خام الحديد

خام الحديد أو تراب الحديد هو ما يصنع منه الحديد، يستخرج من الصخور ويوضع في فرن ذو درجة حرارة عالية جدا كي يصهر، فيصفى المعدن من التراب. كذلك أيضًا يصفي كل معدن من ترابه ما عدا الألومنيوم.[1] خامات الحديد  هي الصخور والمعادن وخامات الحديد يمكن استخراجها إقتصادياً، وعادة ما تكون غنية في أكاسيد الحديد وتختلف في اللون من الرمادي الداكن، الأصفر المشرق، أو الأرجواني العميق لأحمر صدئ. يوجد الحديد عادة على شكل أكسيد الحديد الأسود

معدن الهيماتيت.
كريات [الإنجليزية] خام الحديد مكومة، استعدادا لاستعمالها في إنتاج الصلب.

( 72.4% Fe), الهيماتيت(Fe2O3, 69.9% Fe), goethite (FeO(OH), 62.9% Fe), ليمونيت (FeO(OH)·n(H2O), 55% Fe) or siderite (FeCO3, 48.2% Fe).

تُعرف الخامات التي تحتوي على كميات كبيرة جدًا من الهيماتيت أو المغنتيت (أكبر من حوالي 60% من الحديد) باسم "الخام الطبيعي" أو "خام الشحن المباشر"، مما يعني أنه يمكن إطعامها مباشرة في أفران الصهر التي تصنع الحديد. خام الحديد هو المادة الخام المستخدمة في صناعة الحديد الخام، وهو أحد المواد الخام الرئيسية في صناعة الصلب - يستخدم 98% من خام الحديد المستخرج في صناعة الصلب.  في عام 2011 توقعت صحيفة فاينانشال تايمز أن خام الحديد "منذ اكتشافه إلى عصرنا يعد أكثر معادن طلبا في عالم نظرا لاستعملاته في عديد من صناعات

المصادر

الحديد المعدني غير معروف فعليًا على سطح الأرض باستثناء الحديد والنيكل سبائك من نيزك وأشكال نادرة جدًا من الوشاح العميق xenolith.[2] يمكن إرجاع أصل الحديد في النهاية إلى التكوين من خلال الاندماج النووي في النجوم ويعتقد أن معظم الحديد قد نشأ في النجوم المحتضرة التي هي كبيرة بما يكفي للانهيار أو الانفجار مثل المستعر الأعظم.[3] على الرغم من أن الحديد هو رابع أكثر العناصر وفرة في قشرة الأرض، ويتكون من حوالي 5%، إلا أن الغالبية العظمى مرتبطة بالمعادن سيليكات أو نادرًا كربونات (لمزيد من المعلومات، راجع دورة الحديد).تعتبر حواجز الديناميكا الحرارية التي تحول دون فصل الحديد النقي عن هذه المعادن هائلة وتستهلك الكثير من الطاقة، وبالتالي فإن جميع مصادر الحديد المستخدمة في الصناعة البشرية تستغل المعادن النادرة نسبيًا أكسيد المعادن، بشكل أساسي الهيماتيت.

قبل الثورة الصناعية، تم الحصول على معظم الحديد من على نطاق واسع الجيوثايت أو خام المستنقع، على سبيل المثال خلال الثورة الأمريكية والحروب النابليونية.استخدمت مجتمعات ما قبل التاريخ اللاتريت كمصدر لخام الحديد. تاريخياً، تم استخراج الكثير من خام الحديد الذي تستخدمه المجتمعات الصناعية من رواسب الهيماتيت في الغالب بدرجات تبلغ حوالي 70% حديد. يشار إلى هذه الودائع عادة باسم "خامات الشحن المباشر" أو "الخامات الطبيعية". زيادة الطلب على خام الحديد، إلى جانب استنفاد خامات الهيماتيت عالية الجودة في الولايات المتحدة، بعد الحرب العالمية الثانية أدت إلى تطوير مصادر خام الحديد الصف السفلي، أساسا الاستفادة من أكسيد الحديد الأسود و taconite.

قبل الثورة الصناعية، كان يتم الحصول على معظم الحديد من غوثايت أو بوغ الحديد المتوفر على نطاق واسع، على سبيل المثال أثناء الثورة الأمريكية والحروب النابليونية. استخدمت مجتمعات ما قبل التاريخ اللاتريت كمصدر لخام الحديد.تاريخياً، تم استخراج الكثير من خام الحديد الذي تستخدمه المجتمعات الصناعية من رواسب الهيماتيت بالدرجات التي تبلغ حوالي 70% حديد. يشار إلى هذه الودائع عادة باسم "خامات الشحن المباشر" أو "الخامات الطبيعية".

أدت زيادة الطلب على خام الحديد، إلى جانب استنفاد خامات الهيماتيت عالية الجودة في الولايات المتحدة، بعد الحرب العالمية الثانية إلى تطوير مصادر خام الحديد منخفضة الدرجة، وبصورة أساسية استخدام أكسيد الحديد الأسود وتاكونيت.

تختلف طرق تعدين خام الحديد حسب نوع الخام الذي يتم تعدينه. هناك أربعة أنواع رئيسية من رواسب خام الحديد تعمل حاليًا، اعتمادًا على علم المعادن والجيولوجيا في رواسب خام الحديد. هي المغنتيت والتيتانومغنتيت والهيماتيت الهائل و بيسوليت رواسب من الحجر الحديدي.[4]

تشكيلات الحديد النطاقات
صخرة عمرها 2.1 مليار سنة تظهر تشكيل الحديد النطاقات
معالجة تاكونيت الكريات بأكسدة سطح ضارب إلى الحمرة كما هو مستخدم في صناعة الصلب، باستخدام الولايات المتحدة. الربع (القطر:24 مـم [0.94 بوصة])يظهر للمقياس.

تكوين النطاقات الحديدية (BIFs) هي صخور رسوبية تحتوي على أكثر من 15% من الحديد يتكون في الغالب من معادن الحديد ذات الطبقات الرقيقة و السيليكا (مثل الكوارتز). تحدث تكوينات النطاقات الحديدية حصريًا في صخور ما قبل الكمبري، وعادة ما تكون ضعيفة إلى المتحولة. قد تحتوي تشكيلات الحديد ذات النطاقات على الحديد في كربونات (siderite أو ankerite) أو السيليكات (مينيسوتايت، جرينالايت، أو جرونيريت)، ولكن في تلك المستخرجة كخامات حديد، أكاسيد (أكسيد الحديد الأسود أو الهيماتيت) هي معدن الحديد الرئيسي.[5]تُعرف تشكيلات الحديد ذات النطاقات باسم "تاكونيت" داخل أمريكا الشمالية.

ينطوي التعدين على نقل كميات هائلة من الخام والنفايات. وتأتي النفايات في شكلين، صخر غير خام في المنجم (تكدس أو متكدس معروف محليًا باسم mullock)، ومعادن غير مرغوب فيها والتي تعد جزءًا جوهريًا من خام الصخور نفسها (الشوائب). يتم تعدين mullock وتكديسها في مكب النفايات، ويتم فصل الشوائب أثناء عملية إثراء ويتم إزالتها على أنها مخلفات. مخلفات التاكونيت هي في الغالب الكوارتز المعدني، وهو خامل كيميائيًا. يتم تخزين هذه المواد في برك كبيرة منظمة لترسيب المياه.

خامات المغنتيت

تعد المعايير الاقتصادية الرئيسية للخانة الاقتصادية للمغناطيسي هي بلورة المغناطيسية، ودرجة الحديد داخل صخرة مضيفة الحديد المضيفة للنطاقات، والمعتاد الملوثات الموجودة داخل التركيز المغناطيسي. نسبة حجم وشريط معظم موارد المغناطيسية غير ذات صلة، حيث يمكن أن يكون تشكيل حديدي منطقي مئات من الأمتار، وتوسيع مئات الكيلومترات على طول Strike، ويمكن بسهولة الوصول إلى أكثر من ثلاثة مليارات أو أكثر من أطنان من خام الوارد.

الدرجة النموذجية للحديد التي يصبح فيها تكوين الحديد النطاقات الحاملة للمغنتيت اقتصاديًا هو 25% تقريبًا من الحديد، والذي يمكن أن ينتج عمومًا استرداد 33% إلى 40% من المغنتيت بالوزن، لإنتاج تصنيف مركز يزيد عن 64% حديد بواسطة وزن. تركيز خام الحديد المغنتيت النموذجي يحتوي على أقل من 0.1% فوسفور، 3-7% سيليكا وأقل من 3% ألومنيوم.

