تعليم

من أين يستخرج الحديد

مصدر الحديد في الأرض

قال تعالى: ﴿وَأَنْزَلْنَا الْحَدِيدَ فِيهِ بَأْسٌ شَدِيدٌ وَمَنَافِعُ لِلنَّاسِ وَلِيَعْلَمَ اللهُ مَنْ يَنْصُرُهُ وَرُسُلَهُ بِالْغَيْبِ إِنَّ اللهَ قَوِيٌّ عَزِيزٌ﴾ (سورة الحديد: 25). لطالما حيّرت هذه الآية القارئ، فأنزلنا تعني أن الحديد ليس معدنٌ أرضي، ومع تقدم العلم اكتشف أن الطاقة اللازمة لتكون معدن الحديد تحتاج طاقة أكبر من طاقة شمسنا، فطاقة الاندماج النووي في شمسنا بالكاد تنتج عنصر الهيليوم ثاني عناصر الجدول الدوري، لكن حديد الأرض والذي يصل لحوالي أكثر من ألفي مليون مليون مليون طن = 2.145 × 1021 ، لم يتشكل أبداً في الأرض ولا حتى في المجموعة الشمسية وهذا تفسيرٌ منطقي لكلمة ﴿وَأَنْزَلْنَا﴾. الحديد

الحديد

هو أحد عناصر الجدول الدوري، بالتحديد في المجموعة الثامنة والدورة الرابعة ويصنف من الفلزات تحديداً،ورمزه (Fe) وهو آتٍ من اللاتينية (ferrum)، وكما ذكرت من قبل يتواجد بكميات هائلة في الكرة الأرضية، وهو من أقد المواد التي استخدمها الإنسان، ولا يزال حتى اليوم الأكثر استخداماً، وهو يمتاز بقدرة المغناطيس على جذبه.

مصدر الحديد

ممّا سبق فالحديد ليس معدناً أرضياً، ومن فحص المعادن في النيازك الحديثة توصل العلماء لإثبات أن الحديد معدن لا أرضي بل ولا شمسي أي أنه تشكل خارج المجموعة الشمسية، وعند فحص النيازك الواصلة إلى الأرض توصلوا إلى أن 90% من كتلة النيزك هي من الحديد، يأتي الحديد من جوف النجوم العملاقة (المستعر الأعظم) عند نهاية دورة حياتها، وبعملية احتراق السيليكون. عندما تندمج نواة ذرة الكالسيوم المستقرة ونواة ذرة الهليوم، ليتكون في البداية عنصر التيتانيوم غير المستقرة. ثم يندمج مع ذرة من الهليوم، ليتكون الكروم غير المستقرة. ثم بالخطوة التالية وقبل تحلل ذرة الكروم غير المستقرة تتحد مع ذرة الهليوم مرة أخرى، لتكوين في هذه المرة ذرة الحديد لكن غير المستقر، وقبل أن تتحلل ذرة الحديد غير المستقرة، تتحد مع ذرة هليوم أخرى، لتكوين ذرة نيكل غير مستقرة، والآن تتحلل ذرة النيكل غير المستقرة لذرة من الكوبالت غير المستقرة، وهمت يتحلل الكوبالت إلى ذرة الحديد المستقرة Fe56. ولأنها مستقرة لا تقبل الاندماج مع أي عنصر آخر، فيشكل الحديد بذلك قلب النجم، ويبدأ النجم عندئذ بالتجمد ويتجه للاستقرار. ولك أن تتخيل كم يحتاج كل تفاعل من هذه التفاعلات من طاقة.

طريقة استخراج الحديد قديماً

كيف يستخرج الحديد قديما

إنّ عمليات استخراج الحديد وتشكيله، تمرّ بعدّة مراحل كالآتي:

  • النسف أو التفجير: لاستخراج الحديد من الأرض، يتمّ تفجير صخور التاكونيت (بالإنجليزية: Taconite) باستخدام المتفجّرات، وذلك لقسوة وصلابة هذا النوع من الصخور، والتاكونيت عبارة عن صخور رسوبيّة حديدة، وهي مجموعة متنوّعة من تشكيلات الحديد.
  • النقل: تُنقل قطع صخور التاكونيت إلى شاحنات التفريغ على مجارف كهربائيّة عملاقة، حيث تستطيع هذه المجارف حمل ما يقارب 85 طناً من الصخور، وتمّ بعد ذلك نقل التاكونيت إلى محطّات المعالجة.
  • السحق: بعد وصول قطع التاكونيت إلى محطات المعالجة، يتمّ هناك سحق وتكسير قطع التاكونيت إلى قطع صغيرة جداً باستخدام آلات تكسير الصخور، وتستمرّ آلات التكسير بسحق التاكونيت، ثمّ يتم خلط مسحوق التاكونيت بالماء في المطاحن، والخلاطات الدورانيّة لفترة من الزمن.
  • الفصل: يتمّ خلال هذه المرحلة فصل معدن الحديد الخام من مسحوق التاكونيت باستخدام المغنطة، أمّا ما تبقى من الصخور في المسحوق فهي مخلّفات.
  • التكوير: في المرحلة ما قبل الأخيرة في تشكيل المعادن، يتم خلالها تكوير وتشكيل مسحوق التاكونيت الذي يحتوي على الحديد والممزوج مع الماء، حيث يتم تشكيل كريات متوسّطة الحجم من مسحوق التاكونيت داخل إسطوانات تدوير ضخمة، ثمّ يتم تجفيف الكريات، وتبريدها لتصبح صلبة.
  • تشكيل الحديد: بعد أن يتم شحن كريات التاكونيت إلى المصانع في مختلف الولايات الأمريكية، يتم هناك تذويب كريات التاكونيت، وتشكيلها لتصبح حديد.

أصل معدن الحديد

مناجم الحديد

«خام الحديد» تلك الحقيقة التي لا يعلمها كثيرون، ولا يرون الحديد إلا بعد صناعته لاستخدامه في الإعمار، أما قبل صناعة الحديد، وماذا كان عليه، ففي منطقة الواحات البحرية وخاصة منجم «الجديدة» الذي يبعد عن القاهرة 320 كيلومترا، تقع تلك المناجم، والتي تقدر طاقتها الإنتاجية من خام الحديد بـ3.3 مليون طن سنويا من خام الحديد، والتي تكفي لإنتاج مليون طن سنويًا، وبها احتياطي استراتيجي من خام الحديد يكفي 15 عامًا.

فالجبال التي تعلوها طبقة صخرية صحراوية، تراها مليئة بثروات الطبيعة وموادها الخام والتي لا تقتصر على كونها “مواد خام” تستخدم في صناعة الحديد فقط، فمنها ما يعد مواد خام صالحة لصناعة الحديد، ومنها خامات الحديد عالية المنجنيز والتي لا تستخدم لما تسببه من أضرار على “الفرن” داخل المصنع، إضافة إلى خام الأكسيد الأخضر “ليمونيت”، وخام الباريت، وخام بيريت، والطفلة الخضراء “جيلوكونيت”.

تلك الطبقات الصخرية والمواد الخام في بطون المناجم، ومنها منجم «الجديدة» بالواحات البحرية، تتنوع خاماتها بين ما يمكن استخدامه في صناعة الحديد وما يستخدم في صناعات أخرى، فمن بين تلك المواد الخام، خام الحديد والذي فيه منه عالي الجودة والذي يستخدم في صناعة الحديد بالفرن الحالي بشركة الحديد والصلب المصرية بحلوان، إضافة إلى خام “بيريت” والمستخدم في صناعة حمض الكبريتيك، وخام “ليمونيت” أكسيد أصفر والمستخدم في صناعة البويات والدهانات، إضافة إلى خام الحديد عالي الشوائب أمثال خام الحديد عالي المنجنيز وخام الحديد عالي الألونيت والمستخدمان في صناعة الأسمنت، وخام الحديد عالي الباريوم، والمستخدم في صناعة سوائل الحفر.

أما المشتقات الأخرى غير خامات الحديد سواء خام الحديد عالي الجودة او خام الحديد عالي الشوائب، فيستخرج من منجم «الجديدة»، فيوجد خام “باريت” والذي يستخدم في سوائل الحفر لمواجهة أي ضغوطات من باطن الأرض خلال عمليات التنقيب على البترول، ويستخدم في صناعة تيل الفرامل، إضافة إلى خام “الجلوكونيت” أو الطفلة الخضراء والتي تستخدم في صناعة السيراميك ومساحيق التجميل.

ومع اقتراب مصر من إنشاء أول مفاعل نووي في منطقة الضبعة فإن منجم «الجديدة» بالواحات البحرية، يستخرج منه خام “باريت” المضاد للإشعاعات النووية، والذي يسهم بصورة كبيرة في تحقيق الأمان من أخطار الإشعاعات النووية، مما يجعل على هذا المنجم مسئولية كبيرة خلال الفترات القادمة لإستخراج كميات كبيرة من خام “باريت” بجانب خامات الحديد المطلوبة سنويا والتي تصل إلى 3.3 مليون طن سنويًا.

استخدامات الحديد

استخدامات الحديد الزهر : يستخدم في صناعة الأدوات التي لا تتعرض للصدمات مثل : أنابيب المياه وأنابيب الغاز.
استخدامات الحديد المطاوع : ويستخدم في صنع المغناطيسيات الكهربائية المؤقتة المستخدمة في الأجهزة الكهربائية، كما يستخدم في قضبان التسليح المستخدمة في البناء.
استخدامات الصلب : يستخدم في صناعة السفن وقضبان سكك الحديد والجسور والسيارات.
يعيب سبائك الحديد والصلب تعرضها بشدة للصدأ، إذا لم تكن محمية بشكل أو بآخر. الطلاء والجلفنة والتخميل والغطاء البلاستيكي هي طرق تستخدم جميعها لحماية الحديد من الصدأ من خلال إبعاد الماء والأكسجين عن سطح المعدن، كما أن هناك طريقة أخرى تستخدم غالباً في حماية أجسام السفن الخارجية وحماية أنابيب نقل النفط وسخانات المياة، وهي باستخدام طريقة القطب المضحى به والذي يضحى به ليتآكل بدلاً من الجسم الأساسي.

كيف يصنع الحديد

طريقة الفرن العالي
يدخل تيار من الهواء الساخن عبر انابيب النفخ الواقعة اسفله حيث يتفاعل الأكسجين مع الفحم الحجري (الكوك) مكونا أول أكسيد الكربون CO.
صعود غاز ساخن عبر شقوق الكوك فيتم اختزال أكاسيد الحديد ، ويتحول أول أكسيد الكربون أثناء اختزال أكاسيد الحديد إلى ثاني أكسيد الكربون.
يغادر الغاز قمة الفرن من المنافذ المتواجدة أعلاه.
يسيل الحديد المصهور والخبث عبر طبقة الكوك نحو الموقد.
نواتج الفرن العالي
الخبث: يحتوي الخبث على كميات قليلة من أكاسيد الحديد، رماد الفحم حيث يستعمل في رصف الطرق وفي صناعة الاسمنت.
الغازات: تنتج هاته الغازات بمعدل 4000م/طن.
حديد التمساح: يحتوي على 5% من الكربون وعلى 93% من الحديد، ولهذا يكون هشا ، لا يتحمل الطرق. ولكن بإعادة صهره تتم صناعة حديد الزهر.
إنتاج الحديد بالاختزال المباشر
لقد حدد تعبير “الاختزال المباشر ” في الوقت الحالي بانه أسلوب اختزال أكاسيد الحديد لإنتاج الحديد منها باستعمال الغازات المختلفة كوسط مختزل وتتم هذه العملية عند درجة حرارة اقل من درجة حرارة الانصهار ، حيث تكون درجة الحرارة بين c°800الى c°900.

وكان يعرف الحديد الناتج من هذه العملية باسم الحديد الاسفنجي ومع نهاية الثمانينات من القرن العشرين وصل إنتاج حديد الاختزال المباشر إلى حوالي 50مليون طن/سنة . ويمكن القول بان العوامل المساعدة على زيادة إنتاج حديد الاختزال ترجع إلى مميزات هذا الأسلوب.

مميزات الاختزال المباشر
تمتاز هذه الطريقة في إنتاج الحديد بمزايا عديدة ومن هذه المزايا التي ساعدت على ازدهار ونمو هذه الطريقة وخاصة في الدول النامية ما ياتي:

لا تحتاج هذه الطريقة إلى الكوك وهذا بدوره أدى إلى كثير من المزايا هي :
تقليل مخاطر اعتماد الصناعة على مادة خام غالية الثمن وغير متوافرة.
عدم توافر الفحم الحجري المناسب لصناعة الكوك في الدول العربية.
ترتبط بصناعة الكوك مشكلات عديدة وخاصة ما يتصل بتلوث البيئة.
إمكانية إنشاء وحدات ذات طاقة إنتاجية صغيرة تكون تكلفة انشائها اقل بكثير من الافران العالية.
هذه التقنية بسيطة وحديثة الدول النامية يسهل استيعابها واستخدامها.
تتوافر في كثير من الدول مصادر الطاقة المطلوبة وعلى وجه التحديد الغاز الطبيعي.
لا تحتاج إلى فترة طويلة لإنشاء الفرن العالي.
الحديد المنتج من هذه العملية خال من الكربون بينما حديد التمساح الناتج من الفرن العالي يحتوي تقريبا على 4% كربون.
إنتاج الحديد بالصهر
لقد ظهرت طرق بديلة لإنتاج الحديد، وبعض هذه العمليات تنتج الفولاذ مباشرة في خطوة واحدة بدلا من إنتاج الحديد الزهر ثم تنقيته لإنتاج الفولاذ.

واهم هذه الطرق ما يعرف باسم الصهر، والاختلاف الأساسي بين الاختزال المباشر والصهر ان الناتج في الحالة الثانية يكون سائلا، بينما في الأولى ينتج الحديد في صورة جامدة . وتتم هاته العملية في فرن الصهر أو قد يكون الصهر والاختزال باستخدام البلازما.

الاختزال وصهر البلازما:
يتضح من خلال الاسم ان هذه العملية تستخدم البلازما الناتجة عن تأين الغازات عند درجة حرارة حوالي 3000 °C ويحدث الصهر والاختزال البلازمي على مرحلتين:

يتم في الخطوة الأولى اختزال خام الحديد جزئيا بنسبة ما بين 50%إلى 60%في غرفتين مكونتين مهدا مميعا، قبل أن يتم خلطها مع الفحم والحجر الجيري ويتحقق ذلك من خلال مولد البلازما في صورة فرن اسطواني مملوء بالكوك.
ويتم في الخطوة الثانية الاختزال النهائي والصهر . وهي وحدة الفرن الاسطواني وهو يشبه إلى حد كبير الاختزال في الفرن العالي . والفرق الأساسي هو وجود مولد البلازما الذي يعمل على تأين الغازات بالقرب من القصبات.
طريقة ارند(Irned):
وتعتبر الطريقة الثانية الحديثة لإنتاج الحديد ثم الفولاذ في المفاعل نفسه بدون الحاجة إلى نقل الحديد المنتج إلى مفاعل آخر. وا%

السابق
فوائد العسل والليمون للوجه
التالي
غاز الفوسفين