استخراج الحديد من الهيماتيت

استخراج الحديد من الهيماتيت، في مقال اليوم سوف نتحدث عن أحد الموضوعات المهمة في حياتنا جميعاً ألا وهو “استخراج الحديد من الهيماتيت”، يعتبر هذا الموضوع مهماً لأن خام الحديد من أكثر الخامات انتشاراً في منزلنا وفي حياتنا وتقوم عليه أغلب صناعاتنا التي تدر لنا دخلاً قومياً.

خام الحديد

• يعتبر الحديد هو أحد أكثر الفلزات انتشارا في العالم، حيث يعتبر إنتاج الحديد منخفض التكلفة نسبياً مقارنة بإنتاج باقي المعادن.
• توجد الصخور التي تحتوي على نسب عالية من خام الحديد في جميع أنحاء العالم حيث لا يقتصر وجوده على بلدان بعينها، وفي الطبيعة توجد هناك العديد من المركبات الحديد التي يمكن العثور عليها سواء منفردة أو مرتبطة ببعض العناصر الأخرى.
• المركب الأكثر شيوعاً في استخلاص الحديد والذي سوف نسلط عليه الضوء في مقال اليوم هو الهيماتيت.
• يعتبر الهيماتيت هو صورة طبيعية لأكسيد الحديد الثلاثي Fe2O3 حيث يحتوي الهيماتيت على نسبة حديد تساوي حوالي 70% من كتلته.
  • هذا يعني أنه يمثل الاستخلاص المثالي إذ أننا إذا وضعنا كتلة كيلو جرام واحد من الهيماتيت فينبغي علينا أن نحصل على 7/10 كيلو جرام أي ما يعادل 700 جرام من خام الحديد النقي ولكن الأمر ليس بهذه البساطة لذا دعونا نلقي نظرة على تفاصيل استخلاص الحديد من الهيماتيت.

كما يمكنك التعرف على: استخدامات المعادن الحديدية

استخراج الحديد من الهيماتيت

• يمكن استخلاص الحديد من مادته الخام وذلك باستخدام عنصر الكربون وهذا لأن الكربون رخيص للغاية ومتوفر بكثرة فبالتالي فإن تكلفة استخلاص الحديد من الهيماتيت لن تكون مكلفة.
• نحصل عادة على الكربون المستخدم في استخلاص الحديد من الفحم حيث يحتوي الفحم على هيدروكربونات وعلى شوائب متطايرة أخرى.
  • حيث نقوم بتسخين الفحم إلى أكثر من 1000 درجة سيليزية وهذا للتخلص من بعض الشوائب الموجودة في الفحم.
• وهذا أيضاً يؤدي إلى تكوين ما يسمى بفحم الكوك إذ يعد فحم الكوك هو صورة من صور الكربون الأكثر نقاءً من الفحم، وهذا يعني إدخال شوائب أقل إلى الحديد الذي يتم استخلاصه.
• ويتم التفاعل الخاص باستخلاص الحديد عندما يتفاعل الهيماتيت مع الكربون مباشرة حتى يؤدي إلى حدوث تفاعل أكسدة واختزال.
• حيث يختزل الهيماتيت Fe2O3 من الحديد وفي الوقت نفسه يتأكسد الكربون إلى خليط من أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون حيث تعتمد الحسابات الكيميائية التكافئية الدقيقة على ظروف هذا التفاعل.
• ولكن إذا نظرنا إلى سلسلة النشاط الكيميائي فسوف نذكر أن الكربون هو أكثر نشاطا من الحديد لذا عند تسخين أكاسيد الحديد مع الكربون سوف ينتقل الأكسجين من الحديد إلى الكربون.