يُستخرج خام الحديد المغنتيت حاليًا في مينيسوتا وميشيغان في الولايات المتحدة، شرق كندا وشمال السويد.[6] يتم حاليًا تعدين تشكيل الحديد ذي النطاقات الحاملة للمغنتيت على نطاق واسع في البرازيل، والتي تصدر كميات كبيرة إلى آسيا، وهناك صناعة ناشئة وكبيرة لخام الحديد المغنتيت في أستراليا.

خامات الشحن المباشر (الهيماتيت)

يتم حاليًا استغلال رواسب خام الحديد (DSO) للشحن المباشر (تتكون عادةً من الهيماتيت) في جميع القارات باستثناء أنتاركتيكا، بأكبر كثافة في أمريكا الجنوبية وأستراليا وآسيا. يتم الحصول على معظم رواسب خام الحديد الهيماتيت الكبيرة من تكوينات حديدية متغيرة النطاقات ونادرًا ما تكون تراكمات نارية.

عادةً ما تكون رواسب DSO أكثر ندرة من BIF الحاملة للمغنتيت أو الصخور الأخرى التي تشكل مصدرها الرئيسي أو صخور البروتوليث، ولكنها أرخص بكثير من التعدين والمعالجة لأنها تتطلب قدرًا أقل من الاستفادة بسبب محتوى الحديد العالي. ومع ذلك، يمكن أن تحتوي خامات DSO على تركيزات أعلى بكثير من العناصر الجزائية، وعادة ما تكون أعلى في الفوسفور ومحتوى الماء (خاصة بيسوليت التراكمات الرسوبية) والألمنيوم ( الطين داخل البيزوليت). تكون خامات DSO ذات درجة التصدير عمومًا في نطاق الحديد 62-64%.

رواسب خام المغنتيت الصخرية

من حين لآخر جرانيت وفائق البوتاسيوم صخور نارية بلورات منفصلة أكسيد الحديد الأسود وتشكل كتل أكسيد الحديد الأسود المناسبة للتركيز الاقتصادي.[7] يتكون عدد قليل من رواسب خام الحديد، لا سيما في تشيلي، من تدفقات بركانية تحتوي على تراكمات كبيرة من أكسيد الحديد الأسود الفينوكريست.[8] تشكلت رواسب خام الحديد المغنتيت التشيلي داخل صحراء أتاكاما تراكمات الغرينية من المغنتيت في تيارات من هذه التكوينات البركانية.

تم استخدام بعض رواسب المغنتيت سكارن وحراري مائي في الماضي كرواسب خام الحديد عالية الجودة التي تتطلب القليل من إثراء. هناك العديد من الرواسب المرتبطة بالجرانيت من هذا النوع في ماليزيا وإندونيسيا.

تشمل المصادر الأخرى لخام الحديد المغنتيت التراكمات المتحولة لخام المغنتيت الهائل مثل نهر سافاج، تسمانيا، التي تشكلت عن طريق قص الأوفيوليت صخر فوق مافي.

مصدر ثانوي آخر لخامات الحديد هو تراكمات الصهارة في تداخل الطبقات التي تحتوي عادةً على تيتانيوم - يحمل المغنتيت غالبًا مع الفاناديوم. تشكل هذه الخامات سوقًا متخصصة، مع مصاهر متخصصة تستخدم لاستعادة الحديد والتيتانيوم والفاناديوم. يتم الاستفادة من هذه الخامات بشكل أساسي بشكل مشابه لخامات تشكيل الحديد النطاقات، ولكن عادة ما يتم ترقيتها بسهولة أكبر عبر التكسير و الغربلة. درجات تركيز التيتانيوم مغنتيت النموذجي 57% حديد، 12% Ti و 0.5%V2O5.

مخلفات المناجم

لكل 1 طن من تركيز خام الحديد ينتج حوالي 2.5-3.0 طن من نفايات خام الحديد سيتم تصريفها. تظهر الاحصاءات ان هناك 130 مليون طن من خام الحديد يتم تصريفها كل عام. على سبيل المثال، إذا احتوت مخلفات المناجم على ما يقرب من 11 % من الحديد، فسيكون هناك ما يقرب من 1.41 مليون طن من الحديد المهدر سنويًا.[9] ذه المخلفات هي أيضا عالية في المعادن الأخرى المفيدة مثل النحاس، النيكل، والكوبالت،[10]  والتي يمكن استخدامها للمواد مثل الرصيف وحشو ومواد مثل الاسمنت بناء بناء الطرق ومنخفض الدرجة الزجاج، ومواد الحائط.[9][11][12] في حين أن المخلفات عبارة عن خام منخفض الدرجة نسبيًا، إلا أنها أيضًا غير مكلفة لجمعها حيث لا يلزم تعدينها. بسبب هذه الشركات، مثل Magnetation، Inc.، بدأت مشاريع الاستصلاح حيث تستخدم نفايات خام الحديد كمصدر للحديد المعدني.[13]

الطريقتان الرئيسيتان لإعادة تدوير الحديد من مخلفات خام الحديد هما التحميص الممغنط والاختزال المباشر. يستخدم التحميص الممغنط درجات حرارة تتراوح بين 700 و 900 درجة مئوية لمدة أقل من ساعة واحدة لإنتاج تركيز الحديد (Fe 3 O 4 ) لاستخدامه في صهر الحديد. لتحميص ممغنط، من المهم أن يكون لديك جو مختزل لمنع الأكسدة وتكوين Fe 2 O 3 لأنه من الصعب فصله لأنه أقل مغناطيسية.[9][14] يستخدم الاختزال المباشر درجات حرارة أعلى من 1000 درجة مئوية وأوقات أطول من 2-5 ساعات.يستخدم الاختزال المباشر لإنتاج الحديد الإسفنجي(Fe) لاستخدامها في صناعة الصلب. يتطلب التخفيض المباشر المزيد من الطاقة لأن درجات الحرارة أعلى والوقت أطول ويتطلب عامل اختزال أكثر من التحميص الممغنط.[9][15][16]

استخلاص

تتطلب مصادر خام الحديد منخفضة الدرجة عمومًا الاستفادة، باستخدام تقنيات مثل التكسير، و طحن، وفصل الجاذبية أو فصل الوسائط الثقيلة، والغربلة، والسيليكا و التعويم الزبدي لتحسين تركيز الخام وإزالة الشوائب. تُعرف النتائج، وهي مساحيق خام دقيقة عالية الجودة، بالغرامات.

المغنتيت

Magnetite مغناطيسي، وبالتالي يسهل فصله عن الشوائب المعادن وقادر على إنتاج مركز عالي الجودة مع مستويات منخفضة جدًا من الشوائب.

يحدد حجم حبيبات المغنتيت ودرجة تمازجها مع السيليكا كتلة أرضية حجم الطحن الذي يجب أن يتم طحن الصخور إليه لتمكين الفصل المغناطيسي الفعال لتوفير تركيز مغنتيت عالي النقاء. يحدد هذا مدخلات الطاقة المطلوبة لتشغيل عملية الطحن.

يتضمن تعدين تكوينات الحديد المربوطة التكسير والغربلة الخشنة، متبوعًا بتكسير خشن وطحن ناعم إلى تفتيت الخام إلى النقطة التي يكون فيها المغنتيت المتبلور والكوارتز ناعمًا بدرجة كافية بحيث يترك الكوارتز خلفه عندما ينتج المسحوق يتم تمريره تحت فاصل مغناطيسي.

بشكل عام، يجب طحن معظم رواسب تكوين الحديد المربوط بالمغنتيت إلى ما بين 32 و 45 ميكرومترًا من أجل إنتاج تركيز منخفض من أكسيد الحديد الأسود. تزيد درجات تركيز المغنتيت بشكل عام عن 70% من الحديد بالوزن وعادة ما تكون منخفضة الفوسفور والألومنيوم منخفض وتيتانيوم منخفض وسيليكا منخفضة وتتطلب سعرًا ممتازًا.

الهيماتيت

نظرًا لارتفاع كثافة الهيماتيت بالنسبة إلى الشوائب السيليكات المصاحبة، فإن إثراء الهيماتيت عادة ما يتضمن مجموعة من تقنيات الإثراء.

