الحديد fe

الحديد
Fe





العدد الذري : 26
الكتلة الذرية : 55.847
درجة الإنصهار : 1535 درجة مئوية
درجة الغليان : 2750 درجة مئوية
الكثافة : 7.86 جم/سم3
نصف القطر الذري : 1.16 انجستروم
عدد الأكسدة : +2 , +3
التوزيع الألكتروني : Ar].3d6.4S2 ]





تاريخ الحديد ووجوده في الطبيعة



يعود اصل التسمية الى الاتينية Ferrum

الهيماتيت Fe2O3

الماجنيتيت Fe3O4

الليمونيت Fe2O3.3H2O

السيدريت FeCO3

البيريت FeS2





انتاج الحديد



يتم انتاج الحديد باستخدام ثلاث تقنيات اساس هي:


أ‌-الفرن العالي


يمكن توضيح تقنية انتاج الحديد بواسطة الفرن العالي في الخطوات التالية:
1-يدخل تيار من الهواء الساخن (1350 درجة مئوية) الى داخل الفرن عبر انابيب النفخ الواقعة اسفله , حيث يتفاعل الاكسجين مع الكوك مكوناً CO مما يؤدي الى رفع درجة حرارة الوسط الى 2200 درجة مئوية . ويستهلك الكوك- المتواجد في المنطقة الواقعة على مستوى انابيب النفخ – الاكسجين الداخل مع تيار النفخ بصورة كاملة مما يمنع الكوك المتواجد في مركز الفرن من التقوز.
2-يصعد غازCO الساخن عبر شقوق الكوك في المنطقة المتماسكة, حيث يتم اختزال اكاسيد الحديد فتنصهر كل مواد الشحنة (ملبدات خام الحديد ,والكوك ,والمواد المساعدة للصهر ) – باستثناء الكوك – وتسيل الى اسفل الفرن , وتتم تفاعلات الاختزال بطريقتين هما :


‌أ-مباشرة


يتم فيها اختزال اكاسيد الحديد المنصهرة وفقاً للتفاعل التالي .


FeOn+nC = Fe+nCO



‌ب-غير مباشرة


يتم فيها اختزال اكاسيد الحديد في حالتها الصلبة بواسطة غازي اول اكسيد الكربون والهيدروجين – الناتج من تفاعل الغاز الطبيعي مع غاز ثاني اكسيد الكربون – وفقاً للتفاعل التالي :


FeOn+n(CO,H2 )= Fe+n(CO2,H2O



وطبقاً للتفاعلات السابقة فانه يتم اختزال اكاسيد الحديد العليا- مثل الهيماتيت والماجنيتيت والووستيت- وكذلك (FeO) بواسطة غاز اول اكسيد الكربون على النحو التالي :



x3Fe2O3+CO---->x2Fe3O4+CO2

Fe3O4+CO---->3FeO+CO2

FeO+CO---->Fe+CO2


3-يغادر غاز القمة- يتكون بصفة اساس من النيتروجين واول وثاني اكسيد الكربون والهيدروجين – الفرن من اربعة منافذ متواجدة اعلاه حيث ينظف ويستخدم 25% - 30% منه في التسخين المسبق لتيار النفخ, و15% -20% لتشغيل النفاخات التوربينية المستخدمة للحصول على تيار النفخ المضغوط , و50%-60% للتسخين في اجزاء اخرى من المصنع .
4-يسيل الحديد المصهور والخبث بهدوء عبر طبقة الكوك نحو الموقد حيث يمتص الحديد المصهور النسبة المسموحة ديناميكي حرارياً من الكربون
( 3.8%-4% ) , ويجمع في البوتقة اسفل الفرن حيث يطفو الخبث على السطح , ويؤخذ الحديد لصبه خارج الفرن مع ازالة بقايا الخبث بكشطها عن سطحه في جهاز السبك .
5-ينقل مصهور الحديد الناتج الى مصنع الفولاذ بواسطة مغارف خاصة مبطنة بمواد مقاومة للحرارة ,او تصب في قوالب صغيرة أما الخبث – يتكون بصفة اساس من مركبات ثاني اكسيد السيليسيوم, واكاسيد الكالسيوم والمغنيسيوم والألمنيوم – فينقل في اوعية من الحديد او الفولاذ, ويكسر بعد تصلبه , ويغربل حيث يستخدم في رصف الطرق , وعمليات العزل الحراري وغيرها من الاستخدامات الاخرى .
6-ينزع الكبريت من الحديد الخام , ويتم ذلك باضافة كميات زائدة من الحجر الكلسي , كما تلعب مساعدات الصهر – مركبات الكالسيوم والمركبات القلوية والمغنيسيوم وخلائطه – دوراً هاماً في نزع الكبريت .


