المعادن الشخصي: الحديد

يعود استخدام الحديد من قبل البشر إلى حوالي 5000 عام. وهو ثاني أكثر العناصر المعدنية وفرة في قشرة الأرض ويستخدم في المقام الأول لإنتاج الفولاذ ، وهو أحد أهم المواد الهيكلية في العالم.

الخصائص

• الرمز الذري: Fe
• العدد الذري: 26
• فئة العنصر: المعادن الانتقالية
• الكثافة: 7.874 جرام / سم ³
• نقطة الانصهار: 2800 درجة فهرنهايت (1538 درجة مئوية)
• نقطة الغليان: 5182 درجة فهرنهايت (2862 درجة مئوية)
• صلابة محمد: 4

مميزات

الحديد النقي هو معدن فضّي اللون يعمل الحرارة والكهرباء بشكل جيد.

يكون الحديد شديد التفاعل بحيث لا يوجد بمفرده ، لذا لا يحدث إلا بشكل طبيعي في قشرة الأرض مثل خامات الحديد ، مثل الهيماتيت ، والمغنتيت ، والسيداريت.

واحدة من خصائص تحديد الحديد هي أنها مغناطيسية بقوة. مكشوف إلى حقل مغناطيسي قوي ، أي قطعة من الحديد يمكن أن تكون ممغنطة. يعتقد العلماء أن قلب الأرض يتكون من حوالي 90٪ من الحديد. القوة المغناطيسية التي ينتجها هذا الحديد هي ما يخلق القطبين المغناطيسيين الشمالي والجنوبي.

التاريخ

من المرجح أن الحديد اكتشفت في الأصل واستخرجت نتيجة حرق الأخشاب على قمة الخامات المحتوية على الحديد. كان الكربون الموجود داخل الخشب يتفاعل مع الأكسجين الموجود في الخام ، تاركًا معدنًا حديديًا ناعمًا. بدأ صهر الحديد واستخدام الحديد لصناعة الأدوات والأسلحة في بلاد ما بين النهرين (العراق الحالي) بين 2700 و 3000 قبل الميلاد. على مدى السنوات اللاحقة 2000 ، انتشرت المعرفة صهر الحديد شرقا في أوروبا وأفريقيا خلال فترة تعرف باسم العصر الحديدي.

منذ القرن السابع عشر ، حتى تم اكتشاف طريقة فعالة لإنتاج الفولاذ في منتصف القرن التاسع عشر ، كان الحديد يستخدم بشكل متزايد كمواد هيكلية لصنع السفن والجسور والمباني. تم بناء برج إيفل في عام 1889 ، باستخدام أكثر من 7 مليون كيلوغرام من الحديد المطاوع.

صدأ

ميزة الحديد الأكثر إثارة للقلق هو ميله لتشكيل الصدأ.

الصدأ (أو أكسيد الحديديك) هو مركب بني ، متفتت ينتج عند تعرض الحديد للأكسجين. يعمل غاز الأكسجين الموجود في الماء على تسريع عملية التآكل . يتم تحديد معدل الصدأ - مدى سرعة تحول الحديد إلى أكسيد الحديديك - من خلال محتوى الأكسجين في الماء ومنطقة السطح من الحديد. تحتوي المياه المالحة على كمية من الأكسجين أكثر من المياه العذبة ، وهذا هو السبب في أن صدأ المياه المالحة الحديد أسرع من الماء العذب.

يمكن منع الصدأ عن طريق طلاء الحديد بمعادن أخرى تكون أكثر جاذبية من الناحية الكيميائية للأكسجين ، مثل الزنك (يشار إلى عملية طلاء الحديد بالزنك باسم " الجلفنة "). ومع ذلك ، فإن الطريقة الأكثر فعالية للحماية ضد الصدأ هي استخدام الفولاذ.

صلب

الصلب هو سبيكة من الحديد والمعادن المختلفة الأخرى ، والتي تستخدم لتعزيز الخصائص (القوة ، المقاومة للتآكل ، تحمل الحرارة وما إلى ذلك) من الحديد. يمكن أن يؤدي تغيير نوع ومقدار العناصر المصنوعة من الحديد إلى إنتاج أنواع مختلفة من الفولاذ.