تعتمد إحدى الطرق على تمرير خام مسحوق ناعم فوق طين يحتوي على أكسيد الحديد الأسود أو عامل آخر مثل الفروسيليكون مما يزيد كثافته. عندما يتم معايرة كثافة الملاط بشكل صحيح، سوف يغوص الهيماتيت وتطفو شظايا معدن السيليكات ويمكن إزالتها.[17]

المنتجون
خام الحديد من الأردن، القطعة محفوظة في متحف الأردن

قائمة الدول حسب إنتاج خام الحديد استنادًا إلى بيانات المسح الجيولوجي الأمريكية.

مرتبة بلد إنتاج خام الحديد القابل للاستخدام

(ألف طن)

 عام
العالمية 2500000 2019
1 أستراليا 930,000 2019
2 البرازيل 480,000 2019
3 الصين 350.000 2019
4 الهند 210,000 2019
5 روسيا 99000 2019
6 جنوب أفريقيا 77000 2019
7 أوكرانيا 62000 2019
8 كندا 54000 2019
9 الولايات المتحدة الأمريكية 48000 2019
10 كازاخستان 43000 2019
11 إيران 38000 2019
12 السويد 37000 2019
13 المكسيك 23000 2019
14 بيرو 15000 2019
15 تشيلي 14000 2019
16 موريتانيا 13300 2017
17 فنزويلا 12000 2017
18 فيتنام 9570 2017
19 منغوليا 7695 2017
20 ديك رومي 6700 2017
21 كوريا الشمالية 5,250 2017
22 سيرا ليون 4,720 2017
23 ماليزيا 3920 2017
24 نيوزيلندا 3,490 2017
25 النمسا 2800 2017
26 اليونان 2,284 2017
27 ليبيريا 1,930 2017
28 البوسنة والهرسك 1,622 2017
29 كولومبيا 715 2017
30 الجزائر 600 2017
31 باكستان 547 2017
32 مصر 500 2017
33 كوريا الجنوبية 310 2017
34 تونس 200 2017
35 لاوس 110 2017
36 توجو 60 2017
37 بوتان 28 2017
38 المغرب 15 2017

هذه قائمة بالدول حسب إنتاج الحديد الخام.

إنتاج حديد الزهر (مليون طن متري)
مرتبة بلد 1980 2013 2015
العالمية 506 1168 1,180
1 الصين 38 709 710
2 اليابان 87 84 84
3 الهند 85 50 54
4 روسيا غير متوفر 50 51
5 كوريا الجنوبية 5.6 41 47
6 البرازيل 13 26 30
7 ألمانيا 36 27 28
8 الولايات المتحدة الأمريكية 62 30 26
9 أوكرانيا غير متوفر 29 25
10 المملكة المتحدة 6.2 9.4 9
بلدان اخرى 246 91 101


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:

الفرن العالي

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 :
  1. تقليل مخاطر اعتماد الصناعة على مادة خام غالية الثمن وغير متوافرة.
  2. عدم توافر الفحم الحجري المناسب لصناعة الكوك في الدول العربية.
  3. 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.

وأهم 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:

  1. استخدام فرن واحد بدلا من فرنين وانجاز العمل بدون الحاجة إلى نقل منتجات المرحلة الأولى المفاعلات المرحة التالية.
  2. 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.

الإنتاج والإستهلاك
تطور درجة خام الحديد المستخرج في دول مختلفة (كندا، الصين، أستراليا، البرازيل، الولايات المتحدة، السويد، الاتحاد السوفياتي وروسيا، العالم). يرجع الانخفاض الأخير في درجة الخام العالمية إلى الاستهلاك الكبير للخامات الصينية منخفضة الجودة. تمت ترقية الخام الأمريكي بين 61% إلى 64% قبل بيعه.[18]
إنتاج خام الحديد القابل للاستخدام بالمليون طن متري لعام 2015[19] تقدر تقديرات إنتاج المناجم للصين من مكتب الإحصاء الوطني لإحصائيات خام الخام بالصين، بدلاً من الخام القابل للاستخدام كما ورد في الدول الأخرى.[20]
دولة إنتاج
أستراليا 817
البرازيل 397
الصين 375
الهند 156
روسيا 101
جنوب أفريقيا 73
أوكرانيا 67
الولايات المتحدة 46
كندا 46
إيران 27
السويد 25
كازاخستان 21
بلدان اخرى 132
مجموع العالم 2,280

الحديد هو المعدن الأكثر استخدامًا في العالم - الصلب، والذي يعتبر خام الحديد المكون الرئيسي منه، ويمثل ما يقرب من 95% من جميع المعادن المستخدمة سنويًا.  يتم استخدامه بشكل أساسي في الهياكل والسفن والسيارات والآلات.[21]

الصخور الغنية بالحديد شائعة في جميع أنحاء العالم، ولكن عمليات التعدين التجاري من الدرجة الخام تهيمن عليها البلدان المدرجة في الجدول جانبًا. العائق الرئيسي أمام اقتصاديات رواسب خام الحديد ليس بالضرورة درجة أو حجم الرواسب، لأنه ليس من الصعب بشكل خاص إثبات وجود كمية كافية من الصخور جيولوجيًا. يتمثل العائق الرئيسي في موضع خام الحديد بالنسبة للسوق، وتكلفة البنية التحتية للسكك الحديدية لإيصاله إلى السوق، وتكلفة الطاقة المطلوبة للقيام بذلك.

يعد تعدين خام الحديد عملاً ذا حجم كبير ومنخفض هامش الربح، حيث أن قيمة الحديد أقل بكثير من المعادن الأساسية.[22] وهي كثيفة رأس المال وتتطلب استثمارات كبيرة في البنية التحتية مثل السكك الحديدية من أجل نقل الخام من المنجم إلى سفينة الشحن.[22] لهذه الأسباب، يتركز إنتاج خام الحديد في أيدي عدد قليل من اللاعبين الرئيسيين.

يبلغ متوسط الإنتاج العالمي ملياري طن متري من خام الخام سنويا. أكبر منتج في العالم لصح الحديد هو مؤسسة التعدين البرازيلية Vale تليها شركات أنجلو-أسترالية Group Rio Tinto ثم BHP. وقد ساعد المزود الأسترالي الآخر، مجموعة المعادن فورتسك Ltd، على تحقيق إنتاج أستراليا لأول مرة في العالم.

بلغت التجارة البحرية في خام الحديد - أي خام الحديد الذي سيتم شحنه إلى بلدان أخرى - 849 مليون طن في عام 2004.[22]  تهيمن أستراليا والبرازيل على التجارة المنقولة بحراً، بنسبة 72% من السوق.[22] تسيطر BHP و Rio و Vale على 66% من هذا السوق فيما بينها.[22]

في أستراليا يتم الحصول على خام الحديد من ثلاثة مصادر رئيسية: البيزوليت " قناة رواسب الحديد" الخام المشتق من التآكل الميكانيكي لتكوينات الحديد النطاقات الأولية والمتراكم في القنوات الغرينية مثل باناوونيكا، أستراليا الغربية ؛ والخامات ذات الصلة المعدلة ميتاسوماتيكي السائدة تشكيل الحديد النطاقات مثل في نيومان، نطاق تشيتشيستر، سلسلة هامرسلي و كوليانوبينج، أستراليا الغربية. ظهرت أنواع أخرى من الخام في المقدمة مؤخرًا، مثل أغطية صلبة حديدية مؤكسدة، على سبيل المثال اللاتيريت رواسب خام الحديد بالقرب من بحيرة أرجيل في غرب أستراليا.

يبلغ إجمالي الاحتياطيات القابلة للاسترداد من خام الحديد في الهند حوالي 9,602 مليون طن من الهيماتيت و 3,408 مليون طن من أكسيد الحديد الأسود.[23] تشاتيسغار، مدهيا برديش، كارناتاكا، جهارخاند، أوديشا، غوا، ماهاراشترا، أندرا برديش، ولاية كيرلا، راجستان وتاميل نادو هم المنتجون الهنديون الرئيسيون لخام الحديد. ينمو الاستهلاك العالمي لخام الحديد بنسبة 10% سنويًا في المتوسط مع المستهلكين الرئيسيين وهم الصين واليابان وكوريا والولايات المتحدة والاتحاد الأوروبي.

تعد الصين حاليًا أكبر مستهلك لخام الحديد، وهو ما يُترجم إلى أن يكون أكبر دولة منتجة للصلب في العالم. كما أنها أكبر مستورد، حيث اشترت 52% من التجارة البحرية في خام الحديد في عام 2004.[22] تليها اليابان وكوريا، اللتان تستهلكان كمية كبيرة من خام الحديد الخام والفحم المعدني. في عام 2006، أنتجت الصين 588 مليون طن من خام الحديد، بمعدل نمو سنوي قدره 38%.

