الباب الأول: العناصر الانتقالية
استخلاص الحديد من خاماته وسبائك الحديد
استخلاص Fe — OCR + furnace + سبائك.
اضغط أي أداة — لتوليد اختبارات وفلاش كارد وملخصات وتجارب من الدرس تفاعلياً
استخلاص Fe — OCR + furnace + سبائك.
- ✓يتعرف خامات Fe في مصر
- ✓يصف تجهيز وتحميص الخام
- ✓يفسر فرن عالي vs مدركس
- ✓يميز سبائك بينية/استبدالية/مركبة
Fe رابع عنصر وفرة () بعد O, Si, Al. لا يوجد حراً إلا في نيازك (). صلاحية الخام: % Fe · الشوائب · S, P, As الضارة.
اختر فرن عالي أو مدركس. أضف coke وخام وجير — راقب CO وFe المنصهر.
حجم مناسب
كريات للفرn
فصل شوائب
أكسدة شوائب:
غاز طبيعي ~ CH₄
- التخلص من شوائب حديد الفرن
- إضافة عناصر للخواص المطلوبة
- أفران: محولات أكسجينية · فرن مفتوح · فرn كهربائي
حديد الفرن = صلب جاهز
~ C + شوائب — يُنقى ويُحوَّل
عادةً ما تحتوي مصانع الصلب على فرن عالٍ واحد على الأقل يُنتَج من خلاله حديد منصهر من خامات حديد لم يتم تكريرها، مثل الهيماتيت. تُنتِج هذه المصانع الحديد المنصهر، ثم تحوِّل فلز الحديد هذا إلى منتجات سبائك الصلب من خلال عملية صناعة الصلب القاعدية باستخدام الأكسجين. توضِّح الصورة الآتية كيف يمكن لمصنع الصلب إنتاج سبيكة الصلب من مواد خام مثل خامات الحديد وصخور الفحم.
عادةً ما يكون لمصانع الصلب خطوط نقل ممتازة؛ لأنها تحتاج باستمرار إلى كميات كبيرة من الوقود والمواد الخام. وتقع هذه المصانع عادةً بالقرب من السواحل والطرق وخطوط القطارات. وعادةً ما تقع أيضًا في أماكن بعيدة عن المدن العمرانية؛ لأنها قد تُحدِث الكثير من الضجيج والتلوث.
إن مصانع الحديد والصلب أنظمة معقَّدة للغاية تتكوَّن من أنواع مختلفة ومتعدِّدة من الآلات والمباني الضخمة. يوضِّح الشكل الآتي بعض الأجزاء الأكثر أهميةً في معظم مصانع إنتاج الفلزات.
توضِّح الصورة الموجودة في أقصى اليسار المبنى الذي يحتوي على أفران فحم الكوك. يُنتَج فحم الكوك في أفران فحم الكوك، ويُستخدم بعد ذلك مع الحجر الجيري لاستخراج فلز الحديد من خامات الحديد في الفرن العالي.
الخطوة الأولى هي التكسير؛ حيث تُكسَّر القطع الكبيرة من الخام إلى حجم أصغر. يوضِّح الرسم التوضيحي الآتي كيف يمكن استخدام كسارة فكِّية لتكسير الصخور الكبيرة إلى صخور أصغر.
تُستخدم بعد ذلك عمليات مختلفة لإنتاج أكثر تركيزًا من فلز الحديد من الأجزاء الصغيرة من خام الحديد. عادةً ما يزيد تركيز فلز الحديد مع إزالة الشوائب من خلال مجموعة متنوعة من طرق الفصل المغناطيسي والكهربي.
تضمن عملية التلبيد خلط خام الحديد والحجر الجيري وفحم الكوك خلطًا متجانسًا. وتضمن أيضًا أن تكون المواد الملبَّدة بالحجم والشكل المناسبين للفرن العالي. مساحة سطح وحدات التلبيد كبيرة، وتحدث عملية التلبيد بسرعة. توضِّح الصور الآتية كيف يُمكن استخدام وحدات التلبيد لتغيير خواص مساحيق وصخور خليط التلبيد.
ويُعرَف خليط خام الحديد وفحم الكوك والحجر الجيري باسم الشحنة. تنتقل هذه الشحنة على سيور نقل إلى أعلى الفرن العالي. يوضِّح الشكل الآتي كيفية استخدام سيور النقل لنقل خليط الشحنة إلى أعلى الفرن العالي. تعمل سيور النقل هذه طوال النهار والليل، وتنقُل الشحنة باستمرار إلى الفرن العالي.
ويُعرَف خليط خام الحديد وفحم الكوك والحجر الجيري باسم الشحنة. تنتقل هذه الشحنة على سيور نقل إلى أعلى الفرن العالي. يوضِّح الشكل الآتي كيفية استخدام سيور النقل لنقل خليط الشحنة إلى أعلى الفرن العالي. تعمل سيور النقل هذه طوال النهار والليل، وتنقُل الشحنة باستمرار إلى الفرن العالي.
