شارح الدرس: استخلاص الحديد الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف استخلاص الحديد من خاماته 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 خامات حديد 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 خامات الحديد 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 –، وأحيانًا يمكن تسخينها إلى درجات حرارة تصل إلى . 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.

يُستخرج فلز الحديد عادةً من خام الهيماتيت، الذي يحتوي على مركب أكسيد الحديد الثلاثي . 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 خامات الحديد 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 غير المرغوبة إلى أكسيد الحديد الثنائي :

توضِّح المعادلة الكيميائية الآتية كيف يمكن لعملية التحميص أن تحوِّل جزيئات أكسيد الحديد المفيدة إلى مركَّبات أكسيد حديد ثلاثي مرغوبة أكثر:

توضِّح المعادلة الكيميائية الآتية كيف يمكن استخدام عملية التحميص للتخلُّص من جزيئات الماء من معقَّد أكسيد الحديد الثلاثي المائي:

تتأكسد الشوائب الأخرى، مثل عناصر الكبريت والفوسفور، خلال عملية التحميص. توضِّح المعادلة الآتية كيف يمكن أن يتأكسد الكبريت إلى ثاني أكسيد الكبريت أثناء التحميص:

توضِّح المعادلة الآتية كيف يمكن أن يتأكسد الفوسفور إلى مركَّب خامس أكسيد الفوسفور عند تحميصه:

وفَوْر إزالة الشوائب من الخام، يُخلَط خام الحديد المعالَج مع الحجر الجيري وفحم الكوك في وحدات التلبيد. 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.

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:

لكن في هذه الحالة، تتفاعل جزيئات ثاني أكسيد الكربون مع فحم كوك إضافي وتُنتِج مزيدًا من غاز أول أكسيد الكربون:

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.

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:

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

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 ().

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

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 (). تمثِّل المعادلة الآتية هذه العملية:

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 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.