كيفية انتاج الحديد الخام

انزل الله تعالى سورة كاملة بإسمه ،وقال سبحانه وتعالى عنه :”وأنزلنا الحديد فيه بأس شديد ومنافع للناس”.بجانب الإحتياج الحيوي لهذا العنصر الهام ،يعد الحديد الخام من اكثر المعادن مطلوبة صناعية .حيث يدخل في كافة الصناعات تقريباً صغيرة كانت ام كبيرة ،فبدون الحديد لما تطورت الصناعة كما هي عليه الآن .ولهذا كان من الواجب علينا ان نذكر لكم  بدقة،كيفية انتاجه.

يعد الحديد من اهم المعادن الفلزية في العالم ،ولا يوجد معدن يساويه من حيث الأهمية ،وحجم الإستهلاك العالمي.كما يعتبر من اقدم العناصر المعدنية التي اكتشفها الإنسان واستخدمها في حياته اليومية.حيث يوجد عادة بإنتشار فى القشرة الأرضية ،او من خلال النيازك الساقطة من الفضاء.ويمتاز الحديد وسبائكه بخواص متعددة ومتفاوتة الدرجات في مقاومة الحرارة والشد والصدأ والمرونة والمغناطيسية.كان من انسب المعادن لصناعة الأسلحة ،والأدعمة البنائية على مر العصور.بالإضافة الى المنافع الحيوية التي يمثلها عنصر الحديد داخل اجسام الكائنات.حيث تدخل مركباته في عملية تكوين الكلوروفيل للنبات،وكذلك في تركيب بروتينات النواة في الخلية الحية ،بالإضافة الى انتشاره في سوائل الجسم وغيرها من الأعضاء ،فهو احد مكونات الهيموجلوبين.

نبذة عن المعادن الحديدية

توجد المعادن المختلفة كالحديد وغيره بالطبقات السطحية والعميقة بالقشرة الارضية في صورة غير نقية .كما تتفاوت الكميات الموجودة والمستخرجة حسب نوع المعدن وومدى توافره في الطبيعة،وكذلك يتفاوت تركيزها ودرجة نقاوتها من مكان الى اخر .عادة توجد المعادة مختلطة بشوائب مختلف ،لذا تسمى اغفال المعادن.انواع الحديد المعروفة والمستخدمة دائماً في الصناعة ،ليست معادن حديدية خامة ،فهي سبائك من الحديد الخام المضاف اليه عناصر اخرى مثل الكربون ،والسيلكون،المنجنيز ،الفسفور،الكبريت.

يستخلص الحديد عادة في الافران العالية او الكهربية،وينتج على عدة اشكال تمتاز كل منها خواص منفردة قابلة للإستخدام الصناعي ،كالحديد الصلب ،والحديد الزهر .بينما الحديد الخام لين نسبياً ولا يستخدم في الصناعة .تعرف المعادن الحديدية بسهولة التمغنطة ،وقابليته للتوصيل الحراري والكهربي ،والرمز الكيميائي له Fe .

خامات استخراج الحديد الخام

كما ذكرنا ان الحديد لا يوجد منفرداً بشكل خام،حيث يتواجد في الطبيعة مصاحباً بشوائب وعناصر اخرى.تختلف انواع الحديد تبعاً لخواصها ،والعناصر المصاحبة لها،لهذا يعتمد الحديد في انتاجه 5 خامات رئيسية:

1- الماجنتيت

يعرف هذا النوع بالحديد المغناطيسي ،فهو اسود اللون ذات كثافة نوعية 5.2 ،وصلابته 5.5-6.5.يشكل نحو 72% في الخام ،ويتميز بمغناطيسيته الشديدة ،ويتكون كيميائياً من حديد واكسجين.يوجد عادة على شكل عروق في الصخور النارية أو المتحولة ،ولعل هذا هو السبب في النقاء النسبي لهذا المعدن ،حيث تنخفض فيه نسبة الشوائب .يعتبر هذا النوع من اقل خامات الحديد انتشاراً في العالم،وتوجد اشهر حقوله في السويد وشمال اسبانيا وفي مصر.

