الحديد المختزل المباشر
يُنتج الحديد المختزل المباشر ( DRI )، والذي يُسمى أيضًا الحديد الإسفنجي ، [ 1 ] من خلال الاختزال المباشر لخام الحديد (على شكل كتل أو كريات أو مسحوق ناعم) إلى حديد بواسطة غاز مختزل يحتوي على الكربون العنصري (المُستخرج من الغاز الطبيعي أو الفحم ) أو الهيدروجين . عند استخدام الهيدروجين كغاز مختزل، لا يُنتج ثاني أكسيد الكربون . وتُعدّ العديد من الخامات مناسبة للاختزال المباشر.
يشير الاختزال المباشر إلى عمليات الحالة الصلبة التي تختزل أكاسيد الحديد إلى حديد فلزي عند درجات حرارة أقل من درجة انصهار الحديد. ويستمد الحديد المختزل اسمه من هذه العمليات، ومن الأمثلة على ذلك تسخين خام الحديد في فرن عند درجة حرارة عالية تتراوح بين 800 و1200 درجة مئوية (1470 إلى 2190 درجة فهرنهايت) في وجود غاز التخليق (مزيج من الهيدروجين وأول أكسيد الكربون ) أو الهيدروجين النقي. [ 2 ]
عملية
يمكن تقسيم عمليات الاختزال المباشر تقريبًا إلى فئتين: عمليات تعتمد على الغاز وعمليات تعتمد على الفحم. في كلتا الحالتين، يهدف هذا الإجراء إلى إزالة الأكسجين الموجود في مختلف أشكال خام الحديد (الخام المصنف، والمركزات، والكريات، وقشور المطاحن، وغبار الأفران، وما إلى ذلك) لتحويل الخام إلى حديد معدني، دون صهره (أقل من 1200 درجة مئوية (2190 درجة فهرنهايت) ).
تُعدّ عملية الاختزال المباشر فعّالة من حيث استهلاك الطاقة. فالصلب المصنوع باستخدام الاختزال المباشر للحديد يتطلب كمية أقل بكثير من الوقود، إذ لا حاجة إلى فرن صهر تقليدي. ويُصنع الصلب عادةً باستخدام أفران القوس الكهربائي للاستفادة من الحرارة الناتجة عن عملية الاختزال المباشر. [ 3 ]
فوائد
طُوّرت عمليات الاختزال المباشر للتغلب على صعوبات أفران الصهر التقليدية . ولا يشترط أن تكون مصانع الاختزال المباشر جزءًا من مصنع متكامل للصلب، كما هو الحال في أفران الصهر. وتُعدّ تكاليف الاستثمار الرأسمالي الأولي وتكاليف التشغيل لمصانع الاختزال المباشر أقل من تكاليف مصانع الصلب المتكاملة، وهي أنسب للدول النامية التي تعاني من محدودية إمدادات فحم الكوك عالي الجودة ، ولكن حيث يتوفر خردة الصلب بشكل عام لإعادة التدوير. وتستخدم العديد من الدول الأخرى أشكالًا مختلفة من هذه العملية.
العوامل التي تساعد على جعل عملية الاختزال المباشر للحديد اقتصادياً:
- يحتوي الحديد المختزل مباشرة على نفس محتوى الحديد تقريبًا الموجود في الحديد الزهر ، وعادة ما يكون 90-94% من إجمالي الحديد (اعتمادًا على جودة الخام)، لذا فهو مادة خام ممتازة للأفران الكهربائية المستخدمة في المصانع الصغيرة ، مما يسمح لهم باستخدام درجات أقل من الخردة لبقية الشحنة أو لإنتاج درجات أعلى من الصلب.
- الحديد المضغوط الساخن (HBI) هو شكل مضغوط من الحديد المختزل المباشر (DRI) مصمم لسهولة الشحن والمناولة والتخزين.
- الحديد المختزل المباشر الساخن (HDRI) هو حديد مختزل مباشر يتم نقله ساخنًا، مباشرة من فرن الاختزال، إلى فرن القوس الكهربائي، مما يوفر الطاقة.
- تستخدم عملية الاختزال المباشر خام الحديد المُحَبَّب أو الخام الطبيعي "الكتلي". ويُستثنى من ذلك عملية الطبقة المميعة ، التي تتطلب جزيئات خام الحديد ذات الأحجام المحددة.
- يمكن لعملية الاختزال المباشر استخدام الغاز الطبيعي الملوث بالغازات الخاملة، مما يغني عن الحاجة إلى إزالة هذه الغازات لاستخدامها في أغراض أخرى. مع ذلك، فإن أي تلوث بالغازات الخاملة في غاز الاختزال يقلل من جودة تيار الغاز وكفاءة العملية الحرارية . كما أن استخدام الغاز الطبيعي ينتج عنه انبعاثات غازات دفيئة.