سوق خام الحديد

على مدى السنوات الأربعين الماضية، تم تحديد أسعار خام الحديد في مفاوضات مغلقة بين حفنة صغيرة من عمال المناجم وصناع الصلب الذين يهيمنون على الأسواق الفورية والعقود. تقليديا، تحدد الصفقة الأولى التي تم التوصل إليها بين هاتين المجموعتين معيارًا يجب اتباعه من قبل بقية الصناعة.[21]

ومع ذلك، في السنوات الأخيرة، بدأ هذا النظام المعياري في الانهيار، حيث دعا المشاركون على طول سلاسل العرض والطلب إلى التحول إلى التسعير قصير الأجل. بالنظر إلى أن معظم السلع الأخرى لديها بالفعل نظام تسعير ناضج قائم على السوق، فمن الطبيعي لخام الحديد أن يحذو حذوها. للإجابة على طلبات السوق المتزايدة لتسعير أكثر شفافية، قدم عدد من البورصات المالية / أو غرف المقاصة حول العالم مقايضة خام الحديد.  تقدم مجموعة CME و SGX (بورصة سنغافورة) و London Clearing House (LCH.Clearnet) و NOS Group و ICEX (بورصة السلع الهندية) مقايضات مقاصة استنادًا إلى بيانات معاملات خام الحديد الخاصة بمؤشر الصلب (TSI).  تقدم بورصة شيكاغو التجارية أيضًا مقايضة مبنية على بلاتس، بالإضافة إلى مقاصة مبادلة TSI.[24]  تقدم ICE (Intercontinental Exchange) خدمة المقاصة المبنية على أساس Platts أيضًا.  نما سوق المقايضات بسرعة، مع تجمع السيولة حول تسعير TSI.

كان التطور الجديد نسبيًا أيضًا هو إدخال خيارات خام الحديد، بالإضافة إلى المقايضات. كانت مجموعة CME هي المكان الأكثر استخدامًا لتصفية الخيارات المكتوبة ضد TSI، مع اهتمام مفتوح بأكثر من 12000 عقد في أغسطس 2012.

أطلقت بورصة سنغافورة التجارية (SMX) أول عقد عالمي آجل لخام الحديد، استنادًا إلى نشرة المعادن مؤشر ركاز الحديد (MBIOI) الذي يستخدم بيانات الأسعار اليومية من مجموعة واسعة من المشاركين في الصناعة والمستقلين قاعدة اتصالات شركة Shanghai Steelhome للاستشارات والصلب الصينية على نطاق واسع لمنتجي الصلب وتجار خام الحديد في جميع أنحاء الصين.[25] شهد العقد الآجل أحجامًا شهرية تزيد عن 1.5 مليون طن بعد ثمانية أشهر من التداول.[26]

تأتي هذه الخطوة في أعقاب التحول إلى التسعير الفصلي المستند إلى المؤشر من قبل أكبر ثلاث شركات في العالم لتعدين خام الحديد - Vale وRio Tinto وBHP - في أوائل عام 2010، مما كسر تقليد 40 عامًا من التسعير السنوي القياسي.[27]

وفرة حسب البلد

موارد خام الحديد المتوفرة في العالم

الحديد هو العنصر الأكثر وفرة على وجه الأرض ولكن ليس في القشرة.[28] مدى احتياطيات خام الحديد التي يمكن الوصول إليها غير معروف، على الرغم من أن Lester Brown من Worldwatch Institute اقترح في عام 2006 أن خام الحديد يمكن أن ينفد في غضون 64 عامًا (أي بحلول عام 2070 )، بناءً على نمو الطلب بنسبة 2% سنويًا.[29]

أستراليا

تشير تقديرات Geoscience Australia إلى أن "الموارد الاقتصادية المثبتة" للبلاد من الحديد تبلغ حاليًا 24 جيجا طن، أو 24 مليار طن. يبلغ معدل الإنتاج الحالي من منطقة بيلبارا في أستراليا الغربية ما يقرب من 430 مليون طن سنويًا وهي في ازدياد. يتوقع جافين مود (جامعة RMIT) وجوناثون لو (CSIRO) أن تختفي خلال 30-50 عامًا و 56 عامًا على التوالي.تتطلب تقديرات عام 2010 مراجعة مستمرة لمراعاة تحول الطلب على خام الحديد منخفض الدرجة وتحسين تقنيات التعدين والاسترداد (السماح بالتعدين على عمق أكبر تحت منسوب المياه الجوفية).

لا تزال التوترات عالية بين الإدارة والنقابات العمالية.[30]

إيداع Pilbara

في عام 2011، أعلنت شركات تعدين خام الحديد الرائدة في بيلبارا - ريو تينتو، بي إتش بي وفورتسكو ميتالز جروب (FMG) - عن استثمارات رأسمالية كبيرة في تطوير المناجم الحالية والجديدة والبنية التحتية المرتبطة بها (السكك الحديدية والموانئ). بشكل جماعي، سيصل هذا إلى إنتاج 1,000 مليون طن سنويًا (Mt / y) بحلول عام 2020. من الناحية العملية، سيتطلب ذلك مضاعفة الطاقة الإنتاجية من التيار مستوى الإنتاج من 470 مليون طن / سنة إلى 1000 مليون طن / سنة (بزيادة 530 مليون طن / سنة). تستند هذه الأرقام على التيار[ متى؟ ]معدلات إنتاج ريو 300 مليون طن في السنة، 240 مليون طن في السنة، FMG 55 مليون طن في السنة وغيرها من 15 مليون طن في السنة، تتزايد إلى ريو 360 مليون طن في السنة، BHP 356 مليون طن في السنة، FMG 155 مليون طن في السنة وغيرها 140 مليون طن في السنة y (الأخير 140 مليون طن في السنة يعتمد على الإنتاج المخطط من الداخلين الجدد في الصناعة إلى هانكوك وأطلس وبروكمان عبر بورت هيدلاند و API وغيرها من خلال ميناء أنتيل المقترح). في مارس 2014، افتتحت Fortescue رسميًا مشروعها الذي تبلغ طاقته الإنتاجية 40 مليون طن سنويًا (mtpa) في Kings Valley، مما يمثل الانتهاء من توسعة تبلغ 9.2 مليار دولار أمريكي زادت من قدرتها الإنتاجية إلى 155 مليون طن سنويًا. شمل التوسع بناء الحقول الخضراء Solomon Hub في Hamersley Ranges، وهي واحدة من أكبر مشاريع خام الحديد في العالم التي تضم Kings Valley ومنجم Firetail القريب 20 mtpa ؛ توسعة منجم كريسماس كريك إلى 50 مليون طن سنويًا ؛ والتوسعات الرئيسية لموانئ Fortescue العالمية ومرافق السكك الحديدية.

يتطلب معدل إنتاج يبلغ 1000 مليون طن سنويًا زيادة كبيرة في الإنتاج من المناجم الحالية وفتح عدد كبير من المناجم الجديدة. علاوة على ذلك، ستكون هناك حاجة أيضًا إلى زيادة كبيرة في قدرة البنية التحتية للسكك الحديدية والموانئ. على سبيل المثال، ستكون شركة ريو مطالبة بتوسيع عملياتها في الموانئ في دامبير وكيب لامبرت بمقدار 140 مليون طن في السنة (من 220 مليون طن في السنة إلى 360 مليون طن في السنة). ستكون BHP مطلوبة لتوسيع عمليات ميناء Port Hedland بمقدار 180 مليون طن في السنة (من 180 مليون طن في السنة إلى 360 مليون طن في السنة). ستكون شركة FMG مطلوبة لتوسيع عملياتها في الموانئ في Port Hedland بمقدار 100 مليون طن في السنة (من 55 مليون طن في السنة إلى 155 مليون طن في السنة). ويمثل ذلك زيادة قدرها 420 مليون طن سنويًا في سعة الموانئ من قبل الشركات الثلاث الكبرى ريو، و BHP، و FMG وحوالي 110 مليون طن سنويًا من المنتجين غير الرئيسيين. بناءً على قاعدة التجربة البالغة 50 مليون طن / سنة لكل شاحنة قلابة،[31] ستكون سعة السكك الحديدية الجديدة مطلوبة أيضًا. استنادًا إلى قاعدة الإبهام البالغة 100 مليون طن في السنة لكل خط سكة حديد، فإن زيادة الإنتاج بحوالي 500 مليون طن في السنة تتطلب خمسة خطوط سكة حديد فردية جديدة. أحد السيناريوهات هو خط سكة حديد إضافي لجميع التخصصات: BHP (من مسار مزدوج إلى ثلاثي)، وريو (مسار مزدوج إلى ثلاثي)، و FMG (مسار فردي إلى مزدوج) وخطان جديدان على الأقل. Hancock Prospecting لديها مؤخرًا بدأت الإنتاج من منجم ركاز الحديد روي هيل الواقع شمال نيومان. تضمن هذا المشروع تطوير رواسب روي هيل، وإنشاء خط سكة حديد بطول 344 كم ومنشأة ميناء بإنتاجية سنوية تبلغ 55 مليون طن وريال قطري وطني لخدمة المنتجين غير الرئيسيين، اعتبارًا من ديسمبر 2015 بسبب انخفاض سعر خام الحديد تم تعليق هذه الخطط إلى أجل غير مسمى.[32][33]