2- الهيماتيت

يعد الهيماتيت من اهم مصادر انتاج الحديد في العالم ،لأنه اكثرها انتشاراً .حيث يوجد في الصخور الرسوبية واسعة الإنتشار ،كما يوجد كمعدن ثانوي في الصخور النارية.يظهر المعدن في شكل بلورات مستوية أو مقوسة ،كما يتواجد صفائحية،ويتدرج في لونه من الرمادي الى الأسود ،ويتميز حكاكته باللون الأحمر الداكن .ينتشر هذا النوع في اسوان بمصر ،ومنطقة سوبيريور في الولايات المتحدة،التي تعتبر اكبر مناطق انتاج الحديد في العالم.

3- السيديريت

Siderite  هو معدن حديدي ثمين اقل انتشاراً، حيث أنه يحتوي على 48٪ من الحديد ولا يحتوي على شوائب من كبريت أو فوسفور .لهذا النوع من المعدن الحديدي لديه صلابة من 3.75-4.25 .يتبلور في النظام البلوري ثلاثي الزوايا ، ويأخذ شكل بلورات معينية ، عادة مع وجوه منحنية ومخططة. ويتراوح لونه من الأصفر إلى البني الغامق أو الأسود .

يوجد السيديريت بشكل شائع في المناطق الحرارية المائية بقارة اوروبا خاصة في يوركشير،وتوجد معظم تكويناته في الصخور الروسوبية المنتمية الى العصر الجوراسي، ويرتبط بالباريت ، والفلوريت .

4- البيريت

يعد هذا النوع هو اقل انواع خامات الحديد جودة ،حيث تصل نسبة الحديد في الخام الى 45%،وقد تقل عن ذلك.يوجد المعدن عادة على هيئة مكعبات على هيئة كتلية أو حبيبية أو كروية ،ويتميز بلونه النحاسي الأصفر الباهت مما يجعله شبيه بالذهب ،فيطلق عليه عادة اسم الذهب الكاذب نسباً للإختلاط بينهما عن الإستخراج.يتكون في الصخور الرسوبية واحياناً في الصخور المتحولة .

يعد البيريت معدناً شائع الإنتشار في العروق الكبريتيدية ،حيث يتكون كيميائياً من كبريتور الحديد والأكسجين،لذا سمي بيريت،وتعد اسبانيا واليابان وروسيا،هي الدول الاكثر انتاجاً لهذا النوع من الحديد.

5- الليمونيت

يتميز الليمونيت بلونها لأصفر أو البني تبعاً لنوع الشوائب الموجودة فيه،هو نوع رديئ  الجودة،حيث تصل نسبة خام الحديد فيه نحو 60%.ويوجد عادة في الصخور الرسوبية ،ويتكون كيميائياً من الحديد والهيدروجين ،والأكسجين .ينشأ نتيجة لرواسب من كربونات الحديدوز في الصخور الطينية ،التي ترسبت في المياة العذبة في العصر الجيولوجي الكبوني،وأشهر مناطق تواجده في اللورين بين فرنسا وألمانيا ،وفي الواحة البحرية بمصر.

انتاج الحديد الخام

يعتبر الحديد من اكثر المواد المعدنية استخداماً في الصناعات،فهو يمثل العمود الفقري لأي اقتصاد صناعي.عملية انتاج الحديد الخام ليست بعملية سهلة ،كما تتوقع ،فهي تحمل العديد من التعقيدات المادية والاقتصادية كذالك .لكن عادة يستخلص الحديد من المواد الخام من خلال صهرها بهدف ازالة الشوائب العالقة بها ،ومع ذلك الحديد النقي تماماً ليس له خواص مفيدة من الناحية العملية ،حيث يكون لين ذو مقاومة منخفضة للصدأ والتآكل ،فهو لا يستخدم إلا بواسطة خلطه مع عناصر اخرى كالكربون ،السيليكون،المنجنيز.هناك ثلاث مراحل اساسية لإنتاج الحديد:

1- استخراج الحديد الغفل

هذه المرحلة تأتي بعد التعدين ،ويستخرج فيها العمال الحديد من المناجم .لا يوجد الحديد منفرداً في الطبيعة ،ولكنه يوجد متحداً مع عناصر اخرى كالأكاسيد والكبريد ،والسيليكات،ونسبة عالية من الكربون بين 4 إلى 5 %.كما يحتوي على شوائب من القشرة الأرضية ،هذا يعني أن الحديد يستخرج من الأرض في صورة غير نقية ،ويتفاوت في جودته وتركيزه من موقع الى اخر،وكذلك يختلف في نقاوته تبعاً لمكان استخراجه.