مثال:
يتم فيه نزع الكبريت من الحديد بواسطة كربيد الكالسيوم .

CaC2+S---->CaS+2C

CaC2+1/2O2---->CaO+2C

C+1/2O2---->CO



ب‌-الإختزال المباشر



ويتم فيه اختزال ما يصل الى 92%-95% من اكسيد الحديد الى حديد معدني .
ومن اهم طرق انتاج الحديد الخام بالاختزال المباشر طريقتين هما :


طريقة لورجي


يتم في طريقة لورجي اختزال اكاسيد الحديد في فرن دوار محكم الإغلاق , مبطن بمواد مقاومة للحرارة ومائل من جهة تغذية اللقيم الى جهة التفريغ .



طريقة ميدركس


تعد من اكثر طرق الاختزال المباشر- المعتمد على الغاز – نجاحاً ويتم فيها بصورة مستمرة تحويل الغاز الطبيعي حفزياً الى هيدروجين , واول اكسيد الكربون عند درجة حرارة 900 درجة مئوية بأستخدام تيار جزئي من غاز القمة بعد تنظيفه وتبريده لنزع بخار الماء .



ج‌-الإختزال بالصهر



عبارة عن طرق متعددة المراحل تهدف الى انتاج الحديد السائل بطاقة انتاجية منخفضة, وذلك بالاستخدام المباشر للفحم وبأقل اضرار ممكنة للبيئة
مقارنة بالفرن العالي .


يجري في طريقة الإختزال بالصهر اختزال الخامة اختزالاً اولياً بواسطة الغاز الناتج في وعاء الصهر فتنصهر الخامة مشكلة الحديد الإسفنجي الذي يهبط الى وعاء الصهر حيث تتم اكسدة الفحم لتوليد الطاقة الازمة للصهر .


هناك عدة طرق للإختزال بالصهر من اهمها :


الصهر بالبلازما


وتستخدم فيها الطاقة الكهربائية .


طريقة كوركس


وتفصل فيها مرحلة اختزال خام الحديد عن مرحلة الانصهار في مفاعلين .



قابل للطرق والسحب.
موصل جيد للحرارة والكهرباء.
ثابت في الهواء الجاف وفي الماء غير الحاوي على ثاني اكسيد الكربون والهواء, الا انه يتحول في وجود الماء الحاوي على الهواء او الهواء الرطب الى ما يعرف بالصدأ, والطبقة الناتجة في هذه الحالة مخلخلة وقابلة للقشر وتجعل بالإمكان استمرار تآكل الفلز, لذلك يحفظ الحديد من التآكل بعزله عن الماء والهواء بطبقة من الدهان الزيتي . ويقدر ما يتلف من الحديد في العالم نتيجة التآكل بربع ما ينتج منه .

يتفاعل في الهواء

x3Fe+2O2----->Fe3O4

تفاعل مع الماء

x3Fe+4H2O---->Fe3O4+4H2

يتفاعل مع اللافلزات

x2Fe+3Cl2---->2FeCl3

Fe+S---->FeS

يتفاعل مع حامض الكبريت المخفف

Fe+H2SO4---->FeSO4+H2

يتفاعل مع حامض الكبريت المركز

x3Fe+8H2SO4--->FeSO4+Fe2(SO4)x3+x4SO2+x8H2O

يتفاعل مع حامض الهيدروكلوريك

Fe+2HCl---->FeCl2+H2


استخدامات الحديد


يستخدم الحديد في العديد من الصناعات اهمها ما يلي :

قاطرات وقضبان السكك الحديدية.




السيارات والطائرات والسفن.
الكباري والأنفاق.
الآلات والمعدات الثقيلة.
تشييد المباني والمنشآت.
ابراج خطوط كهرباء الضغط العالي.
المفاعلات النووية.
الخزانات والمواسير والمسامير.
المعدات الحربية والأدوات المعدنية .
المولدات.
صناعة السبائك المختلفة.
صناعة المغناطيسيات.