركَّبات كيميائية مختلفة في الخيارات المتاحة. يُزوَّد الفرن العالي باستمرار أثناء التشغيل بالشحنة. هذه الشحنة مزيج من مواد خام ومواد كيميائية مُصنَّعة مختلفة لازمة لحدوث التفاعلات في الفرن العالي.

من بين المواد الثلاث اللازمة للشحنة، المادة الأولى هي خام الحديد الأساسي. لدينا ثلاثة خامات فلزية للاختيار من بينها في هذا السؤال: الهيماتيت، والبوكسيت، والحجر الجيري. الهيماتيت هو خام الحديد، والبوكسيت هو خام الألومنيوم، والحجر الجيري هو خام الكالسيوم. ونظرًا لأن الفرن العالي يُستخدم في استخلاص الحديد، فإننا نركِّز على الإجابات (أ)، (ج)، (هـ)، التي تحتوي جميعها على الهيماتيت.

الهيماتيت خام حديد يحتوي على كثير من الشوائب الرملية. تُزال هذه الشوائب الرملية في الفرن العالي باستخدام أكسيد الكالسيوم، الذي يتولَّد داخل الفرن من خلال تفكُّك كربونات الكالسيوم. يزوَّد الفرن بكربونات الكالسيوم في صورة حجر جيري؛ ومن ثَمَّ، الإجابة الصحيحة هي (أ).

الأفران العالية عبارة عن أبراج من الصلب مبطَّنة بحجارة مقاوِمة للحرارة. وهذه الأفران بنايات شاهقة الطول قد يصل ارتفاعها إلى 60 m. تدخل الشحنة إلى الفرن العالي عند أعلى البرج، وينطلق الهواء الساخن في الفرن من الأسفل.

تحدث عدة تفاعلات كيميائية متعدِّدة بشكلٍ متزامن داخل الفرن العالي. وسنتعرف على هذه التفاعلات بترتيب زمني منطقي حتى نتمكَّن من فهم عمليات استخلاص الحديد بسهولة أكبر. سنناقش التفاعلات واحدًا تلو الآخر، ونتعلَّم كيف تتحوَّل متفاعلات الشحنة إلى الحديد المنصهر والناتج الثانوي المعروف باسم الخَبَث.

يحترق فحم الكوك في البداية في وجود الهواء الساخن (الأكسجين) لتوليد غاز ثاني أكسيد الكربون وطاقة حرارية. ويُعَد تفاعل الاحتراق هذا طاردًا للحرارة للغاية، ويُطلِق الكثير من الطاقة الحرارية. يؤدِّي هذا التفاعل إلى زيادة درجة حرارة الفرن في القاع؛ حيث يدخل الهواء (الأكسجين) من الخارج. تمثِّل المعادلة الآتية هذا التفاعل: C()+O()CO()+sgg22ارة

لكن في هذه الحالة، تتفاعل جزيئات ثاني أكسيد الكربون مع فحم كوك إضافي وتُنتِج مزيدًا من غاز أول أكسيد الكربون: C()+CO()2CO()sgg2

تتحدَّد طرق استخلاص الفلزات بتفاعلية الفلز نفسه. على سبيل المثال، لا بد من استخلاص الفلزات الشديدة التفاعلية، مثل الألومنيوم، من خاماتها باستخدام التحليل الكهربي. بالنسبة إلى الفلزات التي لها تفاعلية أقل من الكربون، يمكن استخلاصها باستخدام طريقة الاختزال. وهذه هي الطريقة المفضلة؛ فالكربون في صورة فحم يُعَد مصدرًا متوافرًا نسبيًّا.

العنصرالرمزطريقة الاستخلاص
البوتاسيومKالتحليل الكهربي
الصوديومNa
الكالسيومCa
المغنيسيومMg
الألومنيومAl
الكربونC
الزنكZnباستخدام الكربون أو أول أكسيد الكربون
الحديدFe
النحاسCuباستخدام الكربون أو طرق أخرى

يعمل غاز أول أكسيد الكربون عاملَ اختزالٍ خلال انتقاله عبر الفرن العالي. تَختزِل جزيئات أول أكسيد الكربون جزيئات أكسيد الحديد الموجودة أساسًا في الجزأين الأوسط والأعلى من الفرن العالي. فيما يلي التفاعل الكيميائي الذي يمثِّل ذلك: FeO()+3CO()2Fe()+3CO()232sglg

وبعد ذلك يتساقط الحديد المنصهر نزولًا لأسفل الفرن العالي، ويتجمَّع في قاع البرج.

