خامات الحديد: رحلة المواد الخام للصلب

I. المواد الخام

أصل الصلب هو خام الحديد، وهو الشكل الطبيعي للحديد (Fe). لا يوجد الحديد النقي في الطبيعة. ينقسم خام الحديد بشكل أساسي إلى ثلاثة أنواع: المغنتيت والهيماتيت والليمونيت، وجميعها أكاسيد حديدية تختلف في طرق أكسدة كل منها. وكلما زاد محتوى الحديد في خام الحديد، كان ذلك أفضل.

ومن الناحية النظرية، يبلغ أعلى محتوى للحديد في خام الحديد حوالي 72%، ويسمى خام الحديد الذي يزيد محتواه من الحديد عن 60% بخام الحديد الغني. يُختزل خام الحديد أولاً إلى حديد (حديد خنزير) في فرن، ثم يُرسل إلى فرن صناعة الصلب من أجل إزالة الكربنة وصقلها إلى فولاذ.

يمكن أيضًا صهر خردة الصلب وتجديدها في فرن صناعة الصلب. وبصفة عامة، يتم تحويل الصلب إلى منتجات ذات خواص وأشكال مختلفة وفقاً لاستخداماته، وهي ما يسمى بمنتجات الصلب.

وعادةً ما يتم تصنيع منتجات الصلب عن طريق اختزال خام الحديد، وصهره إلى حديد خام (الصهر)، وتكرير الحديد الخام إلى صلب (صناعة الصلب)، ثم درفلة الصلب ومعالجته إلى منتجات الصلب المختلفة. وبصفة عامة، تشمل منتجات الصلب الحديد المصبوب والصلب المصبوب ومنتجات الصلب المطروق والمنتجات المصنعة من الصلب.

قبل مناقشة المواد الخام للصلب، نحتاج إلى توضيح: ما هو بالضبط الفرق بين الفولاذ والحديد? هل لديهم مكونات مختلفة؟ في الحياة اليومية، نشير دائمًا إلى الفولاذ والحديد معًا باسم "الفولاذ والحديد"، مما يشير إلى أن الفولاذ والحديد يجب أن يكونا من نفس النوع من المواد.

في الواقع، من من منظور علمي، يختلف الصلب والحديد اختلافًا طفيفًا. فمكونهما الرئيسي هو عنصر الحديد، لكنهما يحتويان على كميات مختلفة من الكربون.

وعادة ما نطلق عليه "حديد الخنزير" عندما يكون محتوى الكربون أعلى من 2%، و"الصلب" عندما يكون أقل من هذه القيمة. ولذلك، في عملية صهر الفولاذ والحديد، يتم صهر الخام المحتوي على الحديد أولاً إلى حديد خنزير منصهر في فرن الصهر، ثم يتم تكرير الحديد الخنزير المنصهر إلى صلب في فرن صناعة الصلب.

يمكن تقسيم المواد الخام اللازمة لإنتاج الصلب إلى أربع فئات للمناقشة: الفئة الأولى تناقش المواد الخام المختلفة التي تحتوي على الحديد؛ والفئة الثانية هي الفحم وفحم الكوك؛ والفئة الثالثة تناقش التدفقات المستخدمة في عملية الصهر لإنتاج الخبث، مثل الحجر الجيري؛ والفئة الأخيرة هي المواد المساعدة المختلفة، مثل خردة الصلب والأكسجين وغيرها.

ثانيًا. أنواع ركاز الحديد وتوزيعه

من الناحية النظرية، يمكن تسمية أي خام يحتوي على عناصر الحديد أو مركبات الحديد بخام الحديد. ومع ذلك، من الناحية الصناعية أو التجارية، يجب ألا يحتوي خام الحديد على الحديد فحسب، بل يجب أن يكون له قيمة نفعية أيضًا.

ومع ذلك، وبسبب الطبيعة المعقدة لتحديد قيمة الخام، فإنه من الصعب وضع معيار نهائي لخام الحديد في الصناعة. فعلى سبيل المثال، يكون خام الحديد المنتج في أوروبا من نوعية رديئة ذات محتوى منخفض من الحديد. ويطلقون عليه خام الحديد ببساطة لأنهم لا يستطيعون العثور على خام أفضل منه.

وعلى النقيض من ذلك، تمتلك أستراليا احتياطيات وفيرة من خام الحديد عالي الجودة وعالي المحتوى من الحديد، وبالتالي فإن نوع الخام المستخدم في أوروبا يعتبر عديم القيمة في أستراليا. وبالتالي، فإن ما تستخدمه أوروبا كخام حديد لا يعتبر كذلك في صناعة الصلب الأمريكية.

وعلاوة على ذلك، أصبحت خامات الحديد التي كانت تعتبر في السابق عديمة القيمة بسبب انخفاض محتواها من الحديد خامات حديدية ذات قيمة الآن بسبب التقدم في التكنولوجيا الصناعية وتطوير طرق غير مكلفة لإثراء محتوى الحديد في هذه الخامات.

ولذلك، يمكننا أن نستنتج أن المعيار الصناعي لخام الحديد يختلف باختلاف العرض والطلب الإقليمي، والتغيرات في مستويات التكنولوجيا الصناعية، وظروف النقل. ووفقًا للمعايير الحالية، تُعتبر الخامات التي يبلغ متوسط محتواها من الحديد 251 تيرابايت أو أكثر خام حديد قيّم.

يوجد الحديد في الطبيعة بشكل أساسي في شكل مركبات، خاصةً في شكل أكاسيد الحديد، والتي تتواجد بوفرة بشكل خاص. فيما يلي بعض المركبات المهمة أنواع الحديد الخام (الأنواع الثلاثة الأولى هي الأنواع الرئيسية):

(1) المغنتيت هو خام أكسيد الحديد بتركيبة أولية من Fe3O4، وهو مركب من Fe2O3 و FeO. لونه رمادي مائل إلى السواد، وجاذبيته النوعية حوالي 5.15، ويحتوي على 72.4% Fe و27.6% O. وهو مغناطيسي ويمكن معالجته بسهولة عن طريق الفصل المغناطيسي أثناء عملية التخصيب. ومع ذلك، بسبب تركيبته الكثيفة، فإن قابليته للاختزال ضعيفة. وبعد التجوية لفترات طويلة، يتحول إلى هيماتيت.

(2) الهيماتيت هو أيضاً خام أكسيد الحديد، ويتكون أساساً من Fe2O3. لونه أحمر داكن، وجاذبيته النوعية حوالي 5.26، ويحتوي على 70% Fe و30% O. وهو أهم خام حديد. ويمكن تقسيمه إلى أنواع عديدة حسب تركيبه، بما في ذلك الهيماتيت الأحمر والهيماتيت البراق والهيماتيت الميكروي والمغرة الحمراء.

(3) الليمونايت هو خام يحتوي على أكسيد الحديد المائي. وهو مصطلح عام لخامتي خامات مختلفة التركيب: الغويثيت (HFeOO2) والليبيدوكروسيت (FeO(OH)). يكتب البعض صيغته الكيميائية الرئيسية على أنها m Fe2O3OnH2O. يظهر باللون الأصفر الترابي أو البني، ويحتوي على حوالي 62% Fe، و27% O، و11% H2O، مع ثقل نوعي يتراوح بين 3.6-4.0. وغالباً ما يتعايش مع خامات الحديد الأخرى.

(4) السيدرايت، وهو خام يحتوي على كربونات الحديد، ويتكون في المقام الأول من ثنائي أكسيد الحديد (FeCO3) ويظهر بلون رمادي مزرق مع ثقل نوعي يبلغ حوالي 3.8. وغالباً ما يحتوي هذا الخام على كمية كبيرة من أملاح الكالسيوم والمغنيسيوم. ونظراً للامتصاص الحراري العالي لأيونات الكربونات عند درجات حرارة تتراوح بين 800 و900 درجة مئوية تقريباً، والتي تطلق ثاني أكسيد الكربون، عادةً ما يتم تحميص هذا النوع من الخام قبل إدخاله في الفرن العالي.

(5) حديد السيليكات، وهو خام ملحي معقد، ليس له صيغة محددة ويتفاوت تركيبه تفاوتاً كبيراً. وعادةً ما يكون لونه أخضر غامق، وجاذبيته النوعية حوالي 3.8، ومحتواه من الحديد منخفض جداً، مما يجعله خام حديد رديء نوعاً ما.

(6) يحتوي خام الحديد الكبريتيدي على FeS2، حيث يشكل الحديد 46.6% فقط ويشكل S 53.4%. وله لون رمادي-أصفر وجاذبية نوعية تتراوح بين 4.95 و5.10 تقريباً. ونظرًا لوجود العديد من المعادن الثمينة الأخرى، مثل النحاس والنيكل والزنك والذهب والفضة، غالبًا ما يستخدم هذا الخام كمادة خام في صناعات صهر المعادن الأخرى.

وعلاوة على ذلك، نظرًا لاحتوائه على كمية كبيرة من الكبريت، فإنه كثيرًا ما يستخدم لإنتاج الكبريت، مما يجعل الحديد منتجًا ثانويًا، وهو ما يعني في الواقع أنه لا يمكن تصنيفه كخام حديد.

يتوزع الحديد على نطاق واسع على سطح الأرض وهو متوفر بكثرة؛ فجميع الصخور وبقايا الحيوانات والنباتات تقريبًا تحتوي على بعض الحديد. ووفقًا للتقديرات الجيولوجية، يتكون حوالي 4 إلى 51 تيرابايت 3 تيرابايت من القشرة الأرضية من الحديد.

وعلى الرغم من أن جزءًا صغيرًا جدًا من هذه المواد المحتوية على الحديد هو خام الحديد الثمين، إلا أن الإمدادات وفيرة للغاية. ولا يوجد حالياً رقم محدد لتقدير احتياطيات الأرض من خام الحديد.

تشمل الدول الرئيسية المنتجة لخام الحديد التي تم تحديدها الولايات المتحدة وكندا والبرازيل وأستراليا وجنوب أفريقيا والهند وفرنسا والمملكة المتحدة والسويد وإسبانيا والاتحاد السوفيتي والصين وفنزويلا.