الصناعات الثقيلة استخراج الحديد

استخراج الحديد

في هذه الورقة التفسيرية نتعلم كيفية استخراج الحديد من خام من الفرن.

يمكن القول إن تعدين الحديد هو واحد من أهم العمليات الصناعية في العالم. يستخدم الحديد لصنع الصلب، وهو أمر مهم جدا لبناء مركبات النقل والمباني الكبيرة. إذا لم نتمكن من استخراج الحديد المعدني من خام الحديد، قد لا يعمل المجتمع الحديث بشكل طبيعي.

معظم مصانع الصلب لديها فرن واحد على الأقل قادرة على إنتاج الحديد المنصهر من مناجم الحديد غير المكررة. في هذا المصنع، يتم إنتاج الحديد المنصهر وتحويله إلى سبائك الصلب من خلال العملية الأساسية لإنتاج الصلب الأكسجين.   

عادة ما يتم تقديم مصانع الصلب كوسيلة ممتازة للنقل لأنها تستهلك باستمرار كميات كبيرة من الوقود والمواد الخام. يقع المصنع عادة بالقرب من الساحل والطرق والسكك الحديدية. كما أنها بعيدة إلى حد ما عن المساحات الحضرية، فإنها يمكن أن تسبب الكثير من الضوضاء والتلوث.

مصانع الصلب هي أنظمة معقدة للغاية تتكون من أنواع مختلفة من المعدات الثقيلة والمباني الكبيرة. يبين الشكل التالي بعض أهم أجزاء معظم مصانع المعادن.

تظهر الصورة في أقصى اليسار مبنى مزود بفرن. يتم إنتاج فحم الكوك في فرن فحم الكوك ومن ثم تستخدم جنبا إلى جنب مع الحجر الجيري لاستخراج الحديد من خام في الفرن.

فحم الكوك هو شكل من أشكال الكربون النقي تقريبا مصنوعة من الفحم. وهي مصنوعة من تسخين الفحم في درجات حرارة عالية في فرن فحم الكوك. وعادة ما يتم تسخين هذه        الصخور الغازية إلى درجات حرارة 1000 ∘ C - 1100 ∘ C، وأحيانا تصل إلى 2000 ∘   C. تتبخر هذه العملية أو تتحلل المواد العضوية غير المرغوب فيها من الفحم وتزيل المركبات المتطايرة مثل الماء.  وتتكون المخلفات (غير الثورية) عملية التحلل هذه أساسا من ذرات الكربون.  

مثال 1: تحديد تركيبات فحم الكوك الفرن

أي من المواد التالية تشارك في التفاعل الأساسي للفرن؟

A.    مياه الصرف الصحي الغازية

B.    الحجر الجيري

C.     حلاب

D.    كربون

E.     خام الحديد

جواب

يسرد هذا السؤال العديد من المواد المختلفة المشاركة في استخراج الحديد. يتم استخراج الحديد من الفرن، وهو برج كبير من الصلب 40 مترا. والنفايات السائلة الغازية المنتجة في هذه العملية هي ثاني أكسيد الكربون ومواد النترات، التي لا تعرف باسم الكولا.

الحجر الجيري هو جزء من فيليه المستخدمة لاستخراج الحديد من خام. يتكون الحجر الجيري بشكل رئيسي من كربونات الكالسيوم ولا يسمى كولا.   عندما ينهار كربونات الكالسيوم بسبب الحرارة العالية للفرن، يتفاعل مع الشوائب الرملية لتشكيل ما يسمى الخبث.

يتم تزويد الكربون في شكل فحم لمصانع الصلب ويجب تسخينه إلى درجات حرارة عالية في الفرن من أجل تشكيل حشوة قبل خلط الحجر الجيري وخام الحديد يسمى الأورام الدموية.   يزيل بعض الشوائب من الفحم ويشكل مادة تسمى الكولا.   إذا الجواب هو D  

يمكن عادة الحصول على الحديد المعدني من خام الورم الدموي الذي يحتوي على أكسيد الحديد (III) (FeO 23).   وبما أن الخام عادة ما يكون الأمثل لإشعال قطع صغيرة من الخام المضغوط معا، فإنه يمكن وضعها في الفرن ويجب معالجتها قبل أن يمكن معالجتها.   تتم معالجة الهيماتيت عن طريق معالجة المعادن أو التمعدن.  