- تتوفر إمدادات من خام الحديد المسحوق والغاز الطبيعي الخام في مناطق مثل شمال أستراليا ، مما يغني عن تكاليف نقل الغاز. وفي معظم الحالات، يقع مصنع الاختزال المباشر للحديد بالقرب من مصدر للغاز الطبيعي، حيث يكون شحن الخام أكثر فعالية من حيث التكلفة مقارنةً بشحن الغاز.
- للتخلص من استخدام الوقود الأحفوري في صناعة الحديد والصلب، يمكن استخدام غاز الهيدروجين المتجدد بدلاً من الغاز التخليقي لإنتاج الحديد المختزل المباشر والقضاء على انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. [ 4 ]
المضاعفات
الحديد المختزل المباشر عرضة للأكسدة والصدأ إذا تُرك دون حماية، وعادةً ما يُعالج لاحقًا لإنتاج الفولاذ. [ 5 ] كما أن الحديد الخام قابل للاشتعال (فهو قابل للاشتعال التلقائي ). [ 6 ] على عكس حديد الزهر في أفران الصهر ، الذي يُعد معدنًا نقيًا تقريبًا، يحتوي الحديد المختزل المباشر المُستخرج من الخردة على بعض الشوائب السيليسية ، والتي يجب إزالتها في عملية صناعة الفولاذ.
تاريخ
كان إنتاج الحديد الإسفنجي ثم تشكيله أقدم طريقة استخدمت للحصول على الحديد في الشرق الأوسط ومصر وأوروبا ، حيث ظلت قيد الاستخدام حتى القرن السادس عشر على الأقل.
في حين أن أفران الصهر تسمح بإنتاج الحديد عند درجة حرارة فرن منخفضة (حوالي 1100 درجة مئوية أو نحو ذلك)، إلا أنها تنتج الحديد بمعدل أبطأ بكثير من فرن الصهر.
كيمياء
تقوم التفاعلات التالية بتحويل الهيماتيت (من خام الحديد ) إلى مغنيتيت ، والمغنيتيت إلى أكسيد الحديدوز ، وأكسيد الحديدوز إلى حديد عن طريق الاختزال بأول أكسيد الكربون أو الهيدروجين . [ 7 ]
![$$ {\longrightarrow } {}2\,\mathrm {Fe} {\vphantom {A}} _ {\smash[{t}]{3}}\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}{}+ {}\mathrm {CO} {\vphantom {A}}_ {\smash[{t}]{2}}/\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} }}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/449ba065858ded4f4520870f49e7bf84a666cf28)
![$$ {\longrightarrow } {}3\,\mathrm {FeO} {}+{}\mathrm {CO} {\vphantom {A}}_ {\smash[{t}]{2}}/\mathrm {H} {\vphantom {A}} _ {\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} }}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b7802ec709a10cb7d29f5b3d7e922858e31f948e)
![{\displaystyle {\mathrm {FeO} {}+{}\mathrm {CO} /\mathrm {H} {\vphantom {A}} _ {\smash[{t}]{2}}{}\mathrel {\longrightarrow } {}\mathrm {Fe} {}+{}\mathrm {CO} {\vphantom {A}} _ {\smash[{t}]{2}}/\mathrm {H} {\vphantom {A}}_ {\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} }}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f3c96ec288842f7911952f46d536e3385cd6e338)
ينتج عن عملية الكربنة السمنتيت (Fe 3 C):
![// {\vphantom {A}} _ {\smash[{t}]{2}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a46e2173b0af9b765d787748bf9dd5ccf5004231)
![{\displaystyle {3\,\mathrm {Fe} {}+{}2\,\mathrm {CO} {}\mathrel {\longrightarrow } {}\mathrm {Fe} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{3}}\mathrm {C} {}+{}\mathrm {CO} {\vphantom {A}} _ {\smash[{t}]{2}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/cde7715b92ebfe1649f64d2105bcdbde123de8d2)
![{\displaystyle {3\,\mathrm {Fe} {}+{}\mathrm {CO} {}+{}\mathrm {H} {\vphantom {A}} _ {\smash[{t}]{2}}{}\mathrel {\longrightarrow } {}\mathrm {Fe} {\vphantom {A}}_ {\smash[{t}]{3}}\mathrm {C} {}+{}\mathrm {H} {\vphantom {A}} _ {\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} }}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7351fb4cfd6e3a13f80f8d10e9b21b27e69c0e85)
إنتاج
تُعد الهند أكبر منتج للحديد المختزل المباشر في العالم. [ 8 ]
الاستخدامات
لا يُستخدم الحديد الإسفنجي كما هو، وعادةً ما يُعالَج لإنتاج الحديد المطاوع أو الفولاذ. يُخرَج الحديد الإسفنجي من الفرن، الذي يُسمى "المُخَمَّر"، ويُقَرَب مرارًا وتكرارًا بمطارق ثقيلة ويُطوى لإزالة الخبث، وأكسدة أي كربون أو كربيد، ولحام الحديد معًا. تُنتج هذه المعالجة عادةً حديدًا مطاوعًا يحتوي على حوالي ثلاثة بالمائة من الخبث وجزء ضئيل من الشوائب الأخرى. قد تُضاف كميات مُتحكَّم بها من الكربون إلى معالجة لاحقة، مما يسمح بإجراء أنواع مختلفة من المعالجة الحرارية (مثل "التصليد").
