البـــــوابـــة
تتم صناعة الحديد باستخدام:
الفرن العالي
طريقة الفرن العالي
يدخل تيار من الهواء الساخن عبر انابيب النفخ الواقعة اسفله حيث يتفاعل الأكسجين مع الكوك مكونا CO
صعود غاز ساخن عبر شقوق الكوك فيتم اختزال أكاسيد الحديد.
يغادر الغاز قمة الفرن من المنافذ المتواجدة أعلاه.
يسيل الحديد المصهور و الخبث 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، ولكن بإعادة صهره حيث يتم صناعة حديد الزهر .
إنتاج الحديد بالاختزال المباشر
لقد حدد تعبير "الاختزال المباشر "في الوقت الحالي بانه اسلوب احتزال اكاسيد الحديد لإنتاج الحديد منها باستعمال الغازات المختلفة كوسط مختزل وتتم هذه العملية عند درجة حرارة اقل من درجة حرارة الانصهار اي من مواد الشحنة حيث تكون درجة حرارة الاختزال فيما بين c°800الى c°900 . وكان يعرف الحديد الناتج من هذه العملية باسم الحديد الاسفنجي ومع نهاية الثمانينات من القرن العشرين وصل إنتاج حديدالاختزال المباشر إلى حوالي 50مليون طن/سنة ،ويمكن القول بان العوامل المساعدة على زيادة إنتاج حديد الاختزال ترجع إلى مميزات هذا الاسلوب .
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 ادى 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 .
امكانية انشاء وحدات ذات طاقة إنتاجية صغيرة تكون تكلفة انشائها اقل بكثير من الافران العالية .
هذه التقنية بسيطة و حديثة الدول النامية يسهل استيعابها و استخدامها.
تتوافر في كثير من الدول مصادر الطاقة المطلوبة وعلى وجه التحديد الغاز الطبيعي.
لا تحتاج إلى فترة طويلة لانشاء الفرن العالي .
الحديد المنتج من هذه العملية خال من الكربون بينما حديد التمساح الناتج من الفرن العالي يحيوي تقريبا4% كربون.
إنتاج الحديد بالصهر
لقد ظهرت طرق بديلة لإنتاج الحديد، وبعض هاته العمليات تنتج الفولاذ مباشرة في خطوة واحدة بدلا من إنتاج الحديد 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 الأوللى ينتج الحديد في صورة جامدة وتتم هاته العملية في فرن الصهر أو قد يكون الصهر و الاختزال باستخدام البلازما.
الاختزال وصهر البلازما:
يتضح من خلال الاسم ان هاته العملية تستخدم البلازما الناتجة عن تاين 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 و الحجر 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 و الفرق الأساسي هو وجود مولد البلازما الذي يعمل بتاين 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 واحد 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.
تصنيع منتجات الحديد
يستخدم أكثر من 90% من الحديد المنتج من الافران العالية في تصنيع الفولاذ و إنتاجه و الكمية الباقية يتم صبها في شكل حديد تمساح (كتل) ثم ينقل إلى وحدات السبك لإنتاج كل من الحديد الزهر والحديد المطاوع.
طرق تصنيع الفولاذ
الفولاذ هو سبيكة من عنصري الحديد والكربون و لا تزيد نسبة الكربون فيها عن 2% ومن أهم طرق صناعة الفولاذ:
فرن القوس الكهربائي .
فرن المجمرة المكشوفة.
اولا:
بأسلوب فرن القوس الكهربائي :
تعتبر صناعة الفولاذ في فرن القوس الكهربائي، من أكثر أساليب الأفران الكهربائية استخدامًا لإنتاج الفولاذ . ويوجد بسقف فرن القوس الكهربائي ثقوب يتم فيها وضع ثلاثة قضبان من الكربون معروفة باسم الأقطاب توضع في الشحنة لتوصيل التيار الكهربائي إليها . المرحلة الأولى : الفرن، وسقفه محرك جانبً، أثناء شحنه بالخردة. ونادرًا ما يستخدم صناع الفولاذ حديد التمساح في الفرن الكهربائي، لكن يمكنهم استخدام حديد الاختزال المباشر إذا توفر بتكلفة مقبولة ورخيصة. المرحلة الثانية: يتقوس (يقفز) تيار كهربائي قوسي قوي بين الأقطاب والشحنة. وهذه الحركة تنتج كميات هائلة من الحرارة تصهر الشحنة وتحفزالتفاعلات الكيميائية التي تنتج الفولاذ. المرحلة الثالثة: يفصل العمال التيار الكهربائي عن الأقطاب عند الانتهاء من عملية التنقية، ثم يقومون بإمالة الفرن الذي يكون مثبتًا على قاعدة متحركة لصب الخبث. المرحلة الرابعة : بعد الانتهاء من صب الخبث يمال فرن القوس الكهربائي في الاتجاه المعاكس وينساب الفولاذ المنصهر من خلال فتحة في الفرن ويجمع في إناء.