الخطوة الأولى هي سحق، حيث يتم تخفيض عادة قطع كبيرة من خام إلى أحجام أصغر. يبين الشكل التالي كيف يمكن تقليل حجر كبير إلى حجر صغير مع طاحونة الفك.  

ثم تستخدم عمليات مختلفة لإنتاج شكل أكثر تركيزا من الحديد المعدني من قطع صغيرة من خام الحديد. تركيز الحديد المعدني عادة ما يزيد عند إزالة الشوائب من قبل مختلف تقنيات الفصل المغناطيسي والكهربائي.

تتم إزالة الملوثات الكيميائية أثناء معالجة الخام من خلال عملية تسمى التحميص. التحميص هو عملية تسخين خام يحتوي على المعادن في درجات حرارة عالية في غرفة أو فرن مقوى. يمكن لهذه العملية إزالة جزيئات الماء من مجمعات أكسيد رطب وتحويل المواد الكيميائية غير المرغوب فيها إلى مواد كيميائية أكثر مرغوبا فيه. توضح المعادلة التالية كيف يمكن لعملية التحميص تحويل كربونات الحديد غير المرغوب فيها (FeCO3) إلى أكسيد الحديد (II) الأكثر فائدة (FeO): FeO()()()())+CO()32 ssg

المعادلة الكيميائية التالية تبين كيف أن عملية التحميص تحويل جزيئات أكسيد الحديد مفيدة إلى مركبات أكسيدالحديد أكثر إثارة للاهتمام (III): 2FeO () +O () feO () sgs 12223

تظهر المعادلة الكيميائية التالية كيف يمكن استخدام عملية التحميص لاستخراج جزيئات الماء من مجمعات أكسيد الحديد الرطب (III): 2FeO3HO ()2FeO (+3HO ()232232⋅

تتأكسد الملوثات الأخرى، مثل الكبريت والفوسفور، أثناء التحميص. تظهر المعادلة التالية كيف يمكن أكسدة الكبريت وثاني أكسيد الكبريت أثناء التحميص:S () +O () SO () sgg22

تظهر المعادلة التالية كيف يمكن تأكسد الفوسفوريت في مركب إنتانوكسي أثناءالتحميص: 4P () +5O () PO () sgs2410

عندما تتم إزالة الشوائب من الخام، خام الحديد المصنعة يمزج الحجر الجيري والكولا في السرير المغرس. يستخدم هذا السرير العريس لضغط خام الحديد والحجر الجيري والكولا في كتل صلبة.   عادة ما يتم ضغط المواد الصلبة السائبة في المواد الصلبة عند تسخينها بواسطة الموقد.  

عملية التلبيد يسمح لمزيج حتى من خام الحديد والحجر الجيري والكولا.    وهذا يضمن أيضا أن المواد المغرضة هي الحجم والهيكل المناسب للفرن.  الأسرة المغربية لديها مساحة كبيرة من السطح، عملية   التلبيد سريعة جدا.   تظهر الصورة التالية كيف يمكن استخدام الأسرة المغرضة لتغيير خصائص خلطات الصخور والمساحيق.

ويسمى خليط من خام الحديد والكولا والحجر الجيري شرائح. هذا الحمل يسافر إلى نهاية الفرن على الحزام الناقل. يوضح الشكل التالي كيفية استخدام الأحزمة الناقلة لنقل مخاليط التحميل إلى نهاية القرن. هذا الحزام الناقل يعمل طوال اليوم وبين عشية وضحاها ويحمل باستمرار الأحمال في الفرن.