2- تجهيز وتحضير الحديد الغفل

وهي العمليات الأولية التي تجري على الخامات المستخرجة من باطن الارض قبل ارسالها الى الافران العالية لإستخلاص خام الحديد منها،وهذه العمليات كالآتي:

• التكسير: وهي تكسير الصخور المستخرجة من المناجم ،حيث عادة ما تكون كبيرة جداً يصعب نقلها أو التعامل معها.تستخدم ماكينات وألات مخصصة لتكسير تلك الصخور تسمى كسارات أو طواحين.
• الفرز: وهو تصنيف المواد بعد تكسيرها حسب الحجم ،فمنها ما يكون صغير أو كبير،وتتم هذه العملية بإستخدام مغناطيسيات كهربائية ،حيث تلتقط الأجزاء التى تحتوي على حديد وتلقي المواد الاخرى الغير مغناطيسية بعيداً،ثم بعد ذالك يمر الخام المكسور عبر مناخيل لتصنيفها حسب الحجم.
• التلبيد: وهي عكس عملية التكسير وفيها يتم تجميع الأحجار الصغيرة من خام الحديد والغبار المتطاير منه الى جزء كبير مناسبة تصلح للصهر في الأفران.
• الغسيل:بعد عملية التكسير يمر خام الحديد عبر تيار مائي بضغط معين للتخلص من الأتربة والرمل والطين المتلاصقة معه.كما يعمل التيار المائي على حمل المواد العاطلة والشوائب بعيداً عن الخام.
• التحميص:بعد عملية الغسيل يجب تجفيف الخام جيداً ويتم ذلك من خلال عملية التحميص ،والذي من خلالها يمر خام الحديد خلال افران  تعمل بالهواء الساخن بدرجة حرارة معينة ،لتبخير ماء الغسيل وطرده،كما يتخلص الخام من نسبة من بعض الشوائب.

3- استخلاص خام الحديد

يجرى استخلاص الحديد الخام من غفل الحديد في أفران خاصة لتحويله إلى حديد خام كمرحلة أولى، ويتم ذلك عادة باستخدام الأفران العالية Blast Furnaces، وفي بعض الأحيان يستخلص الخام في أفران كهربائية، علما بأنه بدأ في الآونة الأخيرة إستخلاص الحديد الخام باستخدام غازات مختزلة ساخنة مثل الهيدروجين والميثان وأول أكسيد الكربون، وقد تختلف وسائل تسخين الغفل بهذه الطريقة.حيث تستخدم الوسائل الكيميائية بإحراق فحم الكوك وتحويله إلى ثاني أكسيد الكربون وتولید حرارة عالية كما هو الحال بالفرن العالي.كما تستخدم الطاقة الكهربائية في التسخين بالأفران العالية. إلا أن إختزال أكسيد الحديد يتم بأسلوب واحد في كلا الطريقتين.حيث يستخدم كربون فحم الكوك لينزع الأكسجين من أكسيد الحديد. هذا يعني أنه لا بد من استخدام فحم الكوك في كلا الطريقتين للاختزال أكاسيد الحديد الموجودة بالخام.

اعلى الدول المنتجة للحديد الخام

بلغ إجمالي الإنتاج العالمي في عام 2020 حوالي 2.4 مليار طن ، وفقًا لبيانات من هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية ، وهو انخفاض طفيف مقارنة بالعام السابق.

تعد أستراليا والبرازيل من بين أكبر منتجي مناجم الحديد الخام في العالم،اكبرهم هي استراليا حيث بلغ انتاجها اكثر من 900 مليون طن متري من خام الحديد عام 2021 حوالي 37.5٪ من إجمالي الإنتاج العالمي،بينما تليها البرازيل بثاني انتاج يبلغ حوالي 380 مليون طن متري ،وبعدهم مباشرة دولة الصين بإنتاج بلغ 240 مليون طن متري. وبناءً على ذلك ، فإن احتياطيات خام الحديد هي الأعلى في أستراليا ، حيث تبلغ 51 مليار طن متري من خام الخام،ويقع أكثر من 90 في المائة من مناجم استخراج الحديد في غرب أستراليا.