وبيانات فرن القوس الكهربائي الموضح في الشكل هي كالآتي:
مسخنة من إنفجار مواقد كاوبر.
منطقة الذوبان.
الحد من منطقة Terric أكسيد.
الحد من منطقة الأكسيد الحديدية.
منطقة قبل التسخين.
إطلاق سراح المعدن الخام من خام الحجر الجيري و فحم الكوك.
غازات العادم.
عمود خام من الحجر الجيري وخام الكوك.
إزالة الخبث.
الاستفادة من مصهور الحديد الخام.
تجميع النفايات والغازات.
ثانيا:
المجمرة المكشوفة: اكتسبت هذه الطريقة اسم المجمرة المكشوفة لأن مجمرة هذا الفرن مفتوحة ومُعرَّضة مباشرة للّهب الذي يصهر الشحنة ويُبطن الفرن بالطوب الحراري وتغطى المجمرة بسقف منخفض في صورة قبو. ويبلغ طول فرن المجمرة المكشوفة حوالي 27م بينما يبلغ عرضه تسعة أمتار.
تشكيل الفولاذ
سبك الصبات:
يصب الفولاذ المنصهر إلى كتل تعرف باسم الصبات يدفق الفولاذ من مغرفة الصب إلى قوالب مصنوعة من الحديد الزهر , وبعد تجمد الفولاذ تقوم ملاقيط ضخمة بإزالة القوالب , وتنقل الكتل المصبوبة عندئذ إلى موقع تشريب (إلى اليسار) .
صب الجديلة :
تنتج عملية صب الجديلة فولاذًا خشنًا. ويجب إجراء بعض العمليات عليه للحصول على منتجات مفيدة، وأحيانًا يستعمل في صورته الأصلية دون أي معالجة. وفي هذه المرحلة يكون الفولاذ صلبًا على الرغم من أنه لا يزال متوهجًا , و يشكل الفولاذ في الموقع أو ينقل لأماكن أخرى حيث تجري عليه معالجات لاحقة.
استخدامات الحديد
من أبرز استخدامات الحديد ما يلي:
استخدامات الحديد الصلب ( الحديد الزهر ) :
يستخدم في صناعة الأدوات التي لا تتعرض للصدمات مثل : أنابيب المياه وأنابيب الغاز.
استخدامات الحديد المطاوع ( الحديد اللين ) :
ويستخدم في صنع المغناطيسيات الكهربائية المؤقتة المستخدمة في الأجهزة الكهربائية ، كما يستخدم في قضبان التسليح المستخدمة في البناء.
استخدامات الحديد الصلب ( الفولاذ ) :
يستخدم في صناعة السفن وقضبان سكك الحديد والجسور.
استخدمات سبائك الصلب :
صلب النيكل : ( المتكون من الحديد الصلب والنيكل ) يجعل السبيكة تقاوم تآكل الصدأ مما يزيد من صلابتها ومتانتها وتستخدم في صناعة السيارات.
صلب الكروم : ( المتكون من الحديد الصلب والكروم )، مما يجعل السبيكة أكثر صلابة وتستخدم في صناعة كرة من الحديد التي تسهل حركة محاور المحركات والتي يطلق عليها ( رمان بلي ) .
الاعباء البيئية لصناعة الحديد
تلوث البيئة المحيطة بالمنطقة الصناعية نتيجة:
انبعاث غازات سامة من الافران إلى الجو الخارجي التي تؤدي إلى:
آثار ضارة على صحة العاملين.
التأثير القاتل على المحاصيل الزراعية.
ارتفاع درجة حرارة الجو.
تلوث مياه المجاري نتيجة المياه المنصرفة من المصانع.
تصاعد الأتربة من قمة الفرن عند صب الحديد.
الحد من التلوث
الاستفادة من الغازات الضارة المتصاعدة من قمم الافران بعملية استرجاع لها و اعادة شحنها مرة ثانية.
معالجة مياه وحدات التصنيع حيث يمكن اعادة استعمالها أو صرفها.
تجميع الاتربة المتصاعدة.
إمكانية استرجاع المواد الجامدة ذات النفع وإعادة استخدامها في التصنيع..
الاستفادة من غاز ثاني أكسيد الكبريت في تصنيع حمض الكبريتيك، أو إنتاج عنصر الكبريت.
كثيرا ما تنطلق الغازات عند درجات حرارة عالية أي أنها تحمل طاقة مخزونة فيها، ومن المحبذ استرجاع الطاقة بدلا من فقدها.
تجميع أول أكسيد الكربون واستخدامه وقودا في المواقد.
الفرن العالي
طريقة الفرن العالي
يدخل تيار من الهواء الساخن عبر انابيب النفخ الواقعة اسفله حيث يتفاعل الأكسجين مع الكوك مكونا CO
صعود غاز ساخن عبر شقوق الكوك فيتم اختزال أكاسيد الحديد.
يغادر الغاز قمة الفرن من المنافذ المتواجدة أعلاه.
يسيل الحديد المصهور و الخبث 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، ولكن بإعادة صهره حيث يتم صناعة حديد الزهر .
إنتاج الحديد بالاختزال المباشر
لقد حدد تعبير "الاختزال المباشر "في الوقت الحالي بانه اسلوب احتزال اكاسيد الحديد لإنتاج الحديد منها باستعمال الغازات المختلفة كوسط مختزل وتتم هذه العملية عند درجة حرارة اقل من درجة حرارة الانصهار اي من مواد الشحنة حيث تكون درجة حرارة الاختزال فيما بين c°800الى c°900 . وكان يعرف الحديد الناتج من هذه العملية باسم الحديد الاسفنجي ومع نهاية الثمانينات من القرن العشرين وصل إنتاج حديدالاختزال المباشر إلى حوالي 50مليون طن/سنة ،ويمكن القول بان العوامل المساعدة على زيادة إنتاج حديد الاختزال ترجع إلى مميزات هذا الاسلوب .
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 ادى 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 .
امكانية انشاء وحدات ذات طاقة إنتاجية صغيرة تكون تكلفة انشائها اقل بكثير من الافران العالية .
هذه التقنية بسيطة و حديثة الدول النامية يسهل استيعابها و استخدامها.
تتوافر في كثير من الدول مصادر الطاقة المطلوبة وعلى وجه التحديد الغاز الطبيعي.
لا تحتاج إلى فترة طويلة لانشاء الفرن العالي .
الحديد المنتج من هذه العملية خال من الكربون بينما حديد التمساح الناتج من الفرن العالي يحيوي تقريبا4% كربون.
إنتاج الحديد بالصهر
لقد ظهرت طرق بديلة لإنتاج الحديد، وبعض هاته العمليات تنتج الفولاذ مباشرة في خطوة واحدة بدلا من إنتاج الحديد 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 الأوللى ينتج الحديد في صورة جامدة وتتم هاته العملية في فرن الصهر أو قد يكون الصهر و الاختزال باستخدام البلازما.
الاختزال وصهر البلازما:
يتضح من خلال الاسم ان هاته العملية تستخدم البلازما الناتجة عن تاين 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 و الحجر 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 و الفرق الأساسي هو وجود مولد البلازما الذي يعمل بتاين 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 واحد 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.
تصنيع منتجات الحديد
يستخدم أكثر من 90% من الحديد المنتج من الافران العالية في تصنيع الفولاذ و إنتاجه و الكمية الباقية يتم صبها في شكل حديد تمساح (كتل) ثم ينقل إلى وحدات السبك لإنتاج كل من الحديد الزهر والحديد المطاوع.
طرق تصنيع الفولاذ
الفولاذ هو سبيكة من عنصري الحديد والكربون و لا تزيد نسبة الكربون فيها عن 2% ومن أهم طرق صناعة الفولاذ:
فرن القوس الكهربائي .
فرن المجمرة المكشوفة.
اولا:
بأسلوب فرن القوس الكهربائي :
تعتبر صناعة الفولاذ في فرن القوس الكهربائي، من أكثر أساليب الأفران الكهربائية استخدامًا لإنتاج الفولاذ . ويوجد بسقف فرن القوس الكهربائي ثقوب يتم فيها وضع ثلاثة قضبان من الكربون معروفة باسم الأقطاب توضع في الشحنة لتوصيل التيار الكهربائي إليها . المرحلة الأولى : الفرن، وسقفه محرك جانبً، أثناء شحنه بالخردة. ونادرًا ما يستخدم صناع الفولاذ حديد التمساح في الفرن الكهربائي، لكن يمكنهم استخدام حديد الاختزال المباشر إذا توفر بتكلفة مقبولة ورخيصة. المرحلة الثانية: يتقوس (يقفز) تيار كهربائي قوسي قوي بين الأقطاب والشحنة. وهذه الحركة تنتج كميات هائلة من الحرارة تصهر الشحنة وتحفزالتفاعلات الكيميائية التي تنتج الفولاذ. المرحلة الثالثة: يفصل العمال التيار الكهربائي عن الأقطاب عند الانتهاء من عملية التنقية، ثم يقومون بإمالة الفرن الذي يكون مثبتًا على قاعدة متحركة لصب الخبث. المرحلة الرابعة : بعد الانتهاء من صب الخبث يمال فرن القوس الكهربائي في الاتجاه المعاكس وينساب الفولاذ المنصهر من خلال فتحة في الفرن ويجمع في إناء.
وبيانات فرن القوس الكهربائي الموضح في الشكل هي كالآتي:
مسخنة من إنفجار مواقد كاوبر.
منطقة الذوبان.
الحد من منطقة Terric أكسيد.
الحد من منطقة الأكسيد الحديدية.
منطقة قبل التسخين.
إطلاق سراح المعدن الخام من خام الحجر الجيري و فحم الكوك.
غازات العادم.
عمود خام من الحجر الجيري وخام الكوك.
إزالة الخبث.
الاستفادة من مصهور الحديد الخام.
تجميع النفايات والغازات.
ثانيا:
المجمرة المكشوفة: اكتسبت هذه الطريقة اسم المجمرة المكشوفة لأن مجمرة هذا الفرن مفتوحة ومُعرَّضة مباشرة للّهب الذي يصهر الشحنة ويُبطن الفرن بالطوب الحراري وتغطى المجمرة بسقف منخفض في صورة قبو. ويبلغ طول فرن المجمرة المكشوفة حوالي 27م بينما يبلغ عرضه تسعة أمتار.
تشكيل الفولاذ
سبك الصبات:
يصب الفولاذ المنصهر إلى كتل تعرف باسم الصبات يدفق الفولاذ من مغرفة الصب إلى قوالب مصنوعة من الحديد الزهر , وبعد تجمد الفولاذ تقوم ملاقيط ضخمة بإزالة القوالب , وتنقل الكتل المصبوبة عندئذ إلى موقع تشريب (إلى اليسار) .
صب الجديلة :
تنتج عملية صب الجديلة فولاذًا خشنًا. ويجب إجراء بعض العمليات عليه للحصول على منتجات مفيدة، وأحيانًا يستعمل في صورته الأصلية دون أي معالجة. وفي هذه المرحلة يكون الفولاذ صلبًا على الرغم من أنه لا يزال متوهجًا , و يشكل الفولاذ في الموقع أو ينقل لأماكن أخرى حيث تجري عليه معالجات لاحقة.
استخدامات الحديد
من أبرز استخدامات الحديد ما يلي:
استخدامات الحديد الصلب ( الحديد الزهر ) :
يستخدم في صناعة الأدوات التي لا تتعرض للصدمات مثل : أنابيب المياه وأنابيب الغاز.
استخدامات الحديد المطاوع ( الحديد اللين ) :
ويستخدم في صنع المغناطيسيات الكهربائية المؤقتة المستخدمة في الأجهزة الكهربائية ، كما يستخدم في قضبان التسليح المستخدمة في البناء.
استخدامات الحديد الصلب ( الفولاذ ) :
يستخدم في صناعة السفن وقضبان سكك الحديد والجسور.
استخدمات سبائك الصلب :
صلب النيكل : ( المتكون من الحديد الصلب والنيكل ) يجعل السبيكة تقاوم تآكل الصدأ مما يزيد من صلابتها ومتانتها وتستخدم في صناعة السيارات.
صلب الكروم : ( المتكون من الحديد الصلب والكروم )، مما يجعل السبيكة أكثر صلابة وتستخدم في صناعة كرة من الحديد التي تسهل حركة محاور المحركات والتي يطلق عليها ( رمان بلي ) .
الاعباء البيئية لصناعة الحديد
تلوث البيئة المحيطة بالمنطقة الصناعية نتيجة:
انبعاث غازات سامة من الافران إلى الجو الخارجي التي تؤدي إلى:
آثار ضارة على صحة العاملين.
التأثير القاتل على المحاصيل الزراعية.
ارتفاع درجة حرارة الجو.
تلوث مياه المجاري نتيجة المياه المنصرفة من المصانع.
تصاعد الأتربة من قمة الفرن عند صب الحديد.
الحد من التلوث
الاستفادة من الغازات الضارة المتصاعدة من قمم الافران بعملية استرجاع لها و اعادة شحنها مرة ثانية.
معالجة مياه وحدات التصنيع حيث يمكن اعادة استعمالها أو صرفها.
تجميع الاتربة المتصاعدة.
إمكانية استرجاع المواد الجامدة ذات النفع وإعادة استخدامها في التصنيع..
الاستفادة من غاز ثاني أكسيد الكبريت في تصنيع حمض الكبريتيك، أو إنتاج عنصر الكبريت.
كثيرا ما تنطلق الغازات عند درجات حرارة عالية أي أنها تحمل طاقة مخزونة فيها، ومن المحبذ استرجاع الطاقة بدلا من فقدها.
تجميع أول أكسيد الكربون واستخدامه وقودا في المواقد.
