الملف المعدني: خصائص وخصائص الحديد

يعود استخدام الحديد من قبل البشر إلى حوالي 5000 سنة. وهو ثاني أكثر العناصر المعدنية وفرة في القشرة الأرضية ويستخدم في المقام الأول للإنتاج صلب، إحدى أهم المواد الإنشائية في العالم.

قبل التعمق في التاريخ والاستخدامات الحديثة للحديد ، دعنا نراجع الأساسيات:

• الرمز الذري: Fe
• العدد الذري: 26
• فئة العنصر: معدن انتقالي
• الكثافة: 7.874 غ / سم³
• نقطة الانصهار: 2800 درجة فهرنهايت (1538 درجة مئوية)
• نقطة الغليان: 5182 درجة فهرنهايت (2862 درجة مئوية)
• صلابة محمد: 4

الحديد النقي هو معدن فضي اللون ينقل الحرارة والكهرباء بشكل جيد. الحديد شديد التفاعل بحيث لا يتواجد بمفرده ، لذلك يحدث بشكل طبيعي فقط في قشرة الأرض مثل خامات الحديد ، مثل الهيماتيت والمغنتيت والسيدريت.

واحدة من خصائص تعريف الحديد هو أنه بقوة مغناطيسي. عند تعرضها لمجال مغناطيسي قوي ، يمكن ممغنطة أي قطعة من الحديد. يعتقد العلماء أن قلب الأرض يتكون من حوالي 90 ٪ من الحديد. القوة المغناطيسية التي ينتجها هذا الحديد هي ما يخلق القطبين الشمالي والجنوبي المغناطيسي.

من المحتمل أنه تم اكتشاف واستخراج الحديد في الأصل نتيجة حرق الخشب فوق الخامات المحتوية على الحديد.

من القرن السابع عشر ، حتى اكتشاف طريقة فعالة لإنتاج الصلب في منتصف القرن التاسع عشر ، تم استخدام الحديد بشكل متزايد كمادة هيكلية لصنع السفن والجسور والمباني. تم بناء برج إيفل في عام 1889 باستخدام أكثر من 7 ملايين كيلوغرام من الحديد المطاوع.

إن أكثر سمات الحديد إثارة للقلق هي ميله إلى تكوين الصدأ. الصدأ (أو أكسيد الحديد) هو مركب بني متفتت ينتج عند تعرض الحديد للأكسجين. غاز الأكسجين الموجود في الماء يسرع عملية تآكل. يتم تحديد معدل الصدأ - مدى سرعة تحول الحديد إلى أكسيد الحديد - من خلال محتوى الأكسجين في الماء ومساحة الحديد. تحتوي المياه المالحة على كمية أكبر من الأكسجين من المياه العذبة ، وهذا هو سبب صدأ المياه المالحة الحديد أسرع من المياه العذبة.

يمكن منع الصدأ عن طريق طلاء الحديد بالمعادن الأخرى الأكثر جاذبية كيميائيًا للأكسجين ، مثل زنك (يشار إلى عملية طلاء الحديد بالزنك باسم "الجلفنة"). ومع ذلك ، فإن الطريقة الأكثر فعالية للحماية من الصدأ هي استخدام الفولاذ.

الصلب هو أشابة الحديد والعديد من المعادن الأخرى ، والتي تستخدم لتعزيز خصائص الحديد (القوة ، ومقاومة التآكل ، وتحمل الحرارة ، وما إلى ذلك). يمكن أن يؤدي تغيير نوع وكمية العناصر المخلوطة بالحديد إلى إنتاج أنواع مختلفة من الفولاذ.

أكثر أنواع الفولاذ شيوعًا هي:

• فولاذ الكربون، والتي تحتوي على ما بين 0.5٪ و 1.5٪ كربون: هذا هو النوع الأكثر شيوعًا من الفولاذ ، ويستخدم في هياكل السيارات ، هياكل السفن ، والسكاكين ، والآلات ، وجميع أنواع الدعامات الهيكلية.
• فولاذ منخفض سبائكالتي تحتوي على 1-5٪ معادن أخرى (غالبًا النيكل أو التنغستن): يمكن لصلب النيكل أن يتحمل مستويات عالية من التوتر ، وبالتالي يتم استخدامه غالبًا في بناء الجسور وصنع سلاسل الدراجات. تحافظ فولاذ التنجستن على شكلها وقوتها في البيئات ذات درجات الحرارة العالية ، ويتم استخدامها في التطبيقات الدوارة ، مثل لقم الثقب.
• سبائك الصلب عاليةالتي تحتوي على 12-18٪ معادن أخرى: يستخدم هذا النوع من الفولاذ فقط في التطبيقات المتخصصة بسبب تكلفته العالية. أحد الأمثلة على سبائك الصلب العالية هو الفولاذ المقاوم للصدأ ، والذي يحتوي غالبًا الكروم والنيكل ، ولكن يمكن مزجها مع معادن أخرى مختلفة أيضًا. الفولاذ المقاوم للصدأ قوي للغاية ومقاوم للتآكل.

يتم إنتاج معظم الحديد من الخامات الموجودة بالقرب من سطح الأرض.تستخدم تقنيات الاستخراج الحديثة أفران الصهر ، والتي تتميز بأكوامها الطويلة (الهياكل الشبيهة بالمدخنة). يسكب الحديد في المداخن مع فحم الكوك (الفحم الغني بالكربون) والحجر الجيري (كربونات الكالسيوم). في الوقت الحاضر ، يمر خام الحديد عادةً بعملية تلبد قبل دخول المكدس. تشكل عملية التلبيد قطعًا من الخام يبلغ حجمها 10-25 مم ، ثم يتم خلط هذه القطع مع فحم الكوك والحجر الجيري.

ثم يتم صب الخام الملبد وفحم الكوك والحجر الجيري في المكدس حيث يحترق عند 1800 درجة مئوية. يحرق فحم الكوك كمصدر للحرارة ، إلى جانب الأكسجين الذي يتم إطلاقه في الفرن ، ويساعد على تكوين غاز أول أكسيد الكربون المختزل. يمتزج الحجر الجيري مع الشوائب في الحديد لتشكيل الخبث. يعتبر الخبث أخف من خام الحديد المنصهر ، لذا فإنه يرتفع إلى السطح ويمكن إزالته بسهولة. ثم يتم سكب الحديد الساخن في قوالب لإنتاج حديد الصب أو تحضيره مباشرة لإنتاج الصلب.

لا يزال الحديد الخام يحتوي على ما بين 3.5٪ و 4.5٪ كربون ،جنبا إلى جنب مع الشوائب الأخرى ، ومن الصعب العمل معها. يتم استخدام عمليات مختلفة لخفض شوائب الفوسفور والكبريت في الحديد الخام وإنتاج الحديد الزهر. الحديد المطاوع ، الذي يحتوي على أقل من 0.25 ٪ من الكربون ، صعب ومرن وقابل للحمل بسهولة ، ولكن إنتاجه أكثر صعوبة وتكلفة من الفولاذ منخفض الكربون.

في عام 2010 ، كان الإنتاج العالمي لخام الحديد حوالي 2.4 مليار طن. وشكلت الصين ، أكبر منتج ، حوالي 37.5٪ من إجمالي الإنتاج ، في حين تشمل الدول المنتجة الرئيسية الأخرى أستراليا والبرازيل والهند وروسيا. تقدر هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية أن 95 ٪ من جميع حمولات المعادن المنتجة في العالم إما من الحديد أو الفولاذ.

كان الحديد ذات مرة المادة الإنشائية الأساسية ، ولكن منذ ذلك الحين تم استبداله بالصلب في معظم التطبيقات. ومع ذلك ، لا يزال الحديد الزهر يستخدم في الأنابيب وأجزاء السيارات مثل رؤوس الأسطوانات ، وكتل الأسطوانات ، وحالات علبة التروس. لا يزال الحديد المطاوع يستخدم لإنتاج عناصر ديكور المنزل ، مثل رفوف النبيذ وحاملات الشموع وقضبان الستائر.