يحتاج معدل الإنتاج 1000 مليون طن سنويًا إلى مزيد من الدراسة من قبل المؤيدين والحكومة. تشمل المجالات التي تحتاج إلى مزيد من الدراسة مساحة ميناء جديدة في Anketell لخدمة مناجم West Pilbara، والنمو في Port Hedland (أعلنت BHP عن تطوير ميناء خارجي في Port Hedland)، وترشيد السكك الحديدية ومتطلبات الموافقة التنظيمية لفتح وصيانة الاضطرابات الأرضية البصمة التي تدعم 1000 مليون طن / سنة من الإنتاج بما في ذلك، من بين أمور أخرى، ملكية السكان الأصليين وتراث السكان الأصليين ونتائج حماية البيئة.

الولايات المتحدة الأمريكية

في عام 2014، أنتجت المناجم في الولايات المتحدة 57.5 مليون طن متري من خام الحديد بقيمة تقدر بـ 5.1 مليار دولار.[34] تعدين الحديد في الولايات المتحدة يمثل 2% من إخراج خام الحديد في العالم. في الولايات المتحدة، هناك مناجم خام حديدية ذات 12 من الألغام التي تحتوي على تسعة مناجم حفرة مفتوحة وثلاثة عمليات استصلاح. كانت هناك أيضا عشرة نباتات كريات، تسعة مصانع تركيز، ومصانعان حديدين من الحديد المباشر ومصنع نغمات حديد واحد يعملان في عام 2014.[34]في الولايات المتحدة، يقع معظم تعدين خام الحديد في نطاقات الحديد حول بحيرة سوبيريور. نطاقات الحديد هذه تحدث في ولاية مينيسوتا Michigan التي شكلت مجتمعة 93 % من خام الحديد القابل للاستخدام المنتج في الولايات المتحدة في عام 2014. توجد سبعة من المناجم المفتوحة التسعة العاملة في الولايات المتحدة في مينيسوتا بالإضافة إلى اثنين من عمليات استصلاح المخلفات الثلاثة. يقع المنجمان النشطان الآخران في حفرة مكشوفة في ميشيغان، وفي عام 2016 تم إغلاق أحد المنجمين.[34] وكانت هناك أيضا مناجم خام الحديد في ولاية يوتا وألاباما. ومع ذلك، تم إغلاق آخر منجم لخام الحديد في ولاية يوتا في عام 2014[34] وتم إغلاق آخر منجم لخام الحديد في ولاية ألاباما في 1975.[35]

كندا

في عام 2017، أنتجت مناجم خام الحديد الكندية 49 مليون طن من خام الحديد في كريات مركزة و 13.6 مليون طن من الصلب الخام. ومن بين 13.6 مليون طن تم تصدير 7 ملايين طن، وتم تصدير 43.1 مليون طن من خام الحديد بقيمة 4.6 مليار دولار. من خام الحديد المصدّر 38.5% من الحجم عبارة عن كريات خام الحديد بقيمة 2.3 مليار دولار و 61.5% من خام الحديد المركز بقيمة 2.3 مليار دولار.[36] تأتي غالبية خام الحديد الكندي من منجم نهر ماري، نونافوت ومن شيفيرفيل، كيبيك.[36]

البرازيل

البرازيل هي ثاني أكبر منتج لخام الحديد وأستراليا هي الأكبر. في عام 2015 صدرت البرازيل 397 مليون طن من خام الحديد القابل للاستخدام.[34]في ديسمبر 2017، صدرت البرازيل 346,497 طنًا متريًا من خام الحديد ومن ديسمبر 2007 إلى مايو 2018 قاموا بتصدير متوسط شهري قدره 139,299 طنًا متريًا.[37]

صهر

تتكون خامات الحديد من الأكسجين وذرات الحديد مرتبطة ببعضها البعض في جزيئات. لتحويله إلى حديد معدني، يجب صهره أو إرساله من خلال عملية اختزال مباشر لإزالة الأكسجين. روابط الأكسجين والحديد قوية، ولإزالة الحديد من الأكسجين، يجب تقديم رابطة عنصرية أقوى لتلتصق بالأكسجين. يُستخدم الكربون لأن قوة رابطة الكربون والأكسجين أكبر من قوة الرابطة بين الحديد والأكسجين، في درجات الحرارة المرتفعة. وبالتالي، يجب سحق خام الحديد وخلطه مع فحم الكوك، ليتم حرقه في عملية الصهر.

أحادي أكسيد الكربون هو المكون الأساسي لنزع الأكسجين كيميائيًا من الحديد. وبالتالي، يجب الحفاظ على صهر الحديد والكربون في حالة (تقليل) نقص الأكسجين لتعزيز احتراق الكربون لإنتاج CO وليس CO2.

  • انفجار الهواء والفحم (فحم الكوك): 2 C + O 2 → 2 CO
  • أول أكسيد الكربون (CO) هو عامل الاختزال الرئيسي.
    • المرحلة الأولى: 3 Fe 2 O 3 + CO → 2 Fe 3 O 4 + CO 2
    • المرحلة الثانية: Fe 3 O 4 + CO → 3 FeO + CO 2
    • المرحلة الثالثة: FeO + CO → Fe + CO 2
  • تكليس الحجر الجيري: CaCO 3 → CaO + CO 2
  • يعمل الجير كتدفق: CaO + SiO 2 → CaSiO 3

أثر العناصر

يمكن أن يكون لإدراج كميات صغيرة من بعض العناصر تأثيرات عميقة على الخصائص السلوكية لمجموعة من الحديد أو تشغيل المصهر. يمكن أن تكون هذه الآثار جيدة وسيئة، وبعضها سيء بشكل كارثي. تتم إضافة بعض المواد الكيميائية عمدا مثل التدفق مما يجعل الفرن العالي أكثر كفاءة. تتم إضافة البعض الآخر لأنها تجعل المكواة أكثر مرونة أو أكثر صلابة أو تمنحها بعض الجودة الأخرى المرغوبة. يحدد اختيار الخام والوقود والتدفق كيف يتصرف الخبث والخصائص التشغيلية للحديد المنتج. من الناحية المثالية، يحتوي خام الحديد على الحديد والأكسجين فقط. في الواقع هذا نادرًا ما يحدث. عادة، يحتوي خام الحديد على مجموعة من العناصر التي غالبًا ما تكون غير مرغوب فيها في الفولاذ الحديث.

السيليكون

السيليكا ( SiO

2) موجود دائمًا تقريبًا في خام الحديد. يتم التخلص من معظمها أثناء عملية الصهر. في درجات حرارة أعلى من 1300 درجة مئوية (2370 درجة فهرنهايت) سيتم تقليل بعضها وتشكيل سبيكة مع الحديد. كلما زادت سخونة الفرن، زاد وجود السيليكون في الحديد. ليس من غير المألوف العثور على ما يصل إلى 1.5% Si في الحديد الزهر الأوروبي من القرن السادس عشر إلى القرن الثامن عشر.

التأثير الرئيسي للسيليكون هو تعزيز تكوين الحديد الرمادي. الحديد الرمادي أقل هشاشة وأسهل في التشطيب من الحديد الأبيض. يفضل لأغراض الصب لهذا السبب. ذكر تيرنر (1900، ص 192 - 197) أن السيليكون يقلل أيضًا من الانكماش وتشكيل الثقوب، مما يقلل من عدد المسبوكات السيئة.