الفولاذ الأكثر شيوعا هي:

1. فولاذ الكربون ، الذي يحتوي على نسبة تتراوح بين 0.5-1.5٪ كربون. هذه هي الفولاذ الأكثر شيوعا ، وتستخدم لسيارات الهيئات ، هياكل السفن والسكاكين والآلات وجميع أنواع الدعم الهيكلي.
2. سبيكة فولاذية منخفضة ، تحتوي على 1-5٪ من المعادن الأخرى (غالباً النيكل أو التنجستين ). فولاذ النيكل قادر على تحمل مستويات عالية من التوتر ، وبالتالي ، غالبا ما يستخدم في بناء الجسور ولصنع سلاسل الدراجات. يحافظ الفولاذ التنجستن على شكله وقوته في البيئات ذات درجات الحرارة العالية ويستخدم في التأثيرات والتطبيقات الدوارة ، مثل بت الحفر.

1. تستخدم سبائك الفولاذ عالية الجودة التي تحتوي على 12-18٪ من المعادن الأخرى فقط في التطبيقات المتخصصة نظرًا لارتفاع تكلفتها. أحد الأمثلة على سبائك الفولاذ العالية هو الفولاذ المقاوم للصدأ ، والذي غالباً ما يحتوي على الكروم والنيكل ، ولكن يمكن أن يكون سبيكة مع العديد من المعادن الأخرى كذلك. الفولاذ المقاوم للصدأ قوي جدا ومقاوم للغاية للتآكل.

إنتاج

يتم إنتاج معظم الحديد من الخامات الموجودة بالقرب من سطح الأرض. تستخدم تقنيات الاستخلاص الحديثة أفرانًا صخرية تتميز بمداخنها الطويلة (هياكل تشبه المدخنة). يصب الحديد في المداخن مع فحم الكوك (الفحم الغني بالكربون) والحجر الجيري (كربونات الكالسيوم). في الوقت الحاضر ، يمر خام الحديد عادة بعملية تلبد قبل الدخول إلى المكدس. تشكل هذه العملية قطعًا من خام يتراوح قطرها بين 10 و 25 ملم ، ثم يتم خلطها مع فحم الكوك والحجر الجيري.

ثم يتم سكب خام الحديد الملبد وفحم الكوك والحجر الجيري في المكدس حيث يحترق عند درجة حرارة 1800 درجة مئوية. يحرق فحم الكوك كمصدر للحرارة ، بالإضافة إلى الأكسجين الذي يتم إطلاقه في الفرن ، يساعد على تشكيل أول أكسيد الكربون الغازية المختزل. يخلط الحجر الجيري بالشوائب في الحديد لتشكيل الخبث. الخبث أخف من خام الحديد المنصهر ، لذلك يرتفع إلى السطح ويمكن إزالته بسهولة. ثم يتم سكب الحديد الساخن في قوالب لإنتاج الحديد الخام أو تحضيره مباشرة لإنتاج الصلب.

لا يزال الحديد الخنزير يحتوي على ما بين 3.5-4.5٪ من الكربون ، إلى جانب الشوائب الأخرى ، وهو هش ويصعب العمل معه. يتم استخدام عمليات مختلفة من أجل خفض شوائب الفوسفور والكبريت في الحديد الخشن من أجل إنتاج الحديد الزهر. إن الحديد المطاوع ، الذي يحتوي على أقل من 0.25٪ من الكربون ، يكون قاسيًا ومرنًا وملحومًا بسهولة ، ولكنه أكثر إنتاجًا وأكثر كلفة بكثير من الفولاذ منخفض الكربون.

في عام 2010 ، بلغ إنتاج خام الحديد العالمي حوالي 2.4 مليار طن. شكلت الصين ، أكبر منتج ، حوالي 37.5 ٪ من إجمالي الإنتاج ، في حين أن الدول الرئيسية المنتجة الأخرى تشمل أستراليا والبرازيل والهند وروسيا.

تطبيقات

كان الحديد مادة هيكلية أولية ، ولكن تم استبداله بالصلب في معظم التطبيقات. ومع ذلك ، لا يزال يستخدم الحديد الزهر في الأنابيب ولصنع قطع غيار السيارات ، مثل رؤوس الأسطوانات ، وكتل الأسطوانات وحالات علبة التروس. لا تزال تستخدم الحديد المطاوع لإنتاج عناصر ديكور المنزل ، مثل رفوف النبيذ ، وحاملي الشموع ، وقضبان الستارة.

المراجع

شارع ، آرثر. & Alexander، WO 1944. Metals in the Service of Man . الطبعة ال 11 (1998).
الرابطة الدولية للحديد الخنزير.
المصدر: www.pigiron.org.uk
USGS. خلاصات السلع المعدنية: الحديد والصلب (2011).
المصدر: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/iron_&_steel