خام الحديد أو تراب الحديد هو ما يصنع منه الحديد، يستخرج من الصخور ويوضع في فرن ذو درجة حرارة عالية كي يصهر، فيصفى المعدن من التراب. كذلك أيضًا يصفي كل معدن من ترابه ما عدا الألومنيوم.[1]
المنتجون
هذه قائمة لمنتجي تراب الحديد (بحسب خدمة الجيولوجيا الأمريكية US Geologic Survey[1])
| الدولة | الإنتاج بملايين الأطنان المترية (سنة 2006) |
|---|---|
| الصين | 520 |
| أستراليا | 270 |
| البرازيل | 250 |
| الهند | 150 |
| روسيا | 105 |
| أكرانيا | 73 |
| الولايات المتحدة | 54 |
| جنوب أفريقيا | 40 |
| إيران | 35 |
| كندا | 33 |
| السودان | 24 |
| فنزويلا | 20 |
| كازاخستان | 15 |
| موريتانيا | 11 |
| دول أخرى | 43 |
| المجموع | 1690 |
أنواع خامات الحديد
- الهيماتيتhématite:
وهو عبارة عن اكسيد الحديد Fe2O3 الذي يحتوي على نسبة 70% من الحديد . ويوجد في ألوان متعددة تتراوح ما بين الأحمر إلى اللون الرمادي أو الأسود - حسب ما يوجد به من شوائب - ويوجد في احجام مختلفة ما بين كتل ضخمة إلى مسحوق.
- الماجينيت:magénite
خام الحديد، رمزه الكيميائي Fe3O4و يحتوي على نسبة 72,4%من الحديد، لونه أسود ذو بريق ولمعان كما يعد من أنقى خامات الحديد وهو ذو مغناطيسية عالية.
- الليمونيت :
خام الحديد، رمزه الكيميائي 2Fe2O3H2O حيث يحتوي على نسبة تتراوح بين 40% إلى 50% من الحديد ونسبة 10% من الماء. يميل لونه إلى الأصفر البني أو يكون مخططا باللون الأحمر.
كيفية إنتاج الحديد
تتم صناعة الحديد باستخدام:
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. والوقود الأولي فيه هو الفحم وإنتاج الفولاذ من خام الحديد تتم في عمليتين متتاليتين مختلفتين:حيث يجري العمل بحقن حبيبات خام الحديد الناعم عن قمة الفرن بالإضافة إلى نشارة الفحم، والحجرالجيري والأكسجين ويؤدي ذلك إلى الصهر الومضي مع اختزال جزئي لخام الحديد الذي يكون في صورة معلقة مع بقية الشحنة. ثم يلي ذلك صهر واختزال كلي للخام في الجزء الأسفل من المفاعل. والاضافات الجديدة في هذه الطريقة لإنتاج الفولاذهي:
- استخدام فرن واحد بدلا من فرنين وانجاز العمل بدون الحاجة إلى نقل منتجات المرحلة الأولى المفاعلات المرحة التالية.
- استخدام الطاقة بطريقة مثالية حيث ان الحرارة الزائدة المنطلقة من احتراق الفحم في القطاع العلوي يستفاد بها في توليد الطاقة الكهربائية يستخدم لإنتاج الفولاذ في الجزء الأسفل.