الفوسفور

للفوسفور (P) أربعة تأثيرات رئيسية على الحديد: زيادة الصلابة والقوة، وانخفاض درجة حرارة المواد الصلبة، وزيادة السيولة، وقصر البرودة. اعتمادًا على الاستخدام المخصص للحديد، تكون هذه التأثيرات إما جيدة أو سيئة. غالبًا ما يحتوي خام المستنقع على نسبة عالية من الفوسفور ( جوردون 1996، ص 57).

تزداد قوة وصلابة الحديد مع زيادة تركيز الفوسفور. 0.05% من الفوسفور في الحديد المطاوع يجعلها صلبة مثل الفولاذ الكربوني المتوسط. يمكن أيضًا تقوية الحديد عالي الفوسفور بالطرق على البارد. يكون تأثير التصلب صحيحًا لأي تركيز للفوسفور. فكلما زاد الفسفور، أصبح الحديد أكثر صلابة وزادت قوته بالمطرقة. يمكن لصانعي الفولاذ الحديث زيادة الصلابة بنسبة تصل إلى 30%، دون التضحية بمقاومة الصدمات من خلال الحفاظ على مستويات الفوسفور بين 0.07 و 0.12%. كما أنه يزيد من عمق التصلب بسبب التبريد، ولكنه في نفس الوقت يقلل أيضًا من قابلية ذوبان الكربون في الحديد عند درجات الحرارة العالية. هذا من شأنه أن يقلل من فائدته في صنع الفولاذ المنفّط (تدعيم)، حيث تكون سرعة وكمية امتصاص الكربون هي الاعتبار الأول.

إضافة الفوسفور لها جانب سلبي. عند التركيزات الأعلى من 0.2% يصبح الحديد قصير البرودة بشكل متزايد أو هش في درجات الحرارة المنخفضة. قصير بارد مهم بشكل خاص لقضيب الحديد. على الرغم من أن حديد البار عادة ما يعمل ساخنًا، إلا أن استخداماته تتطلب غالبًا أن يكون صلبًا وقابلًا للانحناء ومقاومًا للصدمات في درجة حرارة الغرفة. إن كسر المسمار عند اصطدامه بمطرقة أو عجلة عربة تنكسر عندما اصطدم بحجر لن يُباع جيدًا. تركيزات عالية بدرجة كافية من الفوسفور تجعل أي حديد غير قابل للاستخدام ( Rostoker & Bronson 1990، ص. 22). تتضخم آثار قصر البرودة حسب درجة الحرارة. وبالتالي، قد تصبح قطعة الحديد التي يمكن استخدامها بشكل مثالي في الصيف هشة للغاية في الشتاء. هناك بعض الأدلة على أنه خلال العصور الوسطى، ربما كان لدى الأثرياء سيف عالي الفوسفور في الصيف وسيف منخفض الفوسفور للشتاء ( Rostoker & Bronson 1990، ص 22).

يمكن أن تكون المراقبة الدقيقة للفوسفور ذات فائدة كبيرة في عمليات الصب. يعمل الفوسفور على خفض درجة حرارة السائل، مما يسمح للحديد بالبقاء منصهرًا لفترة أطول ويزيد السيولة. يمكن أن تؤدي إضافة 1% إلى مضاعفة المسافة التي سيتدفق بها الحديد المنصهر ( Rostoker & Bronson 1990، ص 22). يتم تحقيق التأثير الأقصى، حوالي 500 درجة مئوية، بتركيز 10.2% ( Rostocker & Bronson 1990، ص 194). لعمل المسبك تيرنر شعرت أن الحديد المثالي يحتوي على 0.2 - 0.55% فسفور. يتم تعبئة قوالب الحديد الناتجة مع عدد أقل من الفراغات وتقليل تقلصها أيضًا. في القرن التاسع عشر، استخدم بعض منتجي الحديد الزهر المزخرف الحديد مع ما يصل إلى 5 % من الفوسفور. سمحت لهم السيولة الشديدة بصنع مصبوبات معقدة وحساسة للغاية. لكنهم لم يكونوا قادرين على تحمل الوزن، حيث لم يكن لديهم قوة ( Turner 1900، ص 202-204).

هناك نوعان من العلاجات لحديد الفوسفور العالي.الأقدم والأسهل هو التجنب. إذا كان الحديد الذي أنتجه الخام قصيرًا، فسيبحث المرء عن مصدر جديد لخام الحديد. تتضمن الطريقة الثانية أكسدة الفوسفور أثناء عملية الزعنفة بإضافة أكسيد الحديد. عادة ما ترتبط هذه التقنية بالتلطيخ في القرن التاسع عشر، وربما لم يتم فهمها من قبل. على سبيل المثال، يبدو أن إسحاق زاني، مالك شركة مارلبورو لأعمال الحديد، لم يعرف عنها شيئًا في 1772. نظرًا لسمعة زين لمواكبة أحدث التطورات، وكانت هذه التقنية ربما غير معروفة للمصانع الحديد من ولاية فرجينيا وبنسلفانيا.

يعتبر الفوسفور ملوثًا ضارًا لأنه يجعل الفولاذ هشًا، حتى عند تركيزات أقل من 0.6%. لا يمكن إزالة الفوسفور بسهولة عن طريق الصهر أو الصهر، لذا يجب أن تكون خامات الحديد منخفضة بشكل عام في الفوسفور لتبدأ.

الألومنيوم

توجد كميات صغيرة من الألومنيوم (Al) في العديد من الخامات بما في ذلك خام الحديد والرمل وبعض الحجر الجيري. يمكن إزالة الأول عن طريق غسل الخام قبل الصهر.حتى إدخال الأفران المبطنة بالطوب، كانت كمية التلوث بالألمنيوم صغيرة بما يكفي بحيث لم يكن لها تأثير على الحديد أو الخبث. ومع ذلك، عندما بدأ استخدام الطوب في المواقد وداخل الأفران العالية، زادت كمية تلوث الألومنيوم بشكل كبير. كان هذا بسبب تآكل بطانة الفرن بواسطة الخبث السائل.

يصعب تقليل الألمنيوم. ونتيجة لذلك، فإن تلوث الحديد بالألمنيوم ليس مشكلة. ومع ذلك، فإنه يزيد من لزوجة الخبث ( Kato & Minowa 1969، p.37 and Rosenqvist 1983، p. 311). سيكون لهذا عدد من الآثار السلبية على تشغيل الفرن. سوف يؤدي الخبث السميك إلى إبطاء نزول الشحنة، مما يؤدي إلى إطالة العملية. سيجعل الألمنيوم العالي أيضًا من الصعب الاستفادة من الخبث السائل. في أقصى درجات هذا يمكن أن يؤدي إلى فرن متجمد.

هناك عدد من الحلول لخبث الألمنيوم العالي. الأول هو التجنب. لا تستخدم مصدر خام أو جير يحتوي على نسبة عالية من الألومنيوم. تؤدي زيادة نسبة تدفق الجير إلى تقليل اللزوجة ( Rosenqvist 1983، ص 311).

الكبريت

الكبريت (S) هو ملوث متكرر في الفحم. كما أنه موجود بكميات صغيرة في العديد من الخامات، ولكن يمكن إزالته عن طريق التكليس. يذوب الكبريت بسهولة في كل من الحديد السائل والصلب في درجات الحرارة الموجودة في صهر الحديد. آثار حتى كميات صغيرة من الكبريت فورية وخطيرة. كانوا من أوائل من عملوا بواسطة صانعي الحديد.يتسبب الكبريت في جعل الحديد أحمرًا أو ساخنًا قصيرًا (جوردون 1996، ص 7).

الحديد القصير الساخن هش عندما يكون ساخنًا. كانت هذه مشكلة خطيرة لأن معظم الحديد المستخدم خلال القرنين السابع عشر والثامن عشر كان عبارة عن حديد أو حديد مشغول. يتم تشكيل الحديد المطاوع عن طريق الضربات المتكررة بمطرقة وهو ساخن. سوف تتكسر قطعة من الحديد القصير الساخن إذا عملت بمطرقة. عندما تتصدع قطعة من الحديد أو الفولاذ الساخن، يتأكسد السطح المكشوف على الفور. هذه الطبقة من الأكسيد تمنع إصلاح الكراك باللحام. تتسبب الشقوق الكبيرة في تكسير الحديد أو الفولاذ. يمكن أن تتسبب الشقوق الأصغر في فشل الكائن أثناء الاستخدام. تتناسب درجة الحرارة المرتفعة بشكل مباشر مع كمية الكبريت الموجودة. اليوم يتم تجنب الحديد الذي يحتوي على أكثر من 0.03% من الكبريت.