المثال 2: تحديد المواد الخام اللازمة لإنتاج الحديد

ما هي المواد الخام اللازمة لعملية إنتاج الحديد الرئيسية في الأفران؟

A.    الهيماتيت والحجر الجيري

B.    البوكسيت والحجر الجيري

C.     الهيماتيت والجير

D.    البوكسيت وفحم الكوك

E.     الهيماتيت والماء

جواب

هذا السؤال يطلب منك الاختيار من بين عدد من المواد الخام اللازمة لعملية استخراج الحديد الرئيسية في الفرن.

من بين الخيارات المختلفة المتاحة، لدينا ست مركبات كيميائية. أثناء التشغيل، يتم تزويد الفرن باستمرار عن طريق الحمل. هذه الحشو هي مزيج من مختلف المواد الخام والمواد الكيميائية المجهزة اللازمة لرد فعل الفرن.

أول من المواد الثلاث اللازمة لملء هو خام المعادن الأساسية. حول هذا السؤال، يمكننا الاختيار من بين ثلاثة ركائز معدنية: جلطات الدم، bauxite والحجر الجيري.    الهيماتيت هو خام الحديد، والبوكسيت هو خام الألومنيوم، والحجر الجيري هو خام الكالسيوم.   لأن الأفران تستخدم لاستخراج الحديد، ونحن مهتمون في الإجابات A، C وE، وكلها تشمل الأورام الدموية.  

الهيماتيت هو خام الحديد الذي يحتوي على العديد من الشوائب الرملية. في الأفران، تتم إزالة هذه الشوائب الرملية بواسطة أكسيد الكالسيوم، الذي يتكون داخل الفرن من خلال تحلل كربونات الكالسيوم.   يتم توفير كربونات الكالسيوم هذه في شكل حجر جيري، وبالتالي فإن الجواب هو A.  

الفرن هو برج من الصلب اصطف مع الطوب المقاوم للحرارة. هذا الفرن هو هيكل طويل القامة جدا يصل إلى 60 مترا.  يدخل الحمل الفرن في الجزء العلوي من البرج، ويطير الهواء الساخن من الأسفل إلى الفرن.  

يتم تنفيذ التفاعلات الكيميائية المتعددة في وقت واحد في الفرن. وسوف ندرس ردود الفعل هذه في ترتيب زمني معقول فهم أفضل لعملية استخراج الحديد.   وسوف تناقش ردود الفعل واحدا تلو الآخر، وسوف تتعلم كيفية تحويل المواد المتفاعلة شغلها إلى منتجات ثانوية من الحديد المنصهر والسلاغرا.  

يتم حرق فحم الكوك لأول مرة مع الهواء الساخن (الأكسجين)لإنتاج ثاني أكسيد الكربون والطاقة الحرارية.   رد فعل الاحتراق هذا مشابه جدا وينبعث منه الكثير من الطاقة الحرارية.  هذا التفاعل يزيد من درجة حرارة الفرن في الجزء السفلي، حيث يطير الهواء (الأكسجين)من الخارج. تمثل المعادلة التالية هذه الاستجابة:C () +O () CO () ++heat 22

في هذه الحالة، ومع ذلك، يتفاعل جزيء ثاني أكسيد الكربون مع فحم الكوك لإنتاجأول أكسيد الكربون: C () +CO ()2CO () sgg2

يتم تحديد تكنولوجيا استخراج المعادن من خلال التفاعل من المعدن نفسه. على سبيل المثال، يجب استخراج المعادن عالية التفاعل مثل الألومنيوم من مصدر الضوء بواسطة الشوارد.   بالنسبة للمعادن ذات الكربون الأقل تفاعلا، يمكن استخراجها معتقليل.  وهذا أمر مرغوب فيه لأن الكربون في شكل فحم هو مورد غني نسبيا.  