الخطوات التمهيدية لاستخلاص الحديد

• حتى الآن تتم جميع العمليات بسهولة للغاية إذ يعتبر كل ما علينا فعله هو تسخين الهيماتيت مع فحم الكوك وسوف نحصل على الحديد.
• ينصهر الهيماتيت النقي عند درجة حرارة 1565 درجة سيليزية بينما ينصهر الحديد عند درجة حرارة سيليزية مقاربة للغاية وهي 1538 أما الكربون فهو مقاوم نسبياً للانصهار فلا ينصهر وإنما يتسامى عند درجة حرارة عالية تبلغ 4827 درجة سيليزية، وهذا يعني أنه حتى نصل إلى حوالي 1500 درجة سيليزية على الأقل.
• حتى في حالة التسخين بدرجات كافية لصهر الهيماتيت، هذا لن يؤثر ضرورياً في تحسين التفاعل بل سوف تظل عملية خلط الكربون ذي الكثافة الأقل عملية صعبة للغاية.
• وعندما يتفاعل الكربون مع كمية محدودة من الأكسجين، حيث يكون أول أكسيد الكربون في تفاعل طارد للحرارة واستخدام المزيد من الأكسجين يمكن أن يتفاعل أول أكسيد الكربون حتى يتكون ثاني أكسيد الكربون في تفاعل طارد للحرارة.
• في نفس الظروف إذا استخدمنا أول أكسيد الكربون بدلاً من عنصر الكربون عاملاً مختزلاً فسوف يكون لدينا تفاعلاً أكثر فاعلية كثيراً لأن خلط الغاز سوف يصبح أسهل بكثير.
• في الفرن العالي يحدث هذا التفاعل ولكن قد يكون الهيماتيت لا يزال صلباً لكن الحديد الذي نستخلصه في النهاية يكون سائلاً بكل تأكيد.
• بعد ذلك نتطرق لإزالة ثاني أكسيد السيليكون عن طريق إضافة مادة كيميائية ألا وهي كربونات الكالسيوم في صورة الحجر الجيري وذلك على درجات حرارة مرتفعة تؤدي إلى التحلل الحراري حتى ينتج منتج أكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد الكربونِ
• حيث يمكن أن يتفاعل أكسيد الكالسيوم مع شوائب ثاني أكسيد السيليكون مما يؤدي إلى تكوين سيليكات الكالسيوم وهذا النوع من سيليكات الكالسيوم له درجة انصهار تبلغ 1540 درجة سيليزية وهي قريبة جدا من درجة انصهار خام الحديد.
• من ثم تنفصل سيليكات الكالسيوم المنصهرة بصورة طبيعية عن الحديد المنصهر بسبب كثافة سيليكات الكالسيوم التي تقارب نصف كثافة الحديد مما يسمح لنا بإضافة عنصر كربونات الكالسيوم مما يؤدي إلى تكوين طبقة من الشوائب يمكننا فصلها تماما عن طريق فتح الصنبور ونسمي هذه طبقة الخبث.