يمكن عمل الحديد القصير الساخن، ولكن يجب أن يعمل في درجات حرارة منخفضة. يتطلب العمل في درجات حرارة منخفضة مزيدًا من الجهد البدني من الحداد أو المسامح. يجب ضرب المعدن مرات أكثر وبصعوبة لتحقيق نفس النتيجة. يمكن عمل شريط ملوث بالكبريت بشكل معتدل، ولكنه يتطلب الكثير من الوقت والجهد.

في الحديد الزهر الكبريت يعزز تكوين الحديد الأبيض. ما يصل إلى 0.5% يمكن أن يقاوم تأثيرات التبريد البطيء والمحتوى العالي من السيليكون ( Rostoker & Bronson 1990، ص 21). الحديد الزهر الأبيض أكثر هشاشة، ولكنه أكثر صلابة أيضًا. يتم تجنبه بشكل عام، لأنه من الصعب العمل، باستثناء الصين حيث تم استخدام الحديد الزهر عالي الكبريت، وبعضها يصل إلى 0.57 %، المصنوع من الفحم وفحم الكوك، في صنع الأجراس والأجراس ( Rostoker، Bronson & Dvorak 1984، p 760). وفقًا لـ Turner (1900، pp.200)، يجب أن يحتوي حديد السبك الجيد على أقل من 0.15% كبريت. في بقية أنحاء العالم، يمكن استخدام الحديد الزهر عالي الكبريت في صناعة المسبوكات، ولكنه يجعل الحديد المطاوع سيئًا.

هناك عدد من العلاجات للتلوث بالكبريت. الأول، والأكثر استخدامًا في العمليات التاريخية وما قبل التاريخ، هو التجنب. لم يتم استخدام الفحم في أوروبا (على عكس الصين) كوقود للصهر لأنه يحتوي على الكبريت وبالتالي يتسبب في تسخين الحديد القصير. إذا نتج عن خام معدن قصير ساخن، يبحث صانعو الحديد عن خام آخر. عندما كان يستخدم الفحم المعدنية لأول مرة في أفران الأوروبية في 1709 (أو ربما قبل ذلك)، وكان ذلك تفحم. فقط مع إدخال الانفجار الساخن من عام 1829 تم استخدام الفحم الخام.

يمكن إزالة الكبريت من الخامات عن طريق التحميص والغسيل. يؤدي التحميص إلى أكسدة الكبريت لتكوين ثاني أكسيد الكبريت الذي إما يتسرب إلى الغلاف الجوي أو يمكن غسله. في المناخات الدافئة، من الممكن ترك خام البيريت في المطر. العمل المشترك من المطر، والبكتيريا، والحرارة أكسدة كبريتيد ل حامض الكبريتيك والكبريتات، والتي هي وترشح للذوبان في الماء ( تيرنر 1900، ص 77). ومع ذلك، تاريخيا (على الأقل)، كبريتيد الحديد (الحديد البايرايت FeS

2)، على الرغم من أنه معدن حديد شائع، إلا أنه لم يتم استخدامه كخام لإنتاج معدن الحديد. كما تم استخدام التجوية الطبيعية في السويد. نفس العملية، بالسرعة الجيولوجية، ينتج عنها خامات الجوسانليمونيت.

تتجلى الأهمية التي تعلق على انخفاض نسبة الكبريت في الحديد من خلال الأسعار المرتفعة باستمرار التي يتم دفعها مقابل الحديد في السويد وروسيا وإسبانيا من القرن السادس عشر إلى القرن الثامن عشر. اليوم لم يعد الكبريت مشكلة. العلاج الحديث هو إضافة المنجنيز. ولكن، يجب أن يعرف المشغل مقدار الكبريت الموجود في الحديد لأنه يجب إضافة خمسة أضعاف كمية المنجنيز على الأقل لتحييده. تعرض بعض المكواة التاريخية مستويات المنجنيز، لكن معظمها أقل بكثير من المستوى المطلوب لتحييد الكبريت ( Rostoker & Bronson 1990، ص 21).

يمكن أن يكون تضمين الكبريتيد في صورة كبريتيد المنغنيز (MnS) سببًا في حدوث مشكلات شديدة التآكل الناجم في الدرجة المنخفضة الفولاذ المقاوم للصدأ مثل فولاذ AISI 304.[38][39] في ظل ظروف الأكسدة وفي وجود الرطوبة، عندما يتأكسد كبريتيد ينتج ثيوكبريتات أنيونات كأنواع وسيطة ولأن أنيون ثيوسلفات له قدرة أكبر على الحركة الكهربية من أنيون كلوريد بسبب سلبيته الكهربائية المزدوجة تهمة، فإنه يعزز نمو الحفرة.[40] في الواقع، يجب تعويض / تحييد الشحنات الكهربائية الموجبة التي يولدها Fe 2+ الكاتيونات المنبعثة في محلول بواسطة Fe الأكسدة على منطقة أنوديك داخل الحفرة بسرعة بالسالب الشحنات الناتجة عن هجرة الحركة الكهربية للأنيونات في الحفرة الشعرية. بعض عمليات الكهروكيميائية التي تحدث في حفرة الشعيرات هي نفسها التي تحدث في الرحلان الكهربائي الشعري. ارتفاع معدل هجرة الأنيون الكهربي، ارتفاع معدل التآكل. يمكن أن يكون النقل الكهربائي للأيونات داخل الحفرة هي الخطوة المحددة للمعدل في معدل نمو الحفرة.[41]