عنصر	رمز	كيفية استخراج
بوتاسيوم	K	التحليل الكهربائي
صوديوم	حسنا
كالسيوم	كاليفورنيا
مغنيسيوم	ملغ
الومينيوم	لي
كربون	C
خارصين	الزنك	استخدام ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون
حديد	في
نحاس	مكعب	استخدام الكربون أو طرق أخرى

غاز أول أكسيد الكربون بمثابة المخفض أثناء مروره عبر الفرن. جزيئات أول أكسيد الكربون تقلل بشكل رئيسي من جزيئات أكسيد الحديد الموجودة في الجزء الأوسط والعلوي من الفرن. التفاعل الكيميائي هو: FeO () +3CO ()2Fe () +3CO () +3CO ()()232 glg

الحديد المنصهر يتدفق إلى الفرن ويتراكم في الجزء السفلي من البرج.

المثال 3: اختيار التركيب للحد من أكاسيد الحديد (III) في الأفران

أي من المواد التالية في الفرن يقلل من خام الحديد؟

A.    HO2

B.    O2

C.     ثاني أكسيد الكربون

D.    شركة

E.     كاكاو 3

جواب

يمكن تعريف الأكسدة والحد بطرق مختلفة. واحد منهم هو تعريف الحد من فقدان الأكسجين. في الأفران، يتم تقليل أكاسيد الحديد (III) إلى الحديد المعدني. أول أكسيد الكربون، الذي يتكون في الهواء أثناء التفاعل بين الكولا والأوكسجين، يتفاعل مع الحديد (III) أكسيد الحديد لتشكيل الحديد المعدن المنصهر وثاني أكسيد الكربون الغازي. إذا الجواب هو D

ولا تزال هناك شوائب كبيرة تحتاج إلى إزالتها من ركاز الحديد في هذه العملية. هذا الملوث هو الرمل ويمكن اعتباره ثاني أكسيد السيليكون (SiO2).

وبما أن خليط الشحنة يحتوي على الحجر الجيري، يمكن استخراج ثاني أكسيد السيليكون من الفرن. يتكون الحجر الجيري بشكل رئيسي من كربونات الكالسيوم (CaCO3)، والتي تنقسم إلى أكسيد الكالسيوم (CaO) و جزيئات ثاني أكسيد الكربون في درجات حرارة عالية. درجة الحرارة التي تم التوصل إليها من قبل الانفجار عالية بما يكفي لتتحلل حراريا الحجر الجيري وفقا للمعادلة الكيميائية CaCO () CaO () +CO()32 sg.

جزيئات أكسيد الكالسيوم تتفاعل مع الشوائب الرملية، والتي تنتج المنتجات الثانوية والخبث.     يتكون الخبث بشكل رئيسي من جزيئات سيليكات الكالسيوم (CaSiO3).     تمثل المعادلة التالية هذه العملية: CaSiO()CaSiO()sgs 23

مثال 4: شرح استخدام الحجر الجيري في الأفران

ما هو الغرض من إضافة الحجر الجيري إلى الفرن؟

A.   الحجر الجيري متحللة ونتاج هذا التفاعل يحول الشوائب إلى خبث.

B.    تتحلل الحجر الجيري عن طريق تسخين الفرن (رد فعل طارد للحرارة).

C.     الحجر الجيري يقلل من خام الحديد إلى خام الحديد.

D.    يساهم الحجر الجيري في الغلة الإجمالية، لأنه يحتوي على شوائب من الحديد المعدني.

E.     الحجر الجيري هو مصدر الأكسجين اللازمة للرد مع فحم الكوك.

جواب

هذا السؤال يطلب منا أن نختار تفسيرا لغرض إضافة الحجر الجيري إلى الفرن. يتكون الحجر الجيري بشكل رئيسي من كربونات الكالسيوم. عندما يضاف الحجر الجيري إلى الفرن، يتم تقسيم كربونات الكالسيوم إلى أكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد الكربون.

يتفاعل أكسيد الكالسيوم مع ثاني أكسيد الهيدروجين في مخاليط الشحن. هذا السيليكون هو في شكل شوائب الرمل الموجودة في خام الورم الدموي.   مع هذه المعلومات، سترى على الأرجح أن الإجابة هي A، ولكنك بالتأكيد ستزيل خيارات أخرى.  