كما يمكنك الاطلاع على: كيف يستخرج الحديد

استخدام الفرن العالي في استخلاص الحديد

• بعد ذلك يأتي دور الفرن العالي الحديث حيث يبلغ عرض الفرن العالي الحديث 15 مترا وطوله 35 مترا ويضاهي حجمه حجم حمامين سباحة أولمبيين ويمكن الحصول من كل فُرن من هذه الأفران على حوالي عشرة آلاف طن من الحديد المنصهر في اليوم الواحد يعد التصميم الكامل للفرن معقد للغاية.
• في الخطوة الأولى نضيف فحم الكوك وخام الحديد والحجر الجيري إلى الفرن العالي من الجزء العلوي ثم يتم ضخ هواء ساخن تتراوح درجة حرارته بين 900 إلى 1300 درجة سيليزية من الجزء السفلي للفرن.
• ثم يتفاعل الأكسجين الموجود في الهواء سريعاً مع هذا الكربون الصلب الموجود في فحم الكوك منتجاً غاز ثاني أكسيد الكربون الذي يتصاعد من الفرن.
  • ويزيد هذا التفاعل والتفاعلات الأخرى الطاردة للحرارة إلى أن تصل درجة حرارة الجزء السفلي من الفرن ما بين 1500 و2000 درجة سيليزية.
• عندما يتصاعد ثاني أكسيد الكربون ويختلط بمزيد من الكربون يتفاعل وينتج أول أكسيد الكربون ثم يتصاعد أول أكسيد الكربون إلى أعلى الفرن العالي لتنفيذ المهمة ويختزل أكسيد الحديد حيث يتفاعل أول أكسيد الكربون مع خام الحديد في الجزء العلوي من الفرن العالي.
  • وهذا أثناء سقوط الخام فيه حيث يتفاعل أكسيد الحديد الثلاثي مع أول أكسيد الكربون وينتج الحديد والثاني أكسيد الكربون ويصبح الحديد المستخرج في الجزء العلوي صلب.
• بعد ذلك يتحرك خام الحديد ويبدأ في الاستخلاص من الجزء السفلي كلما اقتربنا من الجزء السفلي من الفرن كانت لدينا كمية أكبر من الحديد وكمية أقل من خام الحديد وأيضا كمية من كربونات الكالسيوم من الحجر الجيري في الأسفل.
• عند درجة حرارة تقريبا 800 تتفكك كربونات الكالسيوم فتنتج أكسيد الكالسيوم بعد ذلك يتفاعل ثاني أكسيد الكربون الزائد الناتج أيضا من الكربون في إنتاج المزيد من أول أكسيد الكربون.
• يتفاعل أكسيد الكالسيوم مع شوائب ثاني أكسيد السيليكون الموجودة في الخام وهذا لإبقاء مستويات الشوائب السيليكون في الحديد منخفضة.
• يتفاعل أول أكسيد الكربون أيضا مع الهيماتيت فيختزل الأكسجين للحصول على الحديد.
• وخلال تفكك الهيماتيت في الفرن العالي ينتج السيليكا وهي المادة الرملية ثم نضيف الحجر الجيري الذي يتفكك بالحرارة حتى يتفاعل أكسيد الكالسيوم الناتج من تفكك الحجر الجيري مع مادة السيليكا فينتج سيليكات الكالسيوم التي تعتبر مادة متعادلة يتم التخلص منها كشوائب صلبة خارج الفرن.
• وبعد ذلك يحدث الانصهار في الفرن حيث تدخل المادة الخام المراد تفاعلها وتتفاعل مع بعضها ليخرج مصهور الحديد وهو المنتج المطلوب وتخرج معه أيضا بعض الشوائب من مخرج ثالث من الشوائب الصلبة المنصهرة والمتمثلة في سيليكات الكالسيوم.
• يحدث كل ذلك وفقاً لمجموعة من الحسابات الدقيقة وكذلك المعادلات الكيميائية الموزونة حتى يخرج مصهور الحديد وبذلك نكون قد استخرجنا الحديد من الهيماتيت تعتبر عملية معقدة ولكنها ليست صعبة.

الخطوات النهائية في عملية استخلاص الحديد من الهيماتيت

• بعد ذلك يؤخذ مصهور الحديد ويتم إجراء بعض العمليات على المصهور حتى يتم التخلص من أي شوائب قد تكون خرجت فيه المصهور.
  • حيث يحتمل أن يحتوي المصهور على بعض من الشوائب التي لا تنصهر أو التي تكون درجة حرارتها أكبر من درجة حرارة انصهار الحديد.
• تعتبر هذه الشوائب هي عقبة كبيرة في نقاوة الحديد حيث أنها قد تعيق عمليات تصنيعه وأيضا عمليات إضافته إلى بعض المواد أثناء عمليات الصناعة المختلفة لذلك يجب أن يكون الحديد نقيا حتى لا يؤثر ذلك على جودة الصناعة.

اقرأ أيضا: كيف يصنع الحديد

وفي نهاية المقال نكون عبر موقع مقال maqall.net قد أوضحنا لكم كافة المعلومات الخاصة بكيفية استخراج الحديد من الهيماتيت.

حيث أننا أوضحنا نبذة بسيطة عن خام الحديد وكذلك تطرقنا إلى الخطوات التي من خلالها يتم استخلاص الحديد من الهيماتيت.