مثال ٣: اختيار العامل الذي يَختزل أكسيد الحديد الثلاثي داخل الفرن العالي

أيُّ مادة من المواد الآتية التي توجد داخل الفرن العالي تَختزل خام الحديد؟

  1.  HO2
  2.  O2
  3.  CO2
  4.  CO
  5.  CaCO3

الحل

يمكن تعريف الأكسدة والاختزال بعدة طرق. إحدى طرق تعريف الاختزال هي فَقْد الأكسجين. في الفرن العالي، يُختزل أكسيد الحديد الثلاثي إلى فلز الحديد. خلال هذه العملية، يتفاعل أول أكسيد الكربون، الذي تَكَوَّن خلال التفاعل بين فحم الكوك والأكسجين الموجود في الهواء، مع أكسيد الحديد الثلاثي لتكوين فلز الحديد المنصهر وغاز ثاني أكسيد الكربون. ومن ثَمَّ، الإجابة الصحيحة هي (د).

في هذه المرحلة من العملية، لا يزال هناك نوع واحد من الشوائب في خام الحديد يجب التخلُّص منه. هذا النوع من الشوائب هو الرمل، وهو ما يمكن اعتباره ثاني أكسيد السليكون (SiO2).

يمكن إزالة ثاني أكسيد السليكون من الفرن العالي؛ لأن خليط الشحنة يحتوي على الحجر الجيري. يتكوَّن معظم الحجر الجيري من كربونات الكالسيوم (CaCO3)، التي تتفكَّك إلى جزيئات ثاني أكسيد الكربون وأكسيد الكالسيوم (CaO) في درجات الحرارة المرتفعة. درجات الحرارة داخل الفرن مرتفعة بما يكفي لتحلِّل الحجر الجيري حراريًّا، وفقًا للمعادلة الكيميائية: CaCO()CaO()+CO()32ssg

تتفاعل جزيئات أكسيد الكالسيوم مع الشوائب الرملية، وهذا التفاعل ينتج عنه الخَبَث المنصهر باعتباره ناتجًا ثانويًّا. يتكوَّن هذا الخَبَث في الأساس من جزيئات سيليكات الكالسيوم (CaSiO3). تمثِّل المعادلة الآتية هذه العملية: CaO()+SiO()CaSiO()sgs23

مثال ٤: توصيف استخدام الحجر الجيري في الفرن العالي

ما الغرض من إضافة الحجر الجيري إلى الفرن العالي؟

  1. يتفكَّك الحجر الجيري وتعمل نواتج هذا التفاعل على تحويل الشوائب إلى خَبَث.
  2. يتفكَّك الحجر الجيري (تفاعل طارد للحرارة)؛ ممَّا يؤدي إلى تسخين الفرن.
  3. يعمل الحجر الجيري على اختزال خام الحديد إلى الحديد.
  4. يساهم الحجر الجيري في المردود الكلي؛ نظرًا لاحتوائه على شوائب فلز الحديد.
  5. يوفِّر الحجر الجيري مصدرًا للأكسجين اللازم للتفاعل مع فحم الكوك.

الحل

يطلب منا هذا السؤال اختيار توصيف للغرض من إضافة الحجر الجيري إلى الفرن العالي. الحجر الجيري في الأساس هو كربونات الكالسيوم. عندما نُضيف الحجر الجيري إلى الفرن العالي، تتفكَّك كربونات الكالسيوم مكوِّنة أكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد الكربون.

بعد ذلك، يتفاعل أكسيد الكالسيوم مع ثاني أكسيد السليكون في خليط الشحنة. ويوجد ثاني أكسيد السليكون هذا في صورة شوائب رملية في خام الهيماتيت. باستخدام هذه المعلومات، يمكننا معرفة أن الإجابة هي الخيار (أ) على الأرجح، لكننا سندرس الخيارات الأخرى للتأكُّد فقط.

ينص الخيار (ب) على أن التفكُّك تفاعلٌ طارد للحرارة. ومع ذلك، عادةً ما تكون تفاعلات التفكُّك ماصَّة للحرارة. وفي الفرن العالي، يَختزل أول أكسيد الكربون خام الحديد إلى حديد، وهو ما يجعلنا نستبعد الخيار (ج).

وكما ذكرنا من قبل، الحجر الجيري هو كربونات الكالسيوم ولا يحتوي على حديد. عند التفكُّك، يكون الأكسجين الموجود في الحجر الجيري مرتبطًا بذرات الكالسيوم والكربون، فهو ليس حرًّا حتى يتفاعل مع فحم الكوك؛ ومن ثَمَّ، نستبعد الخيارين (د)، (هـ). كما توقَّعنا في البداية، الإجابة الصحيحة هي الخيار (أ).

ينزل الخَبَث لأسفل داخل الفرن العالي، ويكوِّن طبقة على سطح الحديد المنصهر. ويَختزل فحم الكوك بعضًا من غاز ثاني أكسيد الكربون الناتج عن تفكُّك الحجر الجيري واختزال خام الحديد، وتتكوَّن جزيئات أول أكسيد الكربون. ومع ذلك، فإن معظم غاز ثاني أكسيد الكربون وغاز النيتروجين يغادر الفرن العالي عبر قمة البرج في صورة عوادم غازية.