الإجابة بتشير إلى أن التحلل هو استجابة غير ديناميكية. ومع ذلك، فإن استجابة التحلل هي إلى حد ما أكثر أو أقل.  في الأفران، يتم تقليل خام الحديد إلى الحديد بأول أكسيد الكربون، والقضاء على رد فعل C.   

كما ذكر سابقا، الحجر الجيري هو شكل من أشكال كربونات الكالسيوم ولا يحتوي على الحديد. أثناء التحلل، يرتبط الأكسجين إلى الحجر الجيري بذرات الكالسيوم والكربون ولا يمكنه التفاعل بحرية مع فحم الكوك، مما يزيل بلورات D و E.     كما كنا نظن في البداية، الجواب هو   A.

الخبث يتدفق إلى برج الفرن ويشكل طبقة على سطح الحديد الذائب. يتم تقليل بعض ثاني أكسيد الكربون من تحلل الحجر الجيري والحد من خام الحديد عن طريق فحم الكوك لجزيئات أول أكسيد الكربون.   ومع ذلك، فإن معظم ثاني أكسيد الكربون والنتريت الغازي هي مياه الصرف الصحي للغاز، وترك الفرن من خلال البرج.  

تظهر هذه التفاعلات الكيميائية في الرسوم التوضيحية التالية، وكذلك أمثلة على بنية الفرن. هذه الصورة هي صورة مبسطة جدا من نوع واحد من الفرن من بين أمور أخرى.   من المهم أن نعرف أن الأفران المختلفة يمكن أن تعمل في درجات حرارة مختلفة قليلا.

يتم إفراغ كل فرن 10 إلى 20 مرة في اليوم لإزالة الحديد الذائب والخبث من القاعدة. هذا الخبث غير مفيد لرد الفعل هذا، ولكن لا تتم إزالته لأنه يستخدم مجاميع للأسمنت وبناء الطرق.

الحديد مباشرة من الفرن يسمى الحديد الخنزير يحتوي على الكربون 2٪ -5٪وأنواع أخرى من الشوائب، لذلك هو بالأحرى البريطانية.   يتم وضع بعض من الحديد الخنزير في القالب لجعل ما يسمى الحديد الزهر. يستخدم الحديد الزهر أساسا لصنع الأواني، ويغطي فتحة، وكتل المحرك والأسوار.  يتم تحويل بقية الحديد الخنزير إلى الصلب، لأن الصلب هو عموما أكثر صعوبة وعموما أكثر فائدة من الحديد.  

الإنتاج العالمي ركاز الحديد

الإنتاج العالمي ركاز الحديد

 

2,206,000,000طن

خام الحديد الملغوم/السنة

 

ملاحظة   إلى >: عندما يمثل إنتاج الخام "نوعية مماثلة"، من المفهوم أن محتوى الحديد من الخام هو نفس حجم المتوسط العالمي من 63-64٪.    

خام الحديد

الحديد، جنبا إلى جنب مع عناصر أخرى، هو معدن قاعدة وجدت في القشرة الأرضية. خام الحديد يحتوي على الحديد وتوجد   عادة في شكل أكاسيد مثل البوكسيت.   خام الحديد له محتوى الحديد متغير.  ولكن كن حذرا، ويعتبر كل خام الحديد الحديد الصخري.   

المركز الرابع

ربما يكون الحديد هو أغنى عنصر على وجه الأرض، أو^{على الأقل} مماثل للأوكسجين، لكنه ^رابع أكثر العناصر وفرة في قشرة الأرض. يتم سحق الخام وسحقه ثم تحويله إلى 65٪ من الحديد المركز بطرق الجاذبية والتركيز المغناطيسي.

 

وتستخدم المعادن الحديدية عندما تكون الصخور غنية بما يكفي لاستخراجها اقتصاديا. توفر المعادن الحديدية الحديد المعدني (Fe) عند تسخينها في وجود عوامل تقليل مثل فحم الكوك.     ويتكون خام الحديد عادة من أكسيد الحديد والكربونات.  

