انتاج الحديد والفولاذ

 

انتاج الحديد والفولاذ

تعريف الفولاذ : هو مخلوط من الحديد وعناصر اخرى ويكون اكثر متانة من الحديد 

اول جسر يتم تشيدة من الحديد في منطقة ايرونبريدج في انجلترا

- تبلغ نسبة الحديد في هذا الجسر حوالي 90% 

- تصنع الجسور الحديثة الان من الفولاذ.

رابط تحميل الفيديو

السبيكة

السبيكة : مخلوط يتكون على الاقل من فلزين او من فلز ولا فلز 

وذلك لتحسين الخصائص الفيزيائية.

- يعرف الخام الرئيسي للحديد بالهيماتيت Fe2O3  

- يتم اختزاله بالكربون في الفرن العالي للحصول على الحديد .

الفرن العالي

هو برج فولاذي يبلغ ارتفاعة حوالي 30 متر.

مبطن بطوب مقاوم للحرارة  ( مكون من أكسيد الماغنسيوم ، يتم تبريده بالماء )

عمل الفرن العالي

تتم تعبئة الفرن بالحمولة التي تتكون من خام الحديد 

وفحم الكوك و الحجر الجيري ( كربونات الكالسيوم)

يتم تسخين الحمولة و خلطها مع المزيد من فحم الكوك.

ثم يضخ تيارات قوية من الهواء الساخن عبر ثقوب تقع في أسفل الفرن .

يحترق الكربون في تيارات الهواء الساخن و يصبح الفرن ساخناً جداً .

ويحدث تفاعلان مهما :

C(s)  + O2(g)  --------- CO2(g)

C(s) + CO2(g) ----------- 2 CO(g)

سلسلة التفاعلات التي تحدث في الفرن العالي

يحترق الكربون بشدة عند قاعدة الفرن 

( عند درجة حرارة مقدارها حوالي 1900C )

ثاني اكسيد الكربون ----------- اكسجين + كربون 

C(s) + O2(g) ---------- CO2(g)

يختزل ثاني اكسيد الكربون عندما يصعد عبر الفرن . 

فينتج احادي اكسيد الكربون ( عند درجة حرارة مقدارها حوالى 1000C )

احادي أكسيد الكربون ------------- كربون + ثاني اكسيد الكربون

CO2(g)+ C(s) ------------  2 CO(g)

يحول الحديد الخام باحادي أكسيد الكربون ( عند درجة حرارة مقدارها حوالي 600C )

 ثاني اكسيد الكربون + حديد --------- احادي اكسيد الكربون + اكسيد الحديد

 Fe2O3(s)  +  3CO(g)  ---------------- 2 Fe(s) + 3CO2(g)

ازالة الشوائب من الحديد الخام

الرمل ( السيليكا SiO2   ) من الشوائب الرئيسية في الحديد الخام 

يتم ازالتة عن طريق إضافة الحجر الجيري ( كربونات الكالسيوم ) 

إلى الفرن  الذي يتفكك بفعل الحرارة إلى الجير الحي ( أكسيد الكالسيوم) 

ثاني اكسيد الكربون + اكسيد الكالسيوم -----------  كربونات الكالسيوم

CaCO3(s) ------------ CaO(s) + CO2(g) 

سيليكات الكالسيوم ----------- ثنائي أكسيد السيليكون + أكسيد الكالسيوم

CaO(s) + SiO2(s) ------------ CaSiO3(l)

وتكون سيليكات الكالسيوم على هيئة مصهور

تتدفق نحو قاع الفرن وتشكل طبقة منصهره فوق الحديد 

لا تختلط معه لأن كثافتها أقل منه . وتسمى الخبث و تجمع بشكل منفصل .

الغازات العادمة الساخنة تتسرب من اعلى الفرن .

وتستخدم كمحولات ( مبادلات) حرارية لتسخين الهواء الداخل إلى الفرن 

مما يقل تكاليف الطاقة المستخدمة ويكون استخلاص الحديد عملية متواصلة.

صناعة الفولاذ 

الحديد الناتج من الفرن العالي يسمى الحديد الصلب

 أو الصلب هو غير نقي حيث يحتوي على 4% من

 الكربون بالاضافة الى شوائب اخرى .

 هذه النسبة من الكربون تجعل الحديد هشاً .

يستخدم معطم الصلب الخام الناتج في 

صناعة الفولاذ حيث تتم أكسدة ما يحتوي

 عليه من الكربون خلال عملية الأكسجين الاساسية .

عملية الاكسجين الاساسية

تتم فيها اكسدة الكربون الذي يوجد في الحديد الصلب باستخدام : 

1- خزانة ابخرة قابلة للإزالة.

2- خرطوم مبرد الماء يوفر الأكسجين

- تتم هذه العملية على عدة مراحل 

مراحل صناعة الفولاذ ( عملية الأكسجين الأساسية )

المرحلة (أ) 

1- تتم اولا تعبئة الفرن المائل بالحديد الخام المنصهر من الفرن العالي 

2- تضاف مخلفات ( خردة ) الفولاذ إلى الصلب المنصهر لإعادة تدويرها.

حيث تذوب و تمتزج بالحديد غير النقي .

المرحلة (ب) 

1- يضاف الجير الحي ( اكسيد الكالسيوم ) 

إلى المخلوط وتوضع خزانة جمع الأبخرة فوق الفرن .

2- يضخ الاكسجين بسرعة عالية في الوعاء عبرخرطوم مبرد بالماء .

3- يتم حرق بعض الشوائب مثل الكربون والكبريت 

وتتحول الى اكاسيدها التي تكون غازات

 فتنفصل عن المخلوط المنصهر وتخرج من الفرن كغازات.

يحرق الكربون على شكل غازي احادي اكسيد الكربون

 وثاني اكسيد الكربون اللذين يخرجان عبر 

خزانة جمع الأبخرة ويبقي الفولاذ المنصهر غيرالنقي .

المرحلة (ج)

توجد شوائب اخرى مثل السيليكون والفوسفور

 وهي تحترق لإنتاج أكاسيد لكنها غير غازية بل حمضية.

تتم معادلتها بإضافة الجير .

تشكل هذه الشوائب خبث يطفو فوق الفولاذ المنصهر.

يسكب بامالة الفرن في اتجاه واحد.

فيتدفق من صنبور في جانب الفرن .

عند الانتهاء من سكب الفولاذ المنصهر تتم إمالة الفرن في الاتجاه الاخر لسكب الخبث .

ثم يصبح الفرن جاهزاً للشحنة التالية.

معلومه

يمكن تصنيع انواع مختلفة من الفولاذ اثناء 

العملية بإضافة كميات محددة من 

عناصر انتقالية أخرى مثل 

الكروم و النيكل والتنغستين إلى الفولاذ 

وهو لا يزال منصهراً.