يمكن ملاحظة هذه التفاعلات الكيميائية، بالإضافة إلى أمثلة على بنية الفرن العالي، في الشكل الآتي. هذا الشكل التوضيحي عبارة عن توضيح مبسَّط تمامًا لنوع واحد فقط من الفرن العالي. من المهم أن نُدرك أن الأفران العالية الأخرى يمكن أن تعمل عند درجات حرارة مختلفة قليلًا.

يُفرَّغ الفرن العالي من 10 إلى 20 مرة في اليوم لإزالة الخَبَث المنصهر والحديد المنصهر من قاعدته. على الرغم من أن هذا الخَبَث المنصهر ليس ناتجًا مفيدًا في هذا التفاعل، لا يتم التخلُّص منه؛ لأنه يُستخدم في صناعة الأسمنت، وكذلك في بناء الطرق.

الحديد الذي يخرج مباشرةً من الفرن العالي يُسمَّى حديد الصب، وهو عادةً ما يكون هشًّا؛ لأنه يحتوي على 2%5% من الكربون، وأنواع أخرى من الشوائب. يُوضَع بعضٌ من حديد الصب في قوالب لتكوين ما يُعرَف بالحديد الزهر. يُستخدم الحديد الزهر في المقام الأول لصُنع الأواني وأغطية المصارف وهياكل المحرِّكات والأسوار. وعادةً ما يتم تحويل الباقي من حديد الصب إلى الصلب؛ لأن الصلب أقوى وأكثر فائدةً بوجهٍ عام من الحديد.

مثال ٥: تسمية الحديد الناتج من الفرن العالي

ما الاسم الذي يُطلَق على الحديد الناتج أولًا من الفرن العالي؟

  1. الخَبَث
  2. حديد الصب
  3. الحديد المطاوع
  4. حديد الزهر
  5. الصلب

الحل

فَوْر اختزال أكسيد الحديد باستخدام أول أكسيد الكربون في الفرن العالي، ينزل الحديد المنصهر لأسفل إلى قاع البرج. تُفتَح مخارج الفرن العالي عدة مرات في اليوم، ويُزال الحديد المنصهر.

هذا الحديد المنصهر يُعرَف بحديد الصب. إذا وُضِع حديد الصب هذا سريعًا في قوالب، يُشار إليه بالحديد الزهر. لكن معظم الحديد المنصهر يُعالَج لتكوين الصلب. يُشير الخَبَث إلى سيليكات الكالسيوم المتكوِّنة من أكسيد الكالسيوم والشوائب الرملية في الهيماتيت. أما الخيار الآخر الذي لدينا فهو الحديد المطاوع، وهو شكل من أشكال سبائك الحديد التي تحتوي على نسبة منخفضة جدًّا من الكربون. وبذلك تكون الإجابة الصحيحة هي الخيار (ب).

النقاط الرئيسية

  • يحدث استخلاص الحديد في المجال الصناعي في الأفران العالية.
  • تُعَد الأفران العالية جزءًا شائعًا في مصانع الصلب الكبيرة، التي تتضمَّن أيضًا أفران فحم الكوك، ووحدات التلبيد، ومساحات أخرى لتجهيز خام الحديد.
  • يُستخرَج الحديد من خام الحديد باستخدام الكربون في صورة فحم الكوك.
  • يُخلَط خام الحديد مع فحم الكوك والحجر الجيري لتكوين ما يُعرَف بالشحنة.
  • تُضاف الشحنة إلى أعلى الفرن العالي، ويُطلَق الهواء الساخن عبر القاع.
  • يتفاعل الأكسجين الموجود في الهواء مع فحم الكوك في الشحنة لتكوين أول أكسيد الكربون.
  • يَختزل أول أكسيد الكربون الموجود في الفرن العالي أكسيد الحديد الثلاثي الموجود في الهيماتيت لينتج الحديد المنصهر.
  • تحتوي خامات الحديد على كمية كبيرة من الشوائب الرملية. تُزال هذه الشوائب من الفرن العالي عند تفاعلها مع مركَّبات أكسيد الكالسيوم.
  • يتراكم الحديد المنصهر والخَبَث المنصهر في أسفل الفرن، وتخرج العوادم الغازية، مثل ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين، من خلال الأنابيب الموجودة أعلى الفرن العالي.
  • الحديد المنصهر يُعرَف بحديد الصب، ويمكن وضعه في قوالب لتكوين حديد الزهر.
  • يتحوَّل معظم الحديد المنصهر الناتج من الفرن العالي إلى الصلب من خلال عملية صناعة الصلب القاعدية باستخدام الأكسجين.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.