يُصنع الحديد الإسفنجي اليوم عن طريق اختزال خام الحديد دون صهره. وهذا يجعله مادة خام موفرة للطاقة لمصنعي الصلب المتخصص الذين كانوا يعتمدون سابقاً على خردة المعادن .
طعام
يُستخدم الحديد المختزل بالهيدروجين كمصدر لمسحوق الحديد الغذائي ، لتدعيم الأغذية ولإزالة الأكسجين . لا يُمتص هذا الشكل العنصري بنفس كفاءة أشكال الحديدوز، [ 9 ] ولكن خاصية إزالة الأكسجين تجعله مرغوبًا. وُضعت معايير النقاء لهذا الاستخدام في عام 1977. [ 10 ]
انظر أيضاً
مراجع
- ملحوظات
- ↑ "ما هو الحديد المختزل المباشر (DRI)؟ تعريفه ومعناه" . Businessdictionary.com. مؤرشف من الأصل بتاريخ 4 يناير 2018. تم الاطلاع عليه بتاريخ 11 يوليو 2011 .
- ↑ "الحديد المختزل المباشر (DRI)" . الرابطة الدولية للمعادن الحديدية. 14 نوفمبر 2019.
- ↑ آر جيه فروهان وآخرون (2000). الحد الأدنى النظري للطاقة اللازمة لإنتاج الصلب (لظروف مختارة)
- ↑ "صناعة الصلب اليوم وغداً" . مؤرشف من الأصل في 20 ديسمبر 2020.
- ↑ "الحديد المختزل المباشر (DRI) - دليل الشحن - أكبر موقع إلكتروني في العالم لإرشادات نقل البضائع" . www.cargohandbook.com . تاريخ الوصول: 18 يونيو 2022 .
- ↑ هاتويغ، مارتن؛ ستين، هنريكوس (2004)، دليل الوقاية من الانفجارات والحماية منها ، وايلي-في سي إتش، الصفحات 269-270 ، رقم ISBN 978-3-527-30718-0.(رابط معطل بتاريخ 24 أكتوبر 2019)
- ↑ "MIDREX" (PDF) .
- ↑ "إحصاءات خفض الانبعاثات المباشرة العالمية لعام 2024" (ملف PDF) . شركة ميدريكس تكنولوجيز. 2024. تم الاطلاع عليه في 2 سبتمبر 2025 .
- ↑ زيمرمان، مايكل ب.؛ وينيتشاجون، باتاني؛ جواشيرابانت، سوبونج؛ هيس، سونيا ي.؛ هارينغتون، ماري؛ تشافاسيت، فيزيت؛ لينش، شون ر.؛ هوريل، ريتشارد ف. (2005). "مقارنة فعالية الوجبات الخفيفة المصنوعة من القمح والمدعمة بكبريتات الحديدوز، أو الحديد الإلكتروليتي، أو الحديد العنصري المختزل بالهيدروجين: تجربة عشوائية مزدوجة التعمية مضبوطة على النساء التايلانديات" . المجلة الأمريكية للتغذية السريرية . 82 (6): 1276-1282 . doi : 10.1093/ajcn/82.6.1276 . PMID 16332661 .
- ↑ شاه، بهاجوان ج.؛ جيرو، ألكسندر؛ بيلونجي، بارثولوميوس (1977). "مواصفات الحديد المختزل كمادة مضافة غذائية" . مجلة الكيمياء الزراعية والغذائية . 25 (3): 592-594 . Bibcode : 1977JAFC...25..592S . doi : 10.1021/jf60211a044 . PMID 858856 .
- فهرس
- Valipour MS, and Saboohi, Y, " دراسة عددية للاختزال غير المتساوي الحرارة للهيماتيت باستخدام الغاز التخليقي: دراسة على نطاق العمود "، Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 15(5), p. 487, 2007.
- Grobler, F. and Minnitt, RCA “ The growing role of direct reduced iron in global steelmaking “, The Australasian Institute and Metallurgy.
روابط خارجية
- تقنيات الهيدروجين
- أوروبا في العصر الحديدي
- حديد
- العمليات المعدنية