 

يستخدم خام الحديد بشكل رئيسي في إنتاج الصلب (98٪)، وهي مادة قابلة لإعادة التدوير بالكامل.

وظل استهلاك ركاز الحديد مستقرا نسبيا في التسعينات، ولكنه انفجر منذ نمو صناعة الصلب الصينية، التي تنتج ثلث الصلب في   العالم.

 

70سنة

في عام 2008، تشير التقديرات إلى أنه لا يزال هناك 78 عاما من احتياطيات ركاز الحديد العالمية (معدل الاستغلال الحالي) أو حوالي 70 عاما حتى الآن، مع وصول احتياطيات ركاز الحديد العالمية إلى 170.4مليار طن في عام2017.   

مكتب إنتاج ركاز الحديد

 

ولا يمثل سوى المنتجين الخمسة الأكثر أهمية 80٪من الإنتاج العالمي.

40

ولا ينتج سوى نحو 40 بلدا في جميع أنحاء العالم ركاز الحديد.  

 

 

كبار منتجي ركاز الحديد في عام 2017(مليون طن):

- أستراليا:39.8٪ (879 Mt)

- البرازيل:19.8٪ (436 مت)

- الصين:8.6٪ (191 مت)

- الهند:7٪ (154 Mt)

- روسيا:4.6٪ (101 Mt)

- أوكرانيا:3.3٪ (73 جبال)  

- جنوب أفريقيا:3.2٪ (69 مت)

- إيران:2.6٪ (57 جبل)

- كندا:2.2٪ (49 Mt)

- الولايات المتحدة الأمريكية:2٪ (44 جبل)

- السويد:1.2٪ (27Mt)

- كازاخستان:0.6٪ (13 جبال)  

- البلدان الأخرى:5.1٪ (113 جبال)  

 

 

انخفض إنتاج ركاز الحديد للمرة الأولى منذ سبع سنوات في عام 2009، ولكن التجارة في هذه السلع زادت في العام الماضي، مدفوعا بالطلب الصيني، وفقا لتقرير بعنوان سوق خام الحديد في 2009-2011.  

 

10- ووفقا لتقرير الصندوق الاستئماني للأونكتاد:   

وانخفض الإنتاج العالمي من ركاز الحديد بنسبة 6.2 في المائة إلى 1.588مليار طن في عام 2009، وفقا للتقرير.  وقد انخفض الإنتاج في معظم البلدان، مع بعض الاستثناءات الملحوظة مثل أستراليا وجنوب   أفريقيا.

وعلى الرغم من الركود العالمي، وصلت تجارة ركاز الحديد إلى أعلى مستوى لها على الإطلاق عند 955 مليون طن في عام 2009، بزيادة 7.4٪    على سبيل المثال.    ويعزى هذا الارتفاع إلى زيادة الواردات الصينية، التي زادت مع زيادة الطلب إلى جانب انخفاض الإنتاج المحلي الصيني.  

أستراليا هي أكبر مصدر لخام الحديد، حيث قامت بتصدير 363   مليون طن في عام 2009، بزيادة قدرها 17٪.   وانخفضت صادرات البرازيل بنسبة 3 في المائة إلى 26 مليون طن.    وجاءت الهند    في المركز الثالث بـ 116 مليون طن.   وتشير التقديرات إلى أن التجارة البحرية في ركاز الحديد قد زادت بنسبة 11٪ إلى 890 مليون طن في عام 2009.   والصين هي أكبر مستورد لركاز الحديد إلى حد بعيد، حيث تستأثر بثلث    واردات العالم.    وعلى الرغم من الركود، ارتفع استهلاك الخام بنسبة 41٪ إلى 628مليون طن في عام 2009.

65%

ويوفر خام الحديد في البرازيل وأستراليا ما بين 65 و66في المائة من الحديد بعد التركيز أو بدونه، مقارنة بنسبة 30 في المائة للركاز الصيني.