انظر أيضًا

المصادر
  1. http://www.chemguide.co.uk/inorganic/extraction/aluminium.html بالإنجليزية نسخة محفوظة 2020-11-14 على موقع واي باك مشين.
  2. Goldstein؛ Scott؛ Chabot (2009)، "Iron meteorites: Crystallization, thermal history, parent bodies, and origin"، Geochemistry (باللغة الإنجليزية)، 69 (4): 293–325، Bibcode:2009ChEG...69..293G، doi:10.1016/j.chemer.2009.01.002.
  3. Frey؛ Reed (21 سبتمبر 2012)، "The Ubiquity of Iron"، ACS Chemical Biology (باللغة الإنجليزية)، 7 (9): 1477–1481، doi:10.1021/cb300323q، ISSN 1554-8929، PMID 22845493.
  4. E. R.؛ Wells (01 يناير 2014)، Heinrich D.؛ Turekian, Karl K. (المحررون)، Treatise on Geochemistry (Second Edition) (باللغة الإنجليزية)، Oxford: Elsevier، ص. 313–355، doi:10.1016/b978-0-08-095975-7.01115-3، ISBN 978-0-08-098300-4، مؤرشف من الأصل في 25 ديسمبر 2020.
  5. Harry Klemic, Harold L. James, and G. Donald Eberlein, (1973) "Iron," in United States Mineral Resources, US Geological Survey, Professional Paper 820, p.298-299.
  6. Troll, Valentin R.؛ Weis؛ Jonsson؛ Andersson؛ Majidi؛ Högdahl؛ Harris؛ Millet؛ Chinnasamy؛ Kooijman, Ellen؛ Nilsson, Katarina P. (12 أبريل 2019)، "Global Fe–O isotope correlation reveals magmatic origin of Kiruna-type apatite-iron-oxide ores"، Nature Communications (باللغة الإنجليزية)، 10 (1): 1712، doi:10.1038/s41467-019-09244-4، ISSN 2041-1723، مؤرشف من الأصل في 27 فبراير 2021.
  7. Jonsson, Erik؛ Troll؛ Högdahl؛ Harris؛ Weis؛ Nilsson؛ Skelton (10 أبريل 2013)، "Magmatic origin of giant 'Kiruna-type' apatite-iron-oxide ores in Central Sweden"، Scientific Reports (باللغة الإنجليزية)، 3 (1): 1644، doi:10.1038/srep01644، ISSN 2045-2322، مؤرشف من الأصل في 22 نوفمبر 2016.
  8. Guijón, R., Henríquez, F. and Naranjo, J.A. (2011)، "Geological, Geographical and Legal Considerations for the Conservation of Unique Iron Oxide and Sulphur Flows at El Laco and Lastarria Volcanic Complexes, Central Andes, Northern Chile"، Geoheritage، 3 (4): 99–315، doi:10.1007/s12371-011-0045-x، S2CID 129179725، مؤرشف من الأصل في 5 نوفمبر 2020.{{استشهاد بدورية محكمة}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفون (link)
  9. Li؛ Sun؛ Bai؛ Li (15 فبراير 2010)، "Innovative methodology for comprehensive utilization of iron ore tailings: Part 1. The recovery of iron from iron ore tailings using magnetic separation after magnetizing roasting"، Journal of Hazardous Materials، 174 (1–3): 71–77، doi:10.1016/j.jhazmat.2009.09.018، PMID 19782467.
  10. Sirkeci؛ Gül؛ Bulut؛ Arslan؛ Onal؛ Yuce (أبريل 2006)، "Recovery of Co, Ni, and Cu from the tailings of Divrigi Iron Ore Concentrator"، Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review، 27 (2): 131–141، doi:10.1080/08827500600563343، ISSN 0882-7508، S2CID 93632258.
  11. Das؛ Kumar؛ Ramachandrarao (ديسمبر 2000)، "Exploitation of iron ore tailing for the development of ceramic tiles"، Waste Management، 20 (8): 725–729، doi:10.1016/S0956-053X(00)00034-9.
  12. Gzogyan؛ Gubin؛ Gzogyan؛ Mel’nikova (01 نوفمبر 2005)، "Iron losses in processing tailings"، Journal of Mining Science، 41 (6): 583–587، doi:10.1007/s10913-006-0022-y، ISSN 1573-8736، S2CID 129896853.
  13. Uwadiale, G. G. O. O.؛ Whewell (1988-10)، "Effect of temperature on magnetizing reduction of agbaja iron ore"، Metallurgical Transactions B (باللغة الإنجليزية)، 19 (5): 731–735، doi:10.1007/BF02650192، مؤرشف من الأصل في 24 ديسمبر 2020. {{استشهاد بدورية محكمة}}: تحقق من التاريخ في: |تاريخ= (مساعدة)
  14. Uwadiale؛ Whewell (01 أكتوبر 1988)، "Effect of temperature on magnetizing reduction of agbaja iron ore"، Metallurgical Transactions B، 19 (5): 731–735، Bibcode:1988MTB....19..731U، doi:10.1007/BF02650192، ISSN 1543-1916، S2CID 135733613.
  15. Stephens؛ Langston؛ Richardson (01 يونيو 1953)، "The Reduction-Oxidation Process For the Treatment of Taconites"، JOM، 5 (6): 780–785، Bibcode:1953JOM.....5f.780S، doi:10.1007/BF03397539، ISSN 1543-1851.
  16. H.T. Shen, B. Zhou, et al.Roasting-magnetic separation and direct reduction of a refractory oolitic-hematite ore Min. Met. Eng., 28 (2008), pp. 30-43
  17. Gaudin, A.M, Principles of Mineral Dressing, 1937
  18. Graphic from The “Limits to Growth” and ‘Finite’ Mineral Resources, p. 5, Gavin M. Mudd نسخة محفوظة 2016-10-22 على موقع واي باك مشين.
  19. Tuck, Christopher، "Mineral Commodity Summaries 2017" (PDF)، U.S. Geological Survey، مؤرشف من الأصل (PDF) في 20 يناير 2018، اطلع عليه بتاريخ 21 أغسطس 2017.
  20. Tuck, Christopher، "Global iron ore production data; Clarification of reporting from the USGS"، U.S. Geological Survey، مؤرشف من الأصل (PDF) في 8 نوفمبر 2019، اطلع عليه بتاريخ 21 أغسطس 2017.
  21. Iron ore pricing emerges from stone age, Financial Times, October 26, 2009 نسخة محفوظة 2011-03-22 على موقع واي باك مشين.
  22. Iron ore pricing war, Financial Times, October 14, 2009 نسخة محفوظة 30 يناير 2020 على موقع واي باك مشين.
  23. Qazi؛ Qazi (01 يناير 2008)، Natural Resource Conservation and Environment Management، APH Publishing، ISBN 9788131304044، مؤرشف من الأصل في 30 يناير 2020، اطلع عليه بتاريخ 12 نوفمبر 2016.
  24. "The Steel Index > News & Events > Press Studio > 2 February 2011: Record volume of iron ore swaps cleared in January"، مؤرشف من الأصل في 22 مايو 2011، اطلع عليه بتاريخ 12 نوفمبر 2016.
  25. "SMX to list world's first index based iron ore futures"، 29 سبتمبر 2010، مؤرشف من الأصل في 08 يونيو 2019، اطلع عليه بتاريخ 12 نوفمبر 2016.
  26. "ICE Futures Singapore - Futures Exchange"، مؤرشف من الأصل في 13 نوفمبر 2016، اطلع عليه بتاريخ 12 نوفمبر 2016.
  27. mbironoreindex نسخة محفوظة 2021-02-25 على موقع واي باك مشين.
  28. Morgan؛ Anders (1980)، "Chemical composition of Earth, Venus, and Mercury"، Proceedings of the National Academy of Sciences، 77 (12): 6973–77، Bibcode:1980PNAS...77.6973M، doi:10.1073/pnas.77.12.6973، PMC 350422، PMID 16592930.
  29. Brown, Lester (2006)، Plan B 2.0، New York: W.W. Norton، ص. 109.
  30. Bradon Ellem, "A battle between titans? Rio Tinto and union recognition in Australia’s iron ore industry." Economic and Industrial Democracy 35.1 (2014): 185-200.
  31. "Fortescue opens Kings Valley project and celebrates completion of 155 MTPA expansion" (PDF)، FMG، 28 مارس 2014، مؤرشف من الأصل (PDF) في 31 ديسمبر 2014، اطلع عليه بتاريخ 31 ديسمبر 2014.
  32. "QR National evaluates independent rail line for Pilbara"، QR National، 26 أبريل 2012، مؤرشف من الأصل في 30 ديسمبر 2012، اطلع عليه بتاريخ 28 نوفمبر 2012.
  33. Stockwell, Stephen (22 نوفمبر 2012)، "QR's Pilbara rail plan on track"، ABC Rural News، مؤرشف من الأصل في 23 سبتمبر 2016، اطلع عليه بتاريخ 28 نوفمبر 2012.
  34. "USGS Minerals Information: Iron Ore"، minerals.usgs.gov، مؤرشف من الأصل في 09 يناير 2019، اطلع عليه بتاريخ 16 فبراير 2019.
  35. Lewis S. Dean, Minerals in the economy of Alabama 2007Archived 2015-09-24 at the واي باك مشين, Alabama Geological Survey, 2008
  36. Canada, Natural Resources (23 يناير 2018)، "Iron ore facts"، www.nrcan.gc.ca، مؤرشف من الأصل في 20 يونيو 2019، اطلع عليه بتاريخ 16 فبراير 2019.
  37. "Brazil Iron Ore Exports: By Port"، www.ceicdata.com، مؤرشف من الأصل في 13 ديسمبر 2020، اطلع عليه بتاريخ 16 فبراير 2019.
  38. Stewart؛ Williams (1992)، "The initiation of pitting corrosion on austenitic stainless steel: on the role and importance of sulphide inclusions"، Corrosion Science، 33 (3): 457–474، doi:10.1016/0010-938X(92)90074-D، ISSN 0010-938X.
  39. Williams؛ Kilburn؛ Cliff؛ Waterhouse (2010)، "Composition changes around sulphide inclusions in stainless steels, and implications for the initiation of pitting corrosion"، Corrosion Science، 52 (11): 3702–3716، doi:10.1016/j.corsci.2010.07.021، ISSN 0010-938X.
  40. Newman؛ Isaacs؛ Alman (1982)، "Effects of sulfur compounds on the pitting behavior of type 304 stainless steel in near-neutral chloride solutions"، Corrosion، 38 (5): 261–265، doi:10.5006/1.3577348، ISSN 0010-9312.
  41. Rostoker, William؛ Bronson؛ Dvorak (1984)، "The Cast-Iron Bells of China"، Technology and Culture، 25 (4): 750–767، doi:10.2307/3104621، ISSN 0040-165X، مؤرشف من الأصل في 6 يوليو 2019.

روابط خارجية

روابط خارجية باللغة الإنجليزية:

  • بوابة علم الأحجار الكريمة والمجوهرات
  • بوابة علم طبقات الأرض
  • بوابة تعدين
  • بوابة الكيمياء
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.