مثال ٢: التعرُّف على المواد الخام اللازمة لإنتاج الحديد
يمكن ملاحظة هذه التفاعلات الكيميائية، بالإضافة إلى أمثلة على بنية الفرن العالي، في الشكل الآتي. هذا الشكل التوضيحي عبارة عن توضيح مبسَّط تمامًا لنوع واحد فقط من الفرن العالي. من المهم أن نُدرك أن الأفران العالية الأخرى يمكن أن تعمل عند درجات حرارة مختلفة قليلًا.
يُفرَّغ الفرن العالي من 10 إلى 20 مرة في اليوم لإزالة الخَبَث المنصهر والحديد المنصهر من قاعدته. على الرغم من أن هذا الخَبَث المنصهر ليس ناتجًا مفيدًا في هذا التفاعل، لا يتم التخلُّص منه؛ لأنه يُستخدم في صناعة الأسمنت، وكذلك في بناء الطرق.
عادةً ما تُوصَف عناصر الفلزات النقية بأنها قابلة للطرق والسحب؛ لأنها تتكوَّن بالأساس من ذرات لها نفس الحجم. ويتم ترتيب الذرات ذات الحجم المتماثل في شبيكة ثلاثية الأبعاد بسيطة نسبيًّا، ومن السهل أن تنزلق طبقة من ذرات الفلز النقي فوق طبقة أخرى من ذرات الفلز النقي. تُوصَف السبائك عادةً بأن قابليتها للطرق والسحب ضعيفة للغاية؛ لأنها تتكوَّن من نوعين مختلفين على الأقل من الذرات، كما أن ذرات السبيكة ليست مرتبة في شبيكة بسيطة. لكل طبقة من ذرات السبيكة بنيتها الفريدة من نوعها التي تختلف عن جميع الطبقات الأخرى، ومن الصعب جدًّا انزلاق طبقة من ذرات السبيكة فوق طبقة أخرى من ذرات السبيكة. يوضِّح الشكل الآتي كيف يمكن أن يتغيَّر تركيب الشبكية البسيطة لعنصر فلزي واحد (A)، إذا خُلِط بعنصر فلزي آخر (B).
المواد القابلة للطرق
سبيكة النحاس-النيكل لونها فضي غير مثير للاهتمام إلى حدٍّ ما، وهي لا تُستخدم مطلقًا في صناعة الحُلي. لكن لها على الأقل بضعة استخدامات مثيرة للاهتمام. إنها مقاوِمة بدرجة عالية للماء المالح، وتُستخدم بانتظام في صنع شبكات الأنابيب والمبادلات الحرارية لأنظمة مياه البحر. يمكن أيضًا استخدام سبيكة النحاس-النيكل في صنع هياكل ورفاص السفن الباهظة الثمن والمكوِّنات الهيكلية الداعمة لمحطات تحلية المياه ومنصات النفط البحري. استَخدمت بعض الدول أيضًا سبيكة النحاس-النيكل المقاوِمة للتآكل بدرجة كبيرة لصنع العملات المعدنية، مثل الفرنك السويسري وعملات كوريا الجنوبية التي قيمتها 500 و100 وون.
يُعَد الذهب فلزًّا ثمينًا للغاية؛ فقد قدَّرته جميع الثقافات تقريبًا ورغبت في اقتنائه لآلاف السنين. إنه فلز شديد اللمعان، وله جمالي مبهج، وقد استخدمه الكثير من الدول شكلًا من أشكال العملة أو طريقةً لتنظيم قيمة الأوراق النقدية. غير أن الذهب الخالص بوجهٍ عام لا يصلح لصنع معظم الحُلي الصغيرة وقطع المجوهرات الصغيرة؛ لأن قابليته للطرق عالية جدًّا وغير صلب بمفرده. عادةً ما يُخلَط الذهب مع كمية صغيرة من عناصر الفلزات النقية مثل النحاس أو النيكل، ليجعلها أكثر صلادة وأكثر مقاومةً للتآكل. عادةً ما تظل كمية فلز الإشابة قليلة؛ لأن سبائك الذهب تختلف عن الذهب كلما زادت كمية الفلزات الأخرى. الذهب الخالص (ذهب 24 قيراطًا) له درجة لون ذهبية جذابة جدًّا، لكن سبائك الذهب لونها أقل جاذبيةً، وهو مزيج من الأصفر والبني أو الفضي.
السبائك البينية لها وبنية مختلفان؛ لأنها تحتوي بوجهٍ عام على ذرات لها خواص ارتباط مختلفة تمامًا وأقطار مختلفة. لا يمكن لذرات العنصرين المختلفين أن تتبادل المواضع في الشبيكة، وينتهي الأمر بأن إحدى هذه الذرات تشغل فجوات الشبيكة للعنصر الآخر. الصلب أحد أمثلة السبيكة البينية المكوَّنة من نسبة مرتفعة نسبيًّا من ذرات الحديد، ونسبة منخفضة نسبيًّا من ذرات الكربون. لا يمكن أن تشغل ذرات الكربون مواضع الشبيكة لذرات الحديد، بل يجب أن تشغل المواضع البينية بين ذرات الحديد المرتبطة بروابط فلزية.
لقد استُخدم الصلب منذ أكثر من مائة عام في صناعة مركبات النقل والمباني الضخمة؛ لأنه أقوى بكثير من الحديد النقي، وليس مكلِّفًا أو يصعب صنعه في مصانع الصلب الكبيرة. ويمكن أيضًا خلط الحديد مع كمية صغيرة من الكربون وغيره من الفلزات، مثل الكروم، لصنع الصلب المقاوم للصدأ. الصلب المقاوم للصدأ متين وقوي للغاية، لكنه أيضًا شديد المقاومة لمعظم أشكال التآكل. يُستخدَم الصلب المقاوم للصدأ في صنع المعدات الجوية والأجهزة الطبية المتطورة؛ ومن ثَمَّ، يجب أن تكون صلدة ومقاومة للتآكل.
لقد أدرك العلماء تدريجيًّا كيف يمكن خلط خواص عنصرين بطرق مختلفة لتكوين مواد مركبة جديدة لها خواص فيزيائية مرغوبة. يُنتج العلماء الآن ما يُسمَّى بالسبائك الذكية التي لها خواص مثيرة للاهتمام، مثل المرونة الفائقة. النتينول سبيكة فلزية تحتوي على التيتانيوم والنيكل، اكتُشفت لأول مرة قبل بضعة عقود من الزمن، ويُستخدم الآن في تقويم الأسنان ودعامات الأوعية الدموية. عادةً ما تُوصَف سبيكة النيتينول بأنها متذكِّرة للشكل؛ لأن لها معامل إجهاد مرتفعًا يمكِّنها من استرجاع شكلها إذا شُوِّهت. النيتينول هو الخيار الأمثل لصنع تقويم الأسنان؛ لأنه يمكن أن يؤثِّر بقوة ضعيفة على الأسنان التي تحتاج إلى التقويم. وهو ما يجعل الأسنان تستقيم ببطء ويحاذي بعضها بعضًا بدقة.
تقاوم سبائك النيتينول بشدة معظم أشكال التآكل، ولن تفسد إذا وضعت في أجزاء مختلفة من جسم الإنسان. تتمتع السبيكة بالعديد من الخواص الفيزيائية المرغوب فيها، لكنها أيضًا مكلِّفة للغاية في تصنيعها، وهذا قد يَحُد من استخدامها في المستشفيات وتقويم الأسنان. وعادةً ما تكون معرَّضة للتشوُّه. يمكن أن تصبح السبيكة ضعيفة ويتجمع بها الكثير من الشقوق بمرور الوقت؛ لأنها تحتوي على بنًى شديدة المرونة لدرجة لا تتحمَّل التغيُّرات البنيوية الكبيرة أثناء عمليات التآكل.
يمكن للعلماء استخدام التمثيلات البيانية لتحديد كيف تعتمد الخواص الفيزيائية لأي سبيكة على تركيبها. ويمكنهم استخدام هذا لصنع مواد سبيكة جديدة لها مجموعة من الخواص الفيزيائية المرغوبة للغاية. يوضِّح الشكل الآتي كيف تعتمد متانة نوع سبيكة ما على وفرة عنصر فلزي غير محدَّد ( X ). تكون قيمة المتانة لهذا النوع من السبائك منخفضة نسبيًّا عندما تحتوي على كمية صغيرة من X، وترتفع قيمة المتانة جدًّا عندما تحتوي على مقدار كبير من X. يمكن استخدام التمثيل البياني لصنع مواد سبيكة لها قيم متانة 100 MPa - 400 MPa. يمكن رسم تمثيلات بيانية للمقارنة لأي نوع من الخواص الفيزيائية تقريبًا. يمكن استخدام التمثيلات البيانية لتحديد العلاقة بين تركيب السبيكة والخواص الفيزيائية، مثل التوصيلية الكهربية والقابلية للطرق ومقاومة التآكل.
هيا نلخِّص ما تعلَّمناه في هذا الشارح.
أسئلة تطبيقية
٠ / ٦CO من coke:
مدركس يستخدم:
FeCO₃ تحميص →
سبيكة بينية:
اختزال:
هيماتيت % Fe: