كيف يتم انتاج الحديد صناعيا؟ ولصنع معدن صالح للاستخدام وإنتاج الحديد، يجب إزالة شوائب خام الحديد في مصنع الحديد. حيث حول الحديد إلى معدن أنقى قدر الإمكان مع احتفاظه بخصائصه. الحديد عنصر معدني (رمز الجدول الدوري: Fe) ذو درجة انصهار تبلغ 1150 درجة مئوية. هذا العنصر هو العنصر الرابع الأكثر وفرة في القشرة الأرضية. تم العثور على الشكل الأساسي لهذا العنصر كخام الحديد بدلاً من المعدن القابل للاستخدام. خام الحديد له أشكال مختلفة ويشبه الحجر وهو عبارة عن مزيج من الحديد والأكسجين وعناصر أخرى.
استخراج الحديد
الحديد هو أحد العناصر الأكثر شيوعًا. في الأساس، يتم استخراج الحديد من خام الهيماتيت، والذي يتكون بشكل رئيسي من “Fe2O3”. ويتم فصل هذا المعدن باستخدام الكربون وهو عنصر تفاعلي، وتتم هذه العملية في أفران عالية عند درجة حرارة 2000 درجة مئوية. كما تعلم، يعد الحديد من أكثر المعادن شيوعًا والتي لها استخدامات مختلفة في الصناعات المختلفة. من البناء وتشييد الجسور إلى صناعة السيارات وبناء السفن وما إلى ذلك، جميعها تحتاج إلى الحديد.
انتاج الحديد صناعيا
إن إنتاج الحديد صناعيًا يتم عن طريق عملية تسمى صهر وتكرير خام الحديد. يتم تشكيل الحديد النقي إلى منتجات نهائية مختلفة باستخدام تقنيات التشكيل المعروفة مثل الصب والتزوير والتشكيل بالضغط. بعد ذلك، يتم تصفيح أو تلميع المنتجات للحصول على المظهر والخواص المطلوبة.
يجب الأخذ في الاعتبار أن عملية إنتاج الحديد تختلف قليلاً باختلاف طرق الصهر والتكرير المستخدمة. قد يتم استخدام تقنيات متقدمة أو تعدين الحديد من الخامات الرديئة باستخدام تقنيات مثل الاستخلاص الهايبريد والتكنولوجيا البيئية.
كيف يتم انتاج الحديد صناعيا؟
يتم انتاج الحديد صناعيًا من خام الحديد، الذي يعتبر أحد الموارد الطبيعية الغنية بهذا المعدن. عملية إنتاج الحديد تشمل عدة خطوات رئيسية، وفيما يلي سأشرحها بشكل موجز:
1. استخراج خام الحديد
يتم استخراج خام الحديد من مناجم تحت الأرض أو من محاجر مكشوفة. وتتنوع أنواع خام الحديد، ولكن الهيماتيت (Fe2O3) والمغنتيت (Fe3O4) هما الأكثر شيوعًا.
2. تحضير الخام
يتم تكسير خام الحديد إلى قطع صغيرة باستخدام الكسارات والطواحين. يتم طحن الخام للحصول على حبيبات أصغر وأكثر تجانسًا.
3. تخصيب الخام
يتم إزالة الشوائب من خام الحديد بواسطة عمليات تخصيب مثل الترشيح والفصل المغناطيسي. يتم استخدام المغناطيسية لفصل الشوائب المغناطيسية عن الحديد.
4. تشكيل الخام
يتم خلط الخام المحضر بمواد أخرى مثل الفحم الحجري أو الكوك لتشكيل خليط يسمى “خام الحديد المختزل”. يتم تسخين الخليط في أفران عالية الحرارة لإزالة الأكسجين واستخلاص الحديد.
5. تحويل الحديد إلى فولاذ
بعد الحصول على الحديد الخام، يتم تحويله إلى فولاذ من خلال إضافة الكربون وعناصر أخرى مثل النيكل والكروم والمنغنيز. يتم ذلك عن طريق تنقية الحديد وإضافة المكونات المطلوبة وإجراء عمليات التشكيل والتشكيل الحراري.
6. تشكيل المنتجات النهائية
يتم تشكيل الفولاذ إلى منتجات نهائية مثل الصفائح المعدنية، والأنابيب، والأسلاك، والقضبان، والأجزاء المعدنية المختلفة وفقًا لاحتياجات الصناعات المختلفة.
هذه هي خطوات عامة تشملها عملية إنتاج الحديد صناعيًا. يجب أن تؤخذ في الاعتبار أن هناك تقنيات وتفاصيل أكثر تعقيدًا تستخدم في عمليات الإنتاج الفعلية، والتي قد تختلف بين المصانع وفقًا للتكنولوجيا والمعدات المستخدمة.
استخراج الحديد
تطورت عملية استخلاص الحديد من مركبات الحديد الطبيعية مع مرور الزمن حتى تم الكشف عن أول فرن لاستخلاص الحديد على طراز اليوم والذي كان يعرف بفرن القناة. يحتوي هذا الفرن على صندوق ناري بأبعاد 75x60x60 سم. ووصل تطور هذه المرحلة إلى إنشاء مصانع كبيرة لاستخراج وصهر الحديد والصلب تبلغ طاقتها عدة ملايين من الأطنان.
خامات الحديد
الخامات التي يستخرج منها الحديد تكون في معظمها على شكل أكاسيد الحديد، مثل الماجنتيت أو الهيماتيت، والتي تكون مصحوبة بشوائب بنسبة 2 إلى 20٪ (مثل السيليكات والألومينات). ويتم فصل هذه الشوائب عن الحديد الموجود في الفرن وتخرج على شكل خبث. يدخل الخام المكرر والمركز إلى الفرن على شكل مسحوق أو حبيبات دقيقة. حجم الجسيمات الأنسب هو بين 6 و 25 ملم. اليوم، لا يستخدم كبريتيد الحديد الطبيعي (البيريت) في استخلاص الحديد، ولكن معظمه يستخدم في حامض الكبريتيك.
تخفيض أكسيد الحديد
تتم صناعة الحديد على مرحلتين؛ استخلاص المواد الخام وتجديد أكسيد الحديد. الأفران العالية هي هياكل هندسية تكون على شكل أسطوانة فولاذية يصل ارتفاعها إلى 30 مترًا ومغطاة بطوب خاص يتحمل درجات الحرارة العالية جدًا. تعمل هذه الأفران بشكل متواصل لمدة 15 سنة عند ضغط 5 أجواء ودرجة حرارة داخلية تزيد عن 2000 كلفن. ويمكن لهذه الأفران إنتاج 10.000 طن من الحديد المنصهر يوميًا، والتي تصل إلى 50 مليون طن خلال عمرها الافتراضي.
كيف يتم إنتاج الحديد؟
تنتج المصانع الحديد المنصهر ثم تحوله إلى منتجات سبائك الصلب من خلال عملية صناعة الحديد. يمكن لمصنع الصلب إنتاج سبائك الصلب من المواد الخام مثل خام الحديد وخام الفحم. الحديد الأبيض هو أحد المنتجات التي يتم إنتاجها في عملية استخلاص الحديد ومعالجته. تمتلك مصانع تصنيع الحديد عادةً خطوط نقل ممتازة. لأنها تحتاج باستمرار لكميات كبيرة من الوقود والمواد الأولية.
وتقع هذه المصانع عادة بالقرب من الشواطئ والطرق وخطوط السكك الحديدية. كما أنها تقع عادة بعيدًا عن المدن الحضرية. لأنه قد يسبب الكثير من الضوضاء والتلوث. تعد مصانع الحديد والصلب أنظمة معقدة للغاية تتكون من أنواع مختلفة من الآلات والمباني الضخمة. يوضح الشكل أدناه بعض الأجزاء الأكثر أهمية في معظم مصانع تصنيع المعادن.
الحديد المنتج في الفرن العالي
حديد الفرن العالي ليس نقيًا ويحتوي على حوالي 4% شوائب (96% حديد، 4% شوائب). الشوائب الموجودة تجعل الحديد هشًا؛ وهذا يعني أنه يتشقق بسهولة عند الانحناء. ولذلك فإن هذا النوع من المعدن سيكون له استخدام محدود.
في عملية إنتاج الحديد، يتم تحويل معظم الحديد المنتج إلى فولاذ. الفولاذ عبارة عن سبائك تتكون من الحديد والكربون وعناصر حديدية أخرى بنسبة وجرعة صحيحة ومضبوطة. على الرغم من أن معظم حديد الفرن العالي يتحول إلى فولاذ، إلا أن بعضًا منه يستخدم كحديد خام.
أهمية الحديد في الصناعة
ما هي أهمية الحديد في الصناعة؟ الحديد يعتبر معدنًا ذو أهمية كبيرة في الصناعة وذلك للأسباب التالية:
1. القوة الهيكلية والمتانة
يتمتع الحديد بخصائص ميكانيكية ممتازة تجعله قويًا ومتينًا. هذه الصفات تجعل الحديد المادة المثلى للاستخدام في البناء والهياكل المعدنية كالجسور والمباني.
2. التوصيل الحراري والكهربائي
يتمتع الحديد بقدرة عالية على توصيل الحرارة والكهرباء. هذه الخاصية تجعله مادة مثالية للاستخدام في تطبيقات مثل الأسلاك الكهربائية وأنظمة التدفئة والتبريد.
3. القدرة على التشكيل
يمكن تشكيل الحديد بسهولة إلى شكل مختلف وتصميمات معقدة. يتيح ذلك استخدامه في صناعات التشكيل المعدني مثل صناعة السيارات والطائرات والأجهزة المنزلية.
4. الاستدامة وإعادة التدوير
يمكن إعادة تدوير الحديد بشكل فعال واستخدامه مرة أخرى في عملية الإنتاج. هذا يسهم في الاستدامة البيئية وتقليل استخدام الموارد الطبيعية.
5. الاستخدامات المتعددة
يستخدم الحديد في مجموعة واسعة من الصناعات مثل صناعة السيارات، والبناء، والطاقة، والأجهزة المنزلية، وصناعة السفن، والسكك الحديدية، والآلات الثقيلة. وبالتالي، يلعب الحديد دورًا حيويًا في تطور الاقتصاد والصناعة.
بشكل عام، يمكن القول إن الحديد هو أحد العناصر الأساسية في الصناعة والتقنية، ويسهم بشكل كبير في تطوير المجتمعات وتحسين